0212 482 10 80
Bize Ulaşın!
MMK malzemeler üretilirken, takviye elemanının seçimi, üretim tekniği,
üretim esnasında takviye elemanının matris tarafından ıslatılabilmesi, takviye
elemanlarının yapısal özellikleri, kompozit malzemenin fiziksel ve mekanik
özelliklerini belirler. Bu nedenle takviye elemanının doğru seçilmesi ve
özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir.
Kullanım yerine bağlı olmakla birlikte MMK malzemelerde, genel olarak
takviye elemanından beklenen temel özellikler şunlardır:
•
Yüksek elastik modül
•
Yüksek dayanım,
•
Düşük yoğunluk,
•
Matris ile kimyasal uyumluluk,
•
Üretim kolaylığı,
•
Yüksek sıcaklıkta dayanımını muhafaza
etmesi,
•
Ekonomik olması.
Metal matrisli
kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye elemanları Al2O3, SiC, Bor,
TiC ve Karbondur.
Doğada bir çok seramik parçacık halinde bulunduğundan, bunlar partikül
takviyeli kompozitler için geniş bir aralıkta takviye potansiyeline sahiptir.
Partikül takviyeli kompozitlerin avantajları şunlardır :
•
Sürekli veya kısa fiberlilere göre,
partikül takviyeli kompozitler daha ucuzdurlar.
•
Toz metalurjisi ve döküm gibi üretim teknikleri ve
bunu takiben haddeleme, dövme ekstrüzyon gibi geleneksel ikincil
işlemler uygulanabilir.
•
İzotropik özellikler gösterirler.
•
Rijitlikleri ve aşınma dayanımları iyidir.
Uygulamalarda mukavemetin yüksek olması gerektiği durumlarda, kısa
fiberler veya whisker katkılı kompozit malzemeler kullanılır. Rijitlik ve
mukavemetin en kombinasyonunu ise sürekli fiber katkılı metal matrisli
kompozitler verir. Ancak bu malzemeler anizotropik özelliklere ve en önemlisi
de yüksek maliyete
sahiptirler. Metal matrislerde
kullanılan en pahalı takviye elemanı ise Bordur. Ardından sırasıyla SiC, Karbon ve Al2O3 gelmektedir.
Silisyum Karbür ( SiC )
Metal matrisli kompozit malzemelerde kullanılan diğer bir seramik takviye
elemanı SiC’dür. SiC kovalent bağlı bir malzeme olup bu özellik, SiC fibere
yüksek elastiklik modülü kazandırmaktadır.
SiC fiberler genel olarak Karbon veya Tungsten altlık üzerine CVD yöntemi
ile kaplanılarak üretilirler. Yaklaşık 1400°C civarında maksimum kullanım
sıcaklığına sahiptirler.
SiC’ün partikül ve whisker türleri de üretilmektedir. Partikül ve whisker
tipinde SiC takviyeleri ile üretilen MMK malzemelere, ekstrüzyon, haddeleme
gibi plastik şekil verme işlemleri yapılabilmesi de önemli bir avantaj teşkil
eder.
SiC’ün en önemli avantajı, maruz kaldığı yüksek sıcaklık şartları altında
rijitlik ve mukavemet özelliklerini muhafaza edebilmesidir.
Oksidasyon direnci yüksek
olması ve ergimiş
Alüminyum içindeki etkisi
Bor fiberlerden daha iyi olması yanında
SiC, Bor fiberlerden daha ekonomiktir.
Ayrıca SiC fiberlerin termal genleşme katsayısı da Alümina ile
kıyaslandığında daha düşüktür.
Karbon
1950’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlamış olan
karbon fiberlerin yoğunluğu düşük, çekme dayanımı ve elastiklik modülü
yüksektir. Bu da spesifik dayanım ve spesifik modül değerlerinin çok yüksek
olması anlamına gelmektedir.
