Hava Kadar Hafif Yeni Altın Malzeme

Raffaele Mezzenga öncülüğündeki bilim insanları çoğunlukla porozite içeren 3 boyutlu altın üretti. Üretilen bu altın, şimdiye kadar ki en hafif altın külçe olma özelliğini taşıyor. Köpük adı verilen malzeme, bilinen altın alaşımlarından binlerce kez daha hafif. Sudan daha hafif ve neredeyse hava kadar hafif, şeklinde ifade edildi.

Çıplak gözle geleneksel altından çok zor ayırt edilebilen malzeme metalik parlaklığa sahip, ayrıca yumuşak ve %98 hava, %2 katı malzemeden oluşuyor. Katı malzemenin yaklaşık 5’te 4’ü altından, kalanı ise protein lifleri içeriyor. Bu, yaklaşık 20 karat altına denk geliyor. Bilim insanları poroz malzemeyi, proteinleri ısıtarak –böylelikle amyloid lifleri denilen, nanometre düzeyde ince protein lifleri elde ediliyor- üretiyor. Daha sonra bu lifler bir altın tuzu çözeltisine yerleştiriliyor. Protein lifleri, küçük partiküllerden kristallenen altının içinde iç içe geçerek jelimsi altın fiber ağ yapısını oluşturuyor.

Üretim tekniği bilim insanlarına altının özellliklerini değiştirmek için birçok olasılık sunuyor. Araştırmacılar, “altının görsel özellikleri altın partiküllerinin şekli ve boyutuna güçlü derecede bağlıdır. Bu nedenle malzemenin rengini bile değiştirebiliriz,"  diyor ve ekliyor: "Malzemenin sadece rengi değil, absorbe ve yansıtma gibi diğer optik özellikleri de değiştirilebilir."

Yeni malzemenin, birçok uygulamada altının yerine kullanılabileceği ifade ediliyor. Reaksiyon katalizi olarak kullanımı, ışığın absorblandığı veya yansıtıldığı uygulamalar bunun başlıca örnekleridir.   

Kaynak: http://www.materialsforengineering.co.uk/engineering-materials-news/20-carat-gold-almost-as-light-as-air/110519/

Uzay Araçları İçin "Kendini Yenileyen Malzeme"

Kendini Yenileyen Malzeme Uzay Aracındaki Boşlukları Doldurabilir

Uluslararası Uzay İstasyonu, istasyon duvarlarına çarpmadan önce enkazı püskürten tamponlarla donatılmıştır ve NASA’ya göre şimdiye kadar uçan en ağır-zırhlı uzay aracıdır. Fakat tamponların başarısız olduğu durumlarda, bir duvar çatlağı astronotların, yaşam bölgelerinden havaya sürüklenmelerine yol açardı.  

Timothy F. Scott önderliğindeki American Chemical Society’deki araştırmacılar, bir katı polimerin iki katmanının arasına reaktif bir sıvı ekleyip sandviç yapı oluşturarak kendini yenileyen –iyileştiren- bir malzeme geliştirdiler. Malzemeye bir mermi atıldığında, bir saniyenin altında katı bir kaplamaya dönüşmek için, reaktif sıvı, havadaki oksijenle tepkimeye giriyor.

Scott’ın takımı bu malzemenin uzay mekiklerinde ve istasyonlarında uzay enkazlarının yol açtığı yıkıcı yapısal penetrasyonları engellemede kullanılabileceğini söylüyor. Ayrıca otomobil gibi diğer teknolojik yapılara da uygulanabileceğini ekliyor. 

Kaynak: http://www.materialsforengineering.co.uk/engineering-materials-news/self-healing-material-could-plug-holes-in-spacecraft/88792/

Isı ve Nemi Hissettiren Protez El

Güney Kore’deki araştırmacılar, esnek deri gibi baskıyı, sıcaklığı ve nemi hissedebilen yeni bir malzeme geliştirdiler. Bu malzeme kişiye dokusal bilgi sağlayarak bazı dokunma hissini geri kazandırıyor.

