Havacılık Sektöründe Kompozit Malzemelere Dair Bilmeniz Gerekenler
İlk motorlu uçuş, 1903 yılında Wright Kardeşler tarafından gerçekleştirildi. O zamandan bu zamana uçaklarda hassas yapı üretiminde kullanılan ahşap, tel ve kumaşın yerini zamanla çelik ve alüminyuma; günümüzde ise kompozit malzemelere bıraktı. Dolayısıyla havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanılıyor olması sıkça karşımıza çıkmaktadır.
Havacılık sektörü, gelişen malzeme biliminden en fazla etkilenen sektörlerin başında gelir. Havacılık sektöründeki "daha fazla hafiflik” anlayışı gelişti. Artan akaryakıt, işletme ve bakım maliyetleri bu anlayışın gelişmesine sebep oldu. Uçağın gövde ağırlığı azaltılarak hem düşük yakıt tüketimi sağlanır hem de karbon emisyonları ve işletme maliyetleri azaltılır. Havacılık sektöründe kompozit malzemeler, güvenlik anlayışı ön planda tutularak ağırlığın azaltılmasına yardımcı olur. Geleneksel malzemelere kıyasla hafiflik, yüksek darbe dayanımı, düşük maliyet, basit montaj ve radara karşı görünmezlik gibi birçok avantaja sahiptir.
Havacılık Sektöründe Kompozit Malzemelerin Gelişimi
1950’lilerin sonlarında Boeing 707 ve DC-9 gibi uçakların kullanımı ile havacılık sektöründe kompozit malzemeler kullanımında erken dönem başlamış oldu. Kullanılan ilk kompozit malzeme, cam elyafı ile güçlendirilmiş plastik "fiberglas”tır. Kompozitlerin kullanılmaya başlanması, güvenlik ilkesi sebebiyle, üç aşama ile meydana geldi. İlk aşamada direkt olarak güvenliği tehdit etmeyen iç kısımlar, yan duvarlar veya mutfak gibi alanlarda kullanıldı. 1960’lı yılların sonuna gelindiğinde havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımı iç kısımlarda başarılı olduğundan ikincil uçak yapıları olan rüzgarlık, dümenler ve flaplar gibi alanlarda da kullanılmaya başladı. Fakat en kritik kullanımı şüphesiz stabilizatörler ve kanatlar gibi birincil yapılarda kullanılmasıdır. 1990’lardan itibaren "karbon finer” kullanımı yaygınlaşmış ve bu buluş havacılık sektörü için devrim niteliğinde bir gelişme olmuştur. Bunu ilk başarılı örneği Airbus A310 da kullanılan dikey stabilizatördür. Ağırlığı 250 kg’dan fazla azalttığı gözlemlenmiştir.
Küresel Havacılık Kompozitleri
Havacılık sektörünün bir ülke olarak varsayalım; 691,3 milyar dolarlık GSMH ile dünya ülkeleri arasında ekonomi sıralamasında 17. Ülke olurdu. Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımı ile bu oran beş yılda bir ikiye katlanarak ilerlemiştir.
Global Market Insights’ın piyasa araştırmasına göre bu değer 2019’da 12,9 milyara ulaşmıştır. Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımının pazarda öne çıkan türlerine ilişkin daha detaylı konuşalım:
Malzeme Türü ve Kullanım Alanlarına Göre Havacılıktaki Kompozit Malzemeler
Ticari uçak segmenti, pazardaki en büyük paya sahiptir. Bu durumun yakın gelecekte de artış göstererek devam etmesi beklenmektedir.
Elyaf türüne göre havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımı, kendi içinde karbon fiber, seramik elyaf, fiberglas ve diğerleri olarak ayrılmaktadır. Aralarında öne çıkan 2019 yılında %40’lık payla karbon fiber olmuştur. Kanatlar, gövde ve iç parçalar gibi alanlarda daha sık kullanıldığı görülmektedir.
Reçine türüne göre havacılık sektöründe kompozit malzeme kullanımı ikiye ayrılır; termosetler ve termoplastikler. 2019 yılı pazarında termoset reçineler, pazarda kendine dörtte üçlük bir alan bulmuştur.
Uygulama türleri bakımından kompozit kullanımı ise ciddi bir oranla pazarın %60’ını domine eder. Bu kadar çok tercih edilmesinin sebebi mukavemet, esneklik, dayanıklılık gibi güçlü özelliklere sahip olmasıdır.
Bölgesel bir Pazar değerlendirmesi yapmak gerekirse Kuzey Amerika’nın lider olduğu görülür. Özellikle Boeing ve Lockheed Martin gibi büyük havacılık şirketlerine sahip olan Kuzey Amerika, 2019 yılında pazarda %40’ın üzerinde bir kazanım elde etti. Bu durumun önümüzdeki dönemlerde de devam edeceği öngörülüyor.
Havacılık Sektöründe Kompozit Malzemelerin Avantajları
Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımını en öne çıkaran avantajı, geleneksel malzemelere kıyasla çok daha hafif olmasıdır. Yorulma dayanımı ve yanma direnci oldukça yüksektir. Korozyona dayanıklıdır. Karmaşık şekillerde veya büyük parçalar halinde üretimi mümkündür. Bunun sebebi esnek bir tasarıma sahip olmasıdır. Bağlantı noktalarında yaşanabilecek mukavemet kaybı ve ekstra ağırlık sorunu kompozit malzeme kullanımı ile ortadan kalkar. Kompozit malzemeler sıcak, soğuk, ıslak veya kuru olması fark etmeksizin şekillerini korurlar.
