Mekanik Özellikler
Monolitik
metalik alaşımlar makine mühendisliği uygulamalarda çok fazla kullanılan
malzemelerdir. Bunların sürekli fiberler, süreksiz fiberler, whiskerler ve
partiküllerle takviye edilmesiyle, örneğin, daha yüksek kuvvet, stiffness ve
aşınmaya dayanıklılıkta; düşük termal genleşme katsayılı yeni modifiye
malzemeler elde edilir. Monolitik malzemenin kuvvetinde ve modülünde en yüksek
artış sürekli fiber takviyelerle sağlanır. Sürekli takviye fiberlerin çoğu
oldukça pahalıdır, bu nedenle de MMC’lerde daha çok süreksiz fiberler ve
partikül takviye malzemeler kullanılmaktadır. (Tablo-3)
Metal Matris Kompozitler, MMC
|
Gerilme
kuvveti, MPa |
Elastik
modülü, MPa |
Çökmede gevşeme,
% |
Sürekli fiber takviyeli MMC’ler
|
|||
Al 2024-T6 (% 45 B), eksensel
|
1458
|
220
|
0.810
|
Al 6061-T6 (% 51 B), eksensel
|
1417
|
231
|
0.735
|
Al 6061-T6 (% 47 SiC), eksensel
|
1462
|
204
|
0.890
|
Süreksiz fiber takviyeli MMC’ler
|
|||
Al 2124-T6 (% 20 SiC)
|
650
|
127
|
2.4
|
Al 6061-T6 (% 20 SiC)
|
480
|
115
|
5
|
Partikülat MMC’ler
|
|||
Al 2124 (% 20 SiC)
|
552
|
103
|
7.0
|
Al 6061 (% 20 SiC)
|
496
|
103
|
5.5
|
Takviyesiz malzemeler
|
|||
Al 2124
|
455
|
71
|
9
|
Al 6061
|
310
|
68.9
|
12
|
Sürekli
fiberlerle takviyeli MMC’lerin PMC’lerden önemli bir avantajı, tek-yönlü
transvers kuvvetin daha yüksek olmasıdır; dolayısıyla MMC’lerde tek yünlü
konfigürasyonların kullanılması tercih edilir. Tablo-4’de sürekli fiberlerle
(nominal fiber hacim fraksiyonu %50) kuvvetlendirilmiş bazı tek-yönlü MMC’lerin
mekanik özellikleri verilmiştir. Genellikle, kompozitlerin aksiyal modülleri,
matris olarak kullanılan monolitik baz metallerinkinden çok daha yüksek,
transvers kuvvetleri ise matris malzemelerden daha düşüktür.
Süreksiz fiber
takviyeli MMC’lerin önemli kullanım alanlarından biri iç yanmalı motor
komponentleridir. Takviye fiberlerin (süreksiz alumina alumina–silika, karbon
fiberler gibi) malzemenin (aluminyum) aşınma direncini ve yüksek
sıcaklıklardaki kuvvetini artıtması ve yorulma özelliğini yükseltmesi istenir.
Aşınma direncinin yükseltilmesiyle MMC’ler, motor bloklarındaki dökme demir
zıvanaların ve dökme demir piston segmanlarının yerini almıştır.
Fiber takviyeli
aluminyum kompozitlerin termal iletkenlikleri de dökme demirden daha yüksektir
ve fiber hacim fraksiyonu nispeten düşük olduğunda CTE değerleri takviyesiz
aluminyumun CTE’ne yakındır, termal gerilimler azalır.
Tanecik
takviyeli metal matris kompozitler mühendislik uygulamalarında özellikle önemli
bir kompozitler sınıfıdır. Önemli bir örnek genellikle kesme aletleri (cutting
tools) ve kalıpların yapılmasında kullanılan, tungsten karbid partikül takviyeli
kobalt matrisli bir MMC’dir; bu kompozite çoğu kez sermet, sementli karbid,
veya basitçe fakat yanlış olarak tungsten karbid denir. Sermet, kırılgan bir
seramik malzeme olan monolitik tungsten karbidden çok daha yüksek kırılma
dayanımına sahiptir.