Araştırmacılar suni deriyi protez bir el üzerinde test ettiler ve bir gün hastaların sinirlerine bağlanarak kişilerin dokunduğu her şeyi hissedebilmesini umuyorlar. “Protez aletlerin ve suni derinin doğal hissetmesi için insan vücudu ile sıcaklık profillerinin uyumu kontrol edilmelidir. Protez el ve tabakalı elektronik deri, el titremesi, sıcak ve soğuk bardakları tutma, kuru ve yaş yüzeylere dokunma ve insan teması gibi birçok kompleks operasyonla karşılaşabilir,” diyor yayınlanan makaledeki araştırmacılar.

Yeni deri PDMS adı verilen –polydimethylsiloxane- esnek ve şeffaf bir silikon yapıya sahip. Bununla birlikte silikon, malzeme ezilip gerildiğinde dokusal geri dönüş için elektrik üreten nano-şeritler içeriyor. Ayrıca nesnenin soğuk ya da sıcak olup olmadığını da hissedebiliyor.

Nem sensörleri ise kapasitörlerden oluşuyor. Polimer kaplı bir kapasitör suyu absorbladığında nem, polimerin yeteneğini bir yük depolamak için değiştiriyor.

Kaynak: http://www.materialsforengineering.co.uk/engineering-materials-news/prosthetic-hand-feels-heat-and-humidity/89383/

Karbonun Yeni Fazı “Q-Karbon”

Araştırmacılar oda sıcaklığında yeni karbon fazından elmas üretmeyi başardılar.

North Carolina State Üniversindeki bilim insanları katı karbonun yeni bir fazı olan Q-karbonu keşfettiler. Bu fazın karbonun bilinen iki fazından yani elmas ve grafitten farklı olduğunu dile getirdiler. Ayrıca yeni bir teknik geliştirip Q-karbon kullanarak oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta elmas bağlantılı yapılar elde ettiler.

Q-karbon, karbonun üçüncü katı fazı, aynı zamanda diğer katı fazlar olan elmas ve grafitin aksine ferromanyetik. Elmastan daha sert olduğu ve çok düşük enerji seviyelerinde bile parladığı da belirtiliyor. NC State’deki araştırmacı mühendislerin söylediğine göre Q-karbonun gücü ve düşük çalışma işlevi –elektronlarını salma isteği- yeni elektronik ekran teknolojilerini geliştirmek için büyük umut vadediyor.

Q-karbon bunların dışında tek kristalli elmas üretiminde de kullanılabiliyor. Bunun için araştırmacılar öncelikle safir, cam veya polimer gibi alt bir katmanla başlıyorlar. Daha sonra bu alt katman grafit veya elmas olmayan ve düzenli, tanımlanmış bir kristalin yapıya sahip olmayan doğal ve biçimsiz bir karbon ile kaplanıyor. Bu karbon yaklaşık 200 ns (saniyenin milyarda biri) süren tek bir lazer pals ile çarpıştırılıyor. Bu pals süresince karbonun sıcaklığı 3727°C’lere kadar yükseliyor ve daha sonra hızlıca soğutuluyor. Tüm bu operasyon atmosferik basın altında yapılıyor.

Kaynak: http://www.materialsforengineering.co.uk/engineering-materials-news/researchers-make-diamond-at-room-temperature-from-new-phase-of-carbon/110792/

3 Boyutlu Yazıcı ile Metal ve Alaşımların Üretimi

3 Boyutlu Yazıcı ile Metal ve Alaşımların Üretimi

Yeni yöntemle üretilen 3D yazılmış bakır

Bulunan yeni bir yöntem ile metal ve alaşımları daha hızlı, ucuz ve kolay bir şekilde 3D printing ile üretilebiliyor.

Northwestern üniversitesinde bir takım mühendis oksitleme (korozyon) ve metalik tozları kullanarak yeni bir 3 boyutlu yazılım yöntemi yarattı. Eski yöntemde büyük metal toz yatakları, pahalı lazerler ve elektron ışınlar varken yeni bulunan yöntemde sıvı mürekkep ve bilinen fırınlar kullanılıyor ve sonuçları daha ucuz, daha hızlı ve daha uygun bir proses oluyor. Ayrıca Northwestern araştırmacıları bu yöntemin birçok çeşitteki metale uygulanabildiğini gösterdi.

