Şeref Sezgin
AĞIR METALDEN HAFİF YÜKSEK TEKNOLOJİYE GEÇİŞ

24 Temmuz 2018 Salı

Havacılık, dünyadaki en teknolojik olarak gelişmiş ve yenilikçi sektörlerden biridir.

1990'lardan günümüze son 30 yılda havacılık teknolojisi tamamen nano kompozit ürünlere dönüştü. Bugün günümüzde uçak yapmak için ne tür malzemeler kullanılıyor?

Bugün sizlere uçak gövde yapımında kullanılan malzemeleri ve teknik özelliklerini yazmak istiyorum.

Daha hızlı, daha hafif ve daha fazla yakıt tasarruflu uçak yaratma arzusu. Endüstrinin sürekli olarak yeni nesil materyaller araştırması ve geliştirmesi anlamına gelir. Uçak üretiminde kullanılan malzemeler düşük yoğunluk gerektirir. (2,7 g. / cm3). Bu evsafta termoplastik, seramik ve elyaflı kompozit ve yüksek mukavemet özelliklerine sahip olan ürünleri inceleyeceğiz.

Farklı bölgeler için değişik malzemeler mecburidir. Örneğin kanatlar, gövde ve iniş takımları için inanılmaz teknolojik ürünler kullanılmaktadır. Belki de isimlerini birçoğumuz ilk kez duyacağız. Bu metaller +40 °C ile -56 °C arasındaki ısı farklarında şekil ve yapı bozulmasına uğramazlar. Havacılık mühendisliği birçok bileşeni içinde barındırmak mecburiyetindedir.

PEEK (polietereterketon); termik, kimyasal ve yanma özelliklerinin (V-0 UL yanmazlık derecesi) performans açısından kritik olduğu uygulamalar için mükemmel olan yarı kristalli, 260 °C kadar yapısı bozulmayan bir mühendislik termoplastiğidir. Aynı zamanda, PEEK aleve maruz kaldığında az miktarda duman veya zehirli gaz yayar. Bu malzeme sağlam, güçlü, sert ve üstün sürtünme direncine sahiptir. Radyasyona ve geniş bir solvent yelpazesine de dayanıklıdır. PEEK reçineleri, yüzde 30 cam elyaf takviyeli, yüzde 30 karbon fiber takviyeli olarak temin edilebilir ve HPV takviyeli kaliteler.

Polieterimid (PEI), Kimyasal bileşen Formül: (C37H24O6N2)n /  Yoğunluk: 1,27 g/cm³

Yüksek performanslı bir mühendislik termoplastiktir. PEI'nin özellikleri, yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet ve sertlik, uzun süreli ısı direnci, boyutsal kararlılık ve iyi elektriksel özellikleri içerir. 365 °F (180 °C) sürekli kullanım sıcaklığı için uygundur.

Diğer amorf, yüksek sıcaklık reçineleri gibi, PEI olağanüstü boyutsal stabiliteye sahiptir ve doğal olarak alev geciktiricidir. PEI, hidrokarbonlar, alkoller ve halojenli çözücüler gibi kimyasallara dirençlidir.

Airbus A380 ve Boeing 787 gibi yeni uçaklar, bir yolcu için 100 kilometrede ortalama üç litreden daha az yakıt tüketimine sahiptir. Bu uçakların daha uzak mesafelere daha hızlı seyahat etmesine rağmen, klasik Boeing 757 uçağına kıyasla yüzde 25 daha yakıt tasarrufu demektir. Böyle olunca Sydney ile New York arası uçuş planlaması yapılabilmekte ve 23 saat havada kalması sağlamaktadır.

Airbus A350 XWB widebody jetliner, yüzde 50'den fazla kompozit malzemeden üretilmiştir, bu da aynı tonajdaki diğer uçak tiplerine göre yakıt planlamasında yüzde 25 azalma sağlamıştır. (Airbus verisi)

Yine de metallerin modası geçmiş değil; A350 XWB hala çelik ve titanyumdan yapılmış parçalara sahipken, neredeyse yüzde 20'si alüminyum-lityumdan üretiliyor. Bu gelişmiş alaşım, alüminyumun ağırlığını, dayanıklılığını, korozyon direncini ve şekillendirme özelliklerini geliştirirken, dünyanın en hafif metali olan lityum kullanır.

