Karbon fiber takviyeli polimerler (CFRP) ve piezoelektrik malzemelerden oluşan yeni çok işlevli bir kompozit, titreşimleri kullanarak mikro ölçekli çatlakları kendi kendine tespit edebiliyor. Bu malzeme, havacılık, otomotiv ve inşaat sektörlerinde, harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan yapısal sağlık izleme amacıyla kullanılabilir. Söz konusu teknolojiye dair detaylar, International Journal of Smart and Nano Materials dergisinde yayımlanan bir makalede paylaşıldı.
Zhenjin Wang, “CFRP son derece dayanıklı ve hafiftir. Uçaklarda, rüzgar türbinlerinde ve diğer büyük yapılarda kullanılmaktadır. Ancak, iç yapıda oluşan çatlaklar büyüdüğünde ani hasarlara yol açabilir. Bu çatlakların erken tespiti zordur ve birçok yapı batarya veya kablolu sensörleri kolayca kullanamaz. Kendi kendine enerji üreten bir algılama çözümüne güçlü bir ihtiyaç vardır” ifadelerini kullandı.
CFRP’yi daha akıllı hale getirmek amacıyla araştırmacılar, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir piezoelektrik nanokompoziti yapıya entegre etmiştir. Bu piezoelektrik nanokompozit, piezoelektrik nanoparçacıklar ile epoksiden oluşmakta olup, elektriksel performans ile mekanik dayanım arasında denge sağlamaktadır. Uçaklar ve enerji sistemlerinde pratik kullanım için ekip, geleneksel kurşun bazlı seramikler yerine kurşunsuz bir piezoelektrik malzeme olan potasyum sodyum niyobat (KNN) kullanmıştır. Bu yaklaşım, daha güvenli ve çevre dostu algılama teknolojilerini desteklemektedir. Wang, “Malzememiz titreşimi bilgiye dönüştürmektedir. Çatlak ilerlemesi, kablosuz sinyallerin zamanlamasında gözlemlenebilir; bu da daha güvenli uçaklar ve enerji sistemleri için tamamen otonom yapısal izleme imkânı sunar” dedi.
Araştırmacılar, kompozitin hem mekanik dayanımını hem de elektrik üretme kapasitesini test etmiştir. Titreşim altında malzeme, açık devre gerilimi olarak 13,6 V’a kadar üretim gerçekleştirmiştir. Daha da önemlisi, CFRP ile piezoelektrik nanokompozit katmanları arasına yapay çatlaklar yerleştirildiğinde, çatlak uzunluğu arttıkça çıkış gerilimi ve rezonans frekansının azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum, malzemenin yalnızca enerji hasadı yapmadığını, aynı zamanda elektriksel tepkisindeki değişimler aracılığıyla iç hasarı “algılayabildiğini” göstermektedir.
Bu davranış temelinde ekip, enerji hasadı, algılama ve yapısal sağlık izlemeyi tek bir malzeme sistemi içinde birleştiren yeni bir yaklaşım önermektedir. Piezoelektrik “beyin” sayesinde CFRP, titreşimlerden elektrik üretmekte ve bunu ivme ile basınç gibi kritik parametreleri izlemek için kullanabilmektedir; ayrıca verileri harici bir güç kaynağı olmaksızın kablosuz olarak bir bilgisayara iletebilmektedir. Bunun yanı sıra, delaminasyon gibi iç hasarlar, alınan kablosuz sinyallerin zamanlamasındaki değişimlerin analiz edilmesiyle tespit edilebilmektedir.
“Günümüzde denetimler sensörler, kablolar ve güç kaynakları gerektirmektedir. Bu yeni malzeme ise kendi kendine çalışmaktadır. Maliyeti, ağırlığı ve bakım ihtiyacını azaltırken, enerjiye erişimin sınırlı olduğu ortamlarda güvenliği artırır,” dedi Wang. “Araştırmamız, daha güvenli uçaklar ve enerji sistemlerini desteklemenin yanı sıra, geleceğin akıllı malzeme araştırmalarına katkı sağlayacak ve bataryasız sensör teknolojilerinin gelişimini hızlandıracaktır.”
Araştırmacılar, gelecekte bu çok işlevli kompozitin yeni nesil kendi kendine enerji üreten yapısal sağlık izleme sistemlerinde nasıl kullanılabileceğini değerlendirmektedir. Ancak, pratik uygulamaların belirlenebilmesi için kompozitin dayanıklılığı ve uzun vadeli kararlılığının ek testlerle doğrulanması gerekmektedir.
Kablosuz entegre cihazı çalıştıran devrenin şematik diyagramı. ©Zhenjin Wang ve diğerleri. / A schematic diagram of the circuit that drives the wireless integrated device. ©Zhenjin Wang et al. ©Zhenjin Wang et al.
Kaynak
https://www.tohoku.ac.jp/en/press/selfpowered_composite_material_detects_its_own_cracks.html
Akademik Referans / Journal Reference: Yuki Sueda, Zhenjin Wang, Yaonan Yu, Yusuke Watanabe, Hoshiki Sato, Ryozo Ohiwa, Yu Shi, Hiroki Kurita, Fumio Narita, From Vibration to Information: Self-Powered Crack Detection and Wireless Communication in Carbon Fiber Reinforced Piezoelectric Nanocomposites, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2025.2610182
