Mekanik Özellikler
Seramikler
genellikle yüksek derecede sıkı (stiffness) ve serttir, aşınmaya, korozyona ve
oksidasyona dayanıklıdır, yüksek sıcaklıklarda işlenebilir; ancak yüksek
gerilme kuvveti uygulanan malzemelerde kullanımı sorunlar yaratabilir.
Seramiklerin çatlama dayanımı (fracture toughness) çok düşüktür, dolayısıyla
ufak çatlamalara ve hasarlara karşı çok hassastır; büyük gerilimlerde dağılır,
termal ve mekanik şoklara direnç gösteremez. Betonda, takviye çubuklar çelikten
veya polimer matris kompozitlerden yapılarak bu olumsuzluk azaltılır.
Seramik matris
kompozitlerde seramik matrislerin fiberler, whiskerler ve partiküllerin bir
araya getirilmesiyle matrisin çatlama dayanımı yükselir, kuvvet dağılması
azalır, termal ve mekanik şoklara karşı direnç artar. Çatlama direncindeki en
yüksek sonuç sürekli fiber takviye malzemelerle elde eldir. Tablo-2’de yapısal
metalik alaşımların monolitik seramikler ve whiskerler ve sürekli fiberlerle
takviyeli CMC’lerle çatlama dayanıklılıklarının kıyaslaması görülmektedir.
Şekil-7: Bir monolitik seramik ve sürekli
fiberlerle takviyeli seramik matris kompozitin gerilme-gevşeme eğrileri
Tablo-2: Yapısal Alaşımlar, Monolitik
Seramikler ve Seramik Matris
Kompozitlerin Çatlama Dayanıklıkları
Kompozitlerin Çatlama Dayanıklıkları
Matris
|
Takviye
|
Fracture Toughness, MPa.m1/2
|
Aluminyum
|
Yok
|
35-45
|
Çelik
|
Yok
|
40-65
|
Alumina
|
Yok
|
3-5
|
Silikon karbid
|
yok
|
3-4
|
Alumina
|
zirkon partiküller
|
6-15
|
Alumina
|
silikon karbid whiskerler
|
5-10
|
Silikon karbid
|
sürekli silikon karbid fiberler
|
25-30
|
Tablo-3:
Bazı Sürekli Fiber Seramik Kompozitlerin (CFCC)
Mekanik Özellikleri (oda sıcaklığında)
Mekanik Özellikleri (oda sıcaklığında)
Fiber-Matris sistemi
|
Fiber
|
Gerilme
kuvveti, MPa |
Gerilme
modülü, GPa |
Sıkıştırma kuvveti, MPa
|
Sıkıştırma
modülü, GPa |
Shear kuvveti MPa
|
|||||
form
|
V/O
|
x-y
|
z
|
x-y
|
z
|
x-y
|
z
|
x-y
|
z
|
||
C-SiC
|
3D
|
…
|
69
|
48
|
83
|
48
|
503
|
73
|
110
|
16
|
103
|
SiC-Al2O3
|
2D
|
37.5
|
246
|
…
|
144
|
…
|
550
|
…
|
84
|
63
|
|
SiC-SiC
|
2D
|
31.2
|
215
|
…
|
140
|
…
|
502
|
…
|
145
|
30
|
|
3D: üç-yönlü, 2D: iki-yönlü, V/O: hacim fraksiyonu (%)
Seramik matris
kompozite sürekli fiberler ilave edilmesi malzemenin çökme modunu değiştirir.
Şekil-7’de, tipik bir monolitik seramik ile aynı malzemenin sürekli fiber
takviyeli kompozitin gerilme-gevşeme eğrileri verilmiştir. Monolitik seramik
doğrusal bir gerilme-gevşeme gösterir ve düşük bir gevşeme seviyesinde
paramparça olur. Oysa seramik matris kompozitin gerilme-gevşeme eğrisi doğrusal
değildir, eğrinin altındaki alan daha büyüktür, yani malzeme çökerken daha
fazla enerji absorblar ve dolayısıyla çökmedeki tahribat daha az olur. Bu tür
olumlu sonuçlar, fiber-matris arayüzün dikkatle oluşturulması ve kompozitin
yaşam sürecince sürdürülmesiyle sağlanabilir.
CMC
gerilme-gevşeme eğrisi bir elastik-plastik metal davranışına benzer gibi
görünse de bu yanıltıcıdır. Seramik matris kompozitteki doğrusallıktan sapmanın
nedeni iç bozulmanın (tahribat) sonucudur; örneğin, matriste meydana gelen
mikro çatlamalar gibi. Fiberler köprüler oluşturarak çatlamanın ilerlemesini
engeller. Ancak oluşan iç tahribat irreversibıl, yani geri dönüşümsüzdür.
