Havacılık, Uzay ve Savunma Araçlarının Sihirli Malzemesi; Bor

Bor, gezegenimizdeki en yaygın kullanımı olan elementlerden biridir, metaller grubuna da dahil edilebilir. Bor’un genel endüstriyel uygulamaları dışında çok özel sahalarda da kullanımları da olduğunu biliyor muydunuz? Örneğin; havacılık ve savunma sektörleri diğer elementlerle katkılanabilmesi, hibrit veya kompozit malzeme oluşturmadaki yüksek katkıları nedeniyle on yıllardır bor kullanmaktadırlar. 

Bor nedir ne işe yarar?

Bor kimyasal bileşiklerde öncelikli kullanıma sahiptir. Küresel üretimin yaklaşık yarısı, yalıtım ve yapısal malzemeler için cam elyafı katkı maddesi olarak kullanılıyor. Bir sonraki kullanım grubu, mekanik değerlerinin yükseltilmesi ve ısıya dayanımın arttırılması için takviye malzemesi olarak dahil olduğu, yüksek mukavemetli, hafif ve ısıya dayanıklı polimer ve seramik kompozitlerdir.

Bor'u diğer malzemelerden farklı kılan nedir?

Bor atomu, havacılık ve uzay endüstrilerindeki projeler için önemli olan bir dizi malzeme ve alaşım oluşturabilir. Element, benzer kaynama noktalarından dolayı diğer metallerle, özellikle alüminyum, titanyum ve bakırla borit oluşturma eğilimindedir. Bu kıymetli özelliği, çeşitli ortam türlerine maruz kalmaktan kaynaklanan korozyona veya oksitlenmeye dirençli katı malzemelerin oluşumuna katkı sağlar.

Bor’un yapısal özellikleri, farklı elementlerin (özellikle oksijen) kimyasal bağlarından geçmesini zorlaştırır, bu da bor ile takviye edilen metalin zamanla paslanmayacağı ve aşırı sıcaklıklar (-200C'den 1000C'ye kadar) gibi zorlu koşullara maruz kaldığında bile gücünü koruyacağı anlamına gelir. Örneğin, birçok jet motoru bileşenlerine bor eklenir, böylece bu motor parçaları hem aşırı ısılara dayanıklı olurlar hem de kırılgan hale gelmezler.

Bor, çeşitli özellikler elde etmek için birçok element ile katkılanabilir. Örneğin Bor'u Alüminyum ile karıştırarak, Bakırın iletkenliğine sahip olan ancak tuzlu suda Demir veya Çelik gibi paslanmayan bir malzeme oluşturabilirsiniz.

Bor'un havacılık ve savunma uygulamalarını bu kadar avantajlı hale getirmesinin bir başka yolu da, erimeden veya kırılganlaşmadan aşırı sıcaklıklara dayanabilmesi ve düşük maliyetle mükemmel bir elektrik iletkeni olmasıdır. Bu benzersiz nitelikleri nedeniyle, zaman içinde çoğu metalden daha iyi performans gösterdiği ve aynı zamanda elektrik sistemlerinde daha az parazit oluşturduğu için uçak parçaları tasarlanırken tipik olarak devreye girer.

Hatta stabilitesi, tuzlu suya maruz kalan çelik yapılara yıllarca herhangi bir korozyon belirtisi göstermeden dayanacağı için gemilerde de yoğun olarak kullanmasına olanak sağlar.

Bir Bor türevi olan Bor Karbür'ün havacılık endüstrisinde artan önemi

Bugün, karbürü üç ana sektörde kullanılmaktadır: havacılık ve savunma, elektrik enerjisi depolama cihazları (örn. piller) ve yüksek sıcaklık seramikleri. Bor Karbürün havacılık endüstrisinde artan önemi, 5600 santigrat derecenin üzerinde bir erime noktasına sahip aşırı sıcaklıklara dayanma kabiliyetine ve kalkış aşamasında jet motorlarının içinde çeşitli seviyelerde bulunan erimiş tuzlardan kaynaklanan korozyona karşı mükemmel direncine dayanmaktadır.

Bor karbürlerini bir alaşım maddesi olarak kullanım için cazip kılan özellikler, yüksek sıcaklıklarda kimyasal inertlik veya hidrojen florür gibi gazlara maruz kalma, düşük termal genleşme katsayısı vb. özellikleridir.

Savunma sektöründe daha etkin kurşun geçirmez yeleklerin araştırılması ve geliştirilmesi de dahil olmak üzere çok sayıda kritik öneme haiz kullanım alanı nedeniyle; Bor Karbüre olan küresel talebin, büyüyeceği tahmin edilmektedir. Bor Karbürün askeri tankların geliştirilmesinde ve vücut zırhlarının kurşun geçirmezlik özelliklerinin arttırılmasında kullanılabileceği tespit edildiğinden, savunma sektöründe devam eden gelişmeler, tüm coğrafyalarda tüketimini artıracaktır.

İnsan ve araç koruma teknolojisine ilişkin önemli sayıda gelişme, balistik başlıklar ve farklı malzemelerden yapılmış zırhlı araçlar gibi daha iyi koruyucu sistemlere ihtiyaç duyan sistemler, askerleri kurşunlardan korumanın yeni yollarını bulmaya olan aşırı ihtiyaç, bor karbüre olan talebi sürekli arttırmaktadır.

