KARBON FİBERLER

Anlatacağımız Başlıklar

§ Karbon fiber nedir ?

§ Tarihçesi

§ Ana maddesi nedir ?

§ Üretimi

§ Karbon liflerinin özellikleri

§ Avantajı ve Dezavantajı

§ Kullanım Alanları

Anlatacağımız Başlıklar

§ Karbon fiber nedir ?

§ Tarihçesi

§ Ana maddesi nedir ?

§ Üretimi

§ Karbon liflerinin özellikleri

§ Avantajı ve Dezavantajı

§ Kullanım Alanları

Karbon Fiber Nedir?

Ø Karbon fiber veya karbon elyaf, Arapça dilinden gelme olan, teknoloji ürünü olan ipliksi türü bir maddedir. Ana bileşimleri Karbonlaşmış akrilik elyaf (Orlon), katran ve naylondur.

Ø Karbon elyaf (ya da karbon fiber) ileri teknoloji ürünü, ipliksi bir tür plastik madde olup Akrilik elyafın belli proseslerden geçirilmesiyle elde edilir.

Ø Yüksek dayanıklılık, düşük yoğunluk, düşük sürtünme ve düşük ağırlık özelliklerinin üstün bileşimi ile uzay ve havacılık sanayii, savunma, otomotiv sanayilerinde, spor gereçlerinde (tenis raketi, board), yapı güçlendirme alanlarında, enerji depolamada tercih edilen bir üründür.

Ø Karbon fiberin yapısı, çelikten 4,5 kat daha hafif olmasına rağmen 3 kat daha dayanıklıdır.

Ø Karbon fiber, naylon gibi esnek ve orlon gibi de orta derecede dayanıklı değildir. Daha sert ve çok daha dayanıklıdır.

KARBON FİBERİN DİĞER MALZEMELERLE KIYASLANMASI

MALZEMEYOĞUNLUK ( g/cm3)

ELASTİK MODÜLÜ( N/mm2)

MUKAVEMET ( MPa )

St-52 7,8 210000 400

Alüminyum 2,7 70000 350

CFK 1,5 75000-180000 1500

Karbon Fiberin Tarihçesi Sanayide yaygın bir kullanımı olan karbon lifleri 19. yüzyılın

sonlarında bulunmuş ve ilk kez ABD'li mucit Thomas Edison'ın 1879'da yaptığı elektrik ampulünde tel (filaman) olarak kullanılmıştır. 1879 yılında aldığı patent karbon liflerinin varlığını gösteren ilk belgedir.

O zamanlar karbon elde etmek için pamuk, bambu ya da yapay ipek lifleri kapalı bir fırında kömürleşinceye kadar yakılıyordu. Ama bu yöntemle elde edilen liflerin mekanik özellikleri yetersizdi.

İlk lif yapısı 1889 yılında oluşturulmuştur .1990’lı yıllarda petrol fiyatlarının hızla düşmesi ve uygun özellikleri nedeniyle karbon liflerinin kullanımı hızla artmıştır.

Kompozit materyallerde karbon liflerinin kullanımı 1960’lı yıllara dayanmaktadır. 1963 yılında yüksek dayanıma sahip karbon liflerinin üretim metotları geliştirilmiş ve 1968 yılından itibaren ticari olarak üretilmeye başlanmıştır

Dünya’daki Üreticiler, Kapasiteleri

2006 yılı itibariyle Dünya da:

n 27.000 ton Karbon Elyaf üretimi olmuştur.

n Sektör değeri 1,3 milyar USD’dır.

n Ana üretici ülkeler: Japonya, Amerika, Almanya, Fransa,Macaristan

Tayvan

Mitsubishi rayon

(Japonya); 3200

Soficar (Fransa); 2600

Hexcel (ABD); 2300

Toho Tenax (Almanya) ;

1900

Toray (ABD) ; 1800

Zoltek (Macaristan);

1907 Diğer; 2591

Cyctec (ABD) ; 1905

Toray(Japonya) ; 5000 Toho Tenax

(Japonya) ; 3700

Toho (ABD) ; 3500

Kullanım Alanlarına Göre Talebin Yıllara Göre Dağılımı- ton/yıl

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

2005 2006 2007 2008 2009 2010

Havacılık&Uçak Endüstriyel Sport&Serbest zaman

Aksa Karbon Elyaf Üretim Tesisi

Kapasite: 1.500 ton/yıl (200 kg/saat), Karbon Elyaf

Fabrika sınırları içinde; 6.000 m2 kapalı alan

KARBON FİBERİN ANA MADDESİ NEDİR? HANGİ LİFLERLE KARBON FİBER

ÜRETİLEBİLİR?

Karbon, yoğunluğu 2.268 gr/cm3 olan kristal yapıda bir malzemedir. Karbon elyaflar cam elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur. Hem karbon hem de grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden üretilirler. Bu malzemeler hammadde olarak bilinirler

Karbon elyafların üretiminde üç adet hammadde mevcuttur. Bunlardan

ilki rayondur (suni ipek). Bu hammadde inert bir atmosferde 1000 - 3000

°C civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem

mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon

elyaflar uygun değildirler.

Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN)

kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme

mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür.

Petrolün rafinesi ile elde edilen zift bazlı elyaflar ise 2069 MPa değerinde

çekme mukavemetine sahiptirler. Mekanik özellikleri PAN bazlı elyaflar

kadar iyi değildir ancak maliyetleri düşüktür. 

Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır:

1-Sürekli Elyaf: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek

yönlü bantlarda, ve prepreg‘ lar da kullanılmaktadır. Bütün

reçinelerle kombine edilebilirler.

