Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 4, No: 3, 2012 (9-14) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 4, No: 3, 2012 (9-14) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn: 1309-405X Makale (Article) Sıvı Silisyum İnfitrasyon Yöntemi Kullanılarak C/C- Sic Kompozitin Üretimi Üzerine Genel Bakış Harun Yıldırım*, İbrahim Mutlu ** * Kocaeli Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü, KOCAELİ ** Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü, AFYONKARAHİSAR harun.yildirim@kocaeli.edu.tr Özet Sıvı silisyum infiltrasyonu (LSI), C/C-SiCkompozitlerin üretim proseslerinden biridir. Bu makalede C/C- SiC kompozitlerin mikroyapısı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Yüksek hızlı ve ağır vasıtalı araçların fren sistemleri oldukça yüksek hızlara ve farklı termal gerilmelere maruz kalabilmektedir. Bu durumda termal dirençi yüksek, oksidasyona dirençli ve tribolojik özellikleri çok iyi kompozit bir malzemeye ihtiyaç vardır. Karbon fiber takviyeli seramik matriksinin (CMC) yüksek sıcaklıklardaki yapısal dayanımı ve korozif ortamlarda çalışabilme özelliğine sahip ileri teknoloji gereksinimi karşılayan kompozit çeşitlerindendir. C/C-SiC kompozitler bu seramiklerden biridir. C/C-SiCkompozitler yüksek termal kararlılık ve abrasyon direncine sahiplerdir. Anahtar kelime: C/C-SiC Kompozitler, Sıvı Silisyum İnfiltrasyonu, Fren Balataları The Production Of C/C-Sic Composite By Using The Liquid Silicon Infiltration Method On; A Review Abstract A major Manufacturing process of the C/C-SiC composites materials is the liquid siliconin filtration (LSI). In this article, the composites has investigated microstructure and properties of mechanical. Brakesystems of high-speed and heavy vehicles can be exposed to thermal stress at highspeeds. Inthiscase, composite material which have high thermalresistance, excellent oxidation resistance and tribological properties are needed. Carbon fiber-reinforce dceramic matrix (CMC) have the ability to operate in corrosive environments and structural strength at high temperatures. One of the ceramics is C/C-SiC composites. The C/C-SiC composites have high thermal stability and abrasion resistance. Keywords : C/C-SiC composites, liquid siliconin infiltration, brake pads 1. GİRİŞ Günümüzde (hava, askeri, otomotiv vb. ) sürtünmeli fren sistemlerindeki malzemeler aşındırıcı, sürtünme sınırlayıcı, dolgu, destekleyici ve bağlayıcıdan oluşmaktadır. Ayrıca katkı malzemelerin konsantrasyonu, Bu makaleye atıf yapmak için Yıldırım, Mutlu İ. Sıvı Silisyum İnfitrasyon Yöntemi Kullanılarak C/C- Sic Kompozitin Üretimi Üzerine Genel Bakış Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (4) 9-14 How to cite this article Yıldırım H, Mutlu İ. The Production Of C/C-Sic Composite By Using The Liquid Silicon Infiltration Method On; A Review Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2012, (4) 9-14
