Seramik matris kompozitlerin üretiminde önceden belirlenen
bir mikroyapı geometrisiyle proses seçimi yapılması başarılı sonuç almanın ön
şartı olarak kabul edilebilir. Tüm kompozit üretim metotlarında elde edilen
ürünün özelliklerini önemli derecede etkilediğinden, fiber/matris arayüzün
(kuvvetinin) optimizasyonu en önemli faktördür.
Seramik matris kompozitlerin bazıları geleneksel seramik
metotlarıyla işlenirler; toz matris malzeme takviye faz ile karıştırılır ve
sıcaklık yükseltilerek sıcak presleme, sinterleme gibi proseslerle işlemlenir.
Böyle bir fabrikasyon yolu süreksiz fazla (partikülat veya kısa-fiberler)
hazırlanan kompozitlerde başarılı sonuç verir.
Sürekli veya uzun-fiberli takviyeli kompozitlerin üretiminde
geleneksel seramik metotları nadiren uygulanır; çünkü uzun-fiberler mekanik
olarak parçalanır ve yüksek sinterleme sıcaklığında fiber ve matris malzeme
arasında kimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Ayrıca sinterleme teknikleri
fiber takviyeli kompozitlerde yüksek poröziteye neden olur. Bu tür CMC’lerin
işlenmesi genellikle üç aşamada tamamlanır: 1. Arayüzün çöktürülmesi
(depozisyon). 2. Matrisin, fiber mimarisine infiltrasyonu. 3. Sızdırmaz-kaplamanın
çöktürülmesi (depozisyon).
Seramik fiberlerin kırılganlıkları ve kararlılıklarının
sınırlı olmasından dolayı bu aşamaların tamamı orta seviyelerdeki sıcaklık ve
basınç ortamında yapılır.
Seramik matris kompozit prosesleri öncelikle iki geniş grup
altında sınıflandırılır.
·
Toz konsolidasyon metotları (seramik veya toz
rotası).
·
Kimyasal bazlı metotlar (gaz faz, sıvı faz,
kombine veya hibrid rota).
Seramik (Toz) Prosesleri
Bu proses rotası partikül, whisker (ve kısa fiber) takviyeli
seramik matris kompozitlere (CMC) uygulanır. Proseslerde, seramik takviyeler de
dahil, partikül ve whisker formdaki takviyelere adapte edilmiş, standart toz
seramik sinterleme aşamaları izlenir (Şekil-15).
Bu rota genellikle dört aşamada tamamlanır.
1. İmpregnasyon:
Takviye malzeme, süspansiyon haldeki partiküllerle impregne edilir (prepreg).
Partiküllerin bulunduğu ortam çoğu kez fungitiv bir bağlayıcı ve sinterleme
katkı maddesi bulunan bir sol veya slurrydir. (İmpregnasyon, bir
takviyenin içerdiği boşluklar veya açıklıklarının uygun bir malzemeyle (reçine
gibi) doyurulmasıdır.)
2. Solvent Buharlaştırma
3. Kalsinasyon:
Bağlayıcının uzaklaştırılması ve organik katkı maddelerinin parçalanmasının
sağlandığı bu aşama orta sıcaklıklarda gerçekleştirilir.
4. Sinterleme:
Sinterleme yüksek sıcaklıklarda ve genellikle basınç altında yapılır.
Toz şekillendirme
prosesinde dikkat edilmesi gereken iki önemli konu, toz malzemenin
ön-şekillendirilmesinde son-şekle en yakın formun verilmesi ve sinterlemenin
etkin olabilmesi için toz taneciklerin birbirine çok yakın ve dağılımının
muntazam olmasıdır.
Şekil-15: Toz seramik
bazlı seramik matris kompozitlerin (CMC) üretim prosesleri
Toz prosesleri üç grup altında toplanabilir:
·
Partikül takviyeli CMC prosesleri.
·
Whisker ve kısa fiber takviyeli CMC prosesleri.
·
Alternatif prosesler.
Partikülat takviyeli CMC’lere genellikle soğuk şekillendirme
prosesleri uygulanır; tipik örnekler uniaksiyal (tek eksenli) presleme, soğuk
izostatik presleme, slip dökme ve injeksiyon kalıplamadır.
Uniaksiyal
Presleme (UAP): Uniaksiyal soğuk
preslemede toz malzeme sabit (rijid) bir kalıba dökülür ve sonra sıkıca
yerleştirilmiş ir punçla preslenir. Preseme tamamlandıktan sonra punç çıkarılır
ve şekillenmiş malzeme (green kompakt) bir alt punç yardımıyla çıkarılır.
(Şekil-16)
Toz partiküller ve toz arasındaki sürtünme ve kalıp/punçlar
(baskı) kompaktta dengesiz bir gerilim dağılımına neden olur; yoğunluk
düzensiz, elastik relaksasyon değişken, dolayısıyla malzeme çatlamaya
yatkındır. Bu durum uniaksiyal preslemeyle elde edilen malzemenin çatlamaması
için, uygulanabilecek basıncı sınırlandırır (~50 MPa gibi).
