Basınçlı İnfiltrasyon Yöntemi İle Üretilmiş SiC/Al2014 Kompozitin Isıl İletkenliği Üzerine İnfiltrasyon Sıcaklığının Etkisi

Transkript

1 6 h Inernaional Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Basınçlı İnfilrasyon Yönemi İle Üreilmiş SiC/Al2014 Kompoziin Isıl İlekenliği Üzerine İnfilrasyon Sıcaklığının Ekisi S. Aeş 1 İ. Uzun 2 ve V. Çelik 3 1 Kırıkkale Üniversiesi Mühendislik Fakülesi, Kırıkkale/Türkiye, saes@kku.edu.r 2 Kırıkkale Üniversiesi Mühendislik Fakülesi, Kırıkkale/Türkiye, uzun@kku.edu.r 3 Kırıkkale Üniversiesi Mühendislik Fakülesi, Kırıkkale/Türkiye, vcelik@kku.edu.r The Effec of Infiliraion Temperaure on he Thermal Conduciviy of SiC/Al2014 Composie Produced by Pressured Infiliraion Mehod Absrac In his sudy, meal marices composie samples has been produced by sauraing he Al2014 alloy ino he 105μm paricle sized SiC powder helping wih pressured infilraiıon echnique. The SiC powder has been filled ino he ube wih 70 mm in heigh and has been fixed from wo ends. The infiliraion has been performed in 3 minues, under N2 argon amosphere and 700kPa consan pressure and in 7000C, 7500C, 8000C emperaure respecively. For all infiliraion emperaures, complee infiliraion has been obained for SiC powders. A homogeneous micro srucures have been obained afer SEM observaions. The hermal conduciviies has been defined no only by heoroically bu also by experimenally. Morover, densiies and pore amoun of samples have been defined by experimenally. Furhermore, he effecs of he pore amouns on he hermal conduciviy of he composie have been invesigaed in his sudy. As a consequences, i has been obained ha increasing of infiliraion emperaure decreased he amoun of pore in composie and his decreasing caused increasing in he value of hermal conduciviy. KeyWords Kompozi, İnfilrasyon, SiC, Isıl ilekenlik, Gözenek M I. GIRIŞ ealler gibi klasik malzemelerin birçok özelliği gelişen eknolojinin ihiyaçlarını karşılamada yeerli olamayınca daha üsün özelliklere sahip kompozi malzemeler üreilmeye başlanmış ve bu konuda hızlı bir gelişme sürecine girilmişir. Kompozi malzemeler aslında binlerce yıldan beri mevcuur. Arkeologlar Mısır da M.Ö yıllarında lamine edilmiş aha abakalar bulmuşlardır. Yine Ora Doğu da daha fazla eğilme dayanımı elde emek amacıyla ok yayları, üs üse konulan malzemelerle farklı lif yönleri oluşurularak yapılmışır. Ora Çağ Avrupası nda ok başı, farklı abakalı malzemelerden yapılmışır [1]. Kompozi malzemelerin klasik malzemelere göre en belirgin özellikleri hafiflik ve sağlamlıkır. Kompozi malzemeler son yıllarda yaygın bir şekilde; havacılık, deniz aşıları, oomoiv, makine, inşaa, askeri ve uzay eknolojisi alanlarında kullanılmaya başlanmışır [2]. Kompozi malzemeler, aşıyıcı görev üslenen akviye ve akviyeyi bir arada uup dış ekilerden koruyan maris olmak üzere iki fazdan meydana gelir yılından beri sayısız maris ve akviye elemanı kombinasyonları denenmişir[3]. Meal marisli kompozilerin maris malzemesi genelde alüminyum ve alüminyum alaşımlarıdır. Magnezyum, demir, ianyum ve süper alaşımlar gibi maris malzemeleri alüminyuma nazaran daha az kullanılmakadır[3].kompozi üreiminde genellikle karbür, nirür, oksi ve borür gibi refraker bileşiklerden oluşan endüsriyel ozlar kullanılmakadır. Ancak