Karbon tabanlı nanomalzemelerle güçlendirilmiş nano-gözenekli metallerin mekanik davranışı

Nanoteknoloji ve nanobilim günden güne gelişen disiplinler arası bir çalışma alanıdır. Fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi ve mühendislik gibi bilim dallarının birbirleriyle etkileşimi ve bu etkileşimin kendini geliştirmesiyle endüstriyel ve akademik alanda önemli bir yere sahip olmuştur ve olmaya devam etmektedir. Nanoteknolojik uygulamalar elektronik, tıp ve ileri malzeme alanlarında yaygın kullanıma sahiptir. Örneğin, elektronik uygulamalarda sensör ve bilgi depolama, tıbbi uygulamalarda ilaç tasarımı, gen ve protein analizi, ileri malzeme alanında nanokompozitler, su geçirmez ve kendi kendini temizleyebilen kumaşlar gibi uygulamalar günümüzün vazgeçilmez bir parçası olduğunun bir kanıtıdır. Nanomalzemeler 1-100 nm ölçülerinde nano-parçacıklardan oluşur. Boyutsal özelliklerinden dolayı nanomalzemeler tıp, havacılık ve elektronik gibi bir çok alanda kullanımı yaygınlaşmıştır. Yapılan araştırmalar malzeme boyutu küçüldükçe malzemelerin yeni özelliklerinin ortaya çıktığını göstermektedir. Boyut küçüldükçe malzeme özelliklerinin iyiye gitmesinin sebebi yüzey hacim oranı artması ile daha etkili kimyasal özelliklerin ortaya çıkması ve kuantum özellikler önem kazanması ile de atom geometrisinin ve diziliminin olumlu etkilerinin belirgin hale gelmesidir. Bazı nanomalzemeler volkanik patlamalar ve orman yangınları gibi doğal yollarla oluşabilirken, çoğu nanomalzemeler özellikle mühendislikte kullanılanlar modern teknolojik yöntemlerle üretilebilmektedir. Nanomalzemelerin üretimleri alt-üst yaklaşımı ve yukarı-aşağı yaklaşımı ile iki ana yöntemle yapılır. Son zamanlarda nano-gözenekli malzemeler de akademik ve endüstriyel alanda araştırmacıların ilgisini çekerek sensör, yakıt hücresi, aktuatör, süperkapasitör gibi çeşitli uygulamaların vazgeçilmezi olmuştur. Nano-gözenekli malzemeler kemik, biyolojik hücre doğada kendiliğinden bulunmasının yanı sıra yapay olarak da üretimi yapılabilir. Nano-gözenekli malzemelerin en önemli özellikleri düşük göreceli yoğunluğa ve yüksek yüzey hacim oranına sahip olmasıdır. Bu özellikler nano-gözenekli malzemelerin uygulama alanının artmasını sağlar. Oluşan gözenekler ağsı bir yapı meydana getirerek absorbe etme, eleme, yerleştirme ve molekül ayırma gibi çeşitli uygulamalarda önemli bir yere sahip olur. Gözeneklerin oluşturduğu çok geniş bir yüzeyin sabit hacim içinde bulunmasından dolayı nano-gözenekli malzemeler ana metalin özelliklerinden farklı özellik gösterir. Serbest yüzeyler ihmal edilemeyecek boyutlara ulaşır ve esas malzemenin özelliklerinin değişmesine neden olur. Nano-gözenekli malzemeler boşluk tipine göre açık ve kapalı hücreli olmak üzere çeşittir. Yalıtım ve depolama için daha çok kapalı hücreli nano-gözenekli malzemeler kullanılırken, sensör, katalizör ve eyleyici olarak da açık hücreli nano-gözenekli malzemeler kullanılır. Literatürde nano-gözenekli malzemeler üzerine birçok deneysel ve hesaplamalı çalışmalar bulunmaktadır. Nano-gözenekli malzemelerin