Teknolojik Seramikler-2 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 taşıtları 6. Yüksek sıcaklık uygulamaları 7. Enerji üretimi 8. Biyoteknoloji uygulamaları 9. Elektriksel, elektronik ve manyetik uygulamalar 2
1. Yapısal 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 bilyalarda, kesici uçlarda, rulmanlarda, pompalarda, dişçi matkaplarında ve özel bazı gereçlerde kullanılır. Silisyum nitrür ve SiAlON lar gaz türbin motorlarında kullanılmak üzere geliştirilmektedir. 3 Bor karbür ve alümina, rulman ve sızdırmazlık elemanlarında da kullanılır.
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 da kullanılırlar. Bu tür uygulamalarda seramiklerin üstünlükleri bozunma dayanımı, yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısıdır. 4
Bilyalı Rulman 5 SiC conta C salmastra
Seramik bilye ve rulmanların çelik rulmanlara göre avantajları: 6 Yoğunlukları (ağırlığı) % 40 daha düşüktür. Elastik modülleri % 50 daha fazladır. Sürtünme katsayıları daha düşüktür. Yüzeyleri sertliğini kaybetmeden (1000 o C ye kadar) yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Yağ sarfiyatı azdır. Düşük titreşimle dönerler. Korozyon ve kimyasal maddelere dayanıklıdırlar. Anti manyetiktirler. Kullanım ömürleri uzundur.
Bazı parçalarda 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 değiştirilerek daha yüksek kullanım ömrü ve daha iyi sızdırmazlık 7 sağlanır.
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. 8 Çeşitli Valfler
9 Sıcak presleme ve şekillendirme kalıpları iyi bilinen 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.
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. 10 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. 11
12 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.
2. Askeri uygulamalar Yüksek performanslı seramikler günümüzde silahların ve savunma donanımlarının önemli parçalarıdır. Elektronik ve optik seramikler füze kılavuz donanımları, uçaklar ve askeri yer araçlarında kullanılır. Çoğu askeri radar iletişim düzeni (algılayıcı) seramiklerden yararlanır. Askeri uçakların ön panelinde kevlar/cam-seramik kalkanlar kullanılır. Ayrıca helikopterlerde askeri manevralarda gerekli olan parçalarında da ileri seramikler kullanılır. 13
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. 14
Seramik zırh plakalar Göğüs kalkanı 15
3. Kesme takımları Seramik 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, SiC kesme takımları ve sert karbür kesme uçları verilebilir. 16 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.
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. 17
18 Kesici Uçlar
4. Aşındırıcılar 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. 19
Ayrıca kuvars kumu aşındırıcı kaplamalar ve kumlama için kullanılır. 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. 20
Aşındırıcı taşlar Taşlama diskleri 21 Zımparalar Alümina ve elmas kesme diskleri
5. Kara ve hava taşıtlarındaki kullanım Seramiklerin kara taşıtlarındaki kullanım alanları arasında turbo şarj rotorlar, egzost kanal astarları, katalitik dönüştürücüler için petekler, bujiler ve algılayıcılar bulunur. Si 3 N 4 den yapılma turbo şarj rotorlar 1987 den beri kullanılmaktadır. 22 Si3N4 türbin
Katalitik dönüştürücü, CO ve çeşitli hidrokarbonun tepkimesini kolaylaştırır ve zararsız CO 2 ve H 2 O açığa çıkmasına ve aynı anda zehirli NO x gazlarının N 2 ve O 2 ye dönüşmesine yardımcı olur. Genellikle enjeksiyonla üretilmiş bir veya iki parça kordiyerit petek gövdeden oluşur. Bu gövdeler soy metallerle (Pt, Rh, Pd) karıştırılmış alümina ile kaplı olup titreşim sönümleyici malzemelerle sarılır ve çelik bir gövdeye yerleştirilir.. 23 Katalitik konvertör
Grafit fren diskleri Hız sensörünün yeri Otomotiv uygulamalarında ayrıca, kaza, basınç, sıcaklık, yağ ve sıvı düzey, yol yüzeyi sensörleri piezoelektrik seramiklerden yapılmaktadır. 24
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 Ceramic Composit Brake) adıyla anılan sistem yüksek performanslı lüks otomobillerde kullanılmaktadır. 25
Seramik fren disklerinin avantajları: 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. 26 Seramik disklerin dezavantajı pahalı ve az bulunan bir sistem olmasıdır.
