TANITIM ve BAŞLANGIÇ

Transkript

1 TANITIM ve BAŞLANGIÇ Alüminyum(Metal) Cam (Seramik) Plastik (Polimer)

2 Tarihi Bakış: TANITIM ve BAŞLANGIÇ Taş Bakır Tunç Demir Gelişmiş Malzemeler Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Nedir: İşleme Yapı Özellikler Verim Malzemelerin Sınıflandırılması: Metaller, Seramikler, Polimerler, Yarıiletkenler Geşlimiş Malzemeler: Elektronik Malzemeler, Süperiletkenler, vb. Modern Malzemelerin Gereksinimleri ve Malzemelerin Geleceği: Biyoçözünebilir malzemeler, Nanomalzemeler, Akıllı malzemeler

3 Tarihi Bakış İnsanlar yaklaşık 2 milyon yıl evvel (Taş Devrinin Başı) taşlardan aletler yapmaya başladılar. Doğal malzemeleri kullanabildiler (taş, ağaç, çamur, deri). Taş devri yaklaşık 5000 yıl önce tunçun uzak doğuda keşfedilmesi ile sona erdi. (Tunç bakır ve kalayın bir alaşımıdır. Şekil verilebilir ve sağlamlaştırılabilir, yavaşca aşınır) Demir Çağı yaklaşık 3000 yıl önce başladı ve günümüzde halen devam etmektedir. Ucuz ve dayanıklı maddeler olan demir ve çelik insanlığın yaşam biçimini kökten değiştirdi. Demir Çağı boyunca malzemelerin yapısal öğeleri ve özellikleri arasındaki ilişkiler anlaşılmaya başlandı ve halen devam ediyor. Böylece bir çok yeni malzeme ortaya çıktı (seramik, yarıiletken, polimerler, kompozitler). Malzemelerinözellikleri, işlenmesi ve verimi anlaşılmakta. (Gelişmiş Malzemeler Çağı) Yeni malzemelerin akıllı biçimlerde dizayn edilmesi.

4 Tarihi Bakış Malzemelerin yoğunluk başına dayanıklığının zamana bağlı grafiği

5 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Nedir Malzemelerin İşlenmesini, Yapısını, Özelliklerini, ve Verimliliğini araştıranbilim alanıdır. Processing İşleme Malzeme Bilimi Malzemelerin yapısı ile özellikleri arasındakiilişkiyi inceler. Yeni malzemeler sentezler ve geliştirir. Materials Optimization Loop Malzeme Mühendisliği Malzemelerin yapısı ile özellikleri arasında bağ kurar. Yeni ürünler ve sistemler geliştirir. Structure Yapı Observational Gözleme Dayalı Properties Verim

6 Atomik Düzeyde: Malzemeyi oluşturan atomlarındizilimi (aynı atom farklı özelliklere sahip olabilir. örneğin grafit ve elmas) Makroskopik Düzeyde: Gözle görülebilir büyüklükteki nesneler Yapı (Structure) Malzemenin iç bileşenlerinin düzenlenimidir. Atom Altı Düzeyde: Atomlar arasındaki ilişkiyi belirleyen, tek bir atomuniçindeki elektronik dizilim. Mikroskopik Düzeyde: Malzemelerin mikroskop ile görülebilen taneciklerinindüzenelenimi. Monarch butterfly ~ 0.1 m

7 Özellik (Property) Kullanım esnasında her malzemenin dış etkilere karşı verdiği yanıtın biçimi ve büyüklüğüdür. 1. Mekanik: Uyarıcı: Yüklenim veya Kuvvet Katılık, Dayanıklılık, Sertlik 2. Elektriksel: 3. Isısal Uyarıcı: Elektrik Alan Uyarıcı: Isı değişimi Elektriksel iletkenlik ve yalıtkanlık Isı kapasitesi ve Isısal iletkenlik 4. Manyetik: Uyarıcı: Manyetik alan Kutup 5. Optik: 6. Kimyasal Kararlılık Uyarıcı: Elektromanyetik veya ışık ışınları Uyarıcı: Kimyasal Tepkimeler Kırılma indisi, Yansıtma, Geçirgenlik Oxitlenme, İndirgenme