biçimsel özellikleri yapılan alaşımsızlaştırma yöntemi sonucu oluşur. Bu yöntemde ikili alaşımlardaki soy metal elektro-kimyasal dağlama ile malzemeden uzaklaştırılır ve gözenekli yapı elde edilir. Deneysel olarak bu şekilde elde edilen nano-gözenekli yapı hesaplamalı inceleme için literatürde de bulunan kürelerin kesişimi ve Voronoi mozaikleme yöntemleri kullanılarak modellemesi yapılır. Bu tezde Voronoi mozaikleme yöntemi ile nano-gözenekli malzeme modeli yapılmıştır. Bu yöntemde belirlenen mesafelerle yarı rastgele noktalar belirli bir alanda oluşturulur. Bu noktalar Voronoi mozaikleme yöntemi kullanılarak Voronoi hacimler veya yüzeyler oluşturulur ve bu hacimleri veya yüzeyleri oluşturan çizgi parçaları elde edilir. Bu çizgi parçalarına hacim kazandırılarak hacimsel bir yapı elde edilir. Elde edilen bu hacimsel yapının içi atomlarla doldurulur. Bu tezde nano-gözenekli altın geleneksel gözenekli metallere göre yüksek dayanım gösterdiği için altın atomu tercih edilmiştir. Gelişen teknoloji ile birlikte karbon tabanlı malzemelere olan ilgi de artmaya başladı. Karbonların farklı şekilde bağ yapmasından dolayı fulleren, nanorod, nanokonik, karbon nanotüp, grafen, nanoşerit gibi çok çeşitli karbon tabanlı malzeme bulunmaktadır. Karbon nanoyapılar boyutlarına göre sınıflandırılabilir. Örneğin, nanokonik, fulleren 0 boyutlu yapılara, nanotüp, nano şerit 1 boyutlu yapılara, grafen 2 boyutlu yapılara, 3 boyutlu grafit kristali ve nanotüp ağı 3 boyutlu yapılara örnek gösterilebilir. Bu tezde, karbon nanotüpler, fullerenler ve nano şeritler kullanılmıştır. Fullerenler, 1985 yılında Kroto ve arkadaşları tarafından keşfedilmiştir. Fullerenler, içerdikleri karbon atomu sayısına göre isimlendirilirler. C60 ile ifade edilen fulleren 60 tane karbon atomu içerdiğini göstermektedir. Batarya, yakıt hücresi, gaz depolama, optik ve sensör uygulamalarında ve biyolojik sistemlerde kullanılan fullerenlerin en etkileyici özelliği küresel şekli ve simetrik yapısıdır. Futbol topuna benzeyen bu yapılarla yapılan çalışmalarda malzemelerin mekanik özelliklerinde olumlu etkiler oluşturulduğu tespit edilmiştir. Önemli bir karbon tabanlı malzeme olan karbon nanotüpler (KNT) ise 1991 yılında Iijima tarafından C60 fulleren sentezi yaparken keşfedilmiştir. Yüksek sertlik, yüksek dayanım, düşük yoğunluk, yüksek kırılma tokluğu, yüksek elektrik iletkenliği, iyi optik özellikleri ve küçük boyutu sayesinde araştırmacıların dikkatini çekerek bir çok akademik ve endüstriyel çalışma alanı olmuştur. Bir diğer karbon tabanlı malzeme ise, grafenlerden alınan kesitle elde edilen nano şeritlerdir. Bu yapılar hakkında da literatürde birçok çalışma bulunmaktadır. Son zamanlarda araştırmacılar hesaplamalı ve deneysel olarak nanomalzemeleri karbon tabanlı malzemelerle birleştirmek ya da nano-gözenekli malzemelerde kaplama yaparak nanomalzemelerin mekanik özelliklerini arttırma çalışmaları yapmışlardır. Bu tür çalışmalar yeni nanomalzemelerin ortaya çıkmasını sağlayarak daha iyi mekanik ve elektriksel özelliklere sahip nanokompozitler elde edilmiştir. Bu