Nanokompozit

Amorf bir matris içine gömülü nanokristal bileşenli bir nanokompozit malzemenin şematik yapısı

Nanokompozit, kendini oluşturan fazlardan birinin 100 nanometreden (nm) küçük bir, iki veya üç boyuta sahip olduğu kompozitlerdir. Diğer bir tanımı ise malzemeyi oluşturan farklı fazlar arasında nano ölçekli tekrar mesafelerine sahip yapıların bulunduğu çok fazlı katı kompozitlerdir.

Nanokompozitlerin fiziksel özelliklerinde benzeri görülmemiş esneklik ve iyileştirme ile yeni malzemeler tasarlamak ve oluşturmak için nanometre aralığında boyutlara sahip yapı blokları kullanılmaktadır.

Verilen bu tanımlar, gözenekli ortamları, kolloidleri, jelleri ve kopolimerleri ifade edebilmektedir. Ancak daha çok, yapı ve kimyadaki farklılıklar nedeniyle özellikleri farklı olan bir yığın matris ve nano boyutlu faz veya fazların katı kombinasyonu anlamına gelir. Nanokompozitin mekanik, elektriksel, termal, optik, elektrokimyasal, katalitik özellikleri, bileşen malzemelerinkinden önemli ölçüde farklıdır. Bu etkiler için boyut sınırları önerilmiştir:

1. Katalitik aktivite için <5 nm
2. Sert bir manyetik malzemeyi yumuşak yapmak için <20 nm
3. Kırılma indisi değişiklikleri için <50 nm
4. Süperparamanyetizma, mekanik güçlendirme veya matris dislokasyon hareketini kısıtlamak için <100 nm

Nanokompozitler, örneğin doğada deniz kulağı kabuğu ve kemiğinin yapısında bulunur. Nanoparçacık yönünden zengin malzemelerin kullanımı, bu malzemelerin fiziksel ve kimyasal doğasının anlaşılmasından çok daha öncesine dayanmaktadır. Jose-Yacaman ve diğerleri rengin derinliğinin kökenini ve Maya mavisi boyasının asitlere ve biyo-korozyona direncini araştırdı ve bunu nanoparçacık mekanizmasına bağladı. 1950'lerin ortalarından itibaren nano ölçekli organo-killer, polimer çözeltilerinin akışını (örneğin boya viskozlaştırıcıları olarak) veya jellerin oluşumunu (örneğin, kozmetikte koyulaştırıcı bir madde olarak, hazırlanmış karışımları homojen formda tutarak) kontrol etmek için kullanılmıştır. 1970'lerde polimer / kil kompozitler ders kitaplarının konusuydu, ancak "nanokompozitler" terimi yaygın olarak kullanılmıyordu.

Mekanik açıdan, nanokompozitler, takviye fazının olağanüstü yüksek yüzey / hacim oranı ve / veya olağanüstü yüksek en-boy oranı nedeniyle geleneksel kompozit malzemelerden farklılık gösterir. Takviye malzemesi partiküllerden (örn. Mineraller), tabakalardan (örn. Pul pul dökülmüş kil yığınları) veya liflerden (örn. Karbon nanotüpler veya elektrospun fiberler) oluşabilir. Matris ve takviye faz veya fazları arasındaki arayüz alanı tipik olarak geleneksel kompozit malzemeler için olduğundan daha geniş bir büyüklük düzene sahiptir.^[1]

Günümüzde farklı mühendislik malzemelerinin sınırlamalarının üstesinden gelmek için, faydalı alternatifler sağlamak üzere nanokompozitler ortaya çıkmaktadır. Nanokompozitler, dağılmış matrisleri ve dağılmış faz malzemeleri temelinde sınıflandırılabilmektedir.^[2]

Çeşitleri

Alüminyum oksit nanokompozitin mikro yapısı

Seramik matris nanokompozitler

Seramik matris nanokompozitler (CMNC), fazlardan en az birinin nano ölçek aralığında (<50-100 nm) boyutlara ve birden fazla katı faza sahip nanokompozitler olarak tanımlanır.^[2] Seramiklerde daha iyi özelliklere ulaşmak için matris, yumuşak bir metal faz veya başka bir seramikle bir araya getirilir. Böylece oluşturulan kompozit malzemenin, faz sınırları boyunca farklı fazların (matris ve takviye) etkileşimleriyle çatlama, kırılma dayanıklılığı ve sertlik gibi çeşitli mekanik özellikleri gelişir.^[3] Seramik nanokompozitlerde, bir grup nitrür, oksit, silisit ve borürden elde edilen bir seramik, hacmin büyük bir bölümünü kaplar. Çoğu seramik matrisli nanokompozitlerde, iki bileşenden biri metaldir. En iyi sonuç için, hem seramik hem de metalik bileşenler, belirli nanoskopik özellikleri ortaya çıkarmak için eşit olarak dağıtılır.^[4] Bu tür nanokompozitlerde, her iki faz da manyetik, kimyasal, optik ve mekanik özellikleri birleştirmiştir.

