Grafen ve Kompozitler
2004 yılında grafenin bulunuşu Manchester Üniversitesi’nden Andrei Gejm ve Konstantin Novosiol’e Nobel Fizik Ödülü’nü getirmişti ve bu buluşun ardından yeni teknolojiler için umut verici malzemeler arasında yer alan grafen pek çok alanda kullanılmaya başlandı. Bu
alanlardan biri de kompozitlerdir.
Grafen nedir?
Karbon atomonun bal peteği yapıların bir tanesine grafen adı verilir. Aynı zamanda grafen; altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş tek atom kalınlığında bir karbon atomu tabakası olarak da tanımlanabilir.
0.142 nanometre moleküler bağ uzunluğuna sahip sp2-bağlı atomların bir düzlemi şeklinde bir karbon allotropu olan grafen, mucizevi bir madde olarak tanımlanır ve hayatımızı değiştiren birçok üründe de bulunmaktadır.
Grafenin Özellikleri ve Kullanım Alanları
Grafenin üstün elektrik özelliklerine sahiptir fakat tek özelliği bu değildir. Aynı zamanda güçlü karbon bağlara sahip olduğu için grafen, bilinen en güçlü malzemelerden biridir ve aynı zamanda ısıyı da çok iyi iletir hatta elmastan daha iyi bir ısı iletkenidir.
Grafenin bir diğer üstün özelliği ise kolayca esneyebilmesi ve böylece çeşitli formlardaki malzemelerin yüzeyleri de kolaylıkla grafen ile kaplanabilmektedir. Tüm bu özellikleri ile grafen dünyada çığır açacak bir malzeme olarak adlandırılmaktadır.
Yeni teknolojik ürünlerin geliştirilmesine de katkı sağlayan grafen özellikle sağlık alanında kullanılan önemli ürünlerde bulunmaktadır. Kullanıldığı alanların bazılarını aktaracak olursak örneğin; diyabet kontrolüne, kanser tedavisine, kanserli hücrelerin erken teşhis edilmesine grafen destek olmaktadır.
Sağlık alanında bir diğer kullanım alanı ise diş ve kemiklerin tedavisidir ve yine genetik hastalıkların tedavisinde de grafenden yararlanılabilmektedir. Yapılan çalışmalar gelecekte de grafenden; otomotiv, havacılık sektörü, elektrik-elektronik sektörü, robot yapımı, enerji depolama, telekomünikasyon, biyokimya, tıp, güneş hücreleri gibi birçok alanda yararlanılmaya devam edileceğini göstermektedir. Özellikle grafenin etkili olduğu alanlardan biri son yıllarda üzerinde çokça çalışmaların da yapıldığı süper kapasitörlerdir.
Yeniden şarj edilebilir pillere benzer bir şekilde enerji depolayabilen sistemler olan süper
kapasitörlerde, grafenden yararlanılmaktadır. Aynı zamanda grafen, vücut içerisinde bulunabilen iyonik sıvılarda bozulmaz ve bu da onu biyonik kol, göz vb. organ teknolojileri için tercih edilebilecek bir malzeme haline getirir. Grafenden elektronik cihazlarda da yararlanılmaktadır.
Örneğin; giyilebilir elektronik cihazlarda akü görevi görmektedir, güneş pillerinde de yine grafen kullanılmaktadır. Grafen aynı zamanda kompozit ve polimerler de takviye
malzemesi olarak da kullanılabilmektedir.
Grafen Takviyeli Kompozitler
Kompozitler birden fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır ve kompozitlerde istenilen özelliklere göre takviye malzemeler seçilmektedir. Yüksek mukavemete sahip kompozit malzemelerin geliştirilmesinde grafenden yararlanılabilir.
Polyester, alüminyum, titanyum, magnezyum gibi matris malzemelerine grafen takviye edilerek kompozitlerden sıklıkla yararlanılan otomotiv, tramvay, tren, uçak, uzay ve havacılık sektörleri için yeni nesil kompozitler üretilebilecektir.
Son zamanlarda nanopartiküllü kompozitlerin kullanımı da giderek artmaktadır. Nanopartikül olarak nano grafen de kullanılabilmektedir ve nano grafenin takviye olarak kullanılmasının sağladığı en önemli özellik; statik elektriğe çözüm bulmasıdır. Statik
elektrik kompozitin kullanıldığı birçok alanda sorun yaratabilmektedir.