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 9-14 Sıvı Silisyum İnfitrasyon Yöntemi şekli, dağılımı ve tanecik boyutu fren malzemelerinin tribolojik performansını etkilemektedir. Fren malzemeleri daha karmaşık ve daha fazla parçadan oluşmaktadır. Bundan dolayı bazı katkı malzemeleri kayma esnasında aşınma ürünlerini oluşturmaktadır. Bu aşınma ürünleri üçüncü gövde hareketine neden olduğu için aşınma ve sürtünme performansını olumsuz etkiler [1]. Araştırmacılar havacılık, askeri ve otomotiv uygulamalarında fren diski ve balata malzemelerden daha iyi performans elde etmek için yeni malzeme arayışına yönelmişlerdir. Buna paralel olarak havacılık, askeri ve otomotiv gibi ileri teknoloji alanlarında (aşınma, sürtünme ve uzun ömür vb. gibi) gerekli şartları sağlayan malzemeleri incelemişlerdir [1] [2]. Seramik matrisli malzemeler bunlardan biridir. Karbon fiber destekli seramik matrisli kompozitler özellikle dikkat çekmektedir. Çünkü iyi oksidasyon direnci seramik matrislerin yüksek sıcaklık uygulamalarını mümkün kılmaktadır. Buna ek olarak karbon fiberlerin fiyatının düşük olması ekonomik olarak da uygulanabilirliğini artırmaktadır [3] [4]. Karbon fiberlerin özellikleri oldukça fazladır. Bu özellikler organik fiber preküsörlere (polyacrylonitrile (PAN), selüloz, pitch), proses şartlarına (karbonizasyon ve grafitleştirme sıcaklığı), mikroyapısına, şekline ve fiberlerin yüzey özelliklerine bağlıdır [4]. C/C kompozitler özellikle yüksek sıcaklığa dayanıklı parçaların yapımında kullanılmaktadır. C/C kompozitler bu özelliğine ek olarak termal yalıtım, süper iletken ve sürtünme önleyici gibi özelliklere de sahiptir. Bu kompozit uygulamaları, fren sistemlerinde frenleme etkisini artırarak, sistemin ağrılığını azaltacağı düşünülmektedir [5]. C/SiC kompozit, C/C Karbon kompozitler ve gelişen toz metalurjisi malzemeleri yüksek fren performans malzemelerinden biridir. C/SiC komzitler düşük yoğunluk, yüksek ısı direnci, yüksek mukavemet, mükemmel sürtünme özellikleri, düşük aşınma oranı ve uzun ömürlü olması gibi birçok avantaja sahiptir. Bu yüzden endüstriyel olarak yaygın kullanım alanına sahiptir [6] [7]. Kimyasal buhar biriktirme (CVI), sıvı veya buhar silisyum emdirme (LSI veya VSI) ve sıcak presleme (HP) yöntemleriyle farklı kompozit çeşitleri hazırlanmaktadır [8]. CVI seramik kompozit hazırlamak için kullanılan birçok yöntemden biridir. CVI de preküsör gaz poroslu preforma nüfuz eder, delikli duvarlarla reaksiyona girerve matris malzemeler birikir. Karbon matris karbon preforma dolduğunda C/C kompoziti denen malzeme oluşur. Dokuma kumaş tabakası, doğranmış fiber ve uzun silindirik fiberlerden oluşan farklı tiplerde preformlar vardır. CVI ile birçok araştırmacı fiber destekli seramik kompozitlerin modeli üzerine çalışmışlardır [9]. Sıvı silisyum infiltrasyonu öncelikle basınçlı kap ile fiber takviyeli polimerik karbon üretilir. Daha sonra polimerik karbon içerisindeki polimerik matrisin 900 o C de inert bir atmosferde proliz ile gözenekli C/C preformuna dönüştürülür. Son olarak sıvı silisyum ile C/C preformunu silisyumlaştırılır. SiC formlarını ve sıvı silisyumlu karbon matrisinin reaksiyonu sonucunda silisyumlaştırma prosesi gerçekleşir. Bu durumda SiC formları ile C/C sekmentleri sayesinde yoğun bir yapı elde edilir. Sıvı silisyum infiltrasyonu prosesinde ideal koşullarda karbon fiberler değişmeden kalırken, yalnız C/C preformunun karbon matrisi ile reaksiyona girerler. Fakat karbon fiberler birçok kez kimyasal olarak saldırıya uğrar. Sıvı silisyum ile karbon saldırısı iki şekilde önlenebilir ya uygun fiber dizini yapılarak ya da kaplayarak karbon saldırı önlenir [4]. Bu çalışmada C/SİC ve C/C kompozitlerin üretim aşamalarının mekanik ve fiziksel özellikleri hakkında genel bir bakış hazırlamak amaçlanmıştır. 