Gerçekleştirdiği iş birlikleri ile çeşitli alanlarda çalışmalar yürüten şirketimiz, son yıllarda oldukça önem arz eden grafen malzemelerin kullanımını içeren nanokompozit tasarım ile ilgili de üniversiteler ve şirketlerle birlikte büyük projelere imza atıyor. Nanobilim, nanoteknoloji ve nanokompozitlerin gelişimi ile birlikte adı sıkça dile getirilen grafen malzemeler için gerekli çalışmalar tüm hızıyla devam ediyor.
Nanobilim, nanoteknoloji ve nanokompozitler dünyası son yıllarda kendini geliştirmiş ve bu konunun önemi otomotiv, havacılık, elektronik, biyoteknoloji, esnek sensörler ve diğer birçok uygulamaların çeşitliliği ile artmıştır. Bu bağlamda, grafen malzemelere dayalı yeniliklere nanokompozitler ile önemli bir kazanım oluşmuştur.
Grafen, sp2 bağları ile altıgen kristal yapıya sahip karbon atomlarının iki boyutlu yapısıdır. Yüksek bir yüzey alanına herhangi bir nanomalzemeye kıyasla yüksek yüzey alanıyla, nanokompozitlerde tabakalar ile polimer malzeme arasındaki etkileşimi artırmaktadır. Elektronik ve biyomedikal dâhil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulamaları vardır. Grafen bazlı kompozit malzemeler günümüzde malzeme bilimcilerinin ilgisini oldukça çekmektedir. Yapısal fabrikasyonun mümkün olması ile yeni uygulamalara yol açması beklenmektedir. Son 20 yılda grafen takviyeli polimer kompozitler üzerinde kapsamlı araştırma ve geliştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bir polimer matrisinde takviye edici bir ajan olarak grafenin eklenmesi, bu tür kompozitlerin genel performansını ve özelliklerini geliştirmesine neden olmuştur. Grafen malzemesinin araştırmalara fazlasıyla konu olmasının en önemli nedenleri arasında benzersiz mekanik, termal, elektriksel ve fizikokimyasal özelliklerini sayabiliriz. Bunların yanı sıra, özellikle yapısal inceliği sahip olmasıyla da ilgi odağı olmuştur. Bu özelliklerden dolayı gelecek vaat eden grafen teknolojisinin birçok sektörde ve alanlarda uygulanabilmesi için geniş çalışmalar başlatılmıştır.
Grafen bazlı malzemelerin mekanik ve fonksiyonel özellikleri
Mekanik özellikler: Grafen malzemeler, nanoelektromekanik umut verici özelliklerinden dolayı birçok alanda uygulama potansiyeline sahiptir. Grafenin hem gevrek kırılma hem de doğrusal olmayan elastik davranış sergilediği bilinmektedir. Moleküler simülasyonlar yoluyla sıcaklık ve kiralitenin bir fonksiyonu olarak grafenin kesme dayanımı, kesme modülü ve kırılma gerilmesi ölçülmüş ve grafenin oldukça düz olduğunda kırılma gerilimi 97.54 GPa ve kesme dayanımı 60 GPa olduğu kaynaklardan elde edilmiştir.
Elektriksel özellikler: Grafen ile polimer kompozitlere elektriksel iletkenlik sağlama veya iyileştirme konusunda önemli düzeyde araştırmalar yapılmıştır. Farklı ağırlık ve hacim yüzdeleri ile grafen ve türevleri, polimer matrislere katkılandırılmasıyla farklı üretim teknikleri denenmiş ve umut vaat eden sonuçlar elde edilmiştir.
Termal özellikler: Bir malzemenin ısıl özellikleri onun karakteristiğini tanımlarken, atomik yapısı da iletkenliğini belirlemektedir. Nanometre ölçeğinde yapılandırıldıklarında malzemelerin termal özellikleri değişir. Teorik ve deneysel çalışmalarda grafen kristallerinin sonsuz büyüklükte içsel termal iletkenliği ortaya çıkmıştır. Malzemenin ısıl iletkenliği, doğrudan birim alandaki ısı akışı ile doğru orantılıyken sıcaklık gradyanı ile ters orantılıdır. Termal iletkenlik doğrudan özgül ısı ile ilgilidir.
Karbon atomlarının küçük kütlesi, güçlü ve anizotropik bağları, grafen ve ilişkili malzemelerin termal özelliklerinin mükemmel olmasını sağlamaktadır. Grafenin nispeten zayıf van der Waals bağları, entegre elektronik bağlamında grafen cihazlarından ve ara bağlantılardan ısı dağılımını sınırlar. Buna ek olarak, simülasyon sonuçları, grafen kompozitleri ve üç boyutlu mimarileri göz önünde bulundurarak termal özellikleri ayarlamanın pratik olarak mümkün olduğunu ortaya koymuştur.
