Karbon fiber, özel olarak işlenmiş yüksek kaliteli poliakrilonitrilden yapılmıştır. Karbon fiber, tümü mikrokristalin grafit yapılar olan her biri 5-7μm çapında 1.000 ila 48.000 karbon filamentine sahiptir. Karbon fiber, kompozit bir malzeme oluşturmak için genellikle reçine ile kürlenir. Metallerden (alüminyum gibi) veya diğer fiber takviyeli kompozit malzemelerden yapılmış parçalarla karşılaştırıldığında, bu karbon fiber parçalar daha hafif ve daha güçlüdür.
Çelikte beş kat daha güçlü yapıya sahip bu malzeme polimer bir yapıdadır, ayrıca grafit fiber olarak da bilinmektedir. Birçoğumuzun sadece adını duydu fakat hakkında detaylı bilgi sahibi olmadığı bu malzeme, mühendisler ve tasarımcılar tarafından birçok sektörde çeşitli malzemelerin üretiminde kullanılan adeta göz bebeği bir maddedir.
Karbon Fiber Ne Zaman Bulundu?
Karbon fiber malzeme ilk kez, Amerika Birleşik Devletlerinin Cleveland yakınlarında bulunmuştur. 1958 yılında bulunan karbon fiber malzeme, bulunduğu yıllarda sadece izolasyon kaplama, filtrasyon malzemelerde ve aydınlatma sektörü gibi kısıtlı alanlarda kullanılmıştır. Fakat bu mükemmel malzemenin yapısı öğrenildikçe çok daha farklı malzemelerin üretiminde kullanılabileceği keşfedildi.
İlerleyen yıllarda Amerikan Hava Kuvvetlerinde kullanılmak üzere, fiberglass kumaş malzemesinin yerini karbonlaştırılmış kumaş tanıtıldı. Bu kullanım sırasında mekanik özellik yapısının diğer malzemelere göre düşük olduğu fark edildi fakat karbon fiber gerçek yapısı bu olamazdı, bunun farkına varan Union Carbide; karbon fiberi işleyip mekanik özellik açısından da karbon fiberi üstün bir malzeme durumuna getirerek tercih edilmesini sağladı.
Karbon Fiber Yapısı
Karbon elyaf bir diğer adıyla karbon fiber ipliksi olarak da bilinen bu teknoloji ürünü; katran, naylon ve orlondan oluşan bir malzemedir. Çeliğe göre 4.5 kat daha hafif, aynı zamanda 3 kat daha dayanıklıdır.
Karbon fiber yapısı itibariyle çeliğe göre hem daha hafif hem de daha dayanıklı olduğu anlaşılınca, kullanılan sektör alanı hızla artış gösterdi.
Karbon Fiber Kullanım Alanları
Karbon fiber birçok alanda kullanılmaktadır. Günden güne farklı sektörler tercih edilen karbon fiberin günümüzdeki kullanım alanları şunlardır:
- Denizcilik
- Elektrik Elektronik
- Havacılık
- İnşaat
- Kamu-Altyapı Uygulamaları
- Otomotiv
- Rüzgâr Enerjisi
- Spor ve Eğlence
- Telekomünikasyon
Karbon Fiberle Neler Yapılabilir?
Karbon fiber malzeme ilk bulunduğundaki kısıtlı kullanım alanına nazaran, şu an çok fazla sektörde çok fazla malzemenin üretiminde kullanılmaktadır. Hafif yapısı, yüksek dayanıklılığıyla çeliği geride bırakan karbon fiber ile neredeyse her şeyi yapmak mümkün. Karbon fiber ile hangi malzemeler yapılabilir birkaçından bahsedelim.
- Bisiklet gövdeleri
- Uçak Kanatları
- Otomotiv tahrik milleri
- Borular
- Kaplar
- Pervane kanatları
- Araba bileşenleri
Görüldüğü gibi karbon fiber malzemeler birçok malzemenin üretiminde tercih ediliyor. Örneğin karbon fiber kompozit kullanılan bir arabayı ele alarak, arabaya ne gibi bir avantaj sağladığından kısaca bahsedelim. Karbon fiber kompozit kullanılan bir binek arabanın ağırlığı %50 azaltılabilir, bu ciddi bir oran, ağırlığı yarı yarıya azalan bir araba, yolcu güvenliğinden ödün vermeden; yüksek performans ve yaklaşık % 35 oranında yakıt verimliliği sağlar.
