MALZEME BİLİMİ Malzeme Bilimine Giriş
Uygarlığın başlangıcından beri malzemeler enerji ile birlikte insanın yaşama standardını yükseltmek için kullanılmıştır. İlk uygarlıklar geliştirdikleri malzemelerin düzeylerine göre adlandırılmışlardır (Taş devri, bronz çağı, demir çağı).
Çevremizde yaygın olarak rastlanan bazı malzemelere örnek olarak ağaç, beton, tuğla, plastik, cam, lastik, çelik, alüminyum, bakır ve kağıdı sayabiliriz. Aslında çevremize dikkatle baktığımızda çok daha fazla malzeme türünün olduğunu görürüz. Sürekli araştırma ve geliştirme ile yeni malzeme türleri ortaya çıkmaktadır.
Malzeme Bilimi, malzemelerin yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkinin ortaya konması ile ilgilenmektedir. Yapı terimini açarsak; bir malzemenin yapısı, içinde bulunan bileşenlerin oluşturdukları düzen ile ilişkilidir. Atom-altı yapı, her bir atomun elektronları ve elektronların çekirdekleri ile etkileşimlerini kapsarken atomsal mertebede yapı, atomların ya da moleküllerin oluşturdukları düzeni içerir. Çok sayıda atomun bir araya gelmesiyle oluşan yapılar ise herhangi bir tür mikroskop ile doğrudan gözlemlenebildiği için mikroyapı olarak adlandırılır. Çıplak gözle görülebilen yapısal öğeler ise makroyapı olarak adlandırılır.
Burada özellik kavramının da üzerinde durursak; kullanım sırasında, bütün malzemeler maruz-kaldıkları dış etkenlere (uyarıcılara) karşı belirli tepkiler verirler. Örneğin, cisimler kuvvetler altında deforme olur ya da parlatılmış bir metal yüzeyi ışığı yansıtır. Genellikle malzeme özellikleri, malzemelerin şeklinden ve büyüklüğünden bağımsız olacak şekilde tanımlanır.
Malzeme biliminin ilgi alanında, malzemelerin işlenmesi ve performansı olmak üzere iki önemli bileşen daha bulunmaktadır. Dolayısıyla bu bileşenleri sıralarsak: İşlem Yapı Özellik Performans
Bu üç malzemenin optik özelliğinin farklı olduğu açıktır. Soldaki numune saydam (transparan), ortadaki ve sağdaki ise sırasıyla yarı saydam ve mat (opak) davranış sergilemektedir. Bu numunelerin hepsi aynı malzemeden (alüminyum oksit) olmakla birlikte, en soldaki çok az kusur bulunan ve tek kristal yapıya sahipken, ortadaki numune, birbirine bağlı çok sayıda küçük tek kristallerden oluşmuştur.
Bu küçük kristalleri ayıran sınırlar, yazının bulunduğu sayfadan yansıyan ışığın bir kısmının saçılmasına ve böylece malzemenin yarı saydam özellik kazanmasına neden olur. En sağdaki numunenin yapısında ise birbirlerine bağlı çok sayıda küçük kristalin yanı sıra, birçok gözenek ve boşluk bulunmaktadır. Yansıyan ışığın bu gözenekler tarafından oldukça etkin saçılması, malzemenin mat davranış sergilemesine yol açmaktadır.
Özetlersek, bu üç numunenin sahip olduğu yapıların, kristal sınırı ve gözenekliliği farklı olması, optik geçirgenlik özelliklerini doğrudan etkilemiştir. Bu malzemelerin her biri farklı işlem teknikleriyle üretilmiştir. Dolayısıyla, optik geçirgenlik parametresinin anahtar rol oynadığı uygulamalarda her bir malzemenin performansı farklı olacaktır. İşlem Yapı Özellik Performans
Malzeme Biliminin Önemi Örneğin bir problem karşısında en uygun malzemeyi seçecek isek, genellikle nihai karar birkaç kritere göre verilir. Öncelikle çalışacak olan malzemenin çalışma koşullarının tanımlanması gerekmektedir. Ancak istenen tüm özelliklere sahip bir malzemenin bulunması nadir karşılaşılan bir durumdur. Bunun için en klasik örnek; dayanım ve sünekliktir. Genellikle yüksek dayanıma sahip malzemelerin sünekliği sınırlıdır. Bu gibi durumlarda, bazı özellikler adına diğer bazı özelliklerden ödün verilmesi gerekebilmektedir.
Malzeme özelliklerinin çalışma şartlarındaki bozulma olasılığının da göz önüne alınması gerekir. Örneğin, yüksek sıcaklıklara ve korozif ortamlara maruz kalan malzemelerin mekanik özelliklerinde ciddi düşüş meydana gelebilir. Son ve belki de en önemli kriter maliyettir. Nihai ürünün maliyeti, kullanım açısından belirleyicidir. Bu hem hammadde maliyeti olarak düşünülebilir hem de malzemeye istenen şeklin verilmesi için gerçekleştirilen işlemlerin masraflarını içermektedir.
«En doğru malzeme» istenen şartları tam anlamıyla sağlayan en ekonomik malzemedir. Ucuz bir malzeme, üretim teknolojimize uyuyor ve uygun mukavemet değerlerini sağlıyor ise daha mukavemetli ancak pahalı bir malzemeyi emniyet sağlar diye seçmek anlamsızdır. Gereksiz yere maliyeti arttırır. Malzeme ve yöntem seçilirken her zaman Performans/Maliyet oranı göz önünde bulundurulmalıdır.
Üç ana kategori: Metaller, Seramikler, Polimerler Bunun yanında: Kompozit malzemeler (iki ya da daha fazla malzemenin birlikte kullanılması), İleri malzemeler (ileri teknoloji uygulamalarında kullanılır) 15
16
17
18
19
20
İlk önce malzemelerin daha büyük ve karmaşık olan yapıları çalışılır, daha sonra ise daha küçük ve basit olan temel yapı taşları incelenirdi. Bu yaklaşım, «yukarıdan aşağı» bilim olarak adlandırılır. Bunun yanında, atom veya moleküllerin tek tek incelenmesine olanak veren tarama uç mikroskoplarının gelişmesiyle atom veya moleküllerin birer birer eklenmesi ve böylece atomsal seviyedeki bileşenlerinden başlayarak yeni yapıların tasarımı ve oluşturulması mümkün hale gelmiştir. Atomların dikkatli bir şekilde yerleştirilmesi ya da dizilmesini sağlayan bu olanak sayesinde, başka şekilde eldesi mümkün olmayan malzeme özellikleri (mekanik, manyetik vb) geliştirilebilmesi olası hale gelmiştir.
Bu yaklaşım ise «aşağıdan yukarı» olarak adlandırılır. Bu malzemelerin özelliklerini inceleyen çalışmalara da nano teknoloji adı verilmiştir. Parçacık boyutları atomsal boyutlara yaklaştığında malzemelerin özellikleri çarpıcı şekilde değişebilmektedir. Malzemelerin insanlar ve hayvanlar üzerindeki zararlı ve zehirli (toksik) etkileri de dikkate alınmalıdır. Küçük nano-parçacıkların, yüzey alanı/hacim oranlarının son derece büyük olması, kimyasal tepkinirliklerinin çok yüksek olmasına yol açabilir.
Üç farklı malzeme türünden imal edilen ve günlük hayatta sıkça karşılaştığımız ürünlerden biri, gazlı içecek kaplarıdır. Gazlı içecekler alüminyum (metal) kutularda (üstte), cam (seramik)(ortada) ve plastik (polimer) şişelerde (altta) satışa sunulmaktadır.