Malzeme bilimi, modern teknolojinin en önemli ayaklarından biridir. Malzeme bilimindeki gelişmeler ve araştırmalar, 21. yüzyılın yüksek teknoloji alanında temelini oluşturan malzemelerin buluşuna yol açtı. Ancak bu gelişmeler ile birlikte özel karaktere sahip malzeme gereksinimi çok büyük bir hızla artmaktadır. Özellikle uzay taşıtlarındaki gereksinim olan, yüksek mukavemet ve ısıl direnç özelliğini sağlayan homojen bir malzemenin bulunamaması araştırmacıları yeni arayışlara yönlendirmiştir. Bu araştırmalar sonucunda Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler (FDM) ortaya çıkmıştır. FDM kavramını, dereceli yapısal fonksiyonlara sahip metal/seramik kompozisyonlu yeni bir malzeme olarak tanımlayabiliriz.
Bu malzeme çiftinden metal; tokluğa, elektrik iletkenliğine, işlenebilirliğe, seramik ise; düşük yoğunluğa, yüksek mukavemete ve ısıl dirence sahiptir. FDM, bu özellikleri bünyesinde taşır. FDM’de malzeme yapı ve kompozisyonu cismin içerisinde kademeli/dereceli olarak değişir.
En çok kullanılan FDM, bir metalden bir seramiğe doğru geçişin olduğu yapıdır (Şekil.1). Metallerin yüksek toklukları, işlenebilirlikleri ve bağ kurma yetenekleri ile; seramiklerin aşınma ve oksitlenme dirençleri gibi birbirinden farklı fonksiyonlar FDM sayesinde birleştirilebilir.
Şekil.1 – FDM’nin şematik gösterimi
FDM’nin Ortaya Çıkış Sebepleri
Yüksek sıcaklığın olduğu proseslerde, yüksek sıcaklığa maruz kalan malzeme, yüksek ısıl dirence sahip olan seramik ile kaplanmaktadır. Termal bariyer olarak adlandırılan bu sistem, beraberinde bazı sorunları da getirmektedir.
Termal bariyer uygulamalarında yüksek sıcaklığa maruz kalan seramik ve metalin termal genleşme katsayılarındaki yüksek uyumsuzluk nedeniyle bağlanma bölgesinde termal gerilmeler ortaya çıkar, sonuçta arayüz çatlakları ve kırılmalar meydana gelir (Şekil.2). Ayrıca yüksek sıcaklığa ilk maruz kalan kaplamanın en üst yüzeyinde de yüzeye dik kenar çatlakları görülmektedir (Şekil.3). Bu çatlaklara sebebiyet veren olay; termal kaplamanın en üst yüzeyindeki yatay gerilmedir.
Şekil.2 – Seramik kaplamanın şematik gösterimi ve çatlakların oluşumu
Şekil.3 – Kaplamanın en üst yüzeyindeki yatay gerilimler ve kaplamanın üst yüzeyine dik oluşan kenar çatlakları
Bu uyumsuzlukları minimuma indirmek, dolayısıyla ısıl gerilmeleri azaltmak amacıyla fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemelerdeki dereceli yapı, metali korozyon, oksidasyon ve aşınmaya karşı korumanın yanında, seramik kaplamada oluşan kırılmaları, arayüz ve yüzey çatlaklarını da minimuma indirmektedir.
FDM’den Yararlanılan Alanlar
1. Uzay ve Havacılık
FDM’lerin ortaya çıkış sebebi bu alandır. İyi ısıl iletkenlik ve iyi ısıl direnç gibi iki zıt özelliğin bir malzemede bulunabilmesi amacıyla FDM’ler geliştirilmiştir. Bu özellikler sayesinde hafiflik, mukavemet ve sağlamlık mümkün olmaktadır. Böylece FDM yapısal malzeme ve enerji değişim malzemesi olarak özellikle roket yapımında ve uzay araçlarının motorlarının dış duvarlarında halen kullanılmaktadır. İşleme tekniği geliştirilirse; FDM, uzay ve havacılık alanında çok daha geniş biçimde kullanılabilir.
2. Endüstriyel Malzemeler
FDM’nin endüstriyel malzemelerdeki uygulamalarının geliştirilmesi, araştırmaların ana hedeflerinden biri olmuştur. Endüstriyel malzemelerdeki uygulamalara örnek verecek olursak, derecelendirilmiş kesici kalemlerin geliştirilmesini gösterebiliriz. Gelişen uygulamalar ile birlikte kesici kalemlerin mukavemeti ve ısıl direnci yetersiz hale gelmeye başlamıştı. Bu durumu engellemek için kalem, iç kısmında çelik yoğunlukta, dış kısmında ise elmas yoğunlukta olacak şekilde tasarlandı. FDM’ler yüksek sıcaklık uygulamalarının yanında triboloji alanında da kullanılmaktadır. Sürtünme veya normal gerilmelerden kaynaklanan yüzey çatlaklarını geciktirmek FDM seramikler ile mümkündür.
3. Tıp
Kemikler ve dişler gibi yaşayan dokuların karakterleri fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler gibidir. Tıpta bu dokular yerine, orijinal biyo-doku amacına hizmet edecek uyumlu bir malzemeye ihtiyaç duyulur. FDM, bu uygulamalar için ideal bir malzeme adayıdır. FDM, diş ve kemik protezleri için dental ve ortopedik uygulamalarda geniş bir alan bulmuştur.
4. Savunma
FDM’nin en önemli özelliklerinden biri, çatlak yayılımını önleme kabiliyetidir. Bu özellik, zırh plakaları ve kurşun geçirmez yelekler için kullanılan penetrasyon dirençli malzemeler olarak savunma alanında faydalıdır.
5. Enerji
Enerji dönüşüm cihazlarında FDM kullanılmaktadır. Ayrıca termal bariyer sağlayıp, gaz
türbini motorunda türbin kanatlarında koruyucu kaplama olarak kullanılırlar.
6. Optoelektronik
İletişim alanında birçok çeşit FDM bulunmaktadır. FDM’lerin plastik optik fiberlerdeki uygulaması sonucunda zararlı olan çok hızlı iletim önlenebilmektedir. Geliştirilmesi durumunda FDM dünyadaki görsel iletişimi çok daha kaliteli hale getirebilecek yapıya sahiptir.
Kaynakça
1. “Functionally Graded Material: An Overview”, Rasheedat M. Mahamood, Esther T.
2. “İleri Teknoloji Malzemeleri”, Ayşegül Aydoğan Eker.
3. “Functionally Graded Materials”, Temel Varol, Aykut Çanakçı, Fatih Erdemir, Serdar
Özkaya
4. “Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler ve Kullanım Alanları”, Hikmet Alagöz, Müfit Gülgeç, Aylin Konez
5. “Functionally Graded Composite Materials: An Overview”, Gururaja Udupa, S. Shrikantha Rao, K.V. Gangadharan
Yorumlar