Site Rengi

Karbon Fiber Nedir ?

19.03.2020
1.409

Karobon fiber nedir ? Bir karbon fiber, yaklaşık 0.0002-0.0004 inç (0.005-0.010 mm) çapında uzun ve ince bir malzeme dizisidir ve çoğunlukla karbon atomlarından oluşur. Karbon atomları, fiberin uzun eksenine paralel olarak az çok hizalanmış mikroskopik kristallerde birbirine bağlanır. Kristal hizalama, fiberin boyutu için inanılmaz derecede güçlü olmasını sağlar. Birkaç bin karbon fiber, kendi başına kullanılabilen veya bir kumaşa dokunabilen bir iplik oluşturmak için birlikte bükülür. İplik veya kumaş, epoksi ile birleştirilir ve sarılır veya çeşitli kompozit malzemeler oluşturmak üzere şekil verilmek üzere kalıplanır. Karbon fiber takviyeli kompozit malzemeler uçak ve uzay aracı parçaları, yarış arabası gövdeleri, golf kulübü milleri, bisiklet çerçeveleri, oltalar, otomobil yayları, yelkenli direkleri ve hafif ve yüksek mukavemete ihtiyaç duyulan diğer birçok bileşeni yapmak için kullanılır. Karbon Fiber Nedir sorusunun cevabını birlikte arayalım.

Karbon Fiber Nedir
Karbon Fiber Nedir

Karbon fiberler 1950’lerde füzeler üzerinde yüksek sıcaklıkta kalıplanmış plastik bileşenler için bir takviye olarak geliştirildi. Birinci elyaf, karbonize olana kadar suni ipek şeritlerinin ısıtılmasıyla üretildi. Elde edilen lifler sadece yaklaşık% 20 karbon içerdiği ve düşük mukavemet ve sertlik özelliklerine sahip olduğu için bu işlemin verimsiz olduğu kanıtlanmıştır. 1960’ların başında, hammadde olarak poliakrilonitril kullanılarak bir işlem geliştirildi. Bu, yaklaşık% 55 karbon içeren ve çok daha iyi özelliklere sahip bir karbon fiber üretti. Poliakrilonitril dönüştürme işlemi hızla karbon elyafı üretmek için birincil yöntem haline gelmiştir.

1970’lerde alternatif hammadde bulmak için yapılan deneysel çalışmalar, petrol işlemeden türetilen bir petrol ziftinden yapılan karbon fiberlerin kullanılmasına yol açtı. Bu lifler yaklaşık% 85 karbon içerir ve mükemmel eğilme mukavemetine sahiptir. Ne yazık ki, sadece sınırlı sıkıştırma mukavemetine sahiptiler ve yaygın olarak kabul edilmediler.

Günümüzde karbon fiberler birçok ürünün önemli bir parçasıdır ve her yıl yeni uygulamalar geliştirilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Batı Avrupa önde gelen karbon fiber üreticileridir.

Karbon Fiberlerin Sınıflandırılması

Karbon fiberler, fiberin gerilme modülü tarafından sınıflandırılır. Çekme modülü, belirli bir çaptaki fiberin kırılmadan ne kadar çekme kuvveti uygulayabileceğinin bir ölçüsüdür. İngiliz ölçü birimi, enine kesit alanının inç kare başına kuvveti veya psi’dir. “Düşük modül” olarak sınıflandırılan karbon fiberlerin gerilme modülü 34.8 milyon psi’nin (240 milyon kPa) altındadır. Germe modülünün artan düzenindeki diğer sınıflandırmalara “standart modül”, “ara modül”, “yüksek modül” ve “çok yüksek modül” dahildir. Çok yüksek modüllü karbon fiberlerin gerilme modülü 72.5-145.0 milyon psi’dir (500 milyon-1.0 milyar kPa). Karşılaştırma olarak, çeliğin çekme modülü yaklaşık 29 milyon psi’dir (200 milyon kPa). Bu nedenle, en güçlü karbon fiber çelikten yaklaşık beş kat daha güçlüdür.

