Şekil-1: Bazı (a) polimer, metal ve seramik
matrisler, (b) seramiklerin ve CMC’lerin çatlama dayanımları, (c) CMC’lerin
spesifik kuvvetleri
“Seramik” terimi geniş bir inorganik malzemeler grubunu
kapsar; silika bazlı camlar, kristalin seramikler, intermetalikler ve karbon
gibi. Bunların tümü yüksek sıcaklıklara dayanıklı yapısal malzemelerdir.
Kimyasal bağları genellikle bir kovalent hibrid ve iyoniktir; dolayısıyla
ergime noktaları yüksek, kimyasal stabiliteleri yüksek, elastik modülleri
yüksek ve atomik hareketlilikleri düşüktür. Bu özelliklerinin sonucu olarak çok
serttirler ve kaymaya dirençlidirler, fakat kırılgandırlar. Genel olarak
kompozitteki fiber miktarının artması malzemenin kuvvetini ve çatlama
dayanımını da artırır.
Kompozit, bir matris ile bu matrisin kuvvetini (strengh),
sıkılığını (stiffness) ve dayanıklılığını (taughness) artıran bir veya daha
fazla takviye malzemesinin oluşturduğu bir kombinasyondur. Kompozit
malzemelerin sınıflandırılmasına uygun olarak, bir CMC, seramik matrisle
takviye fazların oluşturduğu iki veya daha fazla bileşenden oluşan malzeme
olarak tanımlanır.
SiC ve Si3N4 gibi seramik fiberlerle
baz malzeme olarak polisilanlar kullanılır. Sürekli fiberler, chopped
(kıyılmış) fiberler, whiskerler, plateletler veya partiküllerle takviye edilmiş
seramik veya cam matrisli CMC’ler, ileri mühendislik yapısal malzemelerin
üretimlerine uygun kompozitlerdir. Yüksek sıcaklık uygulamaları sınırlı
olmasına karşın, askeri, uzay ve ticari (enerji-etkin sistemler ve taşıma gibi)
alanlarda geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Diğer özel CMC’ler de vardır; örneğin nanokompozitler
(reaktif tozlardan yapılır) ve elektroseramikler gibi. CMC’ler düşük yoğunluk,
yüksek modül, yüksek kuvvet, yüksek taughness ve yüksek sıcaklıklarda kuvvetini
koruma özelliklerinin tümünü bünyesinde birleştirebilen nadir malzemelerdir.
CMC’leri çoğunun korozyona ve erozyona dayanıklılıkları iyidir.
Şekil-2: CMC’lerin
takviye malzemelere göre sınıflandırılması
CMC’lerin jet uçaklarında ve endüstride (fırın malzemesi,
enerji dönüşüm sistemleri, gaz türbinleri ve ısı motorları gibi) kullanımı
oldukça yaygındır.
Seramik matris kompozitler (CMC) takviye malzemeye göre iki
grupta toplanabilir:
·
Süreksiz takviyeli CMC’ler (DR-CMC)
·
Sürekli fiber takviyeli CMC’ler (CFCC)
Süreksiz Takviyeli CMC’ler (DR-CMC)
Partikülat, platelet, whisker, fiber ve in situ
(nanokompozitler de bu gruba dahildir) seramik matris kompozitlerdir;
nanokompozitler de bu gruba dahildir. Süreksiz fazlı CMC’ler, genellikle
monolitik seramik teknikleriyle şekillendirilirler; örneğin, injeksiyon
kalıplama, slip dökme ve teyp dökme gibi. Bu prosesleri takiben de kompozitin
yoğunlaştırılması için sinterleme işlemleri uygulanır.
İkinci fazın sürekli fiberler olduğu seramik matris
kompozitlerdir. Sürekli fiber seramik kompozitler için çeşitli infiltrasyon
(buhar, sol, ergiyik, sıvı pre-seramik polimerler gibi) metotlarının
geliştirilmesi gerekmiştir. Sürekli fiber takviyeli CMC’ler, karbon fiber
takviyeli karbon kompozitler (veya karbon-karbon kompozitler) ve diğerleri gibi
alt gruplara ayrılabilir.
Karbon-karbon, sürekli takviyeli seramik matris kompozitler
ve süreksiz takviyeli seramik matris kompozitlerin tipik özellikleri Tablo-1‘de
verilmiştir.
Seramik malzemeler (monolitik) çok serttirler ve kaymaya
(creep) dirençlidir, fakat kırılgandırlar. Bu nedenle seramik matris
kompozitler üretiminde ana hedef monolitik seramiklerin kırılganlığını gidermek,
dayanıklılığını artırmaktır.
Karbon-Karbon
Kompozitler |
Süreksiz
Takviyeli CMC’ler
|
Sürekli
Takviyeli
CMC’ler |
Fevkalade yüksek sıcaklık
mekanik özellikleri
|
Çok yüksek sıcaklık mekanik
özellikleri
|
Çok yüksek sıcaklık mekanik
özellikleri
|
Yüksek spesifik kuvvet ve
sertlik; yüksek çatlama dayanıklılığı
|
Yüksek spesifik kuvvet ve
sertlik
|
Yüksek spesifik kuvvet ve
sertlik; yüksek çatlama dayanıklılığı
|
Boyutsal kararlılık; düşük
termal genleşme
|
Çatlama dayanıklılığı
iyidir, fakat sürekli CMC’lerden daha zayıftır
|
Boyutsal kararlılık; düşük
termal genleşme
|
Yüksek termal şok direnci
|
Orta termal şok direnci
|
İyi termal şok direnci
|
Şekil-3:
Monolitik seramik ve CMC’lerin gerilme-gevşeme eğrileri
Şekil-4: Bazı CMC’lerin
SEM görüntüleri
Şekil-3’de iki farklı seramik matris kompozit ile monolitik
bir seramiğin tipik gerilme-gevşeme eğrileri verilmiştir. Eğrilerin altındaki
alan örneğin çatlama enerjisini gösterir; yani dayanıklılığın bir ölçüsüdür.
