Bir jet motorunun içi, volkanik lavlardan daha sıcaktır. Modern türbinler 1400-1500 derece sıcaklıklarda çalışırken, onları oluşturan süper alaşım metaller yaklaşık 1300 derecede yumuşamaya başlar. Fizik kurallarına göre bu motorun erimesi gerekirdi. Peki, nasıl oluyor da erimiyor?
Cevap, metal yüzeyine uygulanan ve ısıyı bloke eden mikroskobik bir battaniyede gizli: Termal Bariyer Kaplama (TBC). Bu teknolojinin zirvesi ise nanoteknoloji ile güçlendirilmiş Nano Zirkonyum Oksit (Nano-YSZ) kaplamalardır.
Bu yazımızda, nano boyutlu zirkonyumun ısıyı nasıl hapsettiğini, neden standart seramiklerden daha üstün olduğunu ve havacılıktan enerjiye kritik kullanım alanlarını inceliyoruz.
Basitçe anlatmak gerekirse; soğuk bir kış günü elinize aldığınız sıcak kahve bardağını tutmanızı sağlayan karton kılıf neyse, jet motoru için TBC odur. Metal parçayı (türbin kanadını), içerideki yanıcı gazların aşırı ısısından koruyan yalıtkan bir seramik katmandır.
Bu sistem genellikle 3 katmandan oluşur:
Metal Alt Katman (Bond Coat): Seramiğin metale yapışmasını sağlar ve paslanmayı önler.
Termal Oksit (TGO): Ara yüzeyde oluşan doğal koruyucu tabaka.
Seramik Üst Katman (Top Coat): Isıyı durduran asıl kahraman (Zirkonyum Oksit).
Endüstride yıllardır standart zirkonyum tozu kullanılıyor. Ancak malzemeyi nano boyuta (100 nanometrenin altına) indirdiğinizde, malzemenin termal özellikleri dramatik şekilde iyileşir.
Isı, malzeme içinde titreşimler (fononlar) yoluyla yayılır. Nano yapılı zirkonyum oksitte o kadar çok tane sınırı (grain boundary) vardır ki, ısı dalgaları sürekli bir duvara çarpıp geri döner.
Sonuç: Nano kaplama, standart kaplamaya göre ısıyı %20-30 daha az iletir. Bu, motorun metal parçalarının 100-150 derece daha serin kalmasını sağlar.
Uçak motorları aniden ısınır ve soğur (Kalkış ve İniş). Standart seramikler bu genleşip büzülmeye dayanamaz ve çatlar (Spallation).
Nano Farkı: Nano parçacıklar daha sıkı paketlenir ancak aralarındaki mikroskobik gözenekler sayesinde "esneme payı" bırakır. Isındığında genleşen metalle birlikte hareket eder, çatlamaz ve dökülmez.
Motorun içine giren toz, kum veya volkanik kül, türbin kanatlarını zımpara gibi aşındırır. Nano zirkonyum oksit, mikro yapıya göre çok daha serttir ve bu parçacıkların çarpmasına karşı 3 kat daha dirençlidir.
Nano Zirkonyum Oksit (genellikle İtriyum ile stabilize edilmiş haliyle YSZ), en zorlu mühendislik alanlarında kullanılır.
Bir F-16 veya milli muharip uçağımız KAAN'ın motorunu düşünün. Pilot "afterburner"ı açtığında sıcaklık zirveye çıkar.
Uygulama: Türbin kanatçıkları (blade) üzerine plazma sprey yöntemiyle nano zirkonyum oksit kaplanır.
Fayda: Bu kaplama sayesinde motor, metalin erime noktasının üzerindeki sıcaklıklarda çalıştırılabilir. Motor ne kadar sıcak çalışırsa, o kadar yüksek itki (thrust) ve verim sağlar.
Elektrik santrallerinde kullanılan devasa türbinler, 7/24 çalışmak zorundadır.
Uygulama: Yanma odası (combustor) duvarları nano TBC ile kaplanır.
Fayda: %1'lik bir verim artışı bile yılda milyonlarca dolarlık yakıt tasarrufu demektir. Nano kaplama, bakım aralıklarını 2 yıldan 3 yıla çıkararak santralin duruş maliyetini düşürür.
Sadece uçaklar değil, gemi ve tank motorları da bu teknolojiden yararlanır.
Uygulama: Piston tepeleri zirkonyum oksit ile kaplanır.
Fayda: Isı, pistonu ısıtmak yerine yanma odasında kalır ve egzoz gazına daha fazla enerji verir (Adyabatik motor prensibi). Bu, motorun gücünü artırırken soğutma sistemine binen yükü azaltır.
Bu tozu fırçayla süremezsiniz. Nano Zirkonyum Oksit tozları, Atmosferik Plazma Sprey (APS) adı verilen robotik sistemlerle uygulanır. Tozlar, 10.000 derecelik bir plazma alevinin içine püskürtülür, erir ve sesten hızlı bir şekilde metal yüzeye çarparak anında donar.
Nano Zirkonyum Oksit, modern makinelerin kalbini koruyan görünmez bir kalkandır. Havacılık ve savunma sanayisinde "daha hızlı, daha güçlü ve daha verimli" olmanın yolu, motoru büyütmekten değil, bu mikroskobik seramik zırhı kullanmaktan geçer. Nanokar gibi ileri malzeme üreticileri için bu tozlar, stratejik öneme sahip "geleceğin hammaddesi"dir.