Soğuk
İzostatik Presleme (CIP): CPI proseste
toz malzeme genellikle kauçuktan yapılmış esnek bir kalıba doldurulur ve bir
basınç odacığında bir akışkan yoluyla izostatik preslenir. Bu proseste sürtünme
etkileri, uniaksiyal preslemede olduğundan çok daha azdır ve daha kompleks
ürünlerin şekillendirilmesi mümkündür. (Şekil-17)
Slip
Dökme: Slip (yumuşak ve kolay
akabilen) dökme prosesinde slurry halindeki toz, genellikle alçı taşından
(gypsum) poröz bir kalıba aktarılır (Şekil-18). Bu tür bir kalıbın, tozun
kalıba iyice yerleşmesini sağlayan slurrydeki sıvı taşıyıcıyı absorblama
özelliği vardır.
Bu metot geleneksel seramiklerin üretiminde çok kullanılan
ve büyük, ince-duvarlı, içi boş malzemelerin yapılmasına uygun bir yöntemdir.
Optimum dökme işlemi için slurry veya slipin, mümkün olduğu kadar fazla katı
malzeme içeren ve düşük viskoziteli, kararlı bir süspansiyon olması gerekir.
Slip dökmeyle ilişkili diğer bir proses teyp dökmedir; bu
işlemde ince plastik bir film üzerine ince slurry tabakalar dökülür. Slip dökme
de teyp dökme de kısa fiber takviyeli kompozitler için uygun proseslerdir;
iki-boyutlu rastgele fiber oryantasyonu elde edilir.
Şekil-17: Soğuk
izostatik presleme prosesleri; (a) ıslak-bag CIP, (
b) kuru-bag CIP
b) kuru-bag CIP
Şekil-18: (a)Slipin
dökülmesi, (b) suyun plaster kalıpta absorblanarak bir film tabakasının oluşması,
(c) slip fazlasının dökülmesi, (d) kalıptan parçanın çıkarılması
İnjeksiyon
Kalıplama ve Ekstruzyon: İnjeksiyon
kalıplama kısa fiber takviyeli kompozitlerde de uygulanabilen bir kalıplama
metodudur. İnjeksiyon kalıplamada seramik toz yeterli miktarda polimer veya
diğer uygun bir bağlayıcıyla karıştırılarak bir karışım hazırlanır ve basınç
uygulanarak bir kalıba injekte edilir. Uygun bir akış ve kuvvet uygulanarak karışım
kalıplanır (Şekil-19).
İnjeksiyon kalıplamada karışımın mümkün olduğu kadar fazla
toz seramik içermesi istenir, böylece kalıplanmış malzemeden ayrılması gereken
bağlayıcı miktarı az olacağından malzemenin yoğunluğu yüksek olur. Ancak toz
seramik miktarı artarken karışımın viskozitesi aniden yükselir. tanecikler
birbirleriyle temas ederek birleşir, şekilleri bozulur, irileşirler. Proses
tanecik şekli, boyutu ve dağılımına hassas olduğundan, toz miktarı bir “kritik
hacim fraksiyonu”yla sınırlandırılır. İnjeksiyon kalıplama büyük ve kompleks
malzemelerin üretimde çok kullanılan bir kalıplama metodudur. Sabit kesitli
şerit ve çubuk elde edilmesi istendiğinde ekstruzyon prosesleri tercih edilir.
Şekil-19: İnjeksiyon ve
ekstruzyon prosesleri şematik; (a) injeksiyon, (b) direkt ekstruzyon, (c) indirekt
ekstruzyon
Şekil-20: (a)
Uniaksiyal (tek-yönlü) sıcak pres, (b) sıcak izostatik pres (HIP)
Soğuk şekillendirme proseslerinden sonra sinterleme işlemi
uygulanır; temel proses basınçsız, katı hal sinterlemedir. Densifikasyonu
(yoğunlaşma) hızlandırmak ve daha düşük sıcaklıklarda çalışabilmek amacıyla
bazı modifikasyonlar geliştirilmiştir; örneğin, basınçla desteklenen
sinterleme, sıvı faz sinterleme ve reaksiyon-bağlanma gibi.
Whisker ve kısa fiberli seramik matris kompozitlerin,
konvensiyonal soğuk seramik toz şekillendirme ve takiben de basınçsız
sinterlemeyle üretilmesi zordur. Temel sıkıntı bu yöntemlerle yüksek aspect oranlı
(bir fiberin uzunluk/ağırlık oranıdır) taneciklerin paketlenmesinin zayıf
olmasıdır.
Konvensiyonal prosesler bazı modifikasyonlarla whisker ve
kısa fiberli CMC’lerin üretimine uygun hale getirilmiştir. Örneğin sıcak
presleme gibi basınç eşliğinde yapılan sinterleme bir sıcak şekillendirme
prosesidir. Sıcak presleme ve sıcak İzostatik presleme whiskerler ve kısa
fiberli CMC’lere uygulanan proseslerdir (Şekil-20).
