Bu çalışma, darbe altında sertleşebilen kesme kalınlaşan jeli karbon fiber ve negatif Poisson oranlı üç boyutlu bir hücresel iskeletle birleştiren çok bileşenli bir sandviç kompozit geliştirmiştir. Sistemin yumuşak çekirdek bileşeni olan kesme kalınlaşan jel, düşük yükleme hızlarında şekil değiştirebilmekte; yüksek hızlarda ise daha elastik ve daha dirençli bir davranış göstermektedir. Araştırmacılar, jelin düşük hızlı akma ve sınırlı yük taşıma sorunlarını azaltmak amacıyla yüzeyi polidopaminle kaplanmış kısa karbon fiberler kullanmış, ortaya çıkan kompoziti üç boyutlu baskıyla üretilen negatif Poisson oranlı bir iskeletin içine yerleştirmiştir.

Karbon fiberlerin polidopaminle kaplanması yüzeyde daha pürüzlü, parçacıklı bir tabaka oluşturmuştur. Bu tabakanın karbon fiber ile jel arasındaki ıslanabilirliği ve gerilim aktarımını geliştirdiği değerlendirilmiştir. Farklı fiber oranları içinde kütlece %2 CF@PDA içeren 2CFP-STG, düşük frekanstaki en yüksek depolama modülünü göstermiştir. 0,01 Hz’de depolama modülü 0,186 MPa’ya ulaşmış; katkısız jelin 0,0162 MPa değerine göre yaklaşık %1.048 artmıştır.

Üç boyutlu baskılı çekirdeklerde iki farklı geometri karşılaştırılmıştır. Negatif Poisson oranlı, yani öksetik NPR hücreleri basma sırasında yanal olarak içeri doğru daralmakta ve dolgu malzemesini darbe bölgesine doğru sıkıştırmaktadır. Pozitif Poisson oranlı PPR kontrol hücreleri ise geleneksel biçimde yanal olarak genişlemektedir. %5,32 basma geriniminde NPR-2CFP-STG hücresinin gerilmesi 0,151 MPa, PPR-2CFP-STG hücresinin gerilmesi 0,067 MPa olarak ölçülmüştür. Böylece NPR sistemi aynı gerinimde yaklaşık 2,25 kat daha yüksek yük taşımıştır.

10 J düşen ağırlık deneyinde NPR-2CFP-STG, PPR karşılığına göre daha yüksek tepki kuvveti ve daha düşük çökme göstermiştir. Tepe kuvveti 1.861,1 N’dan 3.122,9 N’a yükselirken maksimum yer değiştirme 8,83 mm’den 5,98 mm’ye, temas süresi ise 14,70 ms’den 9,83 ms’ye düşmüştür. Buna karşılık PPR numunesinin görünür enerji sönümleme değeri 8,44 J ve verimi %85,21; NPR numunesinin değerleri ise 8,32 J ve %78,94 olmuştur. Bu sonuç, NPR’nin enerjiyi mutlaka daha fazla tüketmesinden ziyade daha yüksek yapısal destek sağlayarak yerel çökme ve nüfuzu sınırlandırdığını göstermektedir.

30 J darbe altında iki geometri arasındaki hasar farkı belirginleşmiştir. PPR-2CFP-STG’de kaydedilen yer değiştirme 41,21 mm’ye ulaşmış ve yaklaşık 27 mm kalınlığındaki numune tamamen iki parçaya ayrılmıştır. NPR-2CFP-STG’de yer değiştirme 23,43 mm’de kalmış; çekirdekte çatlama oluşmasına rağmen kompozit genel bütünlüğünü korumuştur. Aynı noktaya uygulanan üç ardışık 10 J darbe sonrasında NPR sistemi görünür enerji sönümleme değerini 7,97–8,34 J aralığında korumuş, ancak üçüncü darbede tepe kuvvetinin düşmesi ve yer değiştirmenin artması rijitlik kaybının başladığını göstermiştir.

Çalışmanın ana sonucu, polidopamin kaplı karbon fiberin jelin yük taşıma davranışını geliştirdiği; negatif Poisson oranlı iskeletin ise darbede geometrik sıkıştırma, yer değiştirme sınırlaması ve hasarın geciktirilmesi bakımından belirleyici olduğu yönündedir. Bununla birlikte yüksek tepe kuvveti, her koruma uygulamasında istenen bir sonuç değildir. Sistem, kuvvet yalıtımından çok delinme direnci, yüzey desteği ve sınırlı yer değiştirme gereken uygulamalar için daha uygun görünmektedir.

Türkiye açısından: Bu yaklaşım Türkiye’de havacılık ve uzay bileşenleri, otomotiv batarya muhafazaları, raylı sistem panelleri, endüstriyel makine koruyucuları, hassas ekipman ambalajları ve hafif darbe dayanımlı kompozitlerin geliştirilmesi açısından araştırma değeri taşımaktadır. Türkiye’de uygulama için yerli reçine, karbon fiber ve eklemeli imalat malzemeleriyle yeniden üretim; hücre kütlesi ve bağıl yoğunluğu eşitlenmiş NPR-PPR karşılaştırmaları; farklı sıcaklık ve nem koşulları; yaşlandırma, yorulma ve çok noktalı darbe; daha geniş numuneler; sonlu eleman modellemesi ve bağımsız laboratuvar tekrarları gerekir. Çalışmadan balistik koruma, patlama güvenliği, insan vücuduna aktarılan kuvvetin güvenli olduğu, seri üretim maliyetinin uygunluğu veya gerçek uçak ve araç parçalarında sertifikasyon sonucu çıkarılamaz.

