Matris Faz
Karbon önemli bir malzemedir; yağ gibi formdan elmasa ve
yapısal fiberlere kadar uzanan değişik formlarda olabilir. Çeşitli
karbon-karbon üretim proseslerinden elde edilen karbon matrisler oldukça zayıf
ve kırılgan formlardır; bunlar arasında termal iletkenlikleri çok yüksek olan
bazı formlar da bulunur. Karbon ve grafit, kompozit malzemeler içinde özel bir
konuma sahiptir. Her ikisi de 2300 0C’ye kadar yüksek sıcaklıklara
dayanabilen kuvvetli ve sert kompozitlerdir.
Karbon-karbon kompozitlerin üretiminde matris faz preforma,
sıvı impregnasyon veya kimyasal buhar infiltrasyon (CVI) prosesleriyle
yerleştirilir. Sıvı impregnasyonda reçine veya zift (veya katran) kullanılır;
impregnasyon işleminden sonra karbonizasyon prosesi uygulanır. Zift
kullanıldığı durumda proses iki aşamada tamamlanır; ince fiber preform ziftle
impregne edilir, sonraki proseste de yoğunlaştırılır.
Kimyasal buhar infiltrasyonu, kontrollü sıcaklık ve basınç
altında metan veya etan gibi gazların fiberler arasında ve üstünde pirolitik
karbon olarak çöktürülmesine dayanan proseslerdir.
CVI ve sıvı reçine rotasında kompozitin gerekli yoğunluğa
ulaşması için impregnasyon ve piroliz işlemlerinin tekrarlanması gerekir. CVI
prosesi genellikle ince duvarlı parçalara, sıvı infiltrasyon yöntemi ise kalın
malzemeler uygulanır. Ayrıca her iki tekniğin kombinasyonunun uygulandığı prosesler
de geliştirilmiştir.
Matris Modifikasyon Rotası:
Karbon matrisi, oksitleyici dolgu maddesi (boron karbid) ve organo-metalik
malzemelerle (buhar piroliz sırasında B, Si ve Ti elementlerine dönüşür)
modifiye edildiğinde ~1000 0C’ye
kadar oksidasyona karşı koruma sağlanabilir. Böyle bir işlem kompozit kalınlığı
boyunca direkt oksidasyona dayanıklılık sağladığından koruyucu kaplama
metodundan farklıdır. Koruyucu kaplamada, yüzey koruması yapıldığından
oksidasyona dayanıklılık indirekttir. Modifiye matris rotasında, koruyucu
kaplamada karşılaşılan kaplamanın çatlaması ve takiben de koruma özelliğindeki
kayıp nedeniyle meydana gelen düzensizlik sorunlarıyla karşılaşılmaz.
Dispers Faz
Karbon ve grafit fiberler, karbonda bulunan grafen
(heksagonal) ağ yapıya dayanır. Grafen tabakaları üç-boyutlu düzende
yerleşmişlerse malzeme grafit olarak tanımlanır; böyle bir yapının oluşması
uzun zaman ve sıcaklık prosesi gerektirdiğinden grafit fiberlerin üretimi çok
pahalıdır. Düzlemler arasındaki bağlanma zayıftır ve çoğu zaman üç-boyutlu
düzen bozulur. Tabakalar arasında sadece iki-boyutlu düzenin bulunduğu malzeme
karbon olarak bilinir.
Kuvvet ve modül
değerleri farklı düzinelerce ticari karbon fiber vardır. Takviye malzeme olarak
karbon fiberler yüksek stiffness, yüksek kuvvet, düşük yoğunluk ve düşük CTE
özelikleriyle karakterize edilirler. Gerilme modülü 895 GPa ve gerilme kuvveti
7000 MPa gibi çok yüksek değerlere sahip ticari karbon fiberler vardır. Karbon
fiberler kaymaya, gerilmede kopmaya, kırılmaya ve korozif ortamlara karşı
dirençlidir.