Havacılık için gerçekten devrimci bir malzeme olduğunu kanıtlayan karbon fiber takviyeli LİTYUM kompozitler üretilmiştir. Daha iyi bir mukavemet-ağırlık oranı, metal yorgunluğu ve korozyona karşı etkindir.

Fiber Kompozit Malzemeler

Günümüzde kompozit malzemeler alanındaki çalışmaları üç ana kategoride sürdürülmektedir. Bunlar fiber takviyeli, tane takviyeli ve tanecik takviyeli kompozit malzemelerdir. Malzeme ne olursa olsun kompozit düşük elastiklik modülüne sahip matristen ve matristen 10-1000 kat daha fazla mukavemet ve tokluk değerlerine sahip takviye elemanından oluşur.

Uçak yapıları için kullanılan kompozit malzemeler genellikle fiber kompozitler sınıfına aittir. Uçak endüstrisinde kullanılan kompozit malzemelerde yaygın olarak cam, karbon, bor ve polimerik fiberler kullanılmaktadır.

-- Cam Fiberleri ve Bor

Mühendislik açısından cam ilginç bir malzemedir. Çünkü maliyeti düşük, spesifik mukavemeti iyi, darbe direnci yüksek, kimyasal ve termal stabilitesi ve şekillendirme kabiliyeti iyidir. Mükemmel yalıtkanlık özelliğinden dolayı termal yalıtkanlık istenilen yerlerde, dielektrik özelliklerinden dolayı radomlarda tercih edilmektedir. Cam fiber takviyeli kompozitlerin genel kullanım sıcaklıkları 1470 °C’dır. Polyamid reçineleri ile kullanıldığında kullanım sıcaklıkları bir misli artmaktadır. Bor kırılmazlık ve esneklik sağlamakta yardımcı olur.

-- Grafit-epoksi, birçok uçak yapısı ve bileşeni için yaygın olarak kullanılan çeşitli kompozit malzemelerden biridir. Bu malzemeler tipik olarak bir reçineye gömülmüş kuvvetli liflerden oluşur (epoksi içine gömülmüş olan grafit fiberler). Malzemenin ince tabakaları, belirli mukavemet veya sertlik ihtiyaçlarını karşılamak için çeşitli şekillerde istiflenebilir. Grafit-epoksi alüminyum kadar güçlüdür ve yaklaşık yarısı ağılığındadır.

-- Titanyum, çelik kadar güçlüdür ve alüminyum kadar hafiftir. Gücünü yüksek sıcaklıklarda tutar. Korozyona çelik veya alüminyumdan daha iyi dayanır. Titanyum pahalı olmasına rağmen, bu özellikler modern uçaklarda daha fazla kullanılmasına yol açmıştır. Titanyum, motorlar gibi ağırlık ve yüksek sıcaklığın önemli olduğu yerlerde kullanılır.

-- Çelik, alüminyumdan dört kat daha güçlü ve üç kat daha serttir, ancak üç kat daha ağırdır. Mukavemet ve sertliğin özellikle önemli olduğu iniş takımı gibi bazı bileşenler için kullanılır. Ayrıca bazı yüksek hızlı uçakların (savaş uçakları 2.Mach) gövdesinde de kullanılmıştır, çünkü gücünü alüminyumdan daha yüksek sıcaklıklarda tutmaktadır. Birçok bağlantı elemanı, mukavemet veya parça ömrünün en önemli olduğu bileşenlerde kullanılır.

