BÖLÜM 3. Kompozitler-Polimerler-Seramikler-Nanomalzemeler

Transkript

1 BÖLÜM 3 Kompozitler-Polimerler-Seramikler-Nanomalzemeler

2 Kompozitler

3 İki veya daha fazla malzeme grubuna ait malzemelerin bir araya getirilerek daha üstün özellikli malzeme oluşturulmasıdır. Cam takviyeli plastikler, beton, araba lastiği gibi örnekler verilebilir. Kompozit malzemeler matris ve takviye olmak üzere iki bileşenden oluşur. matris: α (Mo) (sünek) woven fibers 2 µm fiber: γ (Ni 3 Al) (kırılgan) 0.5 mm cross section view 0.5 mm

4 Kompozit Malzemelerin Özellikleri Hafiflik: Polimer kompozitler genelde 1,5 2 gr / cm 3 yoğunluğundadır. Metal kompozitler, 2,5 4,5 gr / cm 3 olmakla beraber özellerde sıçrama görülebilir. Seramik kompozitler ise ikisi arasındadır. Rijitlik ve Boyut Kararsızlığı: Genleşme katsayıları nispeten düşük olup sert, sağlam bir yapı ve büyük bir boyut kararlılığı gösterir. Yüksek Mekanik Özellikler: Çekme, basma, darbe, yorulma dayanımları çok yüksektir. Yüksek Kimyasal Direnç: Kompozitler birçok kimyasal maddelere, bu arada asitler, alkaliler, çözücüler ve açık hava şartlarına karşı son derece direnç gösterirler. Kimya tesisleri için çok kullanılan malzemelerdir. Yüksek Isı Dayanımı: Kompozitlerin ısı dayanımı sıradan plastiklere göre yüksektir. Elektriksel Özellikler: Elektriksel özellikler kompozitlerde isteğe göre ayarlanabilir. Metal Matrisli Birleşik Malzemeler (MMC)'ler iletkendir.

5 Matris: - Sınıflandırma: MMC, CMC, PMC metal seramik polimer Takviye: -- Amaç: matris özelliklerini iyileştirmek. -- Sınıflandırma: partikül, fiber, yapısal Genelde kompozit malzemeler dayanımlarını sert ve nispeten gevrek olan takviye bileşeninden alırken matris bileşeni takviye elemanlarını bir arada tutmaya yaramaktadır.

6 Parçacık takviyeli kompozitler Örnekler: - Küresel çelik matris: ferrit (α) (sünek) 60 µm takviye: sementit ( Fe 3 C ) (kırılgan) Adapted from Fig , Callister 7e. (Fig is copyright United States Steel Corporation, 1971.) - Otomobil lastiği matris: kauçuk (yumuşak) takviye: C (rijitleyici) Adapted from Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) 0.75 µm

7 Elyaf takviyeli kompozitler Karbon elyaf (karbon fiber): Ana bileşimleri karbonlaşmış akrilik elyaf (orlon), katran ve naylondur. Malzemeye mukavemet sağlar. Örnek: Fiber-cam Bir polimer matris içerisinde sürekli cam filament vardır. Fiberler nedeniyle mukavemet artar. Çok kristalli ya da amorf yapıda olabilir.

8 Pultruzyon Kompozit üretimi Pultruzyon metodu, profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır. Termoset reçine ile ıslaalmış, fiber veya dokunmuş güçlendirme elemanının ön şekillendirme sonrası ısıtmalı bir kalıptan geçirilmesi ile rijit profil ürehm işlemidir. Proses malzeme akışının profilin çekilmesi yoluyla gerçekleşhrildiği sürekli bir ürehm metodudur. Ön kalıp Kürleme kalıbı Çekiciler Fiber Makaralar Reçineleme tankı

9 Lif sarma Örnek: Basınçlı tanklar Lifler makara üzerine sürekli sarılır

10 Sandviç paneller -- düşük yoğunluk, bal peteği iç yapı -- faydası: düşük ağırlık, büyük eğilme rijitliği Üst plak Yapıştırıcı tabaka Bal peteği

