Titanyum diborür ve grafen nano plaka takviyeli silisyum karbür seramiklerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Silisyum karbür seramikleri, mükemmel yüksek sıcaklık dayanımına, iyi oksidasyon ve termal şok direncine, yüksek sertlik, aşınma direnci ve düşük özgül ağırlığa sahiptir. Zorlu ortamlarda yüksek sıcaklık, sürünme direnci ve mükemmel aşınma özellikleri elde etmek için yüksek yoğunluklu, SiC seramiklerin geliştirilmesi gerekir. Silisyum karbür (SiC), diğer oksit olmayan seramiklerin çoğu gibi, katkısız yoğunlaştırılması son derece zor bir malzemedir. Bununla birlikte güçlü kovalent bağ karakteri ve yüksek ergime sıcaklığı nedeniyle, SiC'nin sinterleme katkı maddeleri ve dış basınç olmadan yoğunlaştırılmasının zor olduğu kanıtlanmıştır. SiC seramikleri monolitik olarak genellikle basınçsız sinterleme, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme teknikleriyle sinterlenseler de, uygulanan yüksek sıcaklık sebebiyle tane büyümesi meydana gelmekte ve SiC esaslı seramiklerin mekanik özellikleri bozulmaktadır. Bu nedenle son yıllarda tane büyümesine neden olmaksızın yüksek ısıtma hızları ile kısa sürede yüksek sıcaklıklara ulaşma imkanı sağlayan Spark Plazma Sinterleme (SPS) yöntemi bu tür kovalent bağlı ve zor sinterlenen seramiklerin yoğunlaştırılmasında alternatif bir yöntem olarak denenmektedir. Titanyum diborür (TiB2) yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik, aşınma direnci, iyi kimyasal stabilite, yüksek termal şok direnci, düşük özgül ağırlık, yüksek kırılma tokluğu ve elektriksel iletkenlik özellikleri gösterir. Bu özellikleri ile TiB2 kesici takımlardan, zırh malzemelerine ve elektrod uygulamalrından, nükleer kontrol çubuklarına kadar yaygın bir kullanım alanına sahiptir. TiB2, SiC'e benzer şekilde kovalent bağ karakteri sebebiyle, sinterlemede yüksek sıcaklık ve basınç uygulamalarını gerektirir. Ancak bir çok karbür esaslı seramik malzeme ile ötektik oluşturduğundan yanlız başına yüksek sinterleme sıcaklığı gerektirirken, diğer bazı karbürlerle daha düşük sıcaklıklarda yüksek yoğunluklar elde edilebilmesi açısından katkı malzemesi olarak tercih edilir. TiB2, SiC gibi bir çok seramik malzemenin sinterlenme sıcaklığını düşürürken, söz konusu yapıların sertlik ve kırılma tokluğunun yükselmesinde önemli bir etki sağlar. Son yıllarda önemli bir gelişme olarak, seramik malzemelerde mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla grafen nano partikül (GNP) gibi nano boyutlu karbon yapıları ilave katkı malzemeleri olarak tercih edilir. Bu çalışmada SiC'nin sinterlenebilirliğinin ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla SiC ana fazının içerisine TiB2 ve grafen nano plaka (GNP) ilave edilerek, SiC-TiB2 ikili ve SiC-TiB2-GNP üçlü kompozitleri üretilmiş ve bu kompozitlerin bazı fiziksel, mekanik, faz ve mikroyapısal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında SPS sistemi kullanılarak üretilen 50 mm çapında 4 mm kalınlığında üretilen kompozitlerin