SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİT (CMC) 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 Matrisli 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

Matris ve Takviye Malzemeleri 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.

Takviye Malzemeleri 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.

Seramik Matrisli Kompozitler 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

Takviye Malzemeleri 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.

MEKANİK ÖZELLİKLERİ

Seramik Matrisli Kompozitler 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 Matrisli Kompozitlerin Kullanımı 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.

Diğer Kullanım Alanları 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 .

Gaz Türbininde Kullanılan CMC Malzemeler

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 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.

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 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.

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 2 Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 2. Kimayasal Buhar Kaplama ve Sızdırma:

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 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.

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri 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 Kompozitleri Toklaştırma Mekanizmaları 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.

Seramik Matrisli Kompozitlerin Toklaştırma Mekanizmaları

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.