Şekil-7’de görüldüğü gibi gerilme-gevşeme eğrisinin yükleme öncesi ve yükleme
sonrasındaki eğimi, başlangıç yüklemedeki eğiminden çok daha düşüktür. Oysa,
elastik-plastik bir malzemede yüklenmeden önceki ve sonraki eğrilerin eğimleri,
başlangıçtaki elastik eğime paraleldir.
Çok çeşitli CMC
türleri vardır. En popüler örnek silikon karbid matrisle bir dokuma fabrik
(silikon karbid bazlı fiberlerin) takviye malzemeden hazırlanan CMC’lerdir; bu
kompozitler SiC/SiC olarak tanımlanır. Böyle bir malzemede kullanılan
partiküler silikon-karbid-bazlı fiberlerin modülü saf silikon karbidden daha
düşüktür. Kompozitin modülü örneğin ~240 GPa gibi bir değerken monolitik
silikon karbidin modülü 440 GPa, bükülgenlik (flexural) kuvveti ~300 MPa’dır;
kısa süre 1100 0C’ye dayanabilir. Kompozitin uzun süreli kuvvet
uygulamalarına karşı davranışı fiberlerin degradasyonuna, matrise ve arafaza
bağlı olarak değişir. Sürekli fiber takviyeler nedeniyle SiC/SiC kompozitler
ağır termal şoklara fevkalade dirençlidir.
Fiziksel Özellikler
Bazı CMC sistemlerin termal özellikleri Tablo-4’de verilmiştir. SiC/SiC (silikon karbid fiber takviyeli silikon karbid) kompozit en gelişmiş CMC tiplerinden biridir. %40 (hacim fraksiyonu) fiber takviye içeren SiC/SiC kompozitin yoğunluğu 2.5 g/cm3, termal genleşme katsayısı 3 ppm/K, düzlem içi termal iletkenliği 19 W/m.K ve kalınlık-boyunca (enlemesine) termal iletkenliği 9.5 W/m.K’dir.
Tablo-4:
Bazı Süreksiz Takviyeli Seramik Matris Kompozitlerin (DR-CMC)
Kuvvet ve Çatlama Dayanımları (oda sıcaklığında)
Kuvvet ve Çatlama Dayanımları (oda sıcaklığında)
Kompozit sistemi
|
Takviye V/O, %
|
Çatlama
kuvveti, MPa |
Çatlama dayanımı, MPa (m)1/2
|
Alumina matris
|
|||
Al2O3, %95
|
0
|
375
|
4-5
|
Al2O3 + ZrO2(p)
|
20
|
450
|
5-6
|
Al2O3 + ZrO2(p)
|
15
|
480-940
|
9
|
Al2O3 + TiC(p)
|
30
|
700
|
3.2
|
Al2O3 + SiC(p)
|
20
|
520
|
4-5
|
Al2O3 + SiC(pl)
|
30
|
480
|
7.1
|
Al2O3 + SiC(w)
|
30
|
700
|
8.7
|
Al2O3 + SiC(w)
|
20
|
620
|
7-8
|
Al2O3 + TiC(p) + SiC(w)
|
10 TiC(p), 20 SiC(w)
|
690
|
9.6
|
Silikon karbid matris
|
|||
SiC
|
0
|
480
|
4-5
|
SiC + TiB(p)
|
16
|
480
|
8.9
|
SiC + TiC(p)
|
15
|
680
|
5.1
|
Silikon nitrid matris
|
|||
Si3N4
|
0
|
800
|
7
|
Si3N4 + TiC(p)
|
30
|
800
|
4.3
|
Si3N4 + SiC(p)
|
20
|
600
|
7
|
Si3N4 + SiC(pl)
|
30
|
503
|
4.9
|
Si3N4 + SiC(w)
|
30
|
994
|
8.0
|
Si3N4 +SiC(w) + SiC(p)
|
30 SiC(w) + 10 SiC(p)
|
550
|
10.5
|
Tablo-5: Bazı Sürekli Fiber Seramik
Kompozitlerin (CFCC)
Termal Özellikleri
Termal Özellikleri
Fiber-Matris sistemi
|
Fiber
|
CTE(a), 10-6/K
|
Termal difü-zivite(b), 10-6 m2/s
|
TC(c), 102.W/m.K
|
Spesifik ısı(b), J/kg.K
|
||||
formu
|
V/O, %
|
x-y
|
z
|
x-y
|
z
|
x-y
|
z
|
||
C-SiC
|
3D
|
…
|
4.27
|
3.10
|
6.4
|
5.8
|
11.6
|
10.5
|
1351
|
SiC-Al2O3
|
2D
|
37.5
|
5.8
|
…
|
…
|
…
|
5.7
|
…
|
…
|
SiC-SiC
|
2D
|
35
|
5.2
|
…
|
1.7
|
…
|
…
|
…
|
1500
|
3D: üç-yönlü,
2D: iki-yönlü , (a)CTE (termal genleşme katsayısı) 20-2500 0C’de, (b)1000 0C’de,
(c)TC (Termal iletkenlik) 1000 0C’de,
V/O: hacim
fraksiyonu