Diğer bir
ilginç metal matris kompozit, devre kesici malzeme olarak da kullanılan
tungsten karbid partikül takviyeli gümüştür; kompozit, iyi elektrik
iletkenliği, yüksek sertliği ve aşınmaya dayanıklılığı gibi özellikleriyle,
yumuşak monolitik gümüşten üstün bir malzemedir.
Titanyum Karbid Partikül Takviyeli
Çelik: Yüksek aşınma
direnci ve yüksek stiffness, düşük yoğunluk özellikleri taşıyan titanyum karbid
partikül takviyeli demir alaşımları yıllardır mekanik sistemlerde ve çeşitli
ticari uygulamalarda kullanılmaktadır.
Örneğin,
hacimce %45 titanyum karbid partiküllerle takviyelendirilmiş austenitik
paslanmaz çelik içeren bir partikülat kompozitin modülü 304 GPa iken, monolitik
baz metal için 193 GPa’dır. Kompozitin spesifik gravitesi 6.45, metalin 8.03’dür.
Kompozitin stiffnessi metalin ~ iki katıdır.
Silikon Karbid Partikül Takviyeli
Aluminyum: Silikon
karbid partiküllerle takviyeli aluminyum çok kullanılan bit MMC’dir.
Özellikleri içerdiği partikül tipine, partikülün hacim fraksiyonuna, matris alaşıma
ve kompozitin üretim prosesine göre değişir. Tablo-5’de kompozit özelliklerinin partikül hacim fraksiyonuna
göre değişimi görülmektedir. Genellikle partikül hacim fraksiyonu arttıkça
kompozitin modülü ve akma (yield) gerilimi de artar, kırılma dayanımı azalır.
Partikül takviye kısa-süreli yüksek sıcaklık kuvvetini ve yorulma direncini de
yükseltir.
Alumina Partikül Takviyeli Aluminyum: Alumina partiküller, aluminyum metalinin
takviyelendirilmesinde silikon karbide alternatif bir takviye malzemesidir; yüksek
sıcaklıklarda matrisle reaksiyona girmez ve silikon karbidden daha ucuzdur.
Ancak, aluminanın stiffness ve termal iletkenliğinin silikon karbidden daha
düşük olması kompozitin özelliklerini de etkiler.
Tablo-4: Tipik Bazı Tek-yönlü
Sürekli Fiber Takviyeli
Metal Matris Kompozitler (fiber hacim fraksiyonu %50)
Metal Matris Kompozitler (fiber hacim fraksiyonu %50)
Fiber
|
Matris
|
Yoğ., g/cm3
|
Modül, GPa
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
Sıkıştırma kuvveti, MPa, Eksensel
|
||
Eksensel
|
Trans-vers
|
Eksensel
|
Trans-vers
|
||||
UHM karbon*
|
Al
|
2.4
|
450
|
15
|
690
|
15
|
340
|
Boron
|
Al
|
2.6
|
210
|
140
|
1240
|
140
|
1720
|
Alumina
|
Al
|
3.2
|
240
|
130
|
1700
|
120
|
1800
|
Silikon karbid
|
Ti
|
3.6
|
260
|
170
|
1700
|
340
|
2760
|
*zift bazlı
Tablo-5: Silikon Karbid Partikül Takviyeli
Aluminyumun
Mekanik Özellikleri
Monolitik
|
Partikül hac.f
raksiyonu, % |
|||||
Özellik
|
Al
(6061-T6) |
Ti
(6Al-4V) |
Çelik (4340)
|
25
|
55
|
70
|
Modül, GPa
|
69
|
113
|
200
|
114
|
186
|
265
|
Gerilmede akma kuv., MPa
|
275
|
1000
|
1480
|
400
|
495
|
225
|
Gerilme son kuv., MPa
|
310
|
1100
|
1790
|
485
|
530
|
225
|
Uzama,%
|
15
|
5
|
10
|
3.8
|
0.6
|
0.1
|
Yoğunluk, g/cm3
|
2.77
|
4.43
|
7.76
|
2.88
|
2.96
|
3.00
|
Spesifik modül, GPa
|
5
|
26
|
26
|
40
|
63
|
88
|
MMC’lerin Fiziksel Özellikleri
a.
