Tarihteki Taş Devri, Tunç Devri ve Demir Çağı dönemlerinden bu yana malzemelerin gelişmesi insanların girişimlerinin ve ilerlemelerinin sınırlarını daha ileri noktalara taşımıştır. 21. yüzyılda havacılık ve uzay ile otomobil gibi sektörlerin talepleri doğrultusunda malzeme özelliklerinin sınırları hiç olmadığı kadar zorlanıyor.
İnsan, doğası gereği hayallerinin peşinden gider. Otomobil sektörü bu konuda mükemmel bir örnektir. Ford gelecekteki otomobilleri için bir malzeme istek listesi yayınladığında, belki de hayat kurtarabilecek pek çok malzemenin listede olduğu görüldü. Ford'un Araştırma ve İleri Mühendislik Bölümü İdari Teknik Yöneticisi Profesör Pim van der Jagt, bu ürünler arasında mevcut çeliğe göre üç kat daha güçlü ve yeni bir tür çelik, kaza anında yapısal öğelerin sabit kalmasını sağlayacak plastik köpük ve hem ağırlığı azaltan hem de dayanıklılığı artıran kompozit nano-dolguların olduğunu belirtti. (Kaynak: http://articles.sae.org/12297/)
Modern çağımızda havacılık ve uzay endüstrisi de emisyonları azaltacak, yakıt masraflarını düşürecek ve daha yüksek hızlara erişmeye olanak verecek daha sert, daha hafif ve ısıya daha fazla dirençli malzemeleri araştırıyor. Havacılık endüstrisinde bugüne kadar tercih edilen malzeme, kompozit malzemeler olmuştu. Kompozit malzemeler konusunda araştırmalar yürüten Dr. Eleanor Merson'a göre, “Otuz yıl önce bir uçaktaki kompozit madde oranı yüzde beş ile altı arasındaydı; bugün Dreamliner gibi bir ticari uçağın yaklaşık %50'lik bölümü kompozit malzemeden oluşuyor.”
Karbon fiber kompozit malzemeler, çeliğin beşte biri kadar olan ağırlığına rağmen çelikten daha güçlüdür. Örneğin Dreamliner'ın kanatlarında, kuyruğunda, iskeletinde iç malzemelerinde karbon fiber kompozit kullanılmıştır ve böylece uçak daha hafif hale gelmiştir. Uçaklar söz konusu olduğunda her kilonun önemi vardır. Uzmanların tahminlerine göre ticari bir uçağın ağırlığı bir kilogram (2,2 pound) azaltıldığında işletme masrafları yıllık bazda 2000 ile 3000 euro azalabilir.
Kompozit malzemelerle dolu bir Lamborghini
Kompozit malzemelerin otomobillerde, rüzgar türbini kanatlarında ve diğer ürünlerde kullanımı giderek artıyor. Örneğin, BMW’nin elektrik i3 modeli büyük ölçüde kompozit malzemelerden üretilmiştir. BMW'nin ifadesine göre araç, ağırlığının hafif olması sayesinde tek bir şarjla 160 kilometreye kadar yol yapabiliyor. Lamborghini’nin sert hatlı modeli Veneno Roadster, ağırlığının düşük olmasını sağlayan kompozit parçalar sayesinde 0'dan saatte 100 kilometre hıza sadece 2,9 saniyede çıkabiliyor. Kompozit malzemeler artık daha ucuz olarak ve daha fazla şirket tarafından üretilebiliyor, ancak üstün kalitede kompozit üretimi için hala yüksek sıcaklık, olağanüstü temiz üretim ortamları ve emek yoğun bir süreç gereklidir. Ve bu üstün kaliteli kompozitlerin işlenmesinde daha da büyük bir zorluk söz konusudur.
Sandvik Coromant için kompozitler konusunda araştırma yürüten Merson şöyle diyor: “Kompozit malzemelerde kesim ve özellikle delik delme büyük bir zorluktur". “Bir uçak üzerinde on binlerce delik bulunur ve malzeme son derece aşındırıcıdır; karbon lifleri, matkapları hızla aşındırır.”