Titanyum dioksit nanokompozitin mikro yapısı

Bu birleştirme sonucu beklenilen özellikler:

• Daha iyi tokluk
• Artan süneklik
• Artan mukavemet ve sertlik^[2]

Seramik-metal nanokompozitlerin tasarımında, karışımın ikili faz diyagramı dikkate alınmalı ve her iki bileşen arasında kimyasal bir reaksiyonu önlemek için önlemler alınmalıdır. Seramik bileşenin hazırlanması genellikle yüksek işlem sıcaklıkları gerektirdiğinden, bu kolayca uyulacak bir kısıtlama değildir. En güvenli ve kolay alınabilecek önlem, karışmayan metal ve seramik fazları dikkatlice seçmektir. Böyle bir kombinasyona örnek olarak, karışımları Gibbs'in Cu-O-Ti üçgeninde (üç bileşenli faz diyagramı) geniş alanlarda karışmayan TiO₂ ve Cu'dan oluşan seramik metal kompozittir.^[5]

Seramik matris nanokompozitlere (CMNC), Al₂O₃/SiO₂, SiO₂/Ni, Al₂O₃/TiO₂, Al₂O₃/SiC, Al₂O₃/CNT örnek verilebilirler.^[6]

Metal matris nanokompozitler

Bilgisayar simülasyonlu karbon nanotüplü nanokompozit

Metal matris nanokompozitler (MMNC), içine nano boyutlarda (genellikle <100 nm) takviye malzeme yerleştirilmiş biçimlendirilebilir bir metal veya alaşım matrisli malzemelerdir. Aynı zamanda hem matris ve hem de takviye nanometre boyutlarda olabilmektedir.^[7] Metal matrisli nanokompozitlerin diğer adı da, güçlendirilmiş metal matrisli kompozitlerdir.^[4]

Metal matris nanokompozitler, metal ve seramik özellikleri bir arada içerirler. Süneklik, dayanıklılık, yüksek kuvvet ve yüksek modül bu özelliklere birer örnektir. Bu nedenle MMNC'ler kayma/sıkıştırma süreçlerine ve yüksek servis sıcaklıklarına dayanıklı malzemelerin üretiminde kullanılabilirler. Uzay endüstrisi, otomobil endüstrisi ve yapısal malzemeler önemli kullanım alanlarıdır.

Nano boyutlu takviyelerin kullanılması sebebiyle mikro boyutlulara göre daha kuvvetli ve matrisin ince zerreciklerinin de etkileriyle mekanik özellikleri daha üstündür. Karbidler, nitridler, oksitler gibi nanoseramik parçacıklar ve karbon nanotüp takviyeli çeşitli metal (Al, Mg ve Cu gibi) matris nanokompozitler üretilmektedir.^[7] Karbon nanotüp metal matris kompozit, karbon nanotüp malzemelerin yüksek elektrik iletkenliği ve gerilme mukavemetinden yararlanan önemli bir nanokompozittir. Metal matris nanokompozitler üzerine yeni araştırma alanları, karbon nitrür metal matris kompozitler ve bor nitrür takviyeli metal matris kompozitlerdir.^[4]

Metal matris nanokompozitlerden beklenilen özellikler:

• Süper esneklik,
• Daha düşük erime noktaları,
• Mukavemet ve sertliğin artması,
• Geliştirilmiş manyetik özellikler,
• Artan elektrik direnci, vb.^[2]

Metal matris nanokompozitlere (MMNC), Fe-Cr/Al₂O₃, Ni/Al₂O₃, Co/Cr, Fe/MgO, Al/CNT, Mg/CNT örnek verilebilir.^[6]

Polimer matris nanokompozitler

Polimer nanokompozitleri, özel bir polimer kompozit malzeme sınıfı oluşturmaktadırlar. Polimer matrislerine eklenen dolgu maddeleri hem kimyasal bileşim hem de bireysel elementlerin morfolojisinde farklılık gösterir. Bu dolgu maddelerinin belirgin özelliği, bileşen elementlerinin (partiküller, plakalar, fiberler, v.s.) boyutları 100 nm'nin altındadır. Polimer matris nanokompozitlerin, büyük spesifik yüzey alanı ve polimerle şiddetli moleküller arası etkileşime sahiptirler. Bu sebeple özellikleri, dolgu maddesinin konsantrasyonundaki çok küçük bir değişiklik ile değişebilir.