Sıcak izostatik presleme (HIP), malzeme orta-yüksek (2000 0C’ye
kadar) sıcaklıkta ve orta-yüksek izostatik basınç (200 MPa’a kadar) altında
preslenir. Basınç genellikle argon gazıyla sağlanır. Sıcak presleme (HP), HIP
prosesine çok benzer; öğütme, dövme, ekstruzyon işlemlerinde yüksek sıcaklık ve
yüksek basınç uygulanır, fakat HIP’deki gibi izostatik basınç uygulaması
yapılmaz. HP‘de sadece uniaksiyal basınç uygulanırken, HIP’de gaz basıncıyla
malzemeye izostatik basınç uygulanır.
Whisker ve kısa fiber takviyeli seramik matris kompozit
üretiminde, injeksiyon kalıplama, slip dökme gibi soğuk presleme proseslerinin
(CIP) sıcak presleme (sinterleme) ve sıcak izostatik preslemeyle (HIP)
birleştirilmesiyle uygulanabilen bazı alternatif metotlar da vardır; örneğin: CIP + Sinterleme +
Post HIP, CIP + HIP, Slip dökme + HIP, İnjeksiyon kalıplama + HIP, Slip dökme +
Reaksiyon bağlanma
Kimyasal Bazlı Metotlar
Kimyasal bazlı metotlar uzun (sürekli) fiber takviyeli
seramik matris kompozitlerin üretilmesinde uygulanan proseslerdir. Bu
kompozitler iki grupta toplanabilir:
1. Sürekli, multifilament bir fiber yarnın matrisle
(genellikle toz slurry formda) impregnasyonuyla (prepreg) hazırlanan
kompozitler; impregne edilen yarn konsolide edilmeden önce çeşitli geometrilerde
düzenlenebilir.
2. Önceden şekillendirilmiş ve genellikle multiaksiyal bir
fiber geometrisindeki bir fiber preformun infiltrasyonuyla hazırlanan
kompozitler.
Uzun-fiberli kompozitlerin geliştirilme tekniklerinde altı
çizilmesi gereken temel, istenilen geometrideki bir fiber preformun bir matrisle
veya bir matris precursor (öncü) ile infiltre edilmesidir. İnfiltre edilen
matris, örneğin, bir toz slurry (SIP), bir sıvı çözelti, veya reaksiyona
girerek matris oluşturabilen gaz veya buhar karışımlarıdır (CVI).
İnfiltrasyon tekniklerinde, akışkanın bir seramiğe
dönüştürülmesinde farklı prosesler kullanılır. Tüm
infiltrasyon tekniklerinde aşağıdaki sıra izlenir:
Preform Hazırlanması: Fiber takviye fazdan lay-up ve
kalıplama metotlarıyla istenilen şekilde bir preform yapılır. Preform,
impregne dokumadır; impregnasyon, bir takviyenin içerdiği boşluklar veya
açıklıklarının uygun bir malzemeyle (reçine gibi) doyurulmasıdır.
Arayüzün Çöktürülmesi:
Fiberler, filament elde edilirken veya preform oluşturma aşamasında arayüzlerle
kaplanır. Fiber/matris arayüzün mekanik özellikleri kompozitin gerilme aksiyal
özelliklerini belirler. İlave arayüz tabakalar fiberleri çevresel etkilerden
veya infiltre edilen malzemenin agresif etkisinden korur. Matrisin
infiltrasyonundan önce preformda bir arayüz film çöktürülür.
İnfiltrasyon:
Fibrous preform, preseramik akışkanla infiltre edilir. Akışkan, seramik matris
tanecikleridir (slurry), veya kimyasal reaksiyonla bir seramiğe dönüşebilecek
maddedir. (İnfiltrasyon, bir
takviye malzeme olan preform içindeki boşlukların veya gözeneklerin doğrudan
veya dış bir mekanik kuvvet uygulanmasıyla ergimiş bir malzemeyle doldurulmasıdır.
Isıl İşlem:
Preseramik takviye yapı içine girdiğinde ve ısıtıldığında fiberler arasında seramik matris meydana
gelir.
Gaz faz rotası, kimyasal buhar infiltrasyon proseslerini
kapsar. Kimyasal buhar infiltrasyon (CVI) teknoloji fiber takviyeli seramik
matris kompozitlerin üretiminde uygulanan en etkili endüstriyel metotlardır.
Bunlar, üç-boyutlu dokuma fiber preformların kimyasal buhar infiltrasyonuyla
üretilen seramik matris kompozitler sınıfıdır.
CVI prosesiyle yapılan CMC kompozit üretimlerinde öncelikle
bir fiber preform hazırlanır ve CVI metoduyla bu preformda ince bir arayüz
çöktürülür. Arayüzle kaplanmış fiber preform, seramik bir matrisle, CVI
yöntemiyle infiltre edilir. CVI prosesi poröz bir fiber takviye preformda
seramik bir matrisin kimyasal buhar depozisyonudur.
Reaksiyon gazları, ısıtılmış preformun bulunduğu fırına
pompalanır; gazlar preformdaki boşlukları doldurur (infiltrasyon) ve fiberlerin
yüzeyinde reaksiyona girer, katı matris malzemeyi oluşturarak preformu yoğun
hale getirirler. Çöktürme düşük basınçta ve orta sıcaklıklarda (900÷1100 0C
gibi) yapılır. Prosese, preform yüzeyindeki gözenekler kapanıncaya kadar devam
edilir.
