Havacılık ve Uzay Sektöründe Kompozitler

Havacılıkta, malzemelere uygulanan performans kriterleri diğer sektörlere göre çok daha fazla olabilir, özellikle hafiflik, yüksek mukavemet, yüksek sertlik ve iyi yorulma direnci bu kriterler arasında önde gelmektedir. Günümüzde havacılık ve uzay sektöründe kompozitler yaygın olarak kullanılmaktadır. FRP’lere (fibre-reinforced plastic - fiber takviyeli plastik) olan güven arttıkça, entegre kompozit tasarımlar geliştirilmiş ve metal bileşenlerin yerini almaya başlamıştır. Havacılık ve uzay endüstrisinin ticari ve askeri uçakların performansını artırma konusundaki bitmek bilmeyen tutkusu, sürekli olarak iyileştirilmiş yüksek performanslı yapısal malzemelerin geliştirilmesine yön vermektedir. Kompozit malzemeler, olağanüstü mukavemetleri, sertlik-yoğunluk oranları ve üstün fiziksel özellikleri nedeniyle havacılık ve uzay uygulamaları için özellikle çekicidir. Bir kompozit malzeme tipik olarak, sert bir reçine matrisinde nispeten güçlü, sert liflerden oluşur. Örneğin, ahşap ve kemik, doğal kompozit malzemelerdir; ahşap, birlignin matrisindeki selüloz liflerinden oluşur ve kemik, bir kolajen matrisindeki hidroksiapatit parçacıklarından oluşur. Havacılık ve diğer endüstrilerde kullanılan ve daha iyi bilinen insan yapımı kompozit malzemeler, her ikisi de sert ve güçlü olan karbon ve cam elyafından oluşan karbon ve cam elyafı ile güçlendirilmiş plastiklerdir (CFRP - carbon fibre reinforced plastic / karbon fiber takviyeli plastik ve GFRP - glass fibre reinforced plastic / cam elyaf takviyeli plastik). Çok basit bir anlatımla burada yapılan, tamamlayıcı özelliklere sahip malzemelerin birleştirilmesiyle, tek tek bileşen malzemelerinin zayıflıklarının ortadan kaldırılması ve faydaların çoğuna veya tümüne (yüksek mukavemet, sertlik, tokluk ve düşük yoğunluk) sahip bir kompozit malzeme elde edilmesidir. CFRP ve GFRP lifli kompozit malzemelerdir; başka bir kompozit malzeme kategorisi ise parçacıklı kompozitlerdir. Havacılık ve uzay endüstrisi tarafından halihazırda geliştirilmekte ve kullanılmakta olan metal matrisli kompozitler (MMC - Metal Matrix Composites), partiküllü kompozitlerin örnekleridir ve genellikle bir metalik matris içindeki metalik olmayan partiküllerden oluşur; örneğin alüminyum alaşımı ile birleştirilmiş silisyum karbür parçacıkları. Muhtemelen lifli ve parçacıklı kompozitler arasındaki ve aslında lifli kompozitler ile geleneksel metalik malzemeler arasındaki en önemli fark, özelliklerin yönlülüğü ile ilgilidir. Parçacıklı kompozitler ve geleneksel metalik malzemeler, nominal olarak en azından izotropiktir, yani özellikleri (kuvvet, sertlik vb.) tüm yönlerde aynıdır, lifli kompozitler anizotropiktir, yani özellikleri, liflerin oryantasyonuna göre yükün yönüne bağlı olarak değişir. Küçük bir balsa ağacı levhası düşünelim, bunu liflere dik olandan ziyade liflere paralel bir hat boyunca bükmek (ve kırmak) çok daha kolaydır. Bu anizotropinin üstesinden, her biri genellikle sadece bir milimetre kalınlığındaki katmanların bir laminat oluşturmak için liflerin farklı açılarda yönlendirilmiş olarak üst üste istiflenmesiyle gelinir. Çok özel durumlar dışında, laminat yine de anizotropik olacaktır, ancak yön açısından özelliklerdeki değişiklik daha az aşırı olacaktır. Çoğu havacılık uygulamasında, bu yaklaşım bir adım daha ileri götürülür ve farklı yönlendirilmiş katmanlar (sayıları çok azdan birkaç yüze kadar), laminatın özelliklerini maruz kalacağı yüklere en iyi şekilde dayanacak şekilde uyarlamak için belirli bir sırayla istiflenir. Bu şekilde, havacılık ve uzay endüstrisinde birinci derecede önemli bir faktör olan malzeme ve dolayısıyla ağırlıktan tasarruf edilebilir. Kompozit malzemelerin bir başka avantajı, genel olarak bakıldığında, metalik muadillerinden daha karmaşık şekillerde oluşturulabilmeleridir. Bu, yalnızca belirli bir bileşeni oluşturan parça sayısını azaltmakla kalmaz, bağlantı elemanlarına ve bağlantılara olan ihtiyacı da azaltır. Bağlantı elemanları ve bağlantılar bir bileşenin zayıf noktaları olabilir, örneğin bir perçin, bir stres konsantrasyonu ve dolayısıyla potansiyel bir çatlak başlatma yeri ihtimali oluşturabilir. Dolayısıyla daha az bağlantı elemanı ve bağlantı, daha kısa montaj süresi anlamına gelebilir. Bununla birlikte, daha kısa montaj sürelerinin, ilk etapta bileşeni imal etmek için ihtiyaç duyulabilecek daha büyük süreye karşı dengelenmesi gerekir. Kompozit bir bileşen üretmek için, genellikle reçine matrisi ile önceden emprenye edilmiş tek tek katmanlar, tümü büyük veya küçük ölçüde farklı olması muhtemel olan gerekli şekillerde kesilir ve daha sonra belirtilen sırayla bir kalıp (kürleme işlemi öncesinde ve sırasında kürlenmemiş katmanları gerekli şekilde tutmak için kullanılan katı veya çerçeveli bir yapı) üzerine istiflenir. Bu montaj daha sonra malzemeyi ‘kürlemek’ için bir dizi sıcaklık ve basınca tabi tutulur. Daha sonra ürün, hem boyutsal toleransların karşılandığından hem de kürleme işleminin başarılı olduğundan emin olmak için baştan sona kontrol edilir (örneğin, hammaddelerin kontaminasyonu sonucu laminatta kabarcıklar veya boşluklar oluşmuş olabilir).  