2-Kırpılmış Elyaf : genellikle enjeksiyon kalıplamada ve

basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf

yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel

korozyon ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek

sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler.

KARBON FİBER ÜRETİMİ

l Karbon fiber %90’dan fazla karbondan oluşur. Karbon fiber üretimi çoğunlukla iki malzemeden elde edilir:

1. Zift 2. PAN ( poliakrilonitril )

l.Zift tabanlı karbon elyaflar göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılır

Poliakrilonitril (PAN) polimerlerinden hem yaş çekim ve hem de kuru çekim yöntemleriyle lif üretilebilmek mümkün olmakla birlikte, üretimin yaklaşık % 85’i yaş çekim yöntemiyle, kalanı ise kuru çekim yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. 

Yaş çekimle elde edilen liflerin enine kesitleri yuvarlak veya böbrek biçimindedir.Kuru çekimle elde edilenler ise büyük fasülya tanesi kesitini andırır

Kuru ve Yaş Çekim Yöntemiyle PAN Üretimi

Pan Lifinden Karbon Fiber Üretim Aşamaları

1.Oksidasyon:

Bu aşamada elyaflar hava ortamında 300 0C ısıtılır.

Bu işlem, elyaftan H’nin ayrılmasını daha uçucu olan

O‘nin eklenmesini sağlar.

Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek

graphite teknelerine konur.

Polimer, merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına

dönüşür.

Bu işlem sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye

dönüşür,ardından siyah olur.

2.Karbonizasyon:

Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000° C’ye Kadar ısıtılmasıyla

liflerin 100% karbonlaşması sağlanması aşamasıdır. Karbonizasyon

işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler.

3.Yüzey İyileştirmesi:

Karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolit banyoya yatırılır.

4.Kaplama:

Elyafı sonraki işlemlerden (prepreg gibi) korumak için yapılan nötr bir

sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama

İşlemi için epoksi kullanılır.Kompozit malzemede kullanılacak olan

reçine ile elyaf arasında bir arayüz görevi görür.

KARBON LİFLERİNİN ÖZELLİKLERİ VE SINIFLANDIRILMASI

Karbon lifinin özellikleri kullanılan hammadde, üretim

aşamaları ve işlem sıcaklığı ile belirlenmektedir. Bu

Nedenle karbon liflerinin sınıflandırılması yapılırken

bu özellikler dikkate alınarak, modüllerine, gerilim

dayanımlarına ve son işlem sıcaklıklarına göre

yapılmaktadır.

Malzeme Yoğunluk(g/cm3)

ÇekmeDayanımı(Mpa)

Modülüs(GPa)

Carbon 2.00 2900 525

Aliminyum 3.28 1950 297

E camı 2.55 2000 80

S camı 2.49 4750 89

Kevlar 29 1.44 2860 64

Kevlar 49 1.44 3750 136

KARBON FİBERİN AVANTAJLARI

Yüksek Mukavemet: Mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir.

Kalıcı Renklendirme: Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez.

Kolay Şekillendirilme: Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde kaplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar.

Korozyona Ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet: Kompozitler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler.

Titreşim Sönümlendirme: Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok tutabilme özelliği vardır.

DEZAVANTAJLARIKompozit malzemelerde hava zerrecikleri malzemenin

yorulma özelliğini olumsuz etkilemektedir.

Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.

Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir.

Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.

Karbon Elyafının Kullanım Yerleri

Havacılık ve Uzay

Endüstriyel Malzemeler

Askeri Amaçlı Malzemeler

Spor Malzemeleri

Havacılık ve Uzay Uygulamaları

Uçak:

- Uçak gövdesi, kanat ve kuyruklarında

- Tavan, kiriş ve koltuklarda

Roketler:

Enjektör konisi, motor kutusu

Uydular:

Antenler, batarya panelleri

Askeri Amaçlı Malzemeler n Hava Uygulamaları : Uçaklarda (F-22, F/A-18, AV-8B ve B-2)

n Deniz Uygulamaları: Gemi

n Kara Uygulamaları: Zırh uygulamaları,

Tanklar, Silah taşıma kapları,

n Kişisel Koruyucu Ekipmanlar:Zırh, Gözlük, Miğfer

n Uzay araçları: Gövde ve fren diski ve burun

kısmı Titan IV solid rocket motor upgrade

Endüstriyel Malzemeler

Basınçlı kaplarda: Hidrolik/gaz silindirlerinde

Makine parçaları: Rüzgar türbinleri kanatları, Pervaneler, Robot kolları, Dişliler

Taşıma araçlarında

Denizcilik: Yelkenliler, Yarış botları, Gemi direği

Otomobiller: Şaftlar, Yarış arabaları

Hızlı Trenler: Tren gövdeleri

İnşaat Sektörü: Bina ve köprü deprem güçlendirmelerinde

Elektrik/Elektronik malzemelerde: Antenler, Hoparlörler

Proses ekipmanlarda: Borular, Tanklar, Karıştırma ekipmanlarında,

Korozyona dayanıklı malzeme: Pompalar, vb

Spor MalzemeleriBalıkçılık: Oltalar, makaraları

Golf: Golf sopası

Raketler: Tenis

Bisiklet: Tekerlekler, Gövde, Dümen

Motosikletler: Gövde, Kasklar, Susturucular

Diğer: Beyzbol sopaları, Kayaklar, Kendo kılıçları,

Bilardo malzemeleri...

• Aksa Yatırımcıları bilgilendirme toplantısı 11.04.08

• www.kompozit.com.tr

• TÜBİTAK dergisi

• Bilim teknik dergisi

• www.aksaca.com

• www.webhatti.com

• www.uludagsozluk.com

Kaynaklar

9