MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ SERAMİKLER

• 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. Metal ve ametal (metal olmayan) elementlerin birbirlerine birinci derece iyonik veya kovalent bağla bağlandığı inorganik, metal dışı malzemelerdir. Kimyasal bileşimi, basit bileşiklerden karmaşık fazlara kadar geniş bir aralıkta değişir. Bileşimlerinde doğada bol olarak bulunan metal oksitleri, silikatlar, karbürler, nitrürler, borürler, camlar v.b. bulunur. Bu nedenle kristal yapıları çok karmaşıktır. Amorf yapılar ya da amorf/kristalin karma yapılar da ortaya çıkabilir.

Saf Oksit Seramikler Al2O3, SiO2, TiO2,ThO2, NiO, MgO, Fe2O3 Saf Karbür Seramikler SiC, TiC, WC, UC, B4C3 Saf Nitrür Seramikler BN, TiN, Si3N4, AlN, ThN, UN Malzeme özellikleri bağ yapıları ile ilgilidir. Genel olarak, düşük tokluk ve süneklikte, sert ve kırılgandırlar. İletim elektronları içermediğinden, elektrik ve ısıyı iyi yalıtırlar. Atomik bağ yapıları nedeniyle kimyasal olarak kararlıdırlar ve erime sıcaklıkları yüksektir. Bu özellikleri nedeniyle kullanımları birçok halde vazgeçilmez olur.

Seramik malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasının başlıca nedenleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: a) Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, b) Yüksek kimyasal kararlılık, c) Sertliklerinin yüksek değerlerde olması, d) Metallerden hafif olmaları (%40 ‘a varan hafiflik), e) Hammadde kaynağının bol ve metallere göre ucuz olması, f) Pahalı ve stratejik metallere gerek duyulmaması, g) Erozyon ve aşınmaya dayanıklı olmaları, h) Oksitlenmeye dirençli olmaları, i) Sürtünme katsayısının düşük olması, j) Basma dayanımının yüksek olması. İstenmeyen özellik gevreklik

Mühendislik uygulamalarında iki genel sınıfa ayrılırlar; 1) Geleneksel seramik malzemeler; üç temel bileşen içerirler. Kil (kaolen: Al2O3.2SiO2.2H2O), silika(saf kum) (SiO2) ve feldispat (K2O ya da Na2O.Al2O3.6SiO2). Tuğla ,fayans, porselen, çanak-çömlek, kiremit, refrakterler, camlar, çimento, elektrik yalıtım malzemeleri. 2) Mühendislik seramik malzemeleri; saf ya da safa çok yakın alüminyum oksit(alümina) (Al2O3), zirkonya (ZrO2), magnezya(MgO), berilya(BeO), silisyum karbür (SiC) ve silisyum nitrür (Si3N4) gibi bileşenlerden (karbürler, nitrürler, oksitler ve borürler) oluşur. Modern seramikler, ince seramikler, teknik seramikler, ileri teknoloji seramikleri gibi isimler halinde de tanınırlar. Seramik endüstrisi birçok diğer endüstrinin temel taşlarıdır. Refrakterler, metalürji endüstrisinin; aşındırıcılar, makine-takım ve oto endüstrisinin; cam, inşaat, elektronik ve oto endüstrisinin v.b. Son yıllarda geliştirilen özel seramikler bilgisayar, elektronik, havacılık, uzay endüstrilerinde halen kullanılmaktadır.

