SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER VOLKAN GÜRLER

... konulu sunumlar: "SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER VOLKAN GÜRLER"— Sunum transkripti:

1 SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER VOLKAN GÜRLER 151111010

2 KOMPOZİT MALZEME VE SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİT 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. Matris malzemesi seramik olanlar, seramik matrisli kompozitlerdir.

3

4 MATRİS VE TAKVİYE MALZEMELERİ  Matris Malzemeleri:  Seramik matrisli kompozit malzemelerde matris malzemesi olarak Al2O3, SiC, Si3N4 ve B4C yaygın olarak kullanılmaktadır.  Takviye Malzemeleri:  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 dayanımına sahiptirler. Takviye elemanı olarakta genellikle Al2O3 ve SiC seramik malzemeler fiber formuna getirilerek kullanılmaktadır

5 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 kullanılırlar. 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

6 TAKVİYE MALZEMELERİ  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.

7 TAKVİYE MALZEMELERİ Sürekli fiber kompozitler, son derece gelişmiş ileri kompozit malzemelerdir. Başlıca Uygulama Alanları;  Sürekli fiber kompozitler, yüksek sıcaklık kararlılığı 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  Isı değiştirici tüpleri  Zırhlarda  Petrol borularında korozyona maruz kalan parçalarda  Separatörlerde  Isıl işlem fırınlarında  Dizel motorlarında eksoz valflarında  Motor yalıtımı  Fren diskleri

8 TAKVİYE MALZEMELERİ  Süreksiz Fiberler: Seramik süreksiz fiberlerin kırılma direnci yüksektir. Whiskerler, monolitik seramiklerin kırılma direncini arttırırlar. SiC, ZrO2 ve TiC en çok kullanılan fiberlerdir.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, ya da alümina silikat matris malzemesi de kullanılır. Başlıca Uygulama Alanları:  Isı değiştirgeçleri  Termal koruma sistemleri  Korozyona dayanıklı parçalar

9 TAKVİYE MALZEMELERİ  Partiküllü Kompozitler Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit malzemelerin en önemli avantajı sıcak izostatik presleme gibi basit üretim teknikleri kullanılarak imalatının basit olmasıdır.

10 Tablo 1’ de çeşitli seramik malzemelerin özellikleri.

11 Tablo 2’ de mühendislik seramikleri.

12 Tablo 3’de Seçilmiş bazı seramik malzemelerde SiC fiber takviyesinin özelliklere etkisi

13 Tablo 3 SiC Wisker takviyeli seramik matrisli kompozitlerin mekanik özellikleri.

14 Şekil 1 Takviyesiz seramik ve C fiber takviyeli SMK malzemelerde hasar şekilleri.

15 SMK MALZEMELERDE TOKLUK SMK malzemelerde tokluğa etki eden en önemli faktör kalan porozite (kalıntı porozite) miktarı. Porozite genellikle seramik partikül sınırlarında kalır. İlk adım porozite miktarının aşağı çekilmesidir. Tablo 4’ de Bazı monolitik malzeme ve seramik matriksli kompozitlerin kırılma tokluk değerleri

16 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI SMK ler geleneksel mühendislik malzemelerine göre çok yüksek sıcaklık özellikleri sergilerler. Yüksek sürünme özellikleri var. Dizel ve otomobil parçaları, türbin kanatları ve rotor olarak kullanımları söz konusu. SMK’ lerin termal şok direnci ve kırılma toklukları gelişirse (Dizel motorlarının çalışma sıcaklıkları 700 C’ den 1100C’ ye çıkabilecek ve motorun verimi % 50 oranında artacak) Motor bileşen kaplamalarında kısmen kararlı kılınmış zirkonya (PSZ) kullanılmakta. PSZ kaplamaların termal genleşme katsayıları dökme demirlere çok yakın. İnce PSZ kaplamalar, günümüzde birçok dizel motoru parçalarında (yanma odası cidarı, silindir gömlekleri ve silindir başlığı, egsoz bölgesi) başarıyla kullanılıyor. Gaz türbin kanatları Si3N4 SMK ise Nikel esaslı süper alaşımlara oranla daha verimli çalışır.

