Giriş

4

İnsanlık var olduğu sürece çevresi ile etkileşimde bulunmuş, yaşadığı zamana göre çevresinde bulunan çeşitli malzemeleri kendi ihtiyaçları çerçevesinde kullanmaya çalışmıştır. Seneler içinde insanlık, milattan önce üretilen Hitit krallarının demir tahta ve asalarından ve günümüzde üretilen mikroçiplere kadar geniş bir aralıkta üretim çalışmalarına devam etmiş ve bu çalışmaları teorik olarak ispatlayabilecek duruma gelmiştir. Günümüzde sürdürülen mühendislik çalışmaları sürekli olarak yeni malzemelerin geliştirilmesi üzerinedir. Bu çalışmalar yapay insan dokularından, elektronik malzemelere kadar çok geniş bir alanda sürdürülmektedir.

Metalurji (metal bilimi) ve Malzeme Mühendisliği, bu çerçevede yapılan tüm çalışmaları kapsayan bir ana bilim dalıdır. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği temel olarak malzemeleri 4 ana bölümde inceler:

1.Metaller

2.Seramikler

3.Polimerler

4.Bu üç türün birlikte oluşturdukları kompozitler

5

Yukarıdaki grafikte, ilk insanlar için ahşap, deri ve taş gibi “doğal” ürünler altından önce

gelirken, 1940’larda dünya çapındaki savaşın da getirisiyle metallerin önemi artmıştır. Yine

son yıllarda küresel ısınma, iklim algısı ve çevre bilincindeki değişimden ötürü metallerin

önemi, daha yeni malzeme gruplarına kaymaktadır.

İleri Teknoloji Malzemeleri

6

İleri teknoloji malzemeleri katma değeri yüksek, ileri teknoloji ve bilgi gerektiren malzemeler olarak tanımlanmaktadır. Endüstriyel açıdan ileri teknoloji malzemelerinin kullanımı ülkelerin gelişmişlik düzeyleri ve ekonomileri ile de paralellik arz etmektedir. İleri malzemeler birçok alanda kullanılmakta ve geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır.

7

Havacılık başta olmak üzere, savunma, enerji, haberleşme ve otomotiv sanayii gibi birçok gelişen sektörün giderek artan ihtiyaçları üstün performanslı yeni malzemelerin geliştirilmesini zorunlu hale getirmiştir. Bunun sonucunda polimerler, seramikler ve kompozitler, konvensiyonel metalik malzemelerin yanında yerini almış ve mühendislik malzemelerini büyük ölçüde zenginleştirmiştir. Tüm bu gelişmeler karşısında, insanlık tarihi boyunca geliştirilmiş olan geleneksel malzemelerin, bir taraftan özelliklerinin daha da iyileştirilmesi, diğer taraftan yeni ve yaratıcı yaklaşımlarla alternatiflerinin geliştirilmesi kaçınılmazdır.

8

Ayrıca,

İleri malzemeleri en geniş anlamda “yüksek saflıkta, yüksek teknolojik performansa ve yüksek bilgi içeriğine sahip, dünya ekonomisine giderek artan bir ölçekte katkıda bulunan yüksek katma değerli malzemeler” olarak tanımlamak mümkündür.

Uygulama açısından:

1. İleri metalik malzemeler

2. İleri seramikler

3. İleri polimerik malzemeler

4. Kompozit malzemeler

9

SERAMİK, En genel anlamda, anorganik maddelerin herhangi bir usul ile şekillendirilip pişirilmesi ile meydana gelen ürüne denir.

Metal ve ametal (metal olmayan) elementlerin birbirlerine birinci derece iyonik ve/ya kovalent bağla bağlandığı inorganik, metal dışı malzemelerdir.

Diğer bir tanımlamaya göre ise SERAMİK, organik olmayan malzemelerin oluşturduğu bileşimlerin, çeşitli yöntemler ile şekil verildikten sonra sırlanarak veya sırlanmayarak sertleştirilip dayanıklılık kazanmasına varacak kadar pişirilmesi bilimi ve teknolojisidir.

10

1. Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık 2. Kimyasal kararlılığın yüksek olması 3. Çok sert olmaları 4. Metallerden hafif olmaları 5. Hammadde olarak bol miktarlarda bulunmaları ve

genellikle metallere kıyasla ucuz olmaları 6. Pahalı ve stratejik metallere ihtiyaç göstermemesi 7. Erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olmaları 8. Oksitlenmeye karşı dirençli olmaları 9. Sürtünme katsayısının düşük olması 10. Basma mukavemetinin yüksek olması

Ancak, en önemli istenmeyen özellikleri “gevrek” olmalarıdır.

