Kapat

İleri Teknoloji Seramik Çeşitleri

İleri teknoloji seramikler arı bileşikler olup nitrürler, karbürler, oksitler, sülfürler, borürler ve silistlerden oluşurlar. Bunların sahip oldukları iyonik ve kovalent bağların oranı bileşimlerindeki elemanların elektronegatiflik dereceleri arasındaki farka bağlıdır. Seramikleri oluşturan atomlar arasındaki bağın iyonik ve kovalent olması esnek modüllerinin ve sertliklerinin metallerden yüksek olmasını sağlar.

İleri teknoloji seramiklerini üstün kılan özelliklerden bazıları;

  • Yüksek sıcaklıklara dayanımları,
  • Isıl genleşme katsayılarının düşük olması,
  • Kimyasal kararlılığın yüksek oluşu,
  • Sürtünme katsayılarının düşük olması,
  • Sertliklerin yüksek oluşu,
  • Aşınma dirençleri yüksek olmaları,
  • Metallere göre daha hafiflik,
  • Hammadde kaynaklarının doğada bol miktarda olması olarak sıralanabilir.

1. Alümina (Al2O3)

Alümina ticari olarak ilk kez 1907’de yüksek alümina seramik üretimine ait bir patentle kullanıma başlanmıştır. Geniş çapta ticari kullanımı ve üretimi 1930’lu yılların başlarında gerçekleştirilmiştir.

Saf alüminanın düşük sıcaklıklarda farklı formları mevcuttur. Fakat bütün formlar kristal boyutu, zaman ve atmosfere bağlı olarak 750-1200°C sıcaklıkları arasında α-Al2O3’e dönüşür. 1600°C’nin üzerinde gerçekleştirilen ısıtma işlemi bu dönüşümü hızlandırır. Alüminanın α fazına dönüşümü tersinir değildir.

Alümina; iyi bir sertliğe, yüksek refrakterliğe ve kimyasal kararlılığa sahiptir. Bununla beraber, mukavemeti ve kırılma tokluğu oldukça düşüktür. Yüksek sıcaklıklarda mukavemet bariz bir şekilde düşer. Termal şok dayanımı düşüktür. Son 10 yılda yüksek sıcaklıklarda kullanım amaçlı toklaştırılmış alüminalar geliştirilmiştir. Alümina, zirkonya dispersoidleri veya SiC whiskerleri ile toklaştırılabilir.

1. 1. Alümina Kullanım Alanları

Alümina tiraci olarak ilk kez buji ve laboratuvar malzemelerinde kullanılmıştır. Günümüzde alümina bilhassa yüksek sıcaklık fırınlarında geniş çapta kullanılmaktadır. Bunun dışında yatak malzemesi, kesici takım, tıpta implant ve protezlerde, tekstil endüstrisinde iplik kılavuzu olarak, karmaşık elektrik devreleri için substrate olarak ve zırh yapımında kullanılmaktadır.

2. Zirkonya (ZrO2)

Zirkonya üç kararlı faza sahiptir. 2370°C sıcaklığın üzerinde kübik, 2370-1170°C arasında tetragonal ve 1170°C’nin altında monoklinik formu kararlı haldedir. Tetragonal kübik yapıdan monoklinik kübik yapıya geçiş %6,5 oranında bir hacim genleşmesi ile sonuçlandığından teknolojide sorun oluşturmakta ve bu faz dönüşümü neticesinde seramik malzemede genellikle hasar oluşmaktadır. Bu durumun önüne geçmek ve yapıyı düşük sıcaklıklarda ve kübik yapıda kararlı kılmak nedeniyle zirkonyaya MgO,CeO2, CaO ve Y2O3 gibi çeşitli stabilizatör oksitler eklenir. Bu tür malzemeler kübik stabilize zirkonya olarak bilinirler. Kübik yapıyı kararlı hale getirmek amacıyla kullanılan bu oksit ilaveler faz dönüşüm sıcaklıklarını düşürürler ve bu şekilde kübik ve monoklinik fazların karışımından meydana gelen malzemeler üretilebilir.

