Karbon Elyaf Nedir?
Karbon elyaf, %95’ten fazlası karbon atomlarından oluşan, 5-7 μ filament kalınlığına sahip çok ince bir elyaftır. Bu kalınlık ile insan saçının 1/10 oranında bir inceliğe sahiptir. Ticari olarak 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 50k gibi farklı sayıda değişen filamentten oluşan ve tow adı verilen iplikler şeklinde üretilir.
Karbon elyaf dünyanın ve ülkemizin karşı karşıya olduğu en önemli sorunlara yönelik, başta kaynakların verimli kullanımı ile alakalı inovatif çözümler sunması sebebiyle stratejik öneme sahiptir.
Özellikle hafif olması nedeni ile rüzgâr türbinlerinin enerji üretiminin artırılması, otomobillerdeki yakıt tüketiminin azaltılmasının yanı sıra sağlamlığı ile altyapı ve yapıların güçlendirilerek depreme karşı korunması ve ekonomik ömürlerinin uzatılması konusunda kritik öneme sahiptir. Karbon elyaf dünyanın ve ülkemizin karşı karşıya olduğu en önemli sorunlara yönelik, başta kaynakların verimli kullanımı ile alakalı inovatif çözümler sunması sebebiyle stratejik öneme sahiptir.
Özellikle hafif olması nedeni ile rüzgâr türbinlerinin enerji üretiminin artırılması, otomobillerdeki yakıt tüketiminin azaltılmasının yanı sıra sağlamlığı ile altyapı ve yapıların güçlendirilerek depreme karşı korunması ve ekonomik ömürlerinin uzatılması konusunda kritik öneme sahiptir.
Karbon elyaf, savunma, uzay ve havacılık sektöründe kullanılan çelik, alüminyum gibi metalleri ikame edecek yüksek teknoloji içeren ileri kompozit malzemelerin ana Karbon elyaf malzemenin kullanımının küresel olarak talep edilmesinin ardında aşağıdaki nedenler yatmaktadır;
• Çelikten ”4 kat” alüminyum ve cam elyaftan “2 kat” daha hafif olması,
• Çeliğe göre “5 kat” daha dayanıklı ve çelik, alüminyum ve cam elyafa göre bükülmezlik özelliği en az “2 kat” yüksek olması,
• Korozyona ve yorulmaya dayanıklı olması,
• Elektrik iletken ve ısı yalıtkan olmasıdır.
Karbon elyaf üretiminde kullanılan hammaddeler poliakrilonitril PAN, Pitch ve Rayon bazlı olarak üretilir. Bununla beraber üretilen karbon elyafın %80’den fazlası PAN (Poli Akrilonitril) bazlıdır.
Karbon elyafın ilk kullanımının Thomas Edison’un pamuk ve bambu fiberlerinin karbonizasyonunu sağlayarak akkor filamanlı ampullerde kullanması kabul edilir. Bununla birlikte ilk gerçekçi kullanım 1950’li yılların sonunda başlayan, uzay araçları için malzeme arayışları sonucunda başlamıştır.
Karbon elyaf üretiminde kullanılan hammaddeler, kullanılma miktarlarına göre sırasıyla poliakrilonitril (PAN), zift (PITCH) ve suni ipektir (RAYON). Karbon elyaf malzemenin dayanımının yüksek olması malzemedeki atomlar arası ve moleküller arası bağların kuvvetli olmasından kaynaklanmaktadır.
Karbon elyaf prosesinin hammaddesi olan Precursor, polimerizasyon ve elyaf çekim prosesini takip ederek ana hatları ile 4 bölümden oluşan üretim sürecine aktarılır, bu 4 süreç; oksidasyon, karbonizasyon, yüzey hazırlama ve yüzey kaplama işlemleridir.
DowAksa Hakkında
DowAksa, alanında dünya devi iki şirketin güç birliği ile 2012 yılında Dow Chemical ve Aksa Akrilik’in ortak girişimi olarak kuruldu.
Hammaddesi karbon elyaf olan kompozit endüstrisine geniş bir ürün yelpazesi ve teknik hizmet çözümleri sunmayı amaçlayan DowAksa’nın savunma ve havacılık sektöründeki önemli girişimlerinden biri İpek Projesi ile olmuştur.
İpek Projesi, 2014 yılında DowAksa, Türk Havacılık Uzay Sanayi (TAI) ve Savunma Sanayi Müsteşarlığı’nın ortak girişimi ile havacılık sanayisinde kullanılan termoset reçineli prepreg malzemesinin Türkiye’de geliştirilmesi ve üretilmesini hedeflemiştir.
Karbon Elyafın Savunma ve Havacılıktaki Kullanımı
Havacılık endüstrisinin sınırsız tutkusu, ticari ve askeri uçakların performansını artırmak için yüksek performanslı yapısal malzemelerin gelişimini sürekli tetikliyor. Kompozit malzemeler mevcut ve gelecekteki havacılık bileşenlerinde önemli rol oynayan malzemelerdir.
Kompozit malzemeler üstün fiziksel özellikleri, olağanüstü güçlü yapıları ve sertlik-yoğunluk oranları ile uzay ve havacılık uygulamaları için özel öneme sahiptir.
2018 verilerini göz önüne aldığımızda yıllık %10 büyüyerek 92.600 ton olarak gerçekleşen küresel karbon elyaf tüketimi 2,6 milyar Dolar’lık bir pazar büyüklüğüne ulaşmıştır. Havacılık ve savunma sanayisi toplam miktarın sadece %23’ünü ve toplam pazarın büyüklüğünün yarısını oluşturmaktadır.