Grafit elyaf terimi, petrol ziftinden yapılan bazı ultra yüksek modüllü elyafları ifade eder. Bu lifler, grafit olarak bilinen saf bir karbon formunun karakteristiği olan üç boyutlu kristal hizalamasına yakından yaklaşan bir iç yapıya sahiptir.

Ham Malzeme

Karbon fiber yapmak için kullanılan hammaddeye öncü denir. Üretilen karbon fiberlerin yaklaşık% 90’ı poliakrilonitrilden yapılır. Kalan% 10’luk oran, suni ipek veya petrol ziftinden yapılır. Bu malzemelerin tümü, karbon atomları ile birbirine bağlanan uzun molekül dizileri ile karakterize edilen organik polimerlerdir. Her bir öncünün kesin bileşimi bir şirketten diğerine değişir ve genellikle ticari sır olarak kabul edilir.

Üretim işlemi sırasında çeşitli gazlar ve sıvılar kullanılır. Bu malzemelerin bazıları, belirli bir etki elde etmek için lifle reaksiyona girecek şekilde tasarlanmıştır. Diğer malzemeler fiber ile reaksiyona girmeyecek veya belirli reaksiyonları önleyecek şekilde tasarlanmıştır. Öncüllerde olduğu gibi, bu işlem malzemelerinin çoğunun kesin bileşimleri ticari sır olarak kabul edilir.

Karbon Fiber Sarımı
Karbon Fiber Sarımı

Karbon Fiber Nedir? ve Üretim Süreci

Karbon fiber yapma işlemi kısmen kimyasal, kısmen mekaniktir. Prekürsör uzun ipliklere veya liflere çekilir ve daha sonra oksijene temas etmesine izin vermeden çok yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Oksijen olmadan lif yanamaz. Bunun yerine, yüksek sıcaklık, karbondaki atomların çoğu atılıncaya kadar fiberdeki atomların şiddetli bir şekilde titreşmesine neden olur. Bu işleme karbonizasyon denir ve uzun, sıkıca birbirine kilitlenmiş karbon atom zincirlerinden oluşan bir lif bırakır ve sadece birkaç karbon olmayan atom kalır.

Poliakrilonitrilden karbon fiberleri oluşturmak için kullanılan tipik bir işlem sırası;

Döndürme;

  • Akrilonitril plastik tozu, metil akrilat veya metil metakrilat gibi başka bir plastikle karıştırılır ve bir poliakrilonitril plastik oluşturmak için geleneksel bir süspansiyon veya çözelti polimerizasyonu işleminde bir katalizör ile reaksiyona sokulur.
  • Daha sonra plastik, birkaç farklı yöntemden biri kullanılarak liflere döndürülür. Bazı yöntemlerde, plastik belirli kimyasallarla karıştırılır ve küçük jetler yoluyla plastiğin pıhtılaştığı ve liflere katılaştığı bir kimyasal banyo veya söndürme odasına pompalanır. Bu, poliakrilik tekstil elyaflarını oluşturmak için kullanılan işleme benzer. Diğer yöntemlerde, plastik karışım ısıtılır ve çözücülerin buharlaştığı ve katı bir lif bırakarak bir odaya küçük jetlerden pompalanır. Eğirme adımı önemlidir, çünkü fiberin iç atom yapısı bu işlem sırasında oluşur. Karbon Fiber Nedir ?
  • Elyaflar daha sonra yıkanır ve istenen elyaf çapına kadar gerilir. Germe, liflerin içindeki moleküllerin hizalanmasına yardımcı olur ve karbonizasyondan sonra sıkıca bağlı karbon kristallerinin oluşumuna temel oluşturur.
Karbon Fiber Üretimi
Karbon Fiber Üretimi

