Karbon Kompozit Nedir?

Alanlar hafifletme, yüksek mukavemet ve korozyon direnci açısından malzemelere yönelik gereksinimleri sürekli olarak artırdıkça, geleneksel metal malzemeler giderek bu talepleri karşılayamaz hale gelmektedir. Bununla birlikte, karbon kompozit olağanüstü kapsamlı performansı nedeniyle öne çıkmakta ve modern malzemeler alanında odak uygulama haline gelmektedir. Bu nedenle tanımını, bileşimini, özelliklerini ve ilgili endüstrilerdeki uygulamalarını anlamak önemlidir.

Karbon Kompozitlerin Temel Tanımı ve Bileşimi

Tanım

Karbon kompozit malzeme, belirli işlevlere ve mekanik özelliklere sahip yeni bir kompozit malzeme türüdür. Takviye malzemesi olarak karbon fiberlerden, matris malzemesi olarak reçineler, metaller, seramikler vb. malzemelerden oluşur. Ve sıkıştırma kalıplama, sarma, sıcak presleme vb. kalıplama işlemleri yoluyla ikisi yakından bağlanır. Çelik gibi tek bir malzemenin birleşik performansını çok aşan bir performans atılımı elde eder.

Temel Bileşenler

Takviye Malzemeleri

Takviye gövdesi, malzemenin mukavemeti ve modülü gibi temel mekanik özelliklerini doğrudan belirler. Ana bileşeni, poliakrilonitril, viskoz elyaflar gibi birçok organik elyafı içeren karbon elyaftır. Yüksek sıcaklıkta karbonizasyon ve grafitleştirme gibi işlemlerle safsızlıkların giderilmesi ve karbon atom yapısının yeniden düzenlenmesi ile yapılırlar. Sonunda, sadece 5-10 mikrometre çapında ve 90%'nin üzerinde karbon içeriğine sahip lif benzeri bir malzeme oluşturur. Performans farklılıklarına göre karbon elyaflar çeşitli sınıflara ayrılabilir:

Genel amaçlı sınıf (T300 gibi)

Mukavemeti ve modülü orta düzeydedir ve daha düşük maliyetlidir, çoğunlukla spor ekipmanlarında ve sıradan endüstriyel bileşenlerde kullanılır.

Yüksek performans sınıfı (T800, T1100 gibi)

Çekme mukavemeti, elastik modülü alüminyum alaşımından çok daha yüksek olan çeliğin 5-6 katına ulaşabilir. Böylece havacılık ve üst düzey ekipman gibi son derece yüksek performans gereksinimleri olan alanlarda kullanabilirsiniz.

Ayrıca karbon elyafların sürekli elyaf, kırpılmış elyaf gibi formları da malzeme özelliklerini etkilemektedir.

Matris Malzemeleri

Matris malzemesi, dağılmış karbon elyafları bir bütün halinde bağlamaktan sorumludur ve bu da dış yükleri eşit şekilde iletir. Ayrıca korozyon ve yüksek sıcaklıklar gibi zorlu ortamların karbon elyaflara zarar vermesini önler. Şu anda, ana akım matris malzemeleri temel olarak üç kategoriye ayrılmaktadır:

Reçine matrisi

Epoksi reçine:

Güçlü yapışma, basit kalıplama işlemi ve kontrol edilebilir maliyete sahiptir, bu da havacılık ve spor ekipmanları için tercih edilen seçimdir.

Fenolik reçine:

İyi ısı direncine ve alev geciktiriciliğine sahiptir, bu nedenle çoğunlukla yanmaz bileşenlerde kullanılır.

Poliimid reçine:

Üst düzey motor bileşenleri için uygun olan 200°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda kararlı bir şekilde çalışabilir.

Metal matris

Ağırlıklı olarak alüminyum, magnezyum ve titanyum gibi hafif metallerden ve bunların alaşımlarından oluşur. Hem yüksek mukavemete hem de yüksek termal iletkenliğe sahiptir, ancak şekillendirme süreci karmaşıktır ve maliyeti nispeten yüksektir. Bu nedenle, termal iletkenlik gerektiren elektronik cihazlarda ve uçak motoru kanatlarında ısı dağıtma bileşenleri için uygundur.

Seramik matris

Öncelikle aşağıdaki gibi malzemelerden oluşur silisyum karbür ve mükemmel ısı direncine ve olağanüstü aşınma direncine sahip alümina. Aşırı ortamlardaki bileşenler için temel malzeme olan 1000°C'nin üzerindeki sıcaklıklara dayanabilir.

Karbon Kompozitlerin Temel Özellikleri

Yüksek Mukavemet ve Yüksek Modül

Çekme mukavemeti çeliğin birkaç katına ulaşır ve elastik modülü geleneksel metallerinkini çok aşar. Bu, karbon kompozit malzeme bileşenlerinin boyut olarak daha küçük, ağırlık olarak daha hafif olmasını sağlar ve bu da stabilite sağlar. Ayrıca, kanat deformasyonunu azaltabilen ve uçuş güvenliği ve performansını sağlayabilen deformasyona etkili bir şekilde direnme yeteneğine sahiptir.