Kesme kalınlaşan jel nedir?

Kesme kalınlaşan jel, uygulanan deformasyonun hızına göre mekanik davranışı değişen yumuşak bir malzemedir. Düşük yükleme hızlarında akışkan veya esnek bir yapı gibi davranabilirken yüksek hızlı sıkıştırma, çekme veya kesme altında iç direnci hızla yükselmektedir. Bu nedenle malzeme hem normal kullanım sırasında uyumlu ve şekil değiştirebilir, hem de ani darbe sırasında daha sert bir tepki verebilir.

Çalışmada STG, dimetil silikon yağı ile borik asidin kütlece 10:1 oranında karıştırılması ve 240 °C’de tepkimeye sokulmasıyla hazırlanmıştır. Bu sistemde bor atomları ile silikon yağı zincirlerindeki oksijen içeren gruplar arasında dinamik bağların meydana geldiği düşünülmektedir. Bağlar yavaş deformasyon altında ayrılıp yeniden oluşabilirken hızlı yükleme altında moleküler zincirlerin hareketi sınırlandırılmakta ve geçici olarak daha sert bir ağ ortaya çıkmaktadır.

STG’nin tek başına iki temel sınırlılığı bulunmaktadır:

• Düşük hızlarda zamanla akabilmesi ve şeklini koruyamaması.
• Bir sandviç yapıda yüksek yapısal yükleri tek başına taşıyamaması.

Araştırmacılar ilk sorunu karbon fiber takviyesi, ikinci sorunu ise üç boyutlu hücresel iskelet kullanımıyla azaltmayı amaçlamıştır.

Karbon fiber neden polidopaminle kaplanmıştır?

Karbon fiber yüksek elastisite modülü, yüksek dayanım ve düşük yoğunluk nedeniyle kompozitlerin güçlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Ancak karbon fiber yüzeyi kimyasal olarak görece etkisizdir. Fiber ile yumuşak jel arasında yeterli ara yüz etkileşimi oluşmadığında yükün matristen fibere aktarılması sınırlı kalabilir ve fiberler gerçek takviye potansiyelini tam olarak gösteremez.

Polidopamin, midyelerin yüzeylere tutunmasını sağlayan kimyasal yapılardan esinlenen, farklı malzemelerin üzerine çökelebilen yapışkan bir kaplama malzemesidir. Katekol, amin ve diğer polar grupları sayesinde karbon fiber yüzeyini daha etkin hâle getirebilir.

Çalışmada kullanılan kısa karbon fiberlerin:

• Uzunluğu 1 mm,
• Çapı 7 µm,
• Ürün sınıfı Toray T700’dür.

Kaplama işleminde karbon fiberler Tris-HCl tampon çözeltisi içinde 10 dakika dağıtılmıştır. Daha sonra dopamin çözeltisi damla damla eklenmiş, 2 mL ve 0,5 mol/L derişimindeki NaOH çözeltisiyle bazik ortam hazırlanmış ve karışım 24 saat karıştırılmıştır. Elde edilen polidopamin kaplı karbon fiber “CF@PDA” veya kısaca “CFP” olarak adlandırılmıştır.

Metin çözeltinin pH değerini 8 olarak verirken 7. sayfadaki Şekil 3’ün hazırlama şemasında pH 8,5 yazmaktadır. Ayrıca dopamin ve Tris-HCl çözeltilerinin derişimleri bildirilmemiştir. Bu iki eksiklik, aynı kaplama kalınlığının başka bir laboratuvarda yeniden elde edilmesini güçleştirmektedir.

SEM görüntüleri ne göstermektedir?

Çalışmanın 7. sayfasındaki Şekil 3(b), işlenmemiş karbon fiber ile polidopamin kaplı fiberi karşılaştırmaktadır. İşlenmemiş fiber yüzeyinde üretim yönüne paralel düzgün oluklar görülmektedir. Kaplama sonrasında yüzey daha kaba hâle gelmiş ve yoğun parçacıklı bir tabakayla kaplanmıştır.

Bu görüntüler polidopamin tabakasının oluştuğunu desteklemektedir. Yüzey pürüzlülüğünün artması jel ile fiber arasında daha fazla mekanik tutunma alanı sağlayabilir. Buna karşılık çalışmada:

• Kaplama kalınlığı,
• Yüzey temas açısı,
• Yüzey kimyası için XPS,
• Fiber-jel ara yüz kesme dayanımı,
• Kaplamanın çevrimsel yük altında kararlılığı

doğrudan ölçülmemiştir. Bu nedenle “ara yüz bağlanmasının güçlendiği” sonucu, yüzey görüntüleri ile makroskopik reoloji ve basma sonuçlarının birlikte yorumlanmasına dayanmaktadır.

CFP-STG kompozitleri nasıl hazırlanmıştır?

