HAZIRLAYAN: SERKAN SEYREKEMRAH KILIÇ , MUHAMMET BAYRAK

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

KOMPOZİT MALZEME NEDİR ?KOMPOZİT MALZEME NEDİR ?

Seramik malzemeler, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve hafif oldukları(d= 1,5 - 3,0 gr/cm3) için oldukça çekicidir.

Seramik matrisli kompozit malzemeler genellikle yüksek sıcaklıktaçalışması gereken parçalar için kullanılılırlar

Sert ve kırılgan malzemeler olan seramik malzemeler, çok düşükkopma uzaması gösterirler, düşük tokluğa sahiptirler ve termalşoklara karşı dayanıksızdırlar. Bu nedenle liflerle takviye edilirler..

Buna karşılık çok yüksek elastiklik modülüne ve çok yüksek çalışmasıcaklıklarına 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

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.

Sürekli Fiberler: Sürekli fiberlerle takviye edilmiş seramik matrisli kompozit

malzemede matris zayıflasa bile fiberler, uygulanan yükü taşımayadevam ederler.

Fakat herhangi bir çatlak yada çentik durumunda seramik matrislikompozit malzeme özelliklerini (mukavemetini) kaybeder, deformeolur hatta geri dönülmesi imkansız yıkım gerçekleşebilir.

Özellikle 2 çeşit fiberin kullanımı, seramik matrisli kompozitlerinüretiminde 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 içintercih edilir.

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

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.

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 parçalarPartiküllü Kompozitler Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit

malzemelerin en önemli sıcak izostatik presleme gibi basit üretim teknikleri kullanılarak imalatının basit olmasıdır.

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 değişimeuğrayabilmekte, bu da yapısal sorunlara yol açmaktadır.

Bu nedenle 1000°C 'nin üzerinde SMK'lerin kullanımı sınırlıdır. Monolitik seramikler, bu problemleri içermemelerine karşınkırılganlık ve çatlama riskleri vardır.

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 katmanlıkompozit'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 .

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-matrisreaksiyonlarının minimuma inmesini sağlar.

Uygulanan düşük basınç da fiberlere gelen mekaniksel zararı azaltır.

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.

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.

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 malzemelerin 3 ana mekanizma ile toklaştığına inanılmaktadır.Her 3 mekanizmada takviye malzemelerinin, seramikte çatlak ilerlemesiniengellemesine bağlıdır.Bu mekanizmalar şöyle özetlenebilir;1- Çatlak saptırma:çatlak, takviye malzemesine rastladığında yön değiştirmekzorunda kaldığından hareket etmesi zorlaşmakta ve çatlağın hareketi için dahayüksek gerilmelere ihtiyaç olmaktadır,2- Köprü oluşturma: fiberler çatlak üzerinde köprü oluşturarak malzemeninbir arada kalmasına yardımcı olurlar ve bu nedenle de çatlağın ilerlemesi içindaha fazla gerilmeye ihtiyaç duyulur,3-Fiber çıkması: fiberlerin çatlayan matris malzemesinden dışarı çekilmesi içingereken sürtünme enerjisi enerji yutmakta ve çatlağın ilerlemesi daha fazlagerilme gerektirmektedir. Yüksek dayanım için matris ile fiber arasındaki ara yüzey bağının iyi olmasıgerekmektedir.

• Eğer malzeme yüksek sıcaklıkta kullanılacaksa, matris ve fiberin genleşmekatsayılarının birbirine çok yakın olması gerekmektedir.

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.

SMK’LERİ 3 ANA GRUPTA TOPLAMAK GEREKİRSE ;

Seramik - Seramik Sistemleri:

İki seramik fazın karışmasındanoluşmaktadır. 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.

Seramik fren diski

SMK’LERİN KULLANIM ALANLARI

*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.

Yeni bir teknoloji olarak geliştirilen smk fren disklerinin "Carbon-carbon" disklerden

oldukça ustun özellikleri vardır. Bu farklılıkları şöyle sıralayabiliriz:

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.

Gelecekte helikopterler seramiğin sayesinde daha uzak mesafelere ulaşabilecek ve daha

çok yük taşıyabileceklerdir.

Alçak basınç türbine ait sabit parçalardan egzoz gömleği ve flapler

BetonBeton, 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.