Nano Kompozitler

Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü

S. Hakan YETGİN [email protected]

Sakarya ÜniversitesiMetal Eğitimi Bölümü

NANO TEKNOLOJİ VE

NANO KOMPOZİTLER

Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi BölümüSakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü


Nano Nedir?

“Nano” Yunanca bir kelime olup cüce anlamına gelmektedir.

1 Nanometre = 10-9 metre

Bir insanın saç telinin kalınlığının yaklaşık 1/80.000’i kadardır.

Nano-BİLİM – temel çalışma ilkesi, en küçük boyutları aşağı-yukarı 1 ile 100 nm arasında olan moleküller ve atomlardır.

Nano-TEKNOLOJİ – molekül ve nano yapıların, nano boyuttaki cihazlara uygulanması.


John R. Lloyd

Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi BölümüSakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü

M. Deal

DNA~2-1/2 nm diameter

Things Natural Things Manmade

MicroElectroMechanical Devices10 -100 m wide

Red blood cellsPollen grain

Fly ash~ 10-20m

Atoms of siliconspacing ~tenths of nm

Head of a pin1-2 mm

Quantum corral of 48 iron atoms on copper surfacepositioned one at a time with an STM tip

Corral diameter 14 nm

Human hair~ 10-50m wide

Red blood cellswith white cell

~ 2-5 m

Ant~ 5 mm

The Scale of Things -- Nanometers and More

Th

e M

icro

wo

rld

0.1 nm

1 nanometer (nm)

0.01 m10 nm

0.1 m100 nm

1 micrometer (m)

0.01 mm10 m

0.1 mm100 m

1 millimeter (mm)

1 cm10 mm

10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Visi

ble

spec

trum

Th

e N

an

ow

orl

d

1,000 nanometers =

1,000,000 nanometers =

Dust mite

200 m

ATP synthase

~10 nm diameterNanotube electrode

Carbon nanotube~2 nm diameter

Nanotube transistor

Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü Sakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi BölümüSakarya Üniversitesi-Metal Eğitimi Bölümü

Deb Newberry


Hafif

-Ucuz

- Daha fazla enerji verimi

- Çok küçük aralıklarda değişik özellikler

Niçin Küçük Daha İyidir?

M. Deal


Bu kadar küçük nasıl yapılabiliyor?

“Yukarıdan-Aşağıya” – bir malzemeyi küçülterek nano boyuta getirmek (heykel tıraş gibi).

“Aşağıdan-Yukarıya” – atomları bilinçli bir şekilde dizerek nano ölçekli malzeme geliştirmek. Bu yöntem zor olmasından dolayı çok az kullanılıyor.

Bu kadar küçük nasıl yapılabiliyor?

M. Deal


Nano-TEKNOLOJİ

Yan yana dizilmiş 10 hidrojen atomunun bir nanometre uzunluğunda yer kaplayacağı ya da DNA moleküllerinin 2,5 nanometre genişliğinde olduğu düşünülürse bu teknolojinin hangi boyutlarda iş görmek üzere tasarlanıp geliştirildiği de anlaşılır.

Nanoteknoloji, temelde, malzemeyle; ama, moleküler ve atomal düzeyde malzemeyle uğraşmaktadır

Bu uğraş, özellikleri, istenen işlevleri yerine getirebilecek biçimde, insan eliyle tasarımlanabilen ve moleküler/atomal düzeyde denetlenebilen, yepyeni malzemeler, yapılar, organizmalar, sistemler, cihazlar yaratmak demektir.



NANOTEKNOLOJİNİN AMAÇLARI

Nanometre ölçekli yapıların analizi ve imalatıNanometre boyutundaki yapıların fiziksel

özelliklerinin anlaşılması, Nano ölçekli cihazların geliştirilmesi, Nano hassasiyetli cihazların geliştirilmesi, Daha farklı ve üstün nitelikli mekanik,

elektrik, ısıl, optik ve kimyasal özelliklere sahip materyal ve sistemler geliştirmesi.



