Transcript SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER ve ÜRETİMİ

HAZIRLAYAN: SERKAN SEYREK
EMRAH KILIÇ , MUHAMMET BAYRAK
KOMPOZİT MALZEME NEDİR ?
 Metal, plastik ve seramik gruplarından iki veya daha
fazla malzemenin, uygun olan özelliklerini tek
malzemede toplamak, veya yeni bir özellik ortaya
çıkarmak amacıyla mikro veya makro düzeyde
birleştirilmesi ile oluşturulan malzemelerdir.
 Plastik Matrisli Kompozitler
 Metal Matrisli Kompozitler
 Seramik Matrisli Kompozitler
 Elyaf Takviyeli Kompozitler
 Parçacık Takviyeli Kompozitler
 Tabakalı Kompozitler
 Seramik malzemeler, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve hafif oldukları
(d= 1,5 - 3,0 gr/cm3) için oldukça çekicidir.
 Seramik matrisli kompozit malzemeler genellikle yüksek sıcaklıkta
çalışması gereken parçalar için kullanılılırlar
 Sert ve kırılgan malzemeler olan seramik malzemeler, çok düşük
kopma uzaması gösterirler, düşük tokluğa sahiptirler ve termal
şoklara karşı dayanıksızdırlar. Bu nedenle liflerle takviye edilirler..
 Buna karşılık çok yüksek elastiklik modülüne ve çok yüksek çalışma
sıcaklıklarına sahiptirler.
 Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, kimyasal kararlılık, sertlik, erozyon ve aşınmaya
karşı direnç ve hafif olması gibi avantajlarından dolayı yüksek sıcaklık gerektiren
uygulamalarda kullanılmaktadır.
 3 tip seramik matrisli kompozit malzeme vardır:
 - Sürekli fiberli kompozitler
 - Süreksiz fiberli kompozitler
 - Partiküllü kompozitler
 MATRİS MALZEMELERİ
 Seramik matrisli kompozit malzemelerde;
matris malzemesi olarak Al2O3, SiC, Si3N4 ve B4C
yaygın olarak
kullanılmaktadır.
TAKVİYE MALZEMELERİ
 Seramik malzemeleri takviye etmemizin veya
güçlendirmemizin nedeni plastik ve metallerden farklıdır.
 Plastik ve metaller, yüksek mukavemete sahip olmalarına
karşın seramikler, mukavemetin yanısıra özellikle yüksek
tokluk ve ısıl dayanıma sahiptirler.
 Takviye elemanı olarakta genellikle Al2O3 ve SiC seramik
malzemeler fiber formuna getirilerek kullanılmaktadır.
Sürekli Fiberler:
 Sürekli fiberlerle takviye edilmiş seramik matrisli kompozit
malzemede matris zayıflasa bile fiberler, uygulanan yükü taşımaya
devam ederler.
 Fakat herhangi bir çatlak yada çentik durumunda seramik matrisli
kompozit malzeme özelliklerini (mukavemetini) kaybeder, deforme
olur hatta geri dönülmesi imkansız yıkım gerçekleşebilir.
 Özellikle 2 çeşit fiberin kullanımı, seramik matrisli kompozitlerin
üretiminde daha yaygındır. Bunlar; silisyum karbür ve alümina
(alüminyum oksit) dir.
 Sürekli fiberlerin tokluklarının diğerlerine göre daha yüksek olması,
tercih edilme nedenlerini arttırmıştır. Özellikle silisyum karbür
(SiC),üretim tekniklerine uygun ve elde edilmesi daha kolay olduğu
için
tercih edilir.
 Sürekli Fiber Kompozitler
 Sürekli fiber kompozitler, son derece gelişmiş ileri kompozit malzemelerdir.
 Başlıca Uygulama Alanları:
• Sürekli fiber kompozitler, yüksek sıcaklık kararlılığı ve ve korozyon dirençleri
nedeni ile hem uzay sanayinde hem de değişik endüstriyel alanlarda uygulama
alanı bulurlar.