11 Polimerler

12 Polimerler Etilen monomer (CH 2 ) molekülünde basınç, ısı veya katalizör yardımıyla çift bağın bir tanesi parçalanır ve mer oluşur. Mer lerin birbirine eklenmesi suretiyle oluşan ürüne polimer denir. Bu tür reaksiyonlarda en önemli nokta mer lerin aynı tür moleküle sahip olmalarıdır. Bu tür reaksiyonlarda herhangi bir yan ürün çıkmaz. Çoğu polimer hidrokarbondur (C n H 2n+2 ). Poly çok mer tekrar (doymamış molekül) H C C C C C C H H H Tekrarlanan birim H H H H H H H H Polyethylene (PE) H H H H H H C C C C C C H Cl H Cl H Cl Polyvinyl chloride (PVC) H H H H H H C C C C C C H CH 3 H CH 3 H CH 3 Polypropylene (PP)

13 Doğal polimerler: karbonhidratlar (nişasta ve selüloz) proteinler nükleit asitler (DNA ve RNA) PolieHlen (PlasHk) : SenteHk polimer

14 Polimerler yapısal olarak; 1.Camsı (amorf) 2.Kristal yapıda nadiren görülür. Özellikle molekülün karmaşıklığı ve soğuma hızı arttığında kristal yapı oluşumu engellenir. 3.Camsı kristal Terg Kristalin bölge Tek kristal Hızlı Orta Yavaş Süre Kristal amorf Amorf bölge

15 Polimer Türleri Termoplastikler Isı etkisiyle yumuşayabilirler. Polimerizasyon reaksiyonu ile imal edilirler. Camlaşma sıcaklığının altında çok gevrek davranırlar. Sürtünme katsayıları düşüktür. Pres enjeksiyon ve haddeleme gibi imalat yöntemlerine uygundur.

16 Termoset plastikler Isı etkisiyle yanarak kömürleşir, dolayısıyla yeniden şekillendirilemezler. Camlaşma sıcaklığının altında ve üstünde gevrekleşirler. Daha çok kompozit üretiminde kullanılırlar. Epoksi, polyester ve bakalit gibi

17 Elastomerler Çok yüksek elastikiyet gösterirler. Lastik içinde vulkanizasyon yardımıyla molekül zincirleri arasında çapraz bağ oluşturulur ve lastiğin dayanımı artırılır. Doğal kauçuk, lateks ve silikon lastik gibi.

18 Demir içermeyen alaşımlarda görülen tipik bir gerilme( )-şekil değiştirme( ) eğrisi: σ ε Δl (Gerilme) (Gerinim/Şekil Değiştirme) Mühendislik Gerilmesi : σ = F/A Mühendislik Gerinimi : ε = Δl/L

19 Mekanik Özellikler σ: Stress=Gerilme Gevrek kırılma Gevrek polimer (Gerilme) plastic elastik modul metalden düşük Kalıcı hasar elastomer ( - Gerinim/Şekil Değiştirme) Platiklerde şekil değiştirme > 1000% olabilir. Not: Metaller için, maksimum şekil değiştirme: 10% ya da daha azdır. ε

20 ThermoplasHğin Sıcaklık ile Şekil DeğişHrmesi σ (MPa) C C 40 C polimer: PMMA (Plexiglas) 60 C ε

21 Çelik ve alüminyumun elastik davranışlarının karşılaştırılması Alüminyum çelikten daha elastik olduğundan, belirli bir gerilme (stress) altında alüminyum üç kat daha fazla deforme (strain) olur.

22 Elastisite Modülü (E) Elastik bölgedeki gerilme-gerinim eğrisinin eğimidir. E = Δ σ / Δ ε Bu ilişki Hooke kanunu olarak ifade edilir; Ø Yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemeler, yüksek elastisite modülüne sahiptirler. Ø Malzemenin rijitlik ölçüsüdür. Yüksek E değerine sahip malzeme elastik yükleme altında boyut ve şeklini korur.

23

24 Örnek Bir Süspansiyon Çubuğunun Tasarımı: Bir alüminyum çubuk pound yüke dayanır. Yeterli güvenlik sağlanması için çubuk üzerine bindirilmesi gerekli yük psi dır. Çubuk en az 150 in. uzunluğunda ancak 0.25 in den fazla deforme olmaması gerekir. Uygun çubuğu tasarlayınız.

