bölüm 3 - Erzurum Teknik Üniversitesi

BÖLÜM3
Kompozitler-Polimerler-Seramikler-Nanomalzemeler
Kompozitler
İki veya daha fazla malzeme grubuna ait malzemelerin bir araya getirilerek daha
üstün özellikli malzeme oluşturulmasıdır. Cam takviyeli plastikler, beton, araba lastiği
gibi örnekler verilebilir. Kompozit malzemeler matris ve takviye olmak üzere iki
bileşenden oluşur.
matris: α (Mo) (sünek)
2 µm
woven
fibers
0.5 mm
cross
fiber: γ ’ (Ni3Al) (kırılgan)
section
view
0.5 mm
KompozitMalzemelerinÖzellikleri
• 
Hafiflik: Polimer kompozitler genelde 1,5 – 2 gr / cm3 yoğunluğundadır.
Metal kompozitler, 2,5 – 4,5 gr / cm3 olmakla beraber özellerde sıçrama
görülebilir. Seramik kompozitler ise ikisi arasındadır.
• 
Rijitlik ve Boyut Kararsızlığı: Genleşme katsayıları nispeten düşük olup
sert, sağlam bir yapı ve büyük bir boyut kararlılığı gösterir.
• 
Yüksek Mekanik Özellikler: Çekme, basma, darbe, yorulma dayanımları
çok yüksektir.
• 
Yüksek Kimyasal Direnç: Kompozitler birçok kimyasal maddelere, bu arada
asitler, alkaliler, çözücüler ve açık hava şartlarına karşı son derece direnç
gösterirler. Kimya tesisleri için çok kullanılan malzemelerdir.
• 
Yüksek Isı Dayanımı: Kompozitlerin ısı dayanımı sıradan plastiklere göre
yüksektir.
• 
Elektriksel Özellikler: Elektriksel özellikler kompozitlerde isteğe göre
ayarlanabilir. Metal Matrisli Birleşik Malzemeler (MMC)'ler iletkendir.
• Matris:
- Sınıflandırma:
MMC, CMC, PMC
metal
seramik polimer
• Takviye:
-- Amaç: matris özelliklerini iyileştirmek.
-- Sınıflandırma: partikül, fiber, yapısal
Genelde kompozit
malzemeler dayanımlarını
sert ve nispeten gevrek
olan takviye bileşeninden
alırken matris bileşeni
takviye elemanlarını bir
arada tutmaya
yaramaktadır.
Parçacık takviyeli kompozitler
• Örnekler:
- Küresel
çelik
matris:
ferrit (α)
(sünek)
60 µm
- Otomobil
lastiği
matris:
kauçuk
(yumuşak)
takviye:
sementit
(Fe3 C)
(kırılgan)
takviye:
C
(rijitleyici)
0.75 µm
Adapted from Fig.
10.19, Callister 7e.
(Fig. 10.19 is
copyright United
States Steel
Corporation, 1971.)
Adapted from Fig.
16.5, Callister 7e.
(Fig. 16.5 is courtesy
Goodyear Tire and
Rubber Company.)
Elyaf takviyeli kompozitler
• 
Karbon elyaf (karbon fiber):
–  Ana bileşimleri karbonlaşmış akrilik elyaf (orlon), katran ve
naylondur.
–  Malzemeye mukavemet sağlar.
–  Örnek: Fiber-cam
•  Bir polimer matris içerisinde sürekli cam filament vardır.
•  Fiberler nedeniyle mukavemet artar.
•  Çok kristalli ya da amorf yapıda olabilir.
Kompozit üretimi
•  Pultruzyon
Pultruzyon metodu, profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır.
TermosetreçineileıslaAlmış,fiberveyadokunmuşgüçlendirmeelemanının
önşekillendirmesonrasıısıtmalıbirkalıptangeçirilmesiilerijitprofilüreHm
işlemidir. Proses malzeme akışının profilin çekilmesi yoluyla
gerçekleşHrildiğisüreklibirüreHmmetodudur.