• türbin motor parçaları
• sıcak gaz filtreleri
• roket motorları için türbin disklerinde
• ısı değiştirici tüpleri
• zırhlarda
• petrol borularında korozyona maruz kalan parçalarda
• separatörlerde
• ısıl işlem fırınlarında
• dizel motorlarında eksoz valflarında
• motor yalıtımı
• fren diskleri
Süreksiz Fiberler:
 Seramik süreksiz fiberlerin kırılma direnci yüksektir.
 Whiskerler, monolitik seramiklerin kırılma direncini
arttırırlar.
 SiC, ZrO2 ve TiC en çok kullanılan fiberlerdir.
Partiküller:
 Takviye malzemeleri partikül halinde matris malzemesi içine
ilave edilir.
Süreksiz Fiber Kompozitler
 Süreksiz takviye malzemeleri; parçalar, plakalar, whiskers
yada dalgalı fiberleri içerir ve genelde polikristalin seramik
cam veya cam-seramik matrise ilave edilir.
 Uygulamanın en önemli noktası matris malzemesidir ve en
önemli matris malzemesi alüminadır. Ayrıca, SiC, Si3N4,
müllit yada alümina silikat matris malzemesi de kullanılır.
 Başlıca Uygulama Alanları:
• ısı değiştirgeçleri
• termal koruma sistemleri
• korozyona dayanıklı parçalar
Partiküllü Kompozitler
 Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit malzemelerin en
önemli sıcak izostatik presleme gibi basit üretim teknikleri
kullanılarak imalatının basit olmasıdır.
 Seramik katmanlı kompozitler 1000°C’nin üzerinde
birkaç yüz saat kaldıklarında basınç ve fiber
malzemesine bağlı olarak 2 çeşit sorunla
karşılaşmaktadır.
 Yüzeyinde oksit tabakası bulunan fiber oksit,
sıcaklığa oldukça dayanımlı olmasına karşın,
sürünme özellikleri iyi değildir.
 Öte yandan, yüzeyinde oksid olmayan fiber
malzemelerinin (SiC) sürünme özellikleri iyi olmakla
birlikte, koruyucu kaplama olmasına rağmen matris
malzemesi ile reaksiyona girerek kimyasal değişime
uğrayabilmekte, bu da yapısal sorunlara yol
açmaktadır.
 Bu nedenle 1000°C 'nin üzerinde SMK'lerin
kullanımı sınırlıdır. Monolitik seramikler, bu
problemleri içermemelerine karşın kırılganlık ve
çatlama riskleri vardır.
 Seramik matrisli kompozitlerin uçaklarda uygulamalarına örnek olarak ; alçak basınç
türbin'e (LPT, Low Pressure Turbine) ait sabit parçalarda (egzoz gömleği, flapler, v.b.)
kullanılabilir.
 SNECMA M88 motorunda egzoz flapleri (Kapakları) seramik katmanlı
kompozit'tir.
 Yüksek sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi
motorları,sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu
ürünlerin başlıca kullanım yerleridir .
 Deneysel amaçlı olarak 1990 yılında başlatılmış Seramik Gaz Türbini projesi
1997 yılında sonuçlanmıştır.
 - Amaç 1350° C 'de % 40‘lık bir termal verimle 100 kW’lık güç elde etmektir.
 - Proje sonuçlandığında ise 92,3 kW güç ve %35,6'lık verim elde edilmiştir.
 - Bu gaz türbini, otomotiv amaçlı üretilmiştir.
 - Seramiklerin yüksek ısıl dayanımlarında yararlanılmış ve seramik
kompozitler kullanılarak seramiklerin kırılganlık özelliği giderilmiştir.
 - Şekilde bu gaz türbininde kullanılan Seramik Matrisli Kompozit
malzemeler türbin üzerinde gösterilmiştir .
1. Ergitilmiş Matrisin Sızdırılması ve Sıcak Preslenmesi:
 Çoğunlukla cam seramik matrislerin üretimi için tercih edilen
yöntemdir.