daha çok ercih edilen süreksiz akviye elemanları parikül ve kılcal krisal formda SiC ve Al 2 O 3 dir. SiC ün serliği, kırılmaya karşı direnci, elasisie modülü Al 2 O 3 den daha yüksek, yoğunluğu ve ısıl genleşme kasayısı daha düşük olduğundan genelde SiC ün akviye elemanı olarak kullanımı daha yaygındır[10]. Meal marisli kompozi üreiminde döküm, oz mealürjisi, in-siu ve infilrasyon gibi farklı meolar kullanılmakadır[4-5]. İnfilrasyon meodu içerisinde birkaç farklı uygulama ekniği barındırır. Bunlar; basınçlı, basınçsız ve vakum infilrasyon eknikleridir[6-7]. Basınçlı infilrasyon yönemi; ön şekil verilmiş gözenekli akviyeye sıvı mealin nüfuz emesi için, sıvı meale mekanik basınç yerine iner gaz basıncı uygulayan bir sıvı infilrasyon ekniğidir[8]. Basınçlı infilrasyon ekniğinde; sıvı meal sıcaklığı, akviye ane büyüklüğü, infilrasyon süresi ve basıncı en önemli infilrasyon paramerelerini eşkil ederler ve sıvı meal sıcaklığı bu paramerelerin en önemlilerinden birisidir. Elekronike kullanılan pakeleme malzemeleri; düşük ve uygun ermal genleşme kasayısına, yüksek ermal ilekenliğe, düşük maliye ve yoğunluğa sahip olmalıdır. Ancak geleneksel pakeleme malzemeleri büün bu özellikleri karşılamadığından seramik akviyeli meal marisli kompoziler gelişirilmişir[11]. Bu yüzden kompozi malzemelerin ısıl ilekenliklerinin önemi son yıllarda daha fazla bir şekilde oraya çıkmışır. Elekronik endüsrisindeki yeni uygulamalarda; elekronik aygıların boyularının küçülmesi ve 55

2 S.Aeş, İ. Uzun, V. Çelik güçlerinin arması neicesinde bu aygılarda kullanılacak olan malzemeler için ısıl ileim kasayısı oldukça yüksek yaklaşık (W/mK) olan malzemelere gereksinim duyulmakadır[12]. Kompozilerin ısıl ilekenliği ölçmek için kullanılan flash ekniği geniş bir kullanım alanına sahipir ve farklı sıcaklıklarda ısıl ilekenliğin ölçülmesine imkan sağlar[13]. Bu çalışmada kullanılan flash ekniğinde, cihaza yerleşirilen küçük bir numunenin ön yüzü çok kısa ve yoğun bir ısıl enerjiye maruz bırakılmışır. Lieraürde, yukarıda belirilen infilrasyon paramerelerine göre şekillenen kompozi özelliklerinin, ısıl ilekenlik özelliğine olan ekisini belirleyen birçok eorik modelin yanında birçok da analiik yaklaşım vardır[14-15]. Meal marisli kompozi malzemelerin mikroyapısı ısıl ilekenliklerinde çok önemli bir rol oynar[16]. Bu yüzden çalışmada ısıl ilekenliği hesaplamak için kullanılan nümerik meoa gerçek SEM fooğrafları kullanılmışır. bırakılmışır. Borular soğudukan sonra kesilerek üreilen kompozi borunun içerisinden çıkarılmışır. Numunelerin yoğunluklarının deneysel ölçümleri g hassasiyee sahip Sarorius YDK 01 marka hassas erazide yoğunluk ölçüm kii kullanılarak arşime prensibine göre yapılmışır. Malzeme içerisindeki yüzde gözenek mikarı (ϕ ) deneysel olarak elde edilen yoğunluk ( ρ ) ve akviye hacim oranından gidilerek d hesaplanan eorik yoğunluk ( ρ ) kullanılarak aşağıdaki eşilik (1) ile hesaplanmışır. ρe ϕ = 100 (1) ρ Kompozilerin mikro yapısı aramalı elekron mikroskobu alında 250 büyüme ile görünülenmiş elde edilen fooğraflar Resim 1. de verilmişir. Resimler incelendiğinde infirasyonun am olarak gerçekleşiği ve SiC parçacıklarının maris içerisinde homojen olarak dağıldıkları gözlenmişir. II. DENEYSEL YÖNTEM Bu