Negatif yöndeki pozitif güç: Auxetic malzemeler

Auxetic malzemeler konvansiyonel malzemelere alternatif olarak dikkat çekmektedirler. Son yıllarda bu malzemelerle ilgili gittikçe artan bir literatür oluşmaktadır.

Auxetic malzemeler, konvansiyonel malzemelere kıyasla olağanüstü özelliklere sahiptirler, buna örnek olarak üstün enerji emiciliği, termal şok dayanımı, daha iyi kırılma dayanımı vb verilebilir. Pek çok mühendislik malzemelerinin özellikleri auxetic (negatif Poisson’s oranı) davranışı kazandırılarak geliştirilebilir. Negatif Poisson’s oranına sahip malzemeler teknik tekstillere ve kompozitlere daha iyi karakteristik özellikler sağlayabilir. Bu makalenin amacı auxetic malzemeler ile ilgili güncel araştırmaları derlemektir.

GİRİŞ
Çevremizde var olan bütün yapılar, fiziksel etkilere bünyesinde barındırdığı özellikler doğrultusunda birtakım tepkiler gösterir. Gözlemlenebilir bu tepkiler de değişken şartlarda, birbirinden farklı hale gelerek malzemelerin fizyolojisini belirler. Deneylere tabi tutulan malzemelerin birçoğu uygulanan deneylere mantıksal tepkiler verirken bir kısmı beklenilenin tam tersi şekillerde tepkiler vermektedir. Örneğin bazı malzemeler bilinenin aksine boyutsal değişim olarak zıt yönde davranmaktadır. Bu malzemeler çekildikleri yönde incelmek yerine şaşırtıcı bir şekilde kalınlaşabilmekte ya da tam tersi olarak genişlemeleri gereken durumda incelmektedir. Malzemelerin temel özelliklerinden olan Poisson oranının negatif saptandığı durumlarda bu malzemeler “auxetic” olarak adlandırılmaktadır. Auxetic özelliği, davranışı ya da malzemesi olarak da bilinen negatif Poisson değeri, malzemenin direk yapısında olabileceği gibi malzemeye sonradan da kazandırılabilir. Bu özellik, malzemeye birçok artı değer ve üstün özellik katabilir. Bir nevi yedikçe zayıflamak ya da aç kaldıkça şişmanlamak gibi basit olarak da anlaşılabilecek auxetic davranışı bu çalışmada genel olarak anlatılmıştır. Günlük hayatta görülmesi zor olan bu tip malzemelerin uygulama alanları üzerine yapılan çalışmalar sürekli artmakta ve yakın gelecekte birçok malzemenin -artı özellik olarak- auxetic davranışının vurgulanması beklenmektedir.

POISSON ORANI
Simeon Denis Poisson tarafından araştırılmaya başlanan Poisson oranı günümüzde hâlihazırdaki tüm malzemelerin önemli bir özelliği olmuştur. Poisson oranı, bir malzemede kuvvet uygulanan yöndeki kısalma miktarı ile diğer yöndeki uzama miktarı arasındaki bağıntıdır. Poisson oranı, bilinenin aksine, bazı malzemelerde negatif olabilirken birçok malzeme için pozitiftir. Poisson oranı lastik ve kauçuk gibi elastik malzemelerde pozitif yönde artış gösterirken, daha katı malzemelerde sıfıra yakındır. Çoğu malzeme için Poisson oranı -1 ile 0,5 arasında değişim göstermektedir. Örnek olarak, cam 0.240, bakir 0.355, kauçuk 0.50, teflon 0.399 Poisson oranına sahiptir.

NEGATİF POISSON ORANI
Geçtiğimiz yüzyılda negatif Poisson oranı hakkında bazı varsayımlar üzerinde durulmuş ve ayni zamanda ilk deneysel çalışma, 1987 yılında Rod Lakes tarafından negatif Poisson oranına sahip “foam” (köpük) yapılar üzerine yapılmıştır. Bu deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar “Science” dergisinde yayınlanmıştır. 1991 yılında Ken Evans, negatif Poisson oranına sahip malzemelerle ilgili genel olarak “auxetic” terimini kullanmıştır. Auxetic terimi Yunanca “auxetikos” tan gelmektedir ve “genişlemeye eğilimli” anlamında kullanılmaktadır. Auxetic malzemeler pozitif Poisson oranına sahip malzemelerin aksine sıra dışı bir özelliğe sahiptir. Bu malzemeler kuvvet uygulanan yönde genişler yani baskı yapılan yönde daralmaz ve daha çok genişler.

