Karbon – Karbon Kompozitleri

... konulu sunumlar: "Karbon – Karbon Kompozitleri"— Sunum transkripti:

1 Karbon – Karbon Kompozitleri
Mert Akçayiğit Görkem Topsakal Fırat Açık T. Münür Tenekeci

2 Karbon – Karbon Kompozit nedir?
Bu malzeme temelde hava ve uzay taşımacılığında kullanılan termal basınçlı yapısal bileşikler için geliştirilmiştir. Sıcaklık direncine ilaveten, yaklaşık 1,8 g/cm3 olan düşük yoğunluğu geniş alan uygulamaları için önemli bir kriterdir. Bir sürtünme materyali olarak C/C potansiyeli 60’lı yıllarda kabul görmüştür. Son yıllarda, karbon - karbon kompozitler üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bunun sebebi, bu malzemelerin, askeri ve sivil uçaklarda, geliştirilmiş füzelerde ve çeşitli hipersonik uzay taşıtlarında kullanılmasının söz konusu olmasıdır.

3 Bu tip kompozitler, ilk olarak bir uçak freni lameli olarak Concordlarda kullanılmıştır. Bugün, C/C bir fren malzemesi olarak neredeyse tüm Boeing ve Airbus uçaklarında kullanılmaktadır. Özel bir çeşidi ise yarışlarda kullanılmaktadır. C/C şu anda dünya çapında kullanılan fren sistemlerinin yaklaşık olarak %90’ında kullanılmaktadır.

4 Sıcaklık kararlılığı yaklaşık 1800
Sıcaklık kararlılığı yaklaşık ºC olarak oldukça yüksektir ve fakat oksidasyon sadece yaklaşık 400 º C den itibaren başlar. Uçak frenlerinde lamel konfigürasyonunun kullanılma sebebi budur.

5 Karbon – Karbon Kompozitin Üretimi:
Karbon - karbon kompozitler, karbon esaslı matris içersine karbon fiberlerinin yerleştirilmesi ile üretilmektedir. Karbon - karbon kompozitlerde, genellikle karbon fiberleri primer karbon bileşeni olarak kullanılır. Karbon fiberleri arasındaki boşluk, başlıca gaz veya sıvı haldeki karbon hammaddesi emdirilerek doldurulur. Gaz fazı ile doldurma yöntemi, daha ziyade bir kaç cm kalınlığa varan ince cidarlı parçalara uygulanmakta, buna karşın kalın parçaların üretiminde sıvı faz ile doldurma tercih edilmektedir.

6 Karbon Diskin Üretim Adımları:
Oksidasyon Öncesi Fırında Karbonizasyon Ara üretim Yüksek sıcaklıklarda süzülme işlemi Son üretim

7 Gaz Fazı ile Doldurma Bu proseste, fiberlerin üzeri, kimyasal buhar çökelmesi (CVD) sonucu pirolitik karbonla kaplanır. CVD yöntemi, karbon fiberle dokunmuş malzemenin şeklini bozmadan uygulanabilir. CVD yönteminde, karbon fiberden dokunmuş ve şekillendirilmiş kumaş, °C gibi yüksek sıcaklıkta hidrokarbon gazı (genellikle, metan, fakat propan ve benzen gibi gazlarda kullanıla bilinir) geçirilerek uygulanır. Gazın parçalanması sonucu oluşan karbon, malzemenin yüzeyine ve iç kısmına çökelir. Ayrışma sıcaklığına ve gazın girişine göre üç farklı CVD yöntemi mevcuttur.Bunlar; — İzotermal, — Termal gradyan ve, — Basınç gradyanı yöntemleridir.

8 İzotermal yöntemde, fiberle dokunmuş malzeme elektrik rezistanslı veya indüksiyon fırınında ısıtılır. Bu yöntemde, malzemenin dış yüzeyinde çökelme eğilimi mevcuttur ve neticede yüzeyde kabuklanma meydana gelir. Termal gradyan yönteminde, doldurulacak bölge, ısıtılan bir mandrel ile desteklenir. Böylece, malzemenin alt yüzeyi en sıcak bölge olup çökelme tercihen burada meydana gelir ve yüzeyde yer alan kabuklanma önlenmiş olur. işlem sırasında çökelme alt yüzeyden başlayarak radyal olarak ilerler. Basınç gradyanı yönteminde, malzemenin içersine gaz basılarak çökelmenin iç kısımda olması sağlanır.

9 Karbon-Karbon Kompozitlerin Özellikleri
Karbon karbon kompozitlerde her iki bileşen de karbon olmasına rağmen, matris amorf karbondan grafite kadar değişim gösterebilmektedir. Bu nedenle, karbon - karbon kompozitlerin özellikleri geniş bir aralıkta değişmektedir. Kompozitin özellikleri, ayrıca kullanılan fiberlerin özellikleri ve uygulanan ısıl işleme de bağlıdır.

10 Karbon - karbon kompozitlerinin her iki bileşeni gevrek davranış gösterir ve uzamaları %2'nin altındadır. % 2'nin üzerindeki değerler ancak fiber oriyantasyonunun (yönlendirmesinin) uygulanan gerilme yönünde olması ile elde edilir, Ticari olarak üretilen farklı karbon - karbon kompozitlerinin tipik mekanik özellikleri Tablo 1'de verilmiştir.

11 Karbon - karbon kompozitler hafif refrakter yapısal malzeme olarak diğer yüksek sıcaklık yapısal malzemelere kıyasla üstündür. Şekil 8'de çeşitli yüksek sıcaklık malzemelerinde çekme mukavemeti - yoğunluk oranının sıcaklığa bağlı olarak değişimi görülmektedir.