11

Seramiğin sadece mutfak ve banyolara döşenen fayans ve karoların üretiminde kullanıldığı dönemler çoktan geride kaldı. Yüksek teknoloji üretim teknikleri ve mükemmelleştirilmiş sentetik hammaddeler, o basit seramiği, sadece otomobillerde değil, hava, uzay ve raylı sistem araçlarında, bilgisayar ve makine üretiminde, tıpta, elektrik nakil sistemlerinde, üretim teknolojisinde, ev işlerinde de kullanılabilecek esnek bir yüksek teknoloji harikasına dönüştürdü.

12

Seramikler kullanım alanlarına göre:

1) Geleneksel Seramikler: Üç temel bileşen içerirler. Kil (kaolen:Al2O3.2SiO2.2H2O), silika (SiO2) ve feldispat (K2O ya da Na2O.Al2O3.6SiO2). Tuğla ,fayans, porselen, çanak-çömlek, kiremit, refrakterler, camlar, çimento.

2) İleri Teknoloji Seramikleri: Saf ya da safa çok yakın alüminyum oksit(alümina) (Al2O3), zirkonya (ZrO2), magnezya(MgO), berilya (BeO), silisyum karbür (SiC) ve silisyum nitrür (Si3N4) gibi bileşenlerden oluşurlar. Modern seramikler, ince seramikler, teknik seramikler gibi isimler halinde de tanınırlar.

Geleneksel ve İleri Teknolojik Seramiklerin Karşılaştırılması

13

14

Teknolojik Seramikler

15

Geleneksel seramiklerden farklı olarak saflaştırılmış, iç yapıları son derece iyi denetlenmiş, üretim prosesleri hatasız mikroyapılar elde edilecek türde özelleştirilmiş tür seramikleri içermektedir.

16

Yüksek sıcaklıklara dayanım,

Özgül elektrik iletkenliği,

Kimyasal dayanım,

Mekanik ve ısıl zorlamalara dayanım,

Biyolojik uyum,

Yarı ya da seçimli geçirgenlik,

Isı iletimi veya yalıtımı,

Az genleşme,

Zehirli olmama,

Süper iletkenlik,

17

1.Kullanım yerlerine göre

2.Özelliklerine göre

3.Kimyasal bileşimlerine göre

İşlevi Özellikler Uygulamalar

İleri

Teknoloji

Seramikleri

Takımlar Aşındırıcılar Türbin

kanatları

Cihaz

parçaları

Fluoresans

Optik

iletkenlik

Kondensör

Lazer diyot

Isıya dayanıklı

saydam

porselen

Optik kablo

Radyasyon

direnci

Yüksek

sıcaklık

dayanımı

MEKANİK

TERMAL NÜKLEER

OPTİK

ELEKTRİK

MANYETİK

BİYOLOJİK

KİMYASAL

Reaktör

madenciliği

Refrakter

İzolatör

Isı toplama

Isı iletimi

Fırın astarı

Eletrot

malzemesi

Eletronik

parçalar için

ısı yutucular

Biyolojik

uyum

Kataliz

adsorbsiyonu

Korozyon

direnci

Yapay kemik

ve diş

Kataliz

taşıyıcı

Kimyasal

cihazlar

Bazı

techizat

Ele

ktr

ik

iletk

enliği

Varistör

Sensör Entegre devre

altlık Hafıza

elemanı

18

1.

19

Uygulama Konusu Malzeme

Mekanik Özellikler

Yüksek sıcaklık dayanımı silisyum nitrür, silisyum karbür

Kesme dayanımı bor nitrür, titan karbür, titan

nitrür, tungsten karbür, bor karbür

Yağlama bor nitrür, molibden disülfat

Aşınma dayanımı alumina, bor karbür

Isıl Özellikler

Isıl Dayanım alumina, silisyum nitrür, silisyum

karbür

Isıl Yalıtım titan oksit, aluminyum nitrür,

zirkonyum oksit

Isıl Transfer bor oksit, alumina

20

Optik Özellikler

Işık geçirgenlik alumina, yitriyum oksit, baryum oksit

Işık indükleme Silisyum oksit

Floresans galyum –arsenik seramikleri,

neodmiyum-yitriyum cam

Uygulama Konusu Malzeme

Kimyasal Özellikler

Soğurma Köpük silika, alumina

Katalizör Zeolit

Korozyon Zirkonya, alumina

21

Uygulama Konusu Malzeme

Elektriksel Özellikler

Süperiletkenlik Yitriyum-bayrum-bakır oksit

Yarıiletkenlik Çinko oksit, baryum titanat

Pieozoelektriklik Kurşun zirkonat titanat

Yalıtım Alumina, silisyum karbür

İletkenlik Baryum titanat

İyonik iletkenlik Zirkonya, beta-alumina

Manyetik Özellikler

Manyetizma Demiroksit, baryum oksit

Biyolojik Özellikler

Biyoseramikler Alumina, apatitler

22

2. İleri teknolojik seramiklerin özelliklerine göre sınıflandırılması:

1. Yapısal ileri teknolojik seramikler

2. Fonksiyonel ileri teknolojik seramikler

23

Seramik malzemelerin kırılma dayanımı ve aşınma direnci gibi mikroyapısal değişkenlerden etkilenen özellikleri ile sertlik, yoğunluk, ısıl dayanım, yüksek elastik modülü gibi kristal yapısı ve atomlar arası bağlanmadan etkilenen özelliklerinin önem kazandığı durumlarda üretilen türlere denir.