AUXETIC MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Hemen hemen bütün malzemelerde olduğu gibi auxetic malzemeler de doğal ve yapay olmak üzere iki gruba ayrılır. Diğer bir gruplandırma da malzemenin büyüklüğüne göre yapılabilmektedir. Sıvı kristal yapılardan (mikro moleküler seviye) petek yapılara (makro seviye) kadar farklı boyutlarda auxetic malzemeler mevcuttur. Doğal auxetic malzemelerden moleküler seviyedeki ilk auxetic malzeme demir sülfittir ve 19. yüzyılın başında bulunmuştur. Arsenik ve kadmiyum tek kristal auxetic yapılardandır. 1979 ve 1998 yıllarında iki ayrı araştırma grubu tarafından kübik metallerin %69 oranında auxetic yapıya sahip oldukları belirlenmiştir. Bu araştırma gruplarının çalışmaları neticesinde auxetic metallerden yapılan elektrotların piezoelektrik hassaslığının iki kat arttığı ortaya konmuştur. -cristobalite silis kristalinde auxetic özelliğe sahip doğal malzemelerdendir. Doğal auxetic malzemelere en ilginç örnekler: kedilerin derileri, inek meme derisi, semender derisi ve insan ağırlığını taşıyan süngerimsi insan kemiği (cancellous bone) gibi biomalzemelerdir.

Yapay auxetic sistemlere en çarpıcı örnek nükleer reaktörler için tasarlanan birbirine geçmiş tuğla biçimindeki (keyed brick) yapılar makro boyutta yapay auxeticlere örnektir. Hücresel auxetic yapıya ise 2-D silikon kauçuk petek (honeycomb) yapılar örnek gösterilebilir. Bu şekilde petek yapıların gerilme dayanımı arttırılabilmektedir. Artı özellik kazandırılmış poliüretan ve metalik köpüklerde de auxetic davranış görülmüştür. Bu tip köpüklerin en önemli avantajı esnekliliklerinin normal malzemeden fazla olmasıdır. Bu özellikte daha hassas küçük filtre üretiminde oldukça önemlidir. Diğer önemli auxetic malzemeler lif takviyeli kompozitlerdir. Bu tip kompozitler daha fazla darbe dayanımına sahip oldukları için uçak ve araba yapımında kullanılmaları planlanmaktadır. Poliproplen ve PTFE lifleri de auxetic özelliğe sahip olarak başarı ile üretilmiştir.

AUXETIC MALZEMELERİN AVANTAJLARI
Poisson oranı yukarıda da değinildiği gibi malzemenin birçok temel özelliğini doğrudan etkileyen bir değerdir. Çoğu malzeme pozitif Poisson oranına sahipken çok az sayıda negatif Poisson oranına sahip malzeme vardır. Pozitif ve negatif Poisson oranına sahip malzemeler kıyaslandıklarında negatif Poisson oranına sahip (auxetic) malzemeler birçok üstün özelliklere sahiptirler. Bu özelliklerin en başında sürtünme ve kopma dayanımı gelmektedir. Auxetic malzemeler üzerine yapılan deneysel ve modellemeye dayalı çalışmalar neticesinde üstün özellikleri aşağıdaki gibi sıralanmıştır.

• Daha iyi kayma modülü,
• Ekstra sürtünme dayanımı,
• Akustik davranış,
• Üstün enerji emme (darbe, ultrasonik ve sonik),
• Islak (yaş) verimlilik,
• Tutunma (ara yüzey/matris) dayanımı,
• Isıl darbe dayanımı,
• Kopma dayanımı.

AUXETIC MALZEMELERİN MÜHENDİSLİK UYGULAMALARI
Auxetic malzemeler üzerine hâlihazırda pek çok modelleme ve teorik çalışma yapılmasıyla birlikte son yıllarda uygulama ağırlıklı deneysel çalışmalar da yapılmıştır. Bu çalışmaların başında teknik tekstil uygulamaları gelmektedir. Bunlara örnek olarak, auxetic özelliğe sahip endüstriyel halatlar, kurşun geçirmez yelek, patlamaya dayanıklı perdeler, gözenek yapısından dolayı spor giysilerinde kullanımı, hassas filtreler, ekstra darbe ve kıvrılma özelliğine sahip teknik kompozitler, tıbbi tekstil uygulamaları (bandaj, ameliyat ipliği, yapay kas vb.), erozyon ve yol kaymalarını engelleyici geotekstiller, emniyet kemeri, sürtünme özelliğinin önemli olduğu özel giysiler verilebilir. Sonuç olarak auxetic özelliği katma değeri yüksek malzeme üretiminde yeni bir adım olarak görülebilir ve bu yeni özellik farklı malzemelerde uygulanarak mevcut malzemeler daha üstün özellikte ve davranışta yeniden tasarlanabilir. Auxetic sistemler, fonksiyonel uygulamaların gerektiği ileri mühendislik alanlarında teorik olarak kullanım üstünlükleri sunmakla birlikte uygulamalı mühendislikte de birçok olumlu sonuç vermiştir. Türkiye gibi sanayisi, tekstil ve otomotiv sektörü üzerine kurulu bir ülke de auxetic etkisinin bilinmesi ve gerekli çalışmaların yapılması bu sanayilerin geleceği açısından oldukça mühimdir. Her gecen gün artan küresel rekabette auxetic malzemelerin gelecek vaat eden potansiyeli göz ardı edilemez.

İnceleyin

seluloz-elyaflarin6

Selüloz Elyafların Kasar ve Boyanması Hakkında Genel Bilgi

Pamuk ve Viskon Elyafların işletmelerde boyanması ile ilgili dikkat edilecek hususlara pratik deneyimlerle bir nebze yardımcı olmaya ...

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir