a. Doğal Fiberler
Doğal fiberler fiberglasla benzer davranışlara sahiptir. Bu tür özellikleri kazanabilmeleri için doğal fiberlerin kullanılmadan önce işleme hazırlanması ve yüzeyinde gerekli modifikasyonların yapılması gerekir. Böylece matris ve fiber arasında iyi bir yapışma sağlanır, uygun polimerizasyon derecesine ulaşılır ve homojen fiziksel özellikler elde edilir.
Doğal fiberler orijinlerine göre üç sınıfta toplanır:
· Mineral fiberler (mineral bazlı): Asbestler ve bazı kısa lifli mineraller.
· Bitkisel fiberler (selüloz bazlı): Bast veya phloem fiberler, yaprak veya dal fiberler ve tohum fiberler.
· Hayvansal fiberler (protein bazlı): Filamentler ve ştapeller.
Doğal mineral fiberlerin en önemlisi olan asbest (veya asbestos, veya amyant), doğal olarak meydana gelen tek uzun mineral fiberdir. Asbest çeşitli kayalardan (metamorfik ve volkanik) elde edilen, serpentine ve amphibole gibi bazı doğal minerallerdir; magnezyum ve kalsyum silikatların lifsi kristalin yapılarıdır; ayrıca, demir, aluminyum ve diğer bazı mineraller içerir.
Asbest olarak sınıflandırılan altı mineral bulunmaktadır; bunlar, serpentine grubundan chrysotile ile, amphiboles grubundan crocidolite, actinolite, amosite, anthophyllite ve tremolite mineralleridir (Şekil-9). Asbestlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri tablo-3’de verilmiştir.
Şekil-9: Doğal mineral fiberlerin sınıflandırılması
Şekil-10: Bazı asbestlerin görünümleri
Tablo-3: Asbestlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Özellik
|
Serpentine
|
Amphibole
| |||||
Chrysotile
|
Amosite
|
Tremolite
|
Acti-nolite
|
Antho-phyllite
|
Croci-dolite
| ||
Spes. gravite
|
2.55
|
3.43
|
2.9–3.2
|
3.0–3.2
|
2.85–3.1
|
3.37
| |
Renk
|
beyaz, gri, yeşil, sarı
|
kahve, gri, yeşil
|
beyaz-açık yeşil
|
yeşil
|
beyaz, kahve-gri, yeşil
|
eflatun, mavi, yeşil
| |
Esneklik
|
iyi
|
orta
|
kırılgan
|
orta
|
orta-kırılgan
|
iyi
| |
Erime/bozunma,0C
|
800–850
|
600–900
|
1040
|
-
|
950
|
800
| |
Çözünürlük, %,
|
asitte
bazda
|
56.00
1.03
|
12.00
6.82
|
-
-
|
-
-
|
2.13
1.77
|
3.14
1.27
|
Uzunluk, %
|
>1 mm
>5 mm
>10 mm
|
36-44
3-6
1-3
|
46
6
1
|
-
-
-
|
-
-
-
|
46
5
1
|
36
3
0.7
|
Chrysotile asbest, serpentine grubundan, ticari kullanımı en yaygın olan asbest türüdür. Levha silikat olarak tanımlanır; uzun ve ince fiberler şekline getirilebilir. Diğer asbest türlerine kıyasla dokumaya çok daha elverişlidir.
Amphibole grupta beş tip asbest sayılabilir; Amosite, Tremolite, Actinolite, Anthophyllite ve Crocidolite. En popüler olanı Amosite (kahve) ve Crocidolite (mavi) asbestlerdir. Tremolite, Actinolite ve Anthophyllite nadir olarak bulunur. Amphibole gruptaki asbestlere zincir silikatlar denir; bunlar zincir-benzeri fiberler içerirler. Asbest, fiber yapının ortaya çıkması için öncelikle öğütülür veya ezilir, sonra taraklanır ve dairesel kesiti ~1.30 cm uzunlukta olacak şekilde eğitilerek fiberler elde edilir.
Asbest ısıya ve yanmaya çok dirençli bir malzemedir. Asitlerden, alkalilerden ve diğer kimyasal maddelerden etkilenmez paslanmaz. Zayıf bir malzeme olmasına rağmen normal kullanım koşullarında bozulmaz, böcekler ve mikroorganizmalardan etkilenmez. Asbest ateşe dayanıklı giysi, konveyör kayışı, conta, endüstriyel paketleme, elektrik bobini, izolasyon ve ses geçirmez malzeme üretimlerinde kullanılır. Asbestli ortamlarda gerekli önlemler alınmadan çalışmak tehlikelidir; kanserojen etkisi saptandığından kullanımı sınırlandırılmıştır.
Asbestli ortamlarda özel sağlık önlemleri alınır. Asbest fiberler tahrip olduğunda çok ince taneciklere kırılır, ufalanır; tanecikler, insan saçından 1200 kez daha incedir. Soluma yoluyla akciğerlere ve diğer organlara giren asbestlerin kanser yaptığı bilinmektedir.
Bitkilerin yapısı, lignin ve hemiselüloz matris içinde yerleşmiş selüloz fiberlerden oluşur. Örneğin, pamuk %80-85 selüloz içerir.
Selüloz bir polisakkarittir, bitki hücrelerinin duvarlarında bulunur; yüzlerce β(1-4) bağlı D-glikoz birimlerinin meydana getirdiği uzun düz polimerik zincirlerdir. Peşpeşe selüloz zincirleri hidrojen bağlarıyla birbirlerine bağlanarak kuvvetli bir yapı meydana getirirler. Zincirler arasındaki hidrojen bağları ve kuvvetli moleküller arası kuvvetler selülozun kristalin bir yapıda olmasını sağlar.
Polimerik zincirli kristalin fiber, fiber ekseni boyunca oryentedir. Polimerizasyon derecesi ≈ 104 dolayındadır. Bitkisel fiberlerin (pamuk, keten, kenevir, jüt) çoğu selülozdan yapılır. Örneğin, pamuk %80-85 selüloz içerir. Lignoselülozik malzemelerin ana bileşenlerinin ayrılmasını gösteren basit bir şema Şekil-11’de verilmiştir.
Şekil-11: Lignoselülozik bileşiklerin ayrılması
Şekil-12: Odun ve selüloz fiberin mikroyapıları (SEM görüntüleri)
a.3. Kollajen Fiberler (Hayvansal Fiberler)
Kollajenler hayvanların tendonları, bağdokuları ve derilerinde çok miktarlarda bulunan proteinlerdir; memelilerin tüm-vücut proteininin %25-35’ini oluşturur. Kollajen sıkı ve serttir, yumuşak ve sert yapıların temel malzemesidir, farklı organlarda ve dokularda bulunur ve yapısal bütünlüğü sağlar. Yapısı, zincirler-arası H bağlarla kararlı hale getirilmiş üç polipeptidin helikal düzenlenmesine dayanır. Şekil-13’de deriden kollajen üretiminde kullanılan bir üretim prosesi verilmiştir.
Kollajen molekülleri fibrilleri, fibriller fibiril-içi bağlanmalarla birbirlerine eklenerek ~1 mm çapında fiberleri oluşturur. Fiberler, bir mikrofibriller demetidir. Tekrar birimi: (GPX)n, polimerik yapı üçlü-helikslerdir.