Kaplanmış fiberler STG içine iki merdaneli karıştırıcı kullanılarak dağıtılmıştır. Kompozitler XCFP-STG biçiminde adlandırılmış; X değeri karbon fiber katkısının kütlece yüzdesini ifade etmiştir. İncelenen oranlar:

• 1CFP-STG: kütlece %1 CF@PDA,
• 2CFP-STG: kütlece %2 CF@PDA,
• 4CFP-STG: kütlece %4 CF@PDA,
• 6CFP-STG: kütlece %6 CF@PDA.

Ana metinde katkı yüzdesinin yalnızca STG kütlesine mi yoksa toplam kompozit kütlesine mi göre hesaplandığı açık biçimde tanımlanmamıştır. İki merdaneli karıştırmanın süresi, merdane hızı, merdane aralığı ve sıcaklığı da verilmemiştir.

STG’nin frekansa bağlı davranışı

Çalışmanın 7. sayfasındaki Şekil 3(c), STG’nin depolama modülü G′ ile kayıp modülü G″ değerlerini 0,01–100 Hz frekans aralığında göstermektedir.

• Depolama modülü G′: Malzemenin elastik olarak depoladığı enerjiyi ve katı benzeri davranışı temsil eder.
• Kayıp modülü G″: Viskoz akış ve iç sürtünmeyle tüketilen enerjiyi temsil eder.

Frekans yükseldikçe STG’nin depolama modülü artmıştır. Yaklaşık 3 Hz’nin üzerinde G′ değeri G″ değerini aşmış ve malzeme viskoz davranışın baskın olduğu durumdan elastik davranışın baskın olduğu duruma geçmiştir.

Şekil 3(d)’deki makroskopik gösterim de bu hız bağımlılığını görselleştirmektedir. Malzeme yavaş çekildiğinde uzun bir şerit oluşturacak biçimde uzayabilirken hızlı çekildiğinde daha kolay kırılmıştır. Bu gözlem, moleküler ağın hızlı deformasyonda yeniden düzenlenmek için yeterli zamana sahip olmadığını düşündürmektedir.

Karbon fiber miktarı depolama modülünü nasıl değiştirmiştir?

8. sayfadaki Şekil 4, katkısız STG ile dört CFP-STG kompozitinin depolama modüllerini karşılaştırmaktadır. Karbon fiber eklenen bütün numuneler, incelenen frekans aralığının tamamında katkısız jelden daha yüksek depolama modülü göstermiştir.

Düşük frekanstaki değişim doğrusal olmamıştır. En yüksek fiber oranı yerine %2 katkılı 2CFP-STG en yüksek düşük frekans modülünü vermiştir.

Düşük frekans davranışı, malzemenin uzun süreli veya yavaş yük altında şeklini koruyabilmesiyle ilişkilidir. 2CFP-STG’nin bu bölgede daha yüksek modül göstermesi, fiberlerin etkili bir takviye ağı oluşturduğunu düşündürmektedir.

%4 ve %6 katkı, orta ve yüksek frekanslarda daha yüksek modüller oluşturmasına rağmen düşük frekanstaki kazanç aynı biçimde devam etmemiştir. Araştırmacılar bunu yüksek fiber miktarında dağılımın zorlaşması, fiberlerin topaklanması veya etkili ağ veriminin azalmasıyla açıklamaktadır. Ancak fiber dağılımının üç boyutlu görüntülemesi veya topak büyüklüğü analizi yapılmamıştır.

Basma davranışında hangi fiber oranı daha güçlüdür?

9. sayfadaki Şekil 5, 100 mm/dakika basma hızında farklı fiber oranlarının gerilme-gerinim eğrilerini göstermektedir. Bütün CFP-STG numuneleri katkısız jelden daha yüksek gerilme taşımıştır.

Fiber oranı %1’den %6’ya yükseldikçe basma gerilimi genel olarak artmış; %4 ve %6 katkılı numuneler gerinim aralığının büyük bölümünde en yüksek değerleri göstermiştir. Bu sonuç, en yüksek düşük frekans kararlılığı ile en yüksek kısa süreli basma dayanımının aynı formülasyonda oluşmadığını göstermektedir:

• 2CFP-STG düşük frekans şekil kararlılığında öne çıkmıştır.
• 4CFP-STG ve 6CFP-STG basma yükü taşımada daha yüksek değerler vermiştir.

Araştırmacılar sandviç yapı deneyleri için 2CFP-STG’yi seçmiştir. Seçim, düşük frekans modülü, yavaş akma direnci ve hücre boşluklarına 24–48 saat içinde nüfuz edebilme dengesi üzerinden yapılmış görünmektedir. Ancak bütün fiber oranları sandviç darbe deneylerinde karşılaştırılmadığı için %2 oranının genel darbe performansı bakımından kesin optimum olduğu kanıtlanmamıştır.

Yükleme hızı basma davranışını nasıl etkilemiştir?

10. sayfadaki Şekil 6’da STG ve 2CFP-STG, 50, 100 ve 200 mm/dakika basma hızlarında karşılaştırılmıştır. Her iki malzemede de basma hızı arttıkça aynı gerinimde oluşan gerilme yükselmiştir.

2CFP-STG bütün hızlarda katkısız STG’den daha yüksek gerilme taşımıştır. Böylece karbon fiber takviyesi yalnızca tek bir yükleme hızında değil, incelenen bütün hızlarda yük taşıma kapasitesini geliştirmiştir.

