Mekanik Özellikler
Karbon-karbon kompozitler, karbon matris içine
yerleştirilmiş (veya gömülmüş) sürekli ve süreksiz karbon fiberlerden oluşur.
Diğer kompozitlerde olduğu gibi, bu kategoriye giren çok sayıda malzeme vardır.
Kompozitin özelliklerini etkileyen değişkenler fiberin tipi, formu, hacim fraksiyonu
ve matrisin karakteristikleridir.
Geçmişine bakıldığında CCC’lerin ilk kullanılmaları
fevkalade yüksek sıcaklık ablasyonuna dayanıklılıkları nedeniyledir. İlk
üretilen CCC’lerin kuvvet ve stiffnessi (sıkılığı) düşüktür, fakat bu özellikler
zamanla çeşitli önlemlerle kademe kademe geliştirildi. Günümüzde uçak frenleri,
roket nozulları, yarış arabaları frenleri ve güç sistemleri, cam işleme
ekipmanları ve elektronik paketleme gibi yüksek sıcaklık uygulamalarda
kullanılan çeşitli malzemelerin üretimine cevap verebilecek kompozisyonlara
getirildi. Şekil-4’de CCC’lerin, bazı yapısal malzemelerle kıyaslamalı spesifik
kuvvet ve spesifik modülleri verilmiştir.
Karbon karbon kompozitlerdeki fiberler sürekli (continuous)
veya süreksiz (discontinuous) olabilir; yapısal uygulamalarda sürekli fiberler
seçilir. Tablo 2’de sürekli fiber takviyeli bazı CCC’lerin
mekanik özellikleri verilmiştir; karbon fiberlerin kuvveti 2.5 GPa ve elastik modülleri
350-450 GPa’dır.
Şekil-4: Karbon karbon kompozitlerin, (a)
spesifik kuvvetleri, (b) spesifik modülleri
Diğer fiber takviyeli kompozitlerde olduğu gibi karbon
karbon kompozitlerin de gerilme ve sıkıştırma özellikleri içerdikleri
fiberlerin özelliklerine ve fiber mimarisine bağlıdır; bu vasıflar çok yüksek
olduğunda genellikle kayma gerilimi ve modül çok düşüktür. Bu durum karbon
karbon kompozitleri sınırlayan noktalardan biridir. Diğer bir nokta matrisin
gevşeme (strain) çökmesinin, fiberlerden daha düşük olmasıdır. Kompozitte matris
ve fiberler arasında kuvvetli bir bağlanma olduğunda matris çöktükten hemen
sonra fiberler de çöker ve kompozit düşük kuvvetlerde kırılganlaşır.
Konstrüksiyon
|
Fiber hacim fraksiyonu, V/O, %
|
Gerilme
kuvveti, MPa |
Gerilme modülü, GPa
|
Sıkıştırma kuvveti, MPa
|
Sıkıştırma
modülü, GPa |
||||||
x
|
y
|
z
|
x
|
z
|
x
|
z
|
x
|
z
|
x
|
z
|
|
Tek-yönlü (1D)
|
65
|
0
|
0
|
1000
|
2.0
|
260
|
3.4
|
620
|
…
|
250
|
…
|
Fabrik laminat (2D)
|
31
|
30
|
0
|
350
|
5.0
|
115
|
4.1
|
150
|
…
|
100
|
…
|
Dokuma
(3D, ortogonal) |
13
|
13
|
0.21
|
170
|
300
|
55
|
96
|
…
|
140
|
…
|
90
|
Diğer taraftan, fiber-matris bağı çok kuvvetli değilse düşük
gevşeme değerlerinde matrisin çatlamasıyla fiberler hemen devre dışı kalmaz,
bağ-kırılması (debonding), fiber-köprüleme, fiber kırılması ve fiber çıkma
(pull-out) mekanizmalarının devreye girmesiyle enerji absorbsiyonu gerçekleşir;
ve böylece, kompozit yüksek kırılma dayanımı gösterir.
Karbon-karbon kompozitlerin modülü bileşimindeki fibere ve
matrise bağlı olarak değişir. Polimer matris kompozitlerde matrisin stiffnessi
önemli olmadığı halde, karbon-karbon kompozitlerde etkin bir parametredir.
