İleri Teknolojik Seramiklerin Uygulama Alanları 1. Yapısal uygulama alanları

2. Askeri uygulamalar

3. Kesme takımları

4. Aşındırıcılar

5. Kara ve hava taşıtlarında

6. Yüksek sıcaklık uygulamaları

7. Enerji üretiminde

8. Biyoteknoloji uygulamaları

9. Elektriksel, elektronik ve manyetik uygulamalar

1. Yapısal uygulama alanları Bazı örnekler; rulmanlar, sızdırmazlık elemanları,

balistik kalkanlar, astarlar, püskürtme uçları ve kesme takımları,…

Seramik rulman ve mil uçları maliyeti yüksek olduğundan yüksek hassasiyetteki düzeneklerde kullanılmaktadır.

Si3N4 bilyalar, kesici uçlar, rulmanlarda, pompalarda, dişçi matkaplarında ve özel bazı gereçlerde kullanılır. Silisyum nitrür ve SiAlON’lar gaz türbin motorlarında kullanılmak üzere geliştirilmektedir.

Bor karbür ve alümina rulman ve sızdırmazlık elemanlarında kullanılır.

Bu tür seramiklerin çelik gibi geleneksel malzemelere üstünlükleri düşük yoğunluk, daha yüksek aşınma dayanımı ve üstün yüksek sıcaklık özellikleridir.

SiC rulmanlar 1980’li yıllardan beri seri üretimdedir. Ayrıca musluk rondelası, pompa ve üfürücülerde mekanik sızdırmazlık parçalarında kullanılır. Bu tür uygulamalarda seramiklerin üstünlükleri bozunma dayanımı, yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısıdır.

Bilyalı Rulman

SiC conta C salmastra

Seramik bilyeler ve rulmanların tamamı çelik rulmanlara göre aşağıdaki avantajlara sahiptir: Yoğunluğu (ağırlığı) % 40 daha düşüktür.

Elastik modülü % 50 daha fazladır.

Sürtünme katsayısı daha düşüktür.

Yüzeyler sertliğini kaybetmeden (1000 oC’ ye kadar) yüksek sıcaklıklara dayanabilir.

Yağ sarfiyatı azdır.

Düşük titreşimle dönerler.

Korozyon ve kimyasal maddelere dayanıklıdırlar.

Anti manyetiktir.

Kullanım ömürleri uzundur.

Sızdırmazlık bir çift halka ile sağlanır. Bunlardan biri durağandır, diğeri çevresel hareket yapar ve ikisi arasında belli bir aralık bulunur. Halkalar yuva ve mil sayesinde esnek olarak desteklenir. Sert/yumuşak kaygan malzeme çiftlerinde aşınan eş olarak Sb veya sentetik reçine emdirilmiş karbon kullanılır. Ancak seçici bozunma ve hızlandırılmış aşınma yüksek sızma oranlarına neden olur.

Bu sorunu çözmek için WC halkalar SiC halkalarla ve Sb emdirilmiş karbon parçalar ise sentetik reçine emdirilmiş yüksek dayanımlı karbon içeren grafit ile değiştirilmiştir.

Bazı sızdırmazlık parçalarında çelik yuva halkası bozunma ve erozyonun önlenmesi için ZrO2 ile değiştirilmiştir.

Seramik malzemeler, tuzlu su, kömür tozu içeren çamur gibi bozundurucu ve aşındırıcı sıvıların iletiminde kullanılan yüksek dayanımlı valflerde de tercih edilmektedir.

Çeşitli Valfler

Sıcak presleme ve şekillendirme kalıpları iyi bilinen uygulamalardır. Grafit kalıplar (oksitleyici olmayan) ortamlarda rakipsizdir. Çünkü grafit kolay işlenir ve 2000oC’ye kadar yapısal ve mekanik kararlılık, parça kalıp ayrılmasını kolaylaştıran çok düşük sürtünme katsayısı gibi özelliklere sahiptir.

Al2O3, BN, SiC çelik üretim tesislerinde taşımada yuvarlama parçası olarak kullanılır. Al2O3’dan yapılan boru ve tel çekme kalıpları, tekstil endüstrisinde kullanılan kılavuzlar yaygın şekilde kullanılmaktadır.

Tekstilde kullanılan klavuzlar

Çinko-karbon piller için karbon parçaların sıkıştırılmasında kullanılan stellit kalıpların yerine Si3N4 başarılı bir biçimde kullanılmıştır. Bu değişim kalıp ömrünü 10.000’den 50.000’e çıkarmıştır. İlave olarak Ti dış gömlek uygulamasıyla bu sayı 100.000’e ulaşmıştır.