“Bu çok heyecanlı çünkü metalik yazılım için en ileri üretim yöntemleri şimdiye kadar kısıtlıydı. Bizim yöntem, yazdırabileceğimiz metal ve alaşımların sayısını genişletiyor, bu da birçok farklı uygulamanın kapısını aralıyor.” diyor yöntemi geliştiren mühendisler.  

Proseslerinin bir başka yenilikçi parçası ise metal oksitlerin -ki metal sonradan indirgenebilir- yazdırmak için kullanılabilmesi, demir oksit gibi. Korozyon tozları, saf demir tozlarından daha hafif, daha stabil, daha ucuz ve işlemek için daha güvenlidir. Araştırmacılar ilk 3D yapılarını korozyon ve diğer metalik oksitlerle yazdırabildiklerini ve ardından ilgili metali green bodies denilen malzemenin yoğunlaşmamış haline dönüştürmek için hidrojen kullanabildiklerini keşfettiler.   

Kendini Onaran Esnek Kompozit

Rice Üniversitesindeki bilim insanları kendi kendini yenileme ve sertleşme özelliği sergileyen uyarlanabilir bir malzeme geliştirdi.

SAC (self-adaptive composite) adı verilen malzeme, katı bir matriks formunda mikron ölçekli aşırı nemli kauçuk toplar içeriyor. Araştırmacılar iki polimer malzemeyi ve ısıtıldığında buharlaşıp yapışkan ve porozlu bir alan bırakan solvent bir maddeyi karıştırarak SAC’ı ürettiklerini ifade ediyorlar. Ayrıca SAC’i doku mühendisliği için biyouyumlu malzeme olarak yararlı olabileceğini düşünüyorlar.

Aşağıdaki videoda da görebileceğiniz gibi, malzeme çatladığında, uygulanan basınç yardımı ile matriks orjinal formuna dönene kadar sürekli iyileşiyor.

Demir Karbon Denge Diyagramı

Daha önce birçok kere demir karbon denge diyagramından bahsetmiştik. Bugün denge durumunda yani yavaş soğutma yapıldığında oluşacak olan –kararlı yapı, atomların rahatça hareket edebildiği, difüzyonun sağlandığı- iç yapılardan bahsetmek istiyorum.

Fe-C denge diyagramı 

Burada ilk önce bahsetmemiz gereken çeliğin 3 faz durumudur. Bunlar;

δ γ α fazlarıdır. δ fazı 1392 °C’de A4 sıcaklığında γ yani östenit fazından dönüşen bir fazdır. HMK kafes yapısındadır.

γ yani östenit fazı α yani ferrit fazından 911 °C’de dönüşen bir fazdır. YMK kafes yapısındadır.

α yani ferrit fazı da HMK kafes yapısına sahiptir.

Diyagramda görüldüğü gibi C miktarı malzemenin çelikler veya dökme demirler şeklinde ayrılmasına neden olur. C miktarı %2’ye kadar olan malzemeye çelik, %2-6.6 C oranına sahip malzemeye ise dökme demirler denir.

Burada diyagramı okumak çok önemlidir. Örneğin elimizde %0.5 oranında C içeren bir çeliğimiz olsun ve yavaş soğutma ile oluşacak olan yapılara tek tek bakalım.

Sıvı alaşım > δ fazı oluşmadan γ + sıvı alaşım > Sadece γ > γ + α > α + perlit

Görüldüğü gibi sıvı alaşımdan öncelikle YMK kafes yapısına sahip östenit tanecikleri, ardından sıvı alaşımın tamamı östenit ve yaklaşık 800 °C’lerde ferrit ve östenitin birlikte bulunduğu faz ve son olarak ferrit ve perlitin birlikte yer aldığı bir iç yapı oluşumu söz konusu.