Şekil-13: Deriden kollajen üretim prosesi
Kollajen Tip I Fiber Prosesi: İki identik a1(I) ve bir a2(I) peptid zinciri kendiliğinden prokollajen forma dönüşür. Prokollajenden, prokollajen peptidazın bozuk ucu uzaklaştırmasıyla tip-1 tropokollajen molekülü oluşur; bu moleküller kendiliğinden büyüyen kollajen fibrile, kollajen fibril de yine kendiliğinden tip-1 kollajen fibere dönüşür (Şekil-14).
İpek Fiberler: İpek en uzun ve en ince doğal filament fiberdir; parlak, pürüzsüz, hafif, kuvvetli ve elastiktir. İpek fiberler, çeşitli ipek böcekleri ve örümceklerin salgıladıkları ipliksi ürünlerdir.
İpekböceklerinin ipek bezi hücrelerinden fibroin proteini salgılanır. Örümcek fibroinlerine, spidroinler veya dragline ipek fibroinleri denir.
Örümcek ipeği elastiktir ve bilinen en kuvvetli doğal fiberdir. Kuvveti, amino asit birimleri arasındaki kovalent bağlardan, elastikliği molekülün farklı kısımlarının birbirleriyle etkileşiminden dolayıdır.
İpekte bulunan protein fibroin, ‘Glisin-Serin-Glisin-Alanin-Glisin-Alanin’ biriminin ‘n’ kez tekrarlanmasıyla meydana gelen bir proteindir.
İpekler, polipeptid esaslı nanokompozitlerdir. İpek, amorf bir proteinin (55-60% dolayında), diğer bir proteinin stiff ve nanokristalin bölgeleriyle kuvvetlendirilmiş formudur. İpek ductiliteye ve yüksek kuvvet özelliklerine sahiptir. Farklı uygulamalar için istenilen kombinasyonlar yapılabilir.
İpekböcekçiliği tarım-bazlı bir endüstridir. Ham ipek üretimi için ipekböceği yetiştirilir ve bunların ördüğü kozalardan ham ipek iplikler elde edilir. İplikler, daha sonra işlenir, bükülür ve istenilen yapıya dönüştürülür. Şekil-15’de kozadan mulberry ham ipek üretim şeması verilmiştir.
Yün Fiberler: Yün koyunlardan elde edilen doğal saç (veya kıl) protein fiberdir. İnceliği, yapısı ve özellikleri alındığı koyuna bağlıdır. Yün fiberler fevkalade komplekstir; yüksek derecede çapraz bağlı 17 farklı amino asitten oluşan keratin proteinler içerir (keratin: %50 karbon, %10 oksijen, %12 hidrojen, %25 nitrojen ve %3 sülfür). Amino asit miktarı ve diziliş formu yöne göre değişir.
Yünün aşınmaya karşı direnci orta seviyede, esnekliği iyi, boyutsal kararlılığı zayıftır. Yün higroskopiktir; alkalilerden, ağartıcılardan ve yüksek konsantrasyondaki asitlerden etkilenir, kuru ısıtmada kırılır, elektrik iletkenliği zayıftır.
Şekil-14: Kollajen tip I fiber prosesi
Şekil-15: İpek böceği kozalarından ipek
üretim prosesi
üretim prosesi
Tablo-4: İpek Filament ve Yün Ştapelin Özellikleri
Fiber
|
Yoğunluk, g/cm3
|
*Uzama, %
|
*Tenacity,
GPa |
Gerilme kuvveti, MPa
|
İpek (filament)
|
1.25
|
10-30
|
0.3-0.6
|
650-750
|
Yün (ştapel)
|
1.32
|
25-50
|
0.15-0.25
|
125-200
|
Fiber
|
Young’s modül, MPa
|
Başlangıç modülü, GPa
|
Torsion modülü, GPa
|
Termal iletkenlik, Wm−1 K−1
|
İpek (filament)
|
16
|
9-12.5
|
1.9-2.9
|
0.2-0.4
|
Yün (ştapel)
|
-
|
2-4
|
~1
|
0.2-0.4
|
Fiber
|
Çökmede uzama,%
|
Kristalinite, %
|
*Su absorbsi-yonu, %
|
İpek (filament)
|
18-20
|
65-70
|
9-11
|
Yün (ştapel)
|
-
|
-
|
15-17
|
*Normal şartlarda, (21 0C ve %65 relatif nem), (tenacity: yapışkanlık,
torsion: burulma)
torsion: burulma)
b. Sentetik Takviyeler
Sentetik takviye malzemeler, öncelikle organik bazlı takviyeler, inorganik bazlı takviyeler ve preformlar olarak üç grup altında toplanır. Organik takviyeler ve inorganik bazlı takviyeler de kendi içlerinde çeşitli alt gruplara ayrılır (Şekil-16).
b.1. Organik Takviyeler
Tipik organik takviye malzemeler arasında poliamidler, ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE) ve karbon (C) sayılabilir.
Poliamid fiberler aromatik poliamidler (aramidler) ve alifatik poliamidlerdir (naylonlar).
Aramidler: Aramid fiberler 1970’li yılların başlarında geliştirilmiş kuvvet ve modülü yüksek fiberlerdir. Yoğunluğu cam ve grafit fiberlerden daha düşüktür. Özellikle, kuvvet/ağırlık oranının yüksek olmasıyla metallere karşı özel bir üstünlüğe sahiptir. Aramid fiberler, bir aromatik poliamid olan poli(p-fenilen tereftalamid)’dir. Sentez esnasında rijid moleküller, sıvı kristaller gibi, fiber ekseni yönünde yerleştirilir. Kevlar, ağırlık bazında çelikten 5 kat daha kuvvetlidir.
Proses: Yapıda aromatik grupların bulunması aramid fiberlerin çözünürlüğünü düşürür, bu nedenle de konvensiyonal çekme teknikleriyle işlenemezler, bunlara sıvı kristalin polimer çözeltilerden çekme yöntemi uygulanır. Bir polimer çözelti elde etmedeki kritik nokta polimer zincirlerinin bir sıvı kristal formda düzenlenmiş olması gereğidir; bu durum sıcaklık (100 0C), solvent (H2SO4) ve molekül ağırlığının optimum değerleriyle sağlanabilir.
Aramidler ergimeden önce bozunduklarından üretimde kuru ve yaş spinning metotları uygulanır. Spinningde solvent olarak sülfürik asit kullanılır.
Kuru spinning işleminde sert polimer çözeltisindeki tuzların giderilmesi oldukça zordur; bu nedenle kuru işlem daha az sert olan meta-aramid fiberlerin üretiminde uygulanır (Şekil-17). Yaş spinning işleminde, inorganik tuzlar içeren polimer çözeltisi bir spinneretten zayıf sulu bir asidik çözelti içine, veya sadece su içine çekilir; burada tuzlar giderilir (Şekil-18), Her iki proseste de elde edilen fiberlere, özelliklerini optimize edebilmek için ilave çekme işlemi gibi, post-prosesler uygulanır. Aramid fiberler filament iplik staple veya pulp (hamur) şeklinde elde edilebilir.
