Seramikler Metal veya yarı metallerin metal olmayan elementlerle yaptığı bileşiklere Seramik denir. Kimyasal açıdan inorganik özellik taşırlar. Atomlar arası bağlar; iyonik, kovalent veya kısmen metalik olabilir.

Si3N4 Seramik turbo pervanesi

Sınıflandırılmaları: (a) kullanımları açısından, (b) yapıları açısından Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler; Geleneksel seramikler, İleri teknolojik seramikler.

Kristal yapılı Seramikler Yapıları açısından Seramikler Cam Esaslı Kristal yapılı Seramikler Amorf yapılı Camlar Kristal yapılı Camlar Silikat esaslı Oksit Ser. (%75 SiO2), Kiremit, Tuğla. Silikat dışı Oksit Ser. (ileri teknololik S.) Al2O3, ZrO2, ThO2, Oksit dışı Ser. (ileri teknololik S.) B4C, SiC, WC, TiN, vs. Silikat Camlar. Ağ yapıcılar (SiO2, B2O3) Ağ düzenleyiciler (Na2O3, K2O, CaO) Ağ dengeleyiciler (Al2O3, TiO2, ZrO2) Silikat dışı Camlar.

A. Kristal yapılı seramikler Silikat esaslı (kil bazlı)seramikler: Yapısında SiO2 bulunan seramiklerdir. Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdır-ucuzdur. Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır; Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör seramikler, Çimento.

İmalat adımları: Toz halinde bileşim ayarlanır. Su katılarak çamur elde edilir ve şekillendirilir. Kurutulur ve pişirilir. Çimentoda (portlant cement) ise katılaşma kimyasal reaksiyon ile olur. Fazla düşük olmayan sıcaklıklarda ıslatılarak katılaşma kabiliyeti arttırılabilir.

Silikat içermeyen seramikler: Bünyesinde SiO2 bulunmayan seramiklerdir. İleri seramikler olarak adlandırılabilirler. Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı içerebilirler.

Çeşitleri: Alumina Al2O3 refraktör MgO refraktör ThO2-nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi UO2-nükleer yakıt BaTiO3- elektro-piezo seramik NiFe2O4-Manyetik seramik

Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir. Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları).

İmalat aşamaları: Toz halinde bileşim hazırlama Karıştırma; Kuru veya sıvı içerisinde Basınç altında şekillendirme Kurutma ve sinterleme

Örnekler Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma elemanı) Silisyum nitrür Si3N4-yüksek tokluk ve sertlik Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşımaya dayanıklı Tungsten karbür WC-takım imalatı Bor karbür -B4C-zırh malzemesi SiAlON-makina parça malzemesi

Şekillendirme: Presleme

Sinterleme

Sinterleme Şekillendirilmiş seramik yapının erime sıcaklıklarının altında (0.5-0.7 Te) yüksek sıcaklıklarda tozların difüzyon ile birbirlerine kaynaması ve bu sayede yapının yekpare yüksek dayanımlı bir hale getirilmesi işlemidir. Sinterleme sırasında iç boşluklar (porozite) küçülür veya yok olur. Sinterlemenin verimini arttırabilmek ve yüksek kalitede ürünler elde için Sıcak izostatik presleme kullanılabilir. Şekillendirilmiş tozlar yüksek gaz basıncı altında sinterlenir. Sinterlenmiş seramik parçalar yüksek performans uygulamalarında; motorlar, fren rotorları, makina parçaları, türbün parçaları vs. metallerin yerini almaktadırlar.

Sıcak presleme: Presleme + sinterleme Soğuk izostatik presleme: Sadece izostatik presleme ile şekillendirme Sıcak izostatik presleme: izosatatik Presleme + sinterleme

Camlar; Amorf yapılı Kristal yapılı

B. Amorf yapılı Camlar Bu malzemeler; kristal yapıda değillerdir. I. Silikat camlar: Seramikler içerisinde tonaj olarak en fazla kullanılan malzemelerdir. Yüksek sıcaklıkta akışkan haldedirler. Azalan sıcaklıkta, akıcılıkları azalır (vizkoziteleri artar) Camlaşma sıcaklığının altında katı olarak davranır. Bu duruma “aşırı soğutulmuş sıvı” olarak adlandırılır. Bileşimlerinde SiO2 yanı sıra diğer elementler bulunur.

Kimyasal yapı bileşenleri Ağ yapıcı bileşenler (network formers) Cam yapısındaki ağ (network) şeklinde yapının oluşmasını sağlayan elementler, SiO2, B2O3 vs. Ağ yapısını düzenleyici bileşenler (Network modifiers) Ağ yapının özelliklerini kontrol edebilmek için kullanılan malzemeler. Na2O3, K2O, CaO, vs. Ara bileşenler (intermediates) Ağ yapısının stabilitesini sağlayan malzemeler. TiO2, Al2O3, ZrO2, vs.

Örnekler Silis camı (yüksek sıcaklık dayanımı) Bor cam (düşük ısıl genleşme-yüksek ısıl şok dayanımı) Pencere camı (Adi cam, flotal ayna camı, vs.) Cam elyaf (Kompozit malzeme üretiminde takviye elemanı) Emaye (Metal yüzeylerde korozyona ve dış etkilere dayanıklı dekoratif kaplama) Kristal cam (PbO içeren saydamlığı mükemmel cam)

II. Silikat esaslı olmayan camlar: Fazla kullanılmazlar. Su ve nemden çok etkilenirler. Katkı malzemesi olarak kullanılabilirler. Elektronik endüstrisinde çeşitli uygulamalar.

