KARBON-KARBON KOMPOZİTLERİ

... konulu sunumlar: "KARBON-KARBON KOMPOZİTLERİ"— Sunum transkripti:

1 KARBON-KARBON KOMPOZİTLERİ

2 Karbon-Karbon Kompozitlerin Genel Özellikleri
Karbon-Karbon Kompozitlerin Genel Özellikleri Yüksek elastik modül ve yüksek sıcaklık mukavemeti (T > 2000oC de bile mukavemet korunur). Sürünmeye dirençli Kırılma tokluğu çok yüksek. Termal genleşme katsayısı düşük. Yüksek termal iletkenlik Temel kullanım alanları: Roket motorları, yüksek performanslı otomobil frenleri ve hava araçları için sürtünme malzemeleri. Kompleks üretim yöntemlerinden dolayı maliyetleri oldukça yüksektir. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

3 Maksimum çekme gerilmesib (>40 000 psi)
Termal iletkenlik ~ 11 .W/(m.K) Lineer termal genleşme =1.1 x 10-6/oC Yoğunluk <2.990 g/cm3 Elastik modül >69 GPa Ergime noktası >4100 oC

4 Sıcak Presleme (Hot pressing)
C-C Kompozitlerin Üretimi Sıcak Presleme (Hot pressing)  Sıvı Faz İnfiltrasyon (Phase impregnation - LPI)  Kimyasal Buhar İnfiltrasyonu (Chemical Vapor Infiltration - CVI)

5 Sıcak Presleme Tek eksenli veya izostatik presleme yöntemleri kullanılabilir. Karbon preform arasına emdirilen sıvı, gaz veya CVD ile kaplanan fiberler kontrollü atmosferde basınç altında bekletilir. Bekletme yüksek sıcaklık atında yapılır

6  Kömür veya petrol esaslı ziftlerin fiberler arasına
Sıvı Faz İnfiltrasyon (LPI) İki farklı sıvı faz infiltrasyonu:  Kömür veya petrol esaslı ziftlerin fiberler arasına infitrasyonu. (Basınç altında zift, fiberler arasına emdirilir.)  Reçine veya polimerlerden elde edilen karbonun infiltrasyonu. (Genelde fenolik ve epoksi reçineler ikinci bir karboni-zasyondan sonra fiber preformlar arasına emdirilir.)

7 Sıvı Faz İnfiltrasyon Basamakları:
Karbon fiberler 2 veya 3 boyutlu preformlar halinde dizilmiş olarak kalıba yerleştirilir. Genelde bir polimer fiberler arasına emdirilir (70 MPa). İnfiltre edilen karışım vakum veya otoklav sistemi ile polimerize edilir. Kompozit matriksi ısıl işlem ile karbonize edilir. Polimerizasyonla azalan ağırlık ve oluşan poroziteleri azaltmak için kompozit tekrar tekrar polimer ile doldurulup polimerize edilir.

8 Gaz faz İnfiltrasyonu (Kimyasal Buhar İnfiltrasyonu) CVI , CVD
Gaz Faz İnfiltrasyon Basamakları: Proses, gaz hidrokarbonları kullanır (Örnek: metan, propan, propilen). Gazlar preformdaki fiberler arasına gönderilir. Gazlar, düşük basınçtaki (1 psi = 6 KPa) bir fırındaki fiberler arasından geçirilir. Homojen fiberler arası birikim için işlem mümkün düşük sıcaklıkta yapılır 1100°C civarı). Fiberler arasında karbon birikimini arttırmak için Şekil b de olduğu gibi fırın içinde bir basınç gradyanı oluşturulur. Depozisyon hızını arttırmak için işlem esnasında sıcaklık gradyanı oluşturulur (Şekil c)

9 Şekil. Sıvı faz infiltrasyonunda matriks ve fiberlerin hareketlerinin modellenmesi
Şekil. Gaz faz infiltrasyonunda C-C kompozitinin SEM mikroyapısı.

10 Şekil. Fiberler fenolik reçine emdirilerek sıcak preslenen C-C kompozitin yapısı

11 - Tek yönlü dizilmiş - Örgülü kumaşlar - Üç boyutlu preformlar
Fiber dizimleri - Tek yönlü dizilmiş - Örgülü kumaşlar - Üç boyutlu preformlar Şekil. 3-0 Ortogonal olarak takviyeli malzeme birim hücresi

12 Şekil. Tipik 3D blok konstrüksiyon
Şekil. 5-D dizimin şematik gösterilişi.