Karbon
fiberlerin çoğu anizotropiktir. Aksiyal stiffness, gerilme ve sıkıştırma
kuvveti ve termal iletkenlik değerleri, radyal yöndeki değerlerden daha
yüksektir. Karbon fiberin gerilme-gevşeme eğrisi non-lineerdir; modülü artan
gerilme kuvvetine karşı yükselir, artan sıkıştırma kuvvetine karşı azalır.
Karbon
fiberlerin üretiminde üç öncül madde kullanılabilir: Rayon, PAN (poliakrilonitril),
ve zifttir (petrol katranı zifti ve kömür katranı zifti) (Şekil-8). Bunlardan
kullanımı en yaygın olanı PAN (poliakrilonitril) bazlı karbon fiberlerdir.
Tablo-4’de bazı PAN ve zift bazlı karbon fiberlerin tipik özellikleri
verilmiştir.
Şekil-8: Zift, PAN ve Rayon Bazlı fiberlerin
SEM görünümleri
Fiber
|
Yoğunluk g/cm3
|
Modül, GPa
|
Gerilme kuv. MPa
|
CTE, ppm/K
|
TC, W/m.K
|
SM-Karbon (PAN)
|
1.7
|
235
|
3200
|
-0.5
|
9
|
UHM-Karbon (PAN)
|
1.9
|
590
|
3800
|
-1
|
18
|
UHM-Karbon (PAN)
|
1.8
|
290
|
7000
|
-1.5
|
160
|
UHM-Karbon (zift)
|
2.2
|
895
|
2200
|
-1.6
|
640
|
UHK-Karbon (zift)
|
2.2
|
830
|
2200
|
-1.6
|
1100
|
SM: standart modül, UHM:
ultra yüksek modül, CTE: eksensel termal genleşme katsayısı,
TC: termal iletkenlik
TC: termal iletkenlik
Karbon fiber takviye malzemeler çeşitli formlarda olabilir:
Sürekli karbon fiberler; örneğin, 400-1600 filamentten oluşan yarnlar veya
towlar, tek-yönlü ön-impregneli teypler, çeşitli fabrikler, tek-yönlü teypler,
dokuma fabrikler, süreksiz karbon fiberler; öğütülmüş fiberler, kesilmiş, kırık
fiberler, uzun kesilmiş fiberler gibi. Şekil-9(a)’da karbon fiberlerin çeşitli
formları, şekil-9(b)’de bir C-C kompozit 4D fiber mimarisinin şematik görünümü
verilmiştir.
Şekil-9: (a) Tipik karbon fiber formları,
(b) C-C kompozit 4D fiber mimarisi
Arayüz, Oksidasyon Koruma Sistemleri
Fiber-matris arayüz oluşmasında amaçlanan, fiber-matris bağ
kuvvetini (kayma ağ kuvveti) kontrol etmek, fiber üzerinde matris öncülün
yapışmasını artırmak ve fiber dispersiyonunu geliştirmektir. Bu işlemler genel
olarak iki yöntemle gerçekleştirilir: fiber yüzey işlemleme ve matrise
dispersan bir katkı maddesi ilavesi.
Karbon-karbon
kompozitlerin pseudo (yalancı)-plastik olgusu iç çatlamalar ve porözitesinden
kaynaklanır. Bu kusurlar kapatıldığında pseudo-plastiklik bozulur veya azalır,
kırılgan kırılma (fracture) modu ilerler.
Kompozitin enerji absorblama
kapasitesi fiber-matris bağlanmasına ve çatlamanın ilerleme mekanizmasına
bağlıdır: Zayıf bağlanmada, fiber-matris arayüzde matris çatlamasının
ilerlemesi kesilir ve çatlama saptırılır; çökme, fiber pull-out (çıkma)
mekanizmasına yönlendirilir. Kuvvetli bağlanma çatlama sapması olasılığını
azaltır, çatlamayı fibere nakleder; bu durumda malzemenin kuvveti ve enerji absorblama
kapasitesi sınırlanır.
Yapısal ve termal perspektiften bakıldığında, yüksek-kuvvetli
ve yüksek-modüllü karbon fiberler kullanılması, kompozitin yüksek sıcaklık
performansını korurken mekanik kuvvet ve sağlamlık kazanmasını sağlar.
