Nano tozlu kompozitlerde uygulanan ısı ile işlem yöntemleri, kompozitin matris malzemesine (termoset polimer, termoplastik polimer, metal veya seramik) göre değişiklik gösterir. Başlıca yöntemler şunlardır:
Termoset polimerler (epoksi, polyester, fenolik reçineler vb.), ısı veya kimyasal reaksiyonlarla sertleşen ve geri döndürülemez bir yapıya kavuşan malzemelerdir.
Kürleme: Bu işlem sırasında, sıvı reçine ve sertleştirici arasındaki kimyasal reaksiyonlar (çapraz bağlanma) başlar ve malzeme katı hale geçer. Nano parçacıkların varlığı, bu reaksiyonun hızını ve ilerleyişini etkileyebilir. Isı, bu reaksiyonu başlatmak ve hızlandırmak için bir katalizör görevi görür. Kontrollü bir sıcaklık rampası, malzemenin içinde homojen bir ağ yapısının oluşmasını sağlar.
Son Kürleme (Post-Curing): İlk kürlemenin ardından, malzemeyi genellikle camsı geçiş sıcaklığının (Tg) üzerinde bir sıcaklığa uzun süre maruz bırakma işlemidir.
Amacı: İlk kürlemede tamamlanmamış olan çapraz bağ reaksiyonlarını tamamlamak. Bu, malzemenin mekanik mukavemetini, termal kararlılığını ve kimyasal direncini en üst seviyeye çıkarır.
Nano Tozların Rolü: Nano parçacıklar, polimer zincirlerinin hareketliliğini kısıtlayabilir. Son kürleme, zincirlere bu engellerin etrafında hareket etmek ve daha fazla çapraz bağ oluşturmak için gereken enerjiyi verir. Bu, nano parçacıklar ile polimer matrisi arasında daha güçlü bir arayüzey bağı oluşmasını sağlar.
Tavlama, malzemeyi belirli bir sıcaklığa kadar ısıtma, orada bir süre tutma ve ardından yavaşça soğutma işlemidir.
Termoplastik Kompozitlerde:
Amacı: Malzemenin üretimi sırasında oluşan iç gerilmeleri azaltmak, kristal yapıyı mükemmelleştirmek ve boyutsal kararlılığı artırmak.
Nano Tozların Rolü: Nano parçacıklar, polimer zincirlerinin kristalleşmesi için çekirdeklenme merkezleri olarak işlev görebilir. Tavlama, polimer zincirlerine bu çekirdeklerin etrafında daha düzenli ve büyük kristal yapılar oluşturma fırsatı tanır. Bu da malzemenin sertliğini ve aşınma direncini artırır.
Metal Matrisli Kompozitlerde:
Amacı: Malzemenin sünekliğini artırmak (gevreklikten kurtarmak), iç gerilmeleri gidermek ve mikro yapıyı homojenleştirmek.
Nano Tozların Rolü: Isıl işlem sırasında nano parçacıklar (örneğin, alümina, silisyum karbür), metal matrisin tane (kristal) boyutunun aşırı büyümesini engelleyerek malzemenin mukavemetini korur (tane sınırı güçlenmesi).
Sinterleme, toz halindeki partikülleri, erime noktasının altındaki bir sıcaklıkta ısıtarak birbirine kaynaştırma ve katı bir kütle oluşturma işlemidir.
Amacı: Toz karışımından yoğun, gözeneksiz ve mekanik olarak sağlam bir yapı elde etmek.
Nano Tozların Rolü:
Daha Düşük Sinterleme Sıcaklığı: Nano boyutlu tozlar, yüksek yüzey alanları sayesinde daha düşük sıcaklıklarda sinterlenmeye başlar. Bu, enerji tasarrufu sağlar ve matris malzemesinin tane boyutunun kontrol altında tutulmasına yardımcı olur.
Gelişmiş Mekanik Özellikler: Nano boyutlu takviye parçacıkları (örneğin, zirkonya, karbon nanotüpler), seramik matrisin sinterlenmesi sırasında tane büyümesini engelleyerek ve çatlak ilerlemesine karşı bir bariyer oluşturarak nihai ürünün kırılma tokluğunu ve sertliğini önemli ölçüde artırır.
Sıcaklık ve Süre: Her kompozit sistemi için optimum bir sıcaklık-zaman profili vardır. Çok yüksek sıcaklıklar polimerin bozunmasına veya metalin erimesine neden olabilirken, çok düşük sıcaklıklar reaksiyonların tamamlanamamasına yol açar.
Isıtma ve Soğutma Hızları: Özellikle tavlama işleminde yavaş soğutma, iç gerilmelerin oluşmasını engellemek için kritik öneme sahiptir.
Nano Tozların Dağılımı (Dispersiyon): Eğer nano parçacıklar matris içinde iyi dağılmamış ve topaklanmışsa, ısı ile işlem sırasında bu bölgeler gerilim yığılma noktaları oluşturarak malzemenin zayıflamasına neden olabilir.
Atmosfer: Sinterleme gibi bazı işlemler, malzemenin oksitlenmesini önlemek için inert (örneğin, argon) veya vakumlu bir atmosferde yapılmalıdır.
Nano tozlu kompozitler, ham halde bile etkileyici özellikler sunabilirler. Ancak onların gerçek potansiyelini ortaya çıkaran, bilim ve mühendisliğin birleştiği kontrollü ısı ile işlem yöntemleridir. Kürlemeden sinterlemeye kadar her bir ısıl adım, malzemenin mikro yapısını şekillendirir, atomik bağları güçlendirir ve nano parçacıklarla matris arasında mükemmel bir sinerji yaratır.
Havacılıktan otomotive, elektronikten biyomedikal uygulamalara kadar, en yüksek performansı gerektiren alanlarda kullanılan gelişmiş kompozit malzemelerin arkasında, malzemenin "pişirildiği" bu hassas ve kritik ısıl işlemler yatmaktadır. Gelecekte, daha akıllı ve dinamik ısı ile işlem teknikleri, nano kompozitlerin yeteneklerini daha da ileriye taşıyarak günümüzün malzeme sorunlarına yenilikçi çözümler sunmaya devam edecektir.
