Havacılık ve uzay için kendini çok boyutta onarabilen nanokompozit zırh malzemesi

Son yirmi yılda, araştırmacılar, çalışmalarını, teorik çalışmalardan deneysel çalışmalara dönüştürmeyi amaçlamışlardır (Portale, Hermida-Merino, & Bras, 2016). Polimerik radyasyon zırh malzemeleri, geniş bir uygulama potansiyeline sahip olmasına rağmen yeterince çalışılmamaktadır. Polimer radyasyon zırh malzemeleri, metalik zırh malzemlerine göre homojen zırhlama, esneklik ve daha düşük ağırlık gibi avantajlar sunmaktadır (Håkansson, Amiet, Nahavandi, & Kaynak, 2007). Bu tür iyileştirme astronotların uzun sürecek görevlerinde radyasyon hasarından uzay aracının ve yüklerin korunması için gereklidir (Emmanuel & Raghavan, 2016; Pohl & Britt; Slaba ve diğ., 2017). Kendini onaran malzemeler dışardan bir müdahale ile (yamalama, yapıştırma, kaynaklama vb.) ihtiyaç duymadan oluşan hasarları onarma kapasitesine sahip malzemlerdir. Otonom kendini onaran malzemeler, dışardan bir müdahaleye ihtiyaç duymazlar. Otonom olmayan kendini onarma mekanizmalarıda mevcuttur. Bu tip otonom olmayan kendini onaran malzemlerde kendini onarma ışık veya ısı gibi bir tetik ile başlamakta ve malzeme kendini onarmaya tetiklendikten sonra başlamaktadır. Kendini onaran malzemeler dahil oldukları sistemin ömrünü uzatmakta, sistemin güvenliğini artırmakta ve bakım masraflarını düşürmektedir(Chang ve ark., 2008). Poli (metil) metakrilat (PMMA) olağanüstü mekanik özelliklere sahip bir termoplastik polimerdir. (PMMA) (C5O2H8)n, otomotiv ve havacılık endüstrisi tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. PMMA, hava aracı ön cam panelde, radar ekranında ve teleskop üretiminde kullanılmaktadır (Hu ve diğerleri, 2016). Manyetik, optik ve mekanik özellikler; inorganik nanomalzemelerin polimer matrisine dahil edilmesiyle geliştirilebilir. Polimerin özelliklerinde meydana gelen gelişmeler, dolgu maddesi türüne ve nanokompozitin hazırlanma yöntemine bağlı olarak değişmektedir (Chang ve diğ., 2008). Polimer yapının bozulmasının başlıca sebepleri arasında, çeşitli uygulamalardaki görevleri süresince, iyonizan radyasyona maruz kalan polymer zincirinin kopması sayılabilmektedir (IH. Kim, Cho, Bae, Park, & Chung, 2003). Polimerde oluşan bu bozulma, hem yeni radikaller ve makromoleküller yaratabilmektedir. Canlı polimer matris, iyonizan elektromanyetik radyasyon sonucu oluşan hasar karşısında da kendi kendine iyileşmeye izin verebilmektedir. Dolayısıyla, ATRP yönteminin kullanılması, bu doktora tez çalışması kapsamında üretilen canlı polimerin oluşrulmasında, potansiyel bir avantaj olarak kabul edilmiştir. Çünkü, ATRP yönteminin kullanılması, canlı polimer matriks zincirlerinin sonundaki makromoleküler ve yeni radikaller arasında rekombinasyonu etkileyebilmektedir (Ming Qiu Zhang & Rong, 2011b; Zhu, Rong, & Zhang, 2015). Bu sebeple, bu doktora tez çalışmasında, polimer matris malzemesi olarak, ATRP yöntemi ile sentezlenen, PMMA canlı polimer üretimi tercih edilmiştir. Atom Transfer Radikal Polymerizasyon (ATRP) tekniği ile üretilen canlı polimerin diğer bir kendini onarma mekanizması, oluşan bir çatlağın etkisiyle kırılan monomer yüklü mikrokapsüllerin canlı polimer matris içinde kapiler etki ile yayılarak kendini onaramayı tetiklemesidir. Kendini onarma ajanının çatlak yüzeyini kaplamasıyla katılaşma başlar, çatlak bölgesi dolar ve nihai olarak, katılaşır. Sonuç olarak; çatlak onarılmış olur (Ming Qiu Zhang & Rong, 2011b; Zhu, Rong, & Zhang, 2015). Bu sebeple, bu doktora tez çalışmasında, polimer matris malzemesi olarak, ATRP yöntemi ile sentezlenen, PMMA canlı polimer üretimi tercih edilmiştir. Bu çalışmada, canlı PMMA matrisinde optimize edilmiş, kendini onarma sıvısı Glycidyl Methacrylate (GMA) yüklü mikroküreler (MK) ve Halloysite kil nanotüpler (HNT'ler), Montmorillonit (MMT'ler) kil nanolevhalar ve Kolemanite (CMT) ilave edilmiştir. GMA, MK, HNTs ve MMTs olarak 4 farklı dolgu malzemesi kullanılarak, malzemeyi ağırlaştırmadan ve iyonizan radyasyonu zırhlama kapasitesinden ödün vermeden, mekanik özelliklerdeki geliştirilmeler mukayeseli olarak değerlendirilmiştir. Böylece, canlı polimerin kendini onarma özelliğinde, maksimum verimlilik elde etmek için, çok yönlü (3 boyutta), özgün, kendini iyileştirme kapasitesine sahip termoplastik yapılar incelenmiştir. Öncelikle, mekanik özelliklerde en umut verici nanokompozit zırh kompozisyonu; sertlik, darbe, eğilme ve basma testleri uygulanarak belirlenmiştir. Seçilen kompozisyona, gama ve nötron transmisyon deneyleri yapılmış ve zırhlama potansiyeli belirlenmiştir. Böylece, havacılık uygulamaları açısından cazip, dışarıdan herhangi bir müdahale olmaksızın çok yönlü (3 boyutta) kendi kendini iyileştirebilen, nanokompozit zırh malzemesinin üretim parametrelerine ilişkin detaylar belirlenmiştir.