of 10 /10
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(1), 2017 38 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(1), 2017 Kahramanmaras Sutcu Imam University Journal of Engineering Sciences Grafen Katkılı Odun-Plastik Nanokompozitlerinin Elektromanyetik Özellikleri ve Elektromanyetik Kalkanlama Etkinliği Karşılaştırmalı Çalışması Comparative Study of Electromagnetic Properties and Electromagnetic Shielding Effectiveness of Graphene Based Wood-Plastic Nanocomposites Mahmut Altun 1 , İbrahim Karteri 2 , Mahit Güneş 1* , M.Hakkı Alma 3 1 Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş, 46100, Türkiye, 2 Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş, 46300, 3 Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş, 46100, Türkiye, *Sorumlu Yazar / Corresponding Author: Mahit GÜNEŞ , [email protected] ÖZET Gelişen teknoloji sonucu elektrikli ve elektronik cihazların kullanımı artmıştır. Buna bağlı olarak elektromanyetik çevre kirliliği günümüzün en önemli çevre sorunlarından biri haline gelmiştir. Günümüzde klasik kalkanlama malzemelerinin dezavantajlarından dolayı yüksek performanslı, daha hafif, esnek ve düşük maliyetli olan grafen katkılı polimer tabanlı kompozit malzemelerin üretimi tercih edilmesi söz konusudur. Bu çalışmada, esnek, hafif, dirençli ve yüksek performanslı kalkanlama etkinliği gösteren grafen katkılı odun-plastik (OPG) nanokompozitleri üretilmiştir. Elde edilen kompozit malzemelerin yapısal ve elektromanyetik kalkanlama etkinliği (EKE), yalıtkanlık sabiti, manyetik geçirgenlik gibi elektromanyetik özellikleri 8-9 GHz frekans aralığında analiz edilmiştir. Sonuçlar üretilen polimer bazlı malzemelere çok az miktarda grafen yapıları katıldığında elektromanyetik kalkanlama performansını arttırdığını ortaya koymuştur. Dolayısıyla araştırmamız kompozitlerin elektromanyetik kalkanlama performansının artışını onların elektromanyetik özelliklerine dayandırmıştır. Kısacası iyi birer elektromanyetik kalkanlama malzemesi elde edilmiştir. Diğer nanokompozitlerden daha fazla oranda grafen içeren OPG-4 malzemesi 8-9 GHz frekans aralığında en yüksek elektromanyetik kalkanlama etkinliği sergilemiştir. Sonuç olarak bu çalışmada farklı oranlarda grafen ( ağırlıkça % 0-6 ) içeren odun-plastik nanokompozitlerinin beş farklı kombinasyonu olan OPG-1, OPG- 2, OPG-3, OPG-4 üretilmiş olup bunların elektromanyetik kalkanlama etkinliği ve elektromanyetik özellikleri araştırılmıştır. En yüksek kalkanlama etkinliği değeri OPG-4 numunesinde yaklaşık 24 dB olarak sergilenmiştir. Üretilen nanokompozitlerin elektronik koruma ve lazer koruma teknolojisinde yaygın olarak kullanılabileceği öngörülmektedir. Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik Kalkanlama Etkinliği, Grafen, Nanokompozit, Polimer. ABSTRACT Electrical and electronic devices have been widely used with the improvement of technology. As a result of this demand, electromagnetic pollution has become one of the most important environmental problems nowadays and in the future. Today, graphene based polymer composites which are high performanced, lighter, flexible and low cost have been preferred as shielding material instead of classical shielding structures owing to their disadvantages. This paper presents the comparative study of graphene based wood-polyvinyl chloride (WPG) nanocomposites which have good flexibility, resistivity, light weight, and high performance shielding. In addition to that, electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI SE) and electromagnetic properties, such as dielectric permittivity and magnetic permittivity are analized in 8-9 GHz frequency band. The results show that little amount of graphene existence in produced polymer composites provides better EMI SE. Therefore, the increase of EMI SE value is attributed to the electromagnetic properties of the nanocomposites. In short, this report determines that good electromagnetic shielding material has been obtained. OPG-4 contains more graphene amount than other composites and exhibited the highest EMI SE value in 8-9 GHz. As a result, four different combinations of wood- polyvinyl chloride-graphene nanocomposites, WPG-1, WPG-2, WPG-3, WPG-4, (with % 0-6 wt graphene) have been produced and their electromagnetic shielding effectiveness and electromagnetic properties are investigated in this study. As mentioned before, the highest EMI shielding effectiveness is obtained in WPG-4 as approximately 24 dB. This paper claims that the produced structures can be efficiently handled in electronic protection and laser protection technology. Keywords: Electromagnetic Shielding Effectiveness, Graphene, Nanocomposite, Polymer. 1. GİRİŞ Son yıllarda, insan hayatının birer vazgeçilmez parçası olarak günlük yaşamda çok çeşitli elektrikli aletler ve yüksek frekanslı elektronik cihazlar yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Tudose ve ark., 2015). Bu cihazlara bilgisayarlar, televizyonlar, cep telefonları, mikrodalga fırınlar, ütüler, ses sistemleri, klima, fotokopi makineleri, otomobiller, uçaklar, transformatörler,

KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(1), 2017

  • Author
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(1), 2017

KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(1), 2017 38 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(1), 2017
Kahramanmaras Sutcu Imam University Journal of Engineering Sciences
Grafen Katkl Odun-Plastik Nanokompozitlerinin Elektromanyetik Özellikleri ve Elektromanyetik Kalkanlama Etkinlii Karlatrmal Çalmas
Comparative Study of Electromagnetic Properties and Electromagnetic Shielding Effectiveness of Graphene Based Wood-Plastic Nanocomposites
Mahmut Altun1, brahim Karteri2, Mahit Güne1*, M.Hakk Alma3
1Elektrik Elektronik Mühendislii Bölümü, Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi, Kahramanmara, 46100, Türkiye, 2Enerji Sistemleri Mühendislii Bölümü, Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi, Kahramanmara, 46300,
3Orman Endüstri Mühendislii Bölümü, Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi, Kahramanmara, 46100, Türkiye,
*Sorumlu Yazar / Corresponding Author: Mahit GÜNE , [email protected]
ÖZET Gelien teknoloji sonucu elektrikli ve elektronik cihazlarn kullanm artmtr. Buna bal olarak elektromanyetik çevre kirlilii günümüzün en önemli çevre sorunlarndan biri haline gelmitir. Günümüzde klasik kalkanlama malzemelerinin dezavantajlarndan dolay yüksek performansl, daha hafif, esnek ve düük maliyetli olan grafen katkl polimer tabanl kompozit malzemelerin üretimi tercih edilmesi söz konusudur. Bu çalmada, esnek, hafif, dirençli ve yüksek performansl kalkanlama etkinlii gösteren grafen katkl odun-plastik (OPG) nanokompozitleri üretilmitir. Elde edilen kompozit malzemelerin yapsal ve elektromanyetik kalkanlama etkinlii (EKE), yaltkanlk sabiti, manyetik geçirgenlik gibi elektromanyetik özellikleri 8-9 GHz frekans aralnda analiz edilmitir. Sonuçlar üretilen polimer bazl malzemelere çok az miktarda grafen yaplar katldnda elektromanyetik kalkanlama performansn arttrdn ortaya koymutur. Dolaysyla aratrmamz kompozitlerin elektromanyetik kalkanlama performansnn artn onlarn elektromanyetik özelliklerine dayandrmtr. Ksacas iyi birer elektromanyetik kalkanlama malzemesi elde edilmitir. Dier nanokompozitlerden daha fazla oranda grafen içeren OPG-4 malzemesi 8-9 GHz frekans aralnda en yüksek elektromanyetik kalkanlama etkinlii sergilemitir. Sonuç olarak bu çalmada farkl oranlarda grafen ( arlkça % 0-6 ) içeren odun-plastik nanokompozitlerinin be farkl kombinasyonu olan OPG-1, OPG- 2, OPG-3, OPG-4 üretilmi olup bunlarn elektromanyetik kalkanlama etkinlii ve elektromanyetik özellikleri aratrlmtr. En yüksek kalkanlama etkinlii deeri OPG-4 numunesinde yaklak 24 dB olarak sergilenmitir. Üretilen nanokompozitlerin elektronik koruma ve lazer koruma teknolojisinde yaygn olarak kullanlabilecei öngörülmektedir.
Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik Kalkanlama Etkinlii, Grafen, Nanokompozit, Polimer.
ABSTRACT Electrical and electronic devices have been widely used with the improvement of technology. As a result of this demand, electromagnetic pollution has become one of the most important environmental problems nowadays and in the future. Today, graphene based polymer composites which are high performanced, lighter, flexible and low cost have been preferred as shielding material instead of classical shielding structures owing to their disadvantages. This paper presents the comparative study of graphene based wood-polyvinyl chloride (WPG) nanocomposites which have good flexibility, resistivity, light weight, and high performance shielding. In addition to that, electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI SE) and electromagnetic properties, such as dielectric permittivity and magnetic permittivity are analized in 8-9 GHz frequency band. The results show that little amount of graphene existence in produced polymer composites provides better EMI SE. Therefore, the increase of EMI SE value is attributed to the electromagnetic properties of the nanocomposites. In short, this report determines that good electromagnetic shielding material has been obtained. OPG-4 contains more graphene amount than other composites and exhibited the highest EMI SE value in 8-9 GHz. As a result, four different combinations of wood- polyvinyl chloride-graphene nanocomposites, WPG-1, WPG-2, WPG-3, WPG-4, (with % 0-6 wt graphene) have been produced and their electromagnetic shielding effectiveness and electromagnetic properties are investigated in this study. As mentioned before, the highest EMI shielding effectiveness is obtained in WPG-4 as approximately 24 dB. This paper claims that the produced structures can be efficiently handled in electronic protection and laser protection technology.
Keywords: Electromagnetic Shielding Effectiveness, Graphene, Nanocomposite, Polymer.
