Karbon elyafları veya karbon fiberleri (alternatif olarak CF, grafit elyafı veya grafit elyafı) çapı 5-10 mikrometre olan ve çoğunlukla karbon atomlarından oluşan elyaflardır.
Karbon fiberlerin yüksek sağlamlık, yüksek gerilme mukavemeti, düşük ağırlık, yüksek kimyasal dayanım, yüksek sıcaklık toleransı ve düşük termal genleşme gibi birçok avantajı vardır.
Bu özellikler, havacılık, inşaat mühendisliği, askeri alanlarda, motor ve diğer rekabet sporlarında karbon elyafı çok popüler hale getirmiştir. Bununla birlikte, cam elyafları veya plastik elyafları gibi benzer elyaflara kıyasla nispeten pahalıdırlar.
Bir karbon elyafı üretmek için, karbon atomları, kristal hizalaması lifin yüksek mukavemet-hacim oranını (boyutunu sağlamlaştıran) sağlayan elyafın uzun eksenine az çok paralel olan kristaller halinde birbirine bağlanır. Birkaç bin karbon elyaf, kendi başına veya bir kumaşta dokunabilen bir kundak oluşturmak üzere bir araya getirilir.
Karbon fiberleri genellikle bir bileşik oluşturmak için diğer malzemelerle birleştirilir. Bir plastik reçine ile emdirildiğinde ve fırında pişirildiğinde, çok yüksek bir mukavemet / ağırlık oranı olan karbon lifi takviyeli polimer (genellikle karbon fiber olarak anılır) oluşur ve biraz gevrek olmasına rağmen son derece katıdır.
Karbon elyafları, grafit gibi diğer malzemelerle birleştirilerek çok yüksek bir ısı toleransına sahip takviyeli karbon-karbon kompozitleri oluştururlar.
1860’da Joseph Swan, ilk kez ampullerde karbon elyafları üretti. 1879 yılında Thomas Edison, yüksek sıcaklıklardaki pamuk ipliklerini veya bambu şeritleri pişirerek,elektrikle ısıtılacak ilk akkor ampullerden birinde kullanılan karbon tel filamenti üretti. 1880’de Lewis Latimer, elektrikle ısıtılan akkor ampul için güvenilir bir karbon tel filament geliştirdi.
1958’de Roger Bacon, Cleveland, Ohio’da bulunan Union Carbide Parma Teknik Merkezi’nde yüksek performanslı karbon fiberleri üretti.
Bu elyaflar, rayon tellerini karbonize edilinceye kadar ısıtarak üretildi. Elde edilen liflerin sadece %20’sinde karbon ihtiva ettiği, düşük mukavemet ve sertlik özelliklerine sahip olduğu için bu işlemin verimsiz olduğu görülmüştür.
1960’ların başında, Dr. Akio Shindo tarafından Japonya’nın Sanayi Bilimi ve Teknolojisi Ajansı’nda bir hammadde olarak poliakrilonitril (PAN) kullanılarak bir süreç geliştirildi.
Bu şekilde, yaklaşık %55 karbon ihtiva eden bir karbon elyafı üretilebildi. 1960 yılında H.I. Thompson Fiberglas Co. Firmasından Richard Millington, öncü olarak rayonu kullanarak yüksek karbon içeriği (%99) üretmek için bir yöntem geliştirdi (ABD Patenti No. 3,294,489).
Bu karbon elyafları, yüksek mukavemet ağırlıklı özelliklere sahip olan ve yüksek sıcaklığa dayanıklı uygulamalar için bir takviye olarak kullanılacak yeterli mukavemete (elastikiyet modülü ve gerilme mukavemeti) sahipti.
Karbon fiberinin yüksek potansiyel mukavemeti, Hampshire, Farnborough’daki Royal Aircraft Establishment’da W. Watt, L. N. Phillips ve W. Johnson tarafından geliştirilen bir süreçle 1963 yılında gerçekleştirildi.
Süreç, Birleşik Krallık Savunma Bakanlığı tarafından patentlendi ve İngiliz Ulusal Araştırma Geliştirme Şirketi tarafından, zaten karbon elyaf üreten Rolls-Royce; Morganit; ve Courtaulds olmak üzere üç şirkete lisans verildi.
1960’ların sonlarında ise Japonlar, PAN esaslı karbon elyaflarının üretiminde lider konuma geçtiler. 1970’te ortak bir teknoloji anlaşması, Japon Toray Industries ürünlerinin Union Carbide tarafından imal edilmesine izin verdi.
1970’li yıllarda, alternatif hammaddeler bulmak için deneysel çalışmalar, petrol işlemesinden elde edilen bir petrol ziftinden yapılmış karbon elyaflarının piyasaya sürülmesine yol açtı.
Bu elyaflar yaklaşık %85 karbon içerdi ve mükemmel eğilme mukavemetine sahipti. Başlangıçta uzay ve havacılık malzemesi olarak düşünülen karbon fiber artık ticari hale gelmiştir.