Yoğunlaştırılmış olan preformun yüzeyi aşındırılıp/işlenerek
içerdiği gözeneklerin veya boşlukların açığa çıkması sağlanır; duruma göre
matris maksimum yoğunluğa erişinceye kadar
re-infiltrasyon-aşındırma çevrimi tekrarlanır.
Elde edilen malzeme koruyucu bir yüzey kaplamayla kaplanarak
kullanım sırasında kompozitin çevresel gazlardan ve oksidasyondan etkilenmesi
önlenir. Kaplamalar kimyasal buhar infiltrasyon (CVI) yöntemiyle çöktürülerek
yapılır.
Şekil-21’de kimyasal bazlı seramik matris kompozitlerin
(CMC) gaz faz üretim prosesleri ve Şekil-22’de tipik bazı 3-boyutlu fiber
preformlar şematik olarak gösterilmiştir. Çeşitli CVI prosesleri vardır; aşağıdaki kısımlarda tipik
bazı örnekler özet olarak anlatılmıştır.
Şekil-21: Kimyasal
bazlı seramik matris kompozitlerin (CMC) gaz faz üretim prosesleri
Şekil-22: Tipik bazı 3-boyutlu fiber
preformlar
İzotermal / İzobarik
CVI (I-CVI): Reaksiyon gazları (sabit basınçta) preformu sararak sabit bir
sıcaklıkta tutar ve difüzyon yoluyla preforma girer. I-CVI (Şekil-23) difüzyon
hızının düşük olması nedeniyle yavaş bir prosestir.
Termal Gradient
(TG-CVI): Bu proseste preform bir sıcaklık gradientinde (derece derece
değişen) tutulur. Öncü gaz preforma daha soğuk yüzeyden başlayarak sıcak iç
bölgeler boyunca difüzlenir. Kimyasal reaksiyonlar yüksek sıcaklıklarda daha
fazla olduğundan sıcak iç bölgelerde öncü gaz çoğu zaman parçalanır. TG-CVI
metoduyla oldukça yoğun seramik matrisler elde edilir.
Termal
Gradient-Forslu Akış (F-CVI): Bu metotta hem sıcaklık gradient ve hem de
forslu akışın (basınç gradient) etkisi bir araya getirilmiş; dolayısıyla gaz
öncünün infiltrasyonu yükseltilmiş, proses süresi kısaltılmıştır.
İzotermal Forslu Akış
(IF-CVI): Muntazam olarak ısıtılmış preformun içine öncü gazın kuvvet
uygulanarak (forslu) akışıyla (basınç gradientli) yapılan CVI prosesidir.
Seramik matrisin depozisyon hızı, forslu reaksiyon gazlarının artan
infiltrasyonuyla hızlanır.
Basınç Pulslu CVI
(P-CVI): Mikrometre (hatta nanometre) skalada arayüz veya matris oluşturulabilen
CVI prosesidir. Bu proseste ortamdaki öncü gaz basıncı hızla değişir. Her
çevrimde basınç değişmesi birçok kez tekrarlanır. Bir basınç değişikliği
çevrimi, reaktör kabının boşaltılması ve reaksiyon gazlarıyla doldurulmasını
kapsar.
Matris çok saftır, dolayısıyla çok iyi mekanik, termal
özelliklere ve kimyasal kararlılığa sahiptir. Fiber kaplama da aynı prosesle
çöktürülebilir. Yüksek sıcaklıklarda iyi mekanik özellikler, büyük ve kompleks
şekillerin üretilebilmesi, fiber ve matris seçiminde esneklik. Ancak gaz
kimyasal maddeler pahalıdır, yüksek yoğunluğa erişebilmek için infiltrasyon
birkaç kez tekrarlanması nedeniyle yavaştır ve verim düşüktür, daima kalıntı porözite
bulunur (~%10 kadar).
Şekil-23: SiC’in
izotermal kimyasal buhar infiltrasyon (I-CVI)
proses akım şeması
proses akım şeması
Şekil-25: Kimyasal
bazlı seramik matris kompozitlerin (CMC) sıvı faz üretim prosesleri
Sıvı
faz rotasında matris, fiber mimarisi içinde bir sıvı öncüden oluşturulur.
Öncelikle fiberler bir arayüzle kaplanır (örneğin, I-CVI ile) ve sıvı matris
öncü içine gömülür. (Şekil-25)
Sıvı
faz rota genellikle dört aşamada tamamlanır:
·
İnfiltrasyon (matris, fiber mimarisi içinde bir
sıvı öncüden oluşturulur).
·
Solvent (varsa) buharlaştırma.
·
Kalsinasyon / parçalama (dekompozisyon).
·
Sinterleme (orta sıcaklıklarda).