Şirketimizde yürütülen faaliyetler
Şirketimiz bünyesinde grafen (ve diğer nanomalzemeler) içeren nanokompozit tasarımı Ar-Ge ve Prototip Genel Müdür Yardımcılığımıza bağlı Ar-Ge Direktörlüğü altında bulunan İnovasyon Müdürlüğümüzde İleri Kompozit Malzemeler Teknoloji Mekezi grubu tarafından yürütülmektedir. Grup bu kapsamda; İleri Malzeme, Proses ve Enerji Teknolojileri Merkezi, Döner Kanat Teknoloji Merkezi ve Fonksiyonel Kaplamalar ve Saydamlar Teknoloji Merkezi ile beraber çalışmaktadır. Grafen çalışmaları ile ilgili iki TÜBİTAK projesi ve üç Savunma Sanayii Başkanlığı (SSB) projesi onaylanmış olup, gerekli çalışmalar grubumuz tarafından yürütülmektedir. Bunlara ek olarak, bir Avrupa Birliği (AB) projesi hakem değerlendirmesinde ve farklı iki AB projesi ise hazırlık aşamasındadır. Hâlihazırda yürütülen projelerin çıktıları, Türk Patent ve Marka kurumuna Patent Mühendisliği Şefliğinin desteği ile toplam altı patent ve üç faydalı model başvurusu, üç uluslararası makale ve yedi konferans bildirisini içermektedir. Diğer yandan patent ve makale çalışmaları devam etmektedir.
Projelerin detayları ve platformlar ile bağlantıları
Grafen/polimer kompozitlerin iletkenliği, sadece grafenin kalitesine değil, aynı zamanda kullanılan polimerlere de bağlı olarak 10^(-17) ila 102 S/m arasında ayarlanabilmektedir. Havacılığa uygun ve 1800 C’de kürlenen epoksi reçinelerin iletkenlikleri deneysel çalışmalarda 10^(10) katı artırılmış ve iletken kompozitler elde edilmiştir. Aynı kompozitlerde bükülme mukavemetinde eş zamanlı olarak %40 ile %60 arasında artış gözlemlenmiştir. Camsı geçiş sıcaklığında ise 30 C’den küçük varyasyonlar görülmüştür. Bu çalışmayla makro boyutlu ve havacılık kriterlerine uygun (kürlenme sıcaklığı 1800 C) nanokompozitlerin tasarımında birkaç fonksiyonel özelliğini birden iyileştirmenin mümkün olduğu kanıtlanmıştır. Bir başka çalışmada ise farklı polimer bağlayıcıları kullanılarak toplam 15 çeşit 10 x 10 cm^(2) büyüklüğe sahip grafen filmleri geliştirilmiştir. Bu filmlerin üçü hem termal dirençleri hem elektriksel iletken olmalarından dolayı hedeflenen platformlar için uygun olarak değerlendirilmiştir.
Bahsi geçen bu yapısalların platformlarda yaygın etki yaratacağı beklenmektedir. Bu beklenti doğrultusunda, mukavemet artışı sayesinde kompozit miktarlarını azaltmak ve bazı yük taşıyan metal parçaları kompozite çevirmek mümkün olacaktır. Elektriksel iletkenlik ise metal örgü ihtiyacını azaltacak ve elektromanyetik kalkanlama amacıyla kullanılacaktır.
Çalışmanın devamında el ile serme yöntemi ile geliştirilmiş olan nanokatkılı reçine ve filmler kullanılarak yüksek mekanik performansa sahip ve iletken yapısallar hazırlanacaktır. Bu kapsamda, bu kompozitlerin birleştirme teknolojileri de çalışılacaktır.
Bu çalışmalarda kullanılan termosetlere ek olarak nanokatkılı termoplastikler de tasarlanmaktadır. Extruder cihazı, enjeksiyon kalıplama ve plastik bazlı eklemeli imalat teknolojilerinin birleşimi ile termoplastik matrisli nanokompozit yapısallar tasarlanıp geliştirilmektedir.
Çalışmalara paralel olarak yürütülecek grafen bazlı film ve grafen katkılandırılmış reçine ile balistik performansa sahip kumaşların kullanımıyla yeni zırh parçaları çalışılmaktadır. Karbon nanoyapıları, düşük yoğunlukları ve yüksek mekanik özellikleri nedeniyle umut verici zırh malzemeleridir. Grafenin çarpma koşulları altındaki davranışına ilişkin son deneysel ve hesaplamalı araştırmalar, olağanüstü enerji soğurma özelliklerini ortaya çıkarmıştır. Grafenin spesifik penetrasyon enerjisi, makroskopik çelikten on kat daha büyüktür. Bu durum mermi kesitininkinden çok daha büyük bir alana dağılan çarpma enerjisidir.
İletken polimerler ve metaller matris olarak kullanılarak yeni nesil hafif aviyonik box tasarımları çalışılmaktadır. Şirketimizde yürütülen deneysel ve teorik çalışmalarda kompozitlerde %50 termal iletkenlik artışı mümkün olduğu görülmüş ve bahsi geçen proje ilk onaylanan TÜBİTAK 1004 – Mükemmeliyet Destek Programı kapsamında desteklenmektedir.
İş birlikleri Şirketimiz
Şirketimiz, Bahsi geçen bu çalışmalar kapsamında yer alan ekip araştırma ve geliştirme faaliyetlerini paydaşları ile iş birliği içerisinde yürütmektedir. Örneğin, TUSAŞ’ın Ar-Ge mühendisleri aynı zamanda Bilkent – Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi’nde (Bilkent-UNAM) araştırmacı olarak projelerini laboratuvarda yürütmektedirler. Bu iş birliğine ek olarak Koç, Orta Doğu Teknik, Eskişehir Teknik, Marmara, Gazi ve Ondokuz Mayıs Üniversiteleri ile de birlikte çalışılmaktadır.
Kaynak: TUSAŞ MAG Dergisi / 121. sayı / sayfa 68 - 71