Akademik Veri Yönetim Sistemi
Kandemir A. Ç. (Yürütücü), Dızecı Ş.
TÜBİTAK Projesi, 2019 - 2022
"Günümüzde polimer kompozit üretmek için kullanılan yöntemler, mekanik mukavemeti arttırırken, tokluğun ve sünekliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu durum, kompozit malzemelerin kopma dayanımının ve dolayısıyla ömürlerinin azalmasına sebep olmaktadır. Polimer kompozit malzemeler modern yaşamın pek çok alanında yer alır ve bu sebeple mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi oldukça önem teşkil eder. Örneğin, polimer kompozit malzemelerden endüstriyel ölçekte, havacılık (uçak ve roketlerin bileşenleri olarak) ve sağlık (yapay kol, bacak, kemik protezleri v.b.) sektörlerinde faydalanılmaktadır. Mikro ölçekte ise, başta mikro-elektronik sistemler ve ince film kaplamalar olmak üzere pek çok uygulamada yararlanılmaktadır. Bu projede, biyolojik sistemlerden ilham alınarak, hiyerarşik ölçekli ve parçacık yoğunluğu konuma göre değişen (kademeli) polimer kompozitler üretmek hedeflenmektedir. Bununla amaçlanan, mekanik özellikleri iyileştirilmiş, yani mukavemetin yanında tokluk ve süneklik de muhafaza edilmiş mühendislik malzemelerinin geliştirilmesidir. Hiyerarşik kademeli kompozitlerin konvansiyonel kompozitlere göre iki avantajı vardır. İlk olarak, doğada kademeli kompozitler, mekanik olarak farklı bölgeleri kesintisiz şekilde birleştirirler. Örneğin, kemik, kıkırdak, tendon gibi biyolojik sistemler, ara yüzey hasarını ve kırılmasını önleyen kademeli parçacık dağılımı ile bağlanır. İkinci olarak, doğada (örneğin insan kemiğinde) farklı boyuttaki parçacıkların (nano, mikro ya da makro ölçekte) polimer matris içinde hiyerarşik etkisi hem güçlü hem de tok mekanik özelliklere neden olur. Bu özellik günümüzde ticari ölçekte polimer teknoloji seviyesinin izin verdiği sadece tek boyutta parçacık takviyesiyle elde edilememektedir. Matrisi polimer olan sentetik hiyerarşik kompozitler, elastik yapıları ve düşük yoğunlukları sayesinde biyolojik malzemeleri daha iyi taklit edebilirler. Fakat literatürdeki polimer matrisli hiyerarşik kompozit çalışmaları az sayıdadır. Bunun sebepleri, kompozit bileşenleri arasındaki yüzey uyumsuzluğu, üretim sırasında ortaya çıkan hatalar ve yüksek yoğunluklu parçacık gereksinimidir. Bundan dolayı pek çok literatür çalışması seramik ve metal matrisli hiyerarşik kompozitlere yoğunlaşmıştır. Bu projede ise, yukarıda bahsedilen sebepler aşılarak farklı boyutlarda polimer matrisli hiyerarşik kompozit üretimi hedeflenmektedir. Üretilecek kompozitler, düşük yoğunluk ve güçlü mekanik özellikler gerektiren her uygulama için kullanılabilir. Fakat, temel uygulama olarak protez endüstrisi hedeflenmiştir. Bunun nedeni ilk olarak, günümüzde sentetik kompozitlerin hala biyolojik sistemleri tam olarak taklit edememesidir. Üç boyutlu şekillendirme ile küçük ölçekte parçacık yoğunluğu kontrolü hala istenilen düzeyde sağlanamamaktadır. İkinci olarak, Türkiye görece genç nüfusa sahip olsa da önümüzdeki on yıllarda 60 yaş üstü popülasyon yüzdesi artacak ve bu durum biyolojik sistemlere benzeyen hiyerarşik kompozit bazlı protez ihtiyacını arttıracaktır. Makro ölçekli kompozitlerin yanında, bu projede nano ve mikro ölçekli kompozit üretimi de hedeflenmektedir. Örneğin, makro ölçekli kompozit kemik protezinin malzemesi olarak kullanılabilir. Mikro ölçekte ince film olarak üretilen kompozitlerden ise, tendonun ve kemiklerin bağlanma noktaları gibi parçacık yoğunluğu ayarlaması gereken bölgelerde yararlanılabilir. Ayrıca, söz konusu üç boyutlu şekillendirme gerektiren bağlanma noktalarında, Atomik Kuvvet Litografisi (AKL) yöntemi kullanılarak organik sistemlerde görülen küçük ölçekte (µm genişlik ve nm yükseklikte) parçacık yoğunluğu ayarlaması başarılabilir. Projenin konu aldığı alan, küresel ölçekte yeni ve gelişmekte olan bir alan olup literatürde, AKL yöntemi kullanılarak mikro ölçekte kademeli kompozit yapılar üretmekle ilgili tek çalışma bu projenin yürütücüsü tarafından yayınlanmıştır (Kandemir et al., Composites Science and Techology, 2017). Bu çalışmada ise, üç boyutlu şekillendirme ve hiyerarşik parçacık dağılımı dikey doğrultuda uygulanarak, AKL yöntemini bir üst seviyeye çıkarmak amaçlanmaktadır. Çalışmanın sonunda, mekanik ve optik karakterizasyonlar kullanılarak aynı kompozisyona sahip kompozitlerin nano, mikro ve makro ölçeklerdeki davranışları kıyaslanacaktır. 30 aylık sürede gerçekleşmesi planlanan bu projede iki öğretim üyesi ve bir yüksek lisans ve bir lisans öğrencisi yer alacaktır. Proje yürütücüsü Dr. Öğretim Üyesi Ayşe Çağıl Kandemir yüksek lisans ve doktora çalışmalarında sırasıyla makro ve nano/mikro ölçekte polimer kompozit/nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonuna yoğunlaşmıştır. Akademik çalışmaları sonucunda bu konuda makaleler yayınlamıştır. Bu proje, yürütücünün doktora çalışmaları esnasında edindiği bilgilerin Türkiye’ye aktarılması için önemli bir fırsattır. Ayrıca, Dr. Öğretim Üyesi Şehram Dizeci, beşinci iş paketinde gereken sonlu elemanlar analizlerini ve yorumlamasını gerçekleştirilecektir. Dr. Dizeci, yüksek lisans ve doktorası sırasında mekanik testlerle ilgili çeşitli makaleler yayınlamış ve sonlu elemanlar analizleri alanında kapsamlı araştırma yapmıştır. Hiyerarşik polimer kompozitlerle ilgili çalışmalar sınırlı olduğu için, geliştirilecek malzemeler ile hem proje yürütücüsünün ülkemizde araştırmalarına temel teşkil edecek çalışmaları gerçekleştirmesi ve ileri araştırmalarına zemin oluşturacak bilimsel çıktıları üretmesi hedeflenmekte, hem de küresel platformda bilimin ilerlemesine katkı sağlanması amaçlanmaktadır. Bu projenin çıktılarının, Türkiye’deki protez endüstrisinin güçlenmesi ve uluslararası platformda rekabet edecek ürünlerin geliştirilmesine de girdi oluşturması beklenmektedir."