Seramik matris kompozitlerin sol-jel prosesinde matris,
seramik partiküllerin süspansiyonundan hazırlanır; bu sol “preseramik öncü”
(viskozitesi düşüktür), fiber preforma infiltre edilir ve infiltre edilmiş
preform kurutulur; işlem sonunda sol jelleşir. Kuruma esnasında matris büzülür
ve gözenekler meydana gelir. Bu nedenle, gerekli yoğunluğa erişilinceye kadar
infiltrasyon-kurutma çevrimi birkaç kez tekrarlanır. Elde edilen son malzeme
kızdırılır ve sıcak preslemeye verilir. (Şekil-26)
Şekil-26: Seramik
matris kompozitlerin (CMC) sol-jel infiltrasyon üretim prosesleri
Sol jel prosesle tek oksit kompozisyonlar, 2D yapılar ve 3D
yapılar üretilebilir.
Prepreg Hazırlama:
Takviye fibrous malzeme sol içine daldırılır. Sol, takviye fazın poröz yapısı
içine eminir. İnfiltrasyonu kolaylaştırmak için vakum veya basınç
uygulanabilir.
Yayma (Lay-Up):
Prepeg uygun bir yöntemle (kalıplama) şekillendirilir.
Jelleştirme ve
Kurutma: Sol ~150 0C’ye ısıtılarak jel haline dönüştürülür, sonra
400 0C’de kurulur. Malzemeden su, alkol ve organik uçucu bileşenler
uzaklaştırılır.
Re-İnfiltrasyon ve
Jelleştirme: Sol infiltrasyon-jelleştirme çevrimi, malzeme istenilen yoğunluğa
erişinceye kadar tekrarlanır.
Yakma: Seramik
matris yakma sıcaklığında sinterlenir.
Sol-jel infiltrasyonda proses sıcaklığın düşük olması
nedeniyle takviye fiberin tahrip olmasını önler, matris kompozisyonu kontrol
edilebilir, kullanılan cihazlar ucuzdur, üretim maliyeti düşüktü ve büyük
parçalar yapılabilir. Ancak shrink (büzülme) fazla olduğundan matris
kırılabilir, seramik veriminin artırılması için çok sayıda infiltrasyon-jelatin
işlemine gerek vardır, kompozitin mekanik özellikleri zayıftır ve solların
fiyatı yüksektir.
Seramik matris kompozitlerin slurry infiltrasyon tekniğiyle
fabrikasyonu sol-jel infiltrasyona benzer. Aradaki fark slurry infiltrasyonda
katı madde daha fazla olduğundan üretilen malzeme daha yoğundur ve proses
sırasında büzülme daha az olur.
Slurry infiltrasyon prosesinde fiberler (tow, teyp), seramik
partiküller içeren bir slurryden geçirilir ve slurry tarafından infiltre
edilir, bir duruma sarılır ve kurutulur. Kurutulmuş fiberler istenilen şekilde
bir yığın haline getirilir ve bir grafit kalıpta sıcak presleme yapılır. Basınç
yardımlı slurry infiltrasyonla yapılan seramik kompozitlerin yoğunluğu daha
yüksek olur.
Slurry İnfiltrasyon:
Takviye fiberler bir slurryden geçirilir, slurry takviye fazın poröz yapısı
içine nüfuz eder. İnfiltrasyon prosesi kapiler etkiyle gerçekleşir; bazen
vakumla da desteklenebilir.
Yayma (Lay-Up):
Prepreg (infiltre edilmiş fiberler) bir mandrele sarılır, sonra kurutulur,
kesilir ve yayılır; kurutulduktan sonra kesilerek uygun bir kalıba yayılır.
Sıcak Presleme:
Sıcak presleme (sinterleme, yoğunlaştırma), partiküller arasındaki seramik malzemenin
fiber yapı içine difüzyonunu kolaylaştırmak için yüksek sıcaklıkta ve yüksek
basınçta yapılır. Partiküller, düşük poröziteli yoğun bir kompozit elde
edilmesini sağlar.
Bu yöntemle elde edilen CMC’lerin porözitesi düşük, mekanik özellikleri
iyidir. Ancak sıcak presleme aşamasında takviye fiberler hasarlanabilir.
Polimerden elde
edilen seramikler, yegâne çözelti bazlı seramik matris kompozit üretim yöntemidir.
Kullanılan polimerin moleküler yapısı uygun kompozisyonda ve molekül ağırlığı
gerekli sınırlar içinde olmalıdır. Elde edilen ürün lay-up-otoklav
konsolidasyon, reçine transfer kalıplama, filament sarma ve fiber yerleştirme
gibi polimer kompozit prosesleriyle işlenebilir.
Şekil-27: Polimer infiltrasyon
ve piroliz prosesleri
Katran verimi
yüksek polimerlerle yapılan parçaların inert veya reaktif atmosferlerde
ısıtılmasıyla (pirolizlenir) fiber takviyeli seramik matris kompozitler elde
eldir. Bu yöntemle Si-C, Si-C-O, Si-N, ve Si-N-C gibi kullanım alanı oldukça
geniş matrisler de dahil, çeşitli seramik matris kompozit kompozisyonları
yapılabilir. Partikülat seramikler, seramik whiskerler ve plateletler piroliz
yoluyla üretilen bu tip matrislerle kullanılabilir. (Şekil-27)
Prepreg Hazırlama:
PIP prosesinde takviye fiberler bir reçineyle (polimer) impregne edilir ve sonra
kurutulur veya kısmi kürleme uygulanır; bu koşullarda polimerin viskozitesi
artacağından hazırlanan prepreg şekillendirilebilir durumdadır. Şekillendirilen
prepreg çeşitli kalıplama yöntemlerinden biriyle kalıplanır ve bir otoklavda
kürlenir.
