Metal matris kompozitler(MMC), yumuşak (ductile) bir metal
veya alaşım matriste yerleştirilmiş sert seramik takviyeli malzemelerdir.
MMC’ler metalik özelliklerle (yumuşaklık ve dayanıklılık) seramik özellikleri
(yüksek kuvvet ve yüksek modül) birarada içerir. Bu nedenle MMNC’ler
kayma/sıkıştırma proseslerine ve yüksek servis sıcaklıklarına dayanıklı
malzemelerin üretiminde kullanılabilir; uzay endüstrisi, otomobil endüstrisi ve
yapısal malzemeler önemli kullanım alanlarıdır.
Metal matris nanokompozitler (MMNC), takviye malzemelerin
nanometre boyutlarda (genellikle <100 nm) olduğu metal matris
kompozitlerdir. Veya, hem matris ve hem de takviye nanometre boyutlarda
olabilir. MMNC’lerin MMC’lere kıyasla daha iyi özelliklere sahiptir; nano
boyutlu takviyelerin mikro boyutlulara göre daha kuvvetli olması ve matrisin
ince zerreciklerinin de etkileriyle mekanik özellikleri daha üstündür.
Karbidler, nitridler, oksitler gibi nanoseramik partiküller
ve karbon nanotüp takviyeli çeşitli metal (Al, Mg ve Cu gibi) matrisli nanokompozitler
üretilmektedir.
Metal matris nanokompozitler iki grup altında toplanabilir: Metal
matris süreksiz takviyeli sistemler ve metal matris-karbon nanotüp (CNT)
kompozitler.
Metal Matris Süreksiz Takviyeli
Sistemler
Metal matris nanokompozitlerde kullanılan süreksiz
takviyeler genellikle nanopartiküllerdir. Nanopartiküller, zamanla diğer süreksiz
takviyelerin (nanofiberler, nanoteller veya nanoplateletler gibi) yerini
almaktadır. SiC, TiC, WC, TaC, TiB2, AlN, ve Al2O3
kullanımı yaygın olan bazı nanopartiküllerdir. Nanopartikül takviyeli
kompozitlerin karakteristikleri özetle:
·
Monolitik metalin granüller arası (inter-granüler)
kırılma modu, hızla nanokompozitin trans-granüler kırılma moduna değişir.
·
Kuvvette orta-önemli derecede gelişme olur.
·
Kırılma dayanımında orta
derecede gelişme olur.
·
Kayma, termal şok ve aşınma
dirençlerinde önemli gelişmeler olur.
·
Yüksek sıcaklıklarda
boyutsal kararlılıkta önemi gelişme olur.
Bazı metal matris nanokompozitler ve özellikleri Tablo-16’da verilmiştir.
a-Fe/Fe23C6/Fe3B
sistemi gösterdiği gelişmiş sertlik özellikleri, Al/SiC sistemi de sertlik ve
mekanik özellikleri yönünden tipik örneklerdir. a-Fe/Fe23C6/Fe3B
sisteminden hazırlanan külçe ve şerit formlardaki metal nanokompozitlerin
sertlik değerleri Tablo-17’de verilmiştir.
a-Fe/Fe23C6/Fe3B
alaşımlarındaki nanofazların yapıları X-ışını difraksiyon ve TEM mikroyapı analizleriyle
açıklanabilir; sistemde iki kübik ve bir tetragonal olmak üzere üç faz bulunur.
Külçe alaşımda üç faz da 4 mm
boyutundayken, ısıl işlemlenmiş şerit alaşımda fazların boyutu 100-130 nm
dolayındadır (Şekil-77).
Matris/Takviye
|
Gelişmiş Özellikler
|
Al/SiC,
Mg/SiC, Al/Al2O3, Mg/Al2O3
|
Ultimat
kuvvet, sertlik ve elastik modül
|
Ag/Au
|
Katalitik
aktivite
|
Ni/PSZ ve
Ni/YSZ
|
Sertlik ve
kuvvet
|
Cu/Nb
|
Mikro sertlik
|
Al/AlN
|
Yüksek
sıkıştırma direnci ve düşük akma hızı
|
CNT/Sb ve
CNT/SnSb0.5
|
Li+ interkalasyon özellikleri
|
a-Fe/Fe23C6/Fe3B
|
Sertlik
|
Cu/Al2O3,
Cu/Nb
|
Mikro sertlik
|
CNT/Fe3O4
|
Elektrik
iletkenliği
|
Tablo-17: Fe/Fe23C6/Fe3B Nanokompozit Külçe ve
Şeritlerin Sertlikleri
Şeritlerin Sertlikleri
Örnek
|
Sertlik, GPa
|
|||||
600 °C
|
650 °C
|
700 °C
|
750 °C
|
800 °C
|
850 °C
|
|
Külçe
|
6.0
|
-
|
6.6
|
-
|
6.5
|
-
|
Şerit
|
11.0
|
15.6
|
16.2
|
12.2
|
12.0
|
10.5
|
Şekil-77: a-Fe/Fe23C6/Fe3B
nanokompozitlerin TEM/SAED imajları
Al/SiC Nanokompozit
Sistemi: Al/SiC nanokompozit ve eşdeğeri mikrokompozitlerin bazı mekanik
özellikleri Tablo-18’de
toplanmıştır. Tablodaki değerlerden görüldüğü gibi, Al/SiC kompozite kıyasla
Al/SiC nanokompozitin Young’s modülü %105.1 ve sertliği %12.6 daha yüksektir.
Young’s
modülü, GPa
|
Sertlik (Hv)
Kg/mm2
|
|
Al/SiC Kompozit
|
88.4
|
78
|
Al/SiC Nanokompozit
|
100
|
160
|
Al/SiC nanokompozit sisteminin Vicker’s sertliği, Young’s
modülü ve shear modülünün, nanokompozitin içerdiği SiC miktarı ile değişimi Şekil-78’de verilmiştir. Sert fazın (SiC) hacim fraksiyonunun artmasıyla
maksimum sertlik 2.6 GPa değerine kadar (SiC miktarı %10’dur) malzemenin
sertliğinde doğrusal bir yükselme görülür. Young’s modülü ve shear modülü de
artan SiC miktarıyla önemli derecede yükselir.
Şekil-78: Al100-x/SiCx
nanokompozitlerin SiC miktarı ile (a) Vicker’s sertliğinin, (b) Young’s modülü
ve shear modülünün, değişmesi
Mekanik katı hal karıştırma ile hazırlanmış olan Al/SiC
nanokompozitlerin TEM imajında sadece iki faz görünür; bunlar SiC (granüler
ince zerrecikler) ve matris olan aluminyumdur (Şekil-79). Elektron difraksiyon
paterninde (SAED) keskin halka-lekeleri yoktur; bu görünüm ince nano boyutlu
tozun (SiC fazı) Al matriste yerleşiminin yeterli olduğunu belirtir.
Şekil-79: Al/SiC nanokompozitlerin, (a) TEM ve (b) SAED imajları
Diğer Bazı Sistemler: Diğer bazı tipik metal nanokompozitlerin
(Fe/MgO, Al/AlN ve Ag/SiO2) mikro yapılarını gösteren SEM ve TEM
mikrografları Şekil-80’de verilmiştir. Fe/MgO nanokompozit 873 K’de ısıl
işlem uygulanmış ve 1073 K’de indirgenmiştir; indirgenme sırasında Fe2O3’den
O2 çıkışı hacim değişikliğine neden olur.
Şekil-80: Fe/MgO; Al/AlN ve Ag/SiO2
nanokompozitlerin SEM ve TEM mikrografları
Metal Matris-CNT Kompozitler
Metal matris-CNT sistemlere tipik örnekler Al/CNT, Mg/CNT ve
Sn2Sb/CNT nanokompozitlerdir.
Karbon nanotüp takviyeli aluminyum matris kompozitlerin
matristeki CNT miktarıyla Vicker’s sertliğinin değişimi incelenmiştir (Şekil-81); görüldüğü gibi, CNT mikanın
artmasıyla (ağırlıkça %1, 2, 4 ve 10) mikrosertlik de artmaktadır.
Aluminyum metal matrislere CNT ilave edildiğinde malzemenin
elektriksel direncinde çok az bir değişiklik olduğu gözlenmiştir. Karbon
nanotüplerin elektrik iletkenlikleri aluminyumdan daha düşüktür; ayrıca CNT’ler
Al-tanecik sınırlarında aglomerleşirse kendileri yeni bir tür tanecik sınır
fazı oluşturarak şarj taşıyıcının saçılmasını yükseltirler ve iletenliğin
düşmesine neden olurlar. Karbid fazların iletkenlikleri ve poröziterinin zayıf
olması da Al/CNT kompozitlerin elektrik direncini etkiler (Şekil-82b).
Sn2Sb/CNT nanokompozitlerde, CNT’lerde görülenden
daha yüksek spesifik kapasite ve desteklenmemiş Sn-Sb alaşımlara göre gelişmiş
bükülebilirlik özellikleri saptanmıştır. CNT matriste Sn2Sb
dispersiyonuyla izlenebilmiştir (Şekil-83).
Şekil-81:
Aluminyum matriste CNT miktarıyla mikrosertlik ve akma kuvvetinin değişimi
(a) (b)
Şekil-82: (a) CNT’lerin
TEM, ve (b) Al/CNT (%1 ağ.) nanokompozitin SEM görüntüleri
(a) (b)
MMNC Üretim Prosesleri
Metal matris kompozitlerin üretiminde çeşitli ex-situ ve
in-situ prosesleri kullanılabilir. Ex-situ proseste takviye malzeme matrise
doğrudan (dışarıdan) ilave edilir. In-situ proseste ise takviye malzeme
fabrikasyon sırasında matris içinde üretilir. Her iki proses de kendi içlerinde
Şekil-84’de görüldüğü gibi alt gruplara ayrılır.
Ex-situ üretim teknikleri katı-hal, yarı katı-hal ve
sıvı-hal prosesleridir. Katı-hal proseslerinden en popüler olanlar toz
metallurji ve mekanik aşındırma yöntemleridir. Sıvı hal prosesler dört temel
kategoride toplanır: infiltrasyon, çalkalama, püskürtme (sprey) ve ultrasonik
kavitasyonla katılaştırma. Yarı-katı prosesler ise elektromagnetik karıştırma
ve yarı-katı dökmedir.
In-situ prosesler, ex-situ yöntemlerde görülen tipik bazı
olumsuzluklardan etkilenmez. Fabrikasyon metotları iki temel mekanizma altında
toplanabilir: Reaktif rota ve morfolojik rota. Reaktif rotada takviye malzeme,
metal matris içinde gaz-sıvı, sıvı-sıvı veya katı-sıvı reaksiyonlarla
sentezlenir. Morfolojik rotada kompozitin morfolojik yapısı esas alınır. Bunun
için iki proses uygulanabilir: De-formasyon prosesi ve eutektik alaşımların
doğrudan katılaştırılması.
Şekil-84: Metal matris nanokompozitlerin üretim
metotları
Metal matris nanokompozitlerin ve metal-CNT
nanokompozitlerin hazırlanmasında kullanılan çeşitli metotlar vardır: Sprey
piroliz, sıvı metal infiltrasyon, hızlı katılaştırma (RPS), buhar teknikleri
(PVD, CVD), öğütme (yüksek enerji bilyeli) elektrodepozisyon ve kimyasal
metotlar (koloidal ve sol-jel prosesleri).
Metal bazlı bazı nanokompozit sistemler ve bu sistemlere uygulanan proses
metotları Tablo-19’da, metal CNT nanokompozit sistemler ile proses metotları da
Tablo-20’de verilmiştir.
Sprey Piroliz: İnorganik öncül (başlangıç malzemesi) uygun bir
solventte çözülür ve ultrasonik bir atomizerle sis şeklinde püskürtülür. Bu
sis, taşıyıcı bir gazla önceden ısıtılmış bir odacığa taşınır; damlacıklar
buhar haline gelir ve bir filtreyle tutularak, oksit malzemelerin oluşması
için kolayca parçalanması sağlanır. Metal oksitlerin seçici indirgenmesiyle
de metalik malzemeler elde edilir.
|
Sıvı İnfiltrasyon: İnce takviye partiküller, matris metal
malzemeyle karıştırılır ve termal işlem uygulanır; matris ergir ve sıvı
infiltrasyonla takviyeleri sarar. Bunu takiben, konsolidasyonu sağlamak ve iç
poröziteyi gidermek amacıyla matrisin erime noktasının altındaki bir
sıcaklıkta ısıl işlemle iç porözite giderilerek konsolidasyon yapılır.
|
Hızlı Katılaştırma Prosesi (RSP): Metal komponentler bir arada ergitilir.
Ergiyik, homojenliğin sürdürülebilmesi için gerekli kritik sıcaklığa kadar
ısıtıldıktan sonra uygun bir yöntemle (örneğin ergiyik spinning gibi) hızla
soğutulur.
|
RSP, Ultrasonikle: Matris ve takviye malzemeler arasındaki
ıslanabilirlik özelliğinin geliştirmek ve karıştırmak için ultrasonik yöntem
uygulanır.
|
Yüksek Enerji Bilyeli Değirmen: Toz malzemeler, nanoboyutlu alaşım elde
edilinceye kadar bir arada öğütülerek nanokompozit elde edilir.
|
Kimyasal Buhar Depozit (CVD) / Fiziksel Buhar
Depozit PVD – PVD:
Komponentlerin sıçratma/buharlaştırılmasıyla bir buhar faz oluşması sağlanır.
İnert bir gaz atmosferinde buhar fazın süper saturasyonu (doygunluğu)
sonucunda metal nanopartiküller yoğunlaşırlar. Nanokompozitin konsolidasyonu,
inert atmosferde termal işlemle yapılır. CVD:
Malzeme buharlarının oluşturulmasında kimyasal metotlar uygulanır; takiben
konsolidasyon yapılır.
|
Kimyasal Prosesler (Sol-Jel, Kolloidal) –
Koloidal Metot: İnorganik
tuzların çözeltide kimyasal olarak indirgenmesiyle elde edilen metal
partiküller kurutulur ve konsolide edilir. Katı ürüne, H2 gibi
indirgeyici bir atmosferde ısıl işlem uygulanarak seçici oksit indirgenmesi
sağlanır ve metal komponent elde edilir. Sol-Jel
Proses: İki
misel çözelti hazırlanır: 0.1 M HAuCl4 (sulu) ve 0.6 M NaBH4 (sulu) içeren mezoporöz silika. Altın tamamen
indirgeninceye kadar ultraviyole ışık altında karıştırılır. Fe/Au içeren nanokompozitler
için: Demir kabuk (shell) sentezlenir. İkinci bir kabuk hazırlanır ve ikinci
altın kaplamadan sonra toz malzeme kurtulur. Karışım preslenerek son malzeme
elde edilir.
|
Tablo-20:
CNT-Metal Nanokompozitler ve Prosesler
Proses
|
Sistem
|
İşlem
|
Elektrik
Akımsız kaplama
|
Co-CNT
|
İşlemler,
elektrik akımsız bir kaplama banyosunda yapılır. (1) Aktiflenmiş CNT’ler,
kobalt öncül, indirgeyici madde CoSO4.7H2O, kompleks
yapıcı madde ve bir tamponun bulunduğu kaplama banyosunda kobalt kaplanmış
CNT’ler elde edilir. (2) 873 K sıcaklık, 200 torr basınç ve %10 H2/N2
gaz akımında ısıl işlem uygulanır.
|
Elektrik
Akımsız kaplama
|
Sn/CNT,
SnSb0.5/CNT, Sn2Sb/CNT
|
SnCl2
ve SbCl3 öncüller, CNT’lerin de bulunduğu kaplama banyosunda KBH4’le
indirgenir.
|
Sıcak Presleme
|
Al/CNT
|
Toz
malzemeler öğütülür (~30 dakika), 25 MPa basınç altında ve 793 K’de
preslenir.
|
Nano skala
Dağıtma
|
Al/CNT
|
Doğal
kauçuk ve etil propilenle, MWCNT (13 nm çap ve 10-50 μm uzunluk) öncül
hazırlanır, Al tozlarla karıştırılır ve 353 K’de sıkıştırma kalıplamayla
levhalar haline getirilir. Bu öncül 28 μm tanecik (grain) boyutundaki bir Al
(%98.85) plaka üzerine konulur, N2 atmosferinde, 1073 K’de bir saat ısıtılır
ve sonra soğutulur.
|
PM/infiltrasyon
|
Mg-Al2O3-CNT
|
Mg
tozlar ve MWCNT (%1 hac.), alkol ve asitli ortamda mekanik olarak
karıştırılır, 25 MPa basınçta ve 550 0C’de sinterleme yapılır. Ergimiş Mg,
hazırlanmış Al2O3 fiber performlara (%25 hac., 40-100 μm uzunluk) infiltre
edilir.
|