tezde, nano-gözenekli malzemelerin gözeneklerine karbon tabanlı nanomalzemeler eklenerek moleküler dinamik simülasyonlarının yardımıyla mekanik özelliklerinde oluşan değişimler incelenmiştir. Moleküler dinamik yöntemi istatistiksel mekaniğe bağlı olan deterministik bir yöntemdir. Bu yöntemde, atomların denge ve yörüngeleri Newton'un ikinci yasası uygulanarak etkileşen atomların zamana göre davranışı dikkate alınarak hesaplanır. Atomik simülasyon yöntemi işlem öncesi, analiz ve işlem sonrası olmak üzere üç aşamadan oluşur. İşlem öncesi aşamada, basınç ve sıcaklık gibi başlangıç koşulları belirlenir. Sayısal integrasyonda Newton'un ikinci yasası uygulanarak her bir atomun hızı ve anlık konumları belirlenen sisteme tanıtılır. Analiz aşamasında, farklı termodinamik koşullar altında uygun atomlar arası potansiyellere göre kuvvet ve enerji hesaplamalarına devam edilir.İşlem sonrası aşamasında ise, sayısal ölçüm sonuçları görüntülenir ve yazdırılır. Bu tezde, modeller iki ana yapının birleşimi ile elde edilir. İlk yapı karbon tabanlı nanomalzemelerin oluşturduğu ağ yapısıdır. Bu ağ yapısında öncelikle belirli bir hacme belli mesafelerde olacak şekilde rastgele noktalar atanır ve bir nokta bulutu elde edilir. Bu nokta bulutlarına karbon tabanlı nanomalzemeler yerleştirilir ve karbon tabanlı malzemelerin bulunduğu bir hacim elde edilir. Elde edilen bu hacimden Voronoi mozaikleme yöntemi ile elde ettiğimiz nano-gözenekli yapının kesiştiği hacimler silinir ve ortaya istediğimiz ağ yapısı ortaya çıkar. Nano-gözenekli yapı ile bu ağ yapısını birleştirerek yeni nanokompozit malzememizi oluşturmuş oluruz. Fulleren, KNT ve nano şeritler kullanarak üç farklı modelin çeki ve bası yükleri altındaki mekanik davranışlarının hem birbirleriyle hem de nano-gözenekli yapıyla karşılaştırılması yapıldı. Çekme testi sonucu elde edilen çekme-birim şekil değiştirme eğrisi üzerinden yapılan karşılaştırmalar yardımıyla karbon tabanlı nanomalzemelerin nano-gözenekli altın üzerindeki etkisi incelendi. Aynı karşılaştırma tek eksenli basma gerilmesi üzerinde de yapıldı. Ayrıca, yapıların tek eksenli çeki ve bası yükleri altında komşu atom analizi yapılarak karbon tabanlı malzemelerin nano-gözenekli altının atomik yapısında herhangi bir değişim olup olmadığı da incelenmiştir. Aynı zamanda farklı gerinim oranları uygulanarak çeki ve bası gerilmeleri altındaki mekanik özellikleri de incelendi. Tez beş ana bölümden oluşmaktadır.İlk bölümünde nanomalzemeler, nano-gözenekli malzemeler, karbon tabanlı nanomalzemeler hakkında bilgi verilerek konuya giriş yapılmıştır. İkinci bölümde, moleküler dinamik simülasyonları üzerinde durularak nano-gözenekli yapıların incelenmesinde kullanılan çözüm yöntemlerine değinilmiştir. Üçüncü bölümde, modellerin nasıl oluşturulduğu ve oluşturulan modellerin simülasyon şartlarının nasıl uygulandığı üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde, elde edilen sonuçlar incelenerek yorumlanmıştır. Son bölümde ise, yapılan çalışma değerlendirilmiştir ve gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.