SERAMİKLER Seramikler çoğunlukla metal ve metal dışı elementler

SERAMİKLER
Seramikler çoğunlukla metal ve metal dışı elementler arasındaki kimyasal bileşikler
olup inorganik malzemelerdir. Atomik bağları tamamen iyonik veya iyonik kovalent
kombinasyonu şeklindedir. Kalıcı şekil değişim mekanizmaları olmadığından çok
sert ve gevrektirler. Genellikle elektrik ve ısıyı iletmezler. Saydam, yarı saydam veya
opak olabilirler. Porselen, tuğla, fayans ve camın dâhil olduğu geleneksel seramikler
ve yeni nesil (ileri) seramikler olarak iki gruba ayrılırlar. Kristal yapılarına göre
seramikler; kristal yapılı seramikler, kristal yapılı olmayan (amorf) camlar ve cam
seramikler şeklinde sınıflandırılırlar. Seramikler en az iki elementten oluşmakla
birlikte bileşen sayısı genellikle daha fazla olduğundan kristal yapıları metallere
göre daha karmaşıktır. Amorf seramikler kendini tekrarlayan düzenli bir içyapıya
sahip değildirler.
CAM SERAMİKLER: Kristal yapılı olmayan (amorf) camlar yüksek sıcaklıkta
uygulanan bir ısıl işlem ile ince taneli çok kristalli bir yapıya dönüştürülebilir.
Çekirdeklenme ve tane büyümesi aşamalarından oluşan bu kristalleşme olayı bir faz
dönüşümü olup zaman sıcaklık dönüşüm (TTT) diyagramları ile ifade edilir. Cam
seramikler camlara göre daha yüksek mekanik dayanım, daha düşük ısıl genleşme
katsayısı (ısıl şok dayanımı), daha yüksek sıcaklıkta çalışma kabiliyeti, yüksek
elektriksel yalıtkanlık ve biyo uyumluluk gibi özellikler le öne çıkar. Saydam veya
opak olabilen cam seramikler; fırın camı, sofra eşyası, pişirme kabı, elektrik yalıtımı,
baskılı devre kartı, ısı değiştiricisi gibi uygulama alanlarına sahiptir.
KİL ÜRÜNLERİ: Kil doğal halde bulunan, ucuz, madenden çıkarıldığı haliyle kullanılan
ve şekillendirilmesi kolay bir malzeme olduğundan seramik hammaddesi olarak
yaygın kullanılır. suyla karıştırılarak kolayca şekillendirilir, nemi alınır ve yüksek
sıcaklıkta pişirilerek mekanik özellikleri iyileştirilir. Tuğla, kiremit, fayans gibi ürünler
yapılarda; porselen ise mutfak eşyalarında kullanılır.
REFRAKTERLER: Çok yüksek sıcaklıklarda ergime ve kimyasal bozunma olmadan
kullanılabilirler. Kimyasal ortamlardan etkilenmemesi ve ısı yalıtımı sağlaması
sayesinde metal rafinasyonu, cam imalatı, metalürjik ısıl işlem ve yüksek enerji
fırınları gibi yüksek sıcaklık ortamlarında yaygın kullanılırlar. Gözenekli yapıya sahip
refrakterler alümina (Al2O3), silika (SiO2) ve magnezya (MgO) başta olmak üzere
çeşitli oksitleri farklı oranlarda içerirler. Gözeneklilik arttıkça mekanik ve korozif
özellikler zayıflarken ısı yalıtım kapasitesi ve ısıl şok direnci artar.
Uygulama alanına göre seramikler; camlar, cam seramikler, kil ürünleri,
refrakterler, aşındırıcılar, çimentolar ve ileri seramikler şeklinde gruplandırılırlar.
CAMLAR: Kap, lens, cam elyaf gibi kullanım alanları ile öne çıkan camlar başta silika
(SiO2) olmak üzere CaO (kireç), Na2O (soda), K2O, Al2O3, B2O3 gibi oksitlerden
meydana gelen amorf inorganik malzemelerdir. Saydam ve kolay üretilen
malzemelerdir.
