CALLİSTER-Seramiklerin Üretimi ve Uygulamaları
Yüksek sıcaklıkta yapılacak uygun bir ısıl işlemle birçok inorganik cam, amorf (kristal olmayan) halden, kristal yapılı hale dönüştürülebilir. Bu sürece kristalleşme adı verilir ve ürün, genellikle cam-seramik olarak adlandırılan ince taneli çok kristalli malzemedir.
Cam-seramik malzemeler, nispeten yüksek mekanik dayanım, düşük ısıl genleşme katsayısı (ısıl şoku önlemek için), nispeten yüksek sıcaklıkta çalışma kabiliyeti, yüksek elektriksel yalıtkanlığın (elektronik paketleme uygulamaları için) yanı sıra biyolojik açıdan iyi bir uyumluluk sağlayacak şekilde tasarlanır. Tablo 13.1
Kil bazlı ürünlerin çoğu iki temel grup içinde sınıflandırılırlar; bunlar yapısal kil ürünler ve beyaz mutfak eşyalarıdır. Yapısal kil ürünleri, tuğla, fayans ve yapısal bütünlüğü önemli olan kanalizasyon boruları uygulamalarını içerir. Beyaz seramik eşyalar ise yüksek sıcaklıkta pişirme sonrası beyazlaşır.
Büyük miktarlarda kullanılan seramiğin bir başka önemli türü refrakter seramiklerdir. Bu malzemelerin dikkat çekici özellikleri olarak; ergime ya da kimyasal bozunma olmadan yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyeti ve şiddetli kimyasal ortamlarda reaksiyona girmemesi ve inert kalması sayılabilir. Buna ek olarak, ısıl yalıtım kabiliyeti de oldukça önemli bir diğer özelliğini oluşturur.
Şamot refrakterlerinde kullanılan başlıca ham maddeler yüksek saflıkta ateş killeri, alümina ve silika karışımlarından oluşur ve bileşim aralığı, genellikle ağırlıkça % 25 ve % 45 arasında alümina içerir. Şamot tuğlalar, esas olarak fırın konstrüksiyonuna etki eden, sıcak atmosferi sınırlandırmak ve ısıl olarak yapı bileşenlerini aşırı sıcaktan yalıtmak için kullanılırlar.
Silika refrakterlerin ana ham maddesi, bazen asidik refrakter olarak da adlandırılan silikadır. Silika, yüksek sıcaklıkta yük taşıma kapasitesinin gerekli olduğu uygulamalar için oldukça yaygın olarak; genellikle de çelik ve cam üretim fırınlarının kemerli tavanlarında kullanılır.
Periklas veya magnezya (MgO) içeriği zengin refrakterler, bazik olarak adlandırılır; bu refrakterler aynı zamanda, kalsiyum, krom ve demir bileşikleri de içerebilir. Silikanın varlığı, yüksek sıcaklık performansı için zararlıdır.
Daha çok özel refrakter uygulamaları için kullanılan diğer seramik malzemelerdir. Bunlardan bazıları nispeten yüksek saflıkta oksit malzemeler olup, çok az gözeneklilik ile üretilmişlerdir. Alümina, silika, magnezya, berilya (BeO), zirkonya (ZrO 2 ) ve müllit (3Al 2 O 3 2SiO 2 ) bu grupta yer alır.
Aşındırıcı seramikler, kendilerinden daha yumuşak olan diğer malzemelerin aşındırılması, taşlanması veya kesilmesinde kullanılır. Bu nedenle, bu grup malzemelerin sözü edilen görevleri yerine getirebilmesi için beklenen ana koşul, sertlik veya aşınma direncidir. Bunlara ilaveten, aşındırıcı parçacıkların kolayca kırılmaması için oldukça yüksek tokluğa sahip olması istenir.
