Savunma sanayii uygulamalarına yönelik grafen takviyeli bor karbür yapıların sps yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Yüksek balistik özellikliğe ve yüksek kırılma tokluğuna sahip kompozit yapılar uzay ve havacılık gibi kritik uygulamalarda aday malzemeler olarak ön plana çıkmaktadır. Bu alanlara yönelik olarak yeni kompozit yapıların üretilmesi ve özelliklerinin geliştirilmesine yönelik dünya genelinde çok sayıda araştırmalar yapılmıştır ve günümüzde halen bu çalışmalar devam etmektedir. Proje kapsamında elde edilecek olan yeni bileşimler ve üretilecek olan numuneler ile bu alana önemli bir katkı sağlanacağı düşünülmektedir. Malzemeler üzerine yapılan çalışmaların teknolojik gelişmelere katkısı göz ardı edilemeyecek kadar çok olmuştur. Özellikle endüstride ve teknolojide meydana gelen hızlı bir ilerleme arzusu üstün mekanik özelliklere sahip malzemelere duyulan ihtiyacı her geçen gün artırmaktadır. Bu çerçevede dünya üzerindeki bor rezervlerinin % 75'inin ülkemizde olması ve yeni nesil teknoloji malzemesi olarak ilham verici olması, bor ve bileşiklerini önemli kılmaktadır. Dünya bor rezervinin lideri konumunda bulunan Türkiye bor mineralinin dünyadaki en büyük ihracatçısıdır. Stratejik bir değere sahip olan bor minerali Türkiye için geleceğin savunma sanayisine, yüksek teknoloji projelerine, ekonomik olarak kalkınmaya ışık tuttuğu düşünülmektedir. Bor karbür, yüksek pazar hacmine sahip önemli bir bor uç ürünüdür. İleri teknoloji seramik malzemeler arasında bor karbürün vaz geçilmez bir yeri vardır. Bor karbür düşük yoğunluğu, yüksek sertliği, kimyasallara karşı direnci, yüksek nötron absorblama ve ısıya dayanımı gibi özelliklerinden dolayı bir çok sivil ve askeri uygulama alanında kullanılmaktadır. Sert ve hafif olması, muharebe araçlarında zırh olarak, askeri helikopter ve uçaklarda yakıt tankı çevresinde ve pilot kabininde kullanılmaktadır. Sanayi faaliyetlerinde ve üretiminde çok yaygın olarak kullanılan önemli hammaddelere "stratejik maden veya maddeler "adı verilir. Bugün tüm dünyada savunma sanayii alanında teknolojik gelişmelere bağlı olarak ihtiyaç duyulan zırh sistemleri için en çok talep gören malzemelerin başında bor karbür gelmektedir. Bu nedenle bor karbürün özelliklerinin geliştirilmesi adına birçok çalışmalar yapılmıştır. Bor karbür seramiklerinin sahip oldukları yüksek ergime sıcaklıkları sebebiyle döküm yöntemi ile şekillendirilmleri mümkün değildir. Döküm yöntemi ile şekillendirilemeyen bu tür seramik malzemeler sinterleme işlemi ile şekillendirilirler. Sinterleme ön şekillendirmeye tabi tutulan ve yüksek oranda porozite içeren tozların aktif yüzey alanının küçülmesi, partekül temas noktalarının büyümesi ve gözenek şeklinin değişmesi ve porozite hacminin azalması gibi olayları içeren, ısıl olarak aktive edilmiş bir malzeme taşınım olayıdır. Kısacası aktif yüzey alanının difüzyonla beraber küçültülmesi işlemidir. Sinterleme işleminde ana etmen tane yoğunlaşması ve büyümesidir. B4C'nin sinterlemesi ile ilgili literatürde basınçsız, basınçlı ve spark plazma sinterleme yöntemleri mevcuttur. Spark plazma sinterleme (SPS) göreceli olarak yeni bir sentezleme ve sinterleme