Kil ürünleri Çoğu seramik malzemelerin ana bileşeni kil esaslı olup içerisine kuvars gibi iri taneli malzeme ve akıcı özelliğe sahip feldspar (feldspat) ilave edilir. Feldsparlar aralarında (K,Na)2O.Al2O3.6SiO2’inde bulunduğu bir grup minerale verilen isimdir. Malzemeler su karıştırılarak şekillendirilir, kurutulur ve pişirilir. Yüksek kil içeriği şekillendirme özelliğini iyileştirir ve daha karmaşık seramik yapıların üretilmesini sağlar. Refrakterler Yüksek ergime noktalarına sahip çoğu saf seramik malzemeler refrakter sınıfına girerler. Buna karşın saf oksitler pahalıdır ve istenilen şekle getirilmeleri zordur. Bunun yerine bilinen refrakterler, pişmiş kil (grog) olarak adlandırılan kaba oksit parçacıklarının daha ince refrakter parçacıkları ile bağlanmalarından meydana gelir.

Oksit refrakter malzemeler asitik, bazik ve nötr olarak üç grupta sınıflandırılabilir: Yaygın olarak kullanılan asitik refrakterler ateş killerini veya silis alümina seramiklerini içerirler. Saf SiO2 iyi bir refrakter malzeme olup, ergimiş metallerin içerisine döküldüğü pota yapımında kullanılır. Bazik refrakterler saf magnezyum oksit (MgO), manyezit (MgO’ce zengin), dolomit (MgO+CaO), ve olivin (Mg2SiO4) içerir. Bazik refrakterler asitik refrakterlerden çok daha pahalıdırlar. Bununla birlikte çelik üretimi ve bilinen bazı yüksek sıcaklık işlemlerinde bazik refrakterler metal ile uyumluluk sağlaması açısından kullanılmak zorundadır. Nötr refrakterler kromit ve kromit-manyeziti içeren malzemelerdir.

Elektriksel ve Manyetik Seramikler Seramikler çok çeşitli elektriksel ve manyetik özellik sergilerler. SiC içeren bazı seramikler fırın ısıtıcı eleman malzemesi yapımında kullanılırlar. Diğer bazı seramikler yarı-iletkenlik davranışına sahiptirler ve termistör ve redresör yapımlarında kullanılırlar. Baryum titanat içeren diğer bazı grup seramikler üstün dielektrik, piezoelektrik ve ferroelektrik davranışlar gösterirler. Özellikle baryum titanatın piezoelektrik davranışları malzemeyi kondensatör ve dönüştürücüler için cazip hale getirmektedir. Fizikte piezoelektrik olay, bazı kristallerin elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirme özelliğidir. Pizoelektrik seramiklerin başarılı bir şekilde uygulanabilir olmasındaki en büyük etken, sıkça kullanılan alet ve makinelere kolayca adapte edilebilmeleridir. Düşük maliyet, küçük boyut ve yüksek güvenilirlik gibi özellikler de cazip gelen taraflarıdır. Bu nedenle, bu malzemelere karşı gittikçe artan bir talep söz konusudur.

Pizoelektrik seramiklerin belli başlı kullanım alanları şunlardır: · Yüksek voltaj jeneratörleri (ateşleme düzenekleri, buji, pizoelektrik transformatörler) · Ultrasonik jeneratörler (ultrasonik temizleyici, sonar, ultrasonik kaynak) · Sensörler (pikap iğneleri, hidrofon) · Hoparlörler, alarm sistemleri · Radyo, televizyon, uzaktan kumanda · Motor, fan, yazıcı Camlar Bilinen pek çok ticari camlar silis esaslıdır ve ergime sıcaklığının düşürülmesi ve ağ şeklindeki iç yapıyı bozmak için içerisine soda gibi düzenleyiciler katılır. Camın su içindeki yüksek çözünebilirliğini önlemek için kalsiyum oksit eklenir. Bilinen çoğu camlar yaklaşık %75 SiO2, %15 Na2O ve %10 CaO içeren sodalı ve kireçli camlardır. İyileştirilmiş optik kalite cam %30 PbO içerdiğinde elde edilir. İçerisinde %15 B2O3 bulunan camlar üstün kararlılığa sahiptirler ve cam laboratuvar malzemeleri ile Payreks camı üretiminde kullanılırlar.

