Hava araçlarında yapısal sağlık izlemesi için mekanolüminesans malzemenin geliştirilmesi

Abstract

Yapısal sağlık izleme, bir yapıdaki hasar ve uygunsuzlukların sensörler aracılığıyla veri edinme ve analiz etme süreci olarak tanımlanmaktadır. Yapısal sağlık izleme yapının bütünlüğünü tehlikeye atabilecek olayların, anormalliklerin, hasarların veya bozunmaların gerçek zamanlı izlenmesi ve değerlendirilmesi açısından büyük önem teşkil etmektedir. Günümüzde yapısal sağlık izleme havacılık-uzay, inşaat ve enerji alanlarında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Yapısal sağlık izleme ile fiziksel olarak ulaşılamayan bölgelerden veri edinerek hasarın konumunu ve şiddetini belirlenmesi sonucu yapının bakım ve onarımı gerekli durumlarda gerçekleşmektedir. Hasarın teşhis ve tahmin edilmesi için gerinim ölçerler, fiber-optik sensörler, ivmeölçerler, piezoelektrik ve mikro elektro-mekanik sistemler kullanılmaktadır. Havacılık-uzay alanında kompozit malzemeler oldukça tercih edilmektedir ve yapısal sağlık izlemesi için kullanılan sensörler bu malzemelere entegre veya gömülü halde bulunmaktadır. Sensör kablolarının kurulum süreleri, yapıyı ağırlaştırmaları ve dizilim hataları karşılaşılan zorluklar arasındadır. Bu yüzden düşük enerji tüketen, tekrar edilebilir, yüksek hassasiyete duyarlı yenilikçi yöntemler geliştirilmeye ihtiyaç duyulmaktadır. Mekanolüminesansın tekrar edilebilirliği, gerilim, darbe ve çatlak gibi deformasyonları algılama ve düşük enerji tüketimi özelliklerine sahip olması pek çok araştırmacının ilgisini çekmektedir. Mekanolüminesans, malzemeye uygulanan mekanik uyarımlar sonucu ışıma yapmasıdır. Mekanolüminesansın alt sınıfı olan elastik mekanolüminesansın tahribatsız gerçekleşmesi, tekrar edilebilir olması ve malzeme üzerine uygulanan yük ile doğru orantılı olarak ışıma yoğunluğunun artması nedeniyle yapısal sağlık izleme alanındaki sensör uygulamaları için uygun kılmaktadır. Mekanolüminesans davranışının incelenmesinde stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzeme oldukça tercih edilmektedir. Stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzemesinin mekanolüminesans davranışı, sentezlenmeleri sırasında kullanılan aktivatörler ve proses parametrelerine bağlı olarak geliştirilebilmektedir. Bu tez çalışmasında, yapısal sağlık izleme uygulamalarına yönelik mekanolüminesans davranışı geliştirmek amacıyla Eu2+ ve Dy3+ aktive edilmiş stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzemesine eklenen Y ve Ho nadir toprak elementlerinin etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmada, farklı stokiyometrilerdeki stronsiyum alüminat numuneleri Sr(0,96-x)Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Mx (M: Y, Ho) formülüne uyarlanarak üretilmiştir. X değerleri sırasıyla 0; 0,01 ve 0,03 mol olmaktadır. Katı-hal reaksiyonu yöntemiyle Sr0,96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 bileşimi referans numune olarak %10H2-Ar redükleyici atmosferde 1350 °C sıcaklıkta 2 saat boyunca sinterlenerek üretilmiştir. Mekanolüminesans davranışın geliştirilmesinde kullanılacak optimum bileşimi belirlemek için farklı konsantrasyonlarda Y ve Ho katkılı numuneler aynı parametreler doğrultusunda sol-jel yöntemi ile üretilmiştir. Elde edilen ürünlerin yapısal, optik ve morfolojik analizleri için sırasıyla XRD, spektrofotometre ve elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Mekanolüminesans davranışının incelenmesi için tozlar sırasıyla kütlece %10, %30 ve %50 oranlarda epoksi matrise katılmıştır. Mekanolüminesans şiddetleri bilya düşürme testi sırasında görüntü işleme tekniği ile tespit edilmiştir. Numunelerin XRD analizi sonuçlarında monoklinik SrAl2O4 anafazı ve ikincil faz olarak Sr4Al14O25 fazı tespit edilmiştir. Yapıya eklenen Y ve Ho katkıları ikincil faza ait pik şiddetlerini arttırdığı tespit edilmiştir. Spektrofotometre analizi sonucunda numunelerin 520 nm dalga boyunda ışıma yaptıkları tespit edilmiştir fakat holmiyum katkılı bileşimlerde Ho3+ halinden Ho2+ haline redüklenmesi ile 545 nm dalga boyunda ikincil bir pik tespit edilmiştir. Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 numunesinin en yüksek ışıma şiddetine ve en kısa sönümlenme süresine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu kapsamda mekanolüminesans davranışını geliştireceği düşünüldüğü için Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 bileşimi katı- hal reaksiyonu ve sol-jel yöntemi ile üretimine devam edilmiştir. Sr0,96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 bileşimi referans numunesine uygulanan SEM analizi sonucunda genel yapının homojen dağılımda ve tanelerin köşeli olduğu tespit edilmiştir. Her iki yöntemle üretilen Sr0,95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 bileşiminin SEM analizleri sonucunda tane dağılımının düzensiz olduğu tespit edilmiştir. Sr0,96Al2O4:Eu0,01,Dy0,03 tozu içeren kompozit disklerin mekanolüminesans davranışının analizinde, matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin de doğru orantılı olarak arttığı tespit edilmiştir. Buna ek olarak, artan toz oranıyla düşük darbe enerjilerinde de mekanolüminesans davranışı gözlemlenmiştir. Sol-jel yöntemi ile üretilen Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 bileşimi içeren tozun katkılı olduğu kompozit disklerin mekanolüminesans davranışının analizinde, matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin önce azaldığı sonra arttığı tespit edilmiştir. Katı-hal reaksiyonu yönteminde ise matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Toz oranının matris içerisindeki artışı ile topaklanmaya neden olması sonucu uygulanan mekanik uyarımın toza iletimi ve tozdan yansıması ışıma şiddetini azaltmasıyla açıklanmaktadır. Bütün kompozit numunelere uygulanan darbe enerjisinin artması ile doğru orantılı olarak mekanolüminesans şiddetinin de arttığı tespit edilmiştir. Ho katkılanması ile numunelerdeki tepki hassasiyetleri artmıştır ve en düşük darbe enerjilerinde dahi mekanolüminesans davranışı göstermiştir. %10 oranında holmiyum katkılı bileşim daha şiddetli mekanolüminesans davranış göstermiştir.