Karbon Fiberin Avantajları
Havacılıktan, otomotive, eğlence uygulamalarından, askeri malzemelere kadar birçok endüstride tercih edilen karbon fiberin avantajları da oldukça fazladır. Karbon fiberin avantajları şunlardır:
- Sertliği yüksektir.
- Çekme mukavemeti fazladır.
- Hafif yapı / mukavemet oranı yüksektir.
- Kimyasal dayanımı fazladır.
- Aşırı sıcaklıklara karşı toleranslı bir yapıdadır.
- Düşük termal genleşme yapısına sahiptir.
Karbon Fiber Nasıl Üretilir?
Karbon fiber malzemesinin üretilmesi dört aşamadan oluşmaktadır. Oksidasyon, karbonizasyon ( karbonlama ), yüzey iyileştirmesi ve kaplama adımları sonucunda oluşan karbon fiberin üretim basamaklarını detaylıca inceleyelim.
- Oksidasyon
300 °C ‘de ısıtılan elyaflar, hidrojenden ayrılır ve oksijen ilave edilir. Bir sonraki aşama olan karbonizasyon için kesilen elyaflar, grafit teknelerine aktarılır. Karbon fiberin, oksidasyon aşamasında yapısı değişir ve polimer merdiven yapısından kararlı halka yapısına geçer. Bu işlem basamağında elyafın rengi de değişip; önce beyazdan kahverengiye, ardından da siyaha dönüşür.
- Karbonizasyon (Karbonlama)
Liflerin %100 karbonlaşması için uygulanan bu işlemde, elyaflar; 3000 °C sıcaklıkta yanıcı olmayan bir atmosferde ısıtılır. Karbonizasyon işlemindeki uygulanacak sıcaklık değeri, üretilen elyafın sınıfını belirler.
- Yüzey İyileştirmesi
Karbon fiberin üretimindeki son aşamadan bir önceki aşama olan yüzey iyileştirmesinde; elyafın kompozit malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için, karbon yüzey temizlemesi gerçekleştirilerek, elektrolit banyoya yatırılır.
- Kaplama
Elyafı, sonraki işlemlerdeki dayanıklılık testlerinden başarıyla geçmesi için nötr sonlandırma işlemi yapılır. Bu aşamada; elyaf reçine ile kaplanır, kaplama işlemi için epoksi kullanılır. Epoksi, kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir ara yüz görevi yapar.
Karbon Fiberin Geleceği
Karbon fiber malzeme kullanılan bir arabanın sağladığı avantajlardan yazımızın içerisinde bahsetmiştik. Aynı şekilde karbon fiberden yapılan bir bisikleti örnek aldığımızda, küçük bir kız çocuğu tarafından bu bisikletin rahatlıkla kaldırılabildiğini göz önüne getirin. Bu derece hafif olan karbon fiber malzeme, muazzam derecede yüksek mukavemeti ve bir o kadar güçlü bir yapıda olması nedeniyle güvenilirdir.
Ortalama çelik bir şaft malzeme; 1350 – 1400 Nm aralığında burulurken, normal bir karbon fiber ise 4700 Nm gibi yüksek bir değerde burulmaktadır.
Günümüzde karbon fiber birçok avantajı sayesinde; gökyüzünde gördüğümüz devasa uçaklardan, karadaki hız canavarı spor arabalara, denizlerdeki son teknoloji gemilerden, iletişim ağının en önemli parçası olan uydulara kadar kullanılmaktadır.
Bunlar hep karbon fiberin günümüzdeki kullanım alanları, biraz da karbon fiberin geleceğini konuşalım. Karbon fiber teknolojisindeki en son gelişme; nanotüp adı verilen küçük karbon tüpleridir. Çapı oldukça düşük olan [ 0.00004 inç (0.001 mm) ] bu içi boş tüpler, yeni yüksek mukavemetli lifler, submikroskobik test tüpleri veya muhtemelen entegre devreler için yeni yarı iletken malzeme yapımında kullanılmasında büyük fayda sağlayacak, benzersiz mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptir.
Karbon fiber malzemenin avantajları sayesinde günden güne artan kullanım alanları geleceğin teknolojisinin belirlenmesinde de heyecan yaratıyor. Kim bilir belki de ilerleyen günlerde gökyüzünde göreceğimiz uçan devasa arabaların yapımında da karbon fiber malzeme kullanımını görmemiz hiç ütopik durmuyor.