Nano-teknolojinin Kullanım Ve Uygulama Alanları

1-Endüstriyel Alan: Otomotiv parçaları (mikro sensör, makine ve pompa kullanan otomobiller), nano boyutlu kaplamalar, chip ve cd üretmi.

2-Tıp ve Sağlık Alanı: Mikro-nano cerrahi ( özellikle göz ve beyin cerr.), Hücre, doku ve moleküllerdeki hasarların belirlenmesi, Ultraviyole korumalı kozmetik ürünler yaratılıyor.

3-Bilimsel Araştırmalar: Yüzey karekterizasyonu ve modifikasyonu, Mikroorganizmaların taşınması, DNA-Modifikasyonu.

4-Malzeme Bilimi; Çok daha güçlü, hafif, kimyasal işlemlere ve sıcaklığa dayanıklı malzemelerin üretiminde kullanılıyor. Örneğin karbon nanotüplerden üretilmiş kumaşlar. Bunlar kurşun geçirmediği için askeriyede kullanılıyor. Bu yolla üretilen ve nanotext denilen kumaşlar da leke ve bakteri tutmuyor ve çok sağlam oluyor. Radyasyon veya ışığa karşı kontrol edilebilir tepkiler veren malzemeler de geliştirildi. Nanoteknolojik ışıklandırma sistemleri ile dünya enerji ihtiyacının yüzde 10 oranında azalması bekleniyor.

5-Enerji; Nanoteknolojiyle üretilen yakıt hücreleri, gelişmiş piller, güneş hücreleri



Nanoteknolojinin Günümüzde Tipik Uygulama Örnekleri

Karbon nanotüp, Karbon lifler üreterek hidrojen bataryası olarak kullanma,

Nano kütüphaneler, Veri bilgi depolama (Noval data storage system),

Hücre onarım robotları (Cell repair units), Polietilen üretiminde zincir yapısı değişimi ile çelikten sağlam

taşıyıcı halat üretimi (Kevlar ).



Bazı Ülkelerde Nano-teknolojiye Yönelik Araştırma ve Uygulamalar

Rusya Boyutları atom ve moleküllerle karşılaştırılabilecek ölçüde elektronik devrelerin

yapımı. Bir molekül büyüklüğünde nanoaletlerin, nano robotların geliştirilmesi

Tuğla ve briket örerek bir binanın yapımına benzer şekilde atom ve molekülleri tek,

tek yakalayarak çeşitli maddelerin sentezlenmesi.

Polonya Nanokristal tozlar Metallerden nano maddeler ve nano maddelerin elektronikte kullanılması Yumuşak , manyetik nano maddeler Şarj edilebilir Lityum pil ve akü üretimi için seramik nanomaddeler sentezi



Çek Cumhuriyeti Nanokompozitler ve magnezyum alaşımları Nano kristal tozlar İnce tabaka ve metal kaplama Nano kaplama yüzeyler ve yarı iletken nano yapılar Nanotüp üretimi Nükleik asitler, proteinler, polimerlerin yapıları ve tayini Süper manyetik toz nanoparçacıklar



Kore Makina ve Malzeme Enstitüsü nanomekatronik, ileri derecede hassas işleme sistemleri (10 nanometre hassasiyetinde), yeni işlevlere yönelik nanomalzemeler ve akıllı malzemeler

Kore Sınaî Teknoloji Enstitüsü de yine, nanoölçekte, ileri derecede hassas işleme teknolojisi, nano-şekillendirme teknolojisi, nano-yüzey işlemleri teknolojisi ve kristal yapıda olmayan nanomalzemeler için teknoloji geliştirme

Kore Elektronik Teknolojisi Enstitüsü ise, nanomekatronik, nanoölçekte kuvantum aygıtlar, nano-biyoteknoloji, nanoteknoloji tabanlı enformasyon ve enerji depolama üzerinde çalışıyor.