Şekil-17: Kuru spinning işlemi şematik diyagramı
Şekil-18: Yaş spinning işlemi şematik diyagramı
Mekanik olarak aramid fiberlerin boylamasına gerilme kuvveti ve gerilme modülü, diğer polimerik fiber malzemelerinden daha yüksek; sıkıştırılma özelliği ise daha düşüktür; dayanıklıdır (tauhgness), darbeye, kaymaya ve yorulma dirençlidir. Anizotropik yapısı nedeniyle sıkıştırma kuvveti gerilme kuvvetinin 1/8’dir.
Aramidler kuvvetli ve stiff fiberlerdir; kırılma uzaması yüksektir, dolayısıyla darbeye karşı yüksek koruma sağlarlar. Çeşitli aramidler vardır; örneğin, Kevlar ve Nomex çok bilinen ticari iki aramiddir. Kevlar’ın 29, 49 ve 149 gibi, mekanik davranışları birbirinden farklı birkaç türü vardır. Bunlar UV ışınlara (300 -400 nm) karşı hassastır, UV ile temas kimyasal bağların kırılmasına ve fiberin mekanik özelliklerinin bozulmasına neden olur.
Aramidler termoplastik olduğu halde, yanmaya dirençlidir ve oldukça yüksek sıcaklıklara dayanır; -200 ile 200 0C aralığında yüksek mekanik özelliklerinin sürdürebilir.
Aramid fiberler polimer matrislerle çok kullanılan bir fiberler grubudur. Epoksiler ve poliesterler tipik matrislerdir. Kuvvetli asitler ve alkalilerden etkilenir, diğer solventler ve kimyasal maddelere karşı oldukça dayanıklıdır. Aramid fiberler esnek ve biraz ductile olduğundan, pek çok tekstil prosesiyle işlemlenebilir.
Naylonlar: Naylon 6 polimeri kaprolaktamdan üretilir. Kaprolaktam ise, genellikle sikloheksanon-dan, sikloheksanon da fenolün hidrojenasyonuyla veya sikloheksanın oksitlenmesiyle elde edilir. Naylon 6 polimerinin çoğu sürekli polimerizasyon yöntemiyle yapılır.
Naylon 6 üretimi, kaprolaktamın sodyum hidrür ile reaksiyonuyla başlar; kaprolaktam sodyum tuzu meydana gelir. Kaprolaktam sodyum tuzu polioksietilen ile reaksiyona girerek aktif amid anyonu oluşur. Meydana gelen amid anyonu diğer bir kaprolaktam monomerindeki amid hidrojenini alır, dolayısıyla diğer bir kaprolaktam amid iyonu oluşur; bunlar etkileşerek daha büyük aktif bir zincir meydana gelir.
Aynı reaksiyonlar, (aktif zincirlerle yeni bir kaprolaktam molekülü arasında) tekrarlanarak uzun naylon 6 zincirleri oluşur. Sonlanma aşamasında aktif zincirlerin aktivitelerinin herhangi bir ara bileşik veya safsızlıkla giderilmesiyle normal naylon 6 polimerik zincirleri oluşur. Toplam reaksiyon: aşağıdaki gibi gösterilebilir.
Naylon 66 (veya Naylon 6,6’da denir) üretimi adipik asit ve heksametilen diamin bileşiklerinin reaksiyonuyla başlar; reaksiyon ürünü 5-(6-aminoheksilkarbamoil) pentanoik asittir; kondensasyon polimerizasyonuyla Naylon 66 elde edilir.
Naylon fiberler üretiminde ergiyik spinning işlemi uygulanır. Diğer prosesler benzer spinning proseslerinde olduğu gibidir.
Ergiyik spinning işleminde polimerik madde ekstruzyona uygun bir viskozitede olacak derecede ısıtılarak ergitilir. Yöntem, uygulanan sıcaklıkta parçalanmayan veya bozunmayan polimerlere uygulanabilir. Ergitmede çeşitli yöntemler kullanılabilir. Ergimiş polimer yüksek basınçta, sabit hızla bir spinneretten, soğutulmuş bölgeye çekilir; filamentler katılaşır. Spin hücresinde yağlama yağı uygulanan fiberler üretim prosesine verilir. (Şekil-19)
Şekil-19: Ergiyik (melt) spinning prosesi şematik diyagramı
UHMWPE, yoğunluğu ~0.998 g/cm3, molekül ağırlığı milyonlar (2-6 milyon) seviyesinde olan bir polietilen grubudur; çok serttir ve termoplastik malzemeler arasında en yüksek darbe direncine sahiptir.
Uzun zincirler moleküller arası etkileşimi kuvvetlendirerek yükün polimer iskeletine daha etkin bir şekilde transferine olanak verir. Bu hal, herhangi bir yüksek darbe dirençli termoplastiğe kıyasla daha dayanıklı ve sert bir yapı oluşmasını sağlar. UHMWPE üretim koşullarına bağlı olarak değişik oranlarda kristal ve amorf bölgeler içerebilir.
UHMWPE fiberler çok serttir ve termoplastik malzemeler arasında en yüksek darbe direncine sahiptir. Uzun zincirler moleküller arası etkileşimi kuvvetlendirerek yükün polimer iskeletine daha etkin bir şekilde transferine olanak verir. Bu hal, herhangi bir yüksek darbe dirençli termoplastiğe kıyasla daha dayanıklı ve sert bir yapı oluşmasını sağlar. UHMWPE üretim koşullarına bağlı olarak değişik oranlarda kristal ve amorf bölgeler içerebilir.
Şekil-20: (a) UHMWPE tek kristal birimi, (b) UHMWPE molekülü
UHMWPE fiberler ve polimer matris arasındaki arayüzün özellikleri, UHMWPE fiber takviyeli kompozitlerin mekanik özelliklerini belirleyen önemli faktörlerdir. Arayüzün özellikleri UHMWPE fiberlerinle yüzey özellikleri geliştirilerek sağlanabilir; örneğin, kimyasal graftlama, asitle pürüzlendirme, plazma depozisyon gibi işlemler yapılabilir.
UHMWPE fiberler jel-spinning yöntemiyle yapılır. Proseste, solvent ile katlanmış polimerik zincirleri içeren şişmiş fiber ağ 120 0C’de çekilir. Polietilen zincirler fiber ekseni boyunca olacak şekilde, yüksek bir çekme hızı uygulanır.
UHMWPE fiberler kuvvetli, stiff fiberlerdir, kopmada uzaması yüksektir (%3.5) yoğunluğu çok düşüktür. Polietilenin erime noktası çok düşüktür, polietilen fiberler 100 0C dolayında kırılır veya kayar (creep). UHMWPE fiberler tümüyle gergin ve çok yüksek oryantasyonda zincirler içerir; hafiftir, kuvvet/ağırlık oranı en yüksek sentetik olan fiberdir. Gerilme kuvveti ve gerilme modülü yüksektir; Kevlardan %40, çelikten 8 kat daha kuvvetlidir. Kimyasal maddelere ve aşınmaya dayanıklıdır. Fakat ısıya dayanıklılığının düşük olması (en fazla 140 0C), polimer matrislerle yapışma özelliklerinin yetersiz kalması ve kayma (creep) gibi sorunları vardır.