Ön kalıp
Fiber
Makaralar
Reçineleme
tankı
Kürleme
kalıbı
Çekiciler
•  Lifsarma
–  Örnek:Basınçlıtanklar
–  Liflermakaraüzerinesüreklisarılır
Sandviç paneller
-- düşük yoğunluk, bal peteği iç yapı
-- faydası: düşük ağırlık, büyük eğilme rijitliği
Üst plak
Yapıştırıcı tabaka
Bal peteği
Polimerler
Polimerler
Etilen monomer (CH2) molekülünde basınç, ısı veya katalizör yardımıyla çift
bağın bir tanesi parçalanır ve mer oluşur. Mer’lerin birbirine eklenmesi
suretiyle oluşan ürüne polimer denir. Bu tür reaksiyonlarda en önemli nokta
mer’lerin aynı tür moleküle sahip olmalarıdır. Bu tür reaksiyonlarda
herhangi bir yan ürün çıkmaz. Çoğu polimer hidrokarbondur (CnH2n+2).
Polymer
çoktekrar(doymamışmolekül)
Tekrarlanan
birim
H H H H H H
C C C C C C
H H H H H H
H H H H H H
C C C C C C
H Cl H Cl H Cl
Polyethylene (PE)
Polyvinyl chloride (PVC)
H
C
H
H H
C C
CH3 H
H H
C C
CH3 H
H
C
CH3
Polypropylene (PP)
Doğalpolimerler:
¨ 
¨ 
¨ 
karbonhidratlar (nişasta ve selüloz)
proteinler
nükleit asitler (DNA ve RNA)
PolieHlen(PlasHk):SenteHkpolimer Polimerler yapısal olarak;
1. Camsı (amorf)
2. Kristal yapıda nadiren görülür. Özellikle molekülün karmaşıklığı ve
soğuma hızı arttığında kristal yapı oluşumu engellenir.
3. Camsı kristal
Kristalin bölge
Terg
Hızlı
Orta
Yavaş
Süre
Tek kristal
Kristal
amorf
Amorf bölge
Polimer Türleri
Termoplastikler
• 
Isı etkisiyle yumuşayabilirler.
• 
Polimerizasyon reaksiyonu ile imal edilirler.
• 
Camlaşma sıcaklığının altında çok gevrek davranırlar.
• 
Sürtünme katsayıları düşüktür.
• 
Pres enjeksiyon ve haddeleme gibi imalat yöntemlerine uygundur.
Termoset plastikler
• 
Isı etkisiyle yanarak kömürleşir, dolayısıyla yeniden
şekillendirilemezler.
• 
Camlaşma sıcaklığının altında ve üstünde gevrekleşirler.
• 
Daha çok kompozit üretiminde kullanılırlar.
• 
Epoksi, polyester ve bakalit gibi…
Elastomerler
• 
Çok yüksek elastikiyet gösterirler.
• 
Lastik içinde vulkanizasyon yardımıyla molekül zincirleri arasında
çapraz bağ oluşturulur ve lastiğin dayanımı artırılır.
• 
Doğal kauçuk, lateks ve silikon lastik gibi.
Demir içermeyen alaşımlarda görülen tipik bir
gerilme(σ )-şekil değiştirme( ) eğrisi:
ε
(Gerilme)
Δl
(Gerinim/Şekil Değiştirme)
Mühendislik Gerilmesi : σ
= F/A
Mühendislik Gerinimi : ε
= Δl/L
MekanikÖzellikler
σ: Stress=Gerilme
Gevrek kırılma
Gevrek polimer
Kalıcı hasar
(Gerilme)
plastic
elastomer
elastik modul
– metalden düşük
(
ε - Gerinim/Şekil Değiştirme)
Platiklerde şekil değiştirme > 1000% olabilir.
Not: Metaller için, maksimum şekil değiştirme: 10% ya da daha azdır.
