Karbon fiberler,
karbondan oluşan yapısal fiber ailesidir; üretim metotları, mikroyapı, mekanik
özellikler ve uygulamalar arasında farklılık gösterirler.
Modern karbon fiber
endüstrisinin temeli, 1960'ların başında İngiltere'de ilk karbon fiberleri
üreten Watt, Johnson ve Phillips tarafından atıldı. Bunlar, görünürde, yapısal
bir malzeme olarak tasarlanan ilk nanoyapılı objelerdi. Karbon fiber yapının
tipik boyutları, bu tür liflerinfiberlerin yüksek mekanik özelliklerini
belirleyen onlarca ve yüzlerce nanometre aralığı içindedir.
Karbon
fiberlerin çoğu, üç öncül tipten elde edilir: poliakrilonitril (PAN), mezofaz
zift ve selüloz. Bu öncüllerden fiber fiber üretim prosesi nispeten düşük
sıcaklıkta öncüllerin stabilizasyonu, karbonizasyon (1000-2000 0C)
ve grafitizasyon (2400-3000 0C) gibi temel adımları içerir. (Karbon
terimi çoğu zaman grafit yerine de kullanılır, ancak karbon ve grafit fiberler
birbirlerinden farklıdır. En önemli farklılık elde edilme aşamasında uygulanan
sıcaklıktır.)
Mekanik
özelliklerine göre karbon fiberler geleneksel olarak, yüksek kuvvetli fiberler
(4.0-4.4 GPa veya daha yüksek), yüksek modüllü fiberler (400 GPa'nın üstünde)
ve orta derecede modüllü fiberler (250- 400 GPa) olarak sınıflandırılır. Karbon
fiberlerin üretiminde önemli işlemlerden biri çekmedir. Çekmeyle kristalit düzlemleri
fiber ekseni boyunca yönlendirilir; bu, yüksek modüllü fiberlerin üretimini sağlar.
Fiber tipine bağlı olarak çekme işlemi, prosesin farklı aşamalarında yapılır.
Örneğin, PAN (poliakrilonitril) fiberler için fiberlerin hazırlık aşamasında
yapılırken, diğer tiplerde karbonizasyon ve grafitizasyon aşamalarında yapılır.
Karbon fiberler aşağıdaki formlarda üretilir ve kullanılır:
·
Sürekli fiberler: ince (24 K’e kadar) veya kalın
(K’e kadar) strandlar (strand, tek bir fiber, filament, veya monofilamenttir)
·
Karbon fiber fabrik
·
Kağıt veya kısa fiberlerden yapılan matlar
Karbon fiberler öncelikle, mekanik özelliklerinin en iyi
şekilde sergilendiği takviyeli plastiklerde kullanılır. Karbon fiber takviyeli
plastikler, uçak ve uzay araçlarının yapısal elemanlarında, spor ürünlerinde,
yüksek kuvvet ve yüksek elastik modülünün ve düşük yoğunluğun çok önemli olduğu
köprülerin ve diğer alanların yapılarında kullanılır. Bu tür fiberlerin ikinci
önemli uygulaması, roket teknolojisinde kullanılan karbon-karbon kompozitlerdir
(katı-itici motorların nozul elementleri, savaş başlıklarının termal koruması
ve uzay mekiklerinin en çok ısıtılmış elemanları, çalışırken büyük miktarda
kinetik enerjiyi absorblayan frenleme cihazları).
Yüksek mekanik özelliklerine ek olarak, karbon fiberleri
değerli fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Termal ve kimyasal
kararlılıkları yüksektir; oksijensiz ortamda 1600-2000 0C sıcaklığa
mekanik özellikleri hemen hemen değişmeden kalır. Bu özelliği ile karbon
fiberler, ısı-koruyucu kompozitlerin önemli bir bieşenidir. Kimyasal
kararlılıkları yüksek olduğundan, agresif ortamların filtrasyonunda, gaz
saflaştırmada ve koruyucu giysilerin üretimi gibi uygulamalarda kullanılmaya
uygundur. Isı işlemleme koşullarının değiştirilmesiyle farklı fiziksel
özelliklerde (spesifik hacim, elektrik direnci 10-3 - 106 ohm·cm)
karbon fiberler elde edilebilir, ve çeşitli amaçlar için tasarlanmış elektrikli
ısıtma elementleri gibi amaçlarla kullanılabilir (giysi imalatı, yerden ısıtma,
boru hatları ısıtması).
Karbonize edilmiş karbon fiberlerin yüksek sıcaklıklarda su
buharı ile işlelmlenmesi, etkin sorbent gibi davranan geniş yüzeyli (1000 m2/g'ye
kadar) malzemelerin üretimini sağlar. Karbon fiberlere katalizörlerin
uygulanmasıyla, geliştirilmiş bir yüzeye sahip etkili katalitik sistemler yapılabilir.
(a) Tipik karbon fiber
formları, (b) C-C kompozit 4D fiber mimarisi