13 Şekil. Üç boyutlu silindirik dizim
Şekil. Üç boyutlu dizim sonrası üretilen bir C-C kompozit halka

14 C-C Kompozitlerin Uygulanması
Uçak fren diskleri Isıtma boruları Uzaya giren araçlarda Roket motoru nozülleri Kalça kemiği protezleri Biyomedikal implantlar Takım ve kalıplar Motor pistonları Elektronik ısı düşürücüler Otomotiv ve motorlu bisiklet gövdeleri Bisikletler

15 C-C Kompozitlerin Havacılık Uygulanması
Uçak ve Havacılık : NASA termal koruma sistemleri Motor fren diskleri, roket nozülleri, uzay araclarının atmosfere giriş çıkış kalkanları, fren diskleri, ısıtma elemanları vs. Tüm bu uygulamalar yüksek sıcaklık uygulamalarıdır.

16 Uzay mekiği burun konisi
Atmosfere giriş sıcaklığı 3092 K sıcaklıkta olur (sürtünmeden) Uçak fren diskleri Çelikten iki-dört kat daha dayanıklı Spesifik ısısı çelikten 2.5 kat yüksek. Uzay mekiği burun bölgesi kapağı (C-C kompoziti) Fiberler kaplanarak karbon-karbon kompozitlerin yüksek sıcaklıklarda kullanım performansları arttırılabilir. Kimyasal etkilere karşı dayanım, Yüksek sıcaklıklarda oksidasyona dayanım

17 Özellikle uzay ve uçaklarda yüksek sıcaklıklarda çalışan parçalar için fiberler kaplanırlar.
Karbon karbon tabakalar üzerinde değişikliklere gidilmiş (Oksidasyon ile) Özellikle uzay mekiği araçlarında iki tabakalı kaplama ile iç kısımda poroziteli bir tabaka (SiO2 ile izole edilen SiC), dış kısımda yoğun tabaka (SiC partikülleri ilaveli alkali silika camı) C-C kompoziti yüzeyinin modifikasyonu için yüzeye Si esaslı malzemeler difüzyonla emdirilip reaksiyon gerçekleştirilir. Yüzeyde termal koruma tabakası yapılır.

18 Tablo. C-C kompozitleri için literatürde verilen en yaygın ve önemli kaplama malzemeleri ve yöntemlerinin özeti

19

20 Uzay mekiği yüzeyinde C-C kompozit bölgeleri

21 C-C prototip jet uçağı türbin motor kanatçığı
C-C türbin pervanesi

22 C-C otomobil pistonu. Al alaşımı piston örneği ile beraber bir C-C kompozit pistonu. C-C kompozit piston Harley-Davidson motosiklet motoru için geliştirilmiştir.

23 Yarış arabalarında kullanılan C-C debriyaj kavrama ve fren diskleri.
Roket fırlatma rampaları

24 Scim isimli bir uydu araç 2020 yılı içinde Mars atmosferine doğru fırlatılmayı planlanmakta. Scim Mars yüzeyine inip örnekler alarak yılında dünyaya dönecek Scim aracının dış gövdesi C-C esaslı kompozitten yapılmış. Mars ve atmosferin sürtünmeden kaynaklanan ısısına dayanacak ve aynı zamanda yüzeyi toz vs. tutmayacaktır.

25 Son yıllarda içi boş karbon fiberler üretilerek bunlar arasına gaz veya sıvı faz infiltrasyon yöntemleri ile C emdirilmektedir. Çok daha yüksek mekanik ve fiziksel özellikler elde edilmektedir.

26 Şekil. Tipik carbon mikro-bobinler
İçi boş fiberler mikro bobin olarak adlandırılmakta. Karbon mikro-coiller CH4 + Ar atmosferinde OoC.de karbon kaplanarak yoğunlaştırılıp C-C kompoziti yapılır

27 Şekil. Bazı farklı yüksek sıcaklık malzemelerine göre C-C kompozitlerin spesifik mukavemet ve sıcaklık uygulama ilişkileri.