Karbon Nanotüp (CNT) takviyeli kompozitler, malzeme biliminin süperstarı olarak anılıyor. Bu malzemelerin inanılmaz derecede hafif olmalarına rağmen çeliği aşan bir mukavemet sunması artık bilinen bir gerçek. Ancak CNT'lerin kompozitlere kattığı tek özellik saf güç müdür? Yoksa bu nano-takviyeler, malzemeye aynı zamanda esneklik ve hasar toleransı gibi zıt gibi görünen özellikleri de kazandırabilir mi?
Cevap, her ikisini de başarabildikleri. CNT'ler, doğru tasarlandığında bir kompozitin hem daha güçlü hem de daha esnek ve dayanıklı olmasını sağlayabilir. İşte bu devrimsel malzemenin esneklik ve mukavemet dengesi üzerine yapılan araştırmalardan elde edilen 5 önemli sonuç:
Bu, CNT takviyesinin en bilinen ve en çarpıcı sonucudur. Tek bir karbon nanotüp, atomik bağları sayesinde çelikten 100 kat daha güçlü olabilir. Bu olağanüstü güç, kompozit malzemeye "yük transferi" adı verilen bir mekanizma ile aktarılır.
Sonuç: Bir kompozit malzeme dışarıdan bir kuvvete (çekme, bükme vb.) maruz kaldığında, daha zayıf olan polimer matris bu yükü kendi üzerine bağlı olan milyonlarca CNT'ye dağıtır. CNT'ler, yüksek en-boy oranları (uzun ve ince olmaları) sayesinde bu yükü etkili bir şekilde taşıyarak malzemenin genel çekme mukavemetini ve elastisite modülünü (sertliğini) katbekat artırır. Araştırmalar, %1 gibi düşük bir CNT oranının bile kompozitin mukavemetini %30-%50 oranında artırabildiğini göstermektedir.
Bir malzemenin sadece güçlü olması yetmez, aynı zamanda kırılmaya karşı dirençli, yani "tok" olması gerekir. Tokluk, malzemenin kırılmadan önce ne kadar enerji emebileceğini ifade eder ve esneklikle doğrudan ilişkilidir. CNT'ler, malzemenin kırılma davranışını nano ölçekte değiştirir.
Sonuç: Malzeme içinde bir mikro çatlak başladığında, ilerleyen bu çatlak bir CNT'ye rastladığında yoluna devam edemez. CNT'ler, çatlağın iki yakası arasında bir "köprü" kurarak onu durdurur (crack bridging). Çatlak ilerlemek için daha fazla enerji harcamak zorunda kalır. Ayrıca, bazı CNT'ler matristen yavaşça sıyrılarak (pull-out) enerjiyi sönümler. Bu mekanizmalar sayesinde, CNT katkılı kompozitler darbelere ve yorulmaya karşı çok daha dirençli hale gelir, yani daha esnek bir kırılma davranışı sergilerler.
CNT'lerin teorik faydalarını gerçeğe dönüştürmenin altın kuralı, onları polimer matris içinde homojen bir şekilde dağıtmaktır (dispersiyon). Eğer CNT'ler bir araya toplanıp topaklar (aglomerasyon) oluşturursa, bu bölgeler fayda sağlamak yerine tam tersi bir etki yaratır.
Sonuç: Kötü dağılmış CNT topakları, malzemenin içinde gerilim birikmesine neden olan zayıf noktalar, yani bir nevi "kusur" olarak davranır. Malzeme yüke maruz kaldığında, çatlaklar tam da bu zayıf noktalardan başlar. Bu nedenle, iyi bir dispersiyon mukavemeti ve esnekliği artırırken, kötü bir dispersiyon her iki özelliği de ciddi şekilde düşürür. Üretim yönteminin başarısı doğrudan dispersiyon kalitesine bağlıdır.
CNT takviyesinde "ne kadar çok eklersek o kadar iyi olur" düşüncesi geçerli değildir. Her kompozit sistemi için malzemenin mekanik özelliklerinin zirveye ulaştığı bir "optimal konsantrasyon" aralığı vardır.
Sonuç: Genellikle ağırlıkça %0.1 ile %5 arasında değişen bu eşiğin altında CNT miktarı, anlamlı bir iyileşme sağlamak için yetersiz kalır. Ancak bu eşik aşıldığında, CNT'lerin bir araya gelerek topaklanma olasılığı artar. Artan CNT miktarı, matrisin viskozitesini de yükselterek homojen dağılımı zorlaştırır. Sonuç olarak, aşırı CNT yüklemesi malzemenin daha kırılgan (gevrek) hale gelmesine ve hem mukavemetinin hem de esnekliğinin düşmesine neden olur. Mükemmel dengeyi bulmak, malzeme tasarımının en kritik adımıdır.
Yükün polimer matristen CNT'lere etkili bir şekilde aktarılabilmesi için aralarında güçlü bir bağ olması gerekir. Bu bağ ne kadar güçlüyse, CNT'ler de kendi bireysel mukavemetlerini kompozitin geneline o kadar iyi yansıtır.
Sonuç: Saf CNT'lerin yüzeyi genellikle pürüzsüzdür ve polimerlerle zayıf bir bağ kurar. Bu bağı güçlendirmek için CNT yüzeyleri kimyasal işlemlerle modifiye edilir. Bu işleme "fonksiyonelleştirme" denir. Fonksiyonelleştirilmiş CNT'ler, polimer matrise bir kanca gibi tutunarak çok daha güçlü bir arayüzey bağı (interfacial bond) oluşturur. Güçlü arayüzey, yük transferini maksimize ederek kompozitin hem mukavemetini hem de tokluğunu önemli ölçüde artırır.
Özetle, Karbon Nanotüpler bir kompozit malzemeye körü körüne bir sertlik ve güç katmaz. Doğru konsantrasyonda, iyi dağıtılmış ve matrisle güçlü bağlar kuracak şekilde tasarlandıklarında, malzemeye hem olağanüstü bir mukavemet hem de darbelere ve çatlaklara karşı beklenmedik bir esneklik ve direnç kazandıran çok fonksiyonlu bir takviye elemanı olarak çalışırlar.
