Geleneksel seramik üretim ve satış açısından önemli bir yer tutmakta beraber son çeyrek asırda bir takım süper özelliklere sahip yeni seramikler geliştirilmiştir. İşte bu seramikler günümüzde “ileri teknoloji seramikleri, teknolojik seramik, mühendislik seramiği, yeni seramikler veya ince seramik” gibi isimlerle bilinmektedir. Mükemmel özelliklerde malzeme arayışları son dönemlerde ilgiyi tamamen ileri teknoloji seramikleri üzerine toplamıştır. İleri teknoloji seramikleri, alışılmış seramiklerin aksine oldukça basit yapıdadır. Saf halde metal oksit, karbür ya da nitrürden oluşurlar. İleri teknoloji seramik taksitler, karbürler, nitrürler ve borürler olarak sınıflandırılmaktadır. Tablo 2.1’de bazı ileri teknoloji seramiklerin özellikleri verilmektedir Geçkinli (1992).
Tablo 2.1. Bazı İleri Teknoloji Seramikleri Özellikleri Geçkinli (1992) Malzeme Ergime sıcaklığı (0C) Yoğunluk (g/cm3) Mukavemet (MPa) Elastik Modül (GPa) Sertlik (Kg/mm2) Tokluk (Kıc) Al2O3 2050 3,96 250-300 36-40 1000-1600 4,5 ZrO2 2700 5,6 113-130 17-25 1200 6-9 SiC 3000 3,2 310 40-44 2800 3,4 Si3N4 1900 3,24 410 30,7 1300 5,0 WC 2700 15,7 350-550 54-70 2000 5-8
Günümüzde seramik malzemelere ilginin artmasının sebepleri aşağıda belirtilmiştir. Teknolojik seramikleri önemli kılan üstün özelliklerden bazıları;
– Yüksek sıcaklıkta dayanımları, – Kimyasal kararlılığın yüksek oluşu,
– Sertliklerin yüksek olusu, – Metallere göre daha hafiflik,
– Hammadde kaynaklarının tabiatta bol miktarda bulunması, – Aşınmaya karşı dayanıklı olmaları,
– Sürtünme katsayılarının düşük olması,
– Isıl genleşme katsayılarının düşük olması olarak sıralanabilir.
Bu üstün özelliklerin yanı sıra seramik malzemelerde birtakım dezavantajları mevcuttur. Bunların en önemlisi gevrek karakterde olmaları yani kırılganlıklarıdır. Kırılgan olmalarının nedeni ise yapılarında meydana gelen gözenek ve katmanlarından dolayıdır Geçkinli (1992).
Farklı tür malzemelerin servis veya kullanım sıcaklığının karşılaştırılması oldukça bilgilendiricidir. Şekil 2.1’de bazı önemli seramik, polimer, metallerin yaklaşık servis sıcaklık aralıklarının karşılaştırılması verilmiştir. Şekilde de görüleceği gibi açık bir şekilde seramikler çok yüksek sıcaklıklarda (>1000oC) uygulanabilir tek malzeme sınıfıdır. Seramikler, metallerden ve polimerlerden daha yüksek sertlik, elastisite modülüne sahiptir. Aynı zamanda, daha düşük yoğunluk, termal genleşme katsayısı, termal ve elektrik iletkenliğine sahiptir. Özellikle, seramiklerin düşük yoğunluk ve termal genleşme özelliği çoğu uygulamalarda büyük öneme sahiptir.
Şekil 2.2’de ise bazı malzemelerin elastisite modül-yoğunluk özelliklerine göre karşılaştırılması verilmiştir. Şekil 2.2’de de görüleceği gibi seramikler elastik modül açısından en yüksek değerleri vermekteyken, elastisite modülü açısından nispeten yakın olan metal ve alaşımlarıyla karşılaştırıldığında genel olarak daha hafif malzemelerdir.
Seramiklerin kırılma tokluğu, metallerle karşılaştırıldığında son derece düşük olması en büyük dezavantajıdır. Seramiklerde yapısal hataların sayısını minimize etmek önemlidir ve aynı zamanda ham maddenin ve prosesin dikkatli kontrolüyle belirli kritik hata büyüklüğünden daha küçük hata seviyelerine düşebilir. Bununla birlikte, çevrenin etkisi, termal yük, mekanik yük vb. sonucunda kırılma hasarlar oluşabilir. Bu yüzden çatlak büyüklüğü ve çatlak dağılımı ile başa çıkılmalıdır Chawla (1993).