Günümüzde karbon elyafları birçok ürünün önemli bir parçasıdır ve her yıl yeni uygulamalar geliştirilmektedir. Birleşik Devletler, Japonya ve Batı Avrupa, karbon elyaflarının önde gelen üreticileridir. Karbon fiberleri düşük ağırlık, yüksek sertlik, yüksek iletkenlik veya karbon elyaf dokuma görünümünün istenildiği yerlerde kullanılır.
Havacılıkta Karbon Elyaf
Uzay ve havacılık, karbon elyafı benimseyen ilk endüstrilerden bazılarıydı. Yüksek karbon fiber modülü, yapısal olarak alüminyum ve titanyum gibi alaşımların yerini almaya uygundur. Sağladığı ağırlık tasarrufu, karbon fiberin havacılık endüstrisi tarafından benimsenmesinin başlıca nedeni olmuştur.
Her bir kilo ağırlık azaltılması, yakıt tüketiminde ciddi bir farklılık yaratabilir, bu nedenle Boeing’in yeni 787 Dreamliner uçağı, tarihteki en çok satan yolcu uçağı olmuştur. Bu aracın yapısının çoğunluğu karbon fiber takviyeli kompozitlerdir.
Spor Malzemeleri
Rekreasyonel spor, daha yüksek performans için daha fazla ödeme yapmak isteyen bir pazar segmentidir. Tenis raketleri, golf sopaları, softbol sopaları, hokey sopaları ve okçuluk okları ve yayları, genel olarak karbon elyaf takviyeli kompozitlerle üretilen ürünlerdir.
Güçten ödün vermeden hafif ağırlıklı ekipmanlar, sporlarda belirgin bir avantajdır. Örneğin, daha hafif bir tenis raketi ile, daha hızlı raket hızı elde edilebilir ve sonuçta topa daha sert ve daha şiddetli vurabilir.
Sporcular, karbon fiberle ekipman açısından avantajlı olmaya devam ediyorlar. Bu nedenle profesyonel bisikletçiler tamamen karbon fiber bisikletlere binerler ve karbon fiber kullanan bisiklet ayakkabılarını kullanırlar.
Rüzgar Türbin Bıçakları
Bir rüzgar türbini bıçağında genel olarak fiberglas kullanmasına karşın, 45 metreden büyük bıçaklarda, bıçağın uzunluğunu uzatan, sertleşen bir kemer içeren bir parçaya sahiptir. Bu bileşenler genellikle %100 karbondur ve sadece birkaç santim kalınlıktadır.
Karbon fiber, muazzam miktarda ağırlık eklemeden gerekli sağlamlığı sağlamak için kullanılır. Bu önemlidir çünkü hafif bir rüzgar türbini bıçağı, elektrik yaratmada daha etkilidir.
Otomotiv
Kitlesel olarak üretilen otomobiller henüz karbon fiber kullanmıyor; bunun nedeni artan hammadde maliyeti ve kalıplarda gerekli değişikliklerin hala avantajlardan daha ağır basmasıdır. Ancak Formula 1, NASCAR ve ileri teknoloji otomobiller karbon elyaf kullanıyor.
Çoğu durumda karbon fiberler, özelliklerin veya ağırlıkların faydalarından çok görünüşleri nedeniyle tercih edillmektedir. Karbon fiberden yapılmış birçok satış sonrası otomotiv parçaları vardır ve boyanmak yerine, şeffaf kaplanmıştır. Karbon elyaf; yüksek teknoloji ve yüksek performansın simgesi haline gelmiştir.
Bu durum birçok yedek parçada gözlemlenebilir. Maliyetleri düşürmek için, görünen yüzeyde tek bir karbon elyaf tabakası ve altında birçok fiberglas katmanlarına sahip ürünlerle karşılaşılmaktadır. Bu, karbon fiberin görünümünün aslında belirleyici faktör olduğunu göstermektedir.
Ancak yine de, maliyetlerin de azalmasıyla birlikte, günümüzde birçok yeni karbon elyaf uygulama ortaya çıkmaktadır. Karbon fiberin büyümesi hızla devam ediyor ve yakın vadede karbon elyafın kullanımının artacağına kesin gözüyle bakabiliriz.
Hazırlayan: B. Serhat Cengiz
Kaynakça
• “The Gifted Men Who Worked for Edison” . Lewis Howard Latimer . National Park Service . Retrieved Dec 1, 2014 .
• Bacon, R. “Filamentary graphite and method for producing the same” U.S. Patent 2,957,756 , Priority date March 18, 1958
• “Stand Points . Flight International . 26 September 1968, p. 481
• W.J. Cantwell; J Morton (1991). “The impact resistance of composite materials – a review”. Composites . 22 (5): 347–62. doi :
10.1016/0010- 4361(91)90549-V .
• “Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis” (PDF) . Clean Energy Manufacturing Analysis Center .
Retrieved 2017-05-24 .
• “Market Report: World Carbon Fiber Composite Market” . Acmite Market Intelligence. July 2010.
