seramik malzeme özellikleri

SERAMİK MALZEME ÖZELLİKLERİ
Seramikler , mühendislik malzemeleri içinde oldukça ilgi çeken ve
sürekli gelişen bir özelliğe sahiptir.
ÇÜNKÜ: Seramikler :
Kırılgan ve Tok,
Opak ve saydam,
Yalıtkan, yarı iletken ve süper iletken,
Düşük ve yüksek ergime dereceli,
Tek kristal ve çok kristal,
Kristal ve camsı,
Gözenekli ve yoğun
olarak birbirinin tersi özelliklere sahip geniş bir malzeme ailesini
oluşturur.
1- FİZİKSEL ÖZELLİKLER
1-1 Yoğunluk.
Etkileyen faktörler:
Atomik ağırlıklar, Atomların paketlenme davranışı, Mikro yapıdaki
gözenek miktarı.
( Birim hücredeki atomların sayısı) (Atom Ağırlığı)
Kristalografik Yoğunluk= ---------------------------------------------------------(Birim hücre hacmi) (Avagadro sayısı)
Karışık fazlı ve gözenekli bir malzemeyi karakterize etmek için
kristalografik yoğunluk yeterli olmamaktadır.
(Kütle ağırlığı)
Kütlesel (Bulk) Yoğunluk= ____________________
(Katı Hacmi) +(Gözenek hacmi)
Gözeneksiz olarak elde edilecek maksimum kütlesel yoğunluğa teorik
yoğunluk denir.
1-2 Ergime Davranışı
• Artan kovalent bağ karakterli ve çok valanslı iyonik seramikler daha
yüksek ergime sıcaklıklarına sahiptirler.
Malzeme
Bileşim
Seramik Malzemeler
Alüminyum Oksit
Al2O3
Yoğunluk(gr/cm3)
Ergime sıcaklığı 0C
3.95
2050
Mullit
3 Al2O3 2SiO2
3.16
1850
Bor karbür
B4C
2.52
2425
Elmas
C
3.15
3500
Magnezyum Oksit
MgO
3.58
2800
Kuvars
SiO2
2.65
1750
Silisyum Karbür
SiC
3.22
2500
Silisyum Nitrür
Si3N4
3.19
1900
Al
2.7
Metalik Malzemeler
Alüminyum
Çelik
Fe esaslı alaşım
7.87
Sitren polimeri
1.05
660
1450-1500
Organik Malzemeler
Polisitren
65-75
4-2 ISIL ÖZELLİKLER
• Seramik malzemelerin temel ısıl özellikleri :
• Isı kapasitesi
• Isıl iletkenlik,
• Isıl genleşme. ( UYGULAMALAR AÇISINDAN EN ÖNEMLİ ÖZELLİK)
• Isıl şok direnci dir.
Isıl Genleşme ( ısıl genleşme katsayısı) :
l l
 uzunluk farkının ilk uzunluğa oranıdır.
 2 1
= Termal
(T2  T1 ).l1


