Şekil-1: Bazı (a)
polimer, metal ve seramik matrisler, (b) E: partikülat metal rotası, G: kısa
fiber sıvı metal rotası, H: sürekli fiber sıvı metal rotası, ve I: monofilament
buhar faz rotasıyla yapılan MMC’lerin takviyelerle kıyaslamalı mekanik
özellikleri
Metal matris kompozitler, esneyebilir (ductile) bir metal
matris ile takviye malzemelerden oluşan kompozitlerdir; matris daima bir metal
olarak tanımlanırsa da metaller ve hafif metal alaşımlarıdır. Metal matris
kompozitlerin çalışma sıcaklıkları 200-800 0C dolayındadır; bu
nedenle yüksek sıcaklık uygulamaları gerektiren ortamlara uygundur.
Pek çok polimer matris kompozitlere kıyasla metal matris kompozitlerin mekanik
özellikleri, transvers kuvveti ve stiffnesi, kayma ve sıkıştırma kuvveti daha
yüksektir; ayrıca, yüksek sıcaklığa uyumu PMC’lerden daha iyidir. MMC’ler
önemli miktarda su absorblamazlar, alevlenmezler, elektrik ve ısıl
iletkenlikleri yüksektir ve ışınlara karşı dirençlidir. En önemli
dezavantajları takviye malzemeyle kimyasal ve mekanik uyumluluğunun zayıflığı
ve reçine matrislere kıyasla işlenme koşullarının daha sert olmasıdır.
Aluminyum, magnezyum, titanyum ve bakır gibi metallerin
alaşımları matris olarak kullanılan süper alaşımlardır. Takviye malzemeler
partiküller, sürekli ve süreksiz fiberler ve whiskerler olabilir; bunlar,
hacimce %10-60 arasında kullanılabilir. Tipik sürekli fiberler karbon, silikon
karbid, boron, alumina ve refraktör metallerdir. Süreksiz fiberler genellikle
silikon karbid whiskerler, kesilmiş fiberler (alumina ve karbon) ve
partiküllerdir (SiC ve Al2O3). Tablo-1’de bazı metal
matrisler ve sürekli ve dizili fiber takviyelerle yapılan kompozit sistemlerin
özellikleri verilmiştir.
Bazı matris-takviye sistemleri yüksek sıcaklıklarda
reaktiftirler, dolayısıyla kompozit yüksek sıcaklıklarda işlenme sırasında veya
servis uygulamalarda bozulabilir (degredasyon). Bu tür sorunlar takviyenin
koruyucu bir malzemeyle kaplanmasıyla, veya matris alaşım kompozisyonunun modifiye
edilmesiyle çözülebilir.
Metal matris kompozitler içerdikleri takviye malzemeye göre
farklı şekillerde adlandırılır: Sürekli fiber takviyeli (CFRM), monofilament
takviyeli (MFRM), kısa fiber takviyeli (SFRM), whisker takviyeli (WRM),
partikül takviyeli (PRM) metal matris kompozitler gibi (Şekil-3).
Şekil-2: Metal matrisli
kompozitler
Tablo-1: Sürekli ve
Dizili Fiber Takviyeli MMC’lerin Özellikleri
Fiber, (sürekli dizili)*
|
Matris
|
Fiber,
% hac. |
Yoğunluk, g/cm3
|
Gerilme modülü, GPa*
|
Gerilme kuvveti, GPa*
|
Karbon
|
6061 Al
|
41
|
2.44
|
320
|
620
|
Boron
|
6061 Al
|
48
|
-
|
207
|
1515
|
SiC
|
6061 Al
|
50
|
2.93
|
230
|
1480
|
Alumina
|
380.0 Al
|
24
|
-
|
120
|
340
|
Karbon
|
AZ31 Mg
|
38
|
1.83
|
300
|
510
|
Borsic
|
Ti
|
45
|
3.68
|
220
|
1270
|
*Boylamasına
(longitudinal)
Bu tip kompozitler genellikle oldukça esnek (ductile) ve
akma kuvveti düşük olan matrislerle gerilme kuvveti yüksek, modülü yüksek olan
kırılgan fiberlerin bulunduğu sistemlerdir.