Kore

http://www.inovasyon.org


NANOTEKNOLOJİDE ÖNCÜ ŞİRKETLER

IBM; Nanoteknolojinin gelişmesinde en büyük katkıyı sağlayan STM (Scanning Tunneling Microscope) ve AFM’yi (Atomic Force Microscope) keşfetti. Nanoteknoloji AR-GE’sine her yıl 5 milyar doların üstünde yatırım yapıyor. Yılda bu konuda 3 bin 500 civarında patent alıyor. Şu anda karbon nanotüp transistörler, LCD ekranların yerine geçecek atomik ışınlı bilgisayar ekranları, manyetik kayıt sistemleri, nano yapılı saklama cihazlarıyla ilgili çalışmalar yapıyor.

General Motors; Nanoteknoloji ile üretilmiş kompozit malzemeler içeren kamyonetleri pazara sundu. Bu nano kompozitler çok daha hafif ancak bir o kadar dayanıklı. GM, şu anda yakıt hücreleri, algılayıcılar ve seramik motorlar üzerine çalışmalar yapıyor.

Nanophase Nanophase Technologies Corporation; Piyasaya sürdüğü nano-güneş kremiyle ismini duyurdu. Toz halde seramik ve metalik malzemeleri içeren Nanocrystalline malzemeler üretiyor.

Nano-Tex; Dayanıklı, leke ve koku tutmayan kumaşlar üretiyor.



TİCARETE DÖNÜŞTÜREN TÜRK ŞİRKETLERİ

Normtest; ağırlıklı olarak fizik, elektrik-elektronik, metalurji ve malzeme mühendisliği, kimya, biyoloji ve biyoteknoloji alanlarındaki nanoteknoloji ürünlerini Türkiye pazarına sunuyor. Bunlar ince filmler, malzemelerin optik özelliklerini ölçen spektrometreler.

Arçelik; Nanoteknoloji konusunda yapılan çalışmalar özellikle ‘polimer’ ve ‘yüzey işlemleri’ konularına odaklandı. İlk kez 2003’ün Eylül ayında koku filtreli hijyen uygulaması ile nanoteknoloji ürünü buzdolabını ürettiler ve son olarak 2004 yılı Temmuz ayında yine nanoteknoloji ürünü olan tam koruma üçgenli multihijyen buzdolabını pazara sundular. Şirket, yıllık cirosunun %1-1,5 (yaklaşık 35 milyon dolar) AR-GE çalışmalarına aktarıyor, nanoteknoloji çalışmaları da bunun içinde.



Yaşar Holding; Yaşar Grubu’nun boya markası DYO, bir yıl süren nanoteknoloji araştırmalarının sonunda solmaya, kirlenmeye dirençli kendini temizleyen nanoteknolojiye sahip akıllı boya üretti. Yaşar Holding, nanoteknoloji AR-GE’sine 200 bin euro ayırıyor.

Yeşim Tekstil; Ürettiği akıllı kumaşlar kolay ütüleniyor, çabuk kuruyor ve leke tutmuyor.

Zorlu Enerji; Yakın zamanda nanoteknoloji alanında büyük bir atılım yaptı. Evlerde elektriğinizi kendinizin üretebileceği bir aletin prototipini geliştirdi.


TİCARETE DÖNÜŞTÜREN TÜRK ŞİRKETLERİ


ARAŞTIRMA YAPAN ÜNİVERSİTELER

Gebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüBilkent Üniversitesi

ODTÜİTÜ

Gazi Üniversitesi



DÜNYADA NANOTEKNOLOJİ YATIRIMLARI

Nanoteknoloji alanında dünyada en büyük yatırımı ABD yapıyor. Ülkede şu anda 50’in üzerinde nanoteknoloji araştırma merkezi var ve bunlara her geçen gün yenileri ekleniyor.

ABD’de ulusal nanoteknoloji yatırımı 2003 yılı için 710 milyon dolardı, 2005’in ilk yarısı için 850 milyon dolara çıkarıldı.

ABD’yi 650 milyon dolarlık yatırım ile Japonya, 400 milyon dolar ile Avrupa Birliği takip ediyor.Bu alanda yarışa katılan diğer ülkeler Rusya, İsrail, Güney

Kore, Çin, Kanada ve Avustralya.



