Nano Malzemeler ve Mekanik Özellikleri

Nano Malzemeler ve Mekanik Özellikleri

Nano malzeme Nedir?

Nano büyüklük olarak metrenin milyarda biridir.

Nano boyutlu malzemeler karbon veya gümüş gibi çeşitli minerallerden meydana gelebilir fakat nano malzeme tanımlanabilmeleri için en az tek boyutunun 100 nanometreden küçük olması gerekir.

NANO MALZEMEDE BOYUT ETKİLERİ

Aşağıdaki tabloda görüldüğü üzere boyutlarda meydana gelen azalma yüzey alanının artışına neden olur.

Kübün kenar ölçüleri	Küp sayısı	Ortak yüzey alanı
1 m	1	6 m2
0.1 m	1000	60 m2
0.01 m × 1 cm	1 milyon	600 m2
0.001 m × 1 mm	1 milyar	6000 m2
1 nm	1027	6000 km2

Tablo 1(Boyut değişiminin yüzey alanına etkisi)

Nano boyuttaki malzemeler bulk malzemelere göre farklı özelliklere sahiptirler (renk ve reaktivite gibi).

30 nm tanecik yüzeyde %5 atoma;

10 nm tanecik yüzeyde %20 atoma,

3 nm tanecik yüzeyde %50 atoma sahiptir.

Boyuta bağlı olan özellikler;

Nanometre ölçeğinde özellikler önemli derecede boyuta bağlıdır.

• Termal özellikler: Ergime sıcaklığı
• Mekanik özellikler: Adezyon, kapiler kuvvetler
• Optik özellikler:Absorpsiyon ve ışığın saçılması
• Elektrik özellikler:Tünelleme akımı
• Magnetik özellikler: Süpermagnetik etki

Ergime sıcaklığı: Nano kristal boyutu düşerse, yüzey enerjisi artar ve ergime noktası azalır. Çünkü yüzey enerjisi/hacim enerjisi oranı keskin bir şekilde değişir.

Çok küçük tane boyutunda dolayı nano kristalli malzemeler, iri taneli polikristalli malzemelere göre daha farklı ve iyileştirilmiş özelliklere sahiptirler. Bu özellikler;

• Artan mukavemet/sertlik,
• Yüksek yayınım,
• Düşük yoğunluk,
• Daha yüksek elektrik direnci,
• Artan özgül ısı,
• Daha yüksek termal genleşme katsayısı,
• Daha düşük termal iletkenlik,
• Üstün nitelikli yumuşak manyetik özellikler olarak belirtilebilir.

Nano malzemelerde atomlar arası boşlukların azalmasından dolayı kafes sabitleri de azalır. Bundan dolayı Daha düşük ergime sıcaklıkları ve faz geçiş sıcaklığına sahiptirler.

1.Mekanik Özellikler

Nano malzemelerde Young modülü, süneklik ve süper elastiklik gibi mekanik özellikler birçok araştırmacı tarafından çalışılmıştır. Nano malzemelerin mekanik özellikleri teorik mukavemete ulaşabilir (NaCl viskerlerin mekanik mukavemeti boyutları 1 mikron altına indikçe belirgin şekilde teorik mukavemete yaklaşır). Mekanik mukavemetteki artış hataların azalmasından dolayı meydana gelmektedir.Daha küçük yapılar daha az yüzey hatasına sahiptirler.

1.1)Elastik Özellikler

• 

Şekil 2 (Nano ve mikro kristal bakırların gerçek gerilme-gerçek gerinme ilişkisi)

Nano malzemeler 4 kat daha yüksek Young modülü ve gerilme mukavemeti değerine sahiptirler. Daha az plastik deformasyona uğrarlar ve daha kırılgan yani gevrektirler.

Nano yapılı malzemelerin mukavemet ve sertliği boyutun azalmasıyla artar.

Şekil 3 (Tane boyutu ve gerilme ilişkisi)

Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç değeri tozların sıkıştırılması ile elde edilen nano malzemelerde daha düşüktür. Bunun sebebi dışarıdan gelen hatalardan (gözenek ve çatlaklar) meydana gelmektedir.

1.2)Sertlik ve Mukavemet

Tane boyutu 1 mikrometreden büyük olan malzemelerin sertlik ve mukavemet değerleri deneysel olarak Hall-Petch ifadesi ile elde edilir;

Benzer şekilde sertlikte aşağıdaki eşitlikten elde edilir.

Nano boyuta doğru inildikçe sertlik değeri tipik olarak artar. San nano kristalli metallarin sertlik değerleri iri tanelilere göre 2-7 kat daha fazladır.

Şekil 4 ( Tane boyutu ve sertlik ilişkisi)

Nano malzemeler Frank-Reed kaynağıyla dislokasyon üretimi mümkün olmadığı için tane sınırları prosesi yardımıyla deforme olurlar.Böylece, tane sınır sürünme rejiminde azalan tane boyutuyla birlikte sertlik de azalır. Ashby-Verral süreci “tanecik sınır geçiş” sürecidir.

Yukarıdaki figür malzeme deformasyonu süresince tane sınırı değişimini göstermektedir.

1.3)Süneklik ve Tokluk

1 mikrometreden büyük tane boyutlarındaki malzemeler için süneklik (kopmadan şekil değiştirebilme kabiliyeti) ve tokluk (enerji yutum kapasitesi) değerlerinde çok kuvvetli etkisi olduğu bilinmektedir. Nano kristal metallerin süneklik ölçümlerinin sonuçları karışıktır, çünkü kristal hata ve poroziteye, yüzey işlemlerine ve test metoduna karşı oldukça duyarlıdır.

Geleneksel tane boyutlarındaki saf bakırın uzaması %60 iken, nano kristal bakırın uzama değeri %4’tür.

Geleneksel boyutlarda sünek davranış gösteren nano kristalli malzemeler, örnekte de görüldüğü gibi nano boyuta indikçe daha az süneklik, bazen de kırılgan davranış gösterirler.

1.4)Süper plastiklik davranışı

Süper plastiklik, polikristalli malzemelerin boyun vermeden veya kırılmadan çok yüksek çekme deformasyon değerleri gösterebilme kabiliyetidir. %100 – %1000 arasındaki bu tipik uzama değerleri, bu davranışın özelliklerini tanımlamada göz önüne alınır.

Tane boyutu küçüldüğünde, süper plastikliğin ortaya çıktığı sıcaklık düşer ve ortaya çıkış anındaki şekil değişimi oranı artar.

1.5)Nano- Boyuttaki Malzemelerin Deformasyon Mekanizmaları

Nano boyutun sonundaki (50-100 nm) tanelerin, test sıcaklıklarında <0.5 T_m dislokasyon aktivitesi hakim olmaktadır.

Tane boyutu azaldıkça, dislokasyon aktivitesi de azalmaktadır. Nano boyutun alt seviyelerine gelindikçe (<10 nm) yeni dislokasyonların oluşumu zorlaşmaya başlar.

KAYNAKÇA

1)Nano Etkinin Temelleri / Doç.Dr. Atilla Evcin / Afyon KocaTepe Üniversitesi/ 2016

2) Melting points, mechanical properties of nanoparticles and Hall Petch relationship for nanostructured materials/ R. John Bosco Balaguru/ B. G. Jeyaprakash/ School of Electrical & Electronics Engineering SASTRA University

Kaynak: https://www.ceyrekmuhendis.com