Mühendisliğin Sık Duyulan Malzemesi Karbon Fiber Neden Bu Kadar Özel?

karbon fiber, günümüz mühendisliğinde adını en çok duyduğumuz ileri malzemelerden biri. onu sıradan malzemelerden ayıran şey, “hafiflik” ile “dayanıklılık” dengesini olağanüstü bir noktaya taşımış olmasıdır. çelik kadar sağlam (?) alüminyumdan daha hafif ve aynı zamanda çevresel etkilere (korozyon) karşı çok daha dirençli bir yapı sunar. bu yüzden ister uçak kanatlarında ister günlük hayatta kullandığımız spor ekipmanlarında olsun, karbon fiber hayatımıza giderek daha çok giriyor.

öncelikle çelik kadar sağlam ifadesini irdeleyelim, birçok avantajı olsa da kompozit malzemelerin dezavantajları vardır. öncelikle karbon fiber kendisi bir takviye elemanıdır tek başına herhangi bir ürün üretemezsiniz. ticari karbon fiberlerin hepsi yaklaşık olarak kütlece %2-3 organik bir bileşik ile kaplanıp satılırlar bunun sebebi epoksi, poliester veya diğer reçinelerle üretim sonrası kuvvetli bir bağ kurabilmesi içindir. bu saydığım reçineler matristir. fiberler matris olmadan ürün olamazlar.

peki karbon fiberler bu kadar iyi ama ya reçineler? iyi bir yapısal kompozit kütlece %60-70 fiber içerir ve artık bazı mekanik davranışları reçine tarafından kontrol edilir. ayrıca reçinenin mekanik performansının iyi olması gerekiyor, hava kabarcığın az ve kürleme derecesinin yüksek olması gerekli.

örneğin çekme mukavemeti, fiber yönünde çekme mukavemeti iyi bir kumaş takviyeli karbon fiber polimer matrisli kompozit için 700-800 mpa değerlerine ulaşabilir, bu değer birçok çelikten yüksektir. güzel çekme testi iyi geldi fakat ya basma ve kesme performansları? ayrıca artık izotropik malzeme değiliz peki bu ne demek?

3 boyutlu düzlemi düşünürsek kumaşta fiberler x ve y düzlemine bakarlar yani z yönünde herhangi bir fiber yok bu da enine yönde aslında epoksiye bağlı olduğumuzu gösteriyor. çekme testinde 2 yönümüz güçlü ama 3. yönümüz reçineye bağlı aynı zamanda kesme mukavemeti de reçine dominasyonun olduğu bir özellik. 

basma yüklerine karşı çelik çekmeyle benzer performans gösterir fakat karbon fiber kompozit?

çekme testinin belki de yarısını ya görür ya görmez.

hafif, fiber yönünde mukavemetli ama dediğim gibi mekanik performansından konuşulacaksa z yönü, kesme ve basma performansını da katmalısınız. bu sorunun çözümü var mı derseniz tabii ki var 2.5 ve 3 boyutlu kompozitler var bunlarda z yönünde de fiber bulunuyor ve diğer özellikler de iyileştirilmiş durumda.

bu da şu anlama gelir, her bölgede her tasarımda kompozit malzeme kullanılmaz malzeme analizi ve seçimi düzgün yapılmalıdır.