UÇAKLARDA GÖVDE VE KANAT KAPLAMALARINDA KULLANILAN GRAFİT (KARBON) - EPOKSİ KOMPOZİT MALZEMELER

Epoksi Reçine nedir? Gelişmiş kompozitlerde genellikle tercih edilen ve her tür elyaf ile kullanılabilen bir reçinedir. Epoksi grubunun polimerizasyonu ile elde edilir. Farklı formüller kullanılarak özelliklerini büyük ölçüde değiştirmek mümkündür. Uçak sanayinde çok farklı formüllerle geliştirilmiş epoksi reçineler kullanılıyor.

Epoksi Reçinelerin İç Yapısı ve Özellikleri Epoksi Reçineleri: Başlıca polimer matris malzemelerinden biridir. Yüksek sıcaklıklarda, epoksi reçineleri gibi matrisleri kullanmamız gerekir. Epoksi reçineleri Bifenol A ile Epiklorhidridin reaksiyon ürünü olup sertleştirici (katalist) ile karıştırıldığında adi sıcaklıkta veya fırınlama (70 – 90 derece) sonucu belli bir sürede sertleşir ve bir plastik görünümü alır. Önemli özellikleri olarak sıvı, viskoz sıvı veya katı hallerde bulunabilmeleri, elektrik, ısı, kimyasal dirençleri ile mekanik özelliklerinin yüksek olması, hava şartlarından etkilenmemeleridir. Depolanma süreleri oda sıcaklığında 24 aydır.

Grafit (Karbon) Epoksinin Mikroskobik Görünümü

Epoksi reçinelerinin; uzay ve havacılık endüstrisinde kullanılan kompozit malzemelerinin üretilmesinde, çeşitli takviyelere (karbon, cam, bor) matris malzemesi olarak seçilmesini sağlayan özellikleri şunlardır; –Düşük ve yüksek sıcaklıklarda sertleşebilmesi –Yüksek aşınma direnci –Çeşitli yüzeylere iyi yapışabilme –Yüksek kimyasal direnç

Epoksilerin fiziksel ve kimyasal özellikleri; 1. İyi mekanik özellikler, 2. Suya dayanım, 3. Islakken 140ºC, kuruyken 220ºC ‘ye kadar ısı dayanımı, 4. Sertleşme sırasında düşük oranda çekme, 5. Yüksek maliyet, 5 – 25 $/kg. 6. Cilde aşırı zararlı, 7. Doğru karışım son derece önemlidir.

Grafit (Karbon) Epoksinin Oksijen Atomu Etkisiyle İç Yapısının Bozulması

Epoksi Üretim Yöntemleri İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için birçok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemlerden başlıcalar aşağıdadır; Elle yatırma (hand lay-up) Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları kalıp üzerine elle yatırılır ve üzerine sıvı reçine dökülerek elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jelkot sürülür. Jelkot sertleştikten sonra elyaf katları yatırılır. Reçine ise kompozit malzemenin hazır olması için en son sürülür.Elle yatırma yoğun isçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki üretimler için çok uygundur.

Püskürtme (spray-up) Püskürtme yöntemi elle yatırma yönteminin aletli sekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katilmiş reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle ürün hazırlanmış olur. Resim 7. Püskürtme Yöntemi Püskürtme Tabancası

Elyaf Sarma (filament winding) Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur.Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır. Resim 8. Elyaf sarma Makinesi

Reçine Transfer Kalıplama RTM / Reçine Enjeksiyonu Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere göre daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük olmasını sağlar.Bu yöntemi çoğunlukla jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Matris enjeksiyonu soğuk, ilik veya en çok 80ºC’ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir.Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçakları ve F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır. Resim 9. RTM yöntemi

Hazır Kalıplama / Conmpression Molding Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzüde kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi karışık şekiller elde edilebilmektedir. Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır.

Vakum Bonding / Vakum Bagging Kompozit malzeme önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging yöntemi kullanılmaktadır. Vakum bagging

Otoklav / autoclave bonding Vakum bagging yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine yatırmasında basınç uygulanabilir. Fakat bir atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir bir basıncın uygulanabilmesi için dışsal basınca ihtiyaç duyulur.Bunun için, otoklav yönteminde uygulanan ve karmaşık şekillerde en çok kontrol edilebilen metot, dışarıdan sıkıştırılmış gazin kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için yüksek kalitede kompozit üretebilir.Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır.