1. GR
Son yllarda, insan hayatnn birer vazgeçilmez parças olarak günlük yaamda çok çeitli elektrikli aletler ve yüksek frekansl elektronik cihazlar yaygn bir ekilde kullanlmaktadr (Tudose ve ark., 2015). Bu cihazlara bilgisayarlar, televizyonlar, cep telefonlar, mikrodalga frnlar, ütüler, ses sistemleri, klima, fotokopi makineleri, otomobiller, uçaklar, transformatörler,
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
kontrol sistemleri, baz istasyonlar, telekomünikasyon alar, yüksek gerilim hatlar, radyo ve televizyon vericileri, tbbi cihazlar, uydu sistemleri, askeri savunma sistemleri, radarlar örnek gösterilebilir (Ylmaz, 2014; Gedler ve ark., 2016). Bu sistemler karmak devrelere sahiptir ve dolaysyla elektromanyetik dalga yayarak elektromanyetik giriime (EMG) neden olurlar ki bu da cihazlarn performansn etkiler ve bazen tüm çalma sistemi çökebilir (Eswaraiah, 2010). Bu nedenle elektromanyetik kirliliin önlenmesi yani cihazlarn elektromanyetik uyumluluk içinde çalmas ve insan, hayvan ve bitki salna zararlarnn ortadan kaldrlmas için elektromanyetik ekranlamaya ciddi olarak ihtiyaç duyulmaktadr. Buna bal olarak biraz önce bahsettiimiz sistemlerin elektrik enerjisini çevresiyle etkileime girmeden verimli olarak kullanmas, iletmesi ve faaliyetini sürdürmesi amaçlanr. Bu talebin karlanmas ise ekranlama malzemelerinin emme ve yanstma yoluyla elektromanyetik dalgalarn olumsuz etkilerini en aza indirmesi ile gerçekletirilmektedir (Yesmin ve ark., 2016; Kim ve ark., 2012).
Elektromanyetik kirlilii azatlmak amacyla elektromanyetik kalkanlama uygulamalarnda çeitli metal esasl kompozitler kullanlmtr. Fakat metaller ar olmas, çevresel kararllnn düük olmas, esnek bir yapsnn olmamas, paslanabilmesi, uygulanabilirlik ve ilenebilirlik açsndan üretim aamasnda elverili olmamas gibi önemli sorunlar beraberinde getirmekteydi (Mondal ve ark., 2017; Chen ve ark., 2015; Liu ve ark., 2014; Li ve ark., 2006). Bu yüzden son zamanlarda bilim dünyas yeni elektromanyetik kalkanlama malzemelerine yönelmitir ve kompozitler üzerine yaplan çalmalar ilgi oda olmaya balamtr. letken nanokompozitler özellikle GHz bandnda elektromanyetik kalkanlama uygulamalarnda hzla popüler olmutur. Nanokompozitlerin kalkanlamada yaygn olarak kullanlmasnn sebepleri metallere kyasla hafif olmas, esnek yapda olmas, paslanma ve anma probleminin olmamas, ilenebilirlik ve uygulanabilirliinin kolay olmas gibi kaydadeer avantajlaryla sralanabilir (Al-Ghamdi ve ark., 2016; Hsiao ve ark., 2014; Hsiao ve ark., 2013). Örnek olarak, karbon esasl dolgu maddeleri (Al-Saleh ve ark., 2013; Nayak ve ark., 2014) (grafit, siyah karbon karas, karbonfiber, karbon nanofiber) içeren polimer kompozitler yüksek frekans bandnda elektromanyetik kalkanlama malzemesi olarak kullanlm ve elektromanyetik özellikleri ve elektromanyetik kalkanlama etkinlii gibi nicelikleri incelenmitir (Das ve ark., 2001). Son zamanlarda karbon esasl malzemeler test edilmitir özellikle de grafen esasl kompozit yaplar kalkanlama çalmalarnda belirgin bir önem kazanmtr.
Grafen, karbonun allotropu olan karbon atomlarnn sp2 melezlemesi ürünüdür. Grafen çelikten çok daha güçlü ve iyi bir iletken olmasyla çok iyi mekanik ve elektronik özelliklere sahiptir. 2004 ylnda Geim ve Novoselov tarafndan kefedilmesiyle birlikte dikkatleri üzerine çekerek bilim dünyasnn aratrma konusu olmutur (Allen ve ark., 2009; Geim ve ark., 2007). Yapsndaki grafen artna bal olarak polimer bir malzeme iletkenlik, esneklik ve kalkanlama malzemesi olarak iyi bir yetenek kazanr. Bu yüzden grafen iyi bir elektromanyetik kalkanlama malzemesinin vazgeçilmez yap maddesidir (Verma ve ark., 2015). Son zamanlardaki birçok çalmada elektromanyetik kalkanlama malzemesi olarak polimer kompozitler incelenmitir. Bunlara örnek olarak bir çalmada yüksek yapl karbon karas (YY-KK)/polipiropilen (high structure carbon black/ polypropylene) polimer kompozitlerin elektromanyetik kalkanlama mekanizmas analiz edilmitir (Al-Saleh ve ark., 2013). Bir baka çalmada 1 adml köpüklü polikarbonat/grafen nanokompozitlerinin gelimi elektromanyetik kalkanlama etkinlii aratrlmtr. Sima ve arkadalar ise biyolojik olarak parçalanabilen grafen esasl nanokompozitlerin yaltkanlk özellikleri ve elektromanyetik kalkanlama etkinliini aratrmlardr (Kashi ve ark., 2016).