2. MALZEME ve METOT 2.1. Sıvı Silisyum İnfiltrasyon Prosesi Sıvı silisyum infiltrasyon yöntemi, C/C reformundan C/C-SiC kompoziti elde etmek için kullanılan üretim yöntemlerinden biridir. Bu yöntemde düşük komponent üretim maliyetine sahip, hasar toleranslı seramik malzemesi elde edilir. Bundan dolayı diğer karbon seramik matrisli malzeme üretim yöntemlerine kıyasla daha düşük komponent maliyetine sahiptir. Bu yöntem üç aşamadan oluşmaktadır [4] [10]. 10
Yıldırım H., Mutlu İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 9-14 İlk olarak karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) üretimi gerçekleştirilir. CFRP basınçlı kap veya reçine transfer kalıbı gibi ya ygın yöntemler kullanılarak üretilir. Çift yönlü takviyeli hacimsel olarak % 60 karbon fiber içeren CFRP, yoğunluğu 1490 kg/m 3 ve açık prozitesi % 1 den küçüktür. İkincil olarak karbon içerisindeki polimerik matrisin 900 o C de inert bir atmosferde, proliz ile gözenekli C/C preformuna dönüştürülmesidir. Bu proseste karbon fiberler düzenli bir çatlak izi oluşumuna neden olup, bu sayede polimerik matrisin büzülmesini engellemiş olurlar. Prolizden sonra preformun yoğunluğu 1610 kg/m 3 olur ve porozitesi de artmış olur. Prolizden sonrası gözeneklilikteki değişim fiberin hacim muhtevasına bağlıdır. Üçüncül olarak sıvı silisyum ile C/C preformunun silisyumlaştırılmasıdır. SiC formlarını ve sıvı silisyumlu karbon matrisinin reaksiyonu sonucunda silisyumlaştırma prosesi gerçekleşir. Bu durumda SiC formları ve birbirinden ayrılmış C/C sekmentleri ile yoğun bir malzeme oluşturur. Silisyumlaştırmadan sonra kompozitin yoğunluğu yaklaşık 2340 kg/m 3 olur. Bu yoğunluk sıvı silisyumun yoğunluğundan daha düşüktür. Sıvı silisyumun yoğunluğu 2530 kg/m 3 tür. Başarılı bir silisyumlaştırma için yeteri kadar silisyum gereklidir. Aksi takdirde aşırı silisyum komponentlere zarar verir [4]. 2.2. Mikroyapısı Farklı üretim parametreleri kullanılarak üretilen C/C-SiC kompozitinin mikroyapısı çeşitlilik göstermektedir. Kompozitin mikroyapısı, matrisin preküsörü, fiber yapısı, üretim şartları ve fiber/matris ara yüzeyi gibi farklı parametre seçimlerine bağlıdır. Şekil1 de 900 o C deki proliz sonrası kompozitinmikro yapısı görülmektedir. Bu yapıda karbon matrisi ve karbon fiber bulunmaktadır. Preküsörün karbon verimi ağırlıkça yaklaşık %60 oranındadır. Fakat fiber yönündeki büzülmeleri sert fiberler tarafından korunur. Bu matris kırığının yüksek olmasıyla sonuçlanır. Ayrıca kompozitlerde fiber sekment yığınları vardır. Bu sekment yığınları fiber eksenine çapraz fiber karbonun termal genleşme katsayısının oldukça yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Fiber eksenine matris büzülmesi gibi dik oluşan çapraz çatlaklar paralel fiberler sayesinde sınırlandırılmıştır. Bu nedenle çatlak izi oluşumu dokuma şekli ve fiber/matris bağ kuvvetlerine bağlıdır. Silisyumlaştırma mikro yapıda reaksiyona girmemiş olan SiC lerin C/C sekmentlerin etrafını sarması ile sonuçlanan bir prosestir [4]. Şekil 1. 900 o C proliz sonrasındaki SEM görüntüsü (a) sekment çatlakları (b) mikro sapmalar [4] Şekil 2 de silisyumlaştırma sonrası kompozitin mikroyapısı görülmektedir. Mikrografta siyah alan C/C sekmentleri, gri alan SiC i ve beyaz alan ise reaksiyona girmemiş silisyumu göstermektedir [4]. 11
