Giriş İnsanlık var olduğu sürece çevresi ile etkileşimde bulunmuş, yaşadığı zamana göre çevresinde bulunan çeşitli malzemeleri kendi ihtiyaçları çerçevesinde kullanmaya çalışmıştır. Seneler içinde insanlık, milattan önce üretilen Hitit krallarının demir tahta ve asalarından ve günümüzde üretilen mikroçiplere kadar geniş bir aralıkta üretim çalışmalarına devam etmiş ve bu çalışmaları teorik olarak ispatlayabilecek duruma gelmiştir. Günümüzde sürdürülen mühendislik çalışmaları sürekli olarak yeni malzemelerin geliştirilmesi üzerinedir. Bu çalışmalar yapay insan dokularından, elektronik malzemelere kadar çok geniş bir alanda sürdürülmektedir. Metalurji (metal bilimi) ve Malzeme Mühendisliği, bu çerçevede yapılan tüm çalışmaları kapsayan bir ana bilim dalıdır. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği temel olarak malzemeleri 4 ana bölümde inceler: 1.Metaller 2.Seramikler 3.Polimerler 4.Bu üç türün birlikte oluşturdukları kompozitler 4
5 Yukarıdaki grafikte, ilk insanlar için ahşap, deri ve taş gibi doğal ürünler altından önce gelirken, 1940 larda dünya çapındaki savaşın da getirisiyle metallerin önemi artmıştır. Yine son yıllarda küresel ısınma, iklim algısı ve çevre bilincindeki değişimden ötürü metallerin önemi, daha yeni malzeme gruplarına kaymaktadır.
İleri Teknoloji Malzemeleri İleri teknoloji malzemeleri katma değeri yüksek, ileri teknoloji ve bilgi gerektiren malzemeler olarak tanımlanmaktadır. Endüstriyel açıdan ileri teknoloji malzemelerinin kullanımı ülkelerin gelişmişlik düzeyleri ve ekonomileri ile de paralellik arz etmektedir. İleri malzemeler birçok alanda kullanılmakta ve geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. 6
7 Havacılık başta olmak üzere, savunma, enerji, haberleşme ve otomotiv sanayii gibi birçok gelişen sektörün giderek artan ihtiyaçları üstün performanslı yeni malzemelerin geliştirilmesini zorunlu hale getirmiştir. Bunun sonucunda polimerler, seramikler ve kompozitler, konvensiyonel metalik malzemelerin yanında yerini almış ve mühendislik malzemelerini büyük ölçüde zenginleştirmiştir. Tüm bu gelişmeler karşısında, insanlık tarihi boyunca geliştirilmiş olan geleneksel malzemelerin, bir taraftan özelliklerinin daha da iyileştirilmesi, diğer taraftan yeni ve yaratıcı yaklaşımlarla alternatiflerinin geliştirilmesi kaçınılmazdır.
Ayrıca, İleri malzemeleri en geniş anlamda yüksek saflıkta, yüksek teknolojik performansa ve yüksek bilgi içeriğine sahip, dünya ekonomisine giderek artan bir ölçekte katkıda bulunan yüksek katma değerli malzemeler olarak tanımlamak mümkündür. 8 Uygulama açısından: 1. İleri metalik malzemeler 2. İleri seramikler 3. İleri polimerik malzemeler 4. Kompozit malzemeler
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. 9
1. Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık 2. Kimyasal kararlılığın yüksek olması 3. Çok sert olmaları 4. Metallerden hafif olmaları 5. Hammadde olarak bol miktarlarda bulunmaları ve genellikle metallere kıyasla ucuz olmaları 6. Pahalı ve stratejik metallere ihtiyaç göstermemesi 7. Erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olmaları 8. Oksitlenmeye karşı dirençli olmaları 9. Sürtünme katsayısının düşük olması 10. Basma mukavemetinin yüksek olması 10 Ancak, en önemli istenmeyen özellikleri gevrek olmalarıdır.
11 Seramiğin sadece mutfak ve banyolara döşenen fayans ve karoların üretiminde kullanıldığı dönemler çoktan geride kaldı. Yüksek teknoloji üretim teknikleri ve mükemmelleştirilmiş sentetik hammaddeler, o basit seramiği, sadece otomobillerde değil, hava, uzay ve raylı sistem araçlarında, bilgisayar ve makine üretiminde, tıpta, elektrik nakil sistemlerinde, üretim teknolojisinde, ev işlerinde de kullanılabilecek esnek bir yüksek teknoloji harikasına dönüştürdü.