Dengelenmek

  • Lifler karbonize edilmeden önce, lineer atomik bağlarını daha termal olarak kararlı bir merdiven bağına dönüştürmek için kimyasal olarak değiştirilmeleri gerekir. Bu, fiberlerin havada 30-120 dakika boyunca yaklaşık 200-300 ° C’ye (390-590 ° F) ısıtılmasıyla gerçekleştirilir. Bu, liflerin havadan oksijen moleküllerini almasına ve atomik bağlanma düzenlerini yeniden düzenlemesine neden olur. Stabilize edici kimyasal reaksiyonlar karmaşıktır ve bazıları aynı anda gerçekleşen birkaç adım içerir. Ayrıca, liflerin aşırı ısınmasını önlemek için kontrol edilmesi gereken kendi ısılarını oluştururlar. Ticari olarak, stabilizasyon işlemi çeşitli ekipman ve teknikler kullanır. Bazı işlemlerde, lifler bir dizi ısıtılmış hazneden çekilir. Diğerlerinde, elyaflar sıcak silindirlerin üzerinden ve sıcak hava akışı ile süspansiyonda tutulan gevşek malzeme yataklarından geçer. Bazı işlemler, stabilizasyonu kimyasal olarak hızlandıran belirli gazlarla karıştırılmış ısıtılmış hava kullanır. Karbon Fiber Nedir ?

Karbonizasyon

  • Lifler stabilize olduktan sonra, oksijen içermeyen bir gaz karışımı ile doldurulmuş bir fırında birkaç dakika boyunca yaklaşık 1.830-5.500 ° F (1.000-3.000 ° C) sıcaklığa ısıtılır. Oksijen eksikliği, liflerin çok yüksek sıcaklıklarda yanmasını önler. Fırının içindeki gaz basıncı dış hava basıncından daha yüksek tutulur ve liflerin fırına girip çıktığı noktalar oksijenin girmesini önlemek için kapatılır. Lifler ısıtıldığında, su buharı, amonyak, karbon monoksit, karbon dioksit, hidrojen, azot ve diğerleri dahil olmak üzere çeşitli gazlar şeklinde karbon olmayan atomlarını ve birkaç karbon atomunu kaybetmeye başlarlar. Karbon olmayan atomlar dışarı atılırken, geri kalan karbon atomları, fiberin uzun eksenine az çok paralel olarak hizalanmış sıkı bağlanmış karbon kristalleri oluşturur. Bazı işlemlerde, karbonizasyon sırasında ısıtma hızını daha iyi kontrol etmek için iki farklı sıcaklıkta çalışan iki fırın kullanılır.

Yüzey İşleme

  • Karbonizasyondan sonra, elyaflar epoksi ve kompozit malzemelerde kullanılan diğer malzemelerle iyi bağlanmayan bir yüzeye sahiptir. Elyaflara daha iyi yapışma özellikleri kazandırmak için yüzeyleri hafifçe oksitlenir. Yüzeye oksijen atomlarının eklenmesi daha iyi kimyasal bağlanma özellikleri sağlar ve ayrıca daha iyi mekanik bağlanma özellikleri için yüzeyi aşındırır ve pürüzlendirir. Oksidasyon, liflerin hava, karbon dioksit veya ozon gibi çeşitli gazlara daldırılması; veya sodyum hipoklorit veya nitrik asit gibi çeşitli sıvılarda bulunur. Elyaflar ayrıca, çeşitli elektriksel olarak iletken malzemelerle doldurulmuş bir banyoda elyafları pozitif terminal haline getirerek elektrolitik olarak kaplanabilir. Fiber arızasına neden olabilecek çukurlar gibi küçük yüzey kusurları oluşmasını önlemek için yüzey işleme süreci dikkatlice kontrol edilmelidir. Karbon Fiber Nedir ?

Boyutlandırma

  • Yüzey işleminden sonra lifler, sarım veya dokuma sırasında oluşabilecek hasarlardan korunmak için kaplanır. Bu işleme boyutlandırma denir. Kaplama malzemeleri, kompozit malzemeler oluşturmak için kullanılan yapıştırıcı ile uyumlu olacak şekilde seçilir. Tipik kaplama malzemeleri arasında epoksi, polyester, naylon, üretan ve diğerleri bulunur.
  • Kaplanmış fiberler, bobin adı verilen silindirlerin üzerine sarılır. Bobinler bir eğirme makinesine yüklenir ve elyaflar çeşitli boyutlarda ipliklere bükülür.