Polietilen fiberlerin çok sayıda organik matrisi ıslatma özelliği zayıftır, bu durum infiltrasyon sorunları yaratır. Yüzeylerinde, plazma yüzey işlemleriyle polar ve fonksiyonel gruplar oluşturularak fiberler pürüzlendirilir ve yapışma (adezyon) özelliği artırılır.
Grafite karbon da denilirse de ikisi arasındaki temel yapısal farklılık karbon fiberlerin %91-94 karbon içermesine karşın, grafit fiberlerdeki karbon miktarının %99’un üzerinde olmasıdır. Bu farklılık bu iki fiberin farklı sıcaklıklarda üretilmeleridir. PAN (poliakrilonitril) bazlı karbon fiberler 1320 0C’de,elde edilirken grafit fiberler 1950-3000 0C’de grafitleştirme işlemiyle yapılır. Karbon fiberlerin özellikleri, allotropik formlarından biri olan grafitin üstün özelliklerine dayanır.
Grafitin özellikleri yüksek sıcaklıklarda değişmez, ancak üretim sırasında ve kullanım aşamalarında karşılaştığı çok yüksek sıcaklıklarda pek çok metalle reaksiyona girme eğiliminde olduğundan, bloklaşmalar olabilir. Örneğin, aluminyum matrisli kompozitlerde arayüzde karbidler oluşur, bu karbidler de ortamdaki nemle reaksiyona girerek kompozitin bozulmasına neden olur.
Şekil-21: Grafitin yapısı ve bir grafit fiber şeması
Şekil-22: Doğal grafitin SEM görüntüsü
Grafitteki heksagonal C yapılı temel düzlemler, çok kuvvetli C-C bağlarına (~525 nm) dayanır. Temel düzlemler zayıf van der Waals (< 10 kJ/m2) kuvvetleriyle, ABAB.. yapıda bağlanırlar (Şekil-21). Çok yüksek derecede anizotropiktir. Grafen tabakalar boyunca yüksek termal ve elektrik iletkenlik özelliğine sahiptir.
Karbon fiberlerin temeli, grafitik levhaların fiber yönünde oryantasyonudur. Mikroyapının düzenlenme derecesi proses rotasına bağlıdır (öncül malzemenin yapısı, ısıl işlem sıcaklığı, v.s.). Genel olarak, grafitik bantlar tabakaların rastgele bağlantılanmasıyla, fiberlerin eksenine az-çok paralel olarak oryente edilir.
Karbon fiberlerin üretim teknikleri oldukça komplekstir. Üretimde üç farklı hammadde kullanılabilir; bunlar, poliakrilonitril (PAN), kömür (veya petrol) katranı (veya zifti) ve rejenere selülozdur (rayon). Ham maddeye göre üretim prosesleri farklıdır; keza elde edilen karbon fiberlerin özellikleri de değişik olur.
PAN bazlı karbon fiberlerin üretiminde kullanılan genel öncül madde poliakrilonitrildir. PAN polimer fiberler çekme prosesinden sonra, ilk aşamada polimerik zincirler boyunca gerdirilerek uygulanan gerilimle kararlı hale getirilir. İkinci kademede yapılan karbonizasyon işlemiyle heksagonal karbon ağ yapı meydana gelir. Fiber özelliklerinin geliştirilmesi için elde edilen C fiberlere son olarak grafitizasyon uygulanır (Şekil-23).
Zift (pitch) bazlı proseste temel kaynaklar petrol asfaltı ve kömür katranıdır; bunlar, yüksek molekül ağırlıklı aromatik hidrokarbonların kompleks bir karşımıdır. Ziftten karbon fiber üretiminde ilk aşama nematik (sıvı kristal) yapılı mezofaz ziftten zift filamentlerin çekilmesidir. Kristal bölgelerin iyi bir şekilde sıralanabilmesi için genellikle santrifüj ve jet spinning yöntemleri uygulanır. Sonraki aşamalar stabilizasyon, karbonizasyon ve grafitizasyondur. Zift ucuz bir öncüldür, ancak bileşiminin değişken olması son ürün özelliklerinde de farklılıklara neden olur.
Ticari karbon fiberlerde, fiberin işlem sırasında tahrip olmaması ve polimerik matrise yapışmaması için koruyucu bir yüzey kaplama maddesi (sizing) bulunur.
Sizing olarak çoğunlukla düşük molekül ağırlıklı epoksi reçineler kullanılır. Oksidatif işlemlerle fiber yüzeyi pürüzlendirilerek de fiberlerin yapışması engellenebilir.
Karbon fiberler grafitik yapıları nedeniyle anizotropiktir. Fiber yönünde çok kuvvetli ve stifftir, özellikleri grafit miktarına ve fiberler boyunca olan temel (basal) düzlemlerin oryantasyonuna bağlıdır. Karbon fiberlerin kuvveti bünyelerinde bulunabilecek kusurlar (boşluklar, diğer maddeler gibi) nedeniyle değişir. (Tablo-5)
Şekil-23: PAN fiberden karbon fiber üretimi şematik diyagramı
Fiber tipi
|
Gerilme kuvveti, GPa
|
Young’s modülü, GPa
|
Yüksek kuvvetli (HT)
|
3.3 – 6.9
|
200 – 250
|
Orta modüllü (IM)
|
4.0 – 5.8
|
280 – 300
|
Yüksek modüllü (HM)
|
3.8 – 4.5
|
350 – 600
|
Ultra yüksek modüllü (UHM)
|
2.4 – 3.8
|
600 – 960
|
Karbon fiberlerin termal ve elektrik iletkenlikleri iyidir, fiber yönündeki CTE değeri negatiftir. Yüksek modüllü karbon fiberler kusurlara karşı daha hassastır ve kuvvetleri daha düşüktür. Fiber yönündeki iletkenlikleri daha yüksektir ve CTE değerleri daha fazla negatiftir. Karbon fiberlerin transvers (enlemesine) özellikleri çok farklıdır; E ≈ 20-40 GPa, CTE = 10-5 0C-1.
Özelliklerine göre karbon fiberler çeşitli şekillerde tanımlanır. Ultra yüksek modüllü (UHM) karbon fiberler, yüksek modüllü (HM) karbon fiberler; Orta modüllü (IM) karbon fiberler, düşük modüllü ve yüksek gerilme kuvvetli (HT)karbon fiberler, süper yüksek gerilme kuvvetli (SHT) karbon fiberler, süper yüksek modüllü (SHM) karbon fiberler. Şekil-24’de bazı karbon fiberler türlerinin gerilme kuvveti ve Young’s modül değerlerinin diğer bazı sentetik fiberlerle kıyaslaması verilmiştir.
Şekil-24: Tipik sentetik fiberlerin mekanik özellikleri
Karbon fiberlerin bazı tipik özellikleri:
a. Karbon fiberler, diğer takviye fiberler arasında en yüksek spesifik modül ve spesifik kuvvete sahip fiber malzemelerdir. Yoğunluğu 1800 kg/m3 dür.
b. Yüksek gerilme modülü ve gerilme kuvveti özelliklerini yüksek sıcaklıklarda da sürdürür; ancak, yüksek sıcaklıklarda oksitlenme sorunları olabilir. Elastik modülü çelikten daha yüksektir.
c. C fiberler oda sıcaklığında nemden etkilenmez, pek çok solvente, asitler ve bazlara dayanıklıdır.
d. Karbon fiberlerle çok çeşitli fiziksel ve mekanik özellikte kompozitler üretmek mümkündür; dolayısıyla, karbon fiberlerin mühendislik malzemeleri arasında önemli bir yeri vardır.