ThermoplasHğinSıcaklıkileŞekilDeğişHrmesi
σ(MPa)
80
4°C
60
polimer: PMMA
(Plexiglas)
20°C
40
40°C
20
0
60°C
0
0.1
0.2
ε
0.3
Çelik ve alüminyumun elastik davranışlarının karşılaştırılması
Alüminyum çelikten daha
elastik olduğundan, belirli
bir gerilme (stress) altında
alüminyum üç kat daha
fazla deforme (strain) olur.
Elastisite Modülü (E)
Elastik bölgedeki gerilme-gerinim
eğrisinin eğimidir.
E = Δσ /Δ ε
Bu ilişki Hooke kanunu
olarak ifade edilir;
Ø  Yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemeler, yüksek elastisite modülüne
sahiptirler.
Ø  Malzemenin rijitlik ölçüsüdür. Yüksek E değerine sahip malzeme elastik
yükleme altında boyut ve şeklini korur.
Örnek Bir Süspansiyon Çubuğunun Tasarımı:
Bir alüminyum çubuk 45000 pound yüke dayanır. Yeterli güvenlik
sağlanması için çubuk üzerine bindirilmesi gerekli yük 25000 psi’dır.
Çubuk en az 150 in. uzunluğunda ancak 0.25 in’den fazla deforme
olmaması gerekir. Uygun çubuğu tasarlayınız.
Enjeksiyon
–  TermoplasHk&bazıtermosetler:BuHpplasHklerinüreHmi
içinpolimer,odanın(chamber)içindeeriHlirveeriHlen
polimerbasınçilebirkalıbın(mold)içindepreslenir.
Kalıp
Püskürtücü
Besleme hunisi
Mengene
(Şahmerdan)
Kaynak: Callister 7e. (Fig. 15.24 is from F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of Polymer Science, 2nd edition,
John Wiley & Sons, 1971. )
Plas.kEkstrüzyon
–  Dönenvida(screw)veısıAcılaryardımıylaeriHlenpolimer,
preslenirvebirkalıpiçinesıkışArılır.Çokyaygınkullanılan
birmetotdur.
Topak
Varil
(Silindir)
Erimiş plastik
Kaynak: Callister 7e. (Fig. 15.25 is from Encyclopædia Britannica, 1997.)
Üfleme
İleriPolimerler
•  Ultrayüksekmolekülağırlıklı
polyetilen(UHMWPE):
–  Molekülerağırlık:4x106g/mol
–  Mükemmelözellikler
•  Golftopudışı,kalçaprotezi,vb.
UHMWPE
ÖzetOlarakPolimerler;
1.  Ametallerden(C,H,O,N,S,Cl,Fvb.)oluşankovalentbağlı
malzemelerdir.
2.  Monomerolarakadlandırılanmoleküllerbirbirinekovalent
bağlarlaeklenerekçokbüyükmolekülleredönüşürvepolimer
adınıalır.
3.  Polimerlerısıyakarşıolandavranışlarınagöretermoplas.k(PE
vePVCgibi)vetermoset(epoksi,bakalitvb)olarakgruplanır.
4.  KSenfazla4olabilir.Bunedenlepolimerlerinhacimselatom
yoğunluğuveözgülağırlığıdüşüktür(<2g/cm3).
5.  Isıveelektriğiiletmezler.
6.  Safhaldesaydamolurlarveenkötüyansı_cılardır.
Seramikler
SeramiklerinÖzellikleri
1.  Yüksek erime sıcaklığına sahiptirler.
2.  Yüksek kimyasal ve ısıl kararlılık sergilerler.
3.  Çok sert ve kırılgan malzemelerdir.
4.  Özgül ağırlıkları metaller ile plastikler arasındadır (2-3 g/cm3).
5.  Hammadde kaynağı bol ve metallere göre ucuzdur.
6.  Sürtünme katsayıları düşük olduğu için erozyon ve aşınmaya karşı
dayanıklıdırlar. Aksine aşındırıcı olarak kullanılırlar (Al2O3 ve TiC
gibi).
