ÇIĞIR AÇAN AKILLI PLASTİK: KENDİNİ ONARAN, ŞEKİL DEĞİŞTİREN VE ÇELİKTEN DAHA GÜÇLÜ
ABD Savunma Bakanlığı tarafından finanse edilen ve Macromolecules ve Composite Materials Dergisi'nde yayımlanan bu çığır açıcı çalışma , Nanoyapılı Malzemeler Laboratuvarı direktörü ve Texas A&M'de havacılık mühendisliği profesörü olan Dr. Mohammad Naraghi ve Tulsa Üniversitesi'nden Dr. Andreas Polycarpou'nun yakın iş birliğiyle yürütüldü.
Çalışmalarında Aromatik Termoset Kopoliester (ATSP) adı verilen gelişmiş bir karbon fiber plastik kompozitin mekanik bütünlüğünü, şekil geri kazanımını ve kendi kendini iyileştirme özelliklerini araştırdılar.
Talep Üzerine Hasar İyileştirme
ATSP, performans ve güvenilirliğin kritik öneme sahip olduğu ve arızanın bir seçenek olmadığı endüstrilerde yeni ufuklar açıyor.
Naraghi, "Havacılık ve uzay uygulamalarında malzemeler aşırı stres ve yüksek sıcaklıklarla karşı karşıya kalır," dedi. "Bu unsurlardan herhangi biri uçağın herhangi bir parçasına zarar verir ve ana uygulamalarından birini bozarsa, anında kendi kendini onarma özelliğini kullanabilirsiniz."
ATSP olgunlaştıkça ve ölçeklendikçe, özellikle otomotiv sektörü olmak üzere ticari ve tüketici endüstrilerini dönüştürme potansiyeline sahip.
Naraghi, "Malzemede gerçekleşen bağ alışverişleri sayesinde çarpışma sonrası aracın deformasyonlarını onarabilir, en önemlisi de yolcuyu koruyarak araç güvenliğini önemli ölçüde artırabilirsiniz" dedi.
ATSP aynı zamanda geleneksel plastiklere göre daha sürdürülebilir bir alternatiftir. Geri dönüştürülebilirliği, malzemeyi dayanıklılık veya mukavemetten ödün vermeden çevresel atıkları azaltmayı hedefleyen endüstriler için ideal bir aday haline getirir.
"Bu vitrimerler, kesikli elyaflarla takviye edildiğinde, düz bir döngüye girebilirler; kolayca ezip yeni bir şekle sokabilirsiniz ve bu birçok döngü boyunca gerçekleşebilir ve malzemenin kimyası temelde bozulmaz" dedi.
ATSP'nin Yeteneklerinin Ortaya Çıkarılması
Naraghi, "ATSP'ler, geleneksel plastiklerin en iyi özelliklerini bir araya getiren yeni bir vitrimer sınıfıdır," dedi. "Termoplastiklerin esnekliğini, termosetlerin kimyasal ve yapısal kararlılığıyla bir araya getiriyorlar. Yani, güçlü karbon fiberlerle birleştirildiğinde, çelikten kat kat daha güçlü, ancak alüminyumdan daha hafif bir malzeme elde ediyorsunuz."
ATSP'yi geleneksel plastiklerden ayıran en önemli özelliği kendi kendini onarma ve şeklini geri kazanma yeteneğidir.
Naraghi, "Şekil geri kazanımı ve kendi kendini iyileştirme aynı mekanizmanın iki yönüdür," diye açıkladı. "Şekil geri kazanımı, sürekli bir malzeme parçası içindeki bağ değişimini ifade eder; bir tür yerleşik 'zeka'. Kendi kendini iyileştirmede ise, malzemede çatlak gibi bir süreksizlik vardır. Araştırdığımız özellikler bunlar."
Özelliklerini araştırmak için araştırmacılar döngüsel sürünme testi adı verilen yeni bir stres testi kullandılar.
Naraghi, "Numunelerimize tekrarlanan çekme veya germe yükleri döngüleri uyguladık ve malzemenin gerinim enerjisini nasıl biriktirdiği, depoladığı ve saldığı konusundaki değişiklikleri izledik" dedi.
Araştırmacılar, döngüsel yüklemeyi kullanarak malzeme içerisinde iki kritik sıcaklık tespit ettiler.
"Birincisi cam geçiş sıcaklığı, yani polimer zincirlerinin kolayca hareket edebildiği sıcaklık ve ikincisi vitrifikasyon sıcaklığı. Bu, bağların termal olarak yeterince aktive olduğu ve iyileşmeye, yeniden şekillenmeye ve toparlanmaya neden olacak büyük bağ değişimlerinin görülebildiği sıcaklıktır," dedi.
Ekip daha sonra derin çevrimli eğilme yorulma testleri gerçekleştirdi ve malzemenin kendi kendini onarmasını tetiklemek için periyodik olarak yaklaşık 160 santigrat dereceye kadar ısıtıldı.
Elde edilen sonuçlar, ATSP örneklerinin sadece yüzlerce stres ve ısıtma döngüsüne bozulmadan dayanmakla kalmayıp, aynı zamanda iyileşme süreci boyunca daha dayanıklı hale geldiğini gösterdi.
Naraghi, "Tıpkı cildin esneyip iyileşip orijinal şekline dönebilmesi gibi, malzeme de deforme oldu, iyileşti ve orijinal şeklini 'hatırladı' ve ilk yapıldığı zamandan daha dayanıklı hale geldi." dedi.
Çatlat, İyileştir, Tekrarla
Naraghi ve ekibi, ısıya dayanıklı ATSP'yi beş zorlu stres döngüsüne tabi tuttu ve her birini 280 santigrat derece yüksek sıcaklığa maruz bıraktı.
Amaç? Malzemenin performansını ve kendi kendini onarma özelliklerini değerlendirmek.
İki tam hasar iyileştirme döngüsünden sonra malzeme neredeyse tam gücüne kavuştu. Beşinci döngüde ise mekanik yorgunluk nedeniyle iyileştirme verimliliği yaklaşık %80'e düştü.
Naraghi, "Yüksek çözünürlüklü görüntüleme kullanarak, hasar ve iyileşmeden sonra kompozitin orijinal tasarıma benzer olduğunu, ancak tekrarlanan hasarın üretim hatalarına atfedilen bazı lokal mekanik aşınmalara neden olduğunu gözlemledik" dedi.
Yine de malzemenin kimyasal kararlılığı ve kendi kendini iyileştirme davranışları beş döngü boyunca güvenilir kaldı.
Naraghi, "Malzemede herhangi bir termal bozulma veya bozulma olmadığını, bunun da hasar ve iyileşmeden sonra bile dayanıklılığını gösterdiğini gözlemledik" dedi.