Karbon (grafit) fiberlerin önemli bir dezavantajı kırılgan olmalarıdır. Karbon fiberler çeşitli tiplerde olabilir:
· UHM (ultra yüksek modül); elastik modülü > 450 GPa.
· HM (yüksek modül); elastik modülü 350-450 GPa.
· IM (orta modül); elastik modülü 200-350 GPa.
· HT (yüksek gerilim, düşük modül); gerilme kuvveti>3 GPa, modül~100 GPa.
· SHT (süper yüksek gerilim); gerilme kuvveti > 4.5 GPa.
Karbon fiberler tümüyle kristalin yapıda değildir, grafitik ve non-kristalin bölgelerin her ikisini de içerir; kristalin olmayan bölgelerde, grafit için karakteristik olan üç-boyutlu heksagonal karbon ağ yapısı bulunmaz.
Karbon fiberlerin üretim teknikleri oldukça komplekstir. Üretimde üç farklı hammadde kullanılabilir; bunlar, kömür (veya petrol) katranı (veya zifti), poliakrilonitril (PAN) ve rejenere selülozdur (Rayon). Ham maddeye göre üretim prosesleri farklıdır; keza elde edilen karbon fiberlerin özellikleri de değişik olur.
Şekil-25: Zift, PAN ve Rayon bazlı fiberlerin SEM görüntüleri
Cam Fiberler: Kompozit endüstrisinde kullanılan fiberlerin büyük çoğunluğu camdır. Cam fiberler en eski fiberlerdir uzun zamandan beri ağır metal parçalar yerine kullanılmaktadır. Karbondan daha ağırdır, fakat camın tipine bağlı olarak karbona kıyasla darbe-dayanıklılığı daha yüksektir. Takviyeli plastiklerde kullanılan fiberlerin %95’inden fazlası cam fiberlerdir; ucuzdur, üretimi kolaydır ve takviye olarak konulduğu plastiklere göre yüksek kuvvet ve sertliğe sahiptir. Cam fiberlerin yoğunluğu düşüktür, kimyasal maddelere karşı dirençlidirler ve iyi izolasyon malzemeleridir.
Cam fiberler çok kuvvetli olmasına karşın, bazı sınırlamalar gösterir: örneğin, fazla sıkı (stiff) değildir ve üretilen kompozitler, bazı uygulamalarda istenilen rijitliği gösteremezler. Keza, fiberglasların çoğunun kullanım sıcaklığı 200 0C’nin altındadır; daha yüksek sıcaklıklarda polimerler akmaya başlar veya bozulur. En önemli dezavantajları uzun süre yüksek gerilim altında tutulduğunda kırılmalarıdır. (Tablo-6 ve Tablo-7). Cam fiberler mat, teyp, örtü, sürekli ve kesik filament, roving ve yarnlar şeklinde olabilir. Cam fiberler SiO2 bazlı amorf fiberlerdir. Hammaddesi ucuzdur, proses rotası karmaşık değildir.
Fiberler
|
SiO2
|
Al2O3
|
CaO
|
MgO
|
TiO2
|
Na2O
|
Fe2O3
|
Genel Amaçlı Fiberler
| |||||||
E-Cam(a), %
|
52-56
|
12-15
|
21-23
|
0.4-4
|
0.2-0.5
|
0-1
|
0.2-0.4
|
E-Cam, %
|
59.0
|
12.1
|
22.6
|
3.4
|
1.5
|
0.9
|
0.2
|
E-Cam(b), %
|
60.1
|
13.2
|
22.1
|
3.1
|
0.5
|
0.6
|
0.2
|
Özel Amaçlı Fiberler
| |||||||
ECR-Cam(c), %
|
58.2
|
11.6
|
21.7
|
2.0
|
2.5
|
1.0
|
0.1
|
D-Cam(d), %
|
74.5
|
0.3
|
0.5
|
-
|
1.0
|
-
| |
D-Cam(e), %
|
55.7
|
13.7
|
2.8
|
1.0
|
0.1
|
-
| |
S-, R-, TE-Cam(f), %
|
60-65.5
|
23-25
|
0-9
|
6-11
|
0-0.1
|
0-0.1
| |
Silka/Kuvartz
|
99.999
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
(a)B2O3 = % 4-6, F2 = % 0.4; (b)K2O = % 0.2, F2 = % 0.1; (c)ZnO = % 2.9, K2O = % 0.2, F2 = eser; (d)B2O3 = % 22.0 B2O3, K2O = % < 1.3; (e)B2O3 = % 26.5, K2O = % 0.1, Li2O = % 0.1(f)ZrO = % 0.1
Tablo-7: Ticari Cam Fiberlerin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri
Fiberler
|
Yoğunluk. g/cm3 (b)
|
Ergime noktası, 0C
|
Lineer genleşme katsayısı, 10–6/0C
|
Gerilme
kuvveti, MPa |
Young’s modül, GPa
|
Genel Amaçlı Fiberler
| |||||
E-Cam(a)
|
2.54-2.55
|
1065-1077
|
4.9-6.0
|
3100-3800
|
76-78
|
E-Cam
|
2.62
|
1200
|
6.0
|
3100-3800
|
80-81
|
Özel Amaçlı Fiberler
| |||||
ECR-Cam
|
2.66-2.68
|
1159
|
5.9
|
3100-3800
|
80-81
|
D-Cam
|
2.16
|
-
|
3.1
|
2410
|
-
|
S-Cam
|
2.48-2.49
|
1500
|
2.9
|
4380-4590
|
88-91
|
Silika / kuartz)
|
2.15
|
1670
|
0.54
|
3400
|
69
|
(a)B2O3 = % 4-6 içerir; (b)kütle (bulk) yoğunluğu, tavlanmış cam, g/cm3
Şekil-26: Cam fiber üretim prosesi
Kimyasal bileşimin değişmesiyle fiberlerin özellikleri de değişir. Cam fiberler çeşitli harflerle tanımlanır:
· E: Elektrik (elektrik iletkenliği düşük)
· S: Strength (yüksek kuvvet)
· C: Chemical (yüksek kimyasal kararlık)
· M: Modül (yüksek sertlik)
· A: Alkali (yüksek alkali/soda kireç camı)
· D: Dielektrik (dielektrik sabiti düşük)
Şekil-27: Cam fiber ve fiberglasın SEM görüntüleri
Cam fiberler ham oksitler karışımının doğrudan ergitilmesi ve sonra ergiyiğin ısıtılan platin zıvanalardan çekilmesiyle (50 m/s hızla) elde edilir.(Şekil-26). Fiber yüzeyine, kimyasal reaksiyonlardan korumak ve polimerik matrisle ıslanabilirliğini yükseltmek için, bir sizing, organik sertleştirici (nişasta yağı gibi) uygulanır, ve sonra gerdirilerek çekilir.