-- Alüminyum (Yüzde 20 oranında diğer metallerle harmanlanmış) çoğu uçak tipinde kullanılır. Çünkü hafif ve güçlüdür. Alüminyum alaşımları çelik kadar kolay aşındırmaz. Ancak, kuvvetlerini yüksek sıcaklıklarda kaybettikleri için, ses hızından daha hızlı uçan uçaklarda çok sıcak hale gelen gövde yüzeylerinde kullanılamazlar. Havacılık mühendisliğinde kullanılan, farklı alüminyum türü vardır: Alüminyum 2024-3003-5052-6061-7075

Tabii ki, alüminyum uçak imal etmek için kullanılan tek metal değil. Karbon alaşımlı çelik, uygulamalarında da sıklıkla kullanılır. Çeliğe karbon eklendiğinde, paslanma ve korozyona karşı daha güçlü ve dayanıklıdır. Titanyum, havacılık mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan bir başka metaldir. Güçlü, hafif ve korozyona karşı doğal olarak dayanıklıdır. Bazı firmalar demir, manganez ve titanyum alaşımları ile uçak motorlar inşa edilmektedir.

Motorlarda kullanılan farklı malzemeler, yağdan alınan örneklerle aşınan farklı malzemeleri tespit etmek amaçlıdır.

Bir helikopterin motorları tam ağırlığını kaldırması gerektiğinden, uçağa göre çok daha erken arayışa geçilmiştir. Airbus Tiger helikopterinin 2007 yılında piyasaya sürüldüğünde NH90 yüzde 90 kompozitlerden oluşmuştur.

Kompozit gövdenin diğer önemli özelliği de, yeni tasarım ve analiz uygulamalarının filo bakım saatleri üzerindeki etkisidir.

Yüksek sıcaklıklara maruz kalan bölgelerde çelik ve titanyum bulunur. İniş sırasındaki yüksek G ivmesini yok etmek için genellikle birkaç noktadan destek noktasına kadar uzanan "longeronlar" tarafından emilir. Uzun ömürlü "stringers" olarak adlandırılan diğer uzunlamasına üyeler tarafından da desteklenir.

Grafit epoksi veya karbon fiber takviyeli polimer, günümüzün en gelişmiş ticari uçakları için popüler bir seçim haline gelmiştir. Bir epoksi reçinesine gömülü esnek karbon fiberlerden üretilen karbon kompozit malzemeler, yüksek hızlı uçuş sırasında bütünlüğü korumaya yönelik çeşitli talepleri karşılamak için çeşitli şekillerde istiflenebilir. Bu karbon fiber materyaller, alüminyum kadar güçlü, ancak ağırlığın yaklaşık yarısı kadardır.

Karbon kompozit materyalleri gövdenin yarısından fazlasında ilk kullanan Boeing'in 787 Dreamliner olmuştur. (2009) Örneğin 1990’lı yıllarda üretilen Boeing 757’lerde yüzde 78 Al, yüzde 3 kompozit kullanılmasına karşın, 2010’da hizmete giren yeni bir yolcu uçağı tasarımında yüzde 65 kompozit, yüzde 11 Al. kullanılmıştır.

Günümüzde kompozit malzemeler alanındaki çalışmalara üç ana kategoride sürdürülmektedir. Bunlar fiber takviyeli, tane takviyeli ve tanecik takviyeli kompozit malzemelerdir. Malzeme ne olursa olsun kompozit düşük elastiklik modülüne sahip matristen ve matristen 10-1000 kat daha fazla mukavemet ve tokluk değerlerine sahip takviye elemanından oluşur.

Tanecik takviyeli kompozit malzemelerde matris içerisinde 0,01-0,1 µm boyutunda, hacimce oranı yüzde 1-15 arasında değişen uniform olarak dağılmış ince tanecikler bulunur. Bu tür kompozit malzemelerde ana yükü matris taşır, tanecikler dislokasyon hareketini önlerler.

Tane takviyeli kompozit malzemelerde, tane boyutu 1 µm’yi aşar ve hacimce oranı yüzde 25’in üzerinde olabilir. Bu durumda yük matris ve taneler arasında paylaşılır, matris şekil değiştirme değeri belirli bir büyüklüğü ulaştığında taneler mekanik sınırlandırma etkisi yaparlar.