Düşük Yoğunluk

Karbon kompozit malzemeler son derece düşük bir yoğunluğa sahiptir; çeliğin yalnızca 1/4 - 1/5'i ve alüminyumun yaklaşık 1/2'si kadardır. Dolayısıyla, ağırlığı önemli ölçüde azaltabilen araba gövdeleri ve şasi gibi bileşenleri üretmek için kullanabilirsiniz. Havacılık ve uzay alanında ise uçakların ağırlığını azaltarak fırlatma maliyetlerini düşürür, taşıma yükünü ve menzili artırır.

Korozyon Direnci ve Yorulma Direnci

Güçlü kimyasal stabilitesi ve mükemmel korozyon direnci sayesinde asitler, alkaliler ve tuzlarla reaksiyona girmez. Böylece zorlu kimyasal ortamlarda uzun süre çalışabilir, bu da ekipmanın ömrünü uzatır ve bakım maliyetlerini azaltır. Ayrıca, olağanüstü yorulma direnci sayesinde hasar yavaşça yayılır ve yorulma ömrü alternatif yükler altında uzundur.

Tasarlanabilirlik

Karbon kompozit malzemeler yüksek tasarlanabilirliğe sahiptir, bileşenlerin performansı gerektiği gibi tasarlanabilir. Kompozit malzemelerin türlerini, içeriğini, döşeme yönünü ve yöntemini değiştirebilirsiniz. karbon elyaflaryanı sıra farklı matris malzemeleri seçebilirsiniz. Ayrıca, kalıplama sürecini değiştirerek, kapsamlı kesme işlemlerine gerek kalmadan karmaşık şekilli bileşenler üretebilirsiniz. Malzeme israfını azaltır ve verimliliği artırır, çeşitli alanlardaki özel gereksinimlerin karşılanmasını sağlar ve uygulama kapsamını genişletir.

Karbon Kompozitlerin Başlıca Uygulama Alanları

Havacılık ve Uzay Alanı

Yolcu uçakları açısından

Ağırlığı azaltır ve yakıt verimliliğini artırır, bu nedenle gövde, kanatlar ve diğer temel bileşenler yoğun olarak bundan yapılır. Ve bazı savaş uçakları, manevra kabiliyetini artıran ve gizlilik performansını geliştiren kaplamaları ve bomba bölmesi kapılarını yapmak için kullanır.

Uzay aracında

Uydu çerçeveleri ve güneş paneli destekleri için ağırlığı azaltmak ve yük kapasitesini artırmak için kullanabilirsiniz. Ve 3000 ℃ üzerindeki sıcaklıklara dayanabilir ve yüksek sıcaklıktaki bileşenler için kullanılabilen fırlatmayı sağlayabilir.

Ulaştırma Alanı

Otomotiv sektöründe

Şanzıman milleri metalden 40% daha hafif olduğu için hafifletme ve enerji tasarrufu sağlamaya yardımcı olur. Ayrıca, yayların ağırlığının yarıya indirildiği ve yorulma direncini koruyan daha yüksek aktarım verimliliğine sahiptir.

Yüksek hızlı demiryolu sektöründe

Trenin gövde kabukları ve koltuk çerçeveleri için kullanabilirsiniz, bu da gövde ağırlığını 10%'nin üzerinde azaltır. Çekiş enerjisi tüketimini 8%'den 10%'ye düşürebilir ve iyi bir korozyon direncine sahiptir. Böylece nemli ve kıyı ortamlarında bakımı azaltabilir ve işletme maliyetlerini düşürebilir.

Spor Ekipmanları Alanı

Bilyalı ekipmanlarda

Çerçeve için, metalden 30% daha hafiftir ve iyi esnekliğe, verimli kuvvet iletimine sahiptir ve kol yaralanmalarını azaltır. Golf sopaları için, sert şaft ve sert kafa elde etmek için fiber düzenini değiştirerek şaftı ayarlayabilirsiniz.

Bisiklet ve atletizm ekipmanlarında

Son derece hafif ve güçlü sertliğe sahip üst düzey bisiklet şasileri ve tekerlekleri için kullanabilirsiniz. Sırıkla atlama için kullanıldığında, sırık enerji depoladığı için faydalıdır ve sporcuların yüksekliği aşmasına yardımcı olur.

Endüstriyel ve Yeni Enerji Alanı

Rüzgar enerjisinde

Geleneksel cam elyaf kanatlarla karşılaştırıldığında 30% daha hafiftir ve yorulmaya karşı daha dayanıklıdır. Ayrıca, büyük ölçekli ve açık deniz rüzgar enerjisinin gelişimine uyum sağlayarak 20 yılı aşkın bir süre boyunca güçlü deniz rüzgarlarında istikrarlı bir şekilde çalışabilir.

Yüksek basınçlı konteynerler alanında

Hafifliği ve korozyon direnci nedeniyle doğal gaz ve hidrojen depolama tanklarında kullanabilirsiniz. Ayrıca, hidrojen yakıt hücreli araçların hidrojen depolama tanklarında da kullanabilirsiniz, bu da ağırlığı azaltabilir ve menzili artırabilir.

Sonuç

Karbon kompozit, yüksek mukavemet ve düşük yoğunluk gibi avantajlara sahip olan olağanüstü bir performansa sahiptir. Havacılık, ulaşım, spor ekipmanları ve endüstriyel yeni enerji gibi alanlarda geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Buna ek olarak, sadece endüstriyel teknolojik yenilikleri yönlendirmekle kalmaz, aynı zamanda hafifletme ve enerji tasarrufu için malzeme çözümleri de sağlar.