Radyasyon Direncinde Öne Çıkan Bir Şey:

Polieter Eter Keton (PEEK) Mühendislik Plastiği

 

 

PEEK'in Yapısal Temeli: Doğal Olarak Sağlam Radyasyon Direnci

PEEK'in radyasyon direnci tesadüf değildir; kendine özgü moleküler mimarisinden kaynaklanır.

Sağlam moleküler omurga:  PEEK, güçlü polar keton (-CO-) grupları ve eter (-O-) bağlantılarıyla birlikte çok sayıda benzen (aromatik) halka içerir. Aromatik halkaların son derece stabil konjuge pi-bağ sistemi, yüksek enerjili radyasyondan gelen enerjiyi emip dağıtarak moleküler zincirin kesilmesini önlemeye yardımcı olur. Bu aromatik halka yapısı PEEK'in radyasyon direncinin merkezinde yer alır. 

Yüksek bağ enerjisi:  Polimer zincirindeki CC ve CO bağları yüksek bağ enerjisine sahiptir ve kırılmak için önemli miktarda enerji gerektirir. Bu nedenle ışınlamayla üretilen serbest radikallerin ana zincirin kesilmesini (bozunmasını) tetikleme olasılığı daha düşük ve çapraz bağlanmayı teşvik etme olasılığı daha yüksektir.

Bozunma yerine çapraz bağlanma:  Işınlama altında PEEK ağırlıklı olarak zincir kırılması bozunması yerine zincirler arası çapraz bağlanmaya maruz kalır. Ortaya çıkan üç boyutlu ağ, kırılganlığı biraz artırabilir, ancak birçok ticari plastikte görülen hızlı kırılganlaşma ve tozlaşmayı önleyerek yapısal bütünlüğün ve mekanik gücün korunmasına yardımcı olur.

PEEK Işınlama Altında Nasıl Performans Gösteriyor?

Araştırmalar, PEEK'in yararlı performansı korurken çok yüksek radyasyon dozlarına dayanabildiğini gösteriyor.

Yüksek doz toleransı:  PEEK, büyük bir arıza olmadan 1.000 kGy'den (yaklaşık 100 Mrad) fazlasını tolere edebilir. Karşılaştırıldığında, birçok genel amaçlı plastik yalnızca 10-100 kGy'lik dozlarda ciddi şekilde bozulur. Bazı çalışmalar, PEEK'in 5.000 kGy'ye maruz kaldıktan sonra bile hala bir miktar mekanik performansı koruduğunu bildirmektedir.

Mekanik özelliğin korunması:  Kritik doza ulaşılmadan önce PEEK'in gerilme mukavemeti, elastik modülü ve diğer mekanik özellikleri yavaş yavaş azalır. Işınlamanın ilk aşamalarında çapraz bağlama, modülde hafif bir artışa neden olabilirken, malzemenin dayanıklılığının büyük bir kısmı da korunabilir.

Kararlı elektrik performansı:  PEEK mükemmel bir elektrik yalıtkanıdır. Işınlama altında hacim direnci azalsa da bu azalma, epoksi reçine gibi diğer birçok yalıtım malzemesine göre çok daha küçüktür ve elektrikli bileşenlerin uzun süreli radyasyona maruz kalma sırasında güvenilir yalıtımı korumasına yardımcı olur.

Düşük gaz çıkışı:  Yüksek vakumlu radyasyon ortamlarında, bir malzeme tarafından salınan uçucu maddeler, uzay teleskopları ve parçacık dedektörleri gibi hassas cihazları kirletebilir. PEEK son derece düşük uçuculuğa sahiptir ve ışınlama sonrasında çok az gaz üretir, bu da onu yüksek temizlik uygulamalarına çok uygun hale getirir.

Radyokimyasal verim (G),  1 g malzeme 100 eV enerji emdiğinde oluşan radikallerin, iyonların, moleküllerin veya diğer ürünlerin sayısını ifade eder. Radyasyonun neden olduğu daha düşük bir radikal verimi genellikle daha güçlü radyasyon direncini gösterir. Aşağıdaki tablo seçilen poliarileterketonlar için tipik radikal verimlerini listelemektedir. Verim, vakumda ışınlanan numuneler için havaya göre daha yüksektir ve 77 K'de, vakumda 300 K'ye göre daha yüksektir. Başka bir deyişle, vakum altında ışınlama sıcaklığı arttıkça radikal verimi azalmakta, aynı ışınlama sıcaklığında oksijen içeriği arttıkça da azalmaktadır.