Havacılıkta Kompozit Kullanımının Avantajları

Havacılık uygulamaları için kompozit kullanmanın önemli faydalarından bazıları şunlardır:

• Ağırlık azaltma: %20-50 aralığındaki tasarruflar genellikle elde edilir. • Otomatik yerleştirme makineleri ve döner kalıplama süreçleri kullanılarak karmaşık bileşenlerin montajı kolaydır. • Monokok (‘tek kabuk’) kalıplanmış yapılar, çok daha düşük ağırlıkta daha yüksek mukavemet sağlar. • Mekanik özellikler, takviye dokumasının incelen kalınlıkları ve dokuma oryantasyonu ile ‘yerleştirme’ tasarımı ile özelleştirilebilir. • Kompozitlerin termal stabilitesi, sıcaklıktaki bir değişiklikle aşırı genişlemedikleri / büzülmedikleri anlamına gelir. • Yüksek darbe direnci: Kevlar (aramid) zırh, uçakları da korur. • Yüksek hasar toleransı, kazadan sağ çıkmayı artırır. • ‘Galvanik’ - birbirine benzemeyen iki metalin temas etmesi durumunda (özellikle nemli deniz ortamlarında) meydana gelebilecek elektriksel korozyon sorunları önlenir. (Burada iletken olmayan cam elyafı önemli bir rol oynar.) • Kombinasyon yorulma/korozyon sorunları neredeyse tamamen ortadan kalkar.