NANO HAYALLER

İsrailli bilim adamları, biyolojik moleküllerle, test tüpü içinde bir bilgisayar oluşturmayı başardılar. Amaçları, 1 trilyon bilgisayarın saniyede yaptığı 1 milyar işlemi, yüzde 99.8 doğrulukla yapabilen ve yalnızca 1 Watt’ın on milyarda birinden daha az enerji kullanan bir bilgisayar üretmek.

INEX’teki (Newcastle Üniversitesi’ndeki nanoteknoloji şirketi) bilim adamları, Kuzey İngiltere’deki iki turistik merkezin çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük boyutlarda modellerini yaptı. Her iki model de silikondan yapılmış ve her biri yaklaşık 400 mikron genişliğinde. Bu modellerin yapımında kullanılan teknolojinin cep telefonları için küçültülmüş anten yapımında kullanılması planlanıyor.

Leeds’teki Disiplinler Arası Biyonanobilimler Enstitüsü, çok küçük dozlarda ilaç taşıyabilecek trenler ve denizaltılar üretmeye çalışıyor. Bu nano denizaltılar sayesinde cerrahi müdahaleye gerek kalmadan kanserli hücreler yok edilebilecek. Sadece kanserli hücreye yöneltildiği için sağlıklı dokular korunacak.



NANO HAYALLER

Nanoteknolojiyle geliştirilen veri saklama yöntemiyle, örneğin Britanya Ulusal Kütüphanesi küçük bir sayfa boyutuna sığdırılabilecek.

Tarımda; bitki ve hayvanlar gibi yiyecek üreten doğal makineler, yani moleküler robotlar geliştirilip kullanılacak. Tarım, doğa koşullarına bağımlı olmayacak ve yiyecek sorununu da kökünden çözecek.

Bilgisayarların hafızaları Terabyte’a (1024 gigabyte) ulaşacak. Ekolojide; moleküler hijyen robotları geliştirilecek. Enerjide; maddeler nano boyuta geldiği zaman katalizör etkisi çok

artıyor. Bu yolla egzoz gazı ortadan kalkacak.



John R. Lloyd, Nanotechnology: What’s the Big Deal?Nanotechnology: What’s the Big Deal? ,University Distinguished Professor, Department of Mechanical Engineering,October 15, 2004

M. Deal, Standford, 30.6. 2005

Deb Newberry, President, Newberry Technologies Inc, Nanotechnology – It’s Like Nothing We Have Seen So Far

KAYNAKLAR


NANO TÜPLER


Karbon Nano-tüpler

Nanotüpler, kristalin grafitlerden oluşan, hegzagonal örgüdeki karbon atomlarından oluşur.

Scott E. Wadley


Karbon Nano-tüplerin atomik yapısı

Karbon’un kristal hali Graphite

Tabaka yapısı: tabaka içi sağlam atomik bağ, tabakalar arası zayıf bağ

3.4 Å

1.42 Å


Özellikler

Diğer malzemelere göre üstün rijitlik ve dayanım Olağanüstü elektriksel özellikler2800 oC’de vakum altında ısıl dengeYapılarına bağlı olarak ya iletken ya da yarı-iletkenBakır tele göre 1000 kat daha fazla elektrik akımı taşıma

kapasitesiElmasın iki katı termal iletkenlikDayanımı çelikten 100 kat daha fazla, ağırlığı ise 1/6 dır.İnsan saçından 10.000 kez daha ince


MEKANİK ÖZELLİKLER

Mekanik olarak çok sağlam, kovalent bağ ile bağlı yapılar

Farklı yarıçaplarda, çok katlı olabilen, çok kararlı yapılar

Yüksek elastik modülKırılma tokluğu çok yüksekEsnek olduğundan her türlü şekil verilebilir.


Bazı genel yüksek-dayanımlı malzemelerin çekme dayanımı

Scott E. Wadley


Genel Uygulamalar

BoruÇubukMilYayDişliPompa

John R. Lloyd

Boxuan GuDavid McQuilling

Scott E. Wadley


Nano Tüplerin Kullanımı

Olağanüstü elektriksel özellikleri nedeniyle, televizyon ve bilgisayar gibi elektronik alanında kullanılmaktadır.