Şekil-5’de, farklı karbon matris öncüllerden (fenolik,
zift/sülfür karışımı, zift) hazırlanan üç karbon-karbon malzemenin stiffness
değerleri verilmiştir. Matrisler, iki farklı sıcaklıkta 1000-2600 0C’de
ısıl işlemlemelerle elde edilmiştir. Stiffness, matris stiffnessin katkısı
olmadan teorik modüllün hesaplanmasıyla saptanmıştır; bu nedenle de 1.0’den
büyük değerler dikkate alınmıştır.
Kuvvet: Kırılgan
bir matriste kırılgan fiberlerden oluşan bir kompozitin kuvveti üç parametre
tarafından kontrol edilir: fiberlerin modülü, gevşeme-matris/fiber kırılma
oranı, ve fiber hacim fraksiyonu.
Pratikte karbon-karbon kompozitler teorik sınırların üstünde
gerilme-gevşeme değerleri gösterirler. Bunun nedeni matrisin sıkıştırma
ön-gerilimi ve, matriste ve matris-fiber arayüzdeki enerji tüketen kırılma
prosesleridir.
Matrisin sıkıştırma ön-gerilimi, proses sırasında matrisin
büzülmesiyle (shrinkage)
oluşur; nedeni matris öncül malzemenin karbon kalıntısı ve fiber yüzey
reaktivitesidir. Büzülmenin fazla olması matriste kırılmaya sebep olacağından
kompozitin özelliklerine zarar verir.
Şekil-6’da 3D karbon karbon kompozitin oda sıcaklığında ve
inert atmosferde yüksek sıcaklıklardaki gerilme davranışları, Şekil-7’de ise
aynı koşullardaki 4D CCC’lerin gerilme responsları görülmektedir.
Şekil-5: CCC’ler; matrisin
katkısı olmadan konvensiyonal teoriden bulunan modül değerleri
Şekil-6: 3D CCC’lerin, (a1) oda sıcaklığı,
(a2) inert atmosfer ve yüksek sıcaklıklardaki
gerilme davranışları
Şekil-7: 4D CCC’lerin, (b1) oda sıcaklığı,
(b2) inert atmosfer ve yüksek sıcaklıklardaki gerilme davranışları
Fiziksel Özellikler
Karbon-karbon kompozitlerin önemli karakteristikleri yüksek
sıcaklıklarda dayanıklı olmaları ve termal genleşme özelliği düşük olduğundan
boyutsal kararlılıklarını koruyabilmeleridir.
Karbon karbon
kompozitlerin termal genleşme katsayısı (CTE) değerleri fiber tipine, hacim
fraksiyonuna, geometrisine ve matrisin özelliklerine bağlıdır. Fiber yönündeki
düzenlemelerde CTE değeri negatif olma eğilimindedir. Fiber yönüne dik yönde
kompozitin CTE değerinde matrisin özellileri baskındır. Kural olarak enlemesine
CTE’nin büyüklüğü düşüktür. Çeşitli çalışmalar hem pozitif ve hem de negatif
değerler olabileceğini göstermiştir.
Tablo-3’de,
tablo-2’de mekanik
özellikleri verilen sürekli fiber
takviyeli karbon karbon kompozitlerin termal özellikleri görülmektedir;
kullanılan karbon fiberlerin kuvveti 2.5 GPa ve elastik modülleri 350-450
GPa aralığındadır. Bazı karbon formlarında termal
iletkenlik değerleri fevkalade yüksektir; örneğin, pirolitik grafitin termal
iletkenliği 2000 W/m/K’dir (bakırdan beş kat daha yüksek). Bazı elmas tiplerinin
iletkenliği daha yüksektir.
Bazı
karbon-karbon kompozitler çok yüksek termal iletkenlik değerlerine
sahiptir. Örneğin, quasi –izotropik
kompozitler için 400 W/m/K, tek-yönlü fiber takviyeli kompozit malzemeler için
700 W/m/K gibi değerlere ulaşılabilir.
Konstrüksiyon
|
Fiber hacim fraksiyonu, V/O, %
|
CTE, 10-6/K
|
TC, W/m.K
|
||||
x
|
y
|
z
|
x
|
z
|
x
|
z
|
|
Tek-yönlü (1D)
|
65
|
0
|
0
|
1.1
|
10.1
|
125
|
10
|
Fabrik laminat (2D)
|
31
|
30
|
0
|
1.3
|
6.1
|
95
|
4
|
Dokuma((3D, ortogonal)
|
13
|
13
|
21
|
1.3
|
1.3
|
57
|
80
|
CTE (termal genleşme katsayısı) 25-1650 0C’de,
TC (termal
iletkenlik) 800 0C’de