8 Malzeme Bilimi Öğeleri Processing Structure Properties Performance İşleme Yapı Özellikler Verim 3 farklı Alüminyum Oxitörneği Kusursuz tek kristal yapılı Yüksek şeffaflıkta. (Transparent) Sınırlı sayıda tek kristal yapılı Çoğu kristaller bağlanmış durumda Işığınbir kısmını yansıtıyor. (Translucent) Kristaller bağlanmış durumda Aynı zamanda çpk sayıda küçük deliklere sahip Işığınnerdeyse tamamı yansımakta. (Opaque)

9 Neden Malzeme Bilimi Problem: Bir çokuyugulamacı bilim insani ve mühendis sistem tasarlarken malzeme seçiminde sorun yaşar. (Motor dişlileri, beton, plastik, elektronik çip ) Çözüm Kriterleri: Seçilecek malzemenin özelliklerinin kullanım alanına uygun olması (dayanıklılık, esneklik, ) Kullanım süresince oluşabilecek sorunlar göz önüne alınmalı (kimyasal kararlılık) Ekonmik açıdanuygunluğa dikkat edilmeli (az maliyetle kaliteli iş yapmak). (a) force (b)

10 Malzemelerin Sınıflandırılması Kimyasaloluşumları ve atomik yapılarıitibarıileüç ana sınıfta incelenirler. Metaller, Seramikler, Polimerler, Kompozitler

11 Malzemelerin Sınıflandırılması Metaller: Bir veya daha fazla metalik element (Fe, Al, Cu, Ti, Au, Ni) içeren malzemelerdir. İçerisindeki atomlar düzenli bir biçimde yerleşmişlerdir. Mekanik olarak sert, güçlü, kırılmayadirençlidirler. Elektriksel olarak içerilerindeserbest dolaşan elektronlara sahiptirler. (İletken) Isısal olarakiyi iletkendirler. Optik olarak görünürışığakarşışeffaf değildirler. Manyetik olarak bir kısmı (Fe, Co, Ni) manyetik özellikgösterirler.

12 Malzemelerin Sınıflandırılması Seramikler: Metal ve ametal elementlerin birleşiminden oluşan malzemelerdir. Al 2 O 3, SiO 2, SiC, Si 3 N 4 yaygınseramik malzemelereörnektir. Kil mineralleri (porselen), çimento ve cam bilinen seramik malzemelerdir. Mekanik olarak sert, güçlü, dayanıklı, kırılmayadirençli değillerdir. Elektriksel olarak iletken değillerdir. (Yalıtkan) Isısal olarakiyi iletken değillerdir, ısıyı tutarlar, ısıya dirençlidirler. Optik olarak şeffaf, yarışeffaf, mat olabilirler. Manyetik olarak bazı oksit seramikler (Fe 3 O 4 ) manyetik özellikgösterirler.

13 Malzemelerin Sınıflandırılması Polimerler: Bir coğukarbon ve hidrojenden oluşan organik bileşenlerdir. Plastik ve kauçuk yaygın olarak bilinen polimer malzemelerdir. Polietilen (PE), naylon, poli vinil klorid (PVC), polikarbonat (PC) bazılarıdır. Mekanik olarak sert ve güçlüdeğillerdir, yumuşaktırlar, eğilebilirler. Elektriksel olarak düşük iletkendirler. Isısal olarakısıyadayanıklı değillerdir. Optik olarak yarışeffaf, mat olabilirler. Manyetik olarak manyetik özellik göstermezler.

14 Malzemelerin Sınıflandırılması Kompozitler: İki veya daha fazla temel mazlemeden oluşmuş yapılardır. Meydana geldiği malzemelerin özelliklerini bir arada barındırır. Doğal olarakta mevcut olabilirler (odun, kemik). Fiberglass (cam lifi) iyi bilinen bir kompozittir. Cam liflerinin bir polimer ile karıştırılması ile oluştrurulur. Cama kıyasla dayanıklı ve güçlüdür. Karbon fiberle desteklenmiş polimer (CFRP) diğer bir kompozit örneğidir. Karbon liflerinin bir polimer ile karıştırılması ile oluşturulur. Hafif, sert ve dayanıklıdırlar. Aynı zamanda maliyetleri yüksektir. Uçak, bisiklet, tenis raketi ve oto parçaları olarak kullanılırlar.