Şekil 2.2. Bazı malzemelerin elastik modül-yoğunluk özelliklerine göre karşılaştırılması (http://mechanicaldesign101.com/page/3/)
2.1.1. Alüminyum oksit
Alümina, mühendislik seramikleri ailesinde geniş bir alanda kullanılan ve ekonomiklik anlamında verimli sayılabilen bir seramiktir. Yüksek dereceli ham maddelerden elde edilen yüksek performanslı seramikler kolaylıkla ve makul fiyatlara elde edilebilir. Fiyatının yanı sıra genel mekanik özelliklerinin de (kırılma tokluğu vb. hariç) metallere göre daha yüksek olması da alüminayı endüstriyel anlamda ilk kullanılan seramiklerden biri haline getirmiştir. İnce taneli veya rekristalize alümina çok geniş alanda kullanılabilmektedir. Seramik bünyenin kompozisyonu özel istenen malzeme özelliklerini değiştirerek geliştirebilir. Yüksek safiyetli alümina hem oksitleyici hem de indirgeyici atmosferlerde 1925°C’ye kadar kullanılabilir (http://www.accuratus.com/alumox.html). E sne k E L AS T İSİ TE M OD ÜL Ü (G Pa) D ay an ıkl ı
2.1.2. İtriya
İtriyanın ergime noktası 2410ºC olup havada oldukça kararlıdır ve kolayca redüklenmez. Karbon dioksiti absorbe eder ve asitlerde çözünür. İtriya, Nerst lambalarında flaman olarak, torya ve zirkonya ile alaşım halinde az miktarda kullanılmaktadır. Zirkonyaya ilave edildiğinde yapısını kübik yapıda kararlı kılar. Başlıca itriya mineralleri, gadolinit, xenotim ve fergusonit’tir. Bunlardan gadolinit (FeO.2BeO.Y2O3.2SiO2), en önemli mineral olup Teksas civarında bolca bulunmaktadır. İtriya, florür yapısına benzer olarak kübik yapıdadır. İtriyanın fevkalade refrakter olması ve birçok atmosferde kimyasal olarak kararı olması sebebiyle, tüp, kayıkçık ve pota olarak özel amaçlar için kullanılmaktadır Geçkinli (1992).
2.1.3. Alüminyum nitrür
Elektronik ve yapısal seramik olarak iyi elektrik izolasyonu aranan, aşınma ve korozyon direncinin yüksek olması ve ergimiş metale dayanım göstermesi istenen yerlerde kullanılmaktadır. Alüminyum nitrür aynı zamanda elektronik paketlerde taban olarak berilyaya alternatif olarak kullanılmaktadır. AlN berilyanın aksine toksik olmayıp saydam ve yarı saydam olarakta üretilebilmektedir. AlN, çeşitli şekillerde sentezlenebilir. Bunların içerisinde en çok uygulananı, alüminyumun doğrudan nitrürlenmesidir. AlN termodinamik olarak Si3N4’den daha kararlıdır. Fakat rutubetle reaksiyona girme eğilimi fazla olduğundan geniş bir uygulama alanı bulamamıştır Geçkinli (1992).
2.1.4. Silisyum nitrür
Silisyum nitrür, yüzyıldan beri bilinmesine rağmen seramik malzeme olarak geliştirilmesi 1960’lardan sonradır. Silisyum nitrürün mukavemeti, sürünme direnci ve termal şok dayanımının iyi olması nedeniyle yüksek sıcaklıkta çalışan gaz türbin motorlarında, turbo şarj rotorlarda, kesici takımlarda, kaynak torç nozulunda ve aşınan parçalarda metallerin yerini almıştır. Yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet (1000ºC’de 900 MPa), düşük termal gerilmesi sebebiyle iyi termal şok direnci BN
gibi diğer yüksek sıcaklık yapısal malzemeleri ile kıyaslanırsa iyi bir oksidasyon direncine ve çok iyi aşınma direncine sahiptir Geçkinli (1992).
2.1.5. Silisyum nitrür ve β -SiAlON seramiklerinin özellikleri
Silisyum nitrür bazlı seramikler, seramikçilerin ve aynı zamanda metalurjistlerin büyük ilgisini çeken bir malzemedir. Çünkü birçok önemli kimyasal, mekanik ve termal özelliklere sahiptir.
Bu özellikler aşağıda sıralanmaktadır;
– Oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet ve sertlik – Yüksek darbe mukavemeti
– Yüksek spesifik modül (E/ρ) – İyi mekanik şok direnci – İyi aşınma direnci
– Yüksek mukavemet / ağırlık oranı(τ/g) – Metallerle düşük sürtünme katsayısı – İyi sürünme, oksidasyon direnci – Mükemmel termal şok direnci – Düşük termal yayınım
– Yüksek termal kararlılık (ayrışma noktası 1900°C) – İyi yüksek sıcaklık erozyon ve korozyon direnci – Çoğu metaller tarafından ıslatılamama
– İyi kimyasal kararlılık
– Yüksek dielektrik mukavemeti
– Düşük elektrik aktivitesi ve iletkenliği Sorrell (1986)