Cam-seramikler mühendislik seramikleri olarak ifade edilen malzeme grubu içerisinde yer alır. Ancak cam-seramik malzemeler; gün geçtikçe elektrik yalıtımı, geleneksel uygulamalar gibi mühendislik uygulamaları dışındaki bazı uygulamalarda da kullanılabilmektedir. Üstün sertlik, aşınama dayanımı, korozyon ve kimyasallara karşı direnç, boyutsal kararlılık optik ve elektriksel özelliklerinden dolayı bazı özel uygulamalarda kullanılırlar. Cam-seramikler bu bağlamda; motor ve valf uygulamaları, işlenebilir cam-seramikler, refrakter uygulamalar, elektronik altlık malzemeleri, biyomedikal uygulamalar ve radyoaktif atık depolama gibi çeşitli uygulama olanaklarına sahiptirler [2].
3.6.1. Cam seramik sırlar
Genellikle, seramik altlıkların sırlanması, toz malzemelerin ham ya da pişmiş yüzey üzerine ıslak yada kuru olarak uygulanmasını ve bunu izleyen süreçte altlık ve sırın
beraber pişirilmesini kapsar. Açıkçası bu uygulama tekniği sır malzemesi seçiminde bazı sınırlamalar getirmektedir, özellikle sır uygulandığı altlık malzeme ile termal kalıntı gerilmesini engellemek ve düzgün sinterlemek amacı ile aynı pişirme sıcaklığına ve aynı termal genleşme katsayısına sahip olmalıdır. Bunun anlamı yüksek mekanik özelliklere sahip sistemlerin sıklıkla yüksek ergime noktası ve aynı zamanda yüksek çalışma sıcaklıklarına sahip olmalarından dolayı bu sistemlere uygulanmaları zordur. Sırlar çoğunlukla su yalıtımı ve dekoratif yüzey oluşturmak için kullanılır. Günümüzde cam seramik sırların yeni işlevleri (hidrofobiklik, antibaktariyel, güneş yansıtma ve fotokatalitik aktivitesi gibi özellikler) ortaya çıkmaktadır. Geleneksel seramikler sıklıkla yeterli aşınma direnci ve estetik kombinasyonu sağlamak amacı ile camsı yada cam-seramik sır ile kaplanırlar. Ancak yüksek mekanik mukavemete sahip camlar yada cam seramikler aynı zamanda yüksek Tg sıcaklığına sahiptir, bu yüzden bu bileşimlerin düşük ergime noktasına sahip bileşimler ile veya düşük Tg sıcaklığına sahip frit ile karıştırılması camın mekanik özelliklerini düşürecektir [69,70].
3.6.2. Biyouyumlu cam seramikler
Son yarım yüzyılda biyomedikal ve dantal uygulamalar için birçok cam ve cam seramik araştırması yapılmıştır. 3. nesil biyomalzemeler olan biyocamlar ve biyocam-seramikler biyouyumluk ve biyoaktif potansiyellerinden dolayı genel olarak restoratif ve osteokonduktif malzeme olarak kullanılırlar. Örnek olarak apatit-wollastonit ortopedik protezlerde kullanılırken; Dicor® gibi cam seramik esaslı mika, restoratif malzeme olarak iyi fiziksel, kimyasal ve mekaniksel özelliklerinden dolayı kabul edilirler. Dental uygulamalarda kullanılan cam ve cam seramiklerin aşınma dayanımının iyi olması istenir [71-73].
En iyi bilinen diğer biyouyumlu cam-seramikler Ceravital®, Bioverit® ve A/W Cerabone®’dir. Ceravital® camsı faz, devitrite ve apatit kristallerinden oluşur ve bu cam seramik malzemenin ana uygulama alanı orta kulak osüküler zinciri olarak kullanılmasıdır. Bioverit® cam-seramik camsı faza ek olarak mika ve apatit kristallerinden oluşmasından dolayı mükemmel işlenebilirlik özelliğine de sahiptir.
Bioverit® cam-seramik parçalar; omurga, baş ve boyun cerrahisi gibi birçok ortopedik ameliyatta implant olarak kullanılmıştır. A/W Cerabone® cam-seramikler iğnemsi wollastonit kristalleri takviyeli apatit matristen oluşmakla beraber bu diğer biyouyumlu cam-seramikler arasında en yüksek kırılma tokluğu değerine (2 MPa·m1/2) sahiptir ve bu özelliği ile iliak kemiği kresti olarak kullanılmaktadır. A/W Cerabone® cam-seramik, 1991’den 2000 yılına kadar 60000 den fazla hasta üzerinde başarıyla uygulanmıştır. Lösit esaslı K[AlSi2O6], cam-seramikler, olağanüstü biyouyumluluk gösterir. İyi kimyasal, fiziksel mekanik özelliklerinin yanı sıra bu cam-seramikler bilgisayar destekli işleme için uygundurlar. K2O-Al2O3-SiO2
sistemi içerisinde çekirdeklenme ve kristalleşme aşamalarının kontrollü olarak gerçekleştirildiği bir yöntem ile üretilir. Bu ürünler diş implantı olarak kullanılmakta ve Şekil 3.13’ de örnek bir diş lösit esaslı bir diş implantının şematik gösterimi verilmektedir [73,74].