Karbon, oksijensiz ortamlarda (inert) ve vakumda, 2200 0C’lerin
üstündeki sıcaklıklara kadar fevkalade kararlı ve hafif (yoğunluğu 2.0 g/cm3)
bir malzemedir. Monolitik grafit kırılgandır ve fazla kuvvetli değildir;
dolayısıyla büyük ve kompleks formların yapılmasında çeşitli fabrikasyon
sıkıntıları yaratır. Bu gibi olumsuzluklar, karbon matris içinde yüksek
kuvvetli karbon fiberlerin yer aldığı karbon-karbon kompozitlerin geliştirilmesiyle
giderilmektedir.
Karbon-karbon kompozitlerin en önemli olumsuzluğu oksijene
karşı olan hassasiyetidir. Matris de fiber de, önceden oksidasyon karşı koruma
yapılmamışsa 450 0C’nin üstündeki sıcaklıklarda ağırlık kaybına
uğrar ve parçalanır (Şekil-10:). Bu çevresel olumsuzluk kompozitin koruyucu
malzemelerle kaplanmasıyla (veya kimyasal işlemlerle) giderilir.
Karbon-karbon kompozitlerin oksidasyondan korunması için
yapılan kaplamalar, kompozitin karşılaştığı her sıcaklıkta (>2000 0C’ye
kadar) malzemenin mekanik ve fiziksel özelliklerini korumasına olanak
vermelidir. Kaplama, kompozite yapışmalı ve çatlamamalıdır; aksi halde
kompozitin oksitlenmesi kaçınılmaz olur.
Koruma sistemleri
termosaykıl oksidasyon ortamlara bağlı olarak çok kompleks ve farklı olabilir. Oksidasyona
karşı korumada iki önemli yöntem uygulanabilir:
Harici (Dış) Kaplama:
Yüzey kaplamalar malzemeye oksijen girişini önleyen bir bariyer görevi yapar
(örneğin, silikon karbid ile kaplama).
Dahili Oksidasyon
İnhibitörü Uygulaması: Oksidasyon inhibitörleri ya bir iç-bariyer
oluşturarak oksijen girişini engeller, veya oksijenle reaksiyona girerek
koruyucu bir tabaka oluşmasını sağlar.
Karbon-karbon kompozitin oksitleyici ortamdaki
dayanıklılığı, hazırlanmasında kullanılan veya uygulanan oksijen bariyerlerinin
zaman-sıcaklık-saykıl kapasitesine bağlıdır.
Şekil-10: Koruyucu işlem yapılmamış CCC
oksijeni atmosferde parçalanması
Şekil-11: Çeşitli malzemelerle kaplanmış karbon fiberlerin SEM
görüntüleri
Şekil-12: Oksit, nitrid ve çok-tabakalı arayüz
kaplamalar
Koruma elemanları
kısaca aşağıda özetlenmiştir.
·
Reçine
balı matrise genellikle partikülat formda inhibitörler ilave edilir.
·
Poröz
bir C-C substrata oksidasyona dayanıklı seramiklerin (SiC, Si3N4,
BN, AlN, TiC ve B4C) infiltrasyonu kimyasal buhar infiltrasyon (CVI)
/ kimyasal buhar depozisyon (CVD) prosesleriyle yapılabilir.
·
Yüzey
karbonu, silikon karbide dönüştürülerek bir difüzyon kaplama sağlanır.
·
Bir üst
kaplama daha yapılabilir; örneğin SiC gibi.
·
Cam
ara-tabakalar ve kaplamalar sızdırmaz bir ortam gibi davranır.
Kaplamalar üzerinde çok ve çeşitli çalışmalar yapılmıştır.
Örneğin, (Si3N4) 1250 0C’ye kadar, SiO2
bazlı yüzey tabakalı silikon karbid (SiC) 1700 0C’ye kadar koruma
sağlayan kaplama maddeleridir. 1700 0C’nin
üstündeki uygulamalarda kullanılacak kompozitlerde daha kompleks kaplamalar gerekir;
örneğin, hafniyum diborid, hafniyum oksit ve indiyum gibi.