Gelecekte, kompozit malzemelerin nano ölçek seviyesinde geliştirilen elyaflarla daha da güçlendirilmesi mümkün olacak. Aynı zamanda bilim insanlarının atom seviyesinde neredeyse mükemmel çözümler oluşturmaları da bekleniyor. Alman kimya şirketi Altana AG'nin uzmanları, ince karbon nano borularının çelik veya alüminyuma göre 400 kat ve geleneksel karbon liflerine göre 20 kat daha güçlü olarak üretilebileceğini söylüyorlar.
Akıllı telefonlardaki Grafen
Sert malzemeler olarak daha da fazla umut veren ve mucitleri Nobel ödülleri kazanan grafen ve kuazi kristal gibi malzemeler endüstriyel tasarım alanında gerçek bir devrim oluşturabilir. Bununla birlikte, endüstriyel uygulamalarının daha uzun bir süre yaygınlaşması beklenmiyor.
Geçen yıl bir Çin firması ürettiği cep telefonlarında iletkenliği iyileştirmek için grafen tanecikleri kullanmaya başladı. Kızartma tavalarının ve metal cerrahi aletlerinin dayanıklılığını artırmak üzere ürün kalıplarına kuazi kristal pulları eklendi. Yakın bir gelecekte büyük endüstriyel atılımlar beklenmese de, grafen araştırmaları için büyük yatırımlar yapılıyor. Çelikten 200 kat güçlü olan grafen dünyanın en ince malzemesidir (insan saçından 1 milyon kat incedir). Aynı zamanda, araştırmacılar, şirketler ve üniversiteler de bilinen malzeme ve tekniklerin iyileştirilmesi konusuna odaklanmış durumda.
Tampon sistemlerinde, çarpışma halkası parçalarında ve darbeden koruyucu kirişlerde artık yüksek mukavemetli çelik yerine hafif alüminyum alaşımları kullanılıyor. Uçak motorlarında son derece yüksek sıcaklıklara dayanıklı süper sert alaşımlar enerji dönüşümüne yardımcı olabilir ve masrafları azaltabilir.
Çelikten daha sert kaplamalar
Fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) uygulamaları ile objeler son derece ince, ancak sert ve ısıya dayanıklı bir film ile kaplanabilir. 1980'li yıllarda yaygınlaşan bu teknikler hala mekanik, optik ve elektronik cihazlar için kullanılmaktadır.
Sandvik Coromant bu yöntemleri kesici uç takımlarını sertleştirmek için kullanır. Kesici ucun çekirdeği semente karbürden oluşur. Bu malzeme de esas olarak tungsten karbür ve kobalt içerir.
Sandvik Coromant PVD departmanında malzeme fiziği uzmanı olarak çalışan Dr. Mats Ahlgren şöyle diyor: "İki ile 10 mikrometre arası bir PVD katmanı eklediğinizde kesici ucun ömrü 100 kat artar." “Böylece müşteriler sadece kesici uçları çok daha uzun süre kullanmakla kalmaz, aynı zamanda kesici uçları çok daha yüksek hızlar ve ilerlemelerle kullanarak verimlilik artışı da sağlayabilirler."
Şirketin şu an sürdürdüğü araştırmalar, dayanıklı malzemeler için duyulan talebi karşılamak üzere kaplamayı daha da sert bir hale getirmeye odaklanıyor.
“Son yıllarda, yeni kaplamalar yapma süreci üzerindeki kontrolümüzü geliştirdik,” diyor Ahlgren. “Yapıyı neredeyse atom seviyesine kadar inerek mikroskoplarda inceleyebiliyoruz. Böylece yeni çözümleri gerçek hayata geçirmeden önce analiz edebiliyoruz."
Sandvik Coromant 2013 yılında CVD kaplama sistemi Inveio™ için patent aldı. Kristallerin aynı doğrultuyu gösterecek biçimde düzenlendiği Inveio hem dayanıklılık hem de sertlik açısından gerçek bir ilerleme oldu.