Sürekli Fiber Takviyeli MMC’ler
Tablo-6’da, UHK
karbon (zift) fiber takviyeli, Al ve Cu matrisli tek-yönlü kompozitlerin
fiziksel özellikleri verilmiştir. Her iki kompozit de, takviye malzemenin %50
hacim fraksiyonu için hafif negatif aksiyal CTE değeri gösterir. Kompozitlerin
aksiyal termal iletkenlikleri, monolitik bakırın termal iletkenlik değerinden
daha yüksektir. Al ve Cu gibi termal iletken matrislerin kullanılmasının avantajı,
bu kompozitlerin transvers termal iletkenlik değerlerinin, örneğin epoksi
matrisli tek-yönlü kompozitten daha yüksek olmasını sağlamasıdır. UHK karbon
(zift) fiberlerle takviye aluminyum ve bakır matrisli quasi-izotropik
kompozitlerin bazı özellikleri aşağıdaki Tablo-7’de toplanmıştır.
Takviye malzeme
miktarı %26 (hacim fraksiyonu) alınarak, kompozitlerin CTE değerlerinin (6.5
ppm/K), aluminyum oksidin CTE değerine yakın (6.7 ppm/K) olması sağlanmıştır.
Tabloda görüldüğü gibi, aluminyum ve bakır matrisli kompozitlerin düzlem-içi
termal iletkenlik değerleri sırasıyla 290 ve 400 W/m.K’dir. Bu değerler, CTE
değerleri 6.5 ppm/K dolayında olan pek çok malzemenin termal iletkenlik
değerinden daha yüksektir (Elmas partikül takviyeli Cu matrisli kompozitler
hariç).
Tablo-6: Tipik Bazı Tek-yönlü Kompozitler ve Monolitik
Metallerin Fiziksel Özellikleri
Metallerin Fiziksel Özellikleri
Matris
|
Takviye
|
V/O, %
|
Yoğ. g/cm3
|
CTE(a), ppm/K
|
TC(b), W/m.K
|
TC(c), W/m.K
|
TC(d), W/m.K
|
Al (6063)
|
-
|
-
|
2.7
|
23
|
218
|
218
|
81
|
Bakır
|
-
|
-
|
8.9
|
17
|
400
|
400
|
45
|
Aluminyum
|
UHK CF(e)
|
50
|
2.45
|
-0.5
|
660
|
50
|
110
|
Bakır
|
UHK CF(e)
|
50
|
5.55
|
-0.5
|
745
|
140
|
130
|
Epoksi
|
UHK CF(e)
|
60
|
1.8
|
-1.2
|
660
|
2
|
370
|
(a)CTE, eksensel termal
genleşme katsayısı, (b)TC: eksensel termal iletkenlik, (c)TC:
transvers termal iletkenlik, (d)TC: spesifik eksensel termal
iletkenlik, (e)UHK karbon fiberler
Tablo-7: Elektronik Paketlemede Kullanılan
İzotropik ve
Quasi-İzotropik Kompozitler ve Monolitik Malzemelerin Fiziksel Özellikleri
Quasi-İzotropik Kompozitler ve Monolitik Malzemelerin Fiziksel Özellikleri
Matris
|
Takviye
|
V/O, %
|
Yoğ. g/cm3
|
CTE(a), ppm/K
|
TC(b), W/m.K
|
TC(c), W/m.K
|
Alumina (%99 saf)
|
-
|
-
|
3.9
|
6.7
|
20
|
5
|
Aluminyum (6063)
|
-
|
-
|
2.7
|
23
|
218
|
81
|
Bakır
|
-
|
-
|
8.9
|
17
|
400
|
45
|
Aluminyum
|
UHK CF(d)
|
26
|
2.6
|
6.5
|