AŞINDIRICILAR: Aşındırma, taşlama ve kesmede kullanıldıklarından hem sert ve
aşınmaya dayanıklı hem de tok olmaları istenir. Aşındırma sırasındaki izafi harekete
bağlı sürtünme nedeniyle yüksek sıcaklıklar söz konusu olduğundan aynı zamanda
yüksek sıcaklık ve ısıl şok dayanımı da gerekir. Doğal ve yapay elmas aşındırıcı
olarak kullanılmakla birlikte çok pahalıdırlar. Yaygın aşındırıcılar; silisyum karbür,
tungsten karbür, alüminyum oksit ve silika gibi bileşenlerdir. Aşındırıcılar ahşap,
metal, seramik ve polimerlerin taşlama, lepleme ve parlatılmasında kullanılırlar.
ÇİMENTOLAR: çimento olarak kullanılan seramik malzemeler su ile birleştiğinde
hamur kıvamına gelerek daha sonra oda sıcaklığında katılaştıklarından yapı
inşasında yaygın kullanılırlar. Kil ve kireçten oluşan inorganik bileşenlerin öğütülüp
karıştırıldıktan sonra kalsinasyon denilen bir işlemle 1400 oC civarı sıcaklıklarda
pişirilerek fiziksel ve kimyasal yapısının değiştirilmesiyle elde edilen ve klinker
denilen çok ince bir toz haline getirildikten sonra sertleşme sürecini geciktirmek için
içine alçı taşı katılmasıyla elde edilen portland çimento en yaygın kullanılan türüdür.
Suyla sertlik kazandığı için hidrolik çimento da denilen bu malzemeye kum katılarak
elde edilen beton kompozit malzeme olarak da tanımlanır.
İLERİ SERAMİKLER: Yalnızca seramiklerin sahip olduğu bazı eşsiz özellikler yeni
seramiklerin geliştirilmesinin önünü açmıştır. İleri seramikler; fiber optik iletişimde,
mikro elektromekanik sistemlerde (MEMS), bilyalı rulmanlarda ve bazı piezoelektrik
uygulamalarında kullanılmaktadır.
-
-
Fiber optik: çok yüksek saflıktaki silisyumdan yapılan fiber optik kablolar ışık
demetlerinin dağılmasına, yutulmasına ve zayıflamasına neden
olmadıklarından iletişim teknolojilerinde büyük öneme sahiptirler.
-
Seramik rulman bilyaları: Rulmanlı yataklar iki bilezik arasında yuvarlanan
küresel veya silindirik bilyalardan oluşur ve çok küçük temas yüzeylerinde
çok yüksek yükler taşıdıklarından son derece sert, dayanıklı, tok olmaları ve
boyut toleranslarının son derece yüksek olması istenir. Silisyum nitrür
(Si3N4) rijitlikleri sayesinde daha uzun ömre ve hafiflikleri sayesinde daha
yüksek hıza olanak sağladıklarından çelik bilyaların yerine kullanılmaya
başlanmıştır.
-
Piezoelektrikler: Bazı seramik ve polimerler mekanik (boyutsal) şekil
değişimi karşısında elektrik alan veya gerilim oluşur. Benzer şekilde elektrik
alan veya gerilime maruz kaldıklarında da mekanik şekil değişimine
uğrarlar. Bu özellikleri sayesinde bu tip malzemeler mekanik ve elektrik
enerjileri arasında dönüştürücü olarak kullanılırlar. Seramik
piezoelektriklerin ilk kullanım alanı sonar sistemleri olup günümüzde
otomotiv (tekerlek dengeleyici, emniyet kemeri uyarıcı, lastik aşınma
kontrolcüsü, hava yastığı sensörü), bilgisayar (mikrouyarıcı, sabit disk),
sağlık (insülin pompalama, ultrasonik tedavi) gibi sektörlerde otomasyonda
yaygın kullanılmaktadırlar.
MEMS: Silikon yüzey üzerinde çok sayıda elektrik elemanla bütünleşik
olarak bulunan mikroalgılayıcı ve mikrouyarıcılardan oluşan mekanik
cihazların mekanik, ısıl, kimyasal, optik ve manyetik çeşitli değişimleri
algılayarak karar verdikten sonra uyarılar oluşturması esasına dayanan
mikro boyutlu sistemlerdir. Bu sistemler konumlandırma, taşıma,
pompalama, ayarlama ve filtreleme gibi çeşitli işlemleri gerçekleştirirler.
Hava yastıkları, elektronik görüntüleme, veri depolama, kimyasal tespiti
tipik uygulama alanlarıdır.
