Lif Destekli Polimer Kompozitlerdeki Hasara Karşı Yeni Yaklaşım

ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) bir ekip, havacılık ve altyapıdan rüzgar türbinlerine kadar her şeyde kullanılabilen ve lif destekli polimer (Fiber-Reinforced Polymers – FRPs) olarak bilinip yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerdeki değişiklikleri izlemek için bir araç geliştirdi. Bu malzemelere entegre edilen yeni araç, zaman geçtikçe oluşan hasarın ölçülmesine yardımcı olabilir.

Geliştirilen yeni aracın yorulmaya daha dayanıklı kompozitleri geliştirmede yardımcı olacağı belirtilmiştir. Araç sayesinde liflerin ne zaman kırılmaya başladığını görebildiklerini belirten araştırmacılar artık hasarı ölçebilecekleri bir yolları olduğunu belirtmişlerdir.

60’lı yıllardan bu yana bilim insanları fiber destekli polimerleri daha hafif ve daha güçlü hale getirmenin yollarını denemişlerdir. Bu da genellikle lif ve reçine arasındaki bağı test etmek anlamına gelmekteydi. NIST ekibi daha önce yaptığı bir çalışmada, mekanik kuvvetin etkisinden sonra malzemelere floresan küçük moleküller eklemeyi denedi. Renkleri değiştirilerek veya aydınlatılarak mechanophores olarak adlandırılan bu moleküllerin, elyaf ve reçine arasındaki küçük nanometre boyutlu açıklıkları veya çatlakları tanımlamaya yardımcı olabileceği tahmin edilmekteydi.

Lif Destekli Polimer Malzemeye Mechanophore Eklenmesi

Ekip kompozit reçineye mechanophore adını verdikleri molekülleri ekleyerek daha önceki çalışmalarında ulaştıkları başarıyı bir adım daha ileri götürdü. Çıplak gözle fark edilmese de, bu son yaklaşım bilim adamlarının lif destekli polimerlerin hasar boyutlarını ölçmek için özel mikroskopik görüntüleme teknikleri kullanmalarına izin vermektedir. Yaklaşım, lif destekli polimerlerin fiziksel özelliklerinde kayda değer bir değişikliğe neden olmayan rodamin adı verilen bir floresan boyanın yok denecek kadar az miktarını içermektedir.

Yeni geliştirilen bu mechanophore, lif destekli polimer malzemelerden yapılmış yapılara gömülürse, yorulma boyutlarını görebilmek adına uygulanan testler daha hızlı ve uyguna tamamlanabilir. Rüzgar türbinleri gibi yapılarda, inşa edildikten yıllar sonra bile iç çatlaklar kolayca taranabilir.

Geçmişte polimer kompozitlerde hasarın büyük çoğunluğunun kırılma noktasında gerçekleştiği sanılmaktaydı. Geliştirilen bu yeni malzeme sayesinde farklı bir gelişme daha ortaya çıkarıldı. Araştırma baş yazarlarından Jeremiah Woodcock, bir lif kırıldığında malzeme boyunca şok dalgası gönderdiğinin farkına varıldığını açıklamıştır. Ulaşılan bu yeni bilgi ile hasarın büyük çoğunluğunun kırılma noktasında değil, bütün malzeme boyunca hissedildiği fark edilmiştir.

Araştırma yazarlarından Woodcock, bu yeni geliştirme sayesinde çatlak meydana geldiği anda malzemeye bakıldığında çatlağın etrafında ışık halkası gözükeceğini bildirmiştir. Araştırmacılar bu bilgi sayesinde de çatlaktan çok uzak yerlerde de ışık halkası tespit etmişlerdir. NIST ekibinin mechanophore araştırması, mevcut testlerin materyalin gücüne istemeden zarar verdiğini ve tasarımcıların ve mühendislerin lif destekli polimerleri tasarlamalarını kolaylaştırdığını da fark etti. BU mechanophore malzemesinin kullanılması, enerji ve üretim maliyetlerini düşürebildiği için polimer malzemelerinin sanayi alanında kullanımlarını da arttırabilir.