C. Kristal yapılı Camlar En gelişmiş tipleridir. Üretim adımları: Amorf yapıdayken şekillendirilirler. Kontrollü bir ısıl işlem ile yapısı %90 oranında kristale dönüştürülür. Kalan amorf kısım kristaller arasındaki kısımda yer alır.

Avantajları Daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir. Kristal yapısı, düşük ısıl genleşme gösterir- ısıl şok dayanımı oldukça yüksek olur- tencere vs uygulamaları. Seramiklerin aksine daha kolay şekillendirilebilir. Örnek; Li2O,+Al2O3+SiO2 kompozisyonudur. Tane boyutunu küçültmek için TiO2 eklenir.

Mekanik Özellikler

Seramiklerin belirgin özellikleri Yüksek sertlik ve gevreklik Yüksek aşınma dayanımı Kimyasal kararlılık (inertlük-etkilenmeme) Yüksek basma dayanımı (Çekmeden yüksek) Yüksek rijitlik Elektrik yalıtkanlığı veya çok düşük iletkenlik Düşük ısı iletkenliği Bazıları şeffaf olabilir.

Gevrek kırılma Kötü plastik şekil değiştirme özellikleri-iyonik/kovalent bağ. Düşük çekme dayanımı, daha yüksek basma dayanımı; iç boşluk vs. den kaynaklanan çentik etkisi. Seramiklerde üretimden kaynaklanan boşluklar (porosity) kuvvetli çentik etkisi yapar. (Çentik dibi radyüsun azalması (keskinlik) yığılma gerilmesini arttırır)

Çekme deneyi yerine 3 noktadan eğme deneyi ile test edilirler (yüksek sertlikleri nedeniyle çenelerin tutması zordur)- Eğme dayanımı. F c h L b  Eğme dayanımı-kırılma modülü gibi isimler alır.

Mekanik özellik iyileştirme Seramiklerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi: Faz dönüşümü ile toklaştırma (Transformation toughenning) Kontrollü mikro çatlak oluşturma: çatlak ilerlemesini durdurmak Elyaf takviyeli kompozit tasarımı.

Faz dönüşümü ile toklaştırma: Yarı stabil ZrO2; (içerisine CaO, Y2O3 gibi oksitler katılarak) normalde stabil olan monoklinik faz yerine birim kafes hacmi daha küçük olan tetragonal faz stabildir. Çatlak ilerlemesi durumunda, çatlak dibindeki gerilme seviyeleri, yarı stabil olan tetragonal fazın stabil ve hacmi daha büyük olan monoklinik faza dönüşmesine neden olur. Böylece çatlak kapanır ve ilerleyemez: tokluk ve dayanım arttırılmış olur.

Statik yorulma Silika ağına (network) sahip seramik ve cam malzemelerde statik yüklemeler altında görülen yorulma çeşididir. Bunun sebebi mekanik mekanizmalardan ziyade daha çok kimyasaldır. Su veya nem içeren ortamlarda görülür. Oda sıcaklığında gerçekleşir. Yüksek sıcaklıklarda görülmez Su silika ağ (network) ile reaksiyona girerek Si-O-Si bağlarını parçalar. Si-OH ve OH-Si bağları oluşturur. Her seferinde çatlağın bir atomik mesafe ilerlemesine sebep olur. Metallerde tekrar eden gerilmeler ile çatlak ilerlemesi Seramik ve camlarda çatlak ilerlemesi

Sürünme Yüksek sıcaklıklarda, sabit yük altında malzemenin kararlı ve yavaş olarak plastik şekil değiştirmesi olarak anlaşılır. Kristal seramiklerde: Tanelerin birbiri üzerinde kayması ve bu şekilde şekil değişimi oluşmasıdır. Cam seramiklerde ise vizkoz akış şeklinde gözlemlenir.

Isıl şok dayanımı Isıl iletim katsayılarının düşük olmasından kaynaklanır. Isıl genleşme kesit boyunca farklılık gösterdiğinde yüksek ısıl gerilmeler meydana gelir. Bu ısıl gerilmelerin, dayanımı aşması durumunda ani kırılmalar meydana gelir.

Vizkoz davranış Camsı geçiş sıcaklığı: Cam yapılı malzemelerin, altında katı gibi üzerinde vizkoz sıvı gibi davrandıkları sıcaklıktır. Sıvı Aşırı doymuş sıvı Hacim Cam Kristal Kristal yapılı camlar ise erime sıcaklığının altında kristal düzene girerler ve hacimlerinde ani azalma meydana gelir. Sıcaklık Tg Tm

Temper Cam Camlaşma sıcaklığının üzerindeki cam malzemenin yüzeyine soğuk hava üflenerek yüzeyi ani soğutulur. İç bölge, halen sıcakken, vizkoz akış ile şekil değiştirebilir. Daha sonra soğuyan iç bölgeler büzülür ve kendini çeker. Bu şekilde camın yüzeyinde basma gerilmeleri oluşturulur. Böylece, çekme dayanımı ve kırılmalara karşı direnci arttırılması ile daha dayanıklı camlar elde edilir.

Özet: Bazı önemli noktalar İleri seramiklerin imalat adımları Sinterleme Sıcak izostatik sinterleme Seramik ve camların toklaştırma metotları Seramik ve camların sürünme ve mekanizmaları Isıl şok ne demektir? Camsı geçiş sıcaklığı Hacim – sıcaklık diyagramı Temper cam

Seramik / cam malzemeler neden plastik şekil değiştirme gösteremezler? Neden gözeneklerden çok etkilenebilirler?