YAPISAL SERAMİK MALZEME TEKNOLOJİSİ-2 Yapısal seramik malzemelere giriş ve kullanım alanları 1 Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu
İleri Teknolojik Seramiklerin Uygulama Alanları 1. Yapısal uygulama alanları 2. Askeri uygulamalar 3. Kesme takımları 4. Aşındırıcılar 5. Kara ve hava taşıtlarında 6. Yüksek sıcaklık uygulamaları 7. Enerji üretiminde 8. Biyoteknoloji uygulamaları 9. Elektriksel, elektronik ve manyetik uygulamalar 2
Alümina (Al 2 O 3 ), önceleri yüksek sıcaklıkta kullanılan güçerir boru ve yüksek saflıkta pota üretimi için tercih edilirken, bugün buji yalıtkanı gibi düşük elektriksel yalıtkanlık kaybı ve yüksek özdirenç istenen yüksek kaliteli elektrik uygulamalarında önemli yer tutar. Silisyum nitür (Si 3 N 4 ), yeterli dayanım, kırılma tokluğu ve güçerirlik özelliklerinin istendiği uygulamalarda aranan bir türdür. 1800 C üzerinde ayrıştığından, sinterlenemez. % 1-5 MgO ve/ya Y 2 O 3 katılırsa, sinterleşme kolaylaşır. Çünkü, yüksek sıcaklıklara dayanıklı oksinitür oluşur. Kesme takım malzemeleri, bilya yatakları ve oto motorlarında kullanılmaktadır. 3
Silisyum karbür (SiC), üstün yüksek sıcaklık yükseltgenme direncine sahip, çok sert, kimyasal kararlı, aşınmaya dirençli bir güç erir karbürdür. Ancak, nispeten kırılgan ve düşük kırılma tokluğundadır. Kimyasal dayanım açısından, contalar, valfler, roket memeleri, püskürtmeli kurutmanın aşınma levhaları ve tel çekme kalıpları en çok kullanıldığı yerlerdir. Aşınma ve erozyon özellikleri açısından, destek yatakları, bilyalı yataklar, pompa pervaneleri belli başlı kullanım alanlarıdır. Isı ve sürtünme direnci özelliği, roket memesi boğazında, ısı değiştirici tüplerinde, yayınım fırınlarında etkindir. Son yıllarda, lifli karma (kompozit) malzemeler yapımı üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Zirkonya (ZrO 2 ), çok yapılı olan (polimorfik) saf zirkonya, 1170 C de hacim genleşmesiyle monoklinikden tetragonal yapıya dönüşür. Bu nedenle kolay çatlar. CaO, MgO, Y 2 O 3 gibi diğer güç erir oksitler katıldığında kübik yapı oda sıcaklığında kararlılaştırılabilir. 4
5 Bazı yüksek sıcaklık oksitlerinin önemli özellikleri
Yapısal Seramiklerin Uygulama Alanları Bazı örnekler; rulmanlar, sızdırmazlık elemanları, balistik kalkanlar, astarlar, püskürtme uçları ve kesme takımları, Seramik rulman ve mil uçları maliyeti yüksek olduğundan yüksek hassasiyetteki düzeneklerde kullanılmaktadır. Si 3 N 4 bilyalar, kesici uçlar, rulmanlarda, pompalarda, dişçi matkaplarında ve özel bazı gereçlerde kullanılır. Silisyum nitrür ve SiAlON lar gaz türbin motorlarında kullanılmak üzere geliştirilmektedir. Bor karbür ve alümina, rulman ve sızdırmazlık elemanlarında kullanılmaktadır. 6
Bu tür seramiklerin çelik gibi geleneksel malzemelere üstünlükleri düşük yoğunluk, daha yüksek aşınma dayanımı ve üstün yüksek sıcaklık özellikleridir. SiC rulmanlar 1980 li yıllardan beri seri üretimdedir. Ayrıca musluk rondelası, pompa ve üfürücülerde mekanik sızdırmazlık parçalarında kullanılır. Bu tür uygulamalarda seramiklerin üstünlükleri bozunma dayanımı, yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısıdır. 7
Hibrid Seramik Rulman (Si3N4 bilyalı-çelik) ZrO2 bilyalı rulman 8 SiC conta C salmastra
Seramik bilyeler ve rulmanlar çelik rulmanlara göre aşağıdaki avantajlara sahiptir: 9 Yoğunluğu (ağırlığı) % 40 daha düşüktür. Elastik modülü % 50 daha fazladır. Sürtünme katsayısı daha düşüktür. Yüzeyler sertliğini kaybetmeden (1000 o C ye kadar) yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Yağ sarfiyatı azdır. Düşük titreşimle dönerler. Korozyon ve kimyasal maddelere dayanıklıdırlar. Anti manyetiktir. Kullanım ömürleri uzundur.