Seramik malzemelerin bazıları inorganik çimento olarak sınıflandırılır. Bu grupta yer alan çimento, paris alçısı ve kireç çok büyük miktarlarda üretilir. Bu malzemelerin temel özelliği; su ile karıştırılınca hamur haline dönüşmesi ve sonrada kıvam alarak (prizlenme) sertleşmesidir. Bu malzeme grubunda en fazla tüketilen, portland çimentosudur. Kil ve kireç içeren minerallerin öğütülme ve uygun oranlarda homojen karıştırılmasından sonra, bir döner fırında 1400 C de pişirilmesiyle, ham maddede fiziksel ve kimyasal değişimler elde edilir. Bu işlem genelde kalsinasyon olarak adlandırılır.
Mikroelektromekanik sistemler (MEMS), bir silikon yüzey üzerinde çok sayıda elektrik elemanlarıyla entegre (bütünleşik) haldeki bir çok mekanik cihazdan oluşan minyatür akıllı sistemlerdir.
Günümüz modern optik iletişim sistemlerinin önemli bir bileşeni, yeni geliştirilmiş ve ileri seramik malzemelerden olan fiber optik kablodur. Fiber optikler son derece yüksek saflıktaki silisyumdan yapılır.
Seramik malzemelerin yeni ve ilginç bir başka uygulaması, rulmanlardaki bilyalardır. Rulman, bilya ve bileziklerin birbirine sürtünerek temas ettiği bir yapıdan oluşur. Geçmişte, bilya ve rulman bileziklerinin her ikisi de geleneksel olarak, çok sert ve yüksek korozyon direncine sahip rulman çeliklerinden, çok düzgün ve parlak yüzeyli olarak imal edilirdi. Son on yıl ve sonrasında, Si 3 N 4 ün çeşitli özelliklerinden dolayı, daha cazip bir malzeme olması nedeniyle, silisyum nitrür (Si 3 N 4 ) bilyalar, bazı uygulamalarda çelik bilyaların yerini almaya başlamıştır.
Kristal malzemeler için, ergime sıcaklığında T e, hacimde geçici bir düşüş söz konusudur. Ancak, camsı malzemelerde hacim, sıcaklık düşüşü ile sürekli olarak azalır. Burada eğrinin eğiminde hafif bir azalma oluşmasına camsı geçiş sıcaklığı, T c ya da kurgusal sıcaklık denir.
Viskozite ekseninde, camın üretimi ve işlenmesiyle ilgili önemli birkaç nokta işaretlenmiştir: 1. Ergime noktası, viskozitenin 10 Pa.s değerini aldığı sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta cam bir akışkan olarak kabul edilebilecek kadar sıvıdır. 2. Şekillendirme başlangıç noktası, viskozitenin 10 3 Pa.s değerini aldığı sıcaklık olup cam bu viskozite değerinde kolayca şekil alır.
3. Yumuşama noktası, viskozitenin 4 10 6 Pa.s değerine aldığı sıcaklıktır. Bir cam parçasının boyutunda önemli değişikliklere neden olmaksızın işlem görebileceği maksimum sıcaklıktır. 4. Tavlama noktası, viskozitenin 10 12 Pa.s değerini aldığı sıcaklık olup atomsal yayınma yeterince hızlıdır, yaklaşık 15 dakika içinde malzemedeki artık (kalıntı) gerilme ortadan kaldırılabilir. 5. Şekil değişimi noktası, viskozitenin 3 10 13 Pa.s değerini aldığı sıcaklıktır. Şekil değişimi noktasının altındaki sıcaklıklar için, malzeme plastik deformasyon göstermeksizin kırılır. Camsı geçiş sıcaklığı, camın şekil değişimi noktasının üzerinde olacaktır.