15 Malzemelerin Sınıflandırılması Yoğunluk 40 Metals 20 Platinum Density (g/cm 3 ) (logarithmic scale) Silver Copper Iron/Steel Titanium Aluminum Magnesium Ceramics ZrO 2Al2 O 3 SiC,Si 3 N 4 Glass Concrete Polymers PTFE PVC PS PE Rubber Composites GFRC CFRC Woods

16 Malzemelerin Sınıflandırılması Sertlik Stiffness [Elastic (or Young s) Modulus (in units of gigapascals)] (logarithmic scale) Metals Tungsten Iron/Steel Titanium Aluminum Magnesium Ceramics SiC AI 2 O 3 Si 3 N 4 ZrO 2 Glass Concrete Polymers PVC PS, Nylon PTFE PE Rubbers Composites CFRC GFRC Woods 0.001

17 Malzemelerin Sınıflandırılması Dayanıklılık Strength (Tensile Strength, in units of megapascals) (logarithmic scale) Steel alloys Metals Cu,Ti alloys Aluminum alloys Gold Ceramics Si 3 N 4 SiC Al 2 O 3 Glass Polymers Nylon PS PVC PTFE PE Composites CFRC GFRC Woods 10

18 Malzemelerin Sınıflandırılması Kırılmaya olan Direnç Metals Resistance to Fracture (Fracture Toughness, in units of MPa m) (logarithmic scale) Steel alloys Titanium alloys Aluminum alloys Ceramics Si 3 N 4 Al 2 O 3 SiC Glass Polymers Nylon Polystyrene Polyethylene Polyester Composites CFRC GFRC Wood Concrete 0.1

19 Malzemelerin Sınıflandırılması Elektriksel İletkenlik 10 8 Metals Electrical Conductivity (in units of reciprocal ohm-meters) (logarithmic scale) Ceramics Polymers Semiconductors

20 Gelişmiş Malzemeler Yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılmak için dizayn edilmiş malzemelerdir. Gelişmiş malzemeler, varolan malzemelerin özelliklerinin geliştirilmiş hali veya tamamen yüksek performanslı yeni bir malzeme olabilir. Kullanım alanları teknolojinin gelişimi ile paralel olarak genişlemektedir. (Lazerler, Entegre Devreler, Manyetik Bilgi Depolama, Sıvı Kristal Görüntüleme (LCD), Fiberoptik ) Yarıiletkenler Biyomalzemeler Akıllı Malzemeler Nanomalzemeler

21 Gelişmiş Malzemeler Yarıiletkenler: Elektriksel özellikleri iletkenler ve yalıtkanlar arasında olan malzemelerdir. Elektronik ve bilgisayar endüstrisini kökten değiştiren entegre devre tasarımının öncüsüdür. Biyomalzemeler: İnsanvücudunda hastalıklı veya zarar görmüş kısımların yerini alan malzemelerdir. Bu malzemeler toksik olmamalı ve dokuya uyum sağlamalıdır. Metal, seramik, polimer, kompozit, yarıiletken bütün malzemeler biyomalzeme olarak kullanılabilir. Akıllı Malzemeler: Akıllıca dizayn edilmiş teknolojiye önemli etkileri olan malzemelerdir. Akıllı terimi, malzemenin çevresel koşulları sezip karşılık verebilmesinden ileri gelir. Sensörler ve uyarıcılar (actuators) bu sınıfa girer. Nanomalzemeler: Nanoboyuttaki malzemelerdir (10-9 m). Teknolojinin bir çok alanında gelecek vaadeden malzeme türleridir. Günümüzde teknolojideki kullanımlardan ziyade nanomalzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri anlaşılmaya çalışılmaktadır. Nanoteknoloji çalışmaları top- down ve bottom- up denilen iki ayrı yaklaşım yöntemi ile çalışılmaktadır. Makro ölçekte belirli özellikler sergileyen malzemeler nano ölçekte çok farklı özelliklere sahip olabilir.