17 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI Seramik yataklar yağlamaya gerek kalmadan yüksek devirlerde çalışabilir. (Silisyum nitrür esaslı SMK deneme aşamasında. Nikel esaslı alaşımlardan % 40 daha hafiftirler). SMK kompozit imali 21. yüzyılda ümit edilmektedir. Jet motorların çalışma sıcaklığı 1500 C’ ye ulaşabilecek. Seramik motor bileşen malzemeleri içinde en kullanışlı SiC takviyeli Lityum Alüminyum Silikat (LAS) SMK’ ler. SMK malzemeler uzay mekiği kaplamalarında kullanılmakta. Uzay mekiği yüzeylerinin kaplanması atmosfere giriş ve çıkışlarda dış yüzeyde - 156  C ve 1650  C’ lik sıcaklık farkı. (SiO2 içine kısa ve pul şeklindeki grafit takviyesi) Valflerde, contalarda, sızdırmazlık gibi motor bileşenlerinde pistonlarda, segman kaplamalarında, SMK lar aşınmaya dayanıklı ideal malzemelerdir. PVD ve CVD ile makina takımlarının kaplanmasında, tekstil makinalarında iplik geçen makaralarda ve iplik sarma makaralarında, metal şekillendirme kalıplarında

18 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI Kesici takımlarda en çok, SiC wisker takviyeli Al2O3 Bu SMK malzemeler çok yüksek hızlarda çalışabilir, karbürlere göre daha uzu süre dayanabilirler ve % 60 daha ekonomikler. Makina takımlarının günümüzde yaklaşık % 15-20’ i SMK kompoziterden yapılmıştır. Bu alan için en çok ilgi çeken SMK; c-BN, Al2O3/TiC, Sialonlar (Si-Al-O-N) ve Al2O3/SiC fiber takviyeli kompozitlerdir. Sıcak izostatik preslenmiş Sialon kesme hızı 2000 devir/Dk. (TiN kaplı WC da 800, Al2O3/TiC için 1000 devir/Dk.) Kesici takımlarda aranan özellikler aşağıdaki gibidir. a) Aşınmaya karşı direncin fazla olması, b) Yüksek sıcaklıkta sertliğini koruyabilmesi ve c) Tokluğunun yüksek olmasıdır. Kesici Takımlarda Kullanılan SMK Malzemeler

19 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI

20 SMK’ ler katı elektrolitlerin üretilmesinde kullanılmakta. Katı elektrolitler O2 iyonunun taşınmasına sebebiyet verir. Katı elektolitler O2 içeren sistemlerde termodinamik ve kinetik özelliklerin tesbiti amacıyla kullanılırlar. Katı elektrolitik seramik malzemeler kübik yapıda olan ZrO2, HfO2, ThO2 ve CeO2 katı kompozitler. Bu oksitlerden herhangi birine toprak alkali, nadir toprak alkali veya Y3 iyonları ihtiva eden elementler katılır ve O2 boşluklarının oluşması sağlanır. Metalurjik uygulamalarda kısmen kakarlı hale getirilmiş ve içinde % 2.5-3 MgO bulunan seramik kompozitler ergimiş metaller için oldukça elverişli. Son yıllarda içten yanmalı motorların verimini arttırmak için (hava-yakıt oranını dengelemek için) Zirkonya bazlı seramik kompozit sensörleri kullanılmaktadır. SMK’ ler tıb ve dişcilikte de kullanılır Diş dolgu ve ortopedik kemik yerine kullanılırlar HIP (seramik malzeme yaşlılarda kemik yerine)

21 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI % 75 SiC + % 15 Al2O3 + 10 15 % Al, SMK malzemeler en iyi kuru erozyon davranışı, çamurumsu ortam aşınması, kaymalı aşınma, termal şok direnci, kimyasal ortam dayanıklılığı optimizasyonu sağlamaktadır. Şekil. Süreksiz olarak takviye edilmiş endüstriyel kullanım alanlarına sahip SMK aşınmaya dayanıklı parçalar.

22 SMK MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI

23 TEŞEKKÜRLER…