Fiber takviyeli kompozit malzemelerde, fiberler yükü taşıyan ana elemanlardır. Matrisin görevi ise yükü fiberlere iletmek ve dağıtmaktır. Kullanılan fiberlerin çapları 0,1-100 µm arasında, hacimce oranları ise yüzde 10-70 arasında değişmektedir. Günümüzde kompozit malzeme alanındaki çalışmalar, daha ziyade fiber takviyeli kompozit malzemeler üzerinde yoğunlaşmaktadır. Bu kompozitlerin kullanımı ile birlikte havacılık alanında önemli miktarda ağırlık tasarrufu ve performans artışı sağlanmıştır.

Kompozit malzeme kullanımının artış hızının yavaş olmasının iki nedeni vardır; sertifikasyon zorluğu ve maliyettir. Bu günlerde kompozit malzeme araştırmalarında en çok önem verilen konulardan biri de¸termostat yerine düşük maliyetli termoplatik matris malzemelerinin geliştirilmesidir. Polyetheretherketone (PEEK) ve polyetherimide (PEI) gibi termoplastik malzemeler; hem dayanıklı hem de üretimi kolay ve ucuz kompozitler oluşturulmasına olanak sağlamaktadır.

Kompozitler hacimsel olarak birbirine göre farklı şekil ve özelliklere sahip iki veya daha fazla elemandan oluşan ve bu elemanlar arasındaki sınırın rahatlıkla görülebildiği, bu elemanların olumlu özelliklerinin bir araya getirildiği malzemelerdir. Kompozit malzemelerin ana unsurları matris ve takviye malzemeleridir. Başlıca takviye elemanları fiberler, pullar, taneler, tanecikler ve tabaklar iken matrisler ise polimer, metaş ve seramik esaslı malzemeler olabilir.

Uçak yapımı için gelecekteki malzemeler

Magnezyum korozyon ve yanıcılık özellikleriyle ilgili yeni gelişmeler nedeniyle yeniden popülerlik kazanmıştı. Hafif bir metaldir, ancak ısıya dayanıklı olmadığı için uçak yapımında yasaklanmıştı. Fakat Magnezyum alaşımlarının geliştirilmesinde ilerleme sağlamıştır.

Nano Uyarlamalı Hibrid Kumaş (NAHF-X) veya bulanık lifler iyi yapısal, elektriksel ve termal özelliklere sahiptir. Reçine ürünlerine eklendiğinde, diğer kumaşlar gibi istenilen ebatlarda üretilebilme özelliğine sahip olacaktır. İnsansız Hava Taşıtlarında (İHA'lar) kullanılabilir.

Elyaf metal laminatlar (FML), yüksek dayanıklılık, düşük yoğunluk ve yüksek dayanıklılık, yüksek dayanıklılık, korozyon direnci, iyi yangın direnci ve yorulma özelliklerine sahiptir. Ayrıca, fiber metal laminatlar diğer metalik yapılara kıyasla düşük ağırlığa sahiptir. Diğer malzemelere kıyasla bir bileşen oluşturmak için daha az miktarda FML gereklidir. Bu özelliklerle, uçakların inşasında ve bakımında maliyet önemli ölçüde azalır.

Performansı artıran ve uçak üretim maliyetini azaltan diğer malzemeler CentrAl güçlendirilmiş alüminyum (CentrAl) ve seramik matriks kompozitleridir (CMC'ler). CentrAl, yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlara, yüksek yorulma direncine ve yüksek hasar toleransına göre yüzde 25 daha fazla çekme mukavemetine sahiptir. Ayrıca, uçağın ağırlığını azaltacak ve yakıt tüketimini azaltacak alüminyum alaşımlara göre daha hafif bir ağırlığa sahiptir. CMC'ler, diğer malzemelerin özelliklerini aşan sıcaklıklara karşı yüksek direnç gösterir. CFM LEAP yüksek bypass turbofan motorunda kullanımı yakıt tüketimini yüzde 16 oranında azaltmıştır.

Uçağın inşasında kullanılan malzemeler için ihtiyaç duyulan gerekliliklere uygun olacak malzemeleri bulmak için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Son gelişmeler uçağın verimliliğini artırırken genel maliyetleri düşürecektir.