Burada bir başka bilinmesi gereken nokta ise ötektoid ve ötektik noktası, altı ve üstü dediğimiz kritik durum. Ötektoid noktası yani C oranının %0.8 olduğu noktada faz %100 perlittir. Yukarıda örneğini verdiğim %0.5 C içerikli yapıda perlit + ferrit fazları bulunur. %0.8-2 C içeren yani ötektoid üstü denilen bölgede ise perlit + 2. sementit fazları görülür. 

Ötektik noktası ise %4.3 C içerikli noktada görülür. %2-4.3 arası ötektik altı denilen ve perlit + ledeburit + ikincil sementit fazlarının bir arada görüldüğü aralıktır. Ledeburit fazı perlit ve sementit fazlarının bir arada olduğu çok sert ve kırılgan bir fazdır. %4.3-6.6 arası ötektik üstü denilen ve sementit + ledeburit fazlarının bir arada görüldüğü aralıktır. Burada bir başka bilmemiz gereken detay, ötektik üstünde oluşan sementit sıvı fazdan katılaşırken oluştuğu için 1. sementittir fakat ötektik altında oluşan sementit sıvıdan değil çökelme ile oluştuğu için ikincil sementit adını alır. 

Çeliklerin Isıl İşlemleri Part 2

Bir takım çeliğinin ısıl işlem adımlarının şematik görünümü.

Sertleştirme (Kararlı Olmayan Durumlar)

Demir-Karbon diyagramında da bildiğimiz gibi kararlı yapılarda –yavaş soğutma- elde edilen yapılar ferrit ve/veya perlittir. Bunlardan daha sert bir çelik eldesi istiyorsak yavaş soğutma ve bununla birlikte gelen kararlı durumdan biraz uzaklaşmamız ve sonucunda beynit, martenzit gibi iç yapılar elde edebileceğimiz hızlı soğutmayı denememiz uygun olacaktır. Bu işleme çeliğin ıslah edilmesi (sertleştirme + temperleme) adı verilir. Tabii ki bu durumda yapı, gerekli dönüşümleri gerçekleştiremediğinden kararsız/dengesiz/unstabil dediğimiz durumda olacaktır.  

Martenzit oluşumu için difüzyonun sıfıra inmesi yani hiçbir atomun difüzyonun olmayacağı bir hızda soğutma yapmak gerekir ki elde edilen yapı C atomlarının çokça sıkıştırılması ile iç gerilimlidir. Martenzit bu nedenle çok serttir fakat kullanılamayacak derecede de gevrektir. Bu gevrekliği gidermek için temperleme dediğimiz sertlikten bir nebze ödün verdiğimiz fakat tokluğu arttıran başka bir ısıl işlem uygulamamız gerekir. (Takım çelikleri gibi özel çeliklerde temperleme işlemi sonrası ikincil sertlik denilen ekstra sertlik kazanımının var olduğunu unutmayalım!)

Temperleme (Menevişleme)

Ac1 sıcaklığının altında çeliğin kararlı hale gelmesi için yapılan ısıl işlemdir. Genellikle 3 kademede yapılır.  

1. Kademe

100-200 °C arasında yapılır. Yapının tetragonal martenzitten kübik martenzite dönüşmesi ile iç gerilmelerin azaldığı kademedir. Sertlikte önemli bir düşüş gözlenmez. Gevrekleşmenin giderilmesi ile çelik kullanılabilir hale gelir.

2. Kademe

200-350 °C arasında yapılır. Bu sıcaklıklarda C difüzyonu kolaylaştığından 1. kademenin aksine Fe3C çökeltileri elde edilir. Kafes gerilmeleri ilk kademeye göre daha da azaldığı için sertlikte düşüş söz konusudur.

3. Kademe

350 °C ile Ac1 sıcaklığına kadar olan sıcaklıklarda yapılır. (Genellikle 450-650 °C)  Fe3C karbürler mikroskopla görülebilecek büyüklükte çökelirler.

Her ısıl işlemde olduğu gibi temperlemede de sıcaklığın ve sürenin elde edilecek malzeme üzerinde büyük etkisi vardır. Sıcaklık ve süre optimum ayarlanmalıdır aksi halde çökelen karbür veya karbürler büyüyecek, sertlik düşecektir. 