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 9-14 Sıvı Silisyum İnfitrasyon Yöntemi Şekil 2. Silisyumlaştırma sonrası kompozitin mikro yapısı [4] 2.4. Mekanik Özellikler Balata malzemesi olarak C/C-SiCkompozitlerin mükemmel sürtünme özelliklerine ek olarak iyi mekanik özelliklere sahiptir. Tablo 1 dec/c-sic mekanik özellikleri 'de görülmektedir [11]. Tablo 1. C/C-SiC mekanik özellikleri [11] Yoğunluk (g/ cm -3 ) 2,2 Açık gözeneklilik (%) 6 Eğme mukavemeti (MPa) ll 134 174 Basma mukavemet (MPa) ll 188 241 Darbe tokluk (kj/m 2 ) ll 16 25 ll: paralel, :Dikey Eğme şekil değiştirme eğrileri Şekil 3'de gösterilmiştir. Eğme testlerinde elde edilen sonuçlarda plastik benzeri davranış sergilemektedir [11]. Güvenli bir frenleme sağlamak için fren balataları mükemmel bir darbe mukavemeti sahip olmalıdır. Tablo 1 de görüldüğü gibi C/C-SiC kompozitler çok iyi darbe direncine sahiptirler [11]. Şekil 3. Basma mukavemeti ve yer değiştirme eğrileri [11] 12
Yıldırım H., Mutlu İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 9-14 2.3. Sürtünme Özellikleri Dinamik ve statik sürtünme katsayısı ile aşınma hızı değerleri fren balataları için önemli parametrelerdir. Dinamik Sürtünme katsayısı arttıkça fren verimliliği de artmaktadır. C/C-SiC kompozitlerin tribolojik özellikleri tablo 2 'de gösterilmiştir. Sürtünme aşınma deneylerinde önce C / C-SiC- çelik alaşımı ve sonrasında C / C-SiC - C/C-SiC deneyleri yapılmıştır. Deneylerde C/C-SiC ün iyi mekanik özellikler, mükemmel tokluk, düşük sıcaklık, daha düşük aşınma oranı ve ani darbeler karşısında dayanıklılık özelliklerini sergilediği sonuçlarına varılmıştır. Tablo 2. C/C-SiC kompozitlerin tribolojik özellikleri [11] 3. SONUÇ VE ÖNERİLER - Düşük yoğunluk, yüksek termal şok direnci, ve iyi abrasiv direnci sayesinde C/C-SiC kompozitleri, fren ve kavram sistemleri için uygulanabilir. - C/C-SiC kompozitler veya seramik kaplamalar ile aşınma oranında iyileşmeler sağlanabilmektedir. - C/C-SiC kompozitleri benzer şekilde yüksek sıcaklığa ulaşıldığında da fren performansını olumlu etkilemektedir. - Balataların kabul edilebilir aşınma oranıyla serbest aşınma diski kombinasyonunda fren disklerinin ömrünün yüksek olduğunu gösterir. 4. KAYNAKÇA Karşı malzeme Çelik C/c-sic Statik sürtünme faktörü 0.28 0.21 Dinamik sürtünme faktörü 0.25 0.29 Kararlılık katsayısı 0.74 0.61 Fren güçü (w cm -2 ) 317.1 375.5 Fren enerjisi (j cm -2 ) 1745.7 1728.7 Alt yüzey sürtünmesinin 444 342 sıcaklık o C Aşınma oranı (µm çevrim -1 ) 2.88 1.25 Karşı parça aşınma oranı (µm çevrim -1 ) 1. Dong C., Hwang G., and Yung G., (2012), «Modeling studies on the effects of the process parameters in forced-flow chemical vapor infiltration reactor for the preparation of C/C composites.» Korean J. Chem. Eng., 29(9), 1266-1271. 