Karbon Fiberi Korumak için Yeni Bir Yöntem Bulundu

      Fotoğraf : Yongfeng Lu. Kaynak: Craig Chandler

Son 50 yıldır üreticiler karbon fiberi neredeyse kusursuz malzeme olarak tanımlıyor: Fiberi oluşturan lifler saç telinden daha ince olmasına rağmen çelikten iki kat daha sert, daha güçlü ve iyi bir ısı iletkeni olma özelliği taşımaktadır. Hafif bir kompozit oluşturmak amacıyla birlikte bükülebilir ve bir matris malzemesi ile birleştirilebilirler. Bu özelliklerine ek olarak metallerin aksine zamanla aşınmazlar. Hava ve uzay araçları, arabalar, binalar, tıbbi cihazlar ve spor ekipmanları dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadırlar.

Ancak karbon malzemeleri konusunda uzman olan Husker mühendisi Yongfeng Lu, karbon fiberin büyük bir dezavantajı olduğunu söyledi. Aşırı sıcaklıklarda- örneğin havacılık endüstrisinde sık karşılaşılan bir durum- karbon fiber oksitlenir, yani havadaki oksijenle reaksiyona girer ve yanar, tıpkı ahşabın yeterli ısı ve oksijenle birleştiğinde yaptığı gibi. Oksidasyon, karbon fiberin kusursuza yakın niteliklerini özellikle de gücünü hızla azaltır.

Lott Distinguished Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Lu, “Karbon fiberlerin zayıflığı yeterince yüksek sıcaklık ve oksijene sahipseniz kolayca yanabilmeleridir. Ateşe maruz kaldıklarında fiberleri yanmaz hale getirebilseydik heyecan verici olurdu.” dedi.

PNAS’ta yayınlanan yakın tarihli bir makaleyle Lu’nun ekibi bu hedefe yönelik büyük bir adım attığını duyurdu. Nebraska-Lincoln Üniversitesi ve Fransa Bordeaux’daki Yoğun Madde Kimyası Enstitüsü’nden meslektaşlarıyla karbon fiberi oksidasyona karşı korumak için düşük maliyetli, ölçeklenebilir bir yöntem geliştirdiler. Yaklaşım; zahmetli, yavaş ve pahalı olan diğer antioksidasyon süreçlerine göre önemli bir gelişmeyi temsil etti.

Lu, “Yüksek sıcaklıklarda bile yanmamaları için karbon liflerini oksijenden ayırabilen yüzey katmanları eklemeye çalışıyoruz. Karbon lifler birçok şekilde kullanılabilir- tekstillere dokunmuş veya binaların, uçakların, elektronik ekipmanların bazı kısımlarında- ancak yanıcı olmaları bu sistemler için yeni bir risk oluşturur ve uygulamaları sınırlar.” dedi.

Yanıcılığı ortadan kaldırmak için ekip kimyasal olarak sofra tuzuna çok benzeyen bir tuzu eritmekle başlayan basit ve tek adımlı bir süreç tasarladı.  Araştırmacılar tuz kristalleri sıvı hale geldikten sonra yüksek sıcaklıklara dayandığı bilinen titanyum ve krom tozlarını eklediler. Daha sonra karışıma karbon fiberler eklendi.

Kendiliğinden gerçekleşen bu reaksiyondan sonra oksidasyona karşı bariyer görevi gören krom karbür ve titanyum karbürden yapılmış üç katmanlı bir kaplama oluştu. Çok katmanlı olma nedeni titanyum ve kromun her birinin erimiş tuz içinde farklı davranışlara ve reaksiyon hızlarına sahip olmasıdır. Böylece üç farklı nihai ürün katmanı oluştu ve tek bir katmana kıyasla ekstra koruma sağlandı.

Araştırmacılar kaplanmış karbon fiberleri aşırı sıcaklıklara (yaklaşık 2.200 Fahrenheit) ve bir oksiasetilen alevi ile simüle ettikleri zorlu çevresel koşullara karşı test ettiğinde malzemenin yapısını koruduğunu buldular. Lu, bir sonraki adımın kaplanmış elyafların korumasız muadillerine kıyasla ne kadar yanmaz olduğunu ve önemli özelliklerini zorlu koşullar altında ne kadar süre koruyabileceklerini belirlemek olduğunu söyledi.

Lu ve meslektaşları karbon fiberleri oksidasyona karşı koruma yöntemlerini keşfeden ilk ekip değil ancak daha fazla testte başarılı olurlarsa yaklaşım büyük ölçekli uygulanabilirliğe sahip ilk yaklaşım olacak. Kimyasal buhar biriktirme gibi önceki yaklaşımlar pahalı ekipmanlar ve çoklu reaksiyon adımlarını içermesine ek olarak kontrol edilmesi zor kimyasal reaksiyonları içeriyordu. Erimiş tuz yaklaşımı yaklaşık 1.800 Fahrenheit gibi nispeten düşük bir sıcaklıkta kendiliğinden gerçekleşen, basit temellere dayalı ve ucuz malzemeleri kullanarak çok daha fazla verimli bir süreç oluşturdu.

İşlem aynı zamanda hızlı ve temizdir. Yaygın endüstriyel kullanım için çalışmalar devam etmektedir.

Lu, “Tek bir durumda üç katman oluşturabilen bir tarif bulduk. Sıvı içine daldırma yöntemiyle üç kat kaplama elde edebiliriz.” dedi.

Kaynak: newsbreak.com