Bu çalmada arlkça % 0-6 oranda grafen içeren odun-plastik-grafen (OPG) kompozitlerinin 8-9 GHz frekans bandnda elektromanyetik kalkanlama etkinlikleri incelenmitir ve kalkanlamann emilme ve yansma mekanizmalarndaki geliimi ortaya konulmutur. Teorik hesaplamalarmz ve analizlerimiz kompozitteki grafen artnn kompozitin daha yüksek performansl elektromanyetik kalkanlama etkinlii saladn sergilemitir. Elektromanyetik kalkanlamann art kompozitin elektromanyetik özelliklerinin iyilemesi ile ilikilendirilmitir. Yani grafen sayesinde elektromanyetik özellii artan OPG numunelerimiz yüksek kalkanlama etkinlii deerlerine ulamtr. Özetle, çalmamz iyi birer elektromanyetik kalkanlama malzemesi ürettiimizi ortaya koymutur. Arlkça % 0 grafen içeren OPG-1 kompoziti yaklak olarak 3 dB ekranlama etkinlii deerine sahipken % 6 grafen bulunduran OPG-4 kompoziti en yüksek deeri yaklak 24 dB kalkanlama etkinliine ulamtr. Buradan çkarlacak sonuç OPG kompozitlerinin elektromanyetik radyasyonun önlenmesi için iyi bir kalkanlama malzemesi olduudur. Son olarak üretilen OPG kompozitleri uygun formlara getirilerek elektronik koruma teknolojilerinde ve batarya teknolojisinde, grafen yapl sensör, transistör ve dier elektronik elemanlarn üretiminde, giyim sektöründe, bina yap malzemelerinde, uçak kanat ve gövde elemanlarnda, medikal cihaz ve teknolojilerinde, akll telefonun bütün parçalarnda ve ev uygulamalarnda kullanlabilecektir.
2. MATERYAL ve METOD
Çalmamzdaki nanokompozit malzemenin yapsnda biyolojik kaynak olarak Türkiyede yetien çam odunu tozu (Türk çam- Pinus sylvestris L.) kullanlmtr. Kullanlan bu Türk çam odununun boyutu yaklak olarak 400-420 μm dir. Malzemenin yapsna katlan PVC ( Polivinil klorid-K deeri 66) “Petkim Holding” irketinden satn alnmtr. Ayrca çalmamzda kullandmz nanomalzeme grafen nanoplatelet tozlardr ve %99 dan fazla saflkta, 150 m2/g yüzey alan ve 5-8 nm kalnlndadr. Bu grafen nanomalzemesi Graf Nano Teknolojik Malzemeler Sanayi ve Ticaret Ltd. ti.( Kahramanmara/Türkiye) tarafndan salanmtr. lk olarak kompozitler (OPG) arlkça PVC-% 5 odun - % x grafen olmak üzere (x : 0, 1.5, 3, 6) plastik, odun, grafen ve dier baz ihtiyaç duyulan katk maddeleri kullanlarak elde edilmitir. Bu 4 farkl OPG kompozitlerin çift vidal presleyici kullanlarak topaklar halinde üretimi yaplmtr. OPG topaklarna scak pres yaplrken 22.8 × 10.2 × 2 mm ölçülere sahip Carver marka cihaz kullanlmtr. OPG kompozitleri Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi (KSÜ) bünyesindeki Teknokent te bulunan test ve analiz cihazlarndan biri olan elektron mikroskobu taraycs
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 40 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
(SEM-Zeiss EVO 10LS) vastasyla incelenmitir. PVC- % 5 odun - % x grafen (OPG) kompozitlerinin saçlma parametrelerinin (S parametreleri) ölçümleri 8-9 GHz frekans bandnda WR-90 dalga klavuzu olan Vektör ebeke Analizörü ile alnmtr.
Ayrca OPG kompozitlerinin her birinin yaltkanlk sabiti ve manyetik geçirgenlik özellikleri analiz edilmitir. S11 ve S22 parametreleri yansma katsaysn, S12 ve S21 parametreleri ise iletim katsaysn ifade eder. Çalmada kullanlan OPG kompozitlerine ait numunelerin (22.8 × 10.2) kalnl 2 mm dir. Aada ekil 1a da bir malzemenin elektromanyetik kalkanlama etkinlii ölçüm düzeneine ait bir örnek ematik olarak gösterilmitir (Kim ve ark., 2012). ekil 1b de elektromanyetik kalkanlama mekanizmas ematize edilmitir (Zhao ve ark., 2016). ekil 1c de ise OPG kompoziti 3 ayr bileen olarak ematize edilmitir.
a
b
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 41 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
c
c. OPG Nanokompozitlerinin ematik Gösterimi
3. TARTIMA VE BULGULAR
Elektromanyetik giriime kar toplam kalkanlama etkinlii (KEtoplam) malzemenin elektromanyetik dalgay zayflatma baarsn gösterir ve desibel (dB) olarak ölçülür. Bu deer elektromanyetik uyumluluk için önem arzetmektedir ve KEtoplam , gelen dalga gücünün ( Pg) iletilen dalga gücüne (Pi) oran ile denklem (1) deki ifade ile hesaplanr (Kim ve ark., 2012; Modak ve ark., 2015). Kalkanlamada 3 tür kayptan bahsederiz ve bunlar :
KEY : Yansma kayplar KEE : Emilme kayplar ( yutulma ) KEÇ : Çoklu yansma kayplar
i total
(1)
Toplam kalkanlama etkinlii KEtoplam, yansyan KEY , emilen KEE ve çoklu yansmalar KEÇ nin toplam ile de denklem (2) de olduu gibi hesaplanabilir ve KEÇ deeri çok küçük olma durumuna göre ihmal edilebilir.
toplam E Y Ç
(2)
Deneysel ortamda elde edilen sonuçlara baktmzda ölçümler dorudan yansma katsays (S11) ve iletim katsays (S21) güç ifadelerini salamakta olup srasyla yanstlan güç (Y) ve letilen güç () aadaki gibi hesaplanmaktadr.