12 Karbon – karbon kompozitlerin yüksek sıcaklıklarda özgül mukavemetlerini koruyabilmeleri bu malzemeleri yüksek sıcaklık yapısal malzemesi olarak kullanılmalarına imkan vermektedir. Şekil-2’de, 2-boyutlu karbon - karbon kompozitlerin, özgül mukavemetlerinin sıcaklıkla değişimi, süper alaşımlarla birlikte gösterilmiştir. Grafitte kuvvetli kovalent bağların bulunması, karbon atomunun difüzyonunun diğer metal atomlarına kıyasla düşük olmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla, grafitin sürünme özellikleri de diğer malzemelere kıyasla üstündür.

13 Karbon – Karbon Kompozitlerinin Kaplanması
Grafitin üstün özellikleri nedeniyle 2000°C‘ nin üzerindeki sıcaklıklarda kullanılan tahrik sistemleri için fevkalade uygun bir malzeme olmaktadır. Ancak, grafit bu tür uygulamalarda oksitleyici ortamda oksitlene bilmektedir. Dolayısıyla, karbon – karbon kompozitlerin seramikle kaplanması gerekmektedir. Uzay mekiğinin burun ve kanat uçlarında kullanılan karbon - karbon kompozitin oksidasyonunu önlemek için önce SiC kaplaması yapılmakta v e bunun üzerine silikat sırrı SiC tozu ile karıştırılarak uygulanmakta dır. Bu işlemde, karbon - karbon kompozit, silisyum buharı ile temas ederek SiC tabakasının oluşması sağlanmıştır. Sırlama ise, ticari sıvı – silikat ile gerçekleştirilmiştir. Halen bu yöntem bor kullanımı ile modifiye edilerek kullanılmaktadır. Silisyum -bazlı seramikler, termal genleşme uyumluluğu ve düşük oksidasyon hızı göstermesi nedeniyle, karbon - kompozitlerin kaplanması için en uygun malzemelerdir.

14 Karbon-Karbon Kompozitlerin Kullanım Alanları
Karbon/Karbon kompozitleri esas olarak uçak frenlerinde kullanılmaktadır. Hafiftirler, yakıt tüketiminde tasarruf sağlarlar. Dayanıklıdırlar, bakım maliyetlerini azaltırlar. Güvenlidirler, acil frenleme durumlarında (320 km/saat hızla hareket eden bir airbus 1200 m mesafede durmak zorundadır) 1600 ° C da çalışarak açığa çıkan enerjinin boşalımına izin verirler.

15 Daha hızlı ve ağır uçakları durdurabilmek için yüksek performanslı uçak frenleri gerekmektedir. Normal veya kısa mesafeli duruş gerektiren koşullara uygun, yüksek sıcaklık ve termal şoka dirençli, düşük ısıl genleşmeye sahip, iyi ısıl iletken, yüksek sıcaklık stabilitesine sahip, mükemmel sürtünme ve aşınma direnci gösteren Karbon -Karbon kompozitler kullanılmaktadır. En iyi çelikten (çelik/sermet) 4 kat daha yüksek fren gücü sağlamaktadır.

16 Formula 1 başta olmak üzere tüm motorsporlarında, daha hafif ve daha güçlü olma yarışı devam ederken, ortaya karbon-karbon kompozit malzemeler çıkıyor. Yapılan uygulamalarda karbon-karbon kompozitler frenlerde uygulanarak yüksek güçlü-yüksek ısı dayanımlı bir sonuç elde edilmiş durumdadır. Aynı zamanda bu malzemenin kullanıldığı frenlerde, fren tepkisinin çok daha hızlı, disklerin aşınmaya karşı çok daha dayanıklı olduğu için daha uzun ömürlü olduğu kanıtlanmıştır. Bir Formula 1 aracı, bir düzlüğün sonunda azami hızda (yaklaşık 340 km/saat mil/saat) bir Formula 1 aracı, yavaş geçilmesi gereken bir virajı alabilmek için 3 saniyede 80 km/saat hıza 100 metreden daha az bir mesafede frenleyebilir.

17 Fren Disklerinin Evrimi:
1. Mirage III brake disk of hard-chromed copper (1959) 2. Steel brake disk for a Mirage F1, (1972) 3. Carbon brake disk for the Mirage (2000) 4. Two carbon brake disks and pads from a McLaren F1 car, 2004 and 2005 (Mirage: Fransız yapımı bir savaş uçağı markası

18 Frenleme Sistemi Problemleri
Frenleme sisteminin ana problemi wearing- yıpratıcı dirençtir. Kısmen 150 dereceden düşük sıcaklıklarda, %75i yolculuk sırasında %25 inişte açığa çıkan, uçağın kasasından kaynaklanan parçalanma meydana gelir. Örneğin Formula1’de kullanıldığı gibi disk/hizalama ayarlamsasıyla oksidasyon yipranma artışına neden olur. Bu da disk kalınlığının her yarışa göre tahmin edilerek ayarlanabilmesi demektir. Başka bir problem de ağırlıklı olarak yüksek nemde, residual porosity-çöküntü porozitesi (gözeneklilik)’nin bir sonucu olarak, soğuk sürtünme değerini merkez alarak oluşur ve “early morning etkisi” olarak adlandırılır. Örneğin ilk frenlemede uygun olmayan bir sürtünme değeri gözlenir.düşük yoğunluluğa ek olarak esas avantajı sıcaklık arttıkça artan termal kapasitesidir.

19 Kaynakça Advanced Brake Technology 2003 SAE International
Edited by Bert Breuer and Uwe Dausend