Bununla birlikte 200 mm/dakika hâlâ gerçek darbedeki yerel şekil değiştirme hızlarından çok daha düşük olabilir. Bu basma deneyleri hız duyarlılığını göstermekte, fakat düşen ağırlık sırasındaki tam dinamik malzeme yasasını vermemektedir.

Negatif Poisson oranı nedir?

Geleneksel bir malzeme düşey yönde sıkıştırıldığında yanlara doğru genişler. Bu davranış pozitif Poisson oranıyla ifade edilir. Negatif Poisson oranlı veya “öksetik” bir hücresel yapı ise düşey olarak sıkıştırıldığında yanal yönde de içe doğru daralabilir.

Çalışmanın 5. sayfasındaki Şekil 1, içe girintili tek bir hücrenin döndürülerek üç boyutlu hücresel bir yapıya dönüştürülmesini göstermektedir. Şekil 2 ise NPR hücresiyle PPR kontrol hücresini karşılaştırmaktadır.

NPR davranışının darbe korumasındaki beklenen etkileri şunlardır:

• Darbe bölgesine doğru yanal daralma.
• Jel dolgunun yerel olarak sıkıştırılması.
• Darbe yükünün daha geniş bir iskelet bölgesine aktarılması.
• Çökme ve nüfuzun sınırlandırılması.
• Hücre ve dolgu arasında birlikte deformasyon.

NPR ve PPR çekirdekler nasıl üretilmiştir?

NPR yapısı düzlem içinde 6×6 hücreden ve kalınlık yönünde üç tabakadan oluşmuştur. PPR yapısında hücre açısı 60°’den 120°’ye değiştirilmiştir. Açının değişmesi toplam dış boyutu büyüttüğü için PPR numunesi 5×5×3 hücre dizilimiyle hazırlanmıştır.

Her iki iskelet Future 7500 naylon malzemeden seçici lazer sinterleme yöntemiyle üretilmiştir. 2CFP-STG iskeletin üzerine yerleştirilmiş ve yavaş akışından yararlanılarak 24–48 saat boyunca boşluklara girmesi beklenmiştir. Üst ve alt yüzeylere 1 mm kalınlığında karbon fiber takviyeli polimer levhalar yapıştırılarak sandviç numuneler elde edilmiştir.

Kesin hücre uzunlukları, çubuk kalınlıkları, dış boyutlar ve bağıl yoğunluklar yüklenen dosyada bulunmayan Şekil S7 ve Tablo S1’de verilmiştir. Ayrıca NPR ile PPR’nin:

• Toplam kütlesi,
• Naylon hacmi,
• Dolgu miktarı,
• Bağıl yoğunluğu,
• Yüzey levhasına bağlanan toplam alanı

eşitlenmiş olarak rapor edilmemiştir. Bu nedenle karşılaştırmada yalnızca Poisson oranı değil, hücre sayısı ve malzeme dağılımı da etkili olabilir.

Dolgulu ve dolgusuz hücrelerin basma davranışı

11. sayfadaki Şekil 7, katkısız 2CFP-STG, çıplak NPR ve PPR hücreleri ile jel doldurulmuş NPR ve PPR hücrelerini karşılaştırmaktadır.

Yalnızca 2CFP-STG en düşük gerilmeyi taşımıştır. Çıplak hücresel iskeletler daha yüksek rijitlik göstermiştir. Dolgulu yapılar jelden daha güçlü, fakat karşılık gelen çıplak hücrelerden daha düşük gerilmeli bir davranış sergilemiştir.

%5,32 gerinimde:

Çok düşük gerinimlerde PPR tabanlı yapılar bir miktar daha yüksek gerilme göstermiştir. Gerinim arttıkça NPR hücreleri PPR hücrelerini geçmiş ve fark giderek büyümüştür. Bu eğilim, NPR hücresinin ilk temas anından ziyade ilerleyen sıkıştırma aşamasında daha etkili geometrik kısıtlama oluşturduğunu düşündürmektedir.

Dolgulu hücrelerin çıplak iskeletlerden daha düşük gerilme taşıması, dolgunun statik rijitliği doğrudan artırmadığını göstermektedir. Çalışmaya göre jel esas olarak yerel deformasyona katılmakta, hücreler arasındaki yük aktarımını değiştirmekte ve dinamik yükte hız bağımlı sönümleme sağlamaktadır.

Düşen ağırlık deneyi nasıl gerçekleştirilmiştir?

Darbe deneyleri Instron 9350 cihazında yapılmıştır. Temel deney koşulları şöyledir:

Çalışmada kuvvet-zaman ve kuvvet-yer değiştirme eğrileri kaydedilmiştir. Görünür sönümlenen enerji, kuvvet-yer değiştirme eğrisinden hesaplanmış ve görünür enerji soğurma verimi şu biçimde tanımlanmıştır:

\[ \eta_{\mathrm{app}} = \frac{E_{\mathrm{diss}}} {E_{\mathrm{imp,act}}} \times 100\% \]

Burada \(E_{\mathrm{diss}}\), eğriden hesaplanan görünür sönümlenen enerjiyi; \(E_{\mathrm{imp,act}}\), cihaz verisinden elde edilen gerçek gelen darbe enerjisini ifade etmektedir.