2 2 11 22Y = S = S (3)
2 2
2 11S ve 2
22S parametreleri ayn deere sahiptir ve ikisi de yansyan dalgann gücünü temsil etmektedir yani yansma katsaysn
temsil etmektedir. 2 12S ve 2
21S ifadeleri de iletilen dalgann gücünü göstermektedir bu da iletim katsaysdr. Genel olarak baktmzda Smn parametresi kalkanlama malzemesi üzerinde ne kadar enerji transferinin gerçekletiinin bir ölçüsüdür. “m“ kalkanlama etkinlii ölçüm cihaznn elektromanyetik radyasyonun (elektromanyetik dalga) alnd giri ucudur. “n” ise gelen elektromanyetik dalgann iletildii çk ucudur. Ölçüm düzeneinin salad çk deerleri S11, S12, S12 ve S21 parametreleridir. Bu parametreler sayesinde toplam ekranlama etkinlii KEtoplam , emilme-yutulma kayplar KEE ve yansma kayplar KEY analiz edilmektedir.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 42 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
Burada yansma ve emilme-yutulmadan kaynaklanan elektromanyetik kalkanlama etkinlikleri denklem ( 5 ) ve denklem ( 6 ) da görüldüü üzere hesaplanabilir.
2 Y 11KE = -10log(1- S ) (5)
2
ekil 1b de basit bir elektromanyetik kalkanlama etkinlii mekanizmas ematize edilmitir. Buradaki mantk gelen
elektromanyetik dalgann bir ksmnn metal iletken ile yanstlmasdr. Metal tarafndan yanstlamayan elektromanyetik dalgalarn bir ksm metal tabakadan içeri girebilecektir. Metal sayesinde zayflatlan sinyal burada üretmi olduumuz polimer kompozit malzeme tarafndan bir emilime urayacaktr. Gelen sinyalden yansma ve emilme aamalarn geçebilen elektromanyetik dalgalar olduunda bu iletilen dalgadr ve kalkanlama mekanizmasn geçebilmitir. Ayrca gelen dalga 2 metal tabaka arasnda çoklu yansmalara urayacaktr fakat bu çalmada yansma ve emilme kayplarna kyasla çok küçük olduundan dolay ihmal edilmitir.
OPG kompozitlerinin 8 GHz deki yaltkanlk sabiti (ε), manyetik geçirgenlik (μ), yansma katsays (S11), iletim katsays (S21), emilme kalkanlama etkinlii (KEE), yansma kalkanlama etkinlii (KEY) ve toplam kalkanlama etkinlii (KEtoplam) deerleri tablo 1 de gösterilmektedir. Tablo 1 i incelediimizde KEY deerlerinin KEE deerlerinden çok küçük olduu görülmektedir ki bu da elektromanyetik kalkanlama baarsnda belirgin rolün emilme mekanizmasna ait olduuna kantlar. Srasyla kompozitlerdeki grafenin arlkça oran % 0 OPG-1 de, % 1.5 OPG-2 de, % 3 OPG-3 te ve son olarak % 6 oranda OPG-4 tedir.
Tablo 1. Nanokompozitlerin 8 GHz deki Elektromanyetik Parametre Deerleri
Kompozit ε(F/m)
görülmektedir. OPG-1 in yaltkanlk sabiti ε = 2,957 F/m ve manyetik geçirgenlii μ = 0,909 H/m iken toplam elektromanyetik kalkanlama etkinlii KEtoplam = 3,6463 dB dir ; bunun yannda OPG-4 ün yaltkanlk sabiti ε = 3,313 F/m ve μ = 0,995 H/m iken toplam elektromanyetik kalkanlama etkinlii KEtoplam = 23,1942 dB olmaktadr. Bu performansn art OPG nanokompozitlerinin grafen orannn yüksekliine baldr. Tablodan srasyla dier OPG nanokompozitleri arasndaki elektromanyetik özelliin artna bal olarak yanstma baars, emilme baars ve toplam elektromanyetik kalkanlama (KEY, KEE, KEtoplam) baarsnn artt gözlemlenebilmektedir. Yine ayn yoruma ekil 2 ve ekil 3 ile ilgili sonuçlarda bahsettiimiz gibi tabloda da S11 ve S21 katsaylarnn azalmasna bal olarak kalkanlama performansnn artt eklinde varabiliriz. Son olarak tabloda KEY deerlerinin KEE den çok düük olduu ve KEE nin KEtoplam a oldukça yakn deerler olduu sergilenmitir ve buradan anlalacak olan da yansma mekanizmasndaki baarya kyasla kalkanlama baarsnn yüksek oranda emilme mekanizmasnda olduudur. Bu çalmamz ürettiimiz malzemenin emilme potansiyeli yüksek olan bir nanokompozit olmasyla ilikilendirilmitir ve sonuçlar da bu ilikiyi ispatlar niteliktedir.