Cam fiberler izotropiktir ve izotropik özelliklere sahiptir. Kuvvetlidirler, fakat stiffness sınırlıdır, dolayısıyla spesifik stiffness düşüktür. Ateşe ve pek çok kimyasal maddeye dayanıklıdırlar, fakat nemlenme (su adsorbsiyonu) önemli derecede kuvvet kaybına neden olur. E-cam alkali ortamlardan etkilenir. 400-500 0C’lerin üstünde ergidiğinden mekanik özellikleri hızla bozulur. İçerdiği SiO2 miktarı artırılarak ergime sıcaklığı ve viskozitesi artırılabilir. Cam fiberler spesifik stiffnessin kritik olmadığı uygulamalar için standart kuvvetlendirme malzemeleridir; örneğin, inşaat, marin ve otomotiv sektörleri tipik kullanım alanlarıdır.
Kuvartz ve Silika Fiberler: Cam-tipleri %50-70 arasında silika içerir.
Silika cam, daha saf cam fiberdir; fiberglas asit banyosunda işlemlendirildiğinde daha saf silika (%93-99) elde edilir. Kuvartz, silika camdan da daha saftır, kuvartz fiberler doğal kuvartz kristallerinden (%99 silika içerirler) elde edilir.
Fiberglas, silika fiberler ve kuvartz fiberlerin özel karakteristikleri vardır, çeşitli çaplarda üretilebilirler, rovingler veya yarnlar şeklinde yapılabilirler. Kuvartz fiberlerin cam fiberlerden önemli farklılıkları ısıya karşı olan dayanıklılıklarıdır.
Silika ve kuvartz fiberler elastiktirler, kırılmadan önce uzunluklarının %1’i kadar esneyebilirler. Asitlere ve neme dayanırlar, iyi izolasyon malzemeleridir ve 1600 0C’ye kadar erimezler. Isıl genleşme katsayıları düşük olduğundan yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklıdırlar.
SiC Fiberler: Silikon karbid, bazı metallerin (tungsten, karbon gibi) üzerine kaplanarak da üretilirler. Örneğin silikon karbid-tungsten fiberler bu tür bir yapıdadır. Bunların oda sıcaklığındaki gerilme kuvveti ve gerilme modülleri, boron-tungsten fiberlerde olduğu gibidir. Silikon karbid-tungsten fiberler, kaplanmamış silikon fiberlerden daha avantajlıdır. En iyi özelliği yüksek sıcaklık performansıdır; 1350 0C’de kuvvetinin sadece %35’ini kaybeder.
Silikon karbid-tungsten fiberler, aynı çaptaki boron-tungsten fiberlere kıyasla daha yoğundur ve yüzey bozulmasına eğilimlidir; bu nedenle kompozitin üretimi sırasında dikkatli olunması gerekir. Ayrıca 930 0C’nin üstündeki sıcaklıklarda tungsten ve silikon karbid arasındaki reaksiyonlarla zayıflar; bu olumsuzluk yüksek-sıcaklık matris oluşumlarla dengelenir.
Silikon karbid-karbon yapıların, silikon karbid-tungsten fiberlere kıyasla bazı avantajları vardır; daha hafiftirler, yüksek sıcaklıklarda silikon karbid ve karbon arasında reaksiyon meydana gelmez, gerimle kuvveti ve gerilme modülü silikon karbid ve boron fiberlerden daha yüksektir. SiC fiberler yüksek sıcaklık uygulamalara çok elverişli fiberlerdir.
Üretim prosesine bağlı olarak farklı yapıda ve özelliklerde iki tip SiC fiber bulunur: Kimyasal buhar depozisyon (CVD) prosesiyle ve polimer öncülden SİC fiber üretimi.
CVD prosesiyle SiC fiber üretiminde çapı ≈ 100- 150 μm olan polikristalin SiC fiberler, tungsten (W) veya karbon (C) fiberler üzerinde CVD (Chemical Vapor Deposition) tekniğiyle oluşturulur. Fiberin dış kılıfı, göbek kısma yakın yerde bir miktar a-SiC içeren ß-SiC’dir. SiC’deki (111) düzlemler fiber eksenine paraleldir. Reaksiyon 1000 0C’de, %70 H2 ve %30 CH3SiCl3 ‘lü ortamda yapılır.
CH3 SiCl3 (g) ¾® SiC (k) + 3 HCl (g)
Fiberler, stökiyometrik kompozisyon nedeniyle yüksek sıcaklıklarda kararlı kuvvet özelliklerine sahiptir, elastik modülü ve kimyasal kararlılığı çok yüksektir.
Bu tür SiC fiberler monofilamentler olarak kullanılır, bunlar tekstil preformlar için uygun değildir.
Polimer öncülden SiC fiber üretiminde bir polimer öncülün piroliziyle elde edilen küçük çaplı (10-20 μm) SiC fiberler elde edilir. Fiber bileşimi SiC, SiO2 ve serbest C karışımıdır. Kimyasal kompozisyonu %59 Si, %31 karbon ve %10 oksijendir.
Öncül polimer polidimetilsilan [–(CH3-Si-CH3)n-] 470 ºC’de polikarbosilana dönüştürülür; molekül ağırlığı 1500 dolayındadır. Polikarbosilan 350 0C’de N2 atmosferinde iplik halinde çekilerek öncül fiber elde edilir. Öncül fiber kararlı hale getirildikten (190 0C, O2’de) sonra 1300 0C’de vakumda pirolizlenir (Şekil-28). Elde edilen fiberlerin elastik modül düşüktür ve 700 0C’nin üstündeki sıcaklıklarda kuvvet azalması olur; bunun nedeni nonstökiyometrik kompozisyondur. Esnek fiberlerdir, tekstil preformlarda kullanılabilirler.
SiC Whiskerler: Whiskerler mono kristalindir, kısa fiberlerdir ve çok kuvvetli ve serttirler, tek kristallerin teorik değerlerine yaklaşan değerlere sahiptirler. Çapları (< 1 m) küçük, Aspect oranı (uzunluk/ağırlık) çok yüksektir (50-10000).
Şekil-28: Polimer Öncülden SiC fiber üretim prosesi
Şekil-29: SiC fiber, SiC whisker ve SiC partiküllerin SEM görünümleri
SiC whiskerler normal olarak buhar fazda oluşturma tekniğiyle elde edilir. Ekonomik yönden bakıldığında bu tür prosesler çok pahalıdır. Daha sonraları geliştirilen yeni tekniklerle SiC whiskerler pirinç kabuklarından üretilmeye başlanmıştır.
Pirinç kabukları oksijensiz atmosferde, 700 0C’de pirolizlenerek uçucu maddeler uzaklaştırılır. Pirolizlenen pirinç kabuklarından, 3C + SiO2 ¾® SiC + 2C reaksiyonuyla SiC partiküller ve whiskerler elde edilir. SiC partiküller ve whiskerler (Aspect oranı ~75) ıslak bir proses uygulanarak birbirinden ayrılır.