Sızdırmazlık bir çift halka ile sağlanır. Bunlardan biri durağandır, diğeri çevresel hareket yapar ve ikisi arasında belli bir aralık bulunur. Halkalar yuva ve mil sayesinde esnek olarak desteklenir. Sert/yumuşak kaygan malzeme çiftlerinde aşınan eş olarak Sb veya sentetik reçine emdirilmiş karbon kullanılır. Ancak seçici bozunma ve hızlandırılmış aşınma yüksek sızma oranlarına neden olur. Bu sorunu çözmek için WC halkalar SiC halkalarla ve Sb emdirilmiş karbon parçalar ise sentetik reçine emdirilmiş yüksek dayanımlı karbon içeren grafit ile değiştirilmiştir. 10
Bazı sızdırmazlık parçalarında çelik yuva halkası bozunma ve erozyonun önlenmesi için ZrO 2 ile değiştirilmiştir. Seramik malzemeler, tuzlu su, kömür tozu içeren çamur gibi bozundurucu ve aşındırıcı sıvıların iletiminde kullanılan yüksek dayanımlı valflerde de tercih edilmektedir. 11 Çeşitli Valfler
Sıcak presleme ve şekillendirme kalıpları iyi bilinen yapısal uygulamalardır. Grafit kalıplar (oksitleyici olmayan) ortamlarda rakipsizdir. Çünkü grafit kolay işlenir ve 2000 o C ye kadar yapısal ve mekanik kararlılık, parça kalıp ayrılmasını kolaylaştıran çok düşük sürtünme katsayısı gibi özelliklere sahiptir. Sıcak pres kalıpları 12
Al 2 O 3, BN, SiC çelik üretim tesislerinde taşımada yuvarlama parçası olarak kullanılır. Al 2 O 3 dan yapılan boru ve tel çekme kalıpları, tekstil endüstrisinde kullanılan kılavuzlar yaygın şekilde kullanılmaktadır. 13 Tekstilde kullanılan klavuzlar
Çinko-karbon piller için karbon parçaların sıkıştırılmasında kullanılan stellit kalıpların yerine Si 3 N 4 başarılı bir biçimde kullanılmıştır. Bu değişim kalıp ömrünü 10.000 den 50.000 e çıkarmıştır. İlave olarak Ti dış gömlek uygulamasıyla bu sayı 100.000 e ulaşmıştır. Ayrıca Al 2 O 3, BN, Si 3 N 4 ve MgO gibi seramik malzemeler içecek otomatlarında da kullanılmaktadırlar. Bu otomatlarda gazlı içecek valflerinin piston ve silindirlerinde kullanılmaktadırlar. Bu valfler CO 2 ve şurubun karıştırılması sırasında bozunma ve aşınmaya dayanıklı olmak zorundadır. 14
Seramik membranlar süzme ve filtreleme alanında kullanılırlar. Süt endüstrisi, meyve suyu, bira ve şarap üretimi, kimyasal ve biyoteknolojik uygulamalar örnek olarak verilebilir. Bu tür mikro süzme uygulamalarında genellikle alümina membranlar kullanılır. 15
Askeri uçakların ön panelinde kevlar/cam-seramik kalkanlar kullanılır. Ayrıca helikopterlerde askeri manevralarda gerekli olan parçalarında da ileri seramikler kullanılır. 16 Seramik zırh plakalar Göğüs kalkanı
Yapısal seramiklerin önemli uygulama alanları arasında stratejik füzeler için atmosfere yeniden dönüş koruma parçaları, füze uçları ve çıkış konileri, askeri ve ticari uçaklar için fren diskleri bulunur. Bu tip malzemelerde yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek tokluk, ısıl darbe direnci, erozyon direnci ve yüksek hızda düşük sürtünme özellikleri bulunur. Seramik karolar yer araçlarını kurşun, patlayıcı ve kimyasal etkilere karşı korumak amacıyla kullanılır. Günümüzde kullanılan seramik kalkanlar; Al 2 O 3 -SiC, SiC veya B 4 C katkılı borosilikat cam gibi karma malzemeler ve Al 2 O 3, SiC, TiB 2, AlN ve B 4 C gibi tek seramikler kullanılır. Seramik malzemelerin kalkan olarak kullanılabilmesi için balistik ve düşük ağırlık özelliklerinin olması gerekir. 17
Seramik kesici takımlar yüksek sıcaklıkta sertliklerini koruyabilir ve işlenen parça ile tepkimeye girmez. Diğer üstünlükler arasında uzun takım ömrü, çok yüksek hızda işleme olanağı ve çok yüksek talaş alma hızı bulunur. Bazı uygulamalarda uygun bağlayıcılarla bağlanmış seramik tozlar kullanılsa da bir çok kesme ucu tek parça seramikten yapılır. Örnek olarak; reçine ile birleştirilmiş elmas ve SiC kesme takımları ve sert karbür kesme uçları verilebilir. Sert karbürler bir bağlayıcı (genelde Co) ile birleştirilmiş WC, TiC, TaC veya NbC olabilir. Kesme işlevselliğini arttırmak için TiN, Al 2 O 3 veya çok katlı kaplamalar kullanılabilir. 18