7.  KS genellikle 6 veya 4 olur.
8. Oksitlenmeye karşı dirençlidirler.
9. Yüksek basma dayanımına sahiptirler.
10. Doğada çoğunlukla kristalli veya kısmen amorf yapıda bulunurlar
11. Metal (Na, Mg, Fe, Al vb.) ve ametallerin (Cl, O, vb.) oluşturduğu
iyonik bileşiklerdir (MgO, FeO, SiC, CaF2, SiO2).
12. Elektrik ve ısı iletimi çok düşüktür.
CaF2
SiC
ü  Seramik insanların kullandığı en eski gereçlerden biridir. Yüzyıllar
boyunca, özellikle kap-kacak yapımında seramiğin yukarıda sayılan
üstün niteliklerinden yararlanılmıştır.
ü  Bugün seramiğin ısıl sanayi seramikleri, yapısal seramikler ve
ince seramikler gibi çeşitleri de bulunmaktadır. Tüm bur türlerde;
ana madde mineral kökenlidir ve toz halinde işlenir, eşyaya son
şeklini vermek için sıkıştırma ve pişirme gibi iki aşamalı bir işlem
uygulanır.
SeramiklerinMekanikÖzellikleri
1.  Gevrek kırılma:
§  Seramikler sahip oldukları bağ yapıları (kovalent-iyonik) nedeniyle kolay
şekillendirilemezler, gevrek davranış gösterirler. Üretim esnasında oluşan boşluk
ve düzensizliklerden dolayı basma dayanımları çekmeden iyidir.
§  Seramik türü malzemeler çok sert olduklarından çekme testi uygulamak zordur.
Çünkü çeneler sert malzemeleri tutamaz. Bu nedenle üç noktadan eğme testi
uygulanır.
kesit
L/2
d
b
F
L/2
R
Dikd. daire
d = sehim
2. Statik yorulma:
Özellikle sıvı ortamda ve oda sıcaklığında görülür. Su molekülü ile Si-O-Si
molekülü etkileşerek Si-O-H bağları oluşturmakta ve camın ağ yapısına zarar
vermektedir.
3. Isıl şok:
Seramikler ısıyı iletmezler. Isıl genleşme farklılıkları kırılmalara sebep olur.
Seramiklerin Optik Özellikleri
1.  Kırılma indisi
Kırılma indisi büyüdükçe seramik camlar daha parlak görülür.
2. Yansıma özelliği
Seramik cama eğik gelen ışınların hepsi kırılmaz, bazıları geri yansır. Burada geliş ve
yansıma açıları eşittir.
3.  Saydamlık
Seramiğin bulundurduğu poroziteler tamamen yok edildiğinde şeffaflık ortaya çıkar.
4. Opaklık
Şeffaflığın tersidir. Seramik içerisinde gözenek bulunduğu durumlarda çoklu yansıma olur.
5.  Renk
Cam içinde bazı dalga boyundaki ışınlar soğurulabilir. Bu nedenle cam renkli görülebilir.
Seramik Uygulamaları
Petrol çıkarmak için
seramik uç
Seramik Bıçaklar
Ca 2+
Sensör
Uygulamaları
Seramiklerin Elektronikte Uygulama Alanları
Soru: Hangisinin Elastisite Modülü [sertliği (stiffness)] en yüksektir?
NanoMalzemeler
Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir ve “küçük yaşlı adam
veya cüce” demektir. Günümüzde nano, teknik bir ölçü birimi olarak
kullanılır.