Daha sert malzemeler kullanıldığı için kuvvetli malzemeleri tek bir yapı içinde çok büyük miktarda kullanma ihtiyacı da azaldı. Tasarımcılar bir otomobilin veya uçağın çeşitli parçaları için malzeme seçimi yaparken artık daha da seçici davranıyorlar. Bazı makine parçalarının o kadar da sağlam olması gerekmiyor. Bunlar, daha önce Airbus'ta endüstriyel tasarım yöneticisi olarak kabin tasarımı konusunda çalışan Ian Scoley'in görüşleri. Şu an C&D Zodiac'ta endüstriyel tasarım yöneticisi olarak çalışan Scoley, kuşların kemiklerinden ilham aldığını belirtiyor. “Kuş kemikleri gerektiğinde güçlü, esneklik gerektiğinde ise hafif ve açıktır.”
Akıllara durgunluk veren geri dönüşüm
Her ne kadar uçak ve otomobiller yeni malzemeler ve tasarımlar yardımıyla daha az enerji kullanıyor ve daha az egzoz çıkarıyorsa da, geri dönüşüm giderek daha önemli hale geliyor. Örneğin pek çok kompozit malzemede kullanılan yapışkan bağlayıcıların ayrıştırılması ve yeniden kullanılması zordur; ancak otomobil endüstrisinde kullanılan alüminyum alaşımlar gelecekte geri dönüştürüleceği göz önünde tutularak üretilir.
İşin doğrusu, geri dönüştürülebilirlik otomobil üretiminde itici güç olmuştur. Avrupa hükümetleri otomobillerin %85 oranında geri dönüştürülebilecek malzeme kullanılarak üretilmesi zorunluluğunu getiriyor. Almanya'daki bir otomobil sektörü analisti olan Arjen Bongard bu konuda şöyle diyor: “Otomotiv şirketleri arabadaki her parçanın bu zorunluluğu karşılayıp karşılamadığını kontrol ediyor".
Geri dönüştürülebilirlik konusunda ortaya çıkan zorluk, yaratıcı çözümleri tetikliyor. İç tasarımda buğday samanı ve soya ürünleri kullanmaya başlayan Ford, hindistan cevizi kabuğu, havuç ve mısırdan elde edilen plastik gibi malzemeleri de araştırıyor. Şirketin vizyonu, aracın iç malzemelerini %100 doğada çözünebilir olarak üretmektir.
Sandvik Coromant'ın baş Ar-Ge uzmanı Dr. Anna Hultin Stigenberg şöyle diyor: “Alternatif malzemeler bulmak önemli bir yoldur; çünkü uygun maliyetli ikame ve geri dönüşüm süreçleri oluşturmamız gerekiyor.” Stigenberg kısa bir süre öncesine kadar 100'den fazla şirketi ve araştırma merkezini bir araya getiren bir girişim olan ve sürdürülebilir malzemelerin geliştirilmesini destekleyen ham malzemeler için Bilgi ve Yenilik Topluluğu'nun uluslararası yürütme kurulunun başkanlığını yürütmüştü.
Atom seviyesinde
Peki, sadece var olan malzemelerle yetinmeye gerek var mı? İnsanlar, tümüyle yeni malzemeler oluşturma yeteneğini geliştiriyorlar – belirgin özellikleri olan malzemeler.
“Modern mikroskoplar ve bilgisayar hesaplamaları yardımıyla, atom seviyesinde yeni malzemeler tasarlama konusunda artık çok daha iyiyiz,” diyor Hultin Stigenberg.
Demir Çağının MÖ 550 yılı civarında bitmesinden beri insanlık tarihinde hiçbir belirgin malzeme insanlığın bir dönemine adını vermemiştir. Pek çok akademisyene göre bugün Plastik Çağını yaşıyoruz; ancak belki de gelecekte, içinde bulunduğumuz çağ Yeni Malzemeler Çağı olarak adlandırılacak. Bu çağın insan gelişmesine olan etkileri bizim şu an hayal edebileceğimizden çok daha büyük olabilir.