Uçak Tasarımında Kompozit Kullanımı

Kompozitler, bu teknoloji ticari uçaklara uygulanmadan önce askeri olarak kullanılmıştır. İlk askeri uygulamalar radomlarda (radome - anten kaportası) ve daha sonra ikincil yapılarda ve iç bileşenlerde olmuştur. Bununla birlikte, camın modülü (module - genlik), metallerinkiyle karşılaştırıldığında düşüktür ve bu nedenle, birincil kompozit yapılara geçiş, karbon takviyelerin gelişimiyle birlikte başlamıştır. Günümüzde kompozitler yaygın olarak kullanılmaktadır ve bu, metal bileşenlerin kademeli olarak doğrudan ikame edilmesinin ve ardından, FRP’lere olan güven arttıkça entegre kompozit tasarımların geliştirilmesinin bir sonucudur. Lifli kompozit malzemeler ilk olarak 1960’larda askeri uçaklarda ve 1970’lerden itibaren sivil havacılıkta küçük miktarlarda kullanıldı. 1980’lerden bu yana kompozitler öncelikle kanat arka kenar panelleri ve dümenler gibi ikincil kanat ve kuyruk bileşenleri için kullanılmıştır. Boeing tarafından geliştirilen her nesil yeni uçak, artan bir kompozit malzeme yüzdesine sahipti ve en yüksek oran Boeing 787 Dreamliner ile %50’ydi. Boeing’in 787 Dreamliner’ının ana yapısal unsurları, daha çok karbon ‘sandviç’ kompozitlerden ve arkaik cam elyafı kompozitlerinden uzaklaşan gelişmiş karbon laminattan yapılmıştır. Ticari nakliye uçaklarında kompozit malzemelerin kullanımı çekicidir çünkü azaltılmış gövde ağırlığı daha iyi yakıt ekonomisi sağlar ve dolayısıyla işletme maliyetlerini düşürür. Kompozit malzemenin ticari uçaklarda ilk önemli kullanımları 1983’te Airbus tarafından A300 ve A310’un dümeninde ve daha sonra 1985’te dikey kuyruk yüzgecinde yapıldı. Sonraki durumda, metal kanadın 2.000 parçası (bağlayıcılar hariç), kompozit kanat için 100’den daha azına düşürülerek, ağırlık ve üretim maliyeti düşürüldü. Daha sonra, A310’un asansörü için CFRP ön yüz plakalı bir petek çekirdek kullanıldı. Bu başarıların ardından, A320’nin tüm kuyruk yapısı için kompozit malzemeler kullanıldı; bunlar kompozit gövde göbek kaplamaları, kanat/gövde kaplamaları, sabit ön ve arka kenar alt erişim panelleri ve deflektörler, arka kenar kanatları, kaportalar, rüzgarlıklar, kanatçıklar, tekerlek kapıları, ana vites ayağı kaporta kapıları ve motor kaportalarını da içeriyordu. Ayrıca zemin panelleri GFRP’den yapılmıştır. A380, ağırlıkça yaklaşık yüzde 20-22 oranında kompozittir ve ayrıca ön kaporta, üst gövde kabukları, taç ve yan paneller, ön kısmın üst kısımlarında ve kıç üst gövde bulunan GLARE’den (cam elyafı ile güçlendirilmiş alüminyum alaşım) yoğun şekilde yararlanır. A380’in üst ve alt kaplama panelleri ile ön, orta ve arka direkler, arka basınç bölmesi, üst güverte zemin kirişleri ve kanatçıklar, rüzgarlıklar ve dış kanatlar için de kullanılan CFRP içerir. Göbek kaplaması yaklaşık 100 kompozit petek panelden oluşur. Boeing 777’nin ağırlığının yaklaşık yüzde 20’si kompozittir ve kanadın sabit hücum kenarı, arka kenar panelleri, kanatlar ve kanatçıklar, rüzgarlıklar ve dıştan takmalı motor için kompozit malzemeler kullanılmıştır. Bunlar ayrıca zemin kirişleri, kanattan gövdeye kaporta ve iniş takımı kapıları için de kullanılırlar. Kuyruk için kompozit malzemelerin kullanılması ağırlıkta yaklaşık 1.500 lb tasarruf sağlar. Boeing 787’ye bakıldığında ise, kompozit malzemelerin, ortalama yüzde 20 ağırlık tasarrufu ile bu uçağının neredeyse yüzde 50’sini oluşturduğu görülmektedir. Kompozitlerin mükemmel mukavemet-ağırlık oranı, genel olarak faydalı yükleri ve performansı en üst düzeye çıkarmak için helikopterlerde de kullanılır. Boeing Vertol, 1950’lerde rotorcraft grenajları için kompozitler kullandı ve 1970’lerde ilk kompozit rotor kanatlarını yaptı. Kompozitler, ağırlıkça yaklaşık yüzde 50 kompozit olan V22 tilt-rotor uçakları da dahil olmak üzere birçok modern helikopterin ana yapısal elemanlarında kullanılmaktadır. Kompozitlerin şekillendirilebilirliği, bileşen parçalarının sayısını ve dolayısıyla maliyeti azaltmak adına helikopter imalatında özellikle avantaj sağlamak için kullanılmıştır.