Araştırmacıların özellikle “görünür” ifadesini kullanması önemlidir. Hesaplanan değer, kompozit içinde ısı, çatlama ve viskoz kayıpla tüketilen enerjiyi bütünüyle birbirinden ayırmamakta; vurucunun ölçülen kuvvet-yer değiştirme davranışından türetilen toplu bir göstergedir.

Karbon fiber katkısının 10 J darbedeki etkisi

12. sayfadaki Şekil 8(a-b), iskeleti bulunmayan sandviçlerde katkısız STG ve 2CFP-STG çekirdeklerini karşılaştırmaktadır.

Karbon fiber katkısı tepe kuvvetini yaklaşık %4 artırmış, maksimum yer değiştirmeyi yaklaşık %6,7 azaltmıştır. Dolayısıyla CF@PDA takviyesinin tek başına etkisi ölçülebilir olmakla birlikte, hücresel iskeletin oluşturduğu değişimden çok daha küçüktür.

NPR iskeletinin 10 J darbedeki etkisi

İskeletsiz STG sandviç ile NPR-STG karşılaştırıldığında tepe kuvveti 1.579,6 N’dan 3.034,3 N’a yükselmiş, maksimum yer değiştirme 12,52 mm’den 6,42 mm’ye düşmüştür.

İskeletsiz 2CFP-STG ile NPR-2CFP-STG karşılaştırıldığında ise tepe kuvveti 1.642,7 N’dan 3.122,9 N’a yükselmiş, maksimum yer değiştirme 11,68 mm’den 5,98 mm’ye düşmüştür.

Bu sonuçlar, darbe sırasında yer değiştirmeyi sınırlayan başlıca unsurun karbon fiber katkısından çok NPR iskeleti olduğunu göstermektedir. Karbon fiber katkısı çekirdeğin destek kapasitesini geliştirirken hücresel yapı yükü taşımakta ve dolgunun yanal hareketini sınırlandırmaktadır.

NPR ve PPR yapılarının 10 J karşılaştırması

13–14. sayfalardaki Şekil 9, aynı 2CFP-STG dolgusu ve aynı nominal darbe enerjisi altında iki hücre geometrisini karşılaştırmaktadır.

NPR yapı yaklaşık %67,8 daha yüksek tepe kuvveti oluşturmuş ve maksimum yer değiştirmeyi yaklaşık %32,3 azaltmıştır. Bu sonuç, vurucuya daha erken ve daha güçlü tepki verdiğini göstermektedir.

PPR yapı ise daha uzun hareket mesafesi ve temas süresi boyunca biraz daha fazla görünür enerji sönümlemiştir. İki yapı farklı koruma stratejilerini temsil etmektedir:

• NPR: Yüksek destek, düşük çökme, yerel nüfuzun sınırlandırılması.
• PPR: Daha büyük deformasyon üzerinden enerji tüketimi.

Koruma ölçütü yalnızca “soğurulan enerji” ise PPR’nin 10 J sonucunda küçük bir üstünlüğü bulunmaktadır. Koruma ölçütü arka yüz hareketini, delinmeyi veya iç boşluktaki hassas bileşene yaklaşmayı sınırlamak ise NPR daha avantajlıdır.

Yüksek tepe kuvveti neden her zaman üstünlük değildir?

Bir panelin vurucuya yüksek kuvvetle karşı koyması delinmeyi ve çökme mesafesini azaltabilir. Ancak aynı yüksek kuvvet, panelin arkasındaki taşıyıcıya, cihaza veya insana daha yüksek ivme aktarabilir.

Bu çalışmada arka yüz kuvveti, destek reaksiyonu, korunan nesne ivmesi veya insan güvenliği ölçülmemiştir. Dolayısıyla NPR-2CFP-STG için en doğru ifade “daha yüksek yük taşıma ve yer değiştirme sınırlama kapasitesi”dir. “Her koşulda daha iyi darbe yalıtımı” ifadesi çalışma tarafından desteklenmemektedir.

20 J darbe sonuçları

14–15. sayfalardaki Şekil 10 ve Şekil 11, darbe enerjisinin 20 J’a yükseltilmesiyle oluşan kuvvet, yer değiştirme ve hasarı göstermektedir.

NPR yapı maksimum yer değiştirmeyi yaklaşık %16 azaltmıştır. Darbe sonrasında NPR çekirdeği görece bütün kalırken PPR çekirdeğinde daha belirgin çatlaklar ve kenarlara doğru malzeme çıkışı görülmüştür.

Bu sonuç, NPR hücrelerinin yalnızca düşük enerjide rijitlik sağlamadığını; darbe enerjisi arttığında çekirdek hasarının ilerlemesini de geciktirdiğini düşündürmektedir.

30 J darbe sonuçları

PPR numunesinin 41,21 mm’lik hareketi yaklaşık 27 mm’lik başlangıç kalınlığını aşmıştır. Araştırmacılar bu sonucu basit sıkışma değil, yerel nüfuz veya tam yapısal kırılma olarak yorumlamaktadır.

NPR numunesinde de ciddi çekirdek çatlakları oluşmuştur. Ancak yüzeyler ve çekirdek tamamen ayrılmamış, sandviç yapı tek parça hâlinde kalmıştır. NPR yer değiştirmesi PPR’ye göre yaklaşık %43 daha düşük olmuştur.

