YAPISAL SERAMİK MALZEME TEKNOLOJİSİ 1 MTM 545 İleri teknolojik seramiklere giriş ve sınıflandırılması 1 Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu
DEĞERLENDİRME SİSTEMİ YARIYIL İÇİ SAYISI KATKI PAYI Ara Sınav 1 40 Seminer 1 30 Ödev 1 30 TOPLAM 100 Yıl içinin Başarıya Oranı 60 Finalin Başarıya Oranı 40 TOPLAM 100 2
3 DERS PROGRAMI İleri teknolojik seramiklerin sınıflandırılması Yapısal seramik malzemelere giriş, özellikleri ve kullanım alanları Seramiklerin mekanik özellikleri Üretim Süreçleri Şekillendirme Yöntemleri Sinterleme işlemleri Alümina Dönüşüm toklaştırılmış seramikler, zirkonya Sialon seramikleri Silisyum nitrür Silisyum karbür, bor karbür Biyoseramikler Seramik kompozitler
SERAMİK, En genel anlamda, anorganik maddelerin herhangi bir usul ile şekillendirilip pişirilmesi ile meydana gelen ürüne denir. Metal ve ametal (metal olmayan) elementlerin birbirlerine birinci derece iyonik ve/ya kovalent bağla bağlandığı inorganik, metal dışı malzemelerdir. Diğer bir tanımlamaya göre ise SERAMİK, organik olmayan malzemelerin oluşturduğu bileşimlerin, çeşitli yöntemler ile şekil verildikten sonra sırlanarak veya sırlanmayarak sertleştirilip dayanıklılık kazanmasına varacak kadar pişirilmesi bilimi ve teknolojisidir. 4
5
6
Seramikler kullanım alanlarına göre: 1) Geleneksel Seramikler: Üç temel bileşen içerirler. Kil (kaolen:al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O), silika (SiO 2 ) ve feldispat (K 2 O ya da Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ). Tuğla,fayans, porselen, çanakçömlek, kiremit, refrakterler, camlar, çimento. 2) İleri Teknolojik Seramikler: Saf ya da safa çok yakın alüminyum oksit(alümina) (Al 2 O 3 ), zirkonya (ZrO 2 ), magnezya (MgO), berilya (BeO), silisyum karbür (SiC) ve silisyum nitrür (Si 3 N 4 ) gibi bileşenlerden oluşurlar. Modern seramikler, ince seramikler, teknik seramikler gibi isimler halinde de tanınırlar. 7
Geleneksel ve İleri Teknolojik Seramiklerin Karşılaştırılması Geleneksel Ser. İleri Tek. Ser. Hammaddeler Doğal hammaddeler (Kil, Kuars, Kaolen) Yüksek Saflıktaki yapay hammaddeler (Al 2 O 3, SiC, ZrO 2 ) Şekillendirme Sinterleme Slip Döküm, HIP, CIP, Enjeksiyon, Ekstrüzyon, Kuru Press, Torna Sinterleme işlemi fırınlarda yüksek sıcaklıkta yapılır Ürünler Porselen Eşya, Tuğla, Refrakter, Çini Türbin Kanadı, Yapay Kemik, Nükleer Yakıtlar Mikroyapı Optik Mikroskop SEM, TEM Maliyet Düşük Pahalı 8
İleri teknoloji seramikleri geleneksel seramiklerden başlıca hammadde, üretim yöntemleri ve mikro yapı açısından bariz farklılıklar göstermektedir. Geleneksel seramikler, doğal hammaddelerden üretilirken, ileri teknoloji seramiklerin hammaddesi sentezleme yöntemiyle yapay olarak hazırlanmaktadır. Bunun nedeni, yapay hammaddelerin istenmeyen maddelerden arındırılmış olarak çok saf halde ve istenilen fiziksel özelliklerde üretilebilmeleridir. Yapay hammaddelerin üretiminde çoğu kez ileri teknoloji yöntemleri kullanılmaktadır. İnce seramikleri geleneksel seramiklerden ayıran en önemli diğer bir özellik te ileri teknoloji seramiklerinin pudra halinde çok ince tozlardan üretilmeleridir. Öyle ki; günümüzde üretilen ileri teknolojik seramiklerde 1μm nin altında tozlar kullanılmakta ve böylece tamamen yoğun seramikler üretilmektedir. Dolayısıyla, ileri teknoloji seramiklerinin mekanik özellikleri geleneksel seramiklerden çok üstündür. 9
10 Bazı ileri teknoloji seramiklerin özellikleri