Ayrıca Al2O3, BN, Si3N4 ve MgO gibi seramik malzemeler içecek otomatlarında da kullanılmaktadırlar. Bu otomatlarda gazlı içecek valflerinin piston ve silindirlerinde kullanılmaktadırlar. Bu valfler CO2 ve şurubun karıştırılması sırasında bozunma ve aşınmaya dayanıklı olmak zorundadır.

Seramik membranlar süzme ve filtreleme alanında kullanılırlar. Süt endüstrisi, meyve suyu, bira ve şarap üretimi, kimyasal ve biyoteknolojik uygulamalar örnek olarak verilebilir. Bu tür mikro süzme uygulamalarında genellikle alümina membranlar kullanılır.

Yüksek performanslı seramikler günümüzde silahların ve savunma donanımlarının önemli parçalarıdır. Elektronik ve optik seramikler füze kılavuz donanımları, uçaklar ve askeri yer araçlarında kullanılır. Çoğu askeri radar iletişim düzeni (algılayıcı) seramiklerden yararlanır.

Askeri uçakların ön panelinde kevlar/cam-seramik kalkanlar kullanılır. Ayrıca helikopterlerde askeri manevralarda gerekli olan parçalarında da ileri seramikler kullanılır.

2. Askeri uygulamalar

Önemli uygulama alanları arasında stratejik füzeler için atmosfere yeniden dönüş koruma parçaları, füze uçları ve çıkış konileri, askeri ve ticari uçaklar için fren diskleri bulunur.

Bu tip malzemelerde yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek tokluk, ısıl darbe direnci, erozyon direnci ve yüksek hızda düşük sürtünme özellikleri bulunur.

Seramik karolar yer araçlarını kurşun, patlayıcı ve kimyasal etkilere karşı korumak amacıyla kullanılır.

Günümüzde kullanılan seramik kalkanlar; Al2O3-SiC, SiC veya B4C katkılı borosilikat cam gibi karma malzemeler ve Al2O3, SiC, TiB2, AlN ve B4C gibi tek seramikler kullanılır.

Seramik malzemelerin kalkan olarak kullanılabilmesi için balistik ve düşük ağırlık özelliklerinin olması gerekir.

Seramik zırh plakalar Göğüs kalkanı

Seramik takımlar yüksek sıcaklıkta sertliklerini koruyabilir ve işlenen parça ile tepkimeye girmez. Diğer üstünlükler arasında uzun takım ömrü, çok yüksek hızda işleme olanağı ve çok yüksek talaş alma hızı bulunur.

Bazı uygulamalarda uygun bağlayıcılarla bağlanmış seramik tozlar kullanılsa da bir çok kesme ucu tek parça seramikten yapılır. Örnek olarak; reçine ile birleştirilmiş elmas ve SiC kesme takımları ve sert karbür kesme uçları verilebilir.

Sert karbürler bir bağlayıcı (genelde Co) ile birleştirilmiş WC, TiC, TaC veya NbC olabilir. Kesme işlevselliğini arttırmak için TiN, Al2O3 veya çok katlı kaplamalar kullanılabilir.

3. Kesme takımları

Al2O3 ve Al2O3-TiC’den yapılmış kesme uçları da kullanılmaktadır. Ayrıca son yıllarda Si3N4 ve SiAlON kesme takımları geliştirilmiştir.

Çok kristalli elmas ve kübik bor nitrür kesme uçları WC-Co taban üzerine ince bir seramik katmanın giydirilmesi ile elde edilir. Bu uçlar var olan en sert uçlardır ve pahalıdır.

Kesici Uçlar

Aşındırıcılar başka malzemelerin kesilmesi ve aşındırılması için kullanılan sert malzemelerdir. Bunlar genellikle taşlama diskleri ve taşlama takımlarında kullanılır. Aşındırıcı tozlar çoğunlukla fenol reçineleri, lastik, camsı bağlayıcılar ve metal bağlayıcılarla birleştirilir.

Cam, mermer, metal ve seramik gibi çeşitli malzemelerin perdahlama ve parlatma işlemleri SiC, Al2O3 veya elmas gibi serbest aşındırıcıların bulunduğu bir kumaş ile yapılır.

4. Aşındırıcılar

Ayrıca kuvars kumu aşındırıcı kaplamalar ve kumlama için kullanılır.