Uygun stabilizatörlerin ilavesiyle iki tip zirkonya türü elde edilir. Bunlardan biri CaO ve MgO ilaveleriyle elde edilen kısmen stabilize zirkonya, diğeri CeO2 ve Y2O3 ilaveleri ile elde edilen tetragonal zirkonya polikristaldir. Tetragonal zirkonya polikristaller ince taneli ve tek fazlı malzemelerdir. Tane boyutu, Y2O3 içeriğine ve malzemenin yoğunluğuna bağlı olarak 0,1-1 mikron arasında değişir. Sinterleme işlemi tetragonal alanda yani 1300-1500°C sıcaklıkları arasında yapılır. Y2O3 ile tamamen stabilize edilmiş zirkonya (FZS) seramikler, maksimum tokluğa ve mukavemetli zirkonya seramiklerdir. Bu seramiklerde oluşan sorun ise nemli ortamlarda, orta sıcaklıklarda (200-400°C) t-m dönüşümüdür. Bu dönüşüm yüksek miktarda mukavemet azalmasına neden olmaktadır.

3. Bor Nitrür (BN)

Bor nitrür, düşük reaktiflik özelliğine ve birçok uygulama alanına sahip olan inorganik bir malzemedir. Sentetik olarak elde edilen en sert malzemelerden biridir. Fiziksel, elektriksel, ısıl ve mekanik özellikler gibi geniş malzeme özelliklerine sahip olmasından dolayı yaygın olarak kullanım alanı vardır. “Malzeme mühendisleri, çok çeşitli elektronik ve elektrik uygulamalarında yararlı olan, mükemmel bir ısıl şok özelliğine ilave olarak elektriksel yalıtkanlığın, yüksek ısıl iletkenliğin alışılmadık beraberliğini bor nitrürde bulmuşlardır.”

4. Alüminyum Nitür (AlN)

Alüminyum nitrür yüksek ısıl elektrik direncine ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip bir teknoloji seramiğidir. Bu özellikleri alüminyum nitrür malzemeleri yüksek güç elektronik modülleri için ana malzeme haline getirmiştir. Alüminyum nitrür, bu uygulamalarda berilyum oksidin (BeO) yerini almaktadır. Bununla beraber oldukça fazla toksik etkisinin olması üretimi ve uygulamalardaki en büyük dezavantajıdır. Alüminyum nitrürün alüminyum ergiyiği içindeki korozyon direnci de çok yüksektir.

Termodinamik olarak alüminyum nitrür, silisyum nitrürden daha kararlı bir yapıya sahiptir. Fakat nemle tepkimeye girmeye meyilli olduğundan geniş bir uygulama alanı bulamamıştır. Ticari olarak alüminyum nitrür genellikle alüminanın indirgenip daha sonra nitrürlenmesi ya da alüminyumun doğrudan nitrürlenmesi ile üretilmektedir.

5. Titanyum Nitrür (TiN)

Titanyumla aynı özelliklerde üç nitrür vardır. Bunlar TiN, ZrN ve HfN`dür. Bu
nitrürlerin her üçü de yüksek ergime sıcaklığına, yüksek sertliğe ve metalik
yapılarından dolayı metalik iletkenlik özelliğine sahiptir. Bununla birlikte
oksitlenmeye dirençleri çok zayıftır. TiN 700°C` ye kadar oksitlenmeye karşı dirençli
iken diğer iki nitrürün oksitlenme sıcaklığı 500°C` dir. N2 atmosferinde kararlı olan
bu nitrürlerden sadece TiN uygulama alanı bulabilmektedir. Bu nitrürler için en sık
kullanılan üretim şekli elementin doğrudan nitrürlenmesidir[6].

Titanyumla aynı özelliklere sahip üç nitrür bulunmaktadır. Bunlar; HfN, ZrN ve TiN’dür. Bu nitrürlerin hepsi yüksek sertliğe, yüksek ergime sıcaklığına ve metalik yapıları nedeniyle metalik iletkenlik özelliğine sahiptir. Bununla beraber korozyon direnci çok düşüktür. TiN 700°C’ye kadar korozyona karşı mukavemetli iken diğer iki nitrürün oksitlenme sıcaklığı 500°C’dir. N2 atmosferinde kararlı bir yapıda olan bu nitrürlerden sadece titanyum nitrür uygulama alanı bulabilmektedir. Bu nitrürler için en sık kullanılan üretim metodu elementin direkt olarak nitrürlenmesidir.