İleri Teknolojik Seramikler Geleneksel seramiklerden farklı olarak saflaştırılmış, iç yapıları son derece iyi denetlenmiş, üretim prosesleri hatasız mikroyapılar elde edilecek türde özelleştirilmiş tür seramikleri içermektedir. 11
Yüksek sıcaklıklara dayanım, Özgül elektrik iletkenliği, Kimyasal dayanım, Mekanik ve ısıl zorlamalara dayanım, Biyolojik uyum, Yarı ya da seçimli geçirgenlik, Isı iletimi veya yalıtımı, Az genleşme, Zehirli olmama, Süper iletkenlik 12
1. Kullanım yerlerine göre ileri teknolojik seramikler: -Mekanik Özelliklerine göre -Isıl Özelliklerine göre -Optik Özelliklerine göre -Elektriksel Özelliklerine göre -Manyetik Özelliklerine göre -Biyolojik Özelliklerine göre -Kimyasal Özelliklerine göre -Nükleer özelliklerine göre 13
2. Özelliklerine göre ileri teknolojik seramikler: a. Fonksiyonel ileri teknolojik seramikler b. Yapısal ileri teknolojik seramikler 14
1. Fonksiyonel İleri Teknolojik Seramikler Malzemelerin dielektrik, elektriksel ve ısıl yalıtkanlık, iletkenlik ve manyetiklik gibi, maddenin elektronik, elektromekanik, optik, opto-elektronik ya da manyetik fonksiyonlarını belirleyen elektronik yapısının ortaya koyduğu özelliklerin elde edilmesinde gerekli olan uygulamalara dayanılarak elde edilen seramiklerdir. Fonksiyonel seramikler, tasarım ve proses yönünden cazip malzemelerdir. 15
Zn 1-x Mn x Fe 2 O 4 (yumuşak), α-fe 2 O 3 (yumuşak) ve SrO.6Fe 2 O 3 (sert) seramikler üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır. Saydam ve opak seramikler de önemli ürünlerdir. Bunlara ilave olarak, çeşitli termistörler, varistörler gaz sensörleri, elektrik rezistans ısıtıcıları ve CdS-Cu 2 S çifti gibi lineer olmayan yarı iletkenler geliştirilmiş bulunmaktadır. rezistans Seramik kapasitör 16
2. Yapısal İleri Teknolojik Seramikler Seramik malzemelerin kırılma dayanımı ve aşınma direnci gibi mikroyapısal değişkenlerden etkilenen özellikleri ile sertlik, yoğunluk, ısıl dayanım, yüksek elastik modülü gibi kristal yapısı ve atomlar arası bağlanmadan etkilenen özelliklerinin önem kazandığı durumlarda üretilen türlere denir. Bu grupta özellikle Al 2 O 3, ZrO 2, Si 3 N 4, SiC, B 4 C, TiC, TiB 2, TiN, AlN gibi bileşiklerin ikili, üçlü ya da çoklu karışımlarından yararlanılır. 17
Tekstil makinalarında aşınmaya dayanıklı yapay iplik kılavuzları, yüksek hızlı torna tezgahlarında kullanılan kesici uçlar, otolarda yüksek ivme sağlayan turbo yükleyici parçaları, madencilik ve çimento sektörü, hafif balistik yelek ve zırhlı araç koruyucu katmanları, aç-kapa mekanizmalı musluklar, spor malzemeleri, nozullar, ortopedik protezler, özel lambalar, bilyalar, potalar, kimya sanayi parçaları v.b. uygulama alanları vardır. Yüksek sıcaklığa dayanıklı strüktürel seramiklerin çeşitli ısı motorlarında ve enerji santrallerinde kullanılması önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlamaktadır. İnce seramikler ayrıca kesici takım olarak kullanıldığından hızlı bir üretim yapma imkanı doğmakta ve sorunsuz bir üretim gerçekleşebilmektedir. 18
Alümina aşındırıcı biyomalzeme olarak Saydam alümina sodyum lambalarında Si 3 N 4 kesici uçlarda gaz türbin motorlarında, bilyalı rulmanlarda Al 2 O 3 Al 2 O 3 Si 3 N 4 19
Zirkonya, otomobillerdeki egzos gaz temizleme sistemlerinde kullanılan katalitik oksijen sensöründe ve ayrıca demir-çelik endüstrisinde kullanılan oksijen sensöründe, yumuşak metallerin soğuk çekme kalıplarında, manyetik kayıt bantlarının kesilebilmesi için manyetik olmayan kesici olarak kullanılmaktadır. 20
3. Kimyasal bileşimlerine göre ileri teknolojik seramikler: -Karbürler -Nitrürler -Borürler -Oksitler 21