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 kullanılılılar. 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 sahiptirle.
3 tip seramik matrisli kompozit malzeme vardır.
- Sürekli fiberli kompozitler
- Süreksiz fiberli kompozitler
- Partiküllü kompozitler.

Matris ve Takviye Malzemeleri
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 yanı sıra özellikle yüksek tokluk ve ısıl dayanıma sahiptirler.
Takviye elemanı olarak da genellikle Al2O3 ve SiC seramik malzemeler fiber formuna getirilerek kullanılmaktadır.

Sürekli Fiberler; Sürekli fiberlere 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 (SiC) ve alümina (Al2O3) dir.
Sürekli fiberlerin tokluklarının diğerlerine göre daha yüksek olması tercih edilme nedenlerini arttırmıştır. Özellikle SiC üretim tekniklerine uygun ve elde edilmesi daha kolay olduğu için tercih edilir.


Süreksiz Fiberler; Seramik süreksiz fiberlerin direnci yüksektir. Whiskerler, monolitik seramiklerin kırılma direncini arttırırlar. SiC, ZrO2 ve TiC en çok kullanılan fiberlerdir.


Matris SiC whisker % Eğilme Gerilmesi Eğilme Gerilmesi Kırılma Tokluğu Kırılma Tokluğu
Mpa ksi Mpa Vm Ksi Vm
Si3 N4 0 400-650 60-95 5-7 4,6-6,4
10 400-500 60-75 6,5-9,5 5,9-8,6
30 350-450 50-65 7,5-10 6,8-9,1
Al2O3 0 ………. …….. 4,5 4,1
10 400-510 57-73 7,1 6,5
20 520-790 75-115 7,5-9,0 6,8-8,2

Partiküller; Takviye malzemeleri partikül halinde matris malzemesi içne ilave edilir

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 bulunurlar.
- Türbin motor parçaları
- Sıcak gaz parçarları
- Roket motorları için türbin disklerinde
- Isı değiştirici tüpleri
- Zırhlarda
- Petrol borularında korozyona maruz kalan parçalarda
- Separatörlerde
- Isıl işlem fırınlarında
- Dizel motorlarında eksoz valflerinde
- Motor yalıtımı
- Fren diskleri

Süreksiz Fiber Kompozitler

Süreksiz takviye malzemeleri; parçarlar, 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 , Si3 N4, müllit yada alümina silikat matris malzemesi de kullanılır.
Başlıca uygulama Alanları:
- Isı değiştirgeçleri
- Termal koruma sistemleri
- Korozyona dayanıklı parçarlar

Partiküllü Kompozitler: Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit malzemelerin en önemli sıcak izostatik presleme gibi basit üretim teknikleri kullanılarak malatının basit olmasıdır.

Seramik matrisli Kompozitlerin kullanımı: Seramik katmanlı kompozitler 10000C nin üzerinde birkaç yüz saat kaldıklarında basınç ve fiber malzemesine bağlı olarak 2 çeşit sorunla karşılaşmaktadır.
Yüzeyinde oksit tabakası bulunan fiber oksid, 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 değişme uğrayabilmekte, buda yapısal sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle 1000 0C’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, vb) kullanılabilir.
SNECMA M88 motorunda egzoz flapleri (kapakları) seramik katmanlı kompozittir.
Yüksek sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi motorları, sandviç zırhları, 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 0C’de %40’1lik bir termal verimle 100kWlık 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.
-

Seramik Matrisli Kompozitlerin Üretim Teknikleri

1. Ergitilmiş matrisin sızdırılması ve sıcak preslenmesi:
Çoğunlukla cam seramik matrislerin üretimi için tercih edilen yöntemdir
Whisker (iplik) 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 (800-10000C) ve basınçta gerçekleştirilebilir.
Düşük sıcaklıklarda işlem yapılması zararlı fiber-matris reaksiyonlarının minimuma inmesini sağlar.Uygulanan düşük basınç da fiberlere gelen mekaniksel zararı azaltır.
2. Kimyasal buhar kaplama ve sızdırma:
Bu yöntem 8000C 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 şuanda sadece basit şekilli parçalara uygunalabilmektedir.
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, whisker 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 Kompozitlerin Toklaştırma Mekanizmaları
Seramik matrisli malzemelerin 3 ana mekanizması 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 arayüzey bağının iyi olması gerekmektedir.
Eğer malzeme yüksek sıcaklıkta kullanılacaksa matris ve fiberin genleşme katsayılarının birbirine çok yakın olması gerekmektedir.