Karbon fiber nedir ? Kalite Kontrol

Çok küçük karbon fiber boyutu, kalite kontrol yöntemi olarak görsel incelemeye izin vermez. Bunun yerine, tutarlı öncü lifler üretmek ve bunları karbon fiberlere dönüştürmek için kullanılan üretim sürecini yakından kontrol etmek kaliteyi kontrol eder. Zaman, sıcaklık, gaz akışı ve kimyasal bileşim gibi proses değişkenleri üretimin her aşamasında yakından izlenir. Karbon Fiber Nedir ?

Karbon fiberler ve bitmiş kompozit malzemeler de titiz testlere tabidir. Yaygın elyaf testleri arasında yoğunluk, kuvvet, haşıl miktarı ve diğerleri bulunur. 1990 yılında, İleri Kompozit Malzemeler Birliği Tedarikçileri, şu anda sektörde kullanılan karbon fiber test yöntemleri için standartlar belirlemiştir.

Sağlık ve Güvenlik Endişeleri

Karbon fiberlerin üretimi ve işlenmesinde üç endişe alanı vardır: toz soluma, cilt tahrişi ve fiberlerin elektrikli ekipman üzerindeki etkisi.

İşleme sırasında, karbon elyaf parçaları kırılabilir ve havada ince bir toz şeklinde dolaşabilir. Endüstriyel sağlık çalışmaları, bazı asbest liflerinin aksine, karbon fiberlerin solunduğunda sağlık için tehlike oluşturamayacak kadar büyük olduğunu göstermiştir. Ancak tahriş edici olabilirler ve bölgede çalışan insanlar koruyucu maske takmalıdır.

Karbon fiberler, özellikle ellerin ve bileklerin arkasında cilt tahrişine neden olabilir. Karbon fiber tozun bulunduğu bölgelerdeki kişiler için koruyucu giysiler veya bariyer cilt kremleri kullanılması önerilir. Elyafları kaplamak için kullanılan haşıl malzemeleri genellikle ciddi cilt reaksiyonlarına neden olabilecek ve aynı zamanda koruma gerektiren kimyasallar içerir.

Güçlü olmasının yanı sıra, karbon fiberler de iyi elektrik iletkenleridir. Sonuç olarak, karbon fiber tozu elektrikli ekipmanlarda ark ve kısa devreye neden olabilir. Elektrikli ekipmanın karbon tozunun bulunduğu alandan taşınamaması durumunda, ekipman bir dolapta veya başka bir muhafazada kapatılır. Karbon Fiber Nedir ?

Karbon Fiber Nedir? ve Geleceği

Karbon fiber teknolojisindeki en son gelişme nanotüp adı verilen küçük karbon tüplerdir.

Çapı 0.00004 inç (0.001 mm) kadar küçük olan bu içi boş tüpler, yeni yüksek mukavemetli lifler, submikroskopik test tüpleri veya muhtemelen entegre devreler için yeni yarı iletken malzemeler yapımında yararlı olabilecek benzersiz mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptir. Karbon fiberler ve diğer kompozitlerin analizi için ‘Analiz Ansys‘ web sitemizi ziyaret edip bilgi edinebilirsiniz.

Karbon Fiber 3D Baskı

Karbon fiber takviyeli ürünlerinizi artık FDM teknolojisiyle çalışan 3D yazıcılarda üretmeniz mümkün. Marsis İnovsayon ile irtibat kurun. Karbon fiber baskısı hakkında bilgi için ‘Karbon Fiber 3D Baskı‘ makalesini okuyabilirsiniz. ,

ETİKETLER: tasarım, baskı
Ziyaretçi Yorumları (1)