Sürekli uniaksiyal dizili fiberlerle takviyeli ductile metal
matris kompozite fiberlere paralel yönde gerilim uygulandığında gerilme-gevşeme
davranışı dört aşamada sonlanır (Şekil-4). Birinci aşamada fiber ve matris
elastik deformasyon gösterir. Elastik modül aşağıdaki eşitlikle verilir; EF,
EM ve EC takviyenin (fiber), matrisin ve kompozitin
elastik modüllerini, V hacim fraksiyonlarını tanımlar.
EC = EFVF
+ EMVM
İkinci aşama fiberin elastik, matrisin ise plastik
deformasyona uğradığı gerilme-gevşeme bölgesidir. Fiberin hacim fraksiyonu
genellikle matrisinkinden daha yüksek olduğundan E2, E1’e
yakın bir değerdir; kompozitin modülü EFVF ile iki fazın
gerilme-gevşeme eğrilerindeki eğiminin toplamına eşit olur; dsM/deM, matris fazın
etkin gevşeme-sertleşme katsayısıdır:
E11 = EFVF
Üçüncü aşama hem fiber ve he de matrisin plastik
deformasyona uğradığı kısımdır; iki fazın normal plastik genişlemesidir.
Kompozitin gerilme-gevşeme performansındaki dördüncü
aşamasında yüksek kuvvetli fiberlerin kırılması yer alır. Bu aşama sırasında
matris, yükü kırılmış fiberlerden alarak kırılmamış segmentlere transfer eder
ve kırıklar veya boşluklara akar. Dördüncü aşama kompozitin kırılmasıyla sonlanır.
Matrisin fiber takviyeli kompozitlerin transvers veya kayma (shear)
özelliklerindeki etkisi, longitudinal özelliklerindeki etkisinden daha
fazladır.
Şekil-4: Fiber
takviyeli MMC’lerin gerilme-gevşeme davranışları (eBF= fiber kırıldığında uzama, eBM= matris kırıldığında uzama, eBC= kompozit kırıldığında uzama
Partikül Takviyeli MMC’ler
Partikül takviyeli kompozitler sert bir takviye dispers faz
içermesine rağmen dispersiyonla kuvvetlendirilmiş malzemelerden farklıdır;
çünkü, dispersiyonla kuvvetlendirilmiş kompozitlerdeki dispersoidlerin hacim
fraksiyonu daha yüksektir, partiküller daha küçüktür ve interpartiküler
aralıklar vardır. Tungsten karbid-kobalt gibi partikül takviyeli bir kompozitte
yük taşıyan faz takviye fazdır, matris yükü transfer eden ve malzemenin kolay
işlenmesini sağlayan fazdır. Üç-boyutlu takviyeler, malzeme üç ortogonal düzlem
boyunca simetrik olacağından kompozite izotropik özellik kazandırır. Partiküler
kompozitlerin kuvveti normal olarak partiküllerin çapına, partiküller
arasındaki boşluğa ve takviyenin hacim fraksiyonuna bağlıdır.
Dispersoid Takviyeli
Metal Matris Kompozitler: Dispersoid takviyeli metal matris kompozitler,
>%5 (hacim fraksiyonu dispersoid takviye malzeme içeren MMC’lerdir. (aksi
halde malzeme, herhangi bir MMC’in dispersiyonla-kuvvetlendirilmiş metal
matrisidir.)
Sermetler: Bir
metal matris ve üç-boyutlu bir seramik takviye ile hazırlanan kompozitlerdir;
metal miktarı (<%20, hac.) az olduğundan daha çok bir seramik matris
kompozit olarak kabul edilebilir. İçerdiği her iki bileşen de gözeneklidir; bu
nedenle sermetler hem MMC, ve hem de CMC olarak düşünülebilir.
Sermetler seramiğin yüksek sıcaklığa dayanıklılık ve sertlik
gibi özellikleriyle, metalin plastik deformasyon gibi özelliğini bir arada
taşıyan ideal malzemelerdir. Bağlayıcı olarak kullanılan metal bir oksit, borid
ve kobalttır. Malzemenin fiziksel özelliklerine göre, sermetler metal matris
kompozit olarak da kabul edilebilir. Ancak hacimce %20’den daha az metal
içerir. Seramik partiküllerin çapı 1-10 μm kadardır. Bir metalik matriste bir
veya daha fazla karbid bileşiği bulunabilir; bu tür malzemeler için, teknik
olarak doğru olmasına karşın sermet terimi kullanılmaz.
