Karbon nanotüp kullanımının karbon/cam hibrit kompozitler üzerindeki etkisinin incelenmesi

Kompoziler, takviye elemanı ile reçine özellliklerinin duruma uygun olarak belirlenebilmesi ve bu şekilde mevcut yapı malzemeleri yerini alabilecek yüksek performanslı malzeme yapılabilme kabiliyetleri dolayısıyla, her geçen gün daha da yoğun bir ilgi çekmektedir. Çok düşük ağırlıklarda yüksek performanslı kompozitlerin geliştirilmesi konusu araştırmacıların ilgisini gün geçtikçe arttırmaktadır. Onlarca yıl sonra, Karbon Nanotüplerin (KNT) keşfedilmesiyle birlikte araştırmacıların daha yüksek performanslı kompozit malzemeleri yapabilmeleri de ortaya çıkmıştır. Bu buluş, kompozit malzemlerin performaslarında pozitif bir etki de yaratmıştır. KNT lerin genelde malzemelerin mukavemetinde bir artış sağladığı bilinmektedir. KNT lerin kompozitlere katılması için farklı yöntemler bulunmakla birlikte malzeme maliyetleri ise yüksektir. Bu yöntemlerden Kimyasal Buhar Çökertme yöntemi KNT lerin takviye elemanlarına katılmasında çok etkili olmakla birlikte yüksek sıcaklıklara ve uzun sürelere ihtiyaç vardır. Ayrıca yüksek sıcaklıklara çıkılması takviye elemanının mukavemetine de etki etmektedir. KNT lerin takviye malzemesine graftlama tekniği ile katılması ise; KNT lerin kompozit malzemelerde düzgün bir şekilde dağıtılması için uygun bir yöntemdir. Çalışmalara göre, bu yöntem kompozitlerin üretiminden önce uygulanmalıdır (diğer deyişle vakumla presleme, vakum reçine infüzyon vb. öncesinde). Aynı zamanda bu yöntemde kimyasal buhar çökertme yöntemine göre sıcaklık da düşük tutulabilir. KNT ler önce bir organic çözücü de disperse edildikleri için KNT lerin doğrudan reçine içinde disperslerine göre de avantaj sağlanmaktadır. Bu sebeplerden dolayı çalışmanın ilk ayağında KNT lerin kompozit malzemeye uygulanmazı için graftlama tekniği seçilmiş ve mazlemeler bu yöntemle üretilmiştir. KNT takviyeli kompozit üretiminde öncelikle düz bir kalıp seçilmiştir. Reçine olarak epoksi malzemesi, takviye olarak da E-cam ve karbon elyaf kullanılmıştır. Dört farklı kombinasyonda üç katlı lamine kompozit malzemeler üretilmiştir. Çalışma boyunca vakumla kalıplama tekniği ile (0.40 x 0.30) 1.2 m2 boyutlarında 20 adet numune üretilmiş olup bu numunelerden 16 sında graftlama tekniği ile KNT ler takviye elemanına dağıtılmıştır. Takviye elemanı ise dokuma kumaş olarak kullanılmıştır. KNT ler önce ultrasonic karıştırıcı vasıtasıyla dimetilformamid/PAN karışımı içinde çözülmüş ve daha sonra sırasıyla dört farklı konsantrasyon (5 ml, 7.5 ml, 10 ml ve 12.5 ml) ile kumaşların her iki tarafında da spreyle püskürtülmüştür. Kumaşlar önce düz bir kalıbın altına kalıp ayırıcı sürüldükten sonra katmanlar halinde serilmiş ve akabinde elle reçine döküldükten sonra ise vakum kalıplama tekniğiyle kompozit malzeme üretilmiştir. Mekanik analiz olarak da ASTM D-3039 standardına göre kompozitlere mukavemet testi ve ISO 14125 standardına göre ise eğilme testi uygulanmıştır. Malzemelerin mukavemet, eğilme ve darbe testlerinin sonuçları karşılaştırıldığında bazı kompozit malzeme mukavemetlerinde kayda değer iyileşmeler olduğu görülmüştür. 15 ml KNT/PAN ile graftlanmış olan [CCC] kompozitlerin dışında diğer malzemelerde ciddi bir mukavemet artışı bulunmamaktadır. KNT ile graftlanmış kompozit malzemelerin eğilme özelliklerinde ise kaydadeğer iyileşmeler görülmüştür. Graftlama tekniği sonucunda elde edilen bulgular dahilinde en iyi mekanik etkilerin görüldüğü kompozit malzeme tipi seçilerek, çalışmanın ikinci bir ayağında ise bu tip malzeme üretimi için diğer bir üretim tekniği olarak KNT ler matris içinde dağıtılarak kompozit malzemeye aktarılmıştır. Bu kapsamda; ÇDKNT (çok duvarlı karbon nanotüp) graftlanmış kompozitler ile matris içinde dağıtılmış ÇDKNT kompozitleri kıyaslamak içinde ayrıyeten KNT graftlanmış kompozitlerde kullanılan ÇDKNT miktarı aynı tutularak 4 farklı kompozit malzeme daha üretilmiştir.Bu durumda da, eğilme mukavemetlerinde %70 e varan iyileşmeler görülmüş olup, mukavemet değerleri ise aynı kalmıştır. Darbe mukavemeti (Serbest ağırlık yöntemi ile-drop weight test) değerleri incelendiğinde ise kompozit malzemelerde ÇDKNT kullanımının etkileri hakkında önemli bulgulara rastlanmıştır. Her iki üretim tekniğiyle (graftlama ve matris içinde dağıtma) üretilen kompozit malzemelerde de KNT uygulamasının artmasıyla darbe mukavemetinin arttığı görülmüştür. 