30 J eğrilerindeki çift tepe şu iki aşamayla ilişkilendirilmiştir:

1. Üst yüzey levhası, hücresel iskelet ve dolgunun ilk yük taşıması.
2. İleri çökme veya nüfuz sonrasında vurucunun sıkışmış çekirdeğe ya da alt yüzey levhasına ikinci kez temas etmesi.

Bu mekanizma kuvvet eğrileri ve son hasar fotoğraflarıyla uyumludur. Ancak yüksek hızlı kamera, kesit görüntüleme veya cihaz içi temas analizi yapılmadığından ikinci tepenin kesin kaynağı doğrudan ölçülmemiştir.

Tekrarlı darbe davranışı

16. sayfadaki Şekil 12’de aynı NPR-2CFP-STG numunesinin aynı noktasına üç ardışık 10 J darbe uygulanmıştır.

Birinci ve ikinci darbenin kuvvet seviyeleri birbirine yakın kalmıştır. Üçüncü darbede tepe kuvvetinin azalması, çökme ve temas süresinin artması yapının rijitliğini kaybetmeye başladığını göstermektedir.

Üç darbe boyunca görünür sönümlenen enerji 7,97–8,34 J, görünür enerji soğurma verimi ise %74,70–%78,93 aralığında kalmıştır. Böylece yapı hasar biriktirmesine rağmen enerjiyi tüketme kapasitesinin büyük bölümünü korumuştur.

İlk darbenin kuvvet eğrisi daha fazla dalgalanma gösterirken sonraki eğriler daha düzgün hâle gelmiştir. Bu değişim ilk darbede hücrelerde yerel kırılma, dolgunun yeniden dağılımı veya yük aktarım yollarının kalıcı biçimde değişmesiyle ilişkili olabilir.

Ancak bu deney üç bağımsız numunenin karşılaştırması değildir. Tek bir numunenin aynı noktasındaki ardışık hasarı göstermektedir. Sonuçların istatistiksel tekrarlanabilirliği için birden fazla numunede aynı deney dizisinin gerçekleştirilmesi gerekir.

Önerilen ortak koruma mekanizması

Araştırmacıların önerdiği mekanizma üç düzeyde açıklanabilir:

1. Malzeme düzeyi: STG hızlı kesme altında sertleşir ve viskoz-elastik enerji tüketimi sağlar.
2. Ara yüz düzeyi: Polidopamin kaplı karbon fiberler jel içinde yük taşır ve deformasyona direnç gösterir.
3. Yapı düzeyi: NPR hücreleri darbe sırasında içe doğru kapanarak jeli sınırlar, yerel sıkıştırmayı artırır ve vurucunun hareketini kısaltır.

NPR hücresinin içe daralması, 2CFP-STG’yi daha erken bir aşamada sıkıştırılmış ve yüksek kesme hızına maruz kalan duruma getirebilir. Böylece jel hızlı biçimde daha sert davranmaya başlar ve hücresel iskeletle ortak yük aktarımı meydana gelir.

Bu mekanizma statik basma eğrileri, darbe kuvvetleri, daha düşük çökme ve hasar fotoğraflarıyla desteklenmektedir. Bununla birlikte çalışma sırasında hücre deformasyonu içeriden görüntülenmemiş; dijital görüntü korelasyonu, X-ışını tomografisi veya doğrulanmış sonlu eleman modeli kullanılmamıştır. Geometrik sıkıştırma mekanizması deneylerle uyumlu, fakat tam alan ölçümüyle doğrudan doğrulanmamış bir açıklamadır.

Çalışmanın güçlü yönleri

• Malzeme ara yüzü ile hücresel yapı tasarımını aynı sandviç kompozitte birleştirmektedir.
• Polidopamin kaplı karbon fiber yüzeyini SEM ile göstermektedir.
• Dört farklı karbon fiber oranını frekans ve basma deneyleriyle karşılaştırmaktadır.
• NPR ve PPR hücrelerini aynı jel dolgusu altında incelemektedir.
• İskeletsiz, katkısız, fiber takviyeli ve hücresel numuneleri aşamalı olarak karşılaştırmaktadır.
• 10, 20 ve 30 J olmak üzere üç darbe enerjisi kullanmaktadır.
• Kuvvet, yer değiştirme, temas süresi, görünür enerji sönümleme ve fiziksel hasarı birlikte değerlendirmektedir.
• Aynı noktadaki üç ardışık darbeyle hasar birikimini incelemektedir.
• 30 J deneyinde NPR yapının tam ayrılmayı geciktirdiğini açık biçimde göstermektedir.

Çalışmanın sınırlılıkları

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Şekil S1–S7 ve Tablo S1 yüklenen dosyada bulunmamaktadır.
• STG’nin 240 °C’deki kesin reaksiyon süresi açıklanmamıştır.
• Tris-HCl ve dopamin çözeltilerinin derişimleri verilmemiştir.
• Kaplama pH değeri metinde 8, hazırlama şemasında 8,5 olarak gösterilmiştir.
• İki merdaneli karıştırmanın işlem parametreleri açıklanmamıştır.
• Fiber oranının hesaplama tabanı tam olarak tanımlanmamıştır.
• Polidopamin kaplamasının kalınlığı ve kimyasal bileşimi ölçülmemiştir.
• Ara yüz dayanımı doğrudan sınanmamıştır.
• Fiber dağılımı ve topaklanması nicel olarak görüntülenmemiştir.
• %2 fiber oranı bütün darbe koşullarında diğer oranlarla karşılaştırılmamıştır.
• NPR ve PPR numunelerinde hücre sayısı aynı değildir.
• NPR ve PPR yapılarının kütlesi ile bağıl yoğunluğu rapor edilmemiştir.
• Kesin hücre geometrileri yalnızca eksik destek bilgilerinde bulunmaktadır.
• Numune dış boyutlarının tamamı ana metinde açıklanmamıştır.
• Yüzey levhalarının yapıştırıcısı ve yapıştırma prosedürü verilmemiştir.
• Darbe deneylerinin bağımsız tekrar sayıları belirtilmemiştir.
• Sonuçlarda hata çubuğu, standart sapma veya istatistiksel anlamlılık testi bulunmamaktadır.
• Tekrarlı darbe yalnızca bir numunenin aynı noktasında gerçekleştirilmiştir.
• Arka yüz deformasyonu ve aktarılan destek kuvveti ayrı olarak ölçülmemiştir.
• Darbe sırasındaki iç hücre hareketi görüntülenmemiştir.
• Özgül enerji soğurma veya birim kütle başına performans hesaplanmamıştır.
• Sıcaklık, nem, UV, su, kimyasal ortam ve uzun dönem yaşlanma incelenmemiştir.
• Yangın davranışı ve duman güvenliği araştırılmamıştır.
• Yüksek hızlı, balistik veya patlama yükleri sınanmamıştır.
• Üretim maliyeti, onarılabilirlik ve geri dönüşüm değerlendirilmemiştir.

Çalışma neyi desteklemektedir?

Çalışma, polidopamin kaplı kısa karbon fiberlerin STG’nin düşük frekans şekil kararlılığını ve farklı yükleme hızlarındaki basma direncini geliştirebildiğini desteklemektedir. Ayrıca 3B baskılı negatif Poisson oranlı hücrelerin, incelenen küçük ölçekli sandviç numunelerde 10–30 J düşük hızlı darbeler altında yer değiştirmeyi sınırlandırdığını ve yüksek enerjide tam yapısal ayrılmayı PPR kontrol yapısına göre geciktirdiğini göstermektedir.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

Çalışma, NPR-2CFP-STG’nin her tür darbe korumasında en iyi yapı olduğunu kanıtlamamaktadır. Daha yüksek tepe kuvveti, kuvvet yalıtımı gereken uygulamalarda istenmeyebilir. Sonuçlar balistik dayanım, patlama koruması, insan güvenliği, taşıt çarpışma güvenliği veya sertifikalı havacılık kullanımı anlamına gelmemektedir. Ayrıca gözlenen farkların tamamının yalnızca negatif Poisson oranından kaynaklandığı söylenemez; NPR ve PPR numunelerinin hücre sayıları, muhtemel kütleleri ve bağıl yoğunlukları tam olarak eşitlenmemiştir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Malzemelerin özeti

Numune hazırlama adımları

1. Dimetil silikon yağı ve borik asit 10:1 kütle oranında karıştırılmıştır.
2. Karışım 240 °C’de tepkimeye sokulmuş ve soğutularak STG hazırlanmıştır.
3. Kısa karbon fiberler Tris-HCl tamponu içinde dağıtılmıştır.
4. Dopamin ve NaOH eklenerek 24 saatlik kaplama gerçekleştirilmiştir.
5. CF@PDA, STG içine iki merdaneli karıştırıcıyla %1, %2, %4 veya %6 oranında katılmıştır.
6. NPR iskeleti 6×6×3, PPR iskeleti 5×5×3 hücre dizilimiyle basılmıştır.
7. 2CFP-STG, iskelet boşluklarına 24–48 saat boyunca yavaşça nüfuz ettirilmiştir.
8. Üst ve alt yüzeylere 1 mm karbon fiber kompozit levhalar yapıştırılmıştır.

Karakterizasyon ve deney düzeni

Temel malzeme sonuçları

10 J darbe sonuçlarının toplu karşılaştırması

NPR-PPR yüksek enerji karşılaştırması

Sonuçların mühendislik anlamı

Saha veya ürün kullanımından önce gerekli doğrulamalar

• Eksik destek bilgileri ve bütün üretim parametreleri yayımlanmalıdır.
• NPR ve PPR numuneleri aynı kütle ve bağıl yoğunlukta yeniden tasarlanmalıdır.
• Darbe deneyleri her koşul için birden fazla bağımsız numunede tekrarlanmalıdır.
• Standart sapma, güven aralığı ve anlamlılık testleri verilmelidir.
• Arka yüz yer değiştirmesi, destek reaksiyonu ve korunan nesne ivmesi ölçülmelidir.
• Yüksek hızlı kamera ve dijital görüntü korelasyonuyla hücre deformasyonu izlenmelidir.
• Darbe sonrası iç hasar X-ışını tomografisi veya ultrasonla incelenmelidir.
• %1, %2, %4 ve %6 fiber içeren sandviçlerin darbe performansı doğrudan karşılaştırılmalıdır.
• Farklı vurucu geometrileri ve sınır koşulları kullanılmalıdır.
• Çok noktalı ve farklı aralıklı tekrarlı darbeler denenmelidir.
• Sıcaklık, nem, yaşlanma ve yangın davranışı belirlenmelidir.
• Sonlu eleman modeliyle hücre-dolgu-yüzey etkileşimi doğrulanmalıdır.
• Kütle başına enerji soğurma ve maliyet-performans analizi yapılmalıdır.
• Pilot ölçekli otomotiv, havacılık veya endüstriyel panel deneyleri gerçekleştirilmelidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı:Polydopamine-Functionalized Carbon Fiber Reinforced Shear Thickening Gel/NPR Sandwich Composites for Impact Resistance

Yazarlar ve sıraları: Haonan Suo; Ke Zhang; Kaifa Wang; Sheng Wang; Yao Li.