25

26 Enjeksiyon TermoplasHk & bazı termosetler: Bu Hp plashklerin ürehmi için polimer, odanın (chamber) içinde erihlir ve erihlen polimer basınç ile bir kalıbın (mold) içinde preslenir. Kalıp Püskürtücü Besleme hunisi Mengene (Şahmerdan) Kaynak: Callister 7e. (Fig is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 2nd edition, John Wiley & Sons, )

27 Plas.k Ekstrüzyon Dönen vida (screw) ve ısıacılar yardımıyla erihlen polimer, preslenir ve bir kalıp içine sıkışarılır. Çok yaygın kullanılan bir metotdur. Topak Varil (Silindir) Erimiş plastik Kaynak: Callister 7e. (Fig is from Encyclopædia Britannica, 1997.)

28 Üfleme

29 İleri Polimerler Ultra yüksek molekül ağırlıklı polyetilen (UHMWPE): Moleküler ağırlık: 4 x 10 6 g/mol Mükemmel özellikler Golf topu dışı, kalça protezi, vb. UHMWPE

30 Özet Olarak Polimerler; 1. Ametallerden (C, H, O, N, S, Cl, F vb.) oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. 2. Monomer olarak adlandırılan moleküller birbirine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük moleküllere dönüşür ve polimer adını alır. 3. Polimerler ısıya karşı olan davranışlarına göre termoplas.k (PE ve PVC gibi) ve termoset (epoksi, bakalit vb) olarak gruplanır. 4. KS en fazla 4 olabilir. Bu nedenle polimerlerin hacimsel atom yoğunluğu ve özgül ağırlığı düşüktür (<2 g/cm 3 ). 5. Isı ve elektriği iletmezler. 6. Saf halde saydam olurlar ve en kötü yansı_cılardır.

31 Seramikler

32 Seramiklerin Özellikleri 1. Yüksek erime sıcaklığına sahiptirler. 2. Yüksek kimyasal ve ısıl kararlılık sergilerler. 3. Çok sert ve kırılgan malzemelerdir. 4. Özgül ağırlıkları metaller ile plastikler arasındadır (2-3 g/cm 3 ). 5. Hammadde kaynağı bol ve metallere göre ucuzdur. 6. Sürtünme katsayıları düşük olduğu için erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklıdırlar. Aksine aşındırıcı olarak kullanılırlar (Al 2 O 3 ve TiC gibi). 7. KS genellikle 6 veya 4 olur.

33 8. Oksitlenmeye karşı dirençlidirler. 9. Yüksek basma dayanımına sahiptirler. 10. Doğada çoğunlukla kristalli veya kısmen amorf yapıda bulunurlar 11. Metal (Na, Mg, Fe, Al vb.) ve ametallerin (Cl, O, vb.) oluşturduğu iyonik bileşiklerdir (MgO, FeO, SiC, CaF 2, SiO 2 ). 12. Elektrik ve ısı iletimi çok düşüktür. CaF 2 SiC

34 ü Seramik insanların kullandığı en eski gereçlerden biridir. Yüzyıllar boyunca, özellikle kap-kacak yapımında seramiğin yukarıda sayılan üstün niteliklerinden yararlanılmıştır. ü Bugün seramiğin ısıl sanayi seramikleri, yapısal seramikler ve ince seramikler gibi çeşitleri de bulunmaktadır. Tüm bur türlerde; ana madde mineral kökenlidir ve toz halinde işlenir, eşyaya son şeklini vermek için sıkıştırma ve pişirme gibi iki aşamalı bir işlem uygulanır.

35

36 Seramiklerin Mekanik Özellikleri 1. Gevrek kırılma: Seramikler sahip oldukları bağ yapıları (kovalent-iyonik) nedeniyle kolay şekillendirilemezler, gevrek davranış gösterirler. Üretim esnasında oluşan boşluk ve düzensizliklerden dolayı basma dayanımları çekmeden iyidir. Seramik türü malzemeler çok sert olduklarından çekme testi uygulamak zordur. Çünkü çeneler sert malzemeleri tutamaz. Bu nedenle üç noktadan eğme testi uygulanır. kesit d R b Dikd. daire F L/2 L/2 d = sehim

37 2. Statik yorulma: Özellikle sıvı ortamda ve oda sıcaklığında görülür. Su molekülü ile Si-O-Si molekülü etkileşerek Si-O-H bağları oluşturmakta ve camın ağ yapısına zarar vermektedir. 3. Isıl şok: Seramikler ısıyı iletmezler. Isıl genleşme farklılıkları kırılmalara sebep olur.

