Havacılık Ve Uzay Uygulamalarına Yönelik Nikel Kaplı Karbonfiber Üretimi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Teknolojinin gelişmesiyle beraber günlük hayatımızda kullandığımız elektronik cihazlar hızla artmaktadır. Elektronik cihazlardan yayılan elektromanyetik dalgalar hem canlılarla hem de diğer elektronik cihazlarla elektromanyetik etkileşim sonucu problemlere sebep olmaktadır. Cihazlarda çalışma bozukluklarına, insanlarda ise uykusuzluk, başağrısı, halsizlik, tümör oluşum riskinin artması gibi rahatsızlıklara sebep olmaktadır. Elektromanyetik etkileşim problemlerinin önüne geçebilmek amacıyla elektromanyetik kalkanlamaya ihtiyaç duyulmaktadır. Elektromanyetik kalkanlama, elektromanyetik dalga kaynağı ile alıcı arasına iletken bir engel konularak elektromanyetik alan etkisini azaltma işlemidir. Geleneksel olarak metaller, kalkanlama malzemesi olarak kullanılmıştır ancak pahalı ve ağır olmaları, zamanla oksitlenmeye ve korozyona uğramaları, işlenmelerinin zor olması ve ısıl genleşmelerinin yüksek olması nedeniyle günümüzde tercih edilmemektedir. İletken tanecik içeren polimerik kompozitler veya metal kaplamalar elektromanyetik kalkanlama için en sık kullanılan yöntemlerdir. Son yıllarda uygulanan bir diğer yöntem ise karbonfiber takviyeli polimerik kompozit kullanımıdır. Ancak karbonfiberin iletkenliğinin düşük olması kullanımı sınırlamaktadır. Karbonfiberin metal/alaşımlarla kaplanıp, destek elemanı olarak kullanıldığı kompozit yapılar ise sınırlı olmakla birlikte literatürdeki diğer bir uygulama şeklidir. Karbonfiberlere uygulanacak metalik kaplamalarda farklı teknikler kullanılmaktadır ancak en yaygın olanı kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemidir. Sürekli fiber kaplaması için ihtiyaç duyulan ilave ataçmanlardan ötürü yöntem son derece pahalıdır. Elektrolitik teknikler ise fiber demetinin tamamının açılmasını gerektirmekte ve uygulamada özellikle fiberlerin birbirine yapışmasından dolayı tercih edilmemektedir. Tez çalışması kapsamında kullanılan akımsız nikel kaplama yöntemi ise ticari uygulamaya geçmemiş olmakla birlikte akademik anlamda son yıllarda kullanılmaya başlayan bir yöntemdir. Akımsız nikel kaplama, 20. yüzyılın ortalarında ilk olarak Brenner ve Riddel tarafından elektrolitik kaplama banyolarındaki oksidasyon çıktılarını temizlemek için sodyum hipofosfit kullanılarak ilave nikel birikmesinin farkedilmesi ile bulunmuştur. Bu yöntemin ilk uygulaması 1955 te Kanigen yöntemi ile başlamış, 1968 de Durnicot ile devam etmiştir. Günümüzde ise kaplama sektöründe önemli bir yere sahiptir. Sahip olduğu belirgin avantajları sayesinde uçak-uzay, otomotiv, makine, plastik, elektronik, kimya vb. endüstri kollarında kullanımı yaygınlaşmaktadır. Parça geometrisinden bağımsız olarak tüm yüzeylerde homojen kaplama imkanı sunan, yalıtkan yüzeylerede uygulanabilen, yüksek sertlik, aşınma ve korozyon direnci sağlayan ve tüm bu özellikleriyle diğer kaplama yöntemlerine alternatif oluşturabilecek nitelikte olan akımsız nikel kaplamalar, saf nikel katmanlar yerine fosforlu veya borlu alaşımlar şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Yöntem genel olarak, kaplanacak olan malzeme nikel tuzları içeren bir banyoya daldırılması ve indirgeyici ajanlar vasıtası ile nikel iyonlarının nikel metaline redüklenerek yüzeye kaplanması şeklinde tanımlanabilir. Nikel, banyonun içeriğine göre değişen ve indirgenme sırasında ortaya çıkan bor veya fosfor ile alaşım oluşturarak yüzeyin kaplanmasını sağlar. Bu kaplamalar otokatalitik kaplama olarak adlandırılır çünkü indirgenme, kendisi de katalitik etki gösteren nikel üzerinde devamlılığını sürdürür. Tez çalışması kapsamında, karbonfiber demetleri, Ni-P, Ni-B ve Ni-W-B banyoları kullanılarak, pH, sıcaklık ve kaplama süresi parametreleri ekseninde nikel ile kaplanmıştır. Kaplama işleminden önce kaplanacak fiber yüzeylerine hassaslaştırma ve aktifleştirme işlemleri uygulanmıştır. Yüzey hassaslaştırma işleminde 20 g/L SnCl2.2H2O ve 40 ml/L HCl çözeltisi kullanılmış ve uniform hassaslaştırma sağlamak amacıyla fiber demetleri bu çözeltide manyetik karıştırıcı ile 15 dk boyunca karıştırılmıştır. Hassaslaştırma işleminden sonra fiberler saf suya daldırılarak temizlenmiştir. Yüzey aktifleştirme aşamasında ise karbonfiberler 0.25 g/L PdCl2 ve 2.5 ml/L HCl oluşan yüzey aktifleştirme çözeltisine daldırılmıştır. Yüzeyde uniform aktifleşme sağlanması amacıyla çözelti 10 dk boyunca manyetik karıştırıcı yardımı ile karıştırılmıştır. Yüzey aktifleştirme ardından fiber demetleri saf suya daldırılarak tekrar