En yaygın seramik aşındırıcılar Al2O3, SiC, elmas ve kübik BN’dür.

Aşındırıcı disklerde tane boyutu yüzey pürüzlülüğüne ve malzeme eksilme hızına etki eden en önemli faktördür. Küçük taneler yüzey niteliğini iyileştirirken daha büyük taneler de malzeme eksilme hızını arttırır.

Taşlama diskleri

Zımparalar

Aşındırıcı taşlar

Alümina ve elmas kesme diskleri

Seramiklerin kara taşıtlarındaki kullanım alanları arasında turbo şarj rotorlar, egzost kanal astarları, katalitik dönüştürücüler için petekler, bujiler, dizel ateşleme bujileri ve algılayıcılar bulunur.

Si3N4’den yapılma turbo şarj rotorlar 1987’den beri kullanılmaktadır.

5. Kara ve hava taşıtlarındaki kullanım

Si3N4 türbin

Katalitik dönüştürücü, CO ve çeşitli hidrokarbonun tepkimesini kolaylaştırır ve zararsız CO2 ve H2O açığa çıkmasına ve aynı anda zehirli NOx gazlarının N2 ve O2’ye dönüşmesine yardımcı olur. Genellikle enjeksiyonla üretilmiş bir veya iki parça kordierit petek gövdeden oluşur. Bu gövdeler soy metallerle (Pt, Rh, Pd) karıştırılmış alümina ile kaplı olup titreşim sönümleyici malzemelerle sarılır ve çelik bir gövdeye yerleştirilir..

Katalitik konvertör

Grafit fren diskleri

Hız sensörünün yeri

Otomotiv

uygulamalarında ayrıca,

kaza, basınç, sıcaklık,

yağ ve sıvı düzey, yol

yüzeyi sensörleri

piezoelektrik

seramiklerden

yapılmaktadır.

Otomobil fren sistemlerinde kullanılan seramik diskler frenleme sırasında yüksek ve sabit bir sürtünme düzeyi sağlar. Disk frenler sayesinde frenlemede ısı sorunu kalmaz ve hem fren mesafesi azalır hem de fren gücünde ısınmadan kaynaklanan azalma olmaz.

Karbon seramik fren diskleri geleceğin otomobil fren teknolojisi açısından çok önemli bir yere sahiptir. Formula 1 araçlarında da kullanılan seramik diskler 1999 yılında Porsche tarafından geliştirildi. PCCB (Porsche Ceramik Composit Brake) adıyla anılan sistem yüksek performanslı lüks otomobillerde kullanılmaktadır.

Seramik fren disklerinin özellikleri: Daha çabuk soğur. Yüksek ısıya dayanıklıdır. Toz tutmaz, normal frenlerden daha az ve açık renkte toz

üretir. Bu nedenle toz tekerleklere ve disklere yapışmaz. Fren sesini azaltır. Konforlu bir sürüş hissi verir. Daha güçlü frenleme sağlar. Duruş mesafesini kısaltır. Aracın kontrolünü kolaylaştırır. Normal disklere göre %50 daha hafiftir. Normal disklere göre 4 kat daha dayanıklıdır. Islak kuru tüm yol koşullarında daha dayanıklı ve performanslı

frenleme sağlar. 1600oC sıcaklığa kadar dayanıklıdır. Balatalar suyu emmediği için ıslak yollarda son derece

güvenlidir. Seramik disklerin dezavantajı pahalı ve az bulunan bir sistem

olmasıdır.

Ferrari’nin kullandığı seramik fren diski

Audi’nin kullandığı seramik fren diski

Porsche’nin kullandığı seramik fren diski

Mercedes’in kullandığı seramik fren diskleri

Seramik malzemeler yüksek sıcaklık dayanımları ile tanınır. Yüksek sıcaklık seramikleri buhar kazanları, taşıma potaları, seramik fırınları ve diğer fırınlarda astar olarak kullanılırlar. En zararlı ortamlarla (ergimiş metal, curuf, sıcak gazlar ve bozundurucu atıklar gibi) temas eden en iç katmanlarda daha yüksek yoğunluklu astar malzemesi kullanılır.

Dış katmanlar ısıl yalıtım sağlamalıdır. Düşük ısıl iletkenlik, yüksek ergime sıcaklığı, düşük ısıl genleşme gerekli olan en önemli özelliklerdir.

6. Yüksek sıcaklık uygulamaları

Grafit pota

Yüksek sıcaklık fırın malzemeleri

Al2O3, SiC, Si3N4, BN, AlN gibi özel ve forsterit, magnezit, zirkon gibi geleneksel yüksek sıcaklık malzemeleri kullanılmaktadır.