Menevişleme sıcaklığı ve süresinin M2 yüksek hız çeliğinin sertliği üzerindeki etkisi.

zerietkisi

Kendini Onarabilen Yeni Malzeme

Gün geçmiyor ki yeni bir malzeme üretilmesin! Araştırmacılar kendini onarabilen esnek bir polimerik malzeme geliştirmeyi başardılar. Bir çeşit şeffaf reçine olan bu malzemeyi ortadan makas yardımıyla kestiğinizde ve tekrar kontak kurdurduğunuzda malzeme 10-15 sn içinde dışarıdan etki olmaksızın tekrar birleşiyor.

Bu malzemenin bir diğer özelliği ise kesim-birleşim prosesinin suda veya herhangi başka akışkan madde içinde gerçekleştirilebilmesi. "Bu özellik kozmetik, ilaç, otomotiv, uzay ve diğer birçok endüstrilerin uygulamaları için farklı malzemelerin geliştirmesinde bir yol gösterici olacaktır." Bu cümle malzemeyi geliştiren 3 araştırmacıya ait. 

Ayrıca malzemenin şekil hafızası var, yani bu, eğer ezilir ve yoğrulursa birkaç dakika içinde orijinal şekline geri dönebileceği anlamına geliyor.  

Kaynak: Sciencedaily

Olağanüstü Güçlü ve Süperhafif Yeni Metal

Soldaki soğuk deforme olmuş saf metal, sağdaki ise magnezyum ve silikon karbür nanopartikülleri ile üretilen yeni güçlü metal. 

Metallerde aranan en büyük özellikler yüksek mukavemet ve hafifliktir. Son araştırmalara göre seramik silikon karbür nanopartiküllere magnezyum aşılanması ile içeriği %86 Mg, %14 silikon karbür olan yeni bir süper metal eldesi söz konusu diyebiliriz çünkü bu yeni metal hem oldukça güçlü hem de bir o kadar hafif. Bildiğiniz gibi magnezyum hafif olmasına karşın çok yüksek değerlerde mukavemete sahip değil. -Buna rağmen alaşımlı halleri ve MMK dediğimiz kompozitli yapıları birçok sektörde (araba ve uçak gibi) kullanılıyor.- Farklı teknikler geliştirilerek üretilen bu yeni süperhafif metal çok çok yüksek mukavemetin yanında yüksek modüle de sahip.

Seramik partüküllerin metalleri daha da güçlendireceği uzun bir süredir düşünülüyormuş ve bu yeni üretilen malzeme de bunun kanıtı olmuş diyebiliriz. Umarız üretim maliyeti de mekanik özellikleri gibi istenilen seviyede olur ve bu yeni malzemeyi sık sık duyarız.

Çeliklerin Isıl İşlemleri Part 1

İç yapı ve özellikler bakımından belirli bir amaç –genellikle sertlik veya tokluk- için malzemenin erime sıcaklığının altına ısıtılıp tekrar soğutulması işlemine ısıl işlem denir.

Çelikler için uygulanan ısıl işlemleri iki ana grupta toplamak mümkündür.

Tavlama ve Sertleştirme

Tavlama için yapılan ısıl işlemlerin tümü malzemenin iç yapısını dengelemek amacıyla yapılır.

Sertleştirme amacıyla yapılan ısıl işlemleri bir martenzit yapısı elde etmek şeklinde özetleyebiliriz.

Tavlamalar

Çeşitli nedenlerle yapılan tavlamalar ulaşılmak istenen malzeme özelliklerine göre isimlendirilirler. Tavlamalarda sıcaklığın, sürenin, uygulanan malzemenin iç yapısının, soğutma hızının tavlama sonrası elde edilecek yapıda direkt rol oynadığını unutmamak gerekir!

Normalizasyon Tavlaması

Adı üzerinde olduğu gibi normalleştirme tavlamasıdır. Daha önceden işlem görmüş çeliğe eski yapısı olan ince, taneli, yuvarlak ve homojen halini geri kazandırmak için uygulanır. Normalizasyon ısıl işlemi için çelik su vermede olduğu gibi A3 sıcaklığının biraz üzerine çıkarılır (ötektoitüstü çeliklerde A1 sıcaklığı üstü) ve 45 ile 60 dk. arası beklendikten sonra havada soğuma işlemi gerçekleştirilir.