İnfiltrasyon:
Prepregdeki gözenekler düşük viskoziteli bir ön-seramik polimerle infiltre
edilerek doldurulur. İnfiltrasyon prosesi kapiler kuvvetlerle (normal basınçta),
vakumda veya basınç yardımıyla yapılabilir.
Piroliz:
Ön-seramik polimer pirolizlenir (örneğin, argon atmosferinde 800-1300 0C’de),
uçucu bileşenler (CO, H2, CO2, H2O gibi)
ayrılır ve poröz yapılı seramik matris oluşur (“green body”).
Çoklu Re-İnfiltrasyon
ve Piroliz: Seramik matrisin porözitesinin azaltılması için
infiltrasyon-piroliz çevrimi 4-10 kez tekrarlanır.
Sıcaklıklar fazla yüksek olmadığından fiber tahribatı olmaz,
matrisin bileşimi ve mikroyapısı kontrol edilebilir, takviye faz çeşitli tiplerde
olabilir (partikülat, fibrous), net, kesintisiz formda şekiller yapılabilir,
çeşitli kompozisyonlarda matrisler elde edilebilir (SiC, SiN, karbon nitrid),
matriste kalıntı silikon bulunmaz. Ancak, çok sayıda infiltrasyon-piroliz
çevrimi nedeniyle proses süresi uzundur, kalıntı porözite kompozitin mekanik
özelliklerini zayıflatır, maliyeti diğer bazı proseslere kıyasla yüksektir (LSI
prosesi gibi).
Ergiyik infiltrasyon bir matris üretim prosesidir; poröz
fiber preform ergimiş metalle infiltre edilir. Proseste fiber takviye,
infiltrasyondan önce bir arayüz ve koruyucu tabakayla kaplanır. Bu prosesten
elde edilen matris malzeme, tipik olarak katı halde metal ve bazı ikincil
komponentlerin bir kombinasyondur. (Şekil-28)
Fiber takviye
istenilen formda hazırlanır, bir arayüz kaplama (BN, karbon, v.s.) ve bariyer
kaplama (SiC Si3N4, v.s.) uygulanır. Bu kaplamalar
genellikle kimyasal buhar depozisyon (CVD) tekniğiyle yapılır. Arayüz kaplama
matris ve fiber arasında yük transferi için, bariyer kaplama ise arayüz ve
fiberleri infiltrasyon sırasında ergimiş metalin yüksek sıcaklığına karşı
korur.
Kaplanmış preformun
gözeneklerinin doldurulduğu ilk matris prosesleri iki metottan birine göre
yapılır: Reçine infiltrasyon, piroliz ve reaksiyon, veya slurry dökme.
Reçine İnfiltrasyon, Piroliz ve Reaksiyon:
Bu metotta kaplanmış preform sıvı bir akrilik reçineyle infiltre edilir ve
pirolizlenir. Pirolizlenme sonunda reçine, preformun porözitesinde reaktant
uçucu olmayan bileşenlerini (tipik olarak karbon) bırakır. Metal infiltrasyonu
sırasında bu bileşenler ergimiş metalle reaksiyona girerek matrisin ikincil
bileşenlerini oluşturur.
Slurry Dökme: Bu metotta preformdaki gözeneklerin içine
doğrudan ikincil matris komponentlerinin konulduğu bir slurry dökme işlemi
uygulanır. Bu bileşenler metal infiltrasyon prosesine dayanıklıdır ve son
matris malzemenin tamamlayıcı formudur.
Son matris proses
kademesi metal infiltrasyon prosesidir; hazırlanan preform vakum altında
infiltre edilecek metlin ergime sıcaklığının üstündeki bir sıcaklığa kadar
ısıtılır. İnfiltre edilen ergimiş metal preformun gözenekleri içinde eminir,
Kısa bir süre bu sıcaklıkta bekletildikten sonra preform soğutulur ve metal
katılaşır; böylece sert bir kompozit yapı meydana gelir.
Şekil-28: Ergiyik
infiltrasyon (MI) proses aşamaları, (b) MI prosesinin şematik görünümü
Diğer matris yoğunlaştırma metotlarıyla
kıyaslandığında ergiyik infiltrasyon tekniğiyle üretilen matrislerin önemli
avantajları vardır: kalıntı porözite çok azdır, termal iletkenlik yüksektir,
oksidasyon ve çevresel bozunmalara karşı daha dayanıklıdır, proses süresi daha
kısadır. Yoğun matriste fiber/arayüz koruması çok iyidir.
Reaktif ergiyik infiltrasyon prosesinde öncelikle üretilecek
malzemenin şeklinde bir ortam veya “preform” hazırlanır. Buna, kapiler
etkisiyle veya basınçla sıvı haldeki infiltrant uygulanır. Preform ve
infiltrant arasında kimyasal reaksiyonla yoğun ve preformla aynı formda bir
ürün meydana gelir.