Polimer matris nanokompozitler (PMNC), polimer kompozitlerin özel bir formudur. Matris faz polimerik bir malzeme, matris içinde dağıtılmış ikinci faz nano boyutlarda takviye fazdır.^[8] Nanopartiküllerin bir polimer matrisine eklenmesi, nano ölçekli dolgu maddesinin özelliklerini ve performansını artırır. Nano ölçekli dolgu özellikleri, matris takviyesinden daha iyi veya farklı olduğunda ve dolgu maddesi iyi bir şekilde dağıtıldığında, bu strateji mükemmel çalışır.^[4] Ancak dolgu maddesi ve matris arasında tek tip bir dağılım hazırlamak çok zordur. Bu sebeple üretilen nanokompozitler düşük mekanik ve termal özellikler yanısıtır.^[2]

Polimer matris nanokompozitlere (PMNC), termoplastik/termoset polimer/tabakalı silikatlar, poliester/TiO₂ örnek verilebilir.^[9]

Tasarım avantajları

Nanokompozitler iki veya daha fazla ayrı yapı bileşeninin bir malzemede birleştirilmesiyle elde edilirler. Bu birleşimin kazandırdığı küçük boyutlar, geniş yüzey alanları ve fazlar arasındaki arayüzey etkileşimlerinden kaynaklanan benzersiz özellikler sunar. Olağan dışı potansiyelleri, birçok ilacın, biyomalzemenin, katalizörün ve ayrıca bazı yüksek katma değerli materyallerin biyolojik potansiyelini artırmak için sorunsuz bir şekilde kullanılmıştır.^[10]

• Mukavemet, modül ve boyutsal kararlılık dahil olmak üzere mekanik özellikler
• Elektiriksel iletkenlik
• Azaltılmış gaz, su ve hidrokarbon geçirgenliği
• Alev Geciktirici
• Termal kararlılık
• Kimyasal direnç
• Yüzey görünümü
• Optik netlik^[11]

Uygulama alanları

Nanokompozitler şu anda bir dizi alanda kullanılmaktadır ve sürekli olarak yeni uygulamalar geliştirilmektedir. Nanokompozitler için uygulamalar şunları içerir:

• Bilgisayar çipleri için ince film kapasitörler
• Aküler için katı polimer elektrolizler.
• Otomotiv motor parçaları ve yakıt depoları
• Pervaneler ve kanatlar
• Oksijen ve gaz bariyerleri
• Yemek paketleme^[11]
• Üstün mukavemetli lifler ve filmler
• UV koruma jelleri
• İlaç dağıtım sistemleri
• Yeni yangın geciktirici malzemeler
• Korozyon önleyici bariyer kaplamalar
• Yağlayıcı ve streç boyalar^[2]

Kaynakça

1. "Nanocomposite". 13 Eylül 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
2. ^ Sen, Mousumi (27 Haziran 2020). Nanocomposite Materials (İngilizce). IntechOpen. ISBN 978-1-78985-671-2. 22 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2021. 
3. "Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Seramik Matris Nanokompozitler, CMNC (ceramic matrix nanocomposites, CMNC)". Prof. Dr. Bilsen Beşergil. 15 Haziran 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2021. 
4. ^ "Ceramic Matrix Nanocomposites with Carbon Nanotubes". AZoNano.com (İngilizce). 7 Ocak 2013. 7 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2021. 
5. "Nanocomposite". 13 Eylül 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
6. ^ "Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Nanokompozitlerin Sınıflandırılması (classification of nanocomposites)". Prof. Dr. Bilsen Beşergil. 28 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2021. 
7. ^ "Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Metal Matris Nanokompozitler (metal matrix nanoсomposites)". Prof. Dr. Bilsen Beşergil. 28 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2021. 
8. "Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Polimer Matris Nanokompozitler (polymer nanocomposites)". Prof. Dr. Bilsen Beşergil. 28 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2021. 
9. "Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Nanokompozitlerin Sınıflandırılması (classification of nanocomposites)". Prof. Dr. Bilsen Beşergil. 28 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Mayıs 2021. 
10. "Highly efficient removal of heavy metal ions by amine-functionalized mesoporous Fe3O4 nanoparticles". Chemical Engineering Journal (İngilizce). 184: 132-140. 1 Mart 2012. doi:10.1016/j.cej.2012.01.016. ISSN 1385-8947. 24 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2021. 
11. ^ "Nanocomposites – An Overview of Properties, Applications and Definition". AZoNano.com (İngilizce). 24 Ocak 2007. 11 Nisan 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Mayıs 2021.