Yüksek sıcaklıklara dayanabilen karbon fiberlerin özellikleri, üretimindeki son işlemin sıcaklığına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Karbon fiberlerde ham madde olarak Poli-Akro-Nitril (PAN),
Selüloz (Rayon) ve Zift (Pitch)
kullanılır.
Isıl genleşme katsayısı oldukça düşük olan karbon fiberler, yaklaşık 1500
°C ‘ye kadar mekanik özelliklerini korurlar. 2000°C’den sonra karbon fiberlerde
sürünme başlar.
Karbon fiberler azot atmosferinde kararlı olmasına rağmen 450°C üzerinde
havada artan oranda oksitlenirler. Oldukça fazla türde karbon fiber
olduğu göz önüne alınırsa,
değişik fiber tiplerine bağlı olarak
oksidasyona uğrama oranının
da farklılık gösterdiği söylenebilir. SiC ve B4C kaplamalar karbon
fiberlerin oksidasyona karşı direncini arttırmaktadır.
Alümina ( Al2O3 )
Metal matrisli kompozitlerde ana hedef, düşük yoğunluklu ve yüksek
dayanımlı malzemeler elde etmektir. Bu özellikler genelde yapı içine katılan
seramik faz ile sağlanır. Alüminanın sahip olduğu yüksek sıcaklık dayanımı,
yüksek modül ve rijitlik, takviye elemanı olarak kullanılmasının en önemli
nedenlerindendir .
Alüminanın takviye elemanı olarak en yaygın kullanıldığı matris
malzemeleri Alüminyum ve alaşımlarıdır.
Al2O3, SiC ile karşılaştırıldığında daha düşük modül
ve dayanıma, daha
yüksek yoğunluğa sahiptir.
Fakat Al2O3 maliyet açısından, SiC’e göre daha avantajlıdır
Titanyum Karbür ( TiC )
TiC, yüksek sıcaklıkta mekanik özelliklerini muhafaza edebilmesi
nedeniyle kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak kullanılmaktadır. Yüksek
sıcaklık uygulamalarında, yüksek modül, yüksek mukavemet ve iyi sürünme
dayanımı gibi özelliklerini koruyan TiC’ün, diğer takviye malzemelerine göre en
büyük dezavantajı yoğunluğunun fazla olmasıdır (ρ= 4.93 gr/cm3). Bu özelliği, TiC takviye malzemesinin yaygın olarak kullanımını engellemiştir.
Titanyum ve nikel bazlı alaşımlarda, TiC partikül takviyesi yapılması ile
kullanım sıcaklığı 1100°C’nin üzerine kadar çıkarılmıştır. Ayrıca Alüminyum matris,
TiC partiküller ile takviye edilerek, piston ve biyel kolları imal edilmiştir.
Bu şekilde aşınmaya karşı dayanımın arttığı belirlenmiştir.
Bor
Bor fiberler, Borun
genelde Kimyasal Buhar
Biriktirme (CVD) yöntemi
ile Karbon veya Tungsten altlık (çekirdek) üzerine
kaplanması ile üretilir. Üretim aşamasında Bor fiberin, Al ve Ti gibi metallerle hızla reaksiyona girmesi
ve Tungsten tel ile bor kaplama
sırasında reaksiyon oluşması, Borun dış yüzeyine yakın yerde eksenine dik
şekilde basma gerilmeleri oluşmasına neden olur. Bu da bor fiberi kırılgan yapar. Bunu önlemek için borun üzerine CVD metoduyla SiC
veya B4C kaplanır
ve kaplama kalınlığı 25-45 μm kadardır.
Uygulanan ısıl işlem ile hibrid yapı üzerindeki kalıntı gerilmeler giderilir. Fiberin dayanımını azaltacak aşırı tane büyümesini önlemek için, sıcaklık dikkatlice kontrol edilmelidir. Bor fiberler çok yüksek elastiklik modülü değerine sahiptir, fakat oldukça pahalıdırlar.
Kaynak :
Doç. Dr. Adem ONAT Sakarya 2015
