Takviye faz (kuvvetlendirici, veya dispers faz), bir
kompozitte matris içinde dağılmış ve matrise istenilen özellikleri kazandıran
fazdır; kuvvetlidir.
Kompozitler takviye malzemeye göre farklı yapılanmalarda
olabilir; takviye ve matris birbiri içinde çözünmezler veya kısmen çözünürler. Takviye
malzemelerin kompozitin kuvvetlenmesini sağlamanın dışında malzemeye katkıda
bulunduğu başka avantajları da vardır; örneğin, ısıya dayanıklılık, iletkenlik,
korozyona direnç ve sertlik gibi. Takviye genellikle matristen daha kuvvetli ve
daha sert olmalı ve matrisin kırılma mekanizmasını kompozitin avantajına
değiştirmelidir.
Takviye fazlar çeşitli formlarda olabilir; partiküller,
whiskerler, plateletler, sürekli veya kıyılmış fiberler gibi. Farklı takviyeler
(Al2O3, SiC, karbon silika gibi) kuvvet, elastik modül,
kayma dirençi, kimyasal, kararlılık, oksidasyon dirençleri farklıdır. Bir fiber
takviyeli kompozitin performansı fiberin uzunluğuna, çapına, oriyantasyonuna, bileşenlerin miktar
ve özelliklerine ve aralarındaki bağlanmaya göre değişir.
Takviyeler üç-boyutlu
(partikülat), iki-boyutlu (laminar) veya tek-boyutlu fiber olabilir. Farklı
takviyelerin kullanıldığı kompozitlerin mekanik özellikleri ve işlenme teknikleri
de farklıdır. Kompozitler yapısal model olarak genellikle iki kategoriye ayrılabilir;
laminat kompozitler ve dispersiyon kompozitler. Dispersiyon kompozitler
içerdikleri takviye malzemenin dağılımına bağlı olarak üç tip altında toplanır:
Bir-boyutlu(1D), iki-boyutlu (2D) ve üç-boyutlu (3D) oryantasyonlar. (Şekil-1a)
Kompozitlerde
kullanılan bazı önemli takviye malzemeler Şekil-1b’de gösterilmiştir. Dizili
sürekli fiberler, süreksiz fiberler, whiskerler (ince uzun tek kristaller), partiküller
ve tekstil teknolojisi tarafından üretilen dokumalar gibi çok sayıda ipliksi
(fibrous) yapılar tipik takviye malzemelerdir.
Matris ve takviye malzemenin tipine bağlı olmaksızın,
herhangi bir kompozitin özelliklerini etkileyen dispers fazın çeşitli geometrik
seçenekleri vardır. Kompozitlerin özellikleri, fazların özelliklerinin, relatif
miktarlarının ve dispers fazın geometrisine göre belirlenir. ‘Dispers faz
geometrisi’, partiküllerin şekilleri, büyüklüğü, dağılımı ve oryantasyonu
kapsar.
Nanokompozitlerde nano boyutlarda sentetik ve kristalin
takviyeler kullanılabilir; örneğin, Fe ve diğer metal tozlar, killer, silika,
TiO2 ve diğer metal oksitler gibi. Killer ve tabakalı silikatlar çok
küçük boyutlarda olabilmeleri, interkalasyon kimyasının iyi bilinmesi ve ayrıca
çok düşük konsantrasyonlarda kullanıldığına bile malzeme özelliklerinde
gelişmeler sağlaması nedenlerinden kullanım alanı en yaygın olan takviye
malzemelerdir. Bu takviye malzemelerinin pek çoğu bilinen tekniklerle
hazırlanır; kimyasal, mekanik (bilyalı öğütme gibi), buhar depozisyon, v.s.
gibi. Karbon nanotüplerin üretilmesinde genellikle buhar depozisyon yöntemi
kullanılır.
Takviye malzemelerde yüzey modifikasyonuyla takviyenin
homojen dağılımı ve matris ve nano boyutlu takviye malzeme arasında iyi bir
yüzey arası bağlanmanın sağlanması önemlidir. Karbon nanotüpler (CNT) için
sörfaktan kullanılması, oksidasyon veya yüzeylerin kimyasal fonksiyonlarının
artırılması gibi tipik bazı teknikler uygulanmaktadır. Özellikle polimer ve
seramik matrisler için kimyasal metotlar daha etkilidir.
Nanokompozitlerde
kullanılan partiküller/dolgu maddeleri çeşitlidir:
0D
(sıfır-boyutlu) dolgu maddeleri/partiküllerin üç boyutu da nanometrik akaladadır,
aspekt oranı bire yakındır: L/D~1; dolayısıyla malzeme, genellikle birbirine eşdeğer taneciklerden
oluşur. Nanometrik skalalı silikajel ve polihedral oligomerik silsesquioksan
(POSS), metalik nanopartiküller, karbon siyahı ve fullaren (bürünmüş grafen) tipik örneklerdir.
1D
(bir-boyutlu) malzemelerin iki boyutu nanometrik skaladadır; malzeme 1-boyutlu
tel şeklindedir. Tipik örnekler olarak nanofiberler, nanoteller veya nanotüpler
gösterilebilir. Bunlar arasında en fazla araştırma ve çalışma yapılan 1D
sistemler karbon nanotüplerdir (CNT). CNT, rulo grafenden hazırlanır.
2D
(iki-boyutlu) malzemelerin boyutlarından sadece biri naometrik skaladadır,
malzeme iki-boyutlu bir disk veya platelet şeklindedir. Tipik örnekler
tek-tabakalı killer, grafit (doğal grafitten), grafen, ve tabakalı çift
hidroksitlerdir.
3D (üç
boyutlu) malzemelerin hazırlanmasında özel metotlar uygulanır. Tipik bir örnek
olarak grafenden hazırlanan grafit gösterilebilir. Grafen, SP2 bağlı karbon
yapılı, bir atom kalınlığında düzlem levhadır; fevkalade yüksek kristallik
derecesine ve elektronik özelliklere sahiptir. Grafit, grafenin istiflenmesiyle
hazırlanan üç-boyutlu (3D) bir formdur. (Şekil-2)
Şekil-1:
(a) Dispersiyon kompozitlerin
yapısal modelleri, (b) bazı takviye malzeme şekilleri ve geometrik yerleşimleri
Şekil-2: Grafen ve grafenden türetilen malzemeler
Şekil-3: Nano boyutlada bazı takviye malzemelerin SEM görüntüleri:
(a) nanotüpler, (b) nanografit, (c) nanokiller (3D), (d) nanosilika, (e) nanopartiküller
(3D), (f) nanofiberler (3D)