Alumina (Al2O3)
Alumina aluminyum oksit fiberler metal matrisler için geliştirilmiş fiberler olmasına rağmen reçine metrisli kompozitlerde kullanılmaktadır. Sıkıştırma kuvveti gerilme kuvvetine kıyasla daha iyidir. Önemli özelliği 2000 0C dolayındaki erime noktasıdır; dolayısıyla bu tür fiberlerle üretilen kompozitler 1000 0C’sıcaklıklara kadar dayanıklılık gösterirler. Alumina fiberler, magnezyum ve aluminyum matrislerle çok kullanılan takviye malzemelerdir.
Al2O3 fiberler yüksek sıcaklık ve/veya oksidasyona direnç gerektiren uygulamalar için özellikle önemli ve ilginç fiberlerdir. Çapı ≈ 10 μm olan polikristalin Al2O3 fiberler sol-jel prosesle elde edilirler. Al2O3 fiberler farklı miktarlarda SiO2 içerebilirler. Taneciklerin sınırlarında camsı fazlar bulunur. Alumina miktarı arttıkça sıcaklığa karşı direnci de artar. Alumina fiberler 1000 0C’nin üzerinde refraktör fiberler olarak kullanılır; bunların amorf değil, polikristalin yapıda olması tercih edilir.
Şekil-30: Organoaluminyum bileşiğinden inorganik fiber üretimi
Şekil-31: Alumina fiber ve nanofiberlerin SEM görüntüleri
Alumina aluminyum oksit fiberler metal matrisler için geliştirilmiş fiberler olmasına rağmen reçine-matrisli kompozitlerde de kullanılmaktadır. Sıkıştırma kuvveti, gerilme kuvvetinden daha iyidir. En önemli özelliği Terime > 2000 0C olmasıdır. Başlangıç maddesi olan organik bir aluminyum tuzu çözeltisi polimerleştirilir ve öncül bir fiber formunda çekilir. Öncül fiber, 1400 0C’de kontrol edilen koşullarda kalsine edilerek inorganik fiber elde edilir (Şekil-30).
Alumina fiberler oksitleyici atmosferlerde çok yüksek sıcaklıklarda kararlı bir yapıya sahiptir. Ateşe karşı direnci çok iyidir. Termal ve elektrik iletkenliği düşük, izolasyon özellikleri iyidir. Mekanik özellikleri >700 0C’de, tanecik-sınırlarındaki hareketliliğin tetiklediği kaymalar nedeniyle hızla bozulur.
Boron doğal olarak kırılgandır; kırılgan malzemeler tek bir ‘kuvvet’ değeri değil, bir ‘kuvvet dağılımı’ gösterirler. Boron fiber ticari olarak, boronun kimyasal buhar depozisyon (CVD) prosesinden geçirilmesiyle üretilir; boron, örneğin karbon veya tungsten gibi bir malzeme üzerinde çöktürülür.
Şekil-32: Boron fiberin yapısının şematik görünümü
Fiberlerin yapısı ve morfolojisi depozisyon koşullarına bağlıdır; özellikleri fiberlerin çapına göre değişir, çapın değişmesi, boron/tungsten (W filamentler kullanıldığında) oranını da değiştireceğinden fiber yüzeyi etkilenir. Boron fiberlerin kuvveti cam fiberlerle kıyaslanabilir seviyelerdedir, ancak gerilme kuvveti cam fiberlerden dört-beş kat daha yüksektir.
Boron fiberler temelde kompozit maddelerdir; genellikle tungstenden hazırlanan bir malzemenin boronla kaplanmasıyla elde edilir. Boron-tungsten fiberler sıcak tungsten filamentin gaz karışımında tutulmasıyla üretilir; boron tungsten üzerinde çökelir, istenilen boron kalınlığına ulaşılıncaya kadar işleme devam edilir. Fiberlerin özellikleri çaplarına göre değişik olur. Çünkü, farklı çaplardaki fiberin boron/tungsten oranı değişeceğinden (tungstenin kalınlığı sabit kaldığından), fiber yüzeyleri de çapa göre farklılıklar gösterir. Boron fiberler sert ve kuvvetlidir. Kuvveti cam fiberlerle kıyaslanabilir seviyede olmasına karşın, gerilme modülleri dört-beş kat daha yüksektir. Boron kaplı karbon fiberler de yapılmaktadır; ancak bunların elastik modülleri düşüktür.
Metal fiber takviyeler kolay üretilebilen, kolay biçimlendirilebilen (ductile), sıcaklığa dirençli ve yüksek kuvvette malzemelerdir. Ağır olmaları ve birbirleriyle reaksiyona girme (alaşım mekanizmasıyla) eğilimleri önemli dezavantajlarıdır. Çelik tel, metal filament uygulamalarda çok fazla kullanılan bir takviye malzemesidir; örneğin betonun gerilme kuvveti tellerle yükseltilir. Metal ve seramik kompozitlerde, polietilen ve epoksi gibi polimer matrislerde sürekli metal takviyeler kullanılır.
Sürekli metal fiberlerin üretimi cam fiberlerden daha kolaydır, esneme özellikleri daha iyidir ve daha kuvvetlidir. Yüksek sıcaklıklara karşı fazla toleranslı olmamaları ve termal genleşme katsayılarının (reçineyle) kararsızlığı metal fiberlerin kullanımlarını sınırlar. Metalik fiberlere örnek olarak aluminyum, gümüş, altın ve paslanmaz çelik fiberler gösterilebilir. Metalik fiberler metal, plastik-kaplı metal, metal-kaplı plastik, veya tamamen metalle kaplanmış bir çekirdektir. (Şekil-33)
Metalik fiberler, çapı 100 mm’ye kadar olanlar, geleneksel tel çekme prosesiyle yapılır. Refraktör metaller için sıcak çekme işlemi uygulanır. Çapı 100 μm’nin altındaki metalik fiberler Taylor prosesiyle elde edilebilir. Proseste metal cam bir kılıf içine yerleştirilir.
Şekil-34: Aluminyum ve paslanmaz çeliğin (nanopartiküllerle kaplı) SEM görüntüleri
Cam çekme sıcaklığında metalle reaksiyona girmemelidir, çekme sıcaklığında camın viskozitesi düşük olmalıdır, camın CTE değeri metalin CTE değerine eşit (veya çok az düşük) olmalıdır, metal katılaşmadan önce camın viskozitesi çok yüksek olmalıdır.
Metalik fiberler çok kuvvetli ve düşük ductiliteli malzemelerdir. Seramik ve karbon fiberlerle kıyaslandığında kuvvet değerleri daha güvenilirdir. Termal ve elektrik iletkenlikleri iyidir. Refraktör metaller dışındaki metaliklerin özelliklerinde, sıcaklığın artmasıyla, zerreciklerin büyümesi, rekristalizasyon ve kayma gibi nedenlerle hızla düşüşler olur.
Multifazlı (çok fazlı) fiberler (spoolable) genellikle kimyasal buhar depozisyon (CVD) prosesleriyle yapılırlar; bunlar, karbon veya tungsten gibi çok ince bir filament maddenin yüzeyi üzerinde oluşturulan boron, silikon ve bunların karbidleri gibi malzemelerden oluşur. Bu tür fiberler, metallerle reaksiyona girme eğilimleri düşük olduğundan yüksek sıcaklık uygulamalarında, grafit ve diğer metalik fiberlere tercih edilen takviye malzemelerdir.
