giriş -...
TRANSCRIPT
Giriş
4
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
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
6
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.
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.
8
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.
Uygulama açısından:
1. İleri metalik malzemeler
2. İleri seramikler
3. İleri polimerik malzemeler
4. Kompozit malzemeler
9
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.
10
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
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.
12
Seramikler kullanım alanlarına göre:
1) Geleneksel Seramikler: Üç temel bileşen içerirler. Kil (kaolen:Al2O3.2SiO2.2H2O), silika (SiO2) ve feldispat (K2O ya da Na2O.Al2O3.6SiO2). Tuğla ,fayans, porselen, çanak-çömlek, kiremit, refrakterler, camlar, çimento.
2) İleri Teknoloji Seramikleri: Saf ya da safa çok yakın alüminyum oksit(alümina) (Al2O3), zirkonya (ZrO2), magnezya(MgO), berilya (BeO), silisyum karbür (SiC) ve silisyum nitrür (Si3N4) gibi bileşenlerden oluşurlar. Modern seramikler, ince seramikler, teknik seramikler gibi isimler halinde de tanınırlar.
Geleneksel ve İleri Teknolojik Seramiklerin Karşılaştırılması
13
14
Teknolojik Seramikler
15
Geleneksel seramiklerden farklı olarak saflaştırılmış, iç yapıları son derece iyi denetlenmiş, üretim prosesleri hatasız mikroyapılar elde edilecek türde özelleştirilmiş tür seramikleri içermektedir.
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,
17
1.Kullanım yerlerine göre
2.Özelliklerine göre
3.Kimyasal bileşimlerine göre
İşlevi Özellikler Uygulamalar
İleri
Teknoloji
Seramikleri
Takımlar Aşındırıcılar Türbin
kanatları
Cihaz
parçaları
Fluoresans
Optik
iletkenlik
Kondensör
Lazer diyot
Isıya dayanıklı
saydam
porselen
Optik kablo
Radyasyon
direnci
Yüksek
sıcaklık
dayanımı
MEKANİK
TERMAL NÜKLEER
OPTİK
ELEKTRİK
MANYETİK
BİYOLOJİK
KİMYASAL
Reaktör
madenciliği
Refrakter
İzolatör
Isı toplama
Isı iletimi
Fırın astarı
Eletrot
malzemesi
Eletronik
parçalar için
ısı yutucular
Biyolojik
uyum
Kataliz
adsorbsiyonu
Korozyon
direnci
Yapay kemik
ve diş
Kataliz
taşıyıcı
Kimyasal
cihazlar
Bazı
techizat
Ele
ktr
ik
iletk
enliği
Varistör
Sensör Entegre devre
altlık Hafıza
elemanı
18
1.
19
Uygulama Konusu Malzeme
Mekanik Özellikler
Yüksek sıcaklık dayanımı silisyum nitrür, silisyum karbür
Kesme dayanımı bor nitrür, titan karbür, titan
nitrür, tungsten karbür, bor karbür
Yağlama bor nitrür, molibden disülfat
Aşınma dayanımı alumina, bor karbür
Isıl Özellikler
Isıl Dayanım alumina, silisyum nitrür, silisyum
karbür
Isıl Yalıtım titan oksit, aluminyum nitrür,
zirkonyum oksit
Isıl Transfer bor oksit, alumina
20
Optik Özellikler
Işık geçirgenlik alumina, yitriyum oksit, baryum oksit
Işık indükleme Silisyum oksit
Floresans galyum –arsenik seramikleri,
neodmiyum-yitriyum cam
Uygulama Konusu Malzeme
Kimyasal Özellikler
Soğurma Köpük silika, alumina
Katalizör Zeolit
Korozyon Zirkonya, alumina
21
Uygulama Konusu Malzeme
Elektriksel Özellikler
Süperiletkenlik Yitriyum-bayrum-bakır oksit
Yarıiletkenlik Çinko oksit, baryum titanat
Pieozoelektriklik Kurşun zirkonat titanat
Yalıtım Alumina, silisyum karbür
İletkenlik Baryum titanat
İyonik iletkenlik Zirkonya, beta-alumina
Manyetik Özellikler
Manyetizma Demiroksit, baryum oksit
Biyolojik Özellikler
Biyoseramikler Alumina, apatitler
22
2. İleri teknolojik seramiklerin özelliklerine göre sınıflandırılması:
1. Yapısal ileri teknolojik seramikler
2. Fonksiyonel ileri teknolojik seramikler
23
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 Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC, B4C, TiC, TiB2, TiN, AlN gibi bileşiklerin ikili, üçlü ya da çoklu karışımlarından yararlanılır.
1. Yapısal İleri Teknolojik Seramikler
24
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)
Pota ve kayıkçıklar
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.
Örnek uygulama: Kalça Protezi
26
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.
27
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.
2. Fonksiyonel İleri Teknolojik Seramikler
28
Bazı termal ve elektriksel
dirençli seramikler
29
3. Kimyasal Bileşimlerine Göre Sınıflandırılması:
TİPİ Atomsal
Bağ Örnekler
Özellikler
OKSİTLER İyonik Al2O3, Cr2O3,
Fe2O3, MgO,
ZrO2, LiAl2SiO4
Sert aşındırıcı, Sürünme
özellikleri iyi, Çok sert
KARBÜRLER Az iyonik ZrC,
TiC,
VC,
NbC
Elastik modül yüksek
Kovalent B4C,
SiC,
WC
Yüksek sıcaklıkta kararlı,
Sürünme kötü. Kesici
takımlarda aşındırıcılarda ve
kalıplarda kullanılır
NİTRÜRLER Kovalent BN,
Si3N4,
AlN,
Sialon,
TiN
Düşük yoğunluk, Yüksek
sıcaklıkta kararlı, Çok sert
Sürünme direnci iyi
Kesici takımlarda, gaz
türbinlerinde, nozul ve
potalarda kullanılır
BORÜRLER Kovalent LaB6,
ZrB2
Çok iyi iletken, Sürünme
özellikleri iyi
Elektron mikroskobunda
flaman olarak kullanılır
30