çalışmada kullanılan icari saflıka, 105µm ane büyüklüğüne sahip SiC ve Al2014 e ai kimyasal kompozisyon, fiziksel özellikler Tablo1, Tablo2 ve Tablo3 de verilmişir[9]. Tablo 1. Al 2014 e ai fiziksel, mekanik ve ermal özellikler Al 2014 SiC Fiziksel Özellikler Yoğunluk (kg/m 3 ) Isıl Özellikler Isıl İlekenlik (W/mK) Tablo 2. Al 2014 ün kimyasal kompozisyonu Elemen Al Cr Cu Fe Mg Elemen Mn Si Ti Zn Diğer (a) (b) Tablo 3. SiC ün kimyasal kompozisyonu Elemen SiC Fe 2 O 3 C SiO 2 Al 2 O Öncelikle 13mm çapında, 300mm yüksekliğindeki paslanmaz çelik malzemeden imal edilmiş boruların bir ucuna gözenekli filre bir bilezik vasıasıyla sabilenmiş ve SiC ozlar boru içerisine 70mm yükseklik oluşuracak şekilde serbes halde doldurulmuşur. Daha sonra boru içerisindeki ozların üs kısmı yine bir bilezik ile sabilenen gözenekli filre vasıasıyla kapaılarak SiC ozlar boru içerisinde sabilenmişir. 700ºC, 750ºC, 800ºC infilrasyon sıcaklıklarında, 700kPa sabi infilrasyon basıncında, 3 dakika sabi infilrasyon süresinde ve azo gazı (N 2 ) amosferinde infilrasyon gerçekleşirilmişir. Daha sonra borular basınç kabının içerisinden çıkarılarak, oda sıcaklığında soğumaya (c) Resim 1. Kompozilerin farklı sıcaklıklardaki SEM görünüleri (a) 700ºC, (b) 750ºC, (c) 800ºC Kompozi malzemelerin ısıl ilekenlik değeri; Aner Flash Line 2000 model cihaz ile, ısı yayınım kasayısının α) ( ölçülmesi ile eşilik 2 den dolaylı olarak belirlenmişir. Cihaz zamana bağlı ısıl ilekenlik ölçüm emelini kullanmakadır. Sabi sıcaklıka uulan fırın içerisindeki numune üzerine kuvveli ışın demei gönderilerek bunun numune üzerinde yapığı ısıl eki, numunenin diğer arafında bulunan deekör arafından algılanmakadır. Numune içerisinde ısının geçiş süreci, malzemenini ısı yayınım kasayısı α) ( hakkında bilgi vermekedir. Cihazın çalışma esasına ilişkin şemaik göserim şekil 1 de verilmişir. 56

3 Basınçlı İnfilrasyon Yönemi İle Üreilmiş SiC/Al2014 Kompoziin Isıl İlekenliği Üzerine İnfilrasyon Sıcaklığının Ekisi k α = (2) ρ c Şekil 2. Gözenek mikarının infilrasyon sıcaklığı ile değişimi Şekil 1. Lazer flash ekniğinde kullanılan deney düzeneğinin şemaik göserimi Bu çalışmada üreilen meal marisli kompozi malzemelerin ısıl ilekenlik değerini belirlemek için farklı analiik ve nümerik modeller kullanılmışır. Ayrıca kompozilerin ısıl ilekenlik değeri deneysel olarak ölçülerek de belirlenmişir. Çalışmada kullanılan modeller ısıl ilekenlik değerinin belirlenmesinde sık kullanılan paralel (k p ), ve geomerik oralama (k g ) analiik modelleri kullanılmışır. Ayrıca kompozilerin ısıl ilekenlik değeri Lazer flash ekniğini kullanılarak, deneysel olarak ölçülmüş ve belirlenen ısıl ilekenlik değerleri aşağıda ablo halinde verilmişir. Ölçümler her bir sıcaklık değerinde üreilen kompozi için 8 farklı sıcaklık değerinde gerçekleşirilmişir. Isıl ilekenlik mikarlarının ölçüldüğü sıcaklıklar 25ºC ile 200ºC arasındadır. Tablo 5. Isıl ilekenlik mikarlarının infilrasyon sıcaklığı ölçüm sıcaklığına bağlı değişimi İnf. Sıc. (ºC) Ölç. Sıc. (ºC) Isıl Difüzyon (W/mK) , , , , , , , , ,034 III. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozi üreimi esnasında infilrasyon sıcaklığı, kompoziin gözenek mikarına eki emekedir. Sıcaklık arıkça gözenek mikarının azaldığı belirlenmiş ve gözenek mikarının azalması da ısı ileim değerini arırmışır. Kompoziin iç yapısında bulunan gözeneklerin içerisinde hava hapsolmuş durumdadır ve havanın da ısı ileim değeri çok düşük olduğundan dolayı, kompoziin ısı ileim değeri de armışır. Gözenek mikarının belirlenmesinde Sarorius YDK 01 marka g hassasiyee sahip yoğunluk ölçüm kii kullanılmışır , , , , , , , , , , , , , , ,088 Tablo 4. Meal marisli kompozilerin gözenek mikarları Sıcaklık (ºC) Teorik Yoğunluk (g/cm 3 ) Deneysel Yoğunluk (g/cm 3 ) Gözenek 700 3,0067 2,8689 1, ,0067 2,9575 1, ,0067 3,1083 0,9673 Aşağıdaki grafike üreilen meal marisli kompozilerin gözenek mikarlarının infilrasyon sıcaklığı ile değişimi görülmekedir. Grafiken de anlaşılacağı gibi; infilrasyon sıcaklığının armasıyla kompozi içerisindeki gözenek mikarı azalmakadır. Şekil 2. Isıl ilekenliğin infilrasyon sıcaklığı ve ölçüm sıcaklığı ile değişimi Isıl ilekenliğin sıcaklık ve basınç ile değişimi yukarıda göserilmiş olup ısıl ilekenliğin infilrasyon sıcaklığı ile arığı ancak ölçüm sıcaklığıyla azaldığı görülmekedir. Sıcaklıkla armasının nedeni gözenek ile ilgilidir. İnfilrasyon sıcaklığının 57

4 S.Aeş, İ. Uzun, V. Çelik yüksek olması eriyiğin mikro düzeydeki pariküller arasına daha iyi nüfuz emesini sağlamakadır. Sıcaklıkla ısıl ilekenliğin azalması ise SiC kaynaklanmakadır. SiC ün negaif sıcaklıklarda ısıl ilekenliğinin yükseldiği oda sıcaklıklarına doğru ve daha yüksek sıcaklıklarda düşüğü bilinmekedir[17-18] (a) Tablo 6. Farklı modeller ile elde edilen ısıl ilekenlik değerleri Sıcaklı k Geomerik(k g ) Paralel(k p ) Nümerik 700 ºC Deneyse l ºC ºC Deneysel olarak 25 C ile 100 C sıcaklıkları arasında yapılan ölçümlerin arimeik oralaması alınarak Tablo 6 da deneysel sonuçlar olarak verilmişir. Teorik ve sayısal yönemlerde kullanılan maris ve akviye malzemesine ai ısıl ilekenlik değerleri 0 C ile 100 C arasında lieraürde verilen değerlerdir. Bu değerlere bakıldığında deneysel sonuçların oldukça uarlı ve beklenildiği şekilde elde edildiği görülmekedir. Sayısal sonuçlardaki sapmanın seçilen bölge mikro yapısına bağlı oluşundan ve gözenek mikarının dikkae alınamamasından kaynaklanmakadır. Teorik yönemlerden geomerik ve paralel yönemlerle elde edilen sonuçların birbirine oldukça yakın değerler vermekedir. Bunlardaki sapma da iki malzemeden oluşan kompozilere yönelik çözümler üreebilmesinden kaynaklanmakadır. Halbuki gerçek numulerde %1 ler civarında gözenek söz konusudur. Ayrıca eorik yönemlerde sıcaklık ekisi de söz konu değildir. SiC/Al2014 kompoziinin mikro yapı fooğraflarından harekele sayısal model oluşurulmuşur. Bu model ek boyulu ısı ileimi şeklinde sınır şarları ile anımlanarak sıcaklık dağılımı ve ısı akış mikarları hesaplanmış kompoziin efekif ısıl ilekenliği belirlenmişir. Kompoziin seçilen bölgesinde hesaplama düzlemindeki ısı akılarının vekörel göserimi Resim 5 de verilmişir. Bu resimden de görüleceği üzere kompozii oluşuran malzemelerin ısıl ilekenliklerine bağlı olarak vekör büyüklükleri arasındaki fark ne olarak görülebilmekedir. (b) Resim 4 (a) 700ºC de üreilmiş kompoziin SEM görünüsü (b) Dönüşürülmüş nümerik modelin bir parçası Alınan numunelerin birisinin SEM görünüsü Resim 4a da, sonlu eleman esaslı sayısal çözümünün ağ yapısı ise