Al 2 O 3 ve Al 2 O 3 -TiC den yapılmış kesme uçları da kullanılmaktadır. Ayrıca son yıllarda Si 3 N 4 ve SiAlON kesme takımları geliştirilmiştir. Çok kristalli elmas ve kübik bor nitrür kesme uçları WC-Co taban üzerine ince bir seramik katmanın giydirilmesi ile elde edilir. Bu uçlar var olan en sert uçlardır ve pahalıdır. 19
20 Kesici Uçlar
Aşındırıcılar başka malzemelerin kesilmesi ve aşındırılması için kullanılan sert malzemelerdir. Bunlar genellikle taşlama diskleri ve taşlama takımlarında kullanılır. Aşındırıcı tozlar çoğunlukla fenol reçineleri, lastik, camsı bağlayıcılar ve metal bağlayıcılarla birleştirilir. Cam, mermer, metal ve seramik gibi çeşitli malzemelerin perdahlama ve parlatma işlemleri SiC, Al 2 O 3 veya elmas gibi serbest aşındırıcıların bulunduğu bir kumaş ile yapılır. 21
Ayrıca kuvars kumu, aşındırıcı kaplamalar ve kumlama için kullanılabilir. En yaygın seramik aşındırıcılar Al 2 O 3, SiC, elmas ve kübik BN dür. Aşındırıcı disklerde tane boyutu yüzey pürüzlülüğüne ve malzeme eksilme hızına etki eden en önemli faktördür. Küçük taneler yüzey niteliğini iyileştirirken daha büyük taneler de malzeme eksilme hızını arttırır. 22
Aşındırıcı taşlar Taşlama diskleri 23 Zımparalar Alümina ve elmas kesme diskleri
Otomobil fren sistemlerinde kullanılan seramik diskler frenleme sırasında yüksek ve sabit bir sürtünme düzeyi sağlar. Disk frenler sayesinde frenlemede ısı sorunu kalmaz ve hem fren mesafesi azalır hem de fren gücünde ısınmadan kaynaklanan azalma olmaz. Karbon seramik fren diskleri geleceğin otomobil fren teknolojisi açısından çok önemli bir yere sahiptir. Formula 1 araçlarında da kullanılan seramik diskler 1999 yılında Porsche tarafından geliştirilmiştir. PCCB (Porsche Ceramik Composit Brake) adıyla anılan sistem yüksek performanslı lüks otomobillerde kullanılmaktadır. Grafit fren diskleri 24
Seramik fren disklerinin özellikleri: Daha çabuk soğur. Yüksek ısıya dayanıklıdır. Toz tutmaz, normal frenlerden daha az ve açık renkte toz üretir. Bu nedenle toz tekerleklere ve disklere yapışmaz. Fren sesini azaltır. Konforlu bir sürüş hissi verir. Daha güçlü frenleme sağlar. Duruş mesafesini kısaltır. Aracın kontrolünü kolaylaştırır. Normal disklere göre %50 daha hafiftir. Normal disklere göre 4 kat daha dayanıklıdır. Islak kuru tüm yol koşullarında daha dayanıklı ve performanslı frenleme sağlar. 1600 o C sıcaklığa kadar dayanıklıdır. Balatalar suyu emmediği için ıslak yollarda son derece güvenlidir. Seramik disklerin dezavantajı pahalı ve az bulunan bir sistem olmasıdır. 25
Ferrari nin kullandığı seramik fren diski Audi nin kullandığı seramik fren diski Porsche nin kullandığı seramik fren diski 26 Mercedes in kullandığı seramik fren diskleri
Seramik malzemeler yüksek sıcaklık dayanımları ile tanınır. Yüksek sıcaklık seramikleri buhar kazanları, taşıma potaları, seramik fırınları ve diğer fırınlarda astar olarak kullanılırlar. En zararlı ortamlarla (ergimiş metal, curuf, sıcak gazlar ve bozundurucu atıklar gibi) temas eden en iç katmanlarda daha yüksek yoğunluklu astar malzemesi kullanılır. 27 Seramik fırın astarı
Grafit pota Yüksek sıcaklık fırın malzemeleri 28
Seramiklerin yapısal uygulama alanlarından olan biyoseramik malzemeler insan kalça, diz, omuz, dirsek parmak ve bileklerin onarımı ve değiştirilmesinde kullanılmaktadır. En çok mikrogözenekli Al 2 O 3, ZrO 2 ve hidroksiapatit kullanılmaktadır. Bunlar hiçbir şekilde reaksiyona girmez. Bir de çevresindeki dokularla kimyasal bağ oluşturan cam ve cam-seramikler kullanılmaktadır. Bu camların temel bileşenleri; SiO 2, CaO, MgO, K 2 O, P 2 O 5 ve Na 2 O dur. 29
Kalça protezi Diz protezi 30 Omuz protezi
Tablo. Bazı ileri teknoloji seramiklerinin özellikleri Malzeme Özgül ağırlık (mg/m 3 ) Basma muk. (Mpa) Eğme muk. (MPa) Elastite (MPa) Ergime sıcaklığı ( o C) Al 2 O 3 3,9 3000 300-400 390000 2050 SiC 3,2 2000 200-500 414000 2500 Si 3 N 4 3,2 1200 300-850 304000 1900 ZrO 2 5,6 2000 200-500 138000 2570 31