Altın nanoparçacıklar, kompozit bir malzemenin (genellikle bir polimer veya seramik matris) içine eklendiğinde, mekanik davranışı çeşitli yollarla etkileyebilir:
Çatlak İlerlemesini Engelleme: Nano boyutlardaki parçacıklar, malzeme içinde ilerlemeye çalışan bir mikro-çatlak için birer engel görevi görür. Çatlağın bu engellerin etrafından dolaşması veya onları aşması için daha fazla enerji gerekir.
Arayüzey Güçlendirmesi: AuNP'ler, kompozitin ana matrisi ile dolgu malzemesi (örneğin, fiberler) arasındaki bağı güçlendirerek yükün daha etkin dağılmasını sağlayabilir.
Sürtünme Modifikasyonu: Aşınma sırasında yüzeyde oluşan "tribofilm" tabakasının özelliklerini değiştirerek sürtünme katsayısını ve malzeme kaybını etkileyebilirler.
Bu teorik faydaların pratikte ne anlama geldiğini ve malzemenin ne kadar "daha iyi" hale geldiğini anlamak için standartlaştırılmış testler uygulamak zorunludur.
Bu testler, bir malzemenin çatlak varlığında kırılmaya karşı ne kadar dirençli olduğunu, yani kırılma tokluğunu ölçer.
Amaç: Malzemenin ani ve şiddetli bir darbeye maruz kaldığında ne kadar enerji sönümleyebildiğini ölçmek. Yüksek darbe enerjisi, malzemenin "tok" yani darbelere karşı dayanıklı olduğunu gösterir.
Nasıl Yapılır? Standart boyutlarda hazırlanan çentikli bir numuneye, sarkaçlı bir çekiçle (Charpy testinde yatay, Izod testinde dikey olarak) kontrollü bir darbe uygulanır. Sarkaçın darbeden sonra ne kadar yükseldiği ölçülerek, numunenin kırılması için ne kadar enerji harcandığı (yutulduğu) hesaplanır.
Nano Altının Etkisi: İyi dağılmış AuNP'ler, darbe enerjisini matris içinde dağıtarak ve mikro-çatlakların birleşip büyük bir kırığa dönüşmesini engelleyerek sönümlenen enerji miktarını artırabilir. Bu da malzemenin darbe dayanımını yükseltir.
Amaç: Malzemenin, ucunda zaten bir çatlak bulunan bir numunenin kontrollü bir şekilde çekilmesi sırasında, bu çatlağın ilerlemeye başladığı andaki gerilim direncini ölçmek. Bu, malzemenin doğal kusurlara karşı ne kadar toleranslı olduğunu gösteren kritik bir mühendislik parametresidir.
Nasıl Yapılır? Ucunda bilinen boyutta ve keskinlikte bir "ön-çatlak" oluşturulmuş özel numuneler, bir çekme test cihazına bağlanır. Numune yavaşça çekilirken, çatlağın aniden ilerlemeye başladığı andaki yük kaydedilir. Bu değer, numunenin geometrisiyle birlikte kullanılarak KIc? değeri hesaplanır.
Nano Altının Etkisi: AuNP'ler, çatlak ucundaki gerilim yığılmasını dağıtır. Çatlak ilerlemeye çalıştığında, nanoparçacıklara rastlayarak yolunu değiştirmeye (çatlak sapması) veya parçacıkları matristen sökmeye (çatlak köprüleme) zorlanır. Tüm bu mekanizmalar, çatlağın ilerlemesi için gereken enerjiyi artırır ve dolayısıyla malzemenin KIc? değerini, yani kırılma tokluğunu yükseltir.
Bu testler, bir malzemenin başka bir yüzeyle temas halindeyken tekrarlanan sürtünme hareketlerine karşı ne kadar dirençli olduğunu, yani aşınma direncini inceler.
Amaç: Kontrollü koşullar altında (belirli bir yük, hız ve sürede) malzemenin sürtünme katsayısını ve aşınma oranını (hacimsel malzeme kaybı) ölçmek.
Nasıl Yapılır? Test edilecek kompozit malzemeden yapılan düz bir disk, belirli bir hızda döndürülür. Bu diskin üzerine, ucu genellikle sert bir malzemeden (örneğin, çelik veya seramik bilye) yapılmış bir "pin" (iğne/çubuk), bilinen bir yükle bastırılır. Test süresince sürtünme kuvveti ölçülür ve test sonunda disk yüzeyinde oluşan aşınma izinin hacmi hesaplanarak aşınma oranı bulunur.
Nano Altının Etkisi: AuNP'ler, sürtünme sırasında yüzeyde oluşan ve iki yüzey arasında etkileşime giren ince transfer tabakasının (tribofilm) yapısını değiştirebilir. Bazı durumlarda, AuNP'ler katı bir yağlayıcı görevi görerek sürtünme katsayısını düşürebilir. Ayrıca, matrisin tokluğunu artırarak yüzeyden parça kopmasıyla oluşan aşındırıcı aşınmayı azaltabilirler.
Amaç: Malzemenin çok küçük bir bölgesindeki (mikro/nano ölçekte) sertlik, elastisite modülü ve çizilme direncini ölçmek.
Nasıl Yapılır?
Nanoindentasyon: Elmas gibi çok sert ve sivri bir uç, malzemenin yüzeyine mikronewton seviyesinde hassas bir yükle bastırılır ve geri çekilir. Bu sırada ucun malzemeye ne kadar battığı (penetrasyon derinliği) sürekli olarak kaydedilir. Yük-derinlik eğrisinden malzemenin sertliği ve elastik modülü gibi temel mekanik özellikleri hesaplanır.
Nanoscratch (Nano-çizik): Uç, yüzeye bastırılırken aynı zamanda belirli bir mesafe boyunca yanal olarak hareket ettirilir. Bu sırada oluşan çizik derinliği ve sürtünme kuvvetleri ölçülerek malzemenin çizilme direnci, adezyon kuvvetleri ve sürtünme davranışları hakkında detaylı bilgi edinilir.
Nano Altının Etkisi: Bu testler, AuNP'lerin polimer matrisin sertliğini lokal olarak nasıl artırdığını doğrudan ölçebilir. Nanoscratch testi, AuNP'lerin yüzeyin çizilmeye karşı direncini ne ölçüde iyileştirdiğini net bir şekilde ortaya koyar.
Sonuç: Kırılma ve aşınma testleri, nano altın takviyeli kompozitlerin geliştirme sürecinde vazgeçilmez birer araçtır. Bu testler, malzeme bilimcilere ve mühendislere, nanoparçacıkların konsantrasyonunu, boyutunu ve dağılımını optimize ederek bir malzemenin mekanik performansını nasıl en üst düzeye çıkaracakları konusunda kritik veriler sunar. Sadece laboratuvarda "ilginç" bir malzeme üretmek yerine, bu testler sayesinde gerçek dünyadaki zorlu koşullara dayanabilecek, daha uzun ömürlü, daha güvenli ve daha güvenilir kompozitlerin tasarlanması mümkün hale gelmektedir.