290
|
112
|
Bakır
|
UHK CF(d)
|
26
|
7.2
|
6.5
|
400
|
56
|
(a)CTE: termal genleşme
katsayısı, (b)TC: düzlem-içi termal iletkenlik, (c)TC:
spesifik termal iletkenlik, (d)UHK CF: UHK karbon fiberler
Silikon Karbid Partikül Takviyeli
MMC’ler: Partikül
takviyeli kompozitlerin fiziksel özellikleri izotropik (üç-boyutlu)
eğilimindedir. Diğer kompozitlerde olduğu gibi, silikon karbid partikül
takviyeli aluminyumun özellikleri de bileşenlerin özelliklerine ve takviyenin
hacim fraksiyonuna bağlıdır. Tablo-8’de farklı silikon karbid hacim
fraksiyonlarının kullanıldığı silikon karbid partikül takviyeli kompozitlerin,
monolitik aluminyum titanyum ve çeliğe karşı yoğunluk, CTE ve termal iletkenlik
değerleri verilmiştir. Çok saf silikon karbidin termal iletkenliği bakırdan
biraz yüksektir. Elektronik paketleme uygulamalarda kullanılan silikon karbid
partikül takviyeli aluminyumun termal iletkenliği ise, monolitik Al alaşımların
seviyesindedir.
Elmas Partikül Takviyeli Bakır MMC’ler: Elmas partikül takviyeli bakır
kompozitlerin özellikleri (Tablo-9), diğer partikül takviyeli kompozitlerde
olduğu gibi yaklaşık izotropiktir; termal iletkenliği monolitik bakıra göre
biraz yüksek, yoğunluğu daha düşüktür
CTE
değeri yarı iletkenler ve seramik substratlar seviyesindedir. Bu özellikleriyle
elmas partikül takviyeli bakır matrisli kompozitler elektronik paketleme
uygulamalarında önemli bir MMC’dir.
Tablo-8: Silikon Karbid Partikül Takviyeli Aluminyumun
Fiziksel Özellikleri
Fiziksel Özellikleri
Monolitik
|
Partikül hacim fraksiyonu(a), %
|
|||||
Özellik
|
Al (6061-T6)
|
Ti (6Al-4V)
|
Çelik (4340)
|
25
|
55
|
70
|
CTE, 10-6/K
|
23
|
9.5
|
12
|
16.4
|
10.4
|
6.2
|
TC, W/m.K
|
218
|
16
|
17
|
160-220
|
160-220
|
160-220
|
Yoğ., g/cm3
|
2.77
|
4.43
|
7.76
|
2.88
|
2.96
|
3.00
|
CTE: termal genleşme
katsayısı, TC: termal iletkenlik, (a)Kompozit: silikon karbid partikül takviyeli aluminyum
Tablo-9: Elektronik Paketlemede Kullanılan İzotropik ve Quasi-İzotropik
Kompozitler ve Monolitik Malzemelerin Fiziksel Özellikleri
Matris
|
Takviye
|
V/O,
% |
Yoğ, g/cm3
|
CTE, ppm/K
|
TC(a), W/m.K
|
TC(b), W/m.K
|
Bakır
|
-
|
-
|
8.9
|
17
|
400
|
45
|
Elmas
|
-
|
-
|
3.5
|
1.0
|
2000
|
570
|
Bakır
|
elmas partikül
|
55
|
5.9
|
5.8
|
420
|
71
|
CTE: termal genleşme katsayısı, (a)TC:
düzlem-içi termal iletkenlik, (b)TC: spesifik termal iletkenlik