Sıcaklığın neden olduğu boyutsal değişimin miktarı, atomlar arası bağ
kuvvetine ve malzemedeki atomların paketlenmesine ( koordinasyon
sayısına) bağlıdır.
Bunun sonucu olarak : α Kovalent < α iyonik < α metalik
şeklindedir.
Bağ mukavemeti arttıkça ergime sıcaklığı artmakta , buna paralel olarak ısıl
genleşme miktarı düşmektedir.
Isıl Genleşme Katsayıları: Karşılaştırma
Malzeme
Polimerler
Polipropilen
Polietilen
Polistiren
Teflon
Metaller
Alüminyum
Çelik
Tungsten
Altın
Seramikler
Magnesia (MgO)
Alumina (Al2O3
Soda-kireç camı
Silika (cryst. SiO2
αl (10-6/°C) oda sıcaklığında
145-180
106-198
90-150
126-216
23.6
12
4.5
14.2
13.5
7.6
9
Zayıf ikincil bağlardan
genleşme katsayıları
dolayı polimerlerin αl
yüksektir
Bazı uygulamalarda oldukça
düşük ısıl genleşme
istenir.Fırından alınıp soğuk
suya daldırılan bir potanın
çatlamaması için Örnek:
Lityum Aluminyum silikat (LAS)
esaslı seramikten olması
gereklidir.
Çeşitli malzemelerin
sıcaklığa bağlı ısıl genleşme karakteristikleri
Isıl İletkenlik
Isı İletim Mekanizması:
Isı katı maddelerde “fononlar” (ısıl titreşim dalgaları) ve “serbest elektronlar” tarafından iletilirler.
Metaller:
•Yüksek saflıktaki metallerde, “elektron mekanizması” nın toplam ısı iletimine katkısı “fonon” ların
katkısından daha fazla olacaktır. Metallerde ısıl iletime katkı sağlayabilecek çok sayıda serbest
elektron mevcuttur.
•Yabancı atom içeren alaşım metallerinde ısıl iletimi özellikleri düşmektedir.
Seramikler:
Serbest elektron bulundurmazlar. Dolayısıyla, ısıl
iletkenliğe katkı sadece “fonon” hareketleri ile
sağlanır:
•Artan sıcaklıkla fononların (kafes dalgalarının)
dağılması ve sönümlenmesi daha etkili olur;
dolayısıyla, pek çok seramik malzemenin ısıl
iletkenliği artan sıcaklık ile birlikte azalır.
•Seramikler içindeki boşluklu yapılar malzemenin ısıl
iletkenlik özelliği üzerinde çarpıcı bir etki oluşturabilir;
artan porozite ısıl iletkenliğin azalmasına neden olur.
( refrakterler)
Elektriksel Özellikler
Seramik Yalıtkanlar
•Bazı seramikler çok güçlü bir elektrik alanında dahi elektrik akımının geçmesine izin
vermezler. Bunlar izalotör /yalıtkan) olarak kullanılır.
Seramik Yarı iletkenler:
•Bazı seramik bileşikler birtakım elektrikli cihazların çalışması için gerekli yarı iletkenlik
özelliklerine sahiptirler.
Örnek:
•Poroz yapılı seramiklerin elektriksel dirençlerinin içinde bulundukları ortamın nem içeriği
ve oksitlenme potansiyeline bağlı olarak değişir.
•Dirençteki bu değişim, zehirli veya yanıcı gazların algılanmasında da kullanılmaktadır.
Süper İletken Seramikler
Malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda akım taşıyan
elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra düşer.
Bütün maddelerdeki ısısal hareketin en düşük seviyeye indiği “ mutlak sıfır “ noktası
olan sıcaklık – 273 oC dir.
Kritik sıcaklığın MgB2 ‘nin(Magnezyum Diborit) 39 kelvinin (-234.15 oC ) altına kadar
soğutulduğunda elektrik akımına karşı bütün direncinin kaybolduğu ileri sürülmüştür..
4.3 MEKANİK ÖZELLİKLER
Elastisite modülü
Basma mukavemetine
yüksek
Gevrek malzeme
Çekme mukavemeti
Süneklilik
1- Elastisite Modülü
düşük
E
 (gerilme )

Atomik bağ mukavemeti arttıkça daha
yüksek E değerleri elde edilir.
Naylon E= 2-8 Gpa
Al Alaşımları E= 69 Gpa ,
ZrO2 E= 138 Gpa
Al2O3 E= 380 Gpa
2-Mukavemet:
Teorik Mukavemet: Atomlar arası bağları koparmak için gerekli çekme
gerilmesidir.
Mekanik deneyde malzeme içindeki dislokasyon hareketlerinin zorluğu
ölçülür.
Metalik Bağda:
•
Eğer bir dislokasyon yapı içerisinde ilerlerse , kayma düzlemi üzerinde bulunan
atomların konumu, kayma düzlemi altındaki atomların konumuna göre değişir.
•
Ancak bu atomların yer değişiminin elektron bulutu ile atom çekirdeği
arasındaki metalik bağ üzerinde çok küçük bir etkisi vardır.
•
Bu nedenle metalik bağda dislokasyon hareketi üzerinde az bir engelleme vardır.
Kovalent bağda;
Kovalent bağ bölgeseldir. (Bağı oluşturan elektronlar bağlanan atomların
arasındaki bölgede konsantre olmuşlardır.)
Bir dislokasyon kovalent bağlı bir yapıda hareket ederken bu bağlar kırılıp
tekrar oluşturulmalıdır.
İyonik bağda:
Eğer kristal 45 0 ‘lik bir düzlemde kayıyorsa aynı yüklü iyonlar ayrılmış olarak
kalır. Bu çeşit kayma kolaydır.
Yatay düzlemde kayma olursa aynı yüklü iyonlar arasında elektrostatik itme
kuvveti bu kayma hareketini engeller.
Dislokasyon hareketini başlatmak için gerekli gerilme
Yumuşak metaller için = elastisite modülü/10 3
Seramikler için
= elastisite modülü/ 30 = 5000 Mpa (500 kg/mm2)
Çeşitli Seramik Malzemelerin Özellikleri
Metal
Al Alaşımı(7075)
Yumuşak Celik
Y.C’lu çelik
Cu
K.T MPa √m
24
140
50
˃100
Bütün bunlara rağmen hiçbir zaman teorik mukavemetlere ulaşılamaz.
• Çünkü;
• Seramik kütlede var olan:
• Mevcut gözeneğin şekli
• Yapıda çatlakların bulunması
• Yapıda mevcut inklüzyonların büyüklü ve şekli
• Seramik malzemeye yük uygulanması durumunda teorik
mukavemetten daha düşük değerlerde kırılmalara neden olur