 Whiskers (İplik) halindeki fiberlerin,matris malzemesini içeren sıvı
içinde dağılması sağlanır.
 Elde edilen ergitilmiş matris, kalıpta sıcak preslenir.
 Eğer takviye malzemesi olarak süreksiz fiberler kullanılacaksa
‘’sıcak izostatik presleme tekniği’’ uygulanır.
 Cam seramikler bu tekniğin uygulanmasına çok yatkındırlar. Çünkü
pekiştirme düşük sıcaklıklarda (800-1000°C) ve basınçta gerçekleştirilebilir.
 Düşük sıcaklıklarda işlem yapılması zararlı fiber-matris
reaksiyonlarının minimuma inmesini sağlar.
 Uygulanan düşük basınç da fiberlere gelen mekaniksel zararı azaltır.
2. Kimyasal Buhar Kaplama ve Sızdırma:
 Bu yöntem 800°C gibi düşük sıcaklıklarda uygulanabilir; ve
malzeme üzerine herhangi bir basınç uygulanması
gerekmez.
 Karmaşık şekilli parçalar bu metodla üretilebilir.
 Ekonomik , düşük maliyetli bir sistemdir.
 Bu yöntemin dezavantajları ise;
- Yavaş bir tekniktir.
- Hiçbir zaman istenilen yoğunluk sağlanamaz.
- İmal edinilecek parçaların boyutları sınırlıdır.
3. Kimyasal Reaksiyonla Bağlama :
 Silisyum nitratla takviyelenmiş silisyum karbür (SiC) bu
metodla üretilir.
 Fiber önce silisyum ile temas ettirilir. Sonradan azot ile
sinterlenerek fiberin etrafında silisyum nitrat oluşumu
sağlanır.
 Silisyum, fiberin üzerine püskürtülerek kaplanabilir.
Bu metodla yüksek kimyasal özellikler kazandırılmasına
karşın , bu metot şu anda sadece basit şekilli parçalara
uygulanabilmektedir.
4. Toz Metalürjisi:
 İstenilen forma sahip bir kalıp içerisinde preslenerek ön
mukavemet kazandırılan tozlar daha sonra sinterlenerek
mukavemetlendirilir.
 Sıcak preslemede ,presleme ve sinterleme işlemleri bir arada
yapılır. Toz halindeki matris metali , whiskers veya elyaf
şeklindeki pekiştiriciler karıştırılarak preslerde
şekillendirilirler.
 Soğuk presleme uygulandığında boşluksuz, kompakt bir
yapının elde edilmesi için yüksek basınç uygulanır bu da
pekiştiricilerde (takviye malzemesinde) hasara sebep olur.
Bu nedenle sıcak presleme uygulaması tercih edilir.
• Seramik matrisli malzemelerin 3 ana mekanizma ile toklaştığına inanılmaktadır.
Her 3 mekanizmada takviye malzemelerinin, seramikte çatlak ilerlemesini
engellemesine bağlıdır.
Bu mekanizmalar şöyle özetlenebilir;
1- Çatlak saptırma:çatlak, takviye malzemesine rastladığında yön değiştirmek
zorunda kaldığından hareket etmesi zorlaşmakta ve çatlağın hareketi için daha
yüksek gerilmelere ihtiyaç olmaktadır,
2- Köprü oluşturma: fiberler çatlak üzerinde köprü oluşturarak malzemenin
bir arada kalmasına yardımcı olurlar ve bu nedenle de çatlağın ilerlemesi için
daha fazla gerilmeye ihtiyaç duyulur,
3-Fiber çıkması: fiberlerin çatlayan matris malzemesinden dışarı çekilmesi için
gereken sürtünme enerjisi enerji yutmakta ve çatlağın ilerlemesi daha fazla
gerilme gerektirmektedir.
Yüksek dayanım için matris ile fiber arasındaki ara yüzey bağının iyi olması
gerekmektedir.
• Eğer malzeme yüksek sıcaklıkta kullanılacaksa, matris ve fiberin genleşme
katsayılarının birbirine çok yakın olması gerekmektedir.
