Şekil-1: Bazı polimer, metal, seramik ve
karbon matrislerin sıcaklık dayanımları
Şekil-2: Karbonun (C) allotropları
Karbon (veya grafit) fiber takviyeli karbon matris
kompozitler çok önemli ve gelecek vadeden mühendislik malzemeleridir;
genellikle “karbon-karbon kompozitler (CCC)” olarak tanımlanırlar ve adından da
anlaşıldığı gibi hem takviye ve hem de matris faz karbondur. Monolitik grafit
kırılgandır ve kuvvetli olmayan bir malzemedir; dolayısıyla büyük ve kompleks
şekillerin yapılması zordur. Kuvvet zayıflığının giderilmesi ve işlemenin
kolaylaştırılabilmesi için, yüksek sıcaklık uygulamalarda termal kararlılığın
fevkalade olduğu, karbon matris içinde yüksek-kuvvetli karbon fiberler bulunduğu
karbon-karbon kompozitler geliştirilmiştir.
CCC’ler oldukça yenidir ve pahalıdır; dolayısıyla kullanım
alanları yaygın değildir. Önemli özellikleri gerilme kuvveti ve gerilme
modülünün yüksek olması ve bu performanslarını >2000 0C gibi çok
yüksek sıcaklıklara kadar koruyabilmeleridir. Ayrıca hafif (d = 2.0 g/cm3),
kayma ve yayılmaya karşı dirençli, kırılma dayanımı yüksek, termal genleşme
katsayısı düşük ve termal iletkenliği yüksek kompozitlerdir. CCC’lerin en önemli
olumsuzluğu oksitlenme özelliğidir. Oksidatif olmayan ortamlarda >2200 0C
sıcaklığa kadar kararlı olmalarına karşın koruyucu bir tabakayla kaplanmadığında
veya kimyasal olarak modifiye edilmediği hallerde oksijenli atmosferde 400-500 0C’de
bile oksitlenir ve parçalanır.
Karbon-karbon kompozitlerin pahalı olmasının başlıca
nedenleri kaplama işlemleri ve uygulanan kompleks proses teknikleridir. Sürekli
karbon fiberler önce istenilen, örneğin iki-veya üçboyutlu paternde
yerleştirilir, sonra sıvı bir polimer reçineyle (fenolikler veya furanlar gibi)
impregne edilir, son şekle getirilir, kürleme ve piroliz prosesi uygulanır.
İnert atmosferde pirolizlenen reçinedeki hidrojen, oksijen ve nitrojen
uzaklaşarak geride sadece karbon kalır. Takiben, infiltrasyon-kürleme-piroliz
saykılı tekrarlanarak malzeme istenilen yoğunluğa ulaştırılır.
Karbon-karbon kompozitler roket motorlarında, uçak ve yüksek
performans otomobillerde sürtünme malzemeleri, sıcak presleme kalıpları, türbin
motorları elemanları gibi çeşitli parçaların üretiminde kullanılır. Karbon
ergime noktasına kadar, oksijensiz ortamda kuvvetini kaybetmez. Termal genleşme
katsayısı çok düşük olduğundan termal şoklara karşı fevkalade dirençlidir. Bazı
allotropik formları yüksek elektrik ve termal iletkenlik özelliği gösterir.
Malzeme
|
Elastik
modülü, GPa |
Gerilme
kuvveti, MPa |
Sıkıştırma
kuvveti, MPa |
Kırılma
enerjisi, kJ/m2 |
Grafit
|
10-15
|
40-60
|
110-200
|
0.01
|
Tek-yönlü C-C kompozit
|
120-150
|
600-700
|
500-800
|
1.4-2.0
|
Üç-yönlü C-C kompozit
|
40-100
|
200-350
|
150-200
|
5-10
|
Karbon matris kompozitlerin (CCC) üretimi, çeşitli rotalar
izlenerek gerçekleştirilebilir (Şekil-3). Elde edilen kompozitin mekanik ve
fiziksel özellikleri malzeme ve proses seçimine göre farklı olur.