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, çanak-çömlek, kiremit, refrakterler, camlar, çimento. 2) İleri Teknoloji Seramikleri: 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. 12
Geleneksel ve İleri Teknolojik Seramiklerin Karşılaştırılması 13
14
Teknolojik Seramikler Geleneksel seramiklerden farklı olarak saflaştırılmış, iç yapıları son derece iyi denetlenmiş, üretim prosesleri hatasız mikroyapılar elde edilecek türde özelleştirilmiş tür seramikleri içermektedir. 15
16 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,
1.Kullanım yerlerine göre 2.Özelliklerine göre 3.Kimyasal bileşimlerine göre 17
Elektrik iletkenliği 1. Fırın astarı Sensör Varistör Entegre devre altlık Hafıza elemanı Eletrot malzemesi Refrakter İzolatör Eletronik Isı toplama parçalar için ısı yutucular Isı iletimi Yapay kemik ve diş 18 Kataliz taşıyıcı Biyolojik uyum Bazı techizat TERMAL BİYOLOJİK KİMYASAL Kataliz adsorbsiyonu Korozyon direnci ELEKTRİK MANYETİK İleri Teknoloji Seramikleri MEKANİK Kimyasal cihazlar Takımlar Aşındırıcılar Türbin kanatları NÜKLEER İşlevi OPTİK Cihaz parçaları Radyasyon direnci Yüksek sıcaklık Reaktör dayanımı madenciliği Özellikler Uygulamalar Fluoresans Optik iletkenlik Kondensör Optik kablo Lazer diyot Isıya dayanıklı saydam porselen
Uygulama Konusu Malzeme Yüksek sıcaklık dayanımı Kesme dayanımı Yağlama Aşınma dayanımı Isıl Dayanım Isıl Yalıtım Isıl Transfer Mekanik Özellikler silisyum nitrür, silisyum karbür bor nitrür, titan karbür, titan nitrür, tungsten karbür, bor karbür Isıl Özellikler bor nitrür, molibden disülfat alumina, bor karbür alumina, silisyum nitrür, silisyum karbür titan oksit, aluminyum nitrür, zirkonyum oksit bor oksit, alumina 19
Uygulama Konusu Malzeme Optik Özellikler Işık geçirgenlik Işık indükleme Floresans Soğurma Katalizör Korozyon alumina, yitriyum oksit, baryum oksit Kimyasal Özellikler Silisyum oksit galyum arsenik seramikleri, neodmiyum-yitriyum cam Köpük silika, alumina Zeolit Zirkonya, alumina 20
Uygulama Konusu Malzeme Elektriksel Özellikler Süperiletkenlik Yarıiletkenlik Pieozoelektriklik Yalıtım İletkenlik İyonik iletkenlik Yitriyum-bayrum-bakır oksit Çinko oksit, baryum titanat Kurşun zirkonat titanat Alumina, silisyum karbür Baryum titanat Zirkonya, beta-alumina Manyetik Özellikler Manyetizma Demiroksit, baryum oksit Biyolojik Özellikler Biyoseramikler Alumina, apatitler 21
2. İleri teknolojik seramiklerin özelliklerine göre sınıflandırılması: 1. Yapısal ileri teknolojik seramikler 2. Fonksiyonel ileri teknolojik seramikler 22
1. 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. 23
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. Borkarbür plaka Aşındırıcı ve parlatıcılar (alümina, SiC) 24 Pota ve kayıkçıklar
Örnek uygulama: Kalça Protezi 25 Alüminyum oksit maddenin 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. 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. 26
2. 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. 27
28 Bazı termal ve elektriksel dirençli seramikler
3. Kimyasal Bileşimlerine Göre Sınıflandırılması: TİPİ Atomsal Bağ Örnekler Özellikler OKSİTLER İyonik Al 2 O 3, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, MgO, ZrO 2, LiAl 2 SiO 4 KARBÜRLER Az iyonik ZrC, TiC, VC, NbC Kovalent B 4 C, SiC, WC 29 Sert aşındırıcı, Sürünme özellikleri iyi, Çok sert Elastik modül yüksek Yüksek sıcaklıkta kararlı, Sürünme kötü. Kesici takımlarda aşındırıcılarda ve kalıplarda kullanılır
NİTRÜRLER Kovalent BN, Si 3 N 4, AlN, Sialon, TiN BORÜRLER Kovalent LaB 6, ZrB 2 Düşük yoğunluk, Yüksek sıcaklıkta kararlı, Çok sert Sürünme direnci iyi Kesici takımlarda, gaz türbinlerinde, nozul ve potalarda kullanılır Çok iyi iletken, Sürünme özellikleri iyi Elektron mikroskobunda flaman olarak kullanılır 30