15 ml – 20 ml KNT/PAN solüsyonunun darbe mukavemetini çok arttırdığı görülmekle birlikte matris içinde dağıtma tekniğinin de darbe mukavemetini iyileştirdiği açıkça anlaşılmaktadır. Karbon nanotüplerin etkileri üzerine yapılan bu pratik çalışmada kompozit malzemeye KNT nin farklı yöntemlerle uygulanması araştırılmıştır. Genelde KNT lerin kompozit malzemeler uygulanması kimyasal buhar çökertmesi ile yapılmakla birlikte, bu yöntemin uygulanması için gerekli olan 800 o C civarı çok yüksek işlem sıcaklığına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kadar yüksek sıcaklık ekonomik olarak çok verimli olmamakla birlikte, uzun süreli yüksek sıcaklık takviye malzemesine de zarar verebilmektedir. Bu çalışma kapsamında kullanılan iki farklı yöntem olan graftlama ve matris içinde dağıtma yönteminin de kompozit malzemelere KNT ün uygulanması konusunda bir alternatif olacağı da görülmüştür. Sonuç olarak; Kompozit malzemelerin üretimlerinde -ağırlığı arttırmadan- matris/takviye malzemesinin arayüzey bağlarınının arttırılması ve dolayısıyla malzemenin de mekanik özelliklerinin iyileştirmenin bir alternatifi ise Karbon Nano Tüplerinin kompozit malzeme içine uygulanmasıdır. Bu çalışmada, Karbon Nano Tüplerin iki farklı yöntemle (graftlama ve matris içinde dağıtma) kompozit malzemelere başarıyla uygulanabildiği görülmüştür. Karbon Nano Tüp uygulaması, kompozit malzeme üretimlerine fazladan bir maliyet getirmekle birlikte ticari uygulamalarda ürün maliyetini düşürmek maksadıyla – istenildiği takdirde – graftlama yöntemi ile malzemelere kısmi uygulamalarda yapılabilir. Bu şekilde kompozit malzemeye yük gelecek bölgelerin kuvvetlendirilmesi, eğilme mukavemetlerinde arış veya darbe mukavemetinde iyileşmeler sağlanabilir. Karbon Nano Tüplerin çok farklı tipleri ve ayrıca boyutları bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında sınırlı sürede ve kaynakta belli bir tip ÇDKNT ile çalışma imkanı olmuş olmakla birlikte, gelecek çalışmalarda farklı tip ve boyutlarda ÇDKNT kullanımı ile çok daha yüksek mekanik özellikler elde etmek mümkün olabilir. ÇDKNT lerin ayrıca çok iletken malzemeler olduğu bilinmektedir dolayısıyla mekanik etkiler dışında malzemelere elektriksel özellikler de kazandırılabilir. Bu malzemelerin gelecekte elektrik uygulamalarında da önü açık görünmektedir. KNT takviyeli sistemlerin elektriksel özellikleri gelecek dönemlerde özel kompozit malzemelerin üretilmesi için bir imkan olabilir. Bilhassa düşük ağırlıkta ve fakat yüksek mukavemetli karbon kompozitlerin KNT ile mukavemetin daha da arttırılması uzay ve yapı uygulamaları için yararlı olabilir. Mukavemet artışı dışında eğilme özelliklerinde görülen iyileşmeler de, bu malzemelerin otomotiv sanayinde ve spor malzemeleri sektöründe yer bulabileceğini göstermektedir. Eğilme mukavemetinin bilhassa önemli olduğu kasklar, tamponlar, koruyucu padlar gibi malzemeler için KNT ile takviyelendirilmiş kompozit malzemeler kullanılabilir. Kompozit malzemelerin hibritleşmesinin farklı etkiler gösterdiği görülmüştür. Hibritleşme için malzemenin kat sayısı ve takviye elemanın farklı yönlerde yerleştirilmesi de önemlidir. Gelecek çalışmalarda bu parametrelerin de arttırılması hibritleşmenin etkilerini daha da iyi ortaya çıkaracaktır. Bu çalışma neticesinde, son ürün özelliklerine göre takviye malzemesi, matris malzemesi ve karbon nano tüp tipi ile boyutunun birbirine uyumlu ve iyi şekilde seçildiği ve ayrıca uygun bir yöntemle üretim yapıldığı takdirde kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinde iyileştirme sağlayabileceği görülmüştür..