Ticari havacılıkta 1980’li yıllarda başlayan cam elyaf kompozit kullanımı 1990’lı yılların ortalarında karbon elyaf kompozitlere dönüşmüştür. Günümüzde havacılık sektöründe yıllık yaklaşık %10 artışla 21.000 ton karbon elyaf tüketilmektedir.
Havacılık, savunma ve uzay sanayi karbon elyafın en büyük ve en karlı pazarıdır ve iki büyük uçak üreticisi tarafından domine edilmektedir. Bir örnek vermek gerekirse, Boeing’in 787 platformu ile Airbus’ın A350- 380 platformları havacılıkta karbon elyaf talebinin yaklaşık yüzde 80’ini oluşturmaktadır.
Karbon elyaf kompozitlerin kullanıldığı mevcut tasarımlar daha düşük yakıt/bakım masrafları nedeniyle %3-5’lik işletme tasarrufu sağlayarak kompozit malzemelerin yüksek olan başlangıç maliyetlerini dengeler. İmalatında %50 CFRP kullanılmış bir uçak, %3 CFRP içeren bir uçağa kıyasla yaklaşık %20 daha hafiftir.
Karbon elyaf özelliklerinden yararlanan bu tasarımlar %20’ye kadar tasarruf sağlayabilir. Her bir kilogram karbon elyaf kullanımının sağladığı işletme tasarrufu 600–1.500 USD arasındadır. Karbon elyafın diğer kompozit malzemelere göre en büyük avantajı, yüksek dayanıklılık/ağırlık oranı ve yüksek yorulma direncidir.
Savunma ve havacılıkta modül ve çekme mukavemetine göre sınıflandırılan elyafların kullanım alanlarına göre sınıflandırılması aşağıda verilmiştir.
Ticari Havacılıkta Karbon Elyaf Kompozitlerin Kullanım Şekilleri
• Ana Yapısal Parçalarda: Kanatlar, uçak gövdesi, kuyruk konisi, motor fan kanatları vb. ana yapısal parçalarda ağırlıklı olarak orta ve yüksek modüllü karbon elyaflar kullanılmaktadır. Bu yapılarda kullanılan karbon kompozit malzemeler toplam talebin yaklaşık %75- 85’ini oluşturmaktadır
• İkincil Yapısal Parçalarda: Kanatçıklar, kirişler, tahrik milleri, yatay ve dikey stabilizatörler gibi ikincil yapısal parçalarda genellikle yüksek mukavemet ve standart modüllü karbon elyaflar kullanılmaktadır. Bu yapılarda kullanılan karbon kompozit malzemeler toplam talebin yaklaşık %10-15’ini oluşturmaktadır.
• İç Yapı ve Zemin Panelleri: Baş üstü dolapları, ayırma panelleri ve zemin panelleri gibi parçalarda da yüksek mukavemet ve standart modüllü karbon elyaflar kullanılmaktadır.
Askeri Uygulamalarda Karbon Elyaf Kompozitler
Askeri uçakların performansını artırmak için kullanılan kompozit malzemeler diğer birçok askeri uygulamada da kullanılmaktadır. Karbon elyafın sunduğu mekanik özellikler bu malzemeyi insanlı/insansız hava araçları ve füze sistemleri için ideal bir malzeme kılar.
Karbon kompozit malzemeler uzun ömürleri, hafiflikleri, yüksek kimyasal ve mekanik dayanımları ile birlikte sundukları esnek tasarım imkanları gibi pek çok üstün özelliklerinden dolayı havacılık ve savunma sanayisinden özellikle tercih edilmektedir.
Bununla birlikte kompozit malzemelerin havacılık ve savunma sektörüne sunduğu avantajlar ve sektördeki gelişimi halen büyüme evresindedir. Kompozit malzemelerin bu sektördeki penetrasyonu malzeme çeşitliliğinin artması ve ürünün mekanik özelliklerinin gelişmesine paralel olarak gelişecektir.
Bu gelişimin temel motivasyonu malzemenin mekanik özellikleri olsa da yürürlükteki çevresel düzenlemeler ile CO2 emisyonlarını azaltmak yönündeki eğilim bu gelişmede önemli rol oynamaktadır.
Yukarıda belirttiğimiz etkiler ele alındığında kompozit malzeme kullanımı havacılık ve savunma sanayisinde büyümeye devam edecektir.
Şüphesiz ki bu gelişmeler karbon elyaf kompozitlerin arzında ve geri dönüşüm alanında zorluklara sebep olacaktır. Son olarak belirtmek gerekir ki Havacılık, savunma ve uzay sanayii karbon elyafın en büyük ve en karlı pazarıdır.
Mustafa Koray Özatay / Satış ve İş Geliştirme Müdürü - Sales and Business Development Manager - DowAksa
Referanslar / References
https://www.gminsights.com/industry-reports/aerospace-anddefense
https://www.gminsights.com/industry-analysis/aerospace-avionicsmarket
https://swiss-aerospace-cluster.ch/composites-in-aerospace/
https://www.appropedia.org/File:Composites01.jpg
https://ihsmarkit.com/pdf/Composites-Aerospace-Applications-whitepaper_264558110913046532.pdfMcKinsey&Company Lightweighting strategy report
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-4-431-55203-1_22
https://www.materialstoday.com/composite-applications/features/hexcels-composites-ready-to-fly-on-the-a350-xwb/
https://www.gurit.com/-/media/Gurit/Datasheets/guide-tocomposites.pdf