Örneğin; rüzgar tribünlerinin bıçaklarında oluşan statik elektrik kablolara ve jeneratörlere
zarar verebilmektedir. Epoksi döşemelerde de statik elektrik eğilimi olduğundan yangınlar yaşanabilmektedir. Nano grafenin eklenmesi ile ise statik elektrik sorunu çözülebilir. Polimerlere ve polyester reçinelere nano grafen eklenmesi ile anti-statik özellikli
kompozitler ve reçineler üretilebilmektedir.
Grafenin termal iletkenliği oldukça yüksek olduğu için polimerlerin içine yüzde 1 oranında grafen katılması, polimerleri iletken hale getirmektedir.
Grafen Takviyeli Polyester Kompozitler
Polyester yüksek mekanik özellikler sunduğu için kompozit üretiminde sıklıkla kullanılan bir malzemedir. Yapılan çalışmalarda grafen, grafit ve grafen oksit takviyeli eklenerek polyester matrisli kompozit malzemeler üretilmiş ve bu malzemelerin özellikleri incelenmiştir.
Yapılan testler sonucunda; grafen takviyeli polyester kompozitlerin sertlik, çekme dayanımı,
darbe dayanımı gibi mekanik özelliklerde iyileşme gözlemlenmiştir. Yine yapılan çalışmalar sonucunda dayanım mukavemetinin yükseldiği, grafit miktarı ile doğru orantılı olarak termal bozulma sıcaklıklarının arttığı, yine grafit ile doğru orantılı olarak termal iletkenliğin de arttığı gözlemlenmiştir.
Polyester matris ile grafen oksit ve grafit farklı bir kimyasal bağ oluşturmuştur ve bu kimyasal etkileşim sayesinde toplam bileşik performansın da yükseldiği görülmüştür. Bu çalışma sonucunda özellikle grafenin termal, elektriksel ve mekanik özelliklerinin polyester
matrisli kompozitlere yüksek özellikler kattığı ve nanokompozit üretiminde farklı polimer matrisler içerisine eklenerek yüksek özellikli kompozitler elde edilebileceği görülmüştür. (2)
Grafen Takviyeli Alüminyum Kompozitler
Alüminyum kompozitlere de grafen takviye edilmesiyle ilgili çalışmalar yapılmış ve bu yeni malzemenin özellikleri incelenmiştir. Yine yapılan çalışmaların sonucunda kompozite grafen takviye edilmesinin, kompozitin mekanik özellikleri üzerinde olumlu bir etkisi olduğu saptanmıştır.
Fakat bu olumlu sonuç %0.5’e kadar bir grafen takviyesi yapıldığında elde edilmiştir. Bu orandan fazla bir grafen takviyesi yapıldığında ise grafenin topaklanma eğilimine girdiği ve
mekanik özelliklerin olumsuz etkilendiği görülmüştür.
Belirlenen oranın üstüne çıkılmadığı takdirde alüminyum kompozitlerin çekme dayanımında artış görüldüğü, aşınma dayanımının artığı, sürtünme katsayısının düştüğü gözlemlenmiştir. Aynı zamanda grafen seramiklerle birlikte, alüminyum matris içerisinde aşınma dayanımı yüksek kompozitlerin üretiminde de kullanılmaktadır. (3)
Sonuç olarak, Nobel ödülü kazandıran bu malzemenin buluşu kompozit sektörü tarafından da yeni nesil kompozitlerin üretilmesinde olumlu bir gelişme olarak değerlendirilmektedir.
Son yıllarda nanoteknolojinin de etkisi ile kompozit üretiminde gelişmeler yaşanmaktadır.
Nano grafitin kompozit malzemelerde takviye olarak kullanımının gelecek yıllar içinde artacağı ve daha fazla sektörün bu gelişmelerden yararlanacağı öngörülmektedir.
Kaynak
(1) Graphene-based Composite Materials – Mohammad Ali Rafiee
(2) Polyester/Grafen Kompozitlerin Mekanik ve Termal Özelliklerinin İncelenmesi – Azime SUBAŞI, Merve ZURNACI, Aliye KAHYAOĞLU, Elif DEMİR
(3) Grafen Takviyeli Alüminyum Matrisli Yeni Nesil Kompozitler – Mahmut Can Şenel, Mevlüt Gürbüz, Erdem Koç
https://nanokar.com/blog/makale/Grafen-Takviyeli-Kompozitve-Polimer-Malzemeler-160.html
https://tr.wikipedia.org/wiki/Grafen
Derleyen: Nilsu Kotil