ekil 2 de görüldüü üzere , kompozitlerin yansma güç parametre deerleri (S11) 8-9 GHz frekans band aralnda karlatrlmtr. En yüksek S11 deeri grafen oran % 0 olan OPG-1 nanokompozitinde sergilenmitir. Bu deer yaklak olarak -0.3 olarak görülmütür. S11 deerinin düük olmas kompozitteki grafen orannn artmas anlamna gelmektedir. Bu sebeple en düük S11 deeri arlkça % 6 grafen içeren OPG-4 nanokompozitinde yaklak olarak -0.4 olarak ölçülmütür. Buradan S11 deerinin azalmas nanokompozitteki grafen orannn artmasyla yansma kayplarnn artmas sonucu çkarlmaktadr yani yansma mekanizmas kalkanlama etkinliinin artmas demektir.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 43 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
ekil 2. OPG Nanokompozitlerinin 8-9 GHz deki Ölçülen S11 Deerleri
OPG nanokompozitlerinin emilme güç parametre (S21) deerleri (iletim katsays) 8-9 GHz frekans bandnda ekil 3 te gösterilmitir. En yüksek S21 deeri dier nanokompozitlere kyasla % 0 grafen içeren OPG-1 nanokompozitinde ölçülmütür. Dier taraftan en düük deer S21 deeri ise grafen oran % 6 olan OPG-4 te ölçülmütür. Burada S11 ve S21 deerleri azaldkça elektromanyetik kalkanlama etkinlii deeri artacaktr ki kompozitler arasnda en yüksek kalkanlama perfomans OPG-4 nanokompozitinde sergilenecektir.
ekil 3. OPG Nanokompozitlerinin 8-9 GHz deki S21 Deerleri
Tekrar hatrlatmak gerekirse, S11 ve S21 deerleri elektromanyetik kalkanlama etkinlii cihaznn salad nanokompozitlere ait kalkanlama performans katsaylardr.
EKE ölçüm cihazndan elde edilen S11 ve S21 katsaylar kullanlarak her bir OPG nanokompozitine ait toplam elektromanyetik kalkanlama etkinlii deeri 8-9 GHz frekans band aralnda ekil 4 te karlatrlmtr. lk olarak denklem (3) ve denklem (4) te yanstlan güç (Y) ve iletilen güç () srasyla hesaplanmtr. Sonrasnda yanstlan dalgann kalkanlama etkinlii KEY ve emilen dalgann kalkanlama etkinlii KEE srasyla denklem (5) ve denklem (6) daki ifadelerle hesaplanmtr.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 44 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
Son olarak nanokompozitlerin herbiri için KEtoplam deerleri denklem (2) deki eitlik kullanlarak hesaplanmtr. OPG-1 arlkça % 0 grafen oranna sahiptir. OPG-2 % 1.5 grafen, OPG-2 % 3 grafen, OPG-3 % 6 grafen içermektedir.
ekil 4. OPG Nanokompozitlerinin Toplam EKE Deerleri
ekil 5 te ise örnek olarak 8.5 GHz deki KEE , KEY ve KEtoplam deerleri karlatrlmtr. Bu grafikten kalkanlamann
yüksek oranda emilme-yutulma mekanizmasnda gerçekletiini anlayabiliriz. Çünkü KEE deeri KEtoplam deerine çok yakndr ve benzer bir yörünge izledii görülmektedir. Spesifik örnek olarak verecek olursak ekil 4 e göre OPG-3 ün 8 GHz, 8.5 GHz ve 9 GHz deki deerleri srasyla, OPG-3 8 GHz için 17.70 dB KEE deeri, 0.62 dB KEY ve 18.32 dB KEtoplam deerlerine sahiptir, ayn ekilde OPG-3 8.5 GHz için , 17.80 dB KEE, 0.59 dB KEY ve 18.40 dB KEtoplam deerlerine ve 9 GHz için 17.97 dB KEE, 0.58 dB KEY ve 18.56 dB KEtoplam deerlerine sahiptir. Yine ayn ekilde ekil 5 e bakldnda dier nanokompozitlerin de yörünge ve KE deerleri incelenebilir ve ayn yorum çkarlr.
ekil 5. 8.5 GHz deki Toplam EKE Deeri, Yansma Kalkanlama Etkinlii Deeri ve Emilme Kalkanlama Etkinlii
Deerinin Karlatrlmas Sonuç olarak elektromanyetik dalga OPG nanokompozitleri tarafndan emilimle karlar ve kaydadeer bir zayflamaya urarlar ve onlar yüksek oranda geçemezler.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 45 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
Bu nedenle, elektromanyetik kalkanlama baarsnn yüksek oranda emilme mekanizmasnda gerçekletii ve grafen sayesinde OPG nanokompozitlerinin elektromanyetik kalkanlama yetenei kazand sonucuna varabiliriz. Sonuç olarak bu çalma OPG nanokompozitlerinin iyi bir elektromanyetik kalkanlama malzemesi olduunu ortaya koymutur. Bir çalmada grafen nanokompozitleri incelenmitir ve % 0-15 aralnda grafen içermektedir. Bu nanokompozitlere bakldnda kalkanlama etkinlii 0 ile 16 dB aras bir deer sergileyerek çalmamzdaki sonuçlar desteklemitir yani grafen artna bal olarak kalkanlama performansn artrdn ortaya koymutur (Kashi ve ark., 2016). En yüksek elektromanyetik kalkanlama deeri arlkça % 15 oranda grafen içeren kompozitte 15.5 dB olarak elde edilmitir. Bu çalmaya kyasla bizim üretmi olduumuz kompozitlerden OPG-2 % 1.5 grafen oranyla 0.4918 dB yansma ve 15.80 dB emilme ile 16.29 dB toplam kalkanlama etkinlii deerine ulamtr. Bir baka aratrma grafen/Fe3O4 kompozitlerini incelemitir ve arlkça % 10 grafen içeriiyle en yüksek 18.2 dB KEtoplam deeri salamtr. Bu bilgiye ek olarak, bu çalmada da görülecei üzere kalkanlamann çounluunun emilme mekanizmasnda gerçeklemitir ve KEY ile KEtoplam benzer yörünge izlemitir (Shen ve ark., 2013). Fe3O4/RGO/polianilin kompozitleri üzerine aratrma yapan Singh ve arkadalar ise 26 dB elektromanyetik kalkanlama etkinlii deeri elde etmilerdir (Singh ve ark., 2013). Çalmamzdaki bu deer % 6 oranda grafen içeren OPG-4 nanokompoziti ile yaklak olarak elde edilmitir. Sonuç olarak grafen esasl polimer yapdaki kompozit malzemeler kaydadeer bir elektromanyetik kalkanlama performansna sahip olduklarn kantlamtr. Bu çalma OPG nanokompozitlerin EKE deerlerini raporlamtr ve onlarn birer iyi kalkanlama malzemesi olduunu sonuçlaryla birlikte destekleyerek uygulama alanlarndan bahsetmitir ve mühendislik bilimi literatürüne ve elektronik teknolojisine katklarn ortaya koymutur.