Seramik malzemeler yüksek bir sıcaklıktan soğutulduklarında, parçanın iç kısmı ile dış yüzeyleri arasındaki farklı soğuma hızları ve büzülme oranlarının neden olduğu, ısıl gerilme olarak adlandırılan iç gerilmeler meydana gelir. Bu ısıl gerilmelerin malzemenin dayanım değerlerini düşürmesi ve şiddetli olması halinde ısıl (termal) şok adı verilen olay neticesinde, malzemede kırılma/çatlamalara yol açması nedeniyle, gevrek seramiklerden olan camlar için özellikle önemlidir.
Bir cam parçasının dayanımı, parça yüzeyinde bilinçli olarak oluşturulacak kalıntı gerilmeler sayesinde artırılabilir. Bu, temperleme olarak isimlendirilen bir ısıl işlem süreciyle gerçekleştirilebilir.
Kil mineralleri seramik ürünün yapısı üzerinde çok önemli iki davranışa neden olur. İlk olarak, kile su ilave edildiğinde, kil hidroplastik (su ile şekil alabilen) olarak da adlandırılan, yüksek plastik özellik kazanır. Bu özellik, yukarıda belirtildiği gibi, şekillendirme işlemlerinde çok önemlidir. Ayrıca, kil bir sıcaklık aralığı boyunca ergir veya ergiyerek birleşir, böylece pişirme sırasında, tamamen ergime olmaksızın, istenilen şekli alarak, yoğun ve sağlam bir seramik parça elde edilebilir.
Kile ilave olarak bu ürünlerin (özellikle beyaz renkli seramiklerin) pek çoğu aynı zamanda bazı plastik olmayan maddeler içerir. Bu plastik olmayan minerallerden bazıları; çakmaktaşı ya da ince öğütülmüş kuvars ve ergitici olarak kullanılan feldispat mineralidir. Kuvars esas olarak ucuz, nispeten sert ve kimyasal olarak reaktif olmadığından dolgu malzemesi olarak kullanılır. Kil ile karıştırılan ergitici (flaks) nispeten düşük ergime sıcaklığına sahip bir cama dönüşür. Feldispatların bazıları ise K +, Na + ve Ca 2+ iyonlarını içeren alüminosilikat malzemelerin bir grubudur ve daha yaygın kullanılan ergitici katkılardır.
Çok bileşenli sistemler için, tozlar, su ve belki de özellikle şekillendirme tekniği ile uyumlu akış özellikleri vermek için, diğer malzemelerle iyice karıştırılmaları gerekir. Şekillendirilen parçaların taşıma, kurutma ve pişirme işlemleri sırasında bozulmadan kalabilmesi için, yeteri mekanik dayanıma sahip olmalıdır. Genelde kil bazlı bileşimlere şekil vermek için hidroplastik ve çamur döküm olmak üzere iki ayrı şekillendirme tekniği kullanılır.
En yaygın hidroplastik şekillendirme tekniği, sert bir plastik seramik hamurun istenilen kesit geometrisine sahip bir kalıp içinde, şekil verme ucu vasıtasıyla basınçla sıkıştırılması metodu olan ekstrüzyondur. Bu metot, metallerin ekstrüzyonuna benzer. Tuğla, boru, seramik bloklar ve fayans gibi ürünler genellikle hidroplastik şekillendirme yöntemiyle imal edilir.
Şekil verilen parça sadece kurutulmuş ancak pişirilmemiş ise ham (sinterlenmemiş) malzeme olarak isimlendirilir.
Kil esaslı malzemeler yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, oldukça karmaşık ve kapsamlı reaksiyonlar meydana gelir. Bunlardan biri camlaşma olup kademeli olarak sıvı bir cam oluşumu ve bunun akmasıyla bazı gözeneklerin hacmi doldurulur.
Pişirme sırasında şekil almış parça kendini bir miktar çeker, gözenekte bir azalmayla birlikte mekanik bütünlükte artış meydana gelir. Bu değişiklikler, toz parçacıklarının birleşimi ile ortaya çıkan ve daha yoğun bir kütleyi oluşturan sinterleme olarak adlandırılan bir süreçtir.