Ferrari nin kullandığı seramik fren diski Audi nin kullandığı seramik fren diski 27 Porsche nin kullandığı seramik fren diski Mercedes in kullandığı seramik fren diski
6. Yüksek sıcaklık uygulamaları 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 yüksek yoğunluklu astar malzemesi kullanılır. Dış katmanlar ısıl yalıtım sağlamalıdır. Düşük ısıl iletkenlik, yüksek ergime sıcaklığı, düşük ısıl genleşme gerekli olan en önemli özelliklerdir. 28
Grafit pota Yüksek sıcaklık fırın malzemeleri 29
Seramik olarak Al 2 O 3, SiC, Si 3 N 4, BN, AlN gibi özel ve forsterit, magnezit, zirkon gibi geleneksel yüksek sıcaklık malzemeleri kullanılmaktadır. Isı değiştiriciler, daldırma boruları, fırın bileşenleri, yalıtkanlar, koruma kılıfları, egzost akış filtreleri yüksek sıcaklık uygulamalarına örnek olarak verilebilir. Filtreler 30
Isıtıcı tel olarak vakum altında grafit tercih edilirken oksitleyici ortamlarda SiC ve ZrO 2 kullanılır. Ancak bu ısıtıcılar sırası ile 1500 ve 2000 o C de kullanılabilirken grafit ısıtıcılar 2000 o C nin üzerinde kullanılabilir. 31 Isıtıcı telleri (SiC)
7. Enerji üretiminde Seramik malzemeler nükleer uygulamalarda da kullanılmaktadır ve daha da yeni kullanım alanları araştırılmaktadır. Atom parçalanması (fisyon) tepkimelerinde B 4 C, denetim çubuğu ve nötron soğurucu olarak kullanılır. Bunlar genellikle Ar atmosfer altında dizilen bor karbür diskler içeren paslanmaz çelik silindirlerden oluşur. Bu reaksiyonlarda ayrıca grafit ve BeO de kullanılır. 32 Bu alanda seramik malzemelerden yapılmış olan oksijen sensörleri ve tepkimelerin gerçekleştiği potalar da kullanılmaktadır.
33 Atom çekirdeklerinin parçalanması sonucunda büyük bir enerji açığa çıkmaktadır. Ağır atom çekirdeklerinin nötronlarla bombardımanı sonucunda bu çekirdeklerin parçalanması sağlanabilir; bu tepkimeye fisyon adı verilmektedir. Her bir parçalanma tepkimesi sonucunda açığa fisyon ürünleri, enerji ve 2-3 adet de nötron çıkmaktadır.
Atomsal birleşme (füzyon) işlemlerinde de seramik malzemelerden yararlanılmaktadır; manyetik sargılar, yalıtkanlar, yapısal parçalar, akım kesiciler, vs Atomsal Birleşme (füzyon) 34
Ayrıca işlemler sırasında kullanılan yakıtlar da seramiktir. Seramik yakıtlar; (U 0,8 Pu 0,2 )O 2(-x), ThO 2, uranyum veya plutonyumun karbürleri, nitrürleri ve karbonitrürleridir. Örnek olarak; MgAl 2 O 4, MgO, Al 2 O 3, BeO, Si 3 N 4, SiC, Li 2 ZrO 3, Li 2 TiO 3 35
8. Biyoteknoloji uygulamaları 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 vücut sıvıları ile reaksiyona girmez. 36 Bir de çevresindeki dokularla kimyasal bağ oluşturan cam ve cam-seramikler ve hidroksiapatit kullanılmaktadır. Bu camların temel bileşenleri; SiO 2, CaO, MgO, K 2 O, P 2 O 5 ve Na 2 O dur.
Kalça protezi Diz protezi 37 Omuz protezi
Örnek uygulama: Kalça Protezi 38 Alüminyum oksit malzemenin sertliğini ve aşınma direncini arttırırken, zirkonyum oksit, diğer katkı maddeleri ile birlikte, daha iyi mekanik özellikler kazandırır. Bu özellikler, başka özelliklerin yanı sıra, malzemenin yüksek sağlamlıkta ve yüksek yoğunlukta olması ve alüminyum oksit matrisinin çok küçük tanecik büyüklüğünün olması ile elde edilir. Sonuç, yüksek performanslı seramiktir: Mükemmel biyouyum, düşük aşınma, yüksek sertlik, daha iyi mekanik özellikler ve özellikle sertliği sayesinde mükemmel kimyasal ve hidrotermal stabilite.
BIOLOX malzemesinde kullanılan ilk sertleştirme mekanizması stabil bir alüminyum oksit matrisi içinde yttria-stabilize tetragonal küçük, homojen bir dağılımı olan zirkonyum oksit partiküllerinden (Y- TZP) meydana gelmiştir. Bu zirkonyum partikülleri çatlakların başlamasını ve genişlemesini engeller. 39 İkinci sertleşme mekanizması pulcuğa benzer kristaller oluşturan stronsiyum oksitin eklenmesi ile elde edilir. Bu pulcuklar çatlakları saptırarak enerjiyi yayar ve bu sayede madde mukavemetini ve sertliğini arttırır.