Isı değiştiriciler, daldırma boruları, fırın bileşenleri, yalıtkanlar, koruma kılıfları, egzost akış filtreleri yüksek sıcaklık uygulamalarına örnek olarak verilebilir.

Filtreler

Isıtıcı telleri (SiC)

Örneğin ısıtıcı olarak vakum altında grafit tercih edilirken oksitleyici ortamlarda SiC ve ZrO2 kullanılır. Ancak bu ısıtıcılar sırası ile 1500 ve 2000 oC’de kullanılabilirken grafit ısıtıcılar 2000 oC’nin üzerinde kullanılabilir.

Seramik malzemeler nükleer uygulamalarda kullanılmaktadır ve daha da yeni kullanım alanları araştırılmaktadır. Atom parçalanması (fisyon) tepkimelerinde B4C denetim çubuğu ve nötron soğurucu olarak kullanılır. Bunlar genellikle Ar atmosfer altında dizilen bor karbür diskler içeren paslanmaz çelik silindirlerden oluşur. Bu reaksiyonlarda ayrıca grafit ve BeO’de kullanılır.

Seramik malzemelerden yapılmış oksijen sensörleri ve tepkimelerin gerçekleştiği potalar kullanılmaktadır.

7. Enerji üretiminde

Atom çekirdeklerinin parçalanması sonucunda büyük bir

enerji açığa çıkmaktadır. Ağır atom çekirdeklerinin

nötronlarla bombardımanı sonucunda bu çekirdeklerin

parçalanması sağlanabilir; bu tepkimeye “fisyon” adı

verilmektedir. Her bir parçalanma tepkimesi sonucunda

açığa fisyon ürünleri, enerji ve 2-3 adet de nötron

çıkmaktadır.

Atomsal birleşme (füzyon) işlemlerinde de seramik malzemelerden yararlanılmaktadır; manyetik sargılar, yalıtkanlar, yapısal parçalar, akım kesiciler, vs…

Atomsal Birleşme (füzyon)

Ayrıca işlemler sırasında kullanılan yakıtlar da seramiktir. Seramik yakıtlar; (U0,8Pu0,2)O2(-x) , ThO2, uranyum veya plutonyumun karbürleri, nitrürleri ve karbonitrürleridir.

Örnek olarak; MgAl2O4, MgO ve Al2O3, BeO, Si3N4, SiC, Li2ZrO3, Li2TiO3

Biyoseramik malzemeler insan kalça, diz, omuz, dirsek parmak ve bileklerin onarımı ve değiştirilmesinde kullanılmaktadır.

En çok mikrogözenekli Al2O3, ZrO2 ve hidroksiapatit kullanılmaktadır. Bunlar hiçbir şekilde reaksiyona girmez.

Bir de çevresindeki dokularla kimyasal bağ oluşturan cam ve cam-seramikler ve hidroksiapatit kullanılmaktadır. Bu camların temel bileşenleri; SiO2, CaO, MgO, K2O, P2O5 ve Na2O’dur.

8. Biyoteknoloji uygulamaları

Kalça protezi

Diz protezi

Omuz protezi

Teknolojik önemi olan elektronik seramik türleri arasında;

yalıtkanlar,

yarıiletkenler,

varistörler,

termistörler,

piezoelektrikler,

süperiletkenler,

manyetik seramikler bulunur.

9. Elektriksel, elektronik ve manyetik uygulamalar

Elektronik seramiklerde;

- Kullanılan malzemeler son derece saftır - İnce ve ufak şekiller için gelişmiş şekillendirme yöntemlerine ihtiyaç vardır. - Bileşimi,

-kristal yapısı,

-tane sınırları,

-boşluk miktarı ve

-yüzey yapısı çok önemlidir.

Yalıtkanlık, malzemenin yüksek gerilimlerde enerji tutma yeteneğinin ölçüsüdür. Elektriksel yalıtkanlık gücü, birim uzunluk için akım geçişinin oluştuğu gerilim olarak tanımlanabilir. Yani malzemenin elektrik geçişi olmadan elektriksel yalıtkanlığını koruyabildiği en büyük elektrik alanıdır. Birimi kilovolt/mm’dir.

Yalıtkan seramiklerin önemli uygulama alanları elektronik devrelerdeki altlıklardır. Aynı zamanda kimyasal kararlılık ve mekanik dayanım da istenir. Örnek; Al2O3, BeO, AlN.