sistemidir. Spark plazma sinterleme yönteminde iki elektrot arasına yerleştirilen numune, grafit punch vasıtasıyla sıkıştırılıp, numune üzerinden ark geçirilmesiyle yüksek sıcaklıkta yarı ergiyik halde sinterlenir. Spark plazma sinterleme sistemi yüksek darbeli doğru akım ve düşük voltaj ile çalışır. Sıcak presleme, proses, atmosferik sinterleme, ve sıcak izostatik presleme sistemlerine göre düşük sinterleme sıcaklığı, yüksek sinterleme hızı, sinterleme sırasında tane büyümesinin engellenmesi gibi önemli avantajlara sahiptir. Dolayısıyla kısa sürede yüksek teorik yoğunluğa sahip numne üretimine imkan sağlamaktadır. Bu avantajlarından dolayı bu projede B4C'nin sinterlenmesinde SPS yöntemi kullanılmıştır. Üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri ile grafen, teknoloji ve bilimin bir çok alanında araştırma faliyetlerinde kullanılmaktadır. Üstün termal, elektronik ve mekanik özelliklerinin kombinasyonu temel bilim ve araştırmaları için geniş bir uygulama alanı sunmaktadır. Özellikle kompozit malzemelerde dolgu malzemesi olarak kullanılabilmesi ve benzersiz özellik kombinasyonu imkanı sunması bir çok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Grafen malzemesinin bu üstün özellikleri monolitik seramiklerde ideal bir katkı malzemesi olarak ön görümüştür. Monolitik seramik yapılar yüksek sıcaklık stabilitesi, yüksek mukavemet ve yüksek sertlik gibi fiziksel özellikleriyle yapısal malzeme olarak umut vadediyorken, düşük kırılma tokluğu ve zayıf elektrik iletkenliğine sahiptirler. Bu durumda seramik matrisli kompozit yapıların önemini ortaya çıkarmaktadır. Grafen malzemesinin yüksek mekanik özelllikleri, monolitik seramik yapılar için ideal bir takviye malzemesi yapmaktadır. Tez çalışması kapsamında monolitik bor karbür yapısına hacimce % 0,5, %1, %2, %3 oranlarında grafen takviyesi yapılarak kırılma tokluğu ve sertlik değerlerinin artırılması hedeflenmiştir. Tüm numune üretimleri İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümüne ait 20.000 Amper kapasiteli SPS 7.40 MK VII, SPS Syntex cihazı ile vakum altında 1600oC sıcaklıkta 40 MPa basınç altında 100oC/dk ısıtma hızında 5 dakika boyunca sinterlenerek gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında üretilen numuneler için yoğunluk ölçümü, faz analizi (XRD), raman analizi, mikro yapı incelemesi (SEM), ve mekanik özelliklerin tayin edilmesi (sertlik ve kırılma tokluğu) işlemleri yapılmıştır. Yapılan karakterizasyon işlemleri sonucunda monolitik numune için sertlik ve kırılma tokluğu değerleri sırasıyla 29,66 GPa ve 5,27 MPa‧m1/2 olarak tespit edilmiştir. Grafen ilavesi ile en yüksek sertlik hacimce %2 GNP ilave edilen yapıda 38,44 GPa olarak, en yüksek kırılma tokluğu ise 6,83 MPa‧m1/2 olarak belirlenmiştir. Mevcut çalışmada elde edilen 38,4 GPa lık sertlik değeri, savunma sanayii uygulamalarında kullanılan bor karbür seramikleri üzerine yapılan benzer çalışmalardaki sertlik değerleri ile uyumlu/birbirine yakın olduğu gözlemlenmiştir. Düşük yoğunluk, yüksek sertlik ve yüksek kırılma tokluğu özellikleri ile grafen takviyeli bor karbür yapıların savunma sanayii uygulamalarında kullanılma potansiyelinin olduğu değerlendirilmiştir.