Seramik Matrisli Kompozitler

Yirmi birinci yüzyıl için malzeme uygulamasındaki zorlukları ve zorlu ihtiyaçları karşılamak için nakliye ve enerjiye kadar çeşitli stratejik alanlarda zorlu yapısal malzemeler geliştirmeye yönelik ihtiyaç vardır. Seramik matris kompozitler (SMK) mükemmel fiziksel ve mekanik özellikleri nedeniyle potansiyel aday olarak ortaya çıkmıştır. Bu yapılar otomotiv, haberleşme, uzay havacılık ve savunma sanayi, tıp, kimya ve daha bir çok alanda kullanım alanı bulan geniş malzeme grubunu oluşturmaktadır. SMK’ler, ikinci bir fazın seramik bir matris içine gömülü olduğu heterojen malzemelerdir. Seramik özelliklerini (yüksek mukavemet, sertlik ve sıcaklık stabilitesi), takviye fazının yapısına bağlı olarak özel uyarlanmış özelliklerle (tokluk, kendi kendini iyileştirme veya işlevsellik) birleştirir .

SMK yapılar bazı yüksek performanslı otomobillerin fren rotorlarında da kullanılmaktadır. Burada karbon fiber ve karbon tozu preslenerek sinterlenir ve sinterleme sonrası kristalleşme amaçlı ısıl işleme tabi tutulur. Ergimiş halde silisyum sisteme infiltre edilerek sistemdeki karbonun reaksiyonu sonucu SiC oluşumu gerçekleşir. Oluşan kompozit yapı konvansiyonel yapıdan %50’ye varan oranda daha hafiftir. Buna mukabil aşınma oranı ise konvansiyonel parçalara kıyasla %50 daha azdır. Bu yapılarda parça servis ömrünün 300 000 km olduğu raporlanmıştır. SMK yapılar yüksek hızlı trenlerde de kullanılmaktadır

Benzersiz özellikleri nedeniyle, SMK’ların kesici takımlar, diş protezleri, termal bariyer kaplamaları ve ayrıca nükleer, enerji, askeri, havacılık ve inşaat endüstrileri için yapısal malzemeler gibi çok çeşitli uygulamalar için faydalı olduğu kanıtlanmıştır. Son on yılda SMK’ların araştırılması ve geliştirilmesinde büyük ilerleme kaydedilmesine rağmen, sadece çok az sayıda yeni malzeme sistemleri ve yeni işleme teknikleri keşfedilmiştir. Seçilen iki yeni SMK örneği ve ortaya çıkan iki işleme tekniği aşağıda açıklanmıştır.

Yeni Malzeme Sistemleri

Max Fazlar ve Kompozitler

Ti₃SiC₂, Ti₃AlC₂, Ti₂AlC, Ti₄AlN₃, Ti₂AlN, Nb₄AlC₃ ve Nb₂AlC gibi MAX fazları, genel M _{n + 1} AX_n formülüne sahip yeni bir nano katmanlı, altıgen seramik sınıfıdır (burada n = 1-3, M erken bir geçiş metalidir, A bir A grubu elementidir ve X karbon veya azottur.) Bu bileşikler, metallerin ve seramiklerin en iyi niteliklerinden bazılarını birleştiren yeni bir katı sınıfını temsil eder. Bu nedenle, aynı zamanda sürünme, yorulma ve korozyona dayanıklıdır ve ultra Düşük sürtünme Tanelerin uygun şekilde hizalanması ile oda sıcaklığında yarı plastisite sergilerler. Dislokasyonların hareketliliği ve kaymaya bağlı deformasyon modlarının çokluğu gözlemlenen plastiklikten sorumludur. Bu seramiklerin benzersiz özellikleri sayesinde nükleer araştırma, metalurji, madencilik ve uzay uçuşu uygulamalarında uygulamaları vardır. Örneğin, hem Ti₃SiC₂ hem de Ti₃AlC₂, yüksek radyasyon direncinden dolayı gelecekteki gaz soğutmalı hızlı nükleer reaktörlerde aday yakıt kaplama malzemeleridir. Ti₂AlC, orta ve yüksek sıcaklıklarda akan kuru veya ıslak havada mükemmel oksidasyon direnci gösterir.

Jeopolimerler ve Soğuk Kompozitler

Yeni çevre düzenlemeleri, artan küresel çevre bilinci, sürdürülebilirlik ve toplumsal kaygılar çevre dostu kompozit malzemelerin eko-tasarımında beşikten mezara yaklaşıma ivme kazandırdı. Bir katı alüminosilikat kaynağının bir alkali metal hidroksit veya silikat çözeltisi ile aktive edilmesiyle, jeopolimerler olarak bilinen bir alüminosilikat bağlayıcı sınıfı çevre sıcaklıklarında sentezlenebilmektedir. Bu malzemeler makul mekanik özelliklere ve iyi termal stabiliteye sahiptir, ancak gevreklik gösterirler. Yüksek performans potansiyelleri nedeniyle, birçok uygulamada sıradan Portland çimentosu (OPC) için çevre dostu değiştirmeler yapılması, şu anda yaygın olarak dikkat çekmektedir. Jeolojik bir mineralin (örneğin; kurutulmuş kaolinit kil) yüksek alkali koşullar altında alkali silikat çözeltisi ile reaksiyona sokulmasıyla hazırlanan yeni bir polimerik alüminosilikat malzemesini belirtmek için ‘jeopolimer’ adı verilmiştir. Çok çeşitli atık alüminosilikat malzemelerinin, mükemmel fiziksel ve kimyasal özellikler kazandıklarından, inşaat malzemelerine dönüştürülebilecekleri gösterilmiştir. Mukavemet ve kırılma tokluğu gibi jeopolimerlerin mekanik özellikleri, matris içine doğal veya inorganik elyafların eklenmesiyle daha da arttırılabilir.