Matris Faz
Metal matris kompozitler, esneyebilir (ductile) bir metal
matris ile takviye malzemelerden oluşur; matris daima bir metal olarak
tanımlanırsa da metaller ve hafif metal alaşımlarıdır. Metal matris
kompozitlerin çalışma sıcaklıkları ~200-800 0C’dir; bu nedenle
yüksek sıcaklık uygulamaları gerektiren ortamlara uygundur.
Metal matris
kompozitlerde kullanılan metaller genellikle konvensiyonal alaşımlardır.
Yapısal MMC’de kullanılan metalik matris malzemeler genellikle aluminyum,
titanyum, demir alaşımları ve intermetalik bileşiklerdir. Bakır, kurşun,
magnezyum, kobalt, gümüş ve süper alaşımlar da önemli metal matrislerdir. Kompozitteki
metallerin özellikleri üretim prosesine bağlıdır, çünkü, metaller
elastik-plastik malzemelerdir, özellikleri karşılaştıkları mekanik gerilimler
ve sıcaklık değişikliklerine göre şekillenir.
Metaller ve metalik alaşımlar, metalik bağlanma nedeniyle
çok yüksek mekanik özelliklere (stiffness, kuvvet, ductilite, dayanıklılık) ve
fonksiyonel özelliklere (yüksek termal ve elektrik iletkenliği) sahip
malzemelerdir. Temel deformasyon mekanizması kayma (dislocation slip)
hareketidir; alaşımlayıcı elementler ilave edilerek bu olumsuzluk büyük ölçüde
giderilebilmektedir. Bu tür elementler ikinci fazlar veya katı çözeltiler
oluşturarak kayma hareketini düzeltir.
Şekil-7: Tipik
metal matrisler; metaller ve alaşım sistemleri
Metalik malzemelerin önemli dezavantajları yüksek
yoğunlukları, spesifik uygulamalar için (güç üniteleri gibi) ergime
noktalarının düşük olması ve yüksek sıcaklıklardaki kimyasal aktiviteleridir.
Çok kullanılan metal matrisler aluminyum ve titanyum bazlıdır. Bu iki
metalin de spesifik gravitesi düşüktür ve çeşitli alaşımları vardır. Magnezyum
da hafif bir metal olmasına rağmen oksijene karşı büyük ilgisinden dolayı
atmosferik oksidasyona uğraması nedeniyle pek çok uygulamaya elverişli
değildir. Tüm yapısal metaller arasında berilyum en hafif olanıdır ve gerilme
modülü çelikten daha yüksektir; ancak kırılganlığı matris malzemesi olmasını
zorlaştırır. Ni ve Co bazlı süper alaşımlar da matris olarak kullanılmaktadır;
fakat bunlardaki alaşım elementlerin yüksek sıcaklıklarda fiberleri oksitleme eğilimleri
dikkate alınmalıdır.
En çok kullanılan matris malzemeler hafif alaşımlardır;
çünkü, bu tür malzemelerin ergime sıcaklıkları düşüktür (fiberleri bozmadan,
infiltrasyona olanak verir) ve kompozitin yüksek sıcaklık mekanik özelliklerini
yükselirler.
Aluminyum alaşımlar,
özellikle dökme Al-Si alaşımlar ve dövme Al-Cu alaşımlardır. Ergimiş Al
alaşımların viskozitesi düşüktür ve SiC veya Al3O2
partiküller ile takviye edildiğinde sertliği, aşınma direnci, spesifik stiffness
ve kuvveti yükselir.
Titanyum alaşımlar
(Ti-6Al-4V), seramik fiberlerle (SiC, C) takviyelendirildiğinde yüksek sıcaklık
(600 0C) uygulamalarında kullanılabilen çok yüksek spesifik
özelliklerde kompozitler elde edilir. Ergimiş metalik alaşımlar çok reaktiftir,
takviye malzemeyle kimyasal reaksiyona girerler. Bu tür sorunları önlemek için
fiber kaplama, katı halde proses (toz metallurji), hızlı katılaştırma
teknikleri, matrisin kimyasal bileşiminde modifikasyonlar, gibi yöntemler
uygulanabilir.
Dispers Faz
Metal matris kompozitler çeşitli takviye malzemeleriyle
kuvvetlendirilebilir (Şekil-8). Takviye malzemeler üç-boyutlu (partikülat),
iki-boyutlu (laminar) veya tek-boyutlu fiber olabilir. Farklı takviyelerin
kullanıldığı metal matris kompozitlerin mekanik özellikleri ve işlenme
teknikleri de farklıdır.
Metal matris kompozitler üç gruptur:
·
Kuvvetlendirici ve matris birbiri içinde
çözünmezler.
·
Kuvvetlendirici ve matris birbiri içinde kısmen
çözünürler.
·
Matris ve kuvvetlendirici yönünden kritik olan
ve genellikle karşılaşılan üretim kaynaklı sorunların proses kontrolleri ile
çözülebildiği MMC’ler.
Metal matris kompozitlerde kullanılan takviye malzemeleri,
sürekli fiberler, süreksiz fiberler, whiskerler, teller ve partiküllerdir
(plateletler dahil). Bunlardan teller (metallerdir) dışındakiler genellikle
seramiklerdir: Tipik olarak bu seramikler, ortam sıcaklığında da yüksek
sıcaklıklarda da kuvvet ve stiffness özelliklerini fevkalade bir araya getirebilen
oksitler, karbidler ve nitridlerdir.
Metal matris kompozitlerde kullanılan takviyelerin
özellikleri, kompozitin üretimi, işlemlemesi ve kompozitteki matris sistemine
bağlı olarak çeşitli talep profilleri gösterirler; düşük yoğunluk, mekanik
uyumluluk, termal stabilite, yüksek Young’s modülü, yüksek sıkıştırma ve
gerilme kuvveti, iyi işlenebilirlik ve ekonomik verim gibi. Bu tür özellikler
sadece metalik olmayan inorganik takviye malzemeleriyle karşılanabilir. Metal
takviye için seramik partiküller veya tercihen fiberler, veya karbon fiberler
kullanılabilir. Metalik fiberler, yoğunluklarının yüksek olması ve matris
alaşımla reaksiyona girme eğilimleri nedeniyle uygun takviye malzemeleri
değildir. Çeşitli takviye malzemelerin üretimleri, işlemlenmesi ve uygulama
tipi, kompozitlerin üretim tekniklerine bağlıdır. Farklı takviyelerin bir araya
getirilmesi de, hibrid tekniklerde olduğu gibi, mümkündür.
Şekil-8: Metal matris
kompozitlerde kullanılan takviye malzemeler
Arayüz (Arafaz)
Metal matris kompozitlerde mikroyapı ve arayüzler
birbirleriyle ilişkilidir. Matris ve takviye malzeme arasındaki kimyasal
etkileşimler ve reaksiyonlar, arayüzün yapışkanlığını belirler; dolayısıyla kompozitin
özelliklerini ve mekanik davranışlarını önemli derecede etkiler. Seramik metal arayüzler
genlikle yüksek sıcaklıklarda oluşur. Yüksek sıcaklıklarda difüzyon ve kimyasal
reaksiyon kinetiği daha hızlıdır. Bir MMC için optimum arayüz özellikleri,
zaman, sıcaklık, basınç gibi çeşitli parametreler termodinamik, kinetik ve
termal datayla bir arada yorumlanarak belirlenir. Mekanik ve kimyasal
bağlanmalar bağ kuvvetine yardımcı olabilir.
MMC’ler yüksek sıcaklık uygulamalarda uzun süre
mikroyapılarını korurlar. Mikroyapıdaki ve arayüzdeki değişiklikler malzemenin
termal stabilitesini düşürür ve çökmesine neden olur. Örneğin, elektrik
mühendisliğinde geniş bir kullanım alanına sahip olan karbon fiber takviyeli
bakır matrisli kompozitlerdeki seyreltik bakır-karbon çözeltileri tipik MMC arayüzlerdir.
Arayüz, karbon fiber üzerindeki Cu-C etkileşim sınırında oluşur; karbon atomu
oktahedral yapının merkezinden saparak kimyasal bağla bakır-bazlı katı
çözeltiyi oluşturur.
Bir diğer örnek grafit fiberin titanyumla kaplanarak arayüz
oluşturulmasıdır. Grafit fiberle reaksiyona giren Ti kaplama, sinterleşme
prosesi sırasında sürekli ve muntazam TiC tabaka formuna dönüşür. Bu TiC ara
tabaka, grafit fiber/bakır kompozitin arayüz yapısını oluşturur.
Takviye
|
Saffil (Al2O3)
|
SiC partikül
|
Al2O3
partikül
|
Kristal yapısı
|
a-Al2O3
|
heksagonal
|
heksagonal
|
Yoğunluk (g/cm3)
|
3.3
|
3.2
|
3.9
|
Ortalama çap (μm)
|
3.0
|
değişken
|
değişken
|
Uzunluk (μm)
|
~ 150
|
–
|
–
|
Mohr sertliği
|
7.0
|
9.7
|
9.0
|
Kuvvet (MPa)
|
2000
|
–
|
–
|
Young’s modülü (GPa)
|
300
|
200–300
|
380
|
Şekil-9: Metal matris kompozit arayüz SEM
görüntüleri
Şekil-10: Mg alaşımı/Al2O3
fiber arayüzde reaksiyon ürünleri
SEM ve TEM görüntüleri
SEM ve TEM görüntüleri