9. Elektriksel, elektronik ve manyetik uygulamalar Teknolojik önemi olan elektronik seramik türleri arasında; yalıtkanlar, yarıiletkenler, varistörler, termistörler, piezoelektrikler, süperiletkenler, manyetik seramikler bulunur. 40
Elektronik seramiklerde; - Kullanılan malzemeler son derece saftır - İnce ve ufak şekiller için gelişmiş şekillendirme yöntemlerine ihtiyaç vardır. - Bileşimi, -Kristal yapısı, -Tane sınırları, -Boşluk miktarı ve -Yüzey yapısı çok önemlidir. 41
Yalıtkanlık, malzemenin yüksek gerilimlerde enerji tutma yeteneğinin ölçüsüdür. Elektriksel yalıtkanlık gücü, birim uzunluk için akım geçişinin oluştuğu gerilim olarak tanımlanabilir. Yani malzemenin elektrik geçişi olmadan elektriksel yalıtkanlığını koruyabildiği en büyük elektrik alanıdır. Birimi kilovolt/mm dir. Yalıtkan seramiklerin önemli uygulama alanları elektronik devrelerdeki altlıklardır. Aynı zamanda kimyasal kararlılık ve mekanik dayanım da istenir. Örnek; Al 2 O 3, BeO, AlN. Güç iletim hatlarındaki porselen yalıtıcılar ve motorlardaki bujiler de yalıtkan seramikler grubundadır. 42
Bazı seramikler bir takım elektrikli cihazların çalışması için gerekli yarı iletken özelliklere sahiptir. Yarı iletken seramikler Mn, Ni, Fe, Co ve Cu elementlerinin sinter oksitleridir. Yarı iletken seramikler sıcaklık ölçme, ışık şiddetini ölçme ve basınç ölçme gibi işlemler için kullanılırlar. Varistör malzemelerinin öncelikli işlevi elektronik devrelerde oluşan aşırı voltaj geçişlerini engelleyerek voltajı sınırlamak ve devreyi hasardan korumaktır. Örnek olarak ZnO, SiC, MoSi 2, SnO 2 verilebilir. 43
Termistör Varistör 44
Piezoelektrik seramik diye adlandırılan bir grup seramik, zayıf basınç sinyallerini elektrik sinyaline çevirebilmekte ya da tersini yapabilmektedir. Piezoelektrik etki elektromekanik bir etki olup, mekanik kuvvetler elektriksel bir tepkiye, elektrik kuvvetleri de mekanik bir tepkiye neden olmaktadır. Baryum titanat, kurşun zirkonat (PbZrO 3 )-kurşun titanat (PbTiO 3 ) katı çözeltileri (ki bunlara PZT seramikleri de denir), piezoelektrik etki diye adlandırılan özelliğe sahiptir. 45
Bir elektriksel alan (V/m) uygulandığında oluşan şekil değiştirme oranı e (mm/mm) aşağıdaki gibi alan şiddeti ile orantılıdır. e = g.e Burada g, piezoelektrik sabit (m/v) MALZEME g (m/v) SiO 2 2,3 x 10-12 BaTiO 3 100 x 10-12 PbZrTiO 6 250 x 10-12 46 Kuvars saatlerde ve radyo yayınlarında frekans kontrolünde, baryum titanat ise iletişim araçlarında, ultrasonik temizleme aygıtlarında kullanılmaktadır.
Süperiletkenler, belirli bir sıcaklık (Kritik sıcaklık:tc) altına soğutulduklarında akımı dirençle karşılaşmadan geçirerek elektriksel iletkenlikleri sonsuz olan malzemelerdir. Süper iletken tel ve kablolar, önemli miktarda enerji tasarrufu sağlar, ısınma olmadığında daha küçük ve daha hızlı bilgisayarlar yapılmasını sağlar, daha hızlı ve küçük elektrik motorları yapımını sağlar. Ayrıca sürtünmesiz hareket eden hızlı trenler de süper iletkenler kullanılarak yapılmıştır. Örnek olarak; YBa 2 Cu 3 O 7-x 47
Süper iletkenler üzerinde yapılan çalışmaların temel hedefi kritik sıcaklığı (Tc) oda sıcaklığına yakın olan malzemeyi keşfetmektir. Bu konuda özellikle oksit seramikler üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Şu ana kadar yapılan çalışmalarda en yüksek kritik sıcaklık değeri 138 K olarak Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 malzemesi için kaydedilmiştir. Süper iletkenler hızlı trenlerde, tıpta ve askeri amaçlı elektronik cihazlar olmak üzere pek çok alanda kullanılmaktadır. 48
Eskiden, demir metal tozları kaydedicilerde manyetik ortam olarak kullanılmaktaydı. Daha sonra video kaydedicilerin ortaya çıkmasıyla daha yoğun kaydedicilere gereksinim duyuldu. Baryum ferrit (BaFe 12 O 19 ) ve PbFe 12 O 10 partikülleri manyetik malzeme olarak kullanıldı. Böylece kayıt etme özelliği artırıldı. Bu seramikler iletişim (TV, radyo,..), yüksek ferkanslı aydınlatma, kayıt başlıkları ve manyetik kayıt ortamlarında bulunur. 49
50 Bazı Elektroseramik parçalar
Tablo. Bazı ileri teknoloji seramiklerinin özellikleri Malzeme Özgül ağırlık (g/cm 3 ) Basma muk. (MPa) Eğme muk. (MPa) Elastisite (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 51