RMI prosesi diğer üretim proseslerine kıyasla daha hızlı ve
etkin bir yöntemdir. Kimyasal buhar infiltrasyon (CVI) metodunda kimyasal
dönüşüm prosesi uzun zamanda (günler) tamlanabildiği halde RMI’de sadece
dakikalar veya saatler yeterli olur.
RMI prosesi genellikle silikon karbid (SiC) matris
kompozitlerin (LSI) üretiminde kullanılır; proseste, karbon (C) içeren preform
ergimiş silikonla (Si) infiltre edilir.
Preformun infiltrasyonunda, oksitleyici atmosferde aluminyum
(Al) kullanıldığında Alumina-aluminyum (A2O3-Al) matris
oluşur (DMO).
Sıvı
Silikon İnfiltrasyon (LSI): Sıvı
silikon infiltrasyon (LSI) prosesi, bir reaktif ergiyik infiltrasyon (RMI)
tekniği tipidir; proseste, poröz takviye preforma infiltre edilen sıvı metal
(Si) ve ergiyiği saran madde (katı veya gaz olabilir) arasındaki reaksiyonla
seramik matris meydana gelir. LSI metodu silikon karbid (SiC) matris
kompozitlerin hazırlanmasında kullanılır. Proseste karbon mikroporöz preform
ergimiş silikonla (Si) infiltre edilir; proses silikonun ergime sıcaklığının
üstünde, 1414 0C’da yapılır (Şekil-29).
Şekil-29: Sıvı silikon
infiltrasyon (LSI) prosesi
Arayüzlerin
Uygulanması: CVI metoduyla fiber yüzeyinde ince bir debonding faz tabaka
çöktürülür; pirolitik karbon (C) veya heksagonal boron nitrid (BN) gibi. Ayrıca
fiberlerin çok reaktif olan sıvı silikondan korunması için bir bariyerle
kaplanır; bu madde genellikle SiC’dir.
Prepreg
Hazırlanması: Takviye fiberler (tow, teyp, okuma) bir reçineyle impregne
edilir, sonra kurutulur veya kısmen kürlenir. Prepreg şekillendirilir ve
çeşitli kalıplama yöntemlerinden uygun biriyle kalıplanır.
Piroliz: Ön-seramik
polimerin pirolizi argon atmosferinde 800-1200 0C’de yapılır. Uçucu
maddelerin ayrılmasıyla poröz bir karbon yapı meydana gelir.
İnfiltrasyon: Poröz
prepregin sıvı silikonla infiltrasyonunda prepreg sıvı silikon bulunan bir
fırına daldırılır; burada poröz karbon yapı ergiyikle infiltre edilir.
İnfiltrasyon prosesi kapiler kuvvetlerle gerçekleşir. Sıvı silikon karbonla
reaksiyona girerek silikon karbid matris meydana gelir. İnfiltrasyon silikonun
ergime sıcaklığının (1414 0C) üstünde bir sıcaklıkta yapılır.
Ucuzdur, üretim süresi kısadır, kalıntı porözite
çok düşüktür, kompozitin termal ve elektrik iletkenlikleri yüksektir, kompleks
ve net şekle yakın malzemeler yapılabilir. Ancak, yüksek sıcaklıkta (silikonun
ergidiği) fiberler tahrip olabilir, karbid matris içinde silikon kalıntısı
olur, üretilen kompozitin mekanik özellikleri düşüktür (kuvvet, elastik
modülü).
Direkt
Ergiyik Oksidasyon (DIMOX): Direkt
ergiyik oksidasyon prosesinde matris (örneğin Al2O3),
ergimiş bir metalin (Al) oksitleyici
gazla (O2) reaksiyona girmesiyle oluşur; preform ve
aluminyum metali havada 900-1200 0C’lere ısıtılır. Bu koşullarda Al
oksitlenir ve aluminyum oksit matris meydana gelir; Al2O3
çoğalma veya büyüme reaksiyonu, preform yüzeyindeki gaz geçirgen bariyere
kadar devam eder. Tipik büyüme zamanı bir-üç gün arasındadır. (Şekil-30, 31)
Bu prosesteki iki önemli koşul dispers fazın oluşan seramik
(matris) tarafından ıslatılması ve oksijen atmosferinde oksitlenmemesidir. Sıvı
metal oksijenle temas ettiğinde oksitlenir, bir miktar dispers fazla bir araya
gelerek ince bir seramik tabaka meydana getirir. Kapiler etki ergiyiği poröz
seramik tabaka boyuca ittirir, metal gazla reaksiyona girer ve seramik tabaka
kalınlaşır.
Arayüzlerin
Uygulanması: CVI metoduyla şekillendirilmiş fiber preform yüzeyinde ince bir
debonding faz tabaka (0.1-1 µm) çöktürülür; pirolitik karbon (C) veya heksagonal
boron nitrid (BN) gibi.
Gaz Geçirgen Bir
Bariyer Çöktürme: Preform yüzeyinde gaz geçirgen bir bariyer tabaka çöktürülür.
Yüzeyi boyunca ergiyik preform içine eminir.