1nm = 10 Å =10-9 m
1nm = 1/80.000 insan saçı = Bir hidrojen atomu çapının 10 katı
1-100 nanometre boyutlarındaki boyutlar
n 
n 
n 
n 
Birinci Endüstri Devrimi, (1780–1840)
İngiltere’de Gerçekleşti
Buhar Makineleri, Tekstil Endüstrisi, Makine Mühendisliği
İkinci Endüstri Devrimi, (1840–1900)
İngiltere, Fransa ve Almanya’da gerçekleşti
Demiryolu Çelik Endüstrisi
Üçüncü Endüstri Devrimi (1900–1950)
ABD’de gerçekleşti
Elektrik Makineleri, Otomobil, Dayanıklı Tüketim Malzemeleri
Transistörün keşfi ile elektronikte devrim
Dördüncü Endüstri Devrimi (1950–Günümüz)
Pasifik Bölgesinde Kaliforniya ve Japonya’da gerçekleşti
İşlemci/Çip teknolojisi (Bilgisayar, tüketici elektroniği…)
Ürün için bütün bir parçadan
işe başlama
Daha fazla kaynak kullanımı
Daha fazla çevre kirliliği
Beşinci Endüstri Devrimi
(2010 – ???)
Nanoteknoloji-Moleküler Üretim
Tabandan Ürüne Varma
60'lar-Feynman: Malzeme ve cihazların moleküler boyutlarda üretilebileceği
konusunda yaptığı varsayımlar.
80'ler-Uygun mikroskopların geliştirilmesi: 1981 yılında IBM tarafından yeni bir
mikroskop türü “Scanning Tunneling Microspcope" (STM) geliştirildi.
- Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM)
- Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)
90’lar Fullerene-Karbon Nanotüpler: 1990'ların başında Rice Üniversitesinde
Richard Smalley öncülüğündeki araştırmacılar, 60 karbon atomunun simetrik
şekilde sıralanmasıyla elde edilen futbol topu biçimindeki "fullerene" molekülleri
geliştirdiler. Elde edilen molekül 1 nanometre büyüklüğünde ve çelikten daha
kuvvetli, plastikten daha hafif, elektrik ve ısıyı geçirgen bir yapıya sahipti.
2000’ler yarış başlıyor: 1999 yılında ABD'de Bill Clinton hükümeti nanoteknoloji
alanında yürütülen araştırma, geliştirme ve ticarileştirme faaliyetlerinin hızını
artırma amacını taşıyan ilk resmi hükümet yazılımını, ulusal nanoteknoloji
adımını (National Nanotechnology Initiative) başlattı.
n 
n 
n 
Başka moleküller ile yüzey kaplanarak yeni bir kimyasal aktivite
kazanımı elde etmek (kir tutmayan yüzeyler, nanoboyalar vb.)
Nano boyutta değişen fiziksel özellikler ve yeni kullanım alanları.
Nano boyutta değişen optik özellikler ve kullanım alanları
Malzeme ve İmalat Sektörü
Nano Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri
Tıp ve Sağlık Sektörü
Havacılık ve Uzay Araştırmaları
Çevre ve Enerji
Biyoteknoloji ve Tarım
Savunma Sektörü
ENERJİ
Hidrokarbon esaslı yenilenemez enerji kaynaklarına bağımlılığın azaltılması.
Yeni teknolojiler, yenilenebilir enerji üretimi ve depolanması kritik
araştırma ve geliştirme konularıdır.
NANO: Biyolojiden ilham alımı ile hafif, verimli güneş enerjisi kollektörleri;
esnek hafif görüntüleme ekranları; enerji verimli nanokompozitten imal
araçlar, yakıt hücreleri, etkin kaynak kullanımı ile yapı malzemeleri, hafif
paketleme......
SU
Su kaynaklarının idareli kullanımı. Küresel ısınma ile içilebilir su petrolden
daha fazla önem kazanacak.
NANO: Kendi kendine kalibre olabilen sensörler: Yüksek hızda analitik su
kalitesi ölçümü. Membran kullanımında Nano esaslı filtreleme ve
saflaştırma teknikleri. Kirlenmeyen giysiler. Daha az su tüketimi ile imalat
ve gıda üretimi.