Kaynaklar:

www.airbus.com

www.boeing.com

http://theatlasgroup.biz/latest-materials-used-aircraft-manufacturing/

https://www.muhendisbeyinler.net/

  Yorum Ekle

  Yorumlar

 irfan
 28 Ağustos 2018 Salı 15:24
Şeref Abi derin ve ayrıntılı bilgi için teşekkürler.
 Plt Tijen
 2 Ağustos 2018 Perşembe 09:52
Günaydın herkese. Çok uzaklardan sizi takipteyim.
 K. Plt. Thy
 1 Ağustos 2018 Çarşamba 10:22
Çok güzel aydınlatıcı bilgiler çok teşekkürler elinize sağlık
 Alper
 31 Temmuz 2018 Salı 14:09
Gelecekte neler olacak çok merak ediyorum. Perçin artık gövdelerde göremiyoruz. Kompozit mono blog fber görünümlü bir madde. Hafif ve sağlam. Enteresan gelişmeler. Takipteyiz Seref hocam.
 Ugur
 29 Temmuz 2018 Pazar 19:13
Eline sağlık hocam.
 Ozan
 26 Temmuz 2018 Perşembe 22:33
Merakla okudum. İlginç gerçekler. Kimya dersi gibi. En hızlı değişen sektör havacılık teknolojisi. Bizde ülke olarak bir gün yakalarız inşallah.
 Okan Havacılık
 26 Temmuz 2018 Perşembe 17:45
Ders notları gibi sunum teşekkürler. Bu site bizler için...
 Pilot Can
 26 Temmuz 2018 Perşembe 09:19
Metal mühendisliği yerini laboratuvarlarda üreten kimyasallara bıraktı. Sıra dışı bilgiler. Elinize sağlık hocam.
 Wolfgan 737
 25 Temmuz 2018 Çarşamba 09:22
Ben yine daha önce yaptığım yorumumu yapacağım. Heyecan verici havacılık bilgileri. Üniversitelerin havacılık bölümleri okumalı. Uçağa dokunmadan mezun ettikleri öğrencilerin AHLARI tutacaktır. Benim ülkeme yazıktır.
 U. Müh
 24 Temmuz 2018 Salı 19:55
Enteresan makale. Elinize sağlık. Gerçek hav. sitesi
 Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
 24 Temmuz 2018 Salı 16:05
Okuduğumuz tüm konular artık yok oldu. Ayak uydurmak için tekrar Mühendislik okumamız lazım. Kendimi çok kötü hissetmeme sebep oldu. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü önem kazanacaktır.
 K. Konukoğlu
 24 Temmuz 2018 Salı 13:30
Wawww. Heyacan verici Şeref bey. Takipteyiz. İyi çalışmalar
 Tijen
 24 Temmuz 2018 Salı 12:14
Yenilikleri takip ilgimi çekiyor. Elinize sağlık. Zevkle okudum.
 Üniv. Bir. Hav. Böl.
 24 Temmuz 2018 Salı 11:49
Elinize sağlık. Müh. Bölüm öğrencilerinin konusu. Çok sağolun. Takipteyiz
 And. Ünv. Hav.
 24 Temmuz 2018 Salı 11:47
Güzel yazı hocam çok teşekkürler merakla takip ediyoruz
 Pars
 24 Temmuz 2018 Salı 11:18
Airkule’de olay çok farklı. Sağol hocam.
 JJ Plt
 24 Temmuz 2018 Salı 11:17
Thanks Seref
 ILKER
 24 Temmuz 2018 Salı 10:30
Yazıyı okuyunca hem sevindim hem üzüldüm biz ülke olarak olayın neresindeyiz ne yapabiliyoruz bir de bunları araştıralım lütfen muhteşem bilgiler elinize sağlık
 Okan Üniversitesi Havacılık bölümü öğr.
 24 Temmuz 2018 Salı 10:16
Memnuniyetle sizleri takip ediyorum. Magazin olmayan gerçek havacılık sitesi Airkule. Elinize sağlık. Bizim ders kitaplarının özeti gibi. Bitirme tezim olabilir hocam.

Copyright 2015 Airkule
İletişim