Uzay Uygulamaları

Roket ve füzelerde kompozitlerin başarılı bir şekilde uygulanması, uzay araçları için birincil yapıların geliştirilmesine yol açmıştır. Aslında, uzay uygulamaları birçok yönden yeni malzemelerin kullanımına olanak sağlar. Örneğin uydular için, konseptten üretime kadar olan zaman çizelgeleri iki yıl kadar kısa olabilir ve normal olarak kısa ürün çalıştırmaları söz konusudur, nihai maliyetteki malzeme unsuru genellikle nispeten düşüktür. Ayrıca birçok uygulamada teknik nedenlerle başka hiçbir malzeme uygun değildir. Uzay aracı veya roket yörüngeye çıktığında, mekanik yükler nispeten düşüktür. Çevresel koşullar aşırı olabilir ve şiddetli termal döngü meydana gelebilir, ayrıca yüksek vakum ve atomik oksijen veya mikrometreoid etkiler yoluyla erozyonun etkileri olabilir. Cam elyaf kompozit (GRP), örneğin yerel köşebentlerde, ısı yalıtımının önemli olduğu uygulamalarda kullanılır. Malzeme ayrıca bazı anten reflektörlerinde de kullanılmaktadır. Bununla birlikte, karbon fiber kompozit (CFRP), çoğunlukla uzay uygulamalarıyla ilişkilendirilir. Geniş bir sıcaklık aralığında çok yüksek sertlik ve mükemmel termal kararlılık potansiyeli, CFRP’leri ideal hale getirir. Uygulama örnekleri arasında kaplamalar, manipülatör kolları, anten reflektörleri, güneş paneli panelleri ve optik platformlar yer almaktadır. Geçmişte, sertlik ve mukavemet ile termal ve elektriksel iletkenliğin bir kombinasyonuna duyulan ihtiyaçlar yüzünden metaller tercih edilmiş olsa da, son zamanlarda birincil yapı için kompozit uygulamaları tercih edilmektedir. Ağırlık azaltma yönündeki sürekli talep, bazı uyduların ağırlıklı olarak kompozit yapı alt sistemi ile inşa edilmelerini cazip kılmaktadır.  

Mühendislik Tasarımını, Performansını ve Metodolojisini Geliştirmek için Veriler

ESDU (Engineering Sciences Data Unit - Mühendislik Bilimleri Veri Birimi) Composites Series (Kompozit Serisi), elyaf takviyeli lamine kompozit malzemelerin tasarımında kullanılmak üzere bir “Veri Öğeleri” ve programlar koleksiyonu sağlar. Bilgiler öncelikle havacılık endüstrisinde kullanım için sağlanmıştır, ancak kompozit malzemelerin benzer tasarım faydaları sunduğu diğer mühendislik alanlarında da geniş bir uygulama alanına sahiptir. ESDU Kompozit Serisi, fiber takviyeli lamine kompozit yapıların tasarımında karşılaşılan birçok mukavemet analizi probleminin çözümlerini içerir. Bu uygulamalar, temel rijitliklerin, gerilimlerin ve yerleşik termal gerilimlerin hesaplanmasına ek olarak, kırılma kriterlerini, plaka titreşimi ve burkulmasını, birleştirilmiş bağlantıların analizini ve gerilim konsantrasyonlarını içerir.  

Kompozit Teknolojisine Talep Artacak

Sürekli artan yakıt maliyetleri ve çevresel hassasiyetler, ticari uçuşlarda performansının devamlı iyileştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Ağırlık azaltma, bu denklemde çok önemli bir faktördür. Günlük işletme maliyetlerinin ötesinde, uçak bakım programları da bileşen sayısının azaltılması ve korozyonun azaltılmasıyla basitleştirilebilir. Uçak yapım işinin rekabetçi doğası, mümkün olan her yerde işletme maliyetlerini düşürmeye yönelik her türlü fırsatın araştırılmasını ve kullanılmasını sağlar. Bazalt ve karbon nanotüp formlarının kompozit kullanımını hızlandıracağını ve genişleteceğini öngörmek mümkündür. Havacılık söz konusu olduğunda, kompozit malzemelerin kullanımının artarak devam edeceğini söyleyebiliriz.       Kaynaklar • https://ihsmarkit.com/pdf/Composites-Aerospace-Applicationswhitepaper_264558110913046532.pdf • https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8152 • https://www.thoughtco.com/composites-in-aerospace-820418 • https://compositesuk.co.uk/composite-materials/applications/aerospace • Görseller: pixabay.com     Derleme ve Çeviri B. Serhat Cengiz