38 Seramiklerin Optik Özellikleri 1. Kırılma indisi Kırılma indisi büyüdükçe seramik camlar daha parlak görülür. 2. Yansıma özelliği Seramik cama eğik gelen ışınların hepsi kırılmaz, bazıları geri yansır. Burada geliş ve yansıma açıları eşittir. 3. Saydamlık Seramiğin bulundurduğu poroziteler tamamen yok edildiğinde şeffaflık ortaya çıkar. 4. Opaklık Şeffaflığın tersidir. Seramik içerisinde gözenek bulunduğu durumlarda çoklu yansıma olur. 5. Renk Cam içinde bazı dalga boyundaki ışınlar soğurulabilir. Bu nedenle cam renkli görülebilir.

39 Seramik Uygulamaları Petrol çıkarmak için seramik uç Seramik Bıçaklar Ca 2+ Sensör Uygulamaları

40 Seramiklerin Elektronikte Uygulama Alanları

41

42

43 Soru: Hangisinin Elastisite Modülü [sertliği (stiffness)] en yüksektir?

44 Nano Malzemeler

45 Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir ve küçük yaşlı adam veya cüce demektir. Günümüzde nano, teknik bir ölçü birimi olarak kullanılır. 1nm = 10 Å =10-9 m 1nm = 1/ insan saçı = Bir hidrojen atomu çapının 10 katı nanometre boyutlarındaki boyutlar

46 n Birinci Endüstri Devrimi, ( ) İngiltere de Gerçekleşti Buhar Makineleri, Tekstil Endüstrisi, Makine Mühendisliği n İkinci Endüstri Devrimi, ( ) İngiltere, Fransa ve Almanya da gerçekleşti Demiryolu Çelik Endüstrisi n Üçüncü Endüstri Devrimi ( ) ABD de gerçekleşti Elektrik Makineleri, Otomobil, Dayanıklı Tüketim Malzemeleri Transistörün keşfi ile elektronikte devrim n Dördüncü Endüstri Devrimi (1950 Günümüz) Pasifik Bölgesinde Kaliforniya ve Japonya da gerçekleşti İşlemci/Çip teknolojisi (Bilgisayar, tüketici elektroniği ) Ürün için bütün bir parçadan işe başlama Daha fazla kaynak kullanımı Daha fazla çevre kirliliği

47 Beşinci Endüstri Devrimi (2010???) Nanoteknoloji-Moleküler Üretim Tabandan Ürüne Varma

48 60'lar-Feynman: Malzeme ve cihazların moleküler boyutlarda üretilebileceği konusunda yaptığı varsayımlar. 80'ler-Uygun mikroskopların geliştirilmesi: 1981 yılında IBM tarafından yeni bir mikroskop türü Scanning Tunneling Microspcope" (STM) geliştirildi. - Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) - Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 90 lar Fullerene-Karbon Nanotüpler: 1990'ların başında Rice Üniversitesinde Richard Smalley öncülüğündeki araştırmacılar, 60 karbon atomunun simetrik şekilde sıralanmasıyla elde edilen futbol topu biçimindeki "fullerene" molekülleri geliştirdiler. Elde edilen molekül 1 nanometre büyüklüğünde ve çelikten daha kuvvetli, plastikten daha hafif, elektrik ve ısıyı geçirgen bir yapıya sahipti ler yarış başlıyor: 1999 yılında ABD'de Bill Clinton hükümeti nanoteknoloji alanında yürütülen araştırma, geliştirme ve ticarileştirme faaliyetlerinin hızını artırma amacını taşıyan ilk resmi hükümet yazılımını, ulusal nanoteknoloji adımını (National Nanotechnology Initiative) başlattı.

49 n n n Başka moleküller ile yüzey kaplanarak yeni bir kimyasal aktivite kazanımı elde etmek (kir tutmayan yüzeyler, nanoboyalar vb.) Nano boyutta değişen fiziksel özellikler ve yeni kullanım alanları. Nano boyutta değişen optik özellikler ve kullanım alanları Malzeme ve İmalat Sektörü Nano Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri Tıp ve Sağlık Sektörü Havacılık ve Uzay Araştırmaları Çevre ve Enerji Biyoteknoloji ve Tarım Savunma Sektörü

