Bir değil, bin defa: Bu materyal kendi kendini onarıyor

0

BEĞENDİM

ABONE OL

News

0

10 Saniyede Özet

Yeni kompozit, katmanlar ortası ayrılma sıkıntısını amaç alan bir tamir yapısıyla geliştirildi.

Malzeme, otomatik test tertibinde 40 gün boyunca 1.000 kırılma ve tamir döngüsünden geçti.

Yapıda 3D baskıyla yerleştirilen termoplastik güzelleştirici katman ve elektrikle ısınan ince ısıtıcı katmanlar kullanılıyor.

Araştırmacılar, üç ayda bir tamiratla 125 yıl, yılda bir tamirle 500 yıla kadar kullanım ömrü hesaplıyor.

Uçak kanatlarından arabalara, rüzgar türbinlerinden uzay araçlarına kadar birçok alanda kullanılan fiber destekli polimer kompozitler hafiflik ve dayanıklılık sağlıyor. Lakin bu gereçlerde katmanlar ortası ayrılma başladığında iş süratle zorlaşıyor. Artık bu meseleye direkt odaklanan yeni bir kompozit geliştirildi. Araştırma grubu, materyalin birebir çeşit hasarı 1.000 sefer onarabildiğini söylüyor.

Çalışmanın dikkat çeken tarafı sırf “kendini onarma” fikri değil. Asıl kırılma noktası, bunun tekrar tekrar yapılabilmesi ve laboratuvar testlerinde uzun müddet korunabilmesi. Araştırmacılar, hakikat bakım aralıklarıyla bu yaklaşımın bugün onlarca yıl düzeyindeki kullanım ömrünü yüzyıllara taşıyabileceğini hesaplıyor. Bunun şimdilik laboratuvar datalarına dayanan bir öngörü olduğunu, gerçek saha şartlarında ayrıyeten sınanması gerektiğini de bilhassa not etmek gerekiyor.

Fiber destekli polimer kompozitler, yüksek dayanım ve düşük tartı istikrarını bir ortaya getirdiği için havacılık, otomotiv, güç ve uzay üzere alanlarda yaygın biçimde kullanılıyor. Bu materyaller cam ya da karbon fiber katmanlarının polimer bir matris içinde birleşmesinden oluşuyor.

Sorun ise tam burada başlıyor: Katmanlı yapı vakitle içten çatlayıp ayrıldığında, yani delaminasyon oluştuğunda, materyalin yapısal bütünlüğü önemli biçimde zayıflıyor. Araştırma takımı bu sorunun 1930’lardan beri kompozitlerde değerli bir başlık olduğunu belirtiyor.

Bu yeni yapıda iki temel ekleme var. Birincisi, fiber desteğin üzerine 3D baskıyla yerleştirilen poly(ethylene-co-methacrylic acid) yani EMAA tabanlı termoplastik bir güzelleştirici katman. Bu orta katman, laminatı klasik kompozitlere kıyasla delaminasyona karşı 2 ila 4 kat daha dirençli hale getiriyor.

İkinci modül ise gerecin içine gömülen ince, karbon tabanlı ısıtıcı katmanlar. Elektrik akımı verildiğinde bu katmanlar ısınıyor, EMAA yumuşayıp mikro çatlaklara akıyor ve ayrılan bölgeleri tekrar birbirine bağlıyor. Araştırmacılar bu süreci “thermal remending” olarak tanımlıyor.

Buradaki değerli detay, tamiratın dışarıdan ek bir yapıştırıcıyla değil, gerecin kendi içinde tanımlanmış bir sistemle gerçekleşmesi. Yani yapı hasar gördüğünde ısı devreye giriyor, güzelleştirici faz eriyip çatlak bölgeye ulaşıyor ve arayüz yine bağlanıyor. Bu da usulü, tek seferlik klasik kendini onaran materyal yaklaşımlarından ayıran temel noktalardan biri haline getiriyor.

Aynı çatlak üzerinde 1.000 sefer denendi

Araştırmacılar uzun vadeli performansı görmek için otomatik bir test sistemi kurdu. Bu sistemde kompozit gerece tekrar tekrar çekme kuvveti uygulandı, 50 milimetre uzunluğunda bir delaminasyon oluşturuldu, akabinde ısıyla tamirat süreci başlatıldı.

Bu kırılma-onarma döngüsü 40 gün boyunca aralıksız sürdürüldü ve toplam 1.000 defa tekrarlandı. Her döngüden sonra gerecin delaminasyona karşı ne kadar direnç gösterdiği ölçüldü.

Sonuçlar, gerecin başlangıçta standart kompozitlerden daha yüksek kırılma direnci sunduğunu gösteriyor. Araştırma takımına nazaran sistem, en az 500 döngü boyunca mevcut lamine kompozitlerden daha düzgün çatlak direnci sergiliyor.

İyileşme performansı vakitle düşüyor, lakin bu düşüş yavaş ilerliyor. Çalışmanın özetine nazaran güzelleşme düzeyi başlangıçta, güzelleştirme sistemi olmayan düz kompozitin Mode-I kırılma direncinin yüzde 175’ine kadar çıkıyor; 1.000 döngü sonunda ise yüzde 60 düzeyine kadar geriliyor.

Yüzyıllık ömür hesabı nereden geliyor?

Araştırmacıların yüzyıllar vurgusu direkt laboratuvar testinden değil, test sonuçları üzerine kurulan modellemeden geliyor. Buna nazaran materyal üç ayda bir iyileştirilirse 125 yılın, yılda bir iyileştirilirse 500 yılın üzerinde fonksiyonel kalabilir. Bu iddia, bugünkü birçok fiber destekli kompozitin 15 ila 40 yıl civarındaki tipik tasarım ömrüyle karşılaştırıldığında hayli dikkat cazibeli görünüyor.

Bununla birlikte takım, sistemin neden vakitle biraz zayıfladığını da inceledi. Tekrarlanan döngüler sırasında kırılgan fiberlerden küçük parçacıklar kopuyor, bu kalıntılar eriyen güzelleştirici faz içinde birikiyor ve tekrar bağlanabilecek alanları sınırlıyor.

Ayrıca düzgünleştirici katman ile fiber ve epoksi matris ortasındaki kimyasal etkileşimler de vakitle azalıyor. Buna karşın araştırmacılar, istatistiksel modellemenin tamirin çok uzun vakit ölçeklerinde sürdürülebilir olduğunu gösterdiğini söylüyor.

Çalışma Proceedings of the National Academy of Sciences’ta yayımlandı. Araştırma grubunda North Carolina State University ve University of Houston’dan isimler yer alıyor. Teknolojinin patentlenip lisanslandığı da belirtiliyor, lakin bu evrede önündeki asıl eşik laboratuvar muvaffakiyetini gerçek kullanım şartlarına taşımak olacak.