Şekil 3.13. Lösit esaslı cam-seramik diş implantı [74]
3.6.3. İşlenebilir cam seramikler
Flormika cam seramikler geleneksel yöntemlerle kesilebilen, delinebilen ve torna ile işlenebilen cam seramiklerin temelini oluştur. Ticari olarak işlenebilir Cam-seramiklerin çoğu potasyum florflogopite dayanmaktadır [75]. Flogopit yapısı, köşeleri paylaşılmış [SiO4]- ve bir altıgen halka oluşturan [AlO4] tetrahedrasının 2 boyutlu ağ yapısından oluşmaktadır (Şekil 3.14). Oktahedral koordinasyon içerisinde Mg2+ iyonlarının tabakası iki tetrahedral tabaka arasında yer alır. Üçlü tabaka nispeten büyük alkali iyonlar tarafından (ör: K+ yada Na+ gibi) birbirlerine bağlanırlar. Alkali tabakasının zayıf bağlanması nedeniyle, çatlak ilerlemesi (0 0 1)
klevaj düzlemi boyunca tercihen gerçekleşir. Mika kristallerinin hacmi ve şekli cam seramiklerin işlenebiliriği üzerine en önemli etkiye sahiptir. Lahana yapılı mika kristal agregaları özel cam kompozisyonları ile elde edilebilir ve mika agregalarının eğilme yarıçapı ısıtma oranı ile hassas bir şekilde bağlantılıdır. Flogopit yapılı cam seramiklerin işlenebilirliği mika tabakası içeren cam seramiklere oranla 4 yada 5 kat daha iyidir. Sıcak pres tekniği ile malzemeye dönük eğilme mukavemeti ve kırılma tokluğu değerleri sırasıyla 380 ve 2.8 MPa.m1/2 ‘ye kadar geliştirilebilir. Kristal hizalanma, mekanik işlenebilirliği yaklaşık %50 azaltır [76].
Şekil 3.14. Flogopityapısı [77]
3.6.4. Cam-seramik kaplamalar
Cam-seramik malzemelerin kaplama olarak kullanım amacı; ısıl ortamda aşınma, korozyon, oksidasyon ve termal bozulmayı önlemek için kullanılan çok yönlü yeni bir malzemedir [78]. Bu özellikler cam-seramik malzemelerin kaplama malzemesi olarak farklı tür kaplama malzemelerinin yerine kullanılmasında sağladığı fizikokimyasal avantajlar Tablo 3.4’ de verilmiştir. Bu avantajlardan dolayı cam-seramik kaplamalar çeşitli uygulama alanlarına sahip olmakla beraber bazı uygulama alanları Şekil 3.15’de verilmektedir.
Cam-seramik materyaller yüksek sıcaklıklarda, kimyasal olarak inert ve kararlı olduklarından, bunlar yoğun bir şekilde katı oksit yakıt hücrelerinde (SOFC) conta olarak kullanılır; bunun yanı sıra oksidasyon, korozyon ve aşınma direnci sağlamak
amacı ile çeliklere, Ni bazlı alaşımlara, magnezyum alaşımları, titanyum alaşımı ve TiAl intermetalik bileşiklere kaplama olarak uygulanırlar [79].
Tablo 3.4. Farklı kaplama malzemelerin fiziko-kimyasal özellikleri [78]
Özellikler Cam-seramik kaplama Paslanmaz çelik Plastik Eloksallı alüminyum Fırın boya
Renk performansı Çok iyi Zayıf İyi Zayıf İyi
Temizlik Mükemmel Çok iyi Orta Orta Orta
Isı ve ışık direnci Mükemmel Mükemmel Zayıf İyi Orta Korozyon direnci Çok iyi Çok iyi Çok iyi İyi Zayıf Çizilme ve aşınma direnci Mükemmel Çok iyi Zayıf Zayıf Zayıf Kırılma ve çentme direnci İyi Çok iyi Zayıf İyi Orta
Hijyenlik Çok iyi Orta Orta İyi Zayıf
Cam-seramik kaplamalar, termal bariyer yöntemi ve plazma sprey ile üretilebildiği gibi sol-jel yöntemi ve elektoforetik biriktirme yöntemi kullanılarak da üretilebilir. Özellikle sol-jel yöntemi biyoaktif cam-seramik kaplama üretiminde avantaj sağlamaktadır. Bu yöntem ile kaplanan poroz implantlarda iç yüzeyin kaplanmasının sağlaması ile beraber belirli bir yüzey alanı artışı sergileyen mezoporoz yapı oluşturulabilir [80-83].
Şekil 3.15. Cam-seramik kaplamaların kullanım alanları [78]
Cam-seramik Kaplamalar Termal Güç Santralleri Petro-kimya Otomobiller Metalurjik Sanayi Havacılık Mühendisliği Gıda ve kimyasal süreç ekipmanları Endüstiryel kalıp ve kasnaklar Tekstil ve sentetik iplik yollukları
BÖLÜM 4. CaO-Al
2O
3-SiO
2(CAS) CAM- SERAMİKLER
CaO-Al2O3-SiO2 cam-seramik sistemi içerisinde CaO.SiO2 fazını bulundurduğu için diğer camlardan farklılık gösterir. CaO.SiO2 fazı düşük genleşme katsayısına sahiptir ve bu özelliği yönüyle heterojen bir sistemdir [2].