SERAMİKLERİN ÜRETİMİ VE İŞLENMESİ: Seramikler yüksek ergime sıcaklıkları
nedeniyle döküme, sertlik ve rijitlikleri nedeniyle plastik şekil değişimine uygun
değildirler. Camlar genellikle yüksek sıcaklıklarda akışkan hale getirilerek presleme,
üfleme, eriyikten çekme ve sac/elyaf şekillendirme gibi işlemlerle ürüne
dönüştürülürler. Diğer bir yaygın üretim metodu ise hamur kıvamındaki seramiğin
toz halinde sertleştirilmesi veya dökülerek ürüne dönüştürülmesidir.
-
Camların üretimi ve ısıl işlemi: Cam gibi amorf yapılı malzemeler kristal
yapılı malzemeler gibi belirli bir sıcaklıkta katılaşmaz, soğudukça sürekli bir
şekilde sıvı halden katı (viskoz) hale doğru dönüşürler. Oda sıcaklığındaki
cam akışkanlığı çok düşük sıvı olarak da ifade edilebilir. Bu nedenle,
camların şekillendirilmesinde viskozitenin sıcaklıkla değişimi önemlidir.
Bunun dışında camların dayanımını arttırmak için parça yüzeyinde kalıntı
gerilmeler oluşturmaya dayalı temperleme işlemi de camlara uygulanan bir
ısıl işlemdir. Temperlemede cam yumuşama sıcaklığının altındaki bir
sıcaklığa ısıtıldıktan sonra basınçlı hava veya yağ banyosunda hızlı
soğutulur. Böylece dış yüzeyler katılaştığında iç kısımlar hala yumuşak olur
ve katılaşma sırasında büzülürken dış kısımları kendine doğru çekerek içe
doğru kalıntı basma gerilmeleri oluşturur. Bu gerilmeler malzemedeki
çatlakların ilerlemesine engel olduğundan camın dıştan gelen darbelere
dayanımını arttırır.
-
Camlar bileşenlerinin ergiyeceği yüksek sıcaklıklara ısıtılarak çeşitli
şekillerde katılaştırılarak imal edilirler. Kalın kesitli tabak ve plakalar ısıtılmış
dökme demir kalıplar arasında preslenir. Cam kavanoz, şişe ve ampuller
üfleme ile imal edilir. Çekme yöntemi sabit kesitli levha, çubuk, boru ve lif
gibi sürekli ürünlerin imalatında kullanılır. Camlar yüksek sıcaklıklardan
soğutularak imal edildiklerinden iç ve dış kısımlarında farklı soğuma hızları
ortaya çıktığından ısıl iç gerilmeler meydana gelir. Bu iç gerilmeler
malzemenin dayanımını ve ısıl şok direncini düşürdüğünden istenmeyen bir
durum olup uygun sıcaklıklarda bir süre tutularak yavaşça soğutulmasıyla
tavlanarak giderilmesi gerekir.
Kil ürünlerin üretimi: Kil su ile karıştırıldığında şekillendirilebilen
(hidroplastik) bir malzeme olduğundan toz haline getirilen kil su ilavesiyle
çamur haline getirilerek döküldükten sonra kurutma ve pişirme ile
özellikleri iyileştirilir. Toz presleme de metallere ait bir üretim yöntemi olan
toz metalürjisine benzeyen seramik imalat yöntemidir. Bu yöntemde toz
halindeki seramik az miktarda su veya farklı bir bağlayıcı ile yüksek sıcaklık
ve basınç altında bir kalıp içinde şekillendirilerek sinterlenir. Böylece tozlar
küresel bir şekil alırken boşluk oranı da son derece düşerek yüksek dayanım
ve tokluk elde edilir.
SERAMİKLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ: Seramikler gevrek malzemeler olup plastik
şekil değişim yetenekleri son derece kısıtlıdır. Hasar genellikle içyapı
süreksizliklerine bağlı olarak çekme gerilmeleriyle meydana gelir. Bu nedenle
seramiklerin çekme dayanımları basma dayanımlarının yanında çok küçüktür
(yaklaşık % 10’u). Seramikler uygulamada basma gerilmelerine maruz kalacak
şekilde kullanılırlar. Seramikler yüksek sıcaklık dayanımları ve ısıl yalıtkanlıkları
sayesinde yüksek sıcaklık fırın ve ocakları ile uzay araçlarının dış yüzeylerinde tercih
edilirler. Yüksek sıcaklık şartlarında genleşmelerine izin verilmediğinde ve hızlı
soğutulduklarında ısıl şoklar nedeniyle hasara uğrarlar. Yüksek sıcaklık şartlarında
metallere benzer şekilde sürünme davranışı gösterirler.