Resim 4b de verilmişir. Sayısal çözümlemeler resimlerin büünü üzerinde gerçekleşirilmesine rağmen numunenin amamını emsil emediği bilinmelidir. Yüzeysel oranlardan gidilerek iki boyulu sayısal çözümlemede hacimsel oran yakalanacak şekilde hesaplamalar yapılmışır. İki boyulu çözümde yüzeysel oranların hacimsel oranlara dönüşümünde oraya çıkan haanın %1 in alında olduğu büün geomeriler için görülmüşür. Bu nedenle iki boyulu sayısal çözümün üç boyulu çözümlere denk olduğu söylenebilir. Resim 5. Dikdörgen bölgedeki ısı akısının vekörel göserimi IV. SEMBOLLER A m Al2014 marisin yüzey alanı, m 2 A f SiC parçacıklarının yüzey alanı, m 2 α Isı yayınım kasayısı, m 2 /s c Özgül ısı, J/kg.K 58

5 Basınçlı İnfilrasyon Yönemi İle Üreilmiş SiC/Al2014 Kompoziin Isıl İlekenliği Üzerine İnfilrasyon Sıcaklığının Ekisi Am φ SiC ün yüzey alanının, oplam yüzey alanına oranı, ( ) A k k e k f Isıl ilekenlik, W/mK Efekif ısıl ilekenliği, W/mK SiC ün efekif ısıl ilekenliği, W/mK ( 1 φ ) φ m k f k g Geomerik modelin ısıl ilekenliği, ( k ) k m Al2014 marisin efekif ısıl ilekenliği, W/mK k p Paralel modelin ısıl ilekenliği [( 1 φ ) km + φ k f ] P İnfilrasyon basıncı, kpa ρ Deneysel yoğunluk, g/cm 3 d ρ Teorik yoğunluk, g/cm 3 KAYNAKLAR [1] Davey, N., Mearials Science, A Hisory of Building Mearials, Phoenix Hause, Londra, 2nd Ediion,1-88, (1965). [2] Yalçın, H., Gürü, M., Malzeme Özelikleri, Malzeme Bilgisi, Palme Yayıncılık, Ankara, 1-42, (2002). [3] Soy. U., Meal Maris Kompozi Malzemeler, Sakarya Üniversiesi (2009) [4] D. M. Sefanescu, D. K. Dhimdaw and S. Ahuja, Meall. Maer. Trans. 23A (1992) [5] S. A. Gedeon and I. Tangerini, Ma. Sci. Eng. A, 144, 237 (1991) [6] C. L. Buhrmaser, D. E. Clark and H. B. Smar, J. Meals, 40, 44 (1988) [7] J. A. Aguliar-Marinez, M. I. Pech-Canul, M. Rodriguez-Reyes and J. L. De Lapena, Maer. Le., 57, 4332 (2003) [8] Hamzawy, E. M., El-Kheshen, A. A., Zawrah, M. F., Densificaion and properies of glass/cordierie composies, Ceramics Inernaional, Elsevier., 31: (2005) [9] hp:// [10] Ahlaci, H., Koçer, T., Candan, E. and Çimenoğlu, H., Wear behaviour of Al/(Al 2 O 3p +SiC p ) hybrid composies, Tribology Inernaional, 39(3), (2006) [11] Benal, M.M. and Shivanand, H.K., Effecs of reinforcemens conen and ageing duraions on wear characerisics of Al (6061) based hybrid composies, Wear, Volume 262, Issusue 5-6, Pages (2007) [12] Zweben C. Advances in composie maerials for hermal managemen in elecronic packaging. JOM;50:47 60 (1998) [13] Y. Rong, L. Jia-Jun, L. Bao-Liang, Z. Zhen-Bi and L. He-Zhuo Miao, Wear, 210, 39 (1997) [14] Flaquer J, Ríos A, Marín-Meizoso A, Nogales S, Böhm HJ. Effec of diamond shapes and associaed hermal boundary resisance on hermal conduciviy of diamond-based composies. Compu Maer Sci; 49: (2007) [15] Nogales S, Böhm HJ. The hermal conduciviy and hermomechanical behavior of diamond reinforced composies. In J Eng Sci; 46: (2008) [16] K. Waari, J. Ceram. Soc. (Japan), 109, 7 (2001) [17] Harris, G.L., Thermal conduciviy of SiC, in Properies of Silicon Carbide. Ed. Harris, G.L., EMIS Daareviews Series, N13, 5-6, (1995) [18] Burgemeiser, E.A., W. von Muench, E. Peenpaul, Thermal conduciviy and elecrical properies of 6H silicon carbide. J. Appl. Phys. 50, 9, (1979) 59