Daha yüksek sıcaklıklarda tutma veya daha uzun süreleri aşma tane irileşmesine yol açar.

Normalizasyon öncesinde sırasında ve sonrasında iç yapının şematik gösterimi 

Rekristalizasyon Tavlaması

Soğuk deformasyona uğraşmış ve bunun sonucu olarak pekleşmiş ve şekil verme kabiliyeti kötü olan çeliklere uygulanan bir ısıl işlemdir. Dolayısıyla bu ısıl işlem sonrası malzeme sertliğinden ödün verecek fakat şekil verme kabiliyetini arttıracaktır.

Tr yeniden kristalleşme sıcaklığı ise, bu sıcaklığa aşağı yukarı alttaki formül ile ulaşmak, elde edilecek çeliğin istenilen özelliklere sahip olması için kritiktir.

 TR [K] =0,30 ÷0,42 Terg[K]

Soğuk şekil verilmiş bir çelik malzeme için tavlama sıcaklığına bağlı çekme mukavemeti grafiği. 

1. Mikroyapı sabit

2. Kendine gelme

3. Rekristalizasyon

Difüzyon Tavlaması

Önceden uygulanan ısıl işlemler veya segregasyon sonucu oluşmuş konsantrasyon farklılığını kaldırmak için yapılan ısıl işlemdir. Bunun için malzeme 1050-1200 derecelere çıkarılır ve mümkün olduğunca o sıcaklıklarda tutulur. Böylece elde edilen yapı homojen olmuştur fakat yüksek sıcaklıklarda uzun süre beklendiği için tane irileşmesi söz konusudur. Bunun içinde tekrar normalizasyon tavlaması yapmak gereklidir.

Gerilim Giderme Tavlaması

Malzemede hali hazırdan var olan iç gerilmeler ile kullanım esnasında aniden ve beklenmedik kırılmalar gerçekleşebilir. Bunu önlemek için üretim sonunda gerilim giderme tavlaması yapmak doğru olacaktır.

Malzeme dökümden itibaren plastik şekil verme, ısıl işlemler, haddeleme, kaynak, tornalama gibi işlemlerden iç gerilim oluşturabilir. Bunun için çeliğin 450-650 derecelere yavaşça çıkarılıp o sıcaklıklarda tüm parçanın homojen bir şekilde etkilenmesi sonrası yine yavaşça soğutulması gerekmektedir. İşlem sonunda tane yapısı ve faz oranları değişmez. İç gerilimlerin en aza indirilmesi Re yani akma mukavemetin düşmesi ile doğrudan ilişkilidir.

Yumuşatma Tavlaması

C oranı 0.4 ve üstü olan çelikleri talaşlı işlemlere uygun hale getirmek amacıyla yumuşak iç yapının eldesini sağlar. Bunun için A1 sıcaklığının hemen üzerinde ve hemen altında iki sıcaklık belirlenir ve salınım şeklinde iki sıcaklığa geçiş yapılır. (yaklaşık 100h) (Bunu yapmanın amacı sementit lamellerinin küreselleşmesinin kolaylaşması ve tav süresinin kısalmasıdır. Aynı şekilde ötektoitüstü çeliklerin sementit yapısı da bu şekilde kırılabilir.) Tavlama sonucu lamelli perlit taneli bir şekil alır. Yani sementitler ferrit içinde çözünerek tanecik halini alırlar.

C oranı 0.4 altı çeliklerde ise tane irileşmesi tavlaması uygulanır ki talaşlı işlemler sırasında çelik sıvanma gibi tehlikelerden arınmış olsun. Yalnız yüksek sıcaklıklardan ve tokluk değerini düşürdüğünden dolayı bu ısıl işlem pek uygulanmaz. 

Kaynaklar

mühendislik malzemeleri 

Prof. Dr. A. Halim Demirci