2. Zaidi H., Senouci, A., (1999),«Thermal tribological behaviour of composite carbon metal/ steel brake.» Applied Surface Science, 144-145 / 265 271. 3. Kukutschová, J., Roubíceka, V., Maslán, M., Jancík, D., Slovák, V., Malachová, K., Pavlíˇcková, Z., Filip, P., (2010)«Wear performance and wear debris of semimetallic automotive.» Wear 265 271, 86 93. 4. K.- H. Ima, D.K. Hsub, H. Jeong. (2000)«Material property variations and defects of carbon/carbon brake disks monitored by ultrasonic methods.» Composites: Part B 31, 707-713. 13 3.38 1.63
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) 9-14 Sıvı Silisyum İnfitrasyon Yöntemi 5. Kermc. M., Kalin, M., Vizintin, J., (2005) «Development and use of an apparatus for tribological evaluation of ceramic-based brake materials.» Wear259, 1079 1087. 6. Patel, M., Saurabh, K., Prasad,V.V.B., and Subrahmanyam, J., (2012) «High temperature C/C SiC composite by liquid silicon infiltration: a literature review.» Indian Academy of Sciences 35, 63 73. 7. Mosleh,M., Blau J.P., Dumitrescu, D., (2004) «Characteristics and morphology of wear particles from laboratory testing of disk brake materials.» Wear256,1128 1134. 8. Blau, J.P., Harry Meyer M. III. (2003) «Characteristics of wear particles produced during friction tests of conventional and unconventional disc brake materials.» Wear 255, 1261 1269. 9. Luoa, R.,Li, Q., (2004), «Brake characteristics of 2D carbon/carbon composites prepared by rapid direction diffused CVI technology.» Materials Science and Engineering A 379 2004: 33 38. 10. Fan, S., Zhang, Z., Cheng, L., Zhang, J., Yang, S., Liu, H., (2011)«Wear mechanisms of the C/SiC brake materials.» Tribology International 44, 25 28. 11. Fan, S., Zhang, L., Cheng, L., Zhang, J., Yang, S., Liu, H.,(2011) «Microstructure and properties of 3D needle-punched carbon/silicon carbide brake materials.» Tribology International, 25 28. 12. Fan, S., Zhang, L., Xu, Y.D., Cheng, L., Lou, J., Zhang, J., Yu, L., (2007) «Microstructure and properties of 3D needle-punched carbon/silicon carbide brake materials.» Composites Science and Technology 67, 2390 2398. 13. Srivastava, V. K. (2012) «Micro-Structural Characterization of Si-SiC Ceramic Derived from C/C-SiC Composite.» American Journal of Materials Science 2 (1), 1-4. 14. Leea,J. Y., Joob, H.J., (2004) «Ablation characteristics of carbon fiber reinforced carbon (CFRC) composites in the presence of silicon carbide (SiC) coating.» Surface and Coatings Technology 180 181: 286 289. 15. Zhu, Y., Huang, Z., Dong, S., Yuan, M., Jiang, L.D., (2008) «Manufacturing 2D carbon-fiber-reinforced SiC matrix composites by slurry infiltration and PIP process.» Ceramics International 34, 1201 1205. 16. Xin, J.Z., Fan,S.,Tong, L.Z., Fe, L.C.,Jie, S.Y.,Lai G.T., (2010) «Microstructure and frictional properties of 3D needled C/SiC brake materials modified with graphite.» Trans. Nonferrous Met. Soc.China 20, 2289-2293. 17. Li,Z., Xiao, P., Xiong, X.,Huang, Y.B., (2013)«Preparation and tribological properties of C fibre reinforced C/SiC dual matrix composites fabrication by liquid silicon infiltration.» Solid State Sciences, Volume 16, 6 12. 14