Bir kompozit malzemede matris, takviye elemanlarını (fiberler, partiküller) çevreleyen ve onları bir arada tutan ana malzemedir. Polimer bazlı kompozitlerde bu matris, kürlendiğinde (sertleştiğinde) katı bir yapı oluşturan bir reçinedir. Reçine;
Yükü takviye liflerine dağıtır,
Lifleri çevresel hasarlara (nem, kimyasallar, UV ışığı) karşı korur,
Malzemeye nihai şeklini ve yüzey kalitesini verir.
En yaygın kullanılan reçine türleri arasında epoksi, polyester, vinil ester (termosetler) ve polipropilen, poliamid (termoplastikler) bulunur.
Reçine matrisine eklenen nano tozlar (nanofiller), çok düşük ağırlık yüzdelerinde (%0.5 - %5) bile makro düzeyde devasa etkilere yol açar. Bunun nedeni, devasa toplam yüzey alanlarıdır. Başlıca kullanılan nano toz türleri şunlardır:
Karbon Nanotüpler (CNT'ler) ve Grafen Nanoplateletler (GNP'ler): Olağanüstü mekanik mukavemet, elektriksel ve termal iletkenlik sunarlar. Reçineleri daha güçlü, daha sert ve iletken hale getirirler.
Nano-Kil (Örn: Montmorillonit): Katmanlı yapıları sayesinde reçine içinde pul pul ayrılarak bir bariyer oluştururlar. Bu, malzemenin alev geciktiriciliğini, gaz geçirgenliğini ve mekanik özelliklerini iyileştirir.
Nano-Silika (SiO²): Küresel parçacıklar, reçinenin sertliğini, çizilme direncini ve aşınma direncini önemli ölçüde artırır. Ayrıca kürlenme sırasında malzemenin büzülmesini azaltır.
Metal Oksit Nanopartiküller (Al²O³, ZnO, TiO²):
Nano Alümina (Al²O³): Aşınma direncini ve termal iletkenliği artırır.
Nano Çinko Oksit (ZnO) ve Titanyum Dioksit (TiO²): Mükemmel UV emicilerdir, reçinenin güneş ışığı altında sararmasını ve bozulmasını engellerler. Ayrıca antibakteriyel özellikler katabilirler.
Gümüş Nanopartiküller (Ag): Reçinelere güçlü elektriksel iletkenlik ve antibakteriyel/antimikrobiyal özellikler kazandırır.
Nano tozların sihrinin ardında yatan birkaç temel mekanizma vardır:
Daha Güçlü Mekanik Özellikler: Nano parçacıklar, polimer zincirlerinin hareketini kısıtlayarak ve üzerlerine gelen yükü etkili bir şekilde dağıtarak reçinenin çekme mukavemetini, sertliğini (modülüs) ve darbe direncini artırır. Çatlakların ilerlemesini engelleyen minik bariyerler olarak görev yaparlar.
Artırılmış Termal Kararlılık: Nano parçacıklar, polimer zincirlerinin termal hareketini sınırlayarak malzemenin daha yüksek sıcaklıklarda bozulmadan dayanmasını sağlar. Bu, malzemenin camsı geçiş sıcaklığını (Tg) yükseltir.
Gelişmiş Bariyer Özellikleri: Özellikle nano-kil gibi pul benzeri yapılar, reçine içinde "labirent etkisi" yaratarak gaz (oksijen, nem) moleküllerinin malzeme içinden geçişini zorlaştırır. Bu, gıda ambalajlarından korozyon önleyici kaplamalara kadar birçok uygulama için kritiktir.
Aşınma ve Çizilme Direnci: Nano-silika veya nano-alümina gibi sert seramik nanopartiküller, yüzeyin sertliğini artırarak malzemenin çizilmelere ve aşınmaya karşı çok daha dayanıklı olmasını sağlar.
Yeni Fonksiyonellikler Kazandırma: Normalde yalıtkan olan bir epoksi reçine, karbon nanotüpler eklenerek elektriksel olarak iletken hale getirilebilir. Gümüş nanopartiküller eklenerek antimikrobiyal bir yüzey elde edilebilir. Nano-ZnO eklenerek UV koruması sağlanabilir.
Havacılık ve Uzay: Daha hafif ve daha güçlü uçak parçaları, yakıt verimliliği anlamına gelir. Nano-güçlendirilmiş kompozitler, yıldırım çarpmalarına karşı koruma için elektromanyetik kalkanlama da sağlar.
Otomotiv: Daha hafif araç bileşenleri, daha düşük emisyon demektir. Ayrıca çizilmeye karşı daha dayanıklı boyalar ve kaplamalar üretilir.
Rüzgar Enerjisi: Daha uzun ve daha hafif rüzgar türbini kanatları, daha verimli enerji üretimi sağlar. Nano-güçlendirilmiş reçineler, kanatların yorulma ömrünü ve dayanıklılığını artırır.
Spor Malzemeleri: Daha hafif ve daha sağlam bisiklet kadroları, tenis raketleri, golf sopaları ve hokey sopaları.
Denizcilik: Ozmos ve kabarmaya karşı daha dirençli, daha dayanıklı tekne gövdeleri.
Elektronik: Hassas bileşenler için statik elektriği dağıtan (ESD) ve elektromanyetik kalkanlama (EMI) sağlayan kaplamalar ve kasalar.
İnşaat: Daha dayanıklı ve korozyona uğramayan yapısal güçlendirme malzemeleri, koruyucu kaplamalar.
Bu teknolojinin en büyük zorluğu, nano tozların reçine içinde homojen bir şekilde dağıtılmasıdır (dispersiyon). Nanopartiküller, yüksek yüzey enerjileri nedeniyle birbirlerine yapışıp topaklanma (aglomerasyon) eğilimindedir. Bu topaklar, malzemenin içinde zayıf noktalar oluşturur. Bu nedenle, yüksek enerjili karıştırma, ultrasonikasyon ve yüzey modifikasyonu gibi ileri üretim teknikleri kritik öneme sahiptir.
Gelecekte, üretim süreçleri daha verimli hale geldikçe ve maliyetler düştükçe, nano tozlarla geliştirilmiş reçinelerin standart hale gelmesi beklenmektedir. Kendi kendini onaran, çevresel koşulları algılayabilen ve bu koşullara tepki verebilen "akıllı" kompozitler artık bilim kurgu olmaktan çıkıp gerçeğe dönüşmektedir. Bu devrimin kalbinde ise, reçine matrisine sihirli bir dokunuş katan o minicik tozlar yatmaktadır.