Tipik bir örnek olarak multifaz karbon nonotüp-Si-karbon (CNT/Si/CF) fiber gösterilebilir. Karbon fiberler (CF) üzerinde (amorf bir Si arayüz kullanılarak) kimyasal buhar depozisyonu (CVD) yöntemiyle dizili çok-duvarlı karbon nanotüplerin (CNT) oluşması ve büyümeleri sağlanır. Si tabakası bir engel yaratarak katalizörün karbon fiberlere difüzyonunu önler. Elde edilen ürün multifaz CNT/Si/CF fiberdir.
Diğer bir tip multifaz veya polifaz fiber çekirdek-kılıf (core-sheath) fiberdir; bunlar cam veya cam gibi bir kılıfla kaplanmış bir polikristalin veya kristallenebilen çekirdek malzemedir. Böyle bir yapı yüksek modüllü oksitlerin fiberler veya filamentler (25-200 μm çap) şeklinde çekilmesine izin verir.
Preform Hazırlama Teknikleri
Preformda fiberler kısa (kesik fiberler veya whiskerler) veya uzun (sürekli) fiberler olabilir. Sürekli fiberler dokuma (woven), örgü (braid), v.s. gibi farklı yapılarda üretilir (Şekil-35).
Preformun önemli bir parametresi porözitesidir. Preformun porözitesini yeterli büyüklükteki gözeneklerin birleşerek oluşturduğu açıklıklar meydana getirir. Gaz öncülerin kolaylıkla difüzlenebilmesi (veya akabilmesi) için preformda gerekli miktarda çapı büyük gözenekler bulunmalıdır.
Kısa fiber preformlar slurry kalıplama prosesiyle yapılabilir. Kesilmiş fiberler (veya whiskerler) önce bağlayıcı içeren bir sıvıda (örneğin, SiC matris için bir polikarbosilan) dağıtılır ve oluşan slurry vakumda süzülür. Katı kalıntı kalıplarda veya levhalar arasında preslenerek preforma dönüştürülür.
Kuru-preformlar: Fabrikler, uygun bir seramik prosesiyle preslenir.
Fiber Demetleri (Towlar): Towlar bir yönde takviye için kullanılır. Binlerce filament içerdiğinden fiber demetleri (bundles) 1K (bin adet), 3K, 6K, 12K şeklinde tanımlanır. 1D preformlar preslenerek veya bir bağlayıcıyla bir araya getirilmiş fiber towlardan yapılır. Basit ve doğrusal filamentler topluluğudur; yarnlar ve rovingler olarak tanımlanır. Bunların en önemli avantajı yüksek fiber hacim fraksiyonuna (%50-60) sahip olmasıdır. Diğer yönden bu preformlarda gözenekler tek-yönlüdür (unidirectional) ve yoğunlaştırılması (CVI prosesi) zordur. Çapraz tabakalı preformlar bu teknikle yapılır.
İki Boyutlu (Two-dimensional) Yapılar: İki-yönlü (2D) fabrikler, çözgü ve atkı iplikleri sayısının benzer olduğu dokuma yapılardır. 2D preformlar fabrik kümelerinden yapılan kullanımı çok yaygın preformlardır. Bunlar, kolay hazırlanırlar, fiber hacim fraksiyonları yüksektir (tipik 40-45.5 gibi), ve gözenek spektrası CVI prosese çok uygundur.
Teypler (unidirectional fabrikler) atkı (pick) ipliklerine kıyasla çok sayıda çözgü ipliği (warp) içeren fabriklerdir. (Çözgü ipliği, teybin sarma yönünde, atkı ipliği ise sarma yönüne çapraz olarak yerleştirilen ipliklerdir.) İplikler doğal esnekliği nedeniyle 2D preformların üretimine uygun malzemelerdir; örneğin, rastgele matlar, dokumalar, şeritler ve örgüler gibi.
Üç-boyutlu (Tri-dimensional) Yapılar: İpliklerin üç farklı yönde yer aldığı 3D fabriklerdir. 3D kompozitler dokuma, şerit ve örgü gibi fabriklerden üretilir. Bu tür mimari yapılar 3D ağ-şekilli kompozitlerin fabrikasyonunda kullanılır. Konsolide preformlarda fabrikler önce organik veya organometalik bir bağlayıcıyla (polikarbonat gibi) birbirleriyle bağlanır ve pirolizlenir: az miktarda bir seramik matris oluşur. Sonra CVI prosesi yapılır. Kompleks nD preformlar (n>2, fiber oryantasyon sayısı) bu yönteme benzer şekillerde hazırlanır.
Şekil-35: Boyutsal hiyerarşiye göre preforming rotaları
Tablo-8: Tipik Bazı Organik, Seramik ve Metalik Fiberlerin Özellikleri
Fiberler
|
Çap, mm
|
Yoğ. g/cm3
|
Kuv. GPa
|
ÇG, %
|
EM, GPa
|
CTE,
10-6.K-1 |
Terime,
K |
TC, W/mK
| ||||
Organik Fiberler
| ||||||||||||
Armid (Kevlar 49)
|
12
|
1.45
|
2.8
|
2.8
|
125
|
-5.0
|
700
|
0.04
| ||||
Polietilen (UHMWPE)
|
38
|
0.97
|
2.6
|
3.5
|
120
|
-
|
400
|
-
| ||||
Karbon PAN (HS)
|
7-8
|
1.80
|
5.0
|
2.0
|
230
|
-0.7
|
3950
|
8
| ||||
Karbon PAN (HM)
|
7-10
|
1.86
|
2.7
|
0.7
|
390
|
-0.5
|
3950
|
70
| ||||
Karbon Zift
|
10
|
2.00
|
2.0
|
0.4
|
380
|
-0.9
|
3950
|
100
| ||||
Seramik Fiberler
| ||||||||||||
Cam
|
8-15
|
2.6
|
3.4
|
2.6
|
76
|
4.9
|
1000
|
12
| ||||
SiC (CVD)
|
100-150
|
3.0
|
3.5
|
0.9
|
400
|
4.0
|
3000
|
10
| ||||
SiC (polimer)
|
10-20
|
2.6
|
2.2
|
1.0
|
200
|
6.5
|
2313
|
10
| ||||
Alumina (Al2O3)
|
10
|
3.3
|
2.0
|
0.7
|
300
|
7.0
|
2288
|
5
| ||||
Metalik Fiberler
| ||||||||||||
Berilyum (Be)
|
130
|
1.85
|
1.3
|
0.5
|
300
|
11.6
|
1550
|
150
| ||||
Tungsten (W)
|
25-250
|
19.3
|
3.8
|
1.1
|
360
|
4.5
|
3673
|
168
| ||||
Karbon çeliği (%0.9)
|
100
|
7.8
|
4.3
|
2.5
|
210
|
11.8
|
1573
|
29
| ||||
Paslanmaz çelik
|
50-250
|
8.0
|
0.7-1.0
|
0.5
|
200
|
18.0
|
1573
|
29
| ||||
Molibden (Mo)
|
25-125
|
10.2
|
2.5
|
0.9
|
310
|
6.0
|
2873
|
145
| ||||
ÇG: çökme gevşemesi, EM: elastik modül, CTE: termal genleşme katsayısı,
TC: termal iletkenlik
TC: termal iletkenlik
