Sol–jel yöntemi ile hazırlanan TiO2–SiO2 nanokompozit ince filmlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

Cam ve cam ürünleri geniş kullanım alanına sahip olduğundan günlük hayatımızda önemli ölçüde yer almaktadır. Kuşkusuz, saydam ve inert bir malzeme olan cam, aynı özelliklere sahip diğer malzemelerden üstündür. Amorf yapısı nedeniyle kırılgan ve mekanik mukavemet değeri düşük olan camın, teorik mukavemet değeri ise oldukça yüksektir. Teorik ve pratik mukavemet değeri arasındaki fark, 1921 yılında Griffith tarafından ortaya atılan teoriye göre; mikro çatlak olarak tanımlanan yüzey kusurlarından kaynaklanmaktadır. Griffith'in varsayımından günümüze, bu hataların yok edilmesi veya etkilerinin azaltılması yönünde birçok çalışma literatürde yer almaktadır. Mukavemet, malzemelerde en önemli mekaniksel özelliklerden biri olup kullanım amacına uygunluğu belirleyen temel unsurdur. Mukavemet artışıyla birlikte, camın kullanım alanlarının genişletilmesi, kalınlığının azaltılarak hammadde sarfiyatının ve üretilen ürünlerin ağırlığının düşürülmesi gibi avantajlar elde edilebilir. Daha az hammadde tüketimi, yüksek teknolojik malzemelerin üretiminde daha çevreci çözümler sunar. Mukavemet arttırma amacıyla uygulanan birçok başarılı teknik mevcut olmasına rağmen, boyut ve şekil sınırlaması olmayan, çevreye duyarlı, enerji, zaman ve maliyet tasarrufu sağlayan tekniklerin ve alternatif yöntemlerin geliştirilmesi güncelliğini korumaktadır. Cam yüzeyinin ince film tabakası ile kaplanması bu yöntemlerin başında gelir. Son yıllarda yaş kaplama yöntemlerinden sol-jel yöntemi, büyük ölçekli yüzeylerin ekonomik, hızlı ve kolay şekilde kaplanabilmesi nedeniyle tercih edilmektedir. Mukavemet arttırma çalışmaları yapılırken, camın saydamlığından ödün vermemek amacıyla optik özelliklerin değişmemesi ön plandadır. Kaplamanın cam yüzeyine iyi bir şekilde tutunması, çizilmeye karşı dayanıklı olması da kaplamanın cam ile birlikte kullanım ömrünü belirleyen ölçütlerdir. Bu çalışmada, cama mukavemet artışı sağlayan ve cam ile benzer optik özellikler gösteren, çizilmeye dayanıklı, yüzeye iyi bir şekilde tutunan kaplamaların geliştirilmesi hedeflenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında, TiO2 – SiO2 nanokompozit kaplama çözeltisi hazırlanmış ve DTA-TG analizi yapılarak kaplamalar için optimum kürleştirme şartları belirlenmiştir. Kaplamaların farklı kalınlıktaki camların mukavemetinde yaratacağı etkinin belirlenebilmesi amacıyla ŞİŞECAM Trakya Fabrikası tarafından üretilen camlardan en ince olan 1,6 mm ve 2,2 mm kalınlıktaki camlar temin edilmiştir. Camlar, iki ayrı set halinde; kontrollu çentik bırakıldıktan sonra (300 gram yük altında 5 saniye) ve çentik bırakılmadan (Fabrika'dan geldiği gibi) hazırlanmıştır. Tüm cam altlıklar, Daldırarak kaplama tekniğiyle üç farklı çekiş hızında (10 mm/dk, 50 mm/dk ve 150 mm/dk) tek kat kaplanarak, 190°C sıcaklıkta 5 dakika süresince ısıl işlemden geçmiştir. Kaplama yüzeyleri, SEM-EDS, Temas açısı ve Serbest Yüzey enerjisi ölçümleriyle karakterize edilmiştir. Farklı çekiş hızı ile yapılan kaplamaların kalınlıkları hem SEM yan kesit görüntüsü hem de Profilometre ölçümleri ile belirlenmiştir. Kaplanmamış ve farklı çekiş hızları ile kaplanmış camların mukavemet değerleri halka üstü halka (ROR) düzeneği ile test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar ve sonuçların güvenirliği Weibull istatistiksel dağılımları ile tartışılmıştır. Çentik bırakılıp kaplanan 1,6 mm ve 2,2 mm camların her iki setinde de yaklaşık ortalama %230 mukavemet artışı tespit edilmiştir, Çentik bırakılmamış her iki sette ise, yaklaşık %150 mukavet artışı olmuştur. En yüksek çekiş hızı ile kaplanan 2,2 mm cam setinde kırılmayan örnekler bulunduğundan, bu sette minimum %330 mukavemet artışı olduğu söylenebilir. Spektrofotometre ile örneklerin geçirgenlik ve yansıtma değerleri ölçülerek karşılaştırılmış ve kaplamaların cam kadar saydam olmasının yanında camdan daha geçirgen olduğu belirlenmiştir. Kaplamalara, fiziksel testler uygulanmış, ASTM standartlarına göre, yüzey tutunma, çizilme ve kalem sertlik testleri yapılmış ve kaplamaların cama çok iyi bir şekilde tutunduğu ve sertliklerinin maksimum kalem sertlik (9H) değerlerinde çıktığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, kaplamaların mikro-nano ölçekte mekanik karakterizasyonunu değerlendirebilmek için Nano mekanik test cihazı ile Berkovich elmas indentasyon ucu kullanılarak, nano indentasyon deneyleri yapılmış, hazırlanan kaplamaların ve elde edilen ürünün Nanosertlik, Vickers sertliği ve Elastik modülü değerleri elde edilmiştir.