Üretilen grafen yaplarnn morfolojisi taramal elektron mikroskobu (TEM) ile incelenmi ve desteklenmitir. ekil 6 da ürettiimiz nanokompozitlere ait TEM görüntüleri mevcuttur.
ekil 6. Grafen Esasl Nanokompozitlere Ait TEM ( Taramal Elektron Mikroskobu ) Görüntüleri.
Sonuçlar göstermitir ki nanokompozitlerin yapsndaki grafen düük oranda olsa dahi, nanokompozitlerde homojen bir
görüntü oluturmutur ve odun-plastik içinde iyi bir dalma sahip olup istikrarl bir yap sergilemitir.
ekil 7 deki görüntüler üretmi olduumuz kompozitlerin kamera kullanlarak fotoraflanm halleridir. Görüldüü gibi odun plastik ve grafen iyi bir form oluturarak malzeme halini almtr. Üretilen OPG malzemesi elektronik teknolojisinde girite bahsettiimiz bütün uygulamalarda yerini alabilecektir.
ekil 7. OPG Kompozitleri Kamera Görüntüleri
4. SONUÇ
Kompozitin yapsna katlan grafen miktar artkça elektromanyetik özellikler ( yaltkanlk sabiti ve manyetik geçirgenlik ) artmaktadr. Ayrca elektromanyetik kirlilii önlemek ve elektromanyetik uyumluluu salamak üzere yaplan çalmamzda grafen art kompozit malzemenin daha yüksek elektromanyetik kalkanlama performansna ulamasn salamtr. Bu baar OPG polimer kompozitleri ile elde edilmitir. En yüksek elektromanyetik kalkanlama etkinlii deeri arlkça % 6 grafen içeren OPG-4 kompozitinde yaklak 24 dB olarak elde edilmitir. Bu çalma odun-plastik-grafen (OPG) kompozitlerinin iyi bir elektromanyetik kalkanlama malzemesi olduunu ve elektronik koruma teknolojisinin ve elektronik malzeme üretimi için birçok uygulamada yerini alabileceini ortaya koymutur.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 46 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
Teekkür Bu çalmann gerçeklemesinde katklarndan ve finansal desteklerinden dolay Graf Nano Teknolojik Malzemeler Sanayi ve Ticaret Ltd. ti. (irket kurucusu ve Sahibi: .Karteri) ve Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi (Proje No: 2016/6- 19 YLS) ne teekkürlerimizi bildiririz.
5. KAYNAKLAR
Al-Ghamdi, AA., Al-Ghamdi, AA., Al-Turki, Y., Yakuphanoglu, F., El-Tantawy, F. (2016). Electromagnetic Shielding Properties of Graphene/Acrylonitrile Butadiene Rubber Nanocomposites for Portable and Flexible Electronic Devices, Compos Part B;88:212e9.
Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. (2009). Honeycomb Carbon: a Review of Graphene,Chemical Reviews, 110(1),132–145.
Al-Saleh, M.H., Sundararaj, U. (2013). X-band EMI Shielding Mechanisms and Shielding Effectiveness of High Structure Carbon Black/Polypropylene Composites, J. Phys. D 46, 35304.
Chen, Y-J., Li, Y., Chu, BTT., Kuo, IT., Yip, M., Tai, N. (2015). Porous Composites Coated with Hybrid Nano Carbon Materials Perform Excellent Electromagnetic Interference Shielding, Compos Part B; 70:231e7.
Das, N.C., Chaki, T.K., Khastgir, D., Chakraborty, A. (2001). Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Ethylene Vinyl Acetate Based Conductive Composites Containing Carbon Fillers, J. Appl. Polym. Sci. 80, 1601–1608.
Eswaraiah V., Sankaranarayanan V., Mishra A.K., Ramaprabhu S. (2010). Electromagnetic Interference (EMI) Shielding of Carbon Nanostrcutured Films, International Conference on Chemistry and Chemical Engineering (ICCCE).