6. Silisyum Oksinitrür (Si2N2O)

Silisyum oksinitrür yapısal bir malzeme olarak kullanımı için yeteri kadar üzerinde araştırma yapılmamış bir refrakter malzemedir. İki ayrı metodla üretilmektedir. Yaygın olarak üretimi silisyum oksit ve silisyum karışımının azot ortamında 1450°C sıcaklıkta tepkimesi sonucu elde edilmektedir.  İkinci üretim metodu ise silisyum nitrürün (Si3N4) ve silikanın (SiO2) yüksek sıcaklıklarda sıvı faz meydana getirmesi ile üretilmektedir. İkinci reaksiyonda karışım numune için bir miktar Al2O3 ilave edilerek Al2O3-SiO2 sistemde sıvı oluşumu amaçlanmaktadır.

7. Silisyum Karbür (SiC)

Silisyum karbür çok iyi korozyon direnci, iyi bir ısıl iletkenlik, yüksek aşınma direnci, nispeten düşük ısıl genleşme katsayısı ve mukavemetini yüksek sıcaklıklarda koruyabilmesi gibi özellikleri nedeniyle önemli bir yere sahip seramik malzemedir. Silisyum karbür büyük oranda kovalent bağ yapısına sahiptir. İyoniklik derecesi %9-12 safhalarındadır.

Farklı saflık derecelerinde, partikül boyutunda, dağılımında ve şeklinde silisyum karbür tozları hazırlamak için çeşitli yöntemler vardır.

SiC kübik veya hegzagonal kristal yapısıyla elde edilebilir. SiC esaslı seramikler sıcak preslenmiş, reaksiyon-sinterlenmiş, kimyasal olarak buhar çöktürülmüş ve silisyum karbür – fiber kompozitleri içerir.

SiC seramikler yüksek sıcaklık uygulamalarında silisyum nitrür seramikler kadar ticari bir önem taşımazlar fakat daha düşük sıcaklıklarda aşınma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Silisyum karbür gaz sobaları kurutucu ateşleyicilerinde uzun senelerdir kullanılmaktadır. Silisyum karbür malzemelerin en önemli uygulama alanlarından birisi de ısı eşanjörleridir.

8. Silisyum Nitrür (Si3N4) 

Silisyum nitrür tozları ileri teknoloji seramik hammaddelerinden birisidir. En önemli özelliği yüksek sıcaklıklardaki korozyona direnci, düşük yoğunluğa sahip olması, yüksek sıcaklıkta sertlik ve mukavemetini korumasıdır. Bu yüzden motorlardan, yüksek sıcaklık korozyonunun görüldüğü ortamlarda, tornalamada takım ucu olarak, yüksek sıcaklıklarda çalışan türbin elemanlarının ve rulmanların üretiminde kullanılmaktadır.

Silisyum nitrür, azot seramikleri arasında en yaygın kullanım alanına sahip mühendislik malzemelerden biridir. 40 yıldan fazla bir süredir üzerinde yoğun çalışmalar yürütülen bu malzemeyi mühendislik amaçlı uygulamalarda kullanılabilir kılan, mükemmel mekanik ve termal özelliklerdir. N ve Si atomları arasındaki kuvvetli kovalent bağ bulunmaktadır. Sert ortam şartlarına ve ağır yüklere karşı metallerin ve polimerlerin kötü sonuç verdiği sıcaklıklara dayanabilmektedir.

İleri Teknoloji Seramikleri Kullanım Alanları yazımızı okumak için tıklayın.

Kaynak

ÜNAL, İ., “Seramik – Metal Soğuk Birleştirmeler ve Performanslarının İncelenmesi”, Sakarya Üniversitesi – Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Eylül 2007

Sizin için önerdiklerimiz:

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir