Kullandığımız nesneleri oluşturmak amacıyla bulunan doğal veya yapay olan maddelere “malzeme” denir. Malzemeler herhangi bir kuvvet altında önce elastik sonra da plastik deformasyona uğrar, yani malzemenin şekli değişir. Fakat uygulanan kuvvet kaldırıldığında malzemede bir miktar geri kazanım olur. Bu geri kazanılan deformasyona “elastik deformasyon” denir. Eğer malzemede kalıcı bir deformasyon varsa, bu da “plastik deformasyon” olarak adlandırılır.
Malzeme genel olarak elastik deformasyona uğradıktan sonra kopma noktasına kadar plastik deformasyona uğrar. Fakat kopmadan önce uzun süre elastik deformasyon bölgesinde kalabilen malzemeler de vardır.
Bilinen birçok malzeme, herhangi bir gerilme altında doğrusal davranış gösterir. Doğrusal davranışa sahip olmayan malzemelere ise “hiperelastik malzemeler” denir. Bu malzemeleri günlük yaşantımızda sıkça kullanırız. Örneğin sporda ya da mutfakta kullandığımız lastikler, kauçuk malzemeler ve süngerler gibi yumuşak yapıya sahip olan çoğu malzeme hiperelastiktir.
Hiperelastik Malzemeler ve Özellikleri
- Genellikle yumuşak bir yapıları vardır.
- Çekme deneyi sonucunda oluşturulan gerilme- şekil değiştirme grafiğinde, doğrusal olmayan davranış gösteren malzemelerdir. (Bu grafiği solda görebilirsiniz.)
- Elastik deformasyon sınırları yüksektir.
- Plastik deformasyona uğramaları için büyük kuvvetler gerekir.
- Tamamen sıkıştırılamazlar. (Sünger vb. hariç)
- Deformasyon boyunca malzemenin sertliği değişkenlik gösterir.
- Hiperelastik malzemeler, kendilerine uygulanan kuvveti depolayarak bunu geri kazandırırlar. Yani gerilme- şekil değiştirme grafiğinde oluşturdukları tepki eğrisi üzerinden eski hallerine geri dönebilirler. Ayrıca oluşturdukları tepki eğrisinin altında kalan alan, uygulanan kuvvet altında depoladıkları enerji miktarını gösterir.
Hiperelastik Malzemeler ve Modelleme
Elastisite modülü, birçok malzeme özelliğini belirleyen bir faktördür. Bu modül, Hooke kanunu ile ilgilidir. “Hooke kanunu”, bir malzemenin deformasyonunun uygulanan kuvvetle yaklaşık olarak doğrusal olduğunu açıklayan kanundur. “Elastisite modülü” ise, malzemenin kuvvet altındaki elastik deformasyonunun bir ölçüsüdür. Yani bir malzeme biriminin, birim miktarda uzaması için gereken birim kuvveti gösterir. Aynı zamanda “Young modülü” olarak da bilinir.
Elastisite modülü, çekme deneyi sonucunda elde edilen tepki grafiğinden hesaplanabilir. Bu grafikteki doğrusal kısım, elastik deformasyon bölgesini temsil eder. Fakat bu kuralların hepsi tepki grafiğinde doğrusal davranış sergileyen malzemeler için geçerlidir. Yani bu formüller hiperelastik malzemeler için geçerli değildir.
Hiperelastik malzemelerin modellenmesi için gerilme tensörü incelenmelidir. Yani x, y ve z yönlerindeki gerilmelerin hepsi hesaba katılmalıdır. Ayrıca gerilmelerin çeşidi (çekme, basma, kayma vb.) belirlenmelidir. Bu tasarımı yapmak için geliştirilen birçok model vardır. Neo- Hookean, Mooney- Rivlin ve Ogden modelleri bunlardan bazılarıdır. Kullanacağınız malzeme, malzemenin sıkıştırılabilirliği ve kuvvet altında verdiği tepki grafiğine göre model seçimi değişmektedir.
Bunların yanı sıra, hiperelastik malzemeler için sadece çekme deneyi yapmak yetersizdir. Aynı zamanda basma ve basit bir kayma gerilmesi deneyi de yapılmalıdır.
Hiperelastik davranışı tanımlamak için mümkün olduğunca çok veri toplanması gerekir. Deneysel ve analitik sonuçlar birbirini desteklemelidir.
Hiperelastik Malzemeler ve Kullanım Alanları
Aslına bakarsanız hiperelastik malzemeleri günlük yaşantımızda sıkça görürüz ve kullanırız. Örneğin kauçuk, hiperelastik bir malzemedir ve öncelikli olarak tekerlek yapımında kullanılır. Bunun yanı sıra su geçirmez özelliğe sahip ayakkabı ve giysilerde de kullanıldığı görülür. Elastomerler ise kaykay tekerlekleri, hoparlör kablolarını ve telefon hatlarını saran yalıtımlar gibi birçok alanda karşımıza çıkmaktadır.
Bu malzemeler insan ile aynı ortamda çalışabilen robotlar için de önemlidir. Özellikle yumuşak yapıya sahip oldukları için yumuşak robotik alanında kullanılır. Ayrıca yapılarından dolayı da olası bir iş kazasında, sert yapılı robotlara göre oldukça az hasar verir. Yumuşak robotik alanı, hiperelastik malzemeler için ufuk açıcı bir konudur ve bu alanda yapılan çalışmalar devam etmektedir.
Mühendislik kategorisinde yer alan diğer içerikleri de okumanızı tavsiye ederiz!