Seramiklerin Kullanım Alanları · Seramikler günümüzde, tıbbi malzeme olarak ve çeşitli endüstriyel tasarımlarda ve endüstriyel hizmetlerde kullanılan malzemelerdir. · Yüksek sıcaklıktaki mukavemet ve sertlikleri, korozyona karşı dirençleri ve yorulma dirençleri yüksektir. Bu özellikleri nedeniyle aşınmanın etkili olduğu uygulamalarda kullanılırlar. · Seramiklerin aşınma davranışlarının belirlenmesinde, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda uygulanan deney düzenekleri geliştirilmiştir. · Seramik malzemelerde aşınmayı etkileyen temel faktörler: sertlik, termal iletkenlik, kırılma tokluğu, korozyon direnci ve porozitedir.

Yapı Seramikleri (Tuğla, kiremit, duvar ve yer kaplama plakaları, su ve kanalizasyon boruları, Sağlık Gereçleri) Ev Eşyası Seramikleri (Saksı, çanak-çömlek, süs eşyaları, sofra seramiği) Elektrik (Şalter ve sigorta parçaları, alçak-yüksek gerilim izolatörleri) Elektronik Seramikler (Manyetik, dielektrik, piezoelektrik seramikler) Refrakter Seramikler (Ateş, Silika, Bazik, Karbon tuğla, grafit, ateş çimentosu) Aşındırıcı Seramikler (Zımpara taşları ve tozları, sentetik elmas) Bio Seramikler (Seramik kemikler, protezler, dişler) Nükleer Seramikler (Nükleer yakıt sistem seramikleri, radyasyona karşı ağır betonlar) Mekanik Seramikler (Piston, motor gövdesi, buji gövdesi) Sermetler (Seramik metal karışımı parçalar) Uzay Araçları Seramikleri (Isı ve sürtünmeye dayanıklı kılıflar, uçuş pist platformları) Süper İletken Seramikler (Enerji iletimi sistemleri)

Ayrıca, tekstil makinelerinde aşınmaya dayanıklı yapay iplik kılavuzları, yüksek hızlı torna tezgahlarında kullanılan kesici uçlar, otolarda yüksek ivme sağlayan turbo yükleyici parçaları, madencilik ve çimento sektörü, hafif balistik yelek ve zırhlı araç koruyucu katmanları, aç-kapa mekanizmalı musluklar, spor malzemeleri, nozüller, ortopedik protezler, özel lambalar, bilyeler, potalar, kimya sanayi parçaları v.b. uygulama alanları vardır. Parçaların aşınma dayanımını arttırmak amacıyla seramik kaplamalar kullanılır. TiN, TiCN, TiAlN, CrN, TiZrN, TiCrN, ZrN, TiBN bu amaçla kullanılan seramik kaplama malzemeleridir.

Seramikler, 3’e ayrılır.

Kristal yapılı seramikler Kil esaslı (Silikat içeren) seramikler: • Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır; Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör seramikler. • Yapısında SiO2 bulunan seramiklerdir. • Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdırucuzdur.

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

Kristal yapılı seramikler Oksit (silikat içermeyen) seramikler: • İleri seramikler olarak adlandırılabilirler. • SiO2 esaslı olmayan seramiklerdir. • Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı içerebilirler. Çeşitleri: – Alümina Al2O3 refraktör – MgO refraktör – ThO2- nükleer yakıt, süper-alaşım bileşimi – UO2- nükleer yakıt – BaTiO3- piezo elektroseramik – NiFe2O4- Manyetik seramik

Kristal yapılı seramikler • Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir. • Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları). Örnekler • Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma elemanı) • Silisyum nitrür Si3N4-yüksek tokluk ve sertlik • Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşınmaya dayanıklı • Tungsten karbür WC-takım imalatı • Bor karbür -B4C-zırh malzemesi • SiAlON-makina parça malzemesi

C. Kristal yapılı Camlar 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; Li2 O,+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)

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.