temizlenmiştir. Yüzeyi kaplama işlemi için hazır hale gelen fiberler manyetik karıştırıcılı ısıtıcı üzerine yerleştirilen kaplama banyolarına daldırılmıştır. Ni-P banyosu için 4.8, 6 ve 7.2 pH, Ni-B ve Ni-W-B banyoları için ise 6, 6.5 ve 7 pH değerleri uygulanmıştır. Kaplama sıcaklık parametreleri için 60, 75 ve 90 oC sıcaklık değerleri, kaplama süreleri için ise 10, 20 ve 30 dk süreleri diğer kaplama parametreleri olarak belirlenmiştir. Bu değişkenler doğrultusunda elde edilen kaplamalar, kalınlık ve elektrik direnci değerleri açısından incelenmiştir. Optimum kaplama şartları belirlendikten sonra, her üç kaplamadan seçilen birer numuneye 200, 300 ve 400 oC sıcaklıklarda ısıl işlemler uygulanarak, ısıl işlemin kaplamaların kristalizasyon özelliklerine ve bu özelliklerin elektrik direncine etkileri belirlenmiştir. Belirtilen koşullarda elde edilen kaplamaların özellikleri XRD ve SEM cihazları kullanılarak incelenmiştir. Elektrik direnç ölçümleri elektrometre cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Son olarak 5x5 cm boyutlarında kesilen keçe karbonfiber yüzeyleri sülfürik asitle aşamalı temizlenmiştir. Hassalaştırma ve aktifleştirme işlemlerininin ardından keçe karbonfiberler pH 7 de, 70 oC de, 20 dk kaplama süresi uygulanarak Ni-B ile ve pH 6.5 ta, 70 oC de, 20 dk kaplama süresi uygulanarak Ni-W-B ile kaplanmıştır. Kaplanan keçe karbonfiberlere ve kaplama yapılmayan keçe karbonfibere elektromanyetik koruyucu etkilerini belirlemek amacıyla koaksiyel iletim hattı metodu uygulanmıştır. Ölçümler 1 MHz ile 8 GHz arasında gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, Kullanılan ticari Ni-P ve Ni-B akımsız kaplama banyoları ile karbonfiber üzerine nikel kaplama yapılabileceği bunun yaında Ni-B banyosuna 5 g/L sodyum tungstat ilavesi ile akımsız Ni-W-B kaplamaların da elde edilebileceği gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda gösterilmiştir. Genel olarak, her üç çözelti sonucu elde edilen kaplamalarda, artan kaplama süresi ile kaplama kalınlığının artış gösterdiği görülmektedir. Ni-P kaplamaları için ideal pH 6, ideal sıcaklık ise 75 oC dir. Ni-B kaplı numuneler için pH değeri arttıkça kalınlığın arttığı sıcaklığın ise önemini kaybettiği görülmüştür. Ni-W-B kaplamaları için ise ideal pH 7, ideal sıcaklık 60 oC dir. pH değeri arttıkça kalınlık artma eğilimi göstermektedir fakat diğer çözeltilerin aksine sıcaklık arttıkça kalınlıkta düşüş meydana gelmektedir. Elde edilen kaplamaların elektrik direnç ölçümleri incelendiğinde Ni-P, Ni-B, Ni-W-B kaplamalarda artan kaplama kalınlığı ile beraber elektrik direncinde düşüş görülmüştür. Kaplamanın yüzey morfolojisinin elektrik direnç değerlerini etkilediği, pürüzlü yüzeylerin direncinin, pürüzsüz yüzeylere oranla daha yüksek olduğu görülmüştür. Kaplamalara uygulanan ısıl işlem neticesinde literaratür çalışmalarına paralel olarak, 300 oC ye kadar uygulanan ısıl işlemlerde, kristal yapının artış göstermesi sebebiyle elektrik direncinin her 3 kaplama için de düşüş gösterdiği, 400 oC de ise oluşan borür ve fosfür fazlarının etkisiyle elektrik direnç değerlerinin tekrar artış gösterdiği tespit edilmiştir. Elektromanyetik etkileşim koruma ölçümleri sonucu karbonfiber altlığın nikel ile kaplanması, koruma etkisini yaklaşık 2 katına çıkarmıştır. Elde edilen kaplamalar neticesinde 1 MHz ile 8 GHz arasında 20 ile 30 dB arasında koruma etkisi elde edilmiştir.

With the development of technology, electronic devices we use in our daily life are increasing rapidly. Electromagnetic waves emitted from electronic devices cause problems for all living creatures as well as electromagnetic interference with other electronic equipments. It causes malfunction in the devices, and some troubles such as insomnia, headache, weakness and increased risk of tumor formation in human beings. In order to avoid electromagnetic interference problems, electromagnetic shielding is made. Electromagnetic shielding is the process of reducing the impact of electromagnetic fields by placing a conductive barrier between the electromagnetic wave source and the receiver. Traditionally, metals are used as shielding materials; however they are not preferred nowadays since they are heavy, expensive, being oxidized and corroded by time, having high thermal elongation, and difficult to manipulate. Polymeric composites containing conductive particles or metal coatings are the methods most often used for electromagnetic shielding. One of the studies performed is about the composite structures in which the metal coated carbon fibers are used as support elements.