Bu grupta özellikle Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC, B4C, TiC, TiB2, TiN, AlN gibi bileşiklerin ikili, üçlü ya da çoklu karışımlarından yararlanılır.

1. Yapısal İleri Teknolojik Seramikler

24

Tekstil makinalarında aşınmaya dayanıklı yapay iplik kılavuzları, yüksek hızlı torna tezgahlarında kullanılan kesici uçlar, otolarda yüksek ivme sağlayan turbo yükleyici parçaları, madencilik ve çimento sektörü, hafif balistik yelek ve zırhlı araç koruyucu katmanları, aç-kapa mekanizmalı musluklar, spor malzemeleri, nozullar, ortopedik protezler, özel lambalar, bilyalar, potalar, kimya sanayi parçaları v.b. uygulama alanları vardır.

Borkarbür plaka Aşındırıcı ve parlatıcılar

(alümina, SiC)

Pota ve kayıkçıklar

25

Alüminyum oksit maddenin sertliğini ve aşınma direncini arttırırken, zirkonyum

oksit, diğer katkı maddeleri ile birlikte, daha iyi mekanik özellikler kazandırır. Bu

özellikler, başka özelliklerin yanı sıra, malzemenin yüksek sağlamlıkta ve yüksek

yoğunlukta olması, ve alüminyum oksit matrisinin çok küçük tanecik büyüklüğünün

olması ile elde edilir.

Sonuç, yüksek performanslı seramiktir: Mükemmel biyouyum, düşük aşınma,

yüksek sertlik, daha iyi mekanik özellikler ve özellikle sertliği sayesinde mükemmel

kimyasal ve hidrotermal stabilite.

Örnek uygulama: Kalça Protezi

26

BIOLOX malzemesinde kullanılan

ilk sertleştirme mekanizması stabil

bir alüminyum oksit matrisi içinde

yttria-stabilize tetragonal küçük,

homojen bir dağılımı olan

zirkonyum oksit partiküllerinden (Y-

TZP) meydana gelmiştir. Bu

zirkonyum partikülleri çatlakların

başlamasını ve genişlemesini

engeller.

İkinci sertleşme mekanizması

pulcuğa benzer kristaller oluşturan

stronsiyum oksitin eklenmesi ile

elde edilir. Bu pulcuklar çatlakları

saptırarak enerjiyi yayar ve bu

sayede madde mukavemetini ve

sertliğini arttırır.

27

Malzemelerin dielektrik, elektriksel ve ısıl yalıtkanlık, iletkenlik ve manyetiklik gibi, maddenin elektronik, elektromekanik, optik, opto-elektronik ya da manyetik fonksiyonlarını belirleyen “elektronik yapısının” ortaya koyduğu özelliklerin elde edilmesinde gerekli olan uygulamalara dayanılarak elde edilen seramiklerdir.

Fonksiyonel seramikler, tasarım ve proses yönünden cazip malzemelerdir.

2. Fonksiyonel İleri Teknolojik Seramikler

28

Bazı termal ve elektriksel

dirençli seramikler

29

3. Kimyasal Bileşimlerine Göre Sınıflandırılması:

TİPİ Atomsal

Bağ Örnekler

Özellikler

OKSİTLER İyonik Al2O3, Cr2O3,

Fe2O3, MgO,

ZrO2, LiAl2SiO4

Sert aşındırıcı, Sürünme

özellikleri iyi, Çok sert

KARBÜRLER Az iyonik ZrC,

TiC,

VC,

NbC

Elastik modül yüksek

Kovalent B4C,

SiC,

WC

Yüksek sıcaklıkta kararlı,

Sürünme kötü. Kesici

takımlarda aşındırıcılarda ve

kalıplarda kullanılır

NİTRÜRLER Kovalent BN,

Si3N4,

AlN,

Sialon,

TiN

Düşük yoğunluk, Yüksek

sıcaklıkta kararlı, Çok sert

Sürünme direnci iyi

Kesici takımlarda, gaz

türbinlerinde, nozul ve

potalarda kullanılır

BORÜRLER Kovalent LaB6,

ZrB2

Çok iyi iletken, Sürünme

özellikleri iyi

Elektron mikroskobunda

flaman olarak kullanılır

30