Bugünkü televizyon ve bilgisayar ekranları Katod Işıklı Tüpler (CRT) olarak biliniyor. Karbon nano bilimi kullanarak nanotüplerden geliştirilen Saha Yayılımlı Tüp (FET) ise, bugün kullandıklarımızdan çok daha parlak, neredeyse göz ardı edilebilir kadar az enerji kullanan ve ağırlıkları da çok daha hafif olan ekranların üretimine geçilmesi ve piyasaya çıktığında eskilerinden daha ucuz olmasını sağlıyor


John R. Lloyd, Nanotechnology: What’s the Big Deal?Nanotechnology: What’s the Big Deal? ,University Distinguished Professor, Department of Mechanical Engineering,October 15, 2004

Boxuan Gu and David McQuilling, Nanomaterials Scott E. Wadley, Department of Aerospace Engineering at The University of

Kansas, Carbon Nano-tubes: An Overview

KAYNAKLAR


Nano-Kompozitler


Nanoteknolojinin özü, moleküler boyutta çalışarak, moleküler yapısı yenilenmiş büyük yapılar elde etmektir. Malzemelerin nanometrik boyuttaki özellikleri, aynı malzemenin makro boyuttaki özelliklerine göre değişiklik göstermektedir. Nano kompozitler, bir matris içerisinde nanometre büyüklüğünde parçacıkların dağılması ile oluşan malzemelerdir.

Nano kompozitlerin malzemeye getirdiği üstünlükler; modülü arttırması, güçlendirmesi, ısı direncini arttırması, malzemeye gaz sızmasını engellemesi, yanıcılığını azaltması olarak sıralanabilir.

Nano-Kompozitler


Nanoyapılı malzeme, tane/partikül boyutu 1-100 nm arasında olan malzemelerdir.

Mikro-yapılı malzemelerde atomların küçük bir yüzdesi yüzeyde ya da arayüzeyde (mesela tane sınırı) bulunmaktadır.

Nano-malzemelerde ise bu tür yerlerdeki atomların sayısı çok daha fazladır. Dolayısı ile nanometre seviyelerinde malzemelerin özellikleri geleneksel mikroyapılı malzemelerle karşılaştırıldığında değişik olabilmektedir.


Nano Malzemelerin Üretim Yöntemleri

Buhar yöntemleriSıvı yöntemleri

Yaş kimyasal yöntemlerKatı yöntemler

Buhar-sıvı-katı yöntemleri

Gencer GENÇGencer GENÇ


1.Buhar yöntemleri

A. Fiziksel Buhar Depozisyonu (PVD)

a) İnert Gaz Yoğunlaştırma

b) Anlık Ergitme ve Yoğunlaştırma

B. Kimyasal Buhar Depozisyonu (CVD)

C. Sprey Dönüşümü (Aerosol) Prosesi

2.Sıvı Yöntemleri

A. Sol-Jel Prosesi



3. Yaş Kimyasal Yöntemler

A. Bileşik YöntemB. Polyol Prosesi

4. Katı Yöntemler

A. Mekanik alaşımlama / öğütmeB. Mekano Kimyasal Yöntem



Jason Stone, Dr. Linda Schadler, Ben Ash


Amaç; Elektrik,

Magnetik, Optik,

Kimyasal

özellikler açısından diğerlerinden çok iyi özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi.

NANO-KOMPOZİTLER


NANO-KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI

Nano kompozitleri boyutlarına göre sınıflandırmak istenilirse; nano ebatta kaç boyutu olduğuna bakılır.

Nano kompozit üç boyutta da nanometrik seviyede ise ‘isodimensional’ nanopartiküller olarak adlandırılır ve in-situ, sol-gel metodu ile elde edilen kübik silis nano partikülleri buna bir örnek olarak verilebilir.