Partiküller ve sürekli fiberlerle takviyenin dayanıklılığı yükselttiği, ancak
sürekli fiber takviye halinde dayanıklılıktaki artışının daha yüksek olduğu
şekilde açıkça görülmektedir. Monolitik seramik ve partikül takviyeli kompozit
birdenbire çökerken, sürekli fiber takviyeli kompozit çökme başladıktan sonra
da mevcut yük taşıma kapasitesini devam ettirir.
Seramik matris kompozitlerin geliştirilmesi diğer
kompozitlerden daha sonra olmuştur. Bu durum iki nedene bağlanabilir. Birincisi
CMC proseslerinin çoğunun yüksek sıcaklıkta yapılması ve CMC’lerin sadece
yüksek sıcaklık takviyeler gerektirmesidir. Bu nedenle yüksek sıcaklık seramik
fiberlerin ve whiskerlerin (örneğin, silikon karbid gibi) geliştirilmesi
gerekmiştir. Takviye malzemenin yüksek sıcaklık özellikleri kompozitin servis
sırasındaki performansı için çok önemlidir; çünkü, monolitik seramik yüksek
sıcaklık özelliklerini CMC’de de sürdürür.
CMC’lerin geliştirilmesini geciktiren ikinci faktör üretimde
uygulanan yüksek sıcaklıklardır; matris ve takviye arasındaki ısıl genleşmedeki
(a) farklılıklar, yüksek işleme
sıcaklığından soğutmaya geçildiğinde ısıl gerginliğe (stres) neden olur.
Bu tür ısıl gerginlikler MMC’lerde matrisin plastik
deformasyonuyla giderilebildiği halde CMC’lerde mümkün olmaz ve matris kırılır.
Çatlama sorunlarını en aza indirilebilmesi için matris ve takviye fazların ısıl
katsayılarınn dikkate alınması gerekir. Takviye malzemenin ısıl genleşmesi aR, matris fazın ısıl genleşesi aM ile gösterildiğinde:
Partikülat takviyeler için:
aR > aM
matriste dairesel çatlama
oluşur
aR < aM
radyal çatlamalar meydana gelir
Fiber takviyeler için:
aR > aM
fiberler içinde eksensel
gerilme stresleri uyarılır, matriste baskı streslerin doğmasına yol açar;
fiberler matris içinden çıkma eğilimine girer
aR < aM
eksensel gerilme stresleri
nedeniyle matris kırılır
Seramiklerin çatlama dayanıklılığını artırmak için yeni
jenerasyon seramik matris kompozitler geliştirilmiştir; bunlarda seramik
malzemelerden yapılan partikülatlar, fiberler, veya whiskerler, diğer bir
seramik matris içinde dağıtılır. Bu tür kompozitlerde dispers tanecikler ve
kırılmanın ilerlemesi arasındaki etkileşimle çatlama yavaşlatılır ve
dayanıklılık artar. Çatlama önce matristen başlar, kompozitteki takviye malzeme
çatlamayı yavaşlatır ve durdurur.
Çatlama ilerlemesini durduran birkaç mekanizma vardır.
Bunlardan özellikle ilginç olan ‘transformasyon dayanıklılığı’ mekanizmasında
faz transformasyonu esas alınır. Matriste (Al2O3 veya ZrO2),
kısmen stabilize edilmiş zirkon tanecikler dağıtılır. Stabilizör olarak CaO,
MgO, Y2O3 ve CeO kullanılır. Kısmi stabilizasyon, ortam
koşullarında kararlı monoklinik faza değil, metastabil (yarı-kararlı)
tetragonal fazın alıkonmasına izin verir. Çatlamanın ilerlediği ön kısımdaki
gerilim alanı, metastabil olarak alıkonan tetragonal taneciklerin kararlı
monoklinik faza transformasyonunu sağlar. Bu transformasyonla tanecik hacminde
biraz yükselme olur; sonuç, kırılan uçlara yakın olan çatlama yüzeylerinde
sıkıştırma gerilimleri doğar, kırığı sıkıştırır ve çatlama bloke olur durur
(Şekil-5).
Arayüz+fiber köprülemede çatlama veya çatlama sapması
doğrusal olmayan gerilme-gevşeme ve yüksek dayanıklılık sağlar.
Diğer bir kuvvetlendirme tekniğinde genellikle SiC veya Si3N4
gibi seramik whiskerler kullanılır. Bu tür whiskerler,
·
kırık uçları saptırırlar
·
kırık yüzeylerde çapraz köprüler oluştururlar
·
whiskerler matristen ayrılırken (debond) açığa
çıkan enerjiyi absorblarlar
Kırık uçların bitişiğindeki bölgelerde gerilimin yeniden
dağılımını sağlayarak çatlama ilerlemesini önlerler.
Şekil-5: Transformasyon
dayanıklılığı; (a) ZrO2 tanecik faz transformasyonu uyarılmasından
önceki çatlama, (b) gerilimle-uyarılmış faz transformasyonuyla çatlamanın
durdurulması
Şekil-6: Tipik
çatlama köprülemesi SEM görüntüleri
