İletken Kompozit Nedir? Matris ve Dolgu Malzemeleri

İletken Kompozit Nedir? Matris ve Dolgu Malzemeleri

İletken Kompozit: Temel Yapı

Bir iletken kompozit, temel olarak iki ana bileşenden oluşur:

1. Matris Malzemesi (Ana Malzeme): Kompozitin ana gövdesini oluşturan, yapısal bütünlüğü, dayanıklılığı ve şekli veren malzemedir. Genellikle elektrik yalıtkanıdır.
2. Dolgu Malzemesi (Takviye Malzemesi): Matrisin içine dağıtılan ve kompozite asıl iletkenlik özelliğini kazandıran malzemedir.

Bu iki bileşenin birleşimi, tek başlarına sahip olmadıkları benzersiz bir özellik kombinasyonu yaratır: Matrisin mekanik gücü ve hafifliği ile dolgu malzemesinin elektriksel iletkenliği. Bu sinerji, iletken kompozitlerin temelini oluşturur.

---

Matris Malzemeleri: Kompozitin Omurgası

Matris, dolgu malzemesini bir arada tutan ve dış etkenlere karşı koruyan iskelettir. Seçimi, kompozitin mekanik dayanımını, sıcaklık direncini, kimyasal kararlılığını ve maliyetini doğrudan etkiler.

1. Polimer Matrisler (En Yaygın)

Polimerler, hafiflikleri, işleme kolaylıkları ve düşük maliyetleri nedeniyle en sık tercih edilen matris malzemeleridir.

• Termoset Polimerler: Kürleştikten sonra tekrar eritilemeyen sert ve dayanıklı plastiklerdir. Yüksek sıcaklık ve kimyasal dirençleri ile öne çıkarlar.
  • Örnekler: Epoksi (yüksek yapışma ve mekanik dayanım), Fenolik reçineler (mükemmel alev geciktiricilik), Polyester.
• Termoplastik Polimerler: Isıtıldıklarında yumuşayan ve tekrar tekrar şekillendirilebilen plastiklerdir. Geri dönüştürülebilirlikleri ve darbe dayanımları yüksektir.
  • Örnekler: Polikarbonat (PC), Polipropilen (PP), PEEK (yüksek performanslı, sıcaklığa dayanıklı), ABS.

2. Seramik Matrisler

Çok yüksek sıcaklıklara ve zorlu kimyasal ortamlara dayanabilen malzemelerdir. Kırılgan olmaları en büyük dezavantajlarıdır.

• Örnekler: Alüminyum oksit (Al2​O3​), Silisyum karbür (SiC). Genellikle aşırı koşullar için özel sensör veya havacılık uygulamalarında kullanılırlar.

3. Metal Matrisler

Yüksek mukavemet ve tokluk sunarlar. Genellikle, mevcut bir metalin iletkenliğini veya aşınma direncini daha da artırmak için kullanılırlar.

• Örnekler: Alüminyum, Titanyum.

---

Dolgu Malzemeleri: İletkenliği Sağlayan Güç

Dolgu malzemeleri, matrisin yalıtkan doğasını kırarak elektronların serbestçe hareket edebileceği yollar oluşturan kritik bileşenlerdir. Seçimi; kompozitin iletkenlik seviyesini, maliyetini ve ek fonksiyonlarını (örneğin, termal iletkenlik) belirler.

1. Karbon Bazlı Dolgular

Maliyet etkinlikleri ve hafiflikleri ile öne çıkarlar.

• Karbon Siyahı (Carbon Black): En ekonomik ve yaygın dolgu malzemesidir. Genellikle antistatik (ESD) uygulamalar için yeterli iletkenlik sağlar.
• Karbon Nanotüpler (CNT): Olağanüstü mekanik mukavemetleri ve yüksek en-boy oranları sayesinde çok düşük konsantrasyonlarda bile yüksek iletkenlik ağları oluşturabilirler.
• Grafen: Tek atom kalınlığındaki bu mucizevi malzeme, mükemmel elektriksel ve termal iletkenliğin yanı sıra üstün mekanik güç sunar.
• Karbon Fiberler: Yüksek mukavemet ve iyi iletkenlik sunarak hem yapısal hem de fonksiyonel bir rol oynarlar.

2. Metalik Dolgular

En yüksek iletkenlik seviyelerini sunarlar.

• Gümüş (Ag) Parçacıklar/Flakeler: Bilinen en iletken malzemedir. Yüksek performanslı iletken yapıştırıcılar ve mürekkepler için kullanılır, ancak maliyeti yüksektir.
• Bakır (Cu) Parçacıklar/Tozlar: Gümüşe göre uygun maliyetli, yüksek iletkenliğe sahip bir alternatiftir. Oksidasyona karşı hassasiyeti en büyük zorluğudur.
• Nikel (Ni) Parçacıklar/Fiberler: İyi iletkenliğin yanı sıra manyetik özellikleri ve korozyon direnci sayesinde EMI kalkanlama uygulamaları için idealdir.

3. Doğası Gereği İletken Polimerler (ICPs – Intrinsically Conductive Polymers)

Bu özel polimerlerin kendileri, dolgu maddesine ihtiyaç duymadan elektrik iletebilirler.

• Örnekler: Polianilin (PANI), Polipirol (PPy). Genellikle sensörler, korozyon önleyici kaplamalar ve esnek elektroniklerde kullanılırlar.

Perkolasyon Teorisi: İletkenlik Nasıl Başlar?

Bir kompozitin iletken hale gelmesi için dolgu parçacıklarının matris içinde birbirine temas ederek kesintisiz bir yol oluşturması gerekir. Bu olayın gerçekleştiği minimum dolgu konsantrasyonuna “perkolasyon eşiği” denir. Bu eşiğin altında malzeme yalıtkan, üzerinde ise iletkendir. Dolgu malzemesinin şekli (küresel, fiber, flake) ve en-boy oranı, bu eşiğin ne kadar düşük olacağını belirleyen en önemli faktörlerdendir.

Sonuç olarak, iletken kompozitler, malzeme biliminin en dinamik alanlarından birini temsil eder. Doğru matris ve dolgu malzemesi kombinasyonunu seçerek, mühendisler belirli bir uygulama için optimize edilmiş özelliklere sahip (örneğin, hem hafif, hem darbeye dayanıklı hem de elektromanyetik kalkanlama yapabilen) akıllı malzemeler tasarlayabilirler. Bu esneklik, iletken kompozitleri geleceğin teknolojilerinin vazgeçilmez bir parçası yapmaktadır.