Eğer nano kompozit 2 boyutta nanometrik ve diğer boyutta daha büyük boyda ise nano tüpler veya kil kristalleri (whiskers) olarak adlandırılırlar. Selülozik kil kristalleri ve karbon nano tüpler bu tip nano kompozitlere örnek olarak verilebilir ve bunlar malzemelerin güçlendirmesinde nano dolgu maddesi olarak kullanılırlar.

Üçüncü çeşit nano kompozit ise sadece tek boyutta nanometrik seviyededir. Bu tür nano kompozitlerde dolgu malzemesi bir defter yaprağı gibi yalnızca tek bir boyutta nanometrik seviyededir, diğer boyutlarda ise yüzlerce yada binlerce nanometre boyutundadır.

Volkan ÖZENÇ, Hüseyin ÇAKIR


Nano Kompozitler

metal / seramik

seramik / seramik

metal / metal

polimer / seramik

inorganik/ polimer

polimer / polimer

NANO-KOMPOZİTLER


1. Nanokompozitler seramik/seramik Al2O3/(SiC, Si3N4, TiC, TiN, TiB2, BN), MgO/SiC,

Si3N4/(SiC, TiN, BN), Sialon/SiC, B4C/SiC, B4C/SiC/TiB2

2. Nanokompozitler seramik/metal Al2O3/(W, Mo, Ti, Ni, Co, Fe, FeNi), ZrO2/(Mo, Ni. Co)

MgO/(Fe, Ni)

3. Nanokompozit temelli fonksiyonel seramikler BaTiO3, ZnO, c-ZrO2 based nanocomposites

4. Nanokompozitler metal/seramicTi-Al Intermetalic based nanocomposites, MoSi2 based nanocomposites

5. Nanokompozitler polimer/seramik ve polimer/metal

NANO-KOMPOZİTLER

Mustafa Tuncer


Toz

Mukavemet, tokluk, sürünme, kimyasal kararlılık, Yüksek sıcaklık özellikleri

Mikroyapı Makroyapı

Arzu edilen özelliklere Sahip KOMPOZİT MALZEME

Mustafa Tuncer


Nanoboyuttaki tozlar, gelişmiş özelliklere sahip nanokompozitleri oluşturmak üzere seramik, metal ya da polimer gibi malzemeler içinde destekleyici olarak kullanılmaktadır.

Nano toz / Nano toz seramik kompozitler için kullanılacak tozlar; Yüksek kimyasal saflık Homojen toz boyut dağılımı Düşük topaklaşma Nano boyutta homojen olarak dağılmış tozların elde edilmesi gerekir.

BU NEDENLE TOZ ÜRETİM YÖNTEMİ ÖNEMLİ BİR BASAMAKTIR.

NANO-KOMPOZİTLER

Mustafa Tuncer


TOZ ÜRETİMİ İÇİN FARKLI SENTEZLEME YÖNTEMLERİ

MEKANİKSEL YÖNTEM Atritör öğütme Titreşimli öğütme Bilyalı öğütme

ISIL AYRIŞMA

Isıtma (buharlaşma) Püskürtmeli Kurutma Alev PüskürtmePlazma Püskürme Kimyasal Buhar Çökelme Dondurarak Kurutma Yanma Lazer Saçılması Elektron Saçınımı

ÇÖKELME – HİDROLİZ

Homojen Çökelme Heterojen Çökelme Metaloksit Tuzları Organometalik Tuzlar Sol - Jel

HİDROTERMALÇökelme Kristallenme Ayrışma Oksidasyon Elektrokimyasal Mekanokimyasal

ERİTME – HIZLI SOĞUTMA

Mustafa Tuncer


1) Jason Stone,Dr. Linda Schadler, Ben Ash,Alumina Filled PMMA,(Poly-ethlymethacrylate), Materials Science and Engineering

2) Mustafa Tuncer, Alümina/Zirkon Kompozitler İçin nanoboyutta toz üretimi, Dumlupınar Üniversitesi, Seramik Mühendisliği Bölümü

3)Volkan ÖZENÇ, Hüseyin ÇAKIR, Nanokompozit poliüretan üretimi

4) Gencer Genç, Nano fazlı malzemeler

KAYNAKLAR

Documents

Nano Kompozitler