Eşit katkılı yazar bilgisi: Çalışmada eşit katkılı veya ortak birinci yazar bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar bilgisi: Yazar listesindeki yıldız işareti Ke Zhang’ı sorumlu yazar olarak göstermektedir. Bununla birlikte yazışma satırında Ke Zhang ve Yao Li’ye ait iki e-posta adresi birlikte verilmiştir. Yao Li’nin ortak sorumlu yazar olup olmadığı açık biçimde işaretlenmemiştir.

Yazışma adresleri: zhangke@hit.edu.cn; liyao@hit.edu.cn.

Yazar-kurum eşleşmesi:

1. Haonan Suo: MIIT Key Laboratory of Critical Materials Technology for New Energy Conversion and Storage; School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Çin.
2. Ke Zhang: MIIT Key Laboratory of Critical Materials Technology for New Energy Conversion and Storage; School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Çin.
3. Kaifa Wang: School of Science, Harbin Institute of Technology, Shenzhen, Guangdong, Çin.
4. Sheng Wang: CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials; Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, Çin.
5. Yao Li: Center for Composite Materials and Structure, Harbin Institute of Technology, Harbin, Çin.

Kaynak türü: Malzeme sentezi, yüzey işlevselleştirme, reoloji, basma ve düşük hızlı düşen ağırlık deneyleri içeren deneysel preprint araştırma makalesi.

Konu alanı: Kesme kalınlaşan jeller, karbon fiber kompozitler, polidopamin ara yüzleri, öksetik metamalzemeler, sandviç yapılar ve darbe dayanımı.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Yüklenen dosyanın her sayfasında preprint ve hakemlik uyarısı bulunmaktadır.

Yayın platformu: SSRN.

Platform sağlayıcısı: Elsevier SSRN Preprint Services.

SSRN kayıt numarası: 7203447.

DOI:10.2139/ssrn.7203447

Resmî bağlantı:SSRN kayıt sayfası

Yayın yılı: 2026.

Dergi: Hakemli bir dergide yayımlandığı doğrulanmamıştır.

Özgün dergi yayınevi: Doğrulanmış bir hakemli dergi veya dergi yayınevi bulunmamaktadır. SSRN bir preprint platformudur ve hakemli dergi olarak sunulmamalıdır.

Finansman: Çalışma, Aeronautical Science Foundation of China ve Chinese Aeronautical Establishment Project tarafından 2023Z055077007 numaralı projeyle desteklenmiştir.

Çıkar çatışması: Yüklenen ana metinde ayrı ve açık bir çıkar çatışması bildirimi yer almamaktadır.

Yazar katkıları: CRediT veya benzeri ayrıntılı yazar katkısı bildirimi bulunmamaktadır.

Veri ve kod erişimi: Açık veri deposu, ham reometre verisi, darbe cihazı veri dosyası, üç boyutlu model dosyası veya analiz kodu bağlantısı verilmemiştir.

Eksik destek bilgileri: Ana metinde atıf yapılan Şekil S1–S7 ve Tablo S1 yüklenen dosyada bulunmamaktadır. Bu nedenle STG reaksiyon süresi optimizasyonu, bazı spektroskopik doğrulamalar, yükseklik koruma deneyi ve hücrelerin kesin geometrik ölçüleri bağımsız olarak incelenememiştir.

Temel raporlama uyuşmazlığı: Polidopamin kaplama ortamının pH değeri yöntem metninde 8, Şekil 3’teki hazırlama şemasında 8,5 olarak gösterilmektedir. Bu değer tekrarlanabilirlik açısından düzeltilmelidir.

Bu Türkçe açıklama, yüklenen çalışmanın bütün ana metni, 12 ana şekli, malzeme hazırlama prosedürleri, reolojik eğrileri, basma deneyleri, 10–30 J darbe verileri, hasar fotoğrafları ve tekrarlı darbe sonuçları incelenerek hazırlanmıştır. Bilimsel içerik yalnızca çalışmada sunulan deney ve yorumlarla sınırlandırılmıştır. Dış kaynaklar yalnızca SSRN kaydı, DOI, platform, e-posta ve kurumsal kimlik bilgilerinin bibliyografik doğrulaması amacıyla kullanılmıştır.

Sonuçlar; çalışmanın hakemlikten geçmemiş olması, destek bilgilerinin bulunmaması, NPR-PPR numunelerinin hücre sayısı ve muhtemel kütle bakımından tam eşitlenmemesi, deney tekrarlarının ve istatistiksel belirsizliklerin açıklanmaması, daha yüksek tepe kuvvetinin her koruma amacı için üstünlük anlamına gelmemesi ve sonuçların yalnızca küçük ölçekli düşük hızlı darbe koşullarına dayanması dikkate alınarak yorumlanmalıdır.