SMK’LERİ 3 ANA GRUPTA
TOPLAMAK GEREKİRSE ;
 Cam-seramik Sistemleri:
 Cam seramik malzemeler özgül ağırlığının düşük olması, yüksek
sıcaklıklara dayanıklılık, ısıl şoka, oksidasyona ve korozyona karşı
dirençli olmaları nedeniyle kompozit malzemelerde matris olarak
kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk ve yüksek sıcaklık performansına
sahip malzemelerin en önemli uygulama alanlarından birisi jet
motorlarında kullanılan türbin kanatçıklarıdır. Günümüzde bu tür
parçaların üretiminde kullanılan metal ve alaşımlarının ergime
dereceleri, kullanılması düşünülen uygulamanın maruz kalacağı
sıcaklıklardan 200ºC daha düşük olması cam seramik matrisli
kompozitleri daha avantajlı hale getirmektedir. Bu tür
uygulamalarda bir çok malzeme üzerinde çalışmalar ve denemeler
yapılmakta ve yıllardır kullanılmaktadır.
Seramik - Seramik Sistemleri:
 İki seramik fazın karışmasından
oluşmaktadır. Örnek olarak saf çini verilebilir.
Seramik - Metal Sistemleri:
 Bu tür kompozitler , çok fazlı bir yapıya sahiptirler.
 Bir metal faz, bir seramik faz, bir gözenek fazı ve daha çok karmaşık
formlarda
 seramik ve metalin ilave fazlarından meydana gelmiştir. Endüstride
kullanılan
 ve elmas olarak adlandırılan kesme aletleri en iyi örneklerdir. Bir kobalt
matris
 içine dağılmış tungsten karpit parçalarından oluşan bu kompozit
malzeme büyük
 bir dayanım sağlamaktadır.
SMK’LERİN KULLANIM ALANLARI
 Seramik fren diski
Yeni bir teknoloji olarak geliştirilen smk fren disklerinin
"Carbon-carbon" disklerden oldukça ustun özellikleri vardır. Bu
farklılıkları şöyle sıralayabiliriz:
*Isı hassasiyeti yok, yani yaz-kış kullanım değişmiyor,
*Çok daha geniş bantta daha yüksek torkları kaldırabiliyor,
*C/C den çok daha uzun omurlu,
*Daha ucuz,
*Kopma gerilimi daha yüksek,
*Fren hassasiyeti ve sürücüye verdiği algılama (feedback) daha iyi,
*Fren performansı daha yüksektir.
Gelecekte helikopterler seramiğin sayesinde daha uzak
mesafelere ulaşabilecek ve daha çok yük taşıyabileceklerdir.
Türbin motorunun operasyonel verimliliği,yüksek ısıya
dayanımlı olan SMK’lerin kullanılmasıyla artacaktır.
Yapılan bir deneyde multi bileşenli seramik kaplama hafniyum
oksitle kullanılmış biçimde 300 saat boyunca 1650ºC ye kadar
dayanabilmiştir.
Ayrıca SMK’lerin metaliklerden %30-50 daha hafif olmaları da
tercih edilme sebeplerindendir.
Alçak basınç türbine ait sabit
parçalardan egzoz gömleği ve flapler
Beton
Beton, genellikle çimento ve sudan oluşan sert çimento hamuru matris
(bağlayıcı) içinde, iri taneli dolgunun (kırma taş, çakıl, kum karışımı) yer
aldığı seramik bir kompozit malzemedir.
Porselen
Kuartz fiberlerin bir cam matris içersine çini ile birlikte
hamurlanıp yerleştirilmesiyle oluşan ve yaşamımızın her
alanında kullanılan porselen bir cam-seramik kompozittir .
Ve bunların dışında:
 Sandviç zırhlar
 Çeşitli askeri parçaların imali
 Uzay araçları
 Diş implantları, sert bağ dokunun tamiri ve
yenilenmesi
 Elmas olarak adlandırılan kesme aletleri diğer
kullanım alanlarıdır.