Havacılıkta Kullanılan Kompozit Malzemeler
Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımında öne çıkan üç malzeme vardır: CFRP, GFRP ve sandviç yapılı kompozit malzemeler. Gelin bu malzemelere daha yakından bakalım:
1. CFRP
Yaygın olarak kullanılan CFRP, özellikle yolcu uçaklarının kanatlarında, gövde kuyruk gibi alanlarda kullanılır. Ayrıca insansız hava araçlarında ve uzay araçlarında da sıkça kullanılır.
Uzay araçlarında sıkça tercih edilmesinin nedeni sağlamlık/ağırlık oranı ve termal dengesini koruyor olmasıdır. Uzay araçlarında özellikle kaplamalarda, optik platformlarda ya da anten reflektörleri gibi bölgelerde kullanılır. Son zamanlarda uzay araçlarının ana yapı elemanlarında da kullanmaya başlandı.
2. GFRP
Polimer matris fazının içinde karbon fiber takviye bulunduran CFRP’den farklı olarak cam-fiber takviyesi bulunduran yaygın bir diğer türdür. Çelikle birleştirildiğinde ortaya Glare adında bir malzeme çıkar ve bu malzeme uçak gövdelerinin bazı bölümlerinde kullanılır. Bunun yanı sıra CFRP ile beraber yolcu uçaklarının kanat kısımlarında, kanat-gövde eklemlerinde ve anten kapaklarında kullanılır. Endüstriyel kullanımı ise ilk olarak füzelerin anten kapaklarında kullanılması ile başlamıştır. Ayrıca uzay araçlarında da anten reflektörü ve ısı yalıtımın önemli olduğu alanlarda da kullanılır.
3. Sandviç Yapılı Kompozit Malzemeler
Havacılık sektöründe kompozit malzeme kullanımında bahsedeceğimiz son malzeme diğerlerine nazaran daha farklı bir yapıdadır. Genellikle bal peteği desenindedir. İki ince ve hafif panel arasına dikine yerleştirilmiş aynı şekilde ince ve hafif malzemeden oluşur. Yoğunluğu düşük olduğundan hafiftir ve bu hafifliğe rağmen bükülme direnci oldukça yüksektir. Genellikle uçak panelleri ve bazı uçaklarda flaplarda kullanılır.
Kompozit Malzeme Kullanılan Uçak Türleri
Bahsettiğimiz gibi havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımı çok sık bir tercihtir. Ağırlığının yarısından fazla kompozit malzeme kullanan özellikle iki uçak bulunur; Boeing 787 ve Airbus A350.
Havacılık sektöründe kompozit malzeme kullanımın açık ara en büyük avantajının hafiflik olduğunu konuşmuştuk. Son dönemlerde sıkça tercih edilse de 1980’li yıllarda üretilen Airbus A320’nin yapımında %15 oranında kompozit malzeme kullanılmıştı. Kuyrukta kullanılan bu kompozitler, 800 gramlık bir tasarruf sağlamıştı.
Havacılık sektöründe kompozit kullanımının yaygınlaşmasıyla 2005 yılında üretilen ve dünyanın en büyük yolcu uçağı olma unvanını elinde bulunduran Airbus A380, %20 oranında kompozitten oluşan bir uçaktır. Sadece "wingbox” denilen yani kanatların bağlandığı merkez tankta kullanılan CFRP malzemeli kompozit 1.5 tona yakın ağırlıktan tasarruf edilmesini sağladı.
2008 yılında üretilen Boeing 787 ile çok daha büyük bir adım atıldı ve bu uçağın %50 ve daha fazlası kompozitten oluşuyordu. Böylelikle hafif ama yarıca yüksek verim sunan, uzun menzilli uçaklar çokça tercih edilmeye başlandı. 2013 yılında üretilen Airbus A350 ise %53’ten fazla kompozit malzeme kullanılarak üretildi.
Günümüzde çoğu uçağın iç döşemeleri ve panellerinde hemen hemen neredeyse kompozit malzeme kullanılarak üretiliyor. Havacılık sektöründe kompozit kullanımının günümüzde bu kadar yaygın kullanılmasının temel sebeplerinden biri yangın direncinin yüksek olmasıdır.
Tüm bunlar ışığında diyebiliriz ki, havacılık sektöründe kompozit kullanımı yaygınlaşmaya ve potansiyelini katlayarak sürdürmeye devam edecek.
Uzay Uygulamaları
Yalnız havacılık sektöründe değil kompozit malzemelerin roket ve füzelerde başarılı bir şekilde kullanılması, kompozitleri uzay araçlarının da birincil elementi haline getirdi.
Uzay uygulamaları, yeni malzeme kullanımına elverişli uygulamalardır. Uyduları ele alacak olursak, tüm üretim süreci için belirtilen zaman iki yıl gibi dar bir aralıkta olabilir. Dolayısıyla maliyetteki malzeme unsuru bu durumda düşük olur.
Bunun yanı sıra bazı uygulamalar teknik sebeplerden ötürü başka bir malzeme kullanımına olanak sağlamaz. Yörüngeye çıkan uzay aracında mekanik yükler daha düşüktür. Aşırı çevresel koşullar ve şiddetli termal döngü olası ihtimallerdir. Ayrıca yüksek vakum ve atomik oksijen veya mikrometreoid etkilerin yol açacağı erozyon ihtimali de mevcuttur.
Cam elyaf kompozit genellikle ısı yalıtımının önemli olduğu alanlarda veya anten reflektörlerinde kullanılırken CFRP ise yüksek termal kararlılık potansiyeli ve geniş bir sıcaklık aralığında çok yüksek sertlik sunmasından dolayı uzay uygulamalarında kullanımı idealdir.
Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin kullanımının sunduğu hafifliğe artan talepler bazı uyduların alt yapılarında kompozit kullanımını yaygın hale getirmiştir.