50 ENERJİ Hidrokarbon esaslı yenilenemez enerji kaynaklarına bağımlılığın azaltılması. Yeni teknolojiler, yenilenebilir enerji üretimi ve depolanması kritik araştırma ve geliştirme konularıdır. NANO: Biyolojiden ilham alımı ile hafif, verimli güneş enerjisi kollektörleri; esnek hafif görüntüleme ekranları; enerji verimli nanokompozitten imal araçlar, yakıt hücreleri, etkin kaynak kullanımı ile yapı malzemeleri, hafif paketleme... SU Su kaynaklarının idareli kullanımı. Küresel ısınma ile içilebilir su petrolden daha fazla önem kazanacak. NANO: Kendi kendine kalibre olabilen sensörler: Yüksek hızda analitik su kalitesi ölçümü. Membran kullanımında Nano esaslı filtreleme ve saflaştırma teknikleri. Kirlenmeyen giysiler. Daha az su tüketimi ile imalat ve gıda üretimi. ÇEVRE Çevre gözetleme. Çevre kirlenmesinin hızı ve seviyesi ile ilgili bilgi toplama. NANO: Kendi kendine kalibre olabilen ucuz hava ve su için organik ve inorganik kimyasal kirlilik sensörleri. Araçlardan, Uçak motorlarından ve güç istasyonlarından zararlı atıkları bloke edebilen katalizörler.

51 TÜKETİMDEKİ KAYIPLAR Su dahil enerji ve kaynakların etkin kullanımı için kayıpların azaltılması NANO: Tekrardan kullanılabilir daha az kaynak tüketimi ile etkin paketleme ve paket takip tanımlama ve takip sistemi. Atık yiyecekte azaltma. Az veya çok nano kaynaklı ürünler daha az enerji ve materyal gerektirir. GIDA Gelişmiş ülkelerde 1/3 oranına kadar üretilen gıda maddeleri çöpe gitmektedir (Örnek: UK). Değerlendirilmeyen gıda için harcanan enerji havadeniz-kara ulaşımı ile çevre kirliliğine sebep olmaktadır. NANO:Atığı az, fonksiyonelliği fazla paketleme (böcek ilaçlarını detekte edebilir, bozulmayı tanımlayabilir, gıdanın orijini veya kökeni hakkında bilgi pakette). Nanopartikül gümüş ile antibakteriyel paketleme ve gıda hazırlama.

52 Hayvanlara Yardım (Hayvan Hakları) NANO: Gelişmiş bilgisayar tabanlı canlı organizma içinde nano partiküllerin davranışının modellenmesi ile hayvanlar üzerinde test ortadan kalkacaktır. Yeni ilaç ve nano partiküllerin hücre tabanlı testinde hastanın kendi hücreleri kullanılarak kişiye özel ilaç geliştirme. ZİRAAT Azalan gıda ve su kaynakları kalan ziraat alanlar üzerinde baskı oluşturmaktadır. Sonuç Kirlilikte artış NANO:Toprak kalite gözetleme için nano sensörler

53 SAĞLIK: Artan sağlık hizmetleri, çoğu ülkenin ekonomisinde tolere edilemez kaynak problemlerine sebep olmaktadır. NANO: Uzaktan algılama ile sağlık takibi. Gen kaynaklı hastalıkların hızlı analizi ve Gen tabanlı tedavinin gelişmesi. Nano tabanlı görüntüleme erken tanımlama için ilacın doğrudan hedef noktaya ulaştırılması. Elektronik devre vasıtası ile ihtiyaç duyulduğunda ihtiyaç duyulan miktarda ilacın/hormonun verilmesi. Retina implantı Medikal tekstil; sağlık durumunu gözetleyebilir ve bilgi transfer edebilir. Nano malzemeden hücre çoğalmasına yardımcı olacak bandaj. Antibakteriyel tekstil ile enfeksiyonların azaltılması. Yaşlı ve güçsüzler için düşünce veya konuşma ile aktive edilebilen Nano-Esaslı teknoloji

54 Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar. Geçiş elementleri (Pt, Pd, Ti, V,...) ile işlevleştirilen nanotüpler ve moleküllere çok yüksek kapasitede hidrojen depolanabileceği gösterilmiştir. Sensörler, kaplamalar, kozmetik, ilaç ve görüntü kayıt plakaları

55 Su ve Kir Tutmayan Yüzeyler Çizilmeye karşı etkili ve parlak boya Su itici, kir tutmayan, kolay temizlenen ayna ve camlar Nanofiltreli klima Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı boyalar ve yüzeyler Bilginin optik olarak nanofotonik kristaller aracılığıyla taşınması sağlanarak, bilgisayarların yüzlerce kat daha hızlı çalışması sağlanabilmesi. Kuantum Bilgisayarlar