ÇEVRE
Çevre gözetleme. Çevre kirlenmesinin hızı ve seviyesi ile ilgili bilgi toplama.
NANO: Kendi kendine kalibre olabilen ucuz hava ve su için organik ve
inorganik kimyasal kirlilik sensörleri. Araçlardan, Uçak motorlarından ve
güç istasyonlarından zararlı atıkları bloke edebilen katalizörler.
TÜKETİMDEKİ
KAYIPLAR
Su dahil enerji ve kaynakların etkin kullanımı için kayıpların azaltılması
NANO: Tekrardan kullanılabilir daha az kaynak tüketimi ile etkin paketleme ve paket
takip tanımlama ve takip sistemi. Atık yiyecekte azaltma . Az veya çok nano
kaynaklı ürünler daha az enerji ve materyal gerektirir.
GIDA
Gelişmiş ülkelerde 1/3 oranına kadar üretilen gıda maddeleri çöpe
gitmektedir (Örnek: UK). Değerlendirilmeyen gıda için harcanan enerji havadeniz-kara ulaşımı ile çevre kirliliğine sebep olmaktadır.
NANO:Atığı az, fonksiyonelliği fazla paketleme (böcek ilaçlarını detekte
edebilir, bozulmayı tanımlayabilir, gıdanın orijini veya kökeni hakkında bilgi
pakette). Nanopartikül gümüş ile antibakteriyel paketleme ve gıda hazırlama.
Hayvanlara Yardım (Hayvan Hakları)
NANO: Gelişmiş bilgisayar tabanlı canlı organizma içinde nano partiküllerin
davranışının modellenmesi ile hayvanlar üzerinde test ortadan kalkacaktır.
Yeni ilaç ve nano partiküllerin hücre tabanlı testinde hastanın kendi hücreleri
kullanılarak kişiye özel ilaç geliştirme.
ZİRAAT
Azalan gıda ve su kaynakları kalan ziraat alanlar üzerinde baskı
oluşturmaktadır. Sonuç “Kirlilikte artış”
NANO:Toprak kalite gözetleme için nano sensörler
SAĞLIK:
Artan sağlık hizmetleri, çoğu ülkenin ekonomisinde tolere edilemez kaynak
problemlerine sebep olmaktadır.
NANO: Uzaktan algılama ile sağlık takibi.
Gen kaynaklı hastalıkların hızlı analizi ve Gen tabanlı tedavinin gelişmesi.
Nano tabanlı görüntüleme erken tanımlama için ilacın doğrudan hedef noktaya
ulaştırılması.
Elektronik devre vasıtası ile ihtiyaç duyulduğunda ihtiyaç duyulan miktarda
ilacın/hormonun verilmesi.
Retina implantı
Medikal tekstil; sağlık durumunu gözetleyebilir ve bilgi transfer edebilir.
Nano malzemeden hücre çoğalmasına yardımcı olacak bandaj.
Antibakteriyel tekstil ile enfeksiyonların azaltılması.
Yaşlı ve güçsüzler için düşünce veya konuşma ile aktive edilebilen Nano-Esaslı
teknoloji
Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6
kat daha hafif yapılar.
Geçiş elementleri (Pt, Pd, Ti, V,...) ile
işlevleştirilen nanotüpler ve moleküllere çok
yüksek kapasitede hidrojen depolanabileceği
gösterilmiştir.
Sensörler, kaplamalar, kozmetik,
ilaç ve görüntü kayıt plakaları
Su ve Kir Tutmayan Yüzeyler
Çizilmeye karşı etkili ve parlak boya
Su itici, kir tutmayan, kolay temizlenen ayna ve camlar
Nanofiltreli klima
Yosun ve deniz hayvanlarının tutunamadığı
boyalar ve yüzeyler
Bilginin optik olarak nanofotonik kristaller
aracılığıyla taşınması sağlanarak,
bilgisayarların yüzlerce kat daha hızlı
çalışması sağlanabilmesi.
Kuantum Bilgisayarlar