Direkt Metal
Oksidasyonu: Preform sıvı aluminyum alaşımıyla temas ettirilir. Ergiyik,
takviye yapının kaplanmamış yüzeyi boyunca eminir. Oksitleyici (hava), gaz
geçirgen yüzeyden ters yönde preforma girer. Aluminyum ve oksijen reaksiyon
cephesinde karşılaşırlar ve oksit matrisin büyüyen tabakasının oluşmasını
sağlarlar. Proses, reaksiyon cephesi bariyer kaplamaya ulaştığında sona erer.
Parça yüzeyinden aluminyum fazlası uzaklaştırılır.
Şekil-30: Direkt metal oksidasyon prosesi akım şeması
Şekil-31:
Direkt metal oksidasyon prosesi
Cihazlar ucuz ve basittir, hammaddeler
ucuzdur, shrik (büzülme) düşüktür, yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikler
iyidir, kalıntı porözitesi düşüktür. Ancak üretim süresi uzundur, oksit matris
içinde reaksiyona girmemiş kalıntı olabilir.
Kombine (Hibrid) Rota
Her proses rotasının kendine özgü avantajları ve
dezavantajları olduğundan bu rotaların iki veya daha fazlasının birleştirildiği
kombine rotalarda toplam densifikasyon (yoğunlaştırma) süresi kısaltılabilir,
kalıntı porözitesi düşürülür ve spesifik bir mikroyapıda spesifik bir matris
dizayn edilebilir.
Tipik kombine rota prosesleri: Slurrry infiltrasyon +Polimer infiltrasyon ve piroliz (PIP).
Slurrry infiltrasyon + Sıvı silikon
infiltrasyon (LSI). Kimyasal buhar infiltrasyon (CVI) + Sıvı silikon
infiltrasyon (LSI). Kimyasal buhar
infiltrasyon (CVI) + Polimer infiltrasyon ve Piroliz (PIP).
Şekil-32:
Farklı seramik matris kompozitlerin mikroyapıları; LSI: sıvı silikon infiltrasyon, CVI: kimyasal buhar Depozisyon, PIP:
polimer infiltrasyon ve piroliz, NPC: nano partikül
koagülant, OFC: oksit fiber kompozit
Tablo-8: Sürekli Fiber Takviyeli Seramik Matris
Kompozitlere (CMC) Uygulanan Bazı Prosesler
Proses
|
Avantajlar (Dezavantajlar)
|
Fiber
|
Matris
|
T, 0C
|
SLURY İNFİLTRASYON
|
||||
a. Cam seramik matris
|
Mekanik özellikler iyidir.
(Sıcak-pres pahalıdır.
Kompleks şekiller zordur)
|
Grafit, SiC
|
Cam-seramik
|
800-1000
|
b. Seramik matris:
Sinterlenmiş matris
|
Ucuzdur, kompleks şekiller
yapılabilir.
(Sinterleme sırasında
büzülme matrisi kırar)
|
Alumina, SiC, Si3N4
|
800-1600
|
|
c. Seramik matris: Sement
bağlı matris
|
Ucuzdur, kompleks büyük
şekiller yapılabilir.
(Özellikler kısmen
zayıftır)
|
Grafit, SiC
|
Sement
|
400-1400
|
d. Seramik matris:
Reaksiyon bağlı matris
|
Mekanik özellikler iyidir,
basınçsız yoğunlaştırılabilir.
(Sıcak-pres pahalıdır,
basit şekiller yapılabilir)
|
SiC
|
Si3N4,
SiC
|
800-1600
|
e. Sol-gel
ve polimer işleme
|
Matris bileşimi kontrolü
iyidir, fiberlere infiltre kolaydır, yoğunlaştırma sıcaklığı düşüktür.
(Düşük verim, çok fazla
büzülme, çok sayıda infiltrasyon/ yoğunlaştırma gereği)
|
SiC
|
Nonoxid, Alumina,
Silikatlar
|
800-1400
|
ERGİYİK İNFİLTRASYON
|
||||
a. Seramik ergiyik
|
Ucuzdur, fiberlere
infiltrasyon kolaydır, katılaşırken büzülme azdır.
(Yüksek ergime sıcaklığı
fiberleri bozabilir)
|
Grafit , SiC
|
Alumina, Oksitler
|
800-1100
|
b. Metal ergiyik,
oksidasyon
|
Ucuzdur, sermet tip malzeme
yapılabilir.
(Sistemin ve kimyasının
kontrolü zordur)
|
Grafit, SiC
|
Alumina, B4C,
SiC
|
800-1200
|
KİMYASAL
BUHAR İNFİLTRASYON
|
||||
a. Genel
|
Mekanik
özellikler iyidir, matris ve fiber
esnektir, matris yüksek kalitelidir, küçük delikler kapatılır.
(Yavaş ve pahalıdır,
yoğunluk ayarlanamaz)
|
SiC, Al2O3,
SiO2, B2O3;
|
SiC, HfC, Nitridler, Oksitler,
Boridler
|
800-1800
|
b. Lanxide
|
Kompleks şekiller
yapılabilir.
(Reaksiyonlar zayıftır ve
sınırlıdır, proses süresi uzundur)
|
Grafit, SiC
|
Alumina, AlN, TiN, ZrN
|
800-1200
|