Gedler, G., Antunes, M., Velasco, J.I., Ozisik, R. Enhanced Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Polycarbonate/Graphene Nanocomposites Foamed via 1-step Supercritical Carbon Dioxide Process. Materials and Design 90 (2016) 906–914.
Geim, A. K., Novoselov, K. S. (2007). The Rise of Graphene, Nature Materials, 6(3), 183–191.
Hsiao, S.-T., Ma, C.-C. M., Liao, W-H., Wang, Y-S., Li, S-M., Huang, Y-C., Yang, R-B., Liang, W-F. (2014). Lightweight and Flexible Reduced Graphene Oxide/Water-Borne Polyurethane Composites with High Electrical Conductivity and Excellent Electromagnetic Interference Shielding Performance, ACS Appl. Mater. 6, 10667–10678.
Hsiao, S-T., Ma, C-CM., Tien, H-W., Liao, W-H., Wang, Y-S,. Li, S-M. (2013). Using a Non-Covalent Modification to Prepare a High Electromagnetic Interference Shielding Performance Graphene Nanosheet/Water-Borne Polyurethane Composite, Carbon; 60:57e66.
I.V. Tudose, M.S., Tzagkarakis, G., Kenanakis, G., Katharakis, M., Drakakis, E., Koudoumas, E. (2015). Nanostructured Composite Layers for Electromagnetic Shielding in the GHz Frequency Range, Applied Surface Science 352, 151– 154.
Kashi, S., Gupta, R. K., Baum, T., Kao, N., Bhattacharya, S. N. (2016). Dielectric Properties and Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Graphene-Based Biodegradable Nanocomposites, Materials and Design 109, 68–78.
Kashi, S., Gupta, R.K., Baum, T., Kao, N., Bhattacharya, S.N. (2016). Morphology, Electromagnetic Properties and Electromagnetic Interference Shielding Performance of Poly Lactide/Graphene Nanoplatelet Nanocomposites, Mater. Des. 95, 119–126.
Kim, K., Koo, K., Hong, S., Kim, J., Cho, B., Kim, J. (2012). Graphene-based EMI Shielding for Vertical Noise Coupling Reduction in 3D Mixed-Signal System, 978-1-4673-2538-7/12/$31.00, IEEE.
Li, N, Huang, Y., Du, F., He, X., Lin, X., Gao, H. (2006). Electromagnetic Interference (EMI) Shielding of Single-Walled Carbon Nanotube Epoxy Composites, Nano Lett; 6(6):1141e5.
Liu, Y., Song, D., Wu, C., Leng, J. (2014). EMI Shielding Performance of Nanocomposites with MWCNTs, Nanosized Fe3O4 and Fe, Compos Part B; 63:34e40.
Modak, P., Kondawar, S.B., Nandanwar, D.V. (2015). Synthesis and Characterization of Conducting Polyaniline/Graphene Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding, Proced. Mater. Sci. 10, 588–594.
Mondal, S., Ganguly, S., Das, P., Khastgir, D., Das, N. C. (2017) Low Percolation Threshold and Electromagnetic Shielding Effectiveness of Nano-Structured Sarbon Based Ethylene Methyl Acrylate Nanocomposites, Composites Part B 119- 41e56.
Nayak, L., Chaki, T.K., Khastgir, D. (2014) . Electrical Percolation Behavior and Electromagnetic Shielding Effectiveness of Polyimide Nanocomposites Filled with Carbon Nanofibers, J. Appl. Polym. Sci. 131, 1–12.
KSU Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(X), 2017 47 KSU. Journal of Engineering Sciences, 20(X), 2017
M. ALTUN, . KARTER, M. GUNES, M.H. ALMA
Shen, B., Zhai, W., Tao, M., Ling, J., Zheng, W. (2013). Lightweight, Multifunctional Polyetherimide/[email protected] Composite Foams for Shielding of Electromagnetic Pollution, ACS Appl. Mater. & Interfaces 5(21), 11383–11391.
Singh, K., Ohlan, A., Pham, V.H., Balasubramaniyan, R., Varshney, S., Jang, J., Hur, S.H., Choi, W.M., Kumar, M., Dhawan, S.K., Kong, B.S., Chung, J.S. (2013). Nanoscale 5, 2411.
Verma, P., Saini, P., Choudhary, V. (2015). Designing of Carbon Nanotube/ Polymer Composites Using Melt Recirculation Approach: Effect of Aspect Ratio on Mechanical, Electrical and EMI Shielding Response, Mater. Des. 88, 269–277.
Yesmin, S., Barua, B. S., Khandaker, M. U., Chowdhury, M. T., Kamal, M., Rashid, M.A., Miah, M.M.H., Bradley, D.A. (2016). Investigation of Ionizing Radiation Shielding Effectiveness of Decorative Building Materials Used in Bangladeshi Dwellings, http://dx.doi.org/10.1016/j.radphyschem.
Ylmaz, R. (2014). Elektromanyetik Kalkanlama Özellii Olan Malzemeler, Electronic Journal of Vocational Colleges- May/Mays.
Zhao, H., Hou, L., Lu, Y. (2016). Electromagnetic Shielding Effectiveness and Serviceability of the Multilayer Structured Cuprammonium Fabric/Polypyrrole/Copper (CF/PPy/Cu) Composite, Chemical Engineering Journal 297, 170–179.
1. GR