Bir başka Bor türevi olan Bor Elyaf’ın Doğuşu son 3000 yılda malzemelerdeki en önemli buluş olarak adlandırılmıştı

Ocak 1969'da, ABD Deniz ve Hava Kuvvetleri tarafından, sırasıyla; F-14 ve F-15 uçaklarını tasarlamak üzere Grumman (F-14) ve McDonnell Douglas (F-15) ile sözleşme imzalandı. Her iki uçak da, titremeyi azaltmak ve her bir uçağın ağırlığını en aza indirmek için sağlam ve yüksek modüllü bir fiber kompozit malzemenin uçağın yapısal inşasında kullanımını gerektiren tasarımlardı.

Ufukta devrim yaratan malzeme karbon fiberdi; ancak, seri imalatı çok zor ve kısıtlıydı. Uçak tasarımcıların ihtiyaçlarını karşılayabilecek yeterli tedarikçi yoktu, bu yüzden başka bir malzemenin bulunması ve geliştirilmesine yönelindi, bu çabaların sonunda elyaflarının sağlamlık ve ağırlık arasında mükemmel bir bir dengeye sahip olduğu Bor Elyaf bulundu ve geliştirildi. 

Grumman, bu hafif ama güçlü elyaf türünün F-14 Tomcat’ın yatay stabilatör yüzeyleri için mükemmel olacağına karar verdi. F-14 Tomcat’in inşasında Bor kompozitlerinin kullanımı uçağın yapısal ağırlığını %19 azalttı, üstelik Bor kompozitlerin hizmet ömrü diğer metallerininkinden 2.5 misli fazlaydı.

F-14 Tomcat'in yapısal inşasında kullanılan malzemeler.

Buna karşılık, McDonnell Douglas bor elyafın F-15’in hem gövde dış kaplaması ve dikey kanat rudder’larında (dümenlerinde) hem de uçak gövde panellerinde (kapaklar) ve dikey stabilatör (dikey kanat) yüzeyinde etken yapısal kompozit malzeme olarak kullanılmasını tercih etti. Bor elyaf kompozit kullanımı F-15 Eagle’da % 22 ağırlık tasarrufu sağladı. 

F-15 Eagle'ın yapısal inşasında kullanılan malzemeler.

Yüksek performanslı Bor Elyafı; F-14 ve F-15 uçaklarında ilk kez kullanılmasıyla ortaya çıktı/tanındı ve tarihe geçti. Yaratıcılığı ve işlevleri nedeniyle; ABD’li havacılık ve uzay bilim adamları bor elyafını son 3.000 yılda malzemelerdeki en önemli buluş olarak adlandırdılar.

Hava Araçlarında Bor Katkılı Kompozit Malzeme kullanımına dair diğer birkaç örnek:

Predator Gray Eagle

Uçakta kullanılan Bor katkılı kompozit malzemenin yüksek sıkıştırma mukavemeti, uçağın yük taşıma kapasitesinin arttırılmasına olanak sağladı. 

Predator'ün Gray Eagle varyantı.

SH-60

SH-60 

SH-60 Helikopterinin rotor kanatlarında bor-epoksi kompozitler kullanılmaktadır.

B-1B 

Yatay ve düşey stabilizatörlerde ve kanat slat’larında Bor-Epoxy kompozit malzeme kullanılmaktadır. Boron'un yüksek sıkıştırma mukavemeti ve sertliği, dengeleyicilerde azaltılmış ağırlık sağladı.

B-1B Lancer

Hava ve uzay araçlarının; döngüsel termal yükleme altında yüksek özgül basınç dayanımı veya yüksek kararlılık gerektiren ilgili yapısal bölümlerinin inşasında Bor elyaf kompozit malzemelere alternatif malzemenin henüz olmadığını biliyor muydunuz?

Uzay Yapılarında Uygulama

Uzay mekikleri, uzay istasyonları ve uyduların yapı bileşenlerinde bor fiber için birçok yeni uygulama alanları oluştu. Pozitif termal genleşme katsayısına sahip tek elyaf olan bor elyafı yüksek sertliğe sahip kompozit yapılar üretmek için yüksek modüllü grafit liflerle hibritlendi.

Bir başka Bor varyantı Bor Nitrür; Havacılık ve Uzayın Geleceği?

Bor Nitrür (BN), yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilmiş bir malzemedir. 

Bor Nitrür, çok iyi termal iletkenliğe sahiptir, bu da onu elektronik bileşenlerde ısı dağılımı için uygun hale getirir. Bor Nitrür ayrıca yüksek bir dielektrik sabitine sahiptir, bu da onu devreler arasında yalıtım gerektiren devre kartları için mükemmel bir seçim haline getirir ve izolatör olarak kullanım için mükemmeldir.

Bu özelliklere ek olarak, Bor Nitrür seramikler 2000°C'ye kadar aşırı sıcaklıklara dayanacak kadar güçlüdür, düşük termal genleşme katsayısı sergilerler, uzun süreli dayanıklılığı sayesinde parçalanmadan veya çevreye malzeme olarak dökülmeden tekrar tekrar kullanılabilir.

Uygulama alanlarının çok yönlülüğü, Bor Nitrürün geleceğin uçaklarında ve uzay gemilerinde potansiyel kullanımına işaret etmektedir. Kullanılmayan potansiyelleri nedeniyle, devletler, teknolojide ilerlemek ve mevcut teknolojilerini geliştirmek için yeni Bor Karbür varyantları hakkında kapsamlı araştırmalar yürütüyorlar.