Güç iletim hatlarındaki porselen yalıtıcılar ve motorlardaki bujiler de yalıtkan seramikler grubundadır.

Bazı seramikler bir takım elektrikli cihazların çalışması için gerekli yarı iletken özelliklere sahiptir. Yarı iletken seramikler Mn, Ni, Fe, Co ve Cu elementlerinin sinter oksitleridir. Yarı iletken seramikler sıcaklık ölçme, ışık şiddetini ölçme ve basınç ölçme gibi işlemler için kullanılırlar.

Varistör malzemelerinin öncelikli işlevi elektronik devrelerde oluşan aşırı voltaj geçişlerini engelleyerek voltajı sınırlamak ve devreyi hasardan korumaktır. Örnek olarak ZnO, SiC, MoSi2, SnO2 verilebilir.

Varistör

Termistör

Piezoelektrik seramik diye adlandırılan bir grup seramik, zayıf basınç sinyallerini elektrik sinyaline çevirebilmekte ya da tersini yapabilmektedir. Piezoelektrik etki elektromekanik bir etki olup, mekanik kuvvetler elektriksel bir tepkiye, elektrik kuvvetleri de mekanik bir tepkiye neden olmaktadır.

Baryum titanat, kurşun zirkonat (PbZrO3)-kurşun titanat (PbTiO3) katı çözeltileri (ki bunlara PZT seramikleri de denir), piezoelektrik etki diye adlandırılan özelliğe sahiptir.

Bir elektriksel alan (V/m) uygulandığında oluşan şekil değiştirme oranı e (mm/mm) aşağıdaki gibi alan şiddeti ile orantılıdır.

e = g.E

Burada g, piezoelektrik sabit (m/V)

MALZEME g (m/V)

SiO2 2,3 x 10 -12

BaTiO3 100 x 10 -12

PbZrTiO6 250 x 10 -12

Kuvars saatlerde ve radyo yayınlarında frekans kontrolünde, baryum titanat ise iletişim araçlarında, ultrasonik temizleme aygıtlarında kullanılmaktadır.

Süperiletkenler, belirli bir sıcaklık (Kritik sıcaklık:Tc) altına soğutulduklarında akımı dirençle karşılaşmadan geçirerek elektriksel iletkenlikleri sonsuz olan malzemelerdir.

Süper iletken tel ve kablolar, önemli miktarda enerji tasarrufu sağlar, ısınma olmadığında daha küçük ve daha hızlı bilgisayarlar yapılmasını sağlar, daha hızlı ve küçük elektrik motorları yapımını sağlar. Ayrıca sürtünmesiz hareket eden hızlı frenler de süper iletkenler kullanılarak yapılmıştır.

Örnek olarak; YBa2Cu3O7-x

Süper iletkenler üzerinde yapılan çalışmaların temel hedef kritik sıcaklığı (Tc) oda sıcaklığına yakın olan malzemeyi keşfetmektir.

Bu konuda özellikle oksit seramikler üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır.

Şu ana kadar yapılan çalışmalarda en yüksek kritik sıcaklık değeri 138 K olarak Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 malzemesi için kaydedilmiştir. Süper iletkenler hızlı trenlerde, tıpta ve askeri amaçlı elektronik cihazlar olmak üzere pek çok alanda kullanılmaktadır.

Eskiden, demir metal tozları kaydedicilerde manyetik ortam olarak kullanılmaktaydı. Daha sonra video kaydedicilerin ortaya çıkmasıyla daha yoğun kaydedicilere gereksinim duyuldu. Baryum ferrit (BaFe12O19) ve PbFe12O10 partikülleri manyetik malzeme olarak kullanıldı. Böylece kayıt etme özelliği artırıldı.

Bu seramikler ile iletişim (TV, radyo,..), yüksek ferkanslı aydınlatma, kayıt başlıkları ve manyetik kayıt ortamlarında bulunur.

Bazı Elektroseramik parçalar

Malzeme Özgül

ağırlık

(mg/m3)

Basma

muk.

(Mpa)

Eğme

muk.

(MPa)

Elastite

(MPa)

Ergime

sıcaklığı

(oC)

Al2O3 3,9 3000 300-400 390000 2050

SiC 3,2 2000 200-500 414000 2500

Si3N4 3,2 1200 300-850 304000 1900

ZrO2 5,6 2000 200-500 138000 2570

Tablo. Bazı ileri teknoloji seramiklerinin özellikleri