PEEK Radyasyon Direncini Etkileyen Temel Faktörler

PEEK'in radyasyon direnci mutlak değildir; birkaç faktöre bağlıdır:

Radyasyonun türü ve enerjisi:  Gama ışınları, elektronlar, protonlar ve nötronlar malzemelerle farklı mekanizmalar yoluyla etkileşime girer ve dolayısıyla farklı şekil ve derecelerde hasara neden olur. Güçlü iyonizasyon gücüne ve yüksek nüfuza sahip radyasyon, kütle özelliklerini daha eşit şekilde etkileme eğilimindeyken, yüksek enerjili parçacıklar daha belirgin lokal hasara neden olabilir.

Işınlama ortamı – oksijen açısından zengin koşullar (hava):  Bu en zorlu ortamdır. Oksijen, radyasyonun ürettiği radikallerle reaksiyona girerek oksidatif bozunmayı hızlandırır ve sararmaya, kırılganlaşmaya ve performansta vakum veya oksijensiz ortamlara göre çok daha hızlı bir düşüşe neden olur.

İnert koşullar (vakum veya inert gaz):  PEEK, oksijen olmadan en iyi performansı gösterir. Çapraz bağlama baskın reaksiyon haline gelir ve malzemenin hizmet ömrünü önemli ölçüde uzatır.

Sıcaklık:  Yüksek sıcaklıklar radyasyonun neden olduğu kimyasal değişiklikleri yoğunlaştırır ve oksidasyonu ve bozunmayı hızlandırır. Bu nedenle birleşik ısı ve radyasyon daha ciddi bir sorun teşkil etmektedir. Bununla birlikte PEEK, 250°C'ye varan uzun süreli servis sıcaklıklarıyla, doğal ısı direnci nedeniyle bir avantaja sahiptir.

Katkı maddeleri:  Saf PEEK reçinesi en güçlü içsel radyasyon direncini sunar. Cam veya karbon fiber gibi takviyeler, ışınlama sırasında stres yoğunlaşma noktaları haline gelen arayüzey kusurlarına neden olabilir ve potansiyel olarak radyasyon toleransında ılımlı bir azalmaya neden olabilir. Bu genellikle daha fazla mekanik dayanıma ihtiyaç duyulduğunda kabul edilen bir ödündür.

Tipik Uygulamalar

Nükleer reaktörler:  Uzun süreli nötron ve gama ışınımına dayanması gereken kablo yalıtımı, sensör kılıfı, contalar, yataklar ve diğer dahili bileşenler.

Nükleer atıkların işlenmesi:  Radyoaktif malzemeleri muhafaza etmek veya işlemek için kullanılan ekipman bileşenleri.

Uydular ve uzay istasyonları:  Kozmik radyasyona ve yüklü parçacıklara uzun süreli maruz kalma sırasında sabit kalması gereken tel ve kablo sistemleri, konektörler ve yapısal destekler.

Parçacık hızlandırıcıları:  Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi tesisler de dahil olmak üzere yoğun radyasyon alanlarında kullanılan dedektör bileşenleri ve vakum odası izolatörleri.

Tıbbi cihaz sterilizasyonu:  Gama radyasyonu veya elektron ışınlarıyla sterilize edilen, sınırlı yaşlanmayla tekrarlanan sterilizasyon döngülerine olanak tanıyan cerrahi aletler için muhafazalar ve iç yapılar.

Elektronik:  Nükleer enerji santrallerinin yakınındaki alanlar gibi özel ortamlarda çalışan elektronik bileşenler için yalıtım ve kapsülleme.

Özet ve Görünüm 

Ayırt edici aromatik moleküler yapısı sayesinde polieter eter keton (PEEK), çoğu mühendislik plastiğini aşan radyasyon direnci sunar. Yüksek sıcaklıklar ve yüksek radyasyon dozları altında yapısal bütünlüğü ve temel fiziksel ve mekanik özellikleri koruma yeteneği, onu zorlu çevre mühendisliği için öne çıkan bir malzeme haline getiriyor.