Preslenebilir takviyeli termoplastik/glass mat reinforced thermoplastics(GMT) Keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka seklinde preslenebilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini tanımlamaktadır. Ekstruderden çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek preslenmeye hazır duruma getirilir.

Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur. Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir. Genellikle epoksi matris içinde sürekli elyaflar kullanılmaktadır. Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukavemet özelliğine sahiptirler. Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir.

Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960'larda başlamıştır (A.B.D'de bor elyaflar, İngiltere'de ise grafit elyaflar). İngiltere'de grafit epoksinin gelişimi çok yavaş olmuştur. Strikemaster'ler için istikamet dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar'ların aerodinamik frenlerinin yapımında kullanılmıştır. 1970'lerin ortalarında A.B.D bor/epoksiden grafit/ epoksiye geçmiştir. Bunun en önemli nedeni maliyet problemidir. 1979/da uçak yapımcıları tarafından "prepreg" adı altında üretilen grafit/epoksi malzemenin maliyeti 40 $/lb iken bor/epoksi'nin maliyeti 180 $/lb'dir. A.B.D'de bu geçiş askeri uçaklarda hızlı olmuştur.

AV-8B uçaklarında ise tüm kanat kaplaması ve yapısal elemanlar grafit/epoksidir. Aynı zamanda yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön 28 kısımlarında ve çeşitli kumanda yüzeylerinde kullanılarak ağırlıktan % 26'lık bir kazanç sağlanmıştır.

F-18'larda grafit/epoksi yatay ve dikey kuyruk yüzeyleri kaplamasında ve kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır. Grafit/epoksi kompozitlerin F-18' lerde kullanımı ise yapısal ağırlığın %10'unu, toplam alanın ise %50'sini oluşturmaktadır.

Avrupa'da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, İtalyan-İngiltere-Almanya yapımı Tornado uçaklarında grafit/epoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır. Fransa yapımı Mirage 2000'lerde ise bor grafit/ epoksi karma kompozitler kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır.

Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra gerçekleştirilmiştir. Ancak bu konuya ilgi hızla artmaktadır. Grafit/epoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727'lerin gövde kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlanmıştır. Boeing 737'lerin aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981'den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır. Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15'lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır.

Airbus A310 yolcu uçağında grafit/epoksi kompozitler istikamet dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır. Aynı uçağın kanat firar kenarı ve irtifa dümeni kevlar/epoksi kompozitten üretilmiştir. A320'lerde bu kısımlara ek olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafit/epoksi kompozitten üretilmiştir.

Grafit (Karbon) Epoksi Kompozit Malzemelerinin Diğer Kullanım Alanları Spor Araçları; Su kayağı; Termoplastik prepreg Kar kayağı; Ahşap üzerine sarılmış karbon, aramid, cam elyafı karışımı+epoksi Kano küreği; (%33 Cam+Poliftalamid) Sörf Tahtaları Golf Sopası; Karbon Fiber+Epoksi Zıpkın Gövdesi; Karbon Fiber+Epoksi Palet; Karbon Fiber+Epoksi

Müzik Aletleri; Sağlık; Keman; Karbon Fiber+Epoksi Akustik Gitar; Grafit-Epoksi Çello; Karbon + Epoksi Sağlık; Tekerlekli sandalye; Cam veya Karbon Elyaf takviyeli Polyester / Epoksi

Kaynaklar; Bilim Teknik, 2000 Haziran Sayısı Özel Ek Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, Cilt 2, Temmuz 2005 Kaya, Şahin, Kompozit Malzemeler ve Cesur Tasarımlar, Yakın Geleceğin Uçakları, Teknik Uygulama, Sayı 11, Ekim 1987. Volkan Kazanç, Kompozit Malzemeler ve Mekanik Özellikleri , 2002 Isparta. Y. Volkan PEHLİVANOĞLU, HAVACILIKTA KULLANILAN PETEK YAPILAR, Hava Harp Okulu Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü

Hazırlayanlar; 1311050005 Mert Manazoğlu 1311050007 Cenk Zeren 1311050025 Mehmet Köse