Tipik sementli karbidler tungsten karbid, titanyum karbid ve
krom karbid esaslıdır. Tantalyum karbid (TaC) ve diğerlerinin
kullanımı yaygın değildir. Metalik bağlayıcılar ise genellikle kobalt (Co) veya
nikeldir (Ni).
Yapısal kompozitler, laminatlı paneller veya sandviç
yapılardır. Fiber takviyeli bir kompozit farklı fiber oryantasyonlarında birkaç
tabaka içerdiğinde çok tabakalı (angle-ply) yapı formu oluşur.
Yapısal uygulamalarda, matris genellikle Al, Mg, veya Ti
gibi hafif metallerle; yüksek sıcaklıklar için kobalt ve kobalt-nikel
alaşımıdır. Metalik formların oluşturulmasında çeşitli metotlar uygulanabilir.
Bazıları, özellikle de kapalı hücre yapılar oluşturmada metal sıvı veya
yarı-katı halde işlenir. Ancak, metallerin sıvı haldeyken viskozitesinin düşük
olması problemi vardır; bu durum ergiyiğe seramik dispersiyonlar (oksit filmler
veya seramik partiküller) ilave edilerek karşılanır.
Laminatlı kompozit, yüksek modül ve yüksek kuvvetli,
tekrarlanan lamellar takviye malzemelerin, ductilitesi yüksek ve
şekillendirilebilir metalik matriste yerleştirilmesiyle hazırlanır.
Örneğin, boron karbid-titanyum kompozitteki tekrarlanan
takviye yapı, 5-25 mm kalınlığında CVD boron karbid filmlerdir. Diğer bir tip,
Ni-Mo ve Al-Cu eutektoid kompozitlerdir; bunlarda iki faz lamellar düzende
katılaşır.
Şekil-5: Bazı
metal matris kompozitlerin SEM görüntüleri
Tablo-2: Metal Matris Kompozitlerin
Kompozit Türleri, Tipik Takviye Malzemeleri ve Kullanım Alanları
Kompozit türü
|
Tipik takviye
malzemesi |
Kullanım alanları
|
|
Aluminyum
matris kompozitler
|
Partikülat
|
Al2O3 (alumina) veya SiC
tanecikler
|
Otomotiv parçaları (piston, itici mil, fren
komponentleri); hızlı trenlerde fren rotoru; bisiklet, golf, elektronik
malzemeler; yüksek voltaik elektrik kablo sistemlerinde
|
Uzun-fiber takviyeli
|
Al2O3, SiC, grafit, v.s.
sürekli fiberlerdir
|
||
Kısa-fiber takviyeli
|
Süreksiz Al2O3 fiberler
|
||
Magnezyum
matris kompozitler
|
Partikülat
|
SiC (silikon karbid) tanecikler (silikon karbon)
|
Yarış arabaları, hafif otomotiv fren sistemleri, uçak
parçaları (dişli kutusu, transmisyon, kompresör ve motor)
|
Titanyum
matris kompozitler
|
Partikülat
|
TiB2 (titanyum borid) ve TiC (titanyum
karbid) tanecikler
|
Bazı jet uçaklarının dişli sistemlerinde, türbin
motoru komponentleri (fan kanadı, piston, senkronizasyon segmanı, bağlantı
parçası, şaft, disk), otomotiv motor komponentleri, sürücü parçalar, genel
makine parçaları
|
Uzun-fiber takviyeli
|
Sürekli monofilament SiC fiberler
|
||
Bakır
matris kompozitler
|
Partikülat
|
SiC tanecikler
|
Hibrid modüller, elektronik röleler, elektrik iletici
malzemeler ve diğer elektrik ve elektronik komponentler
|
Uzun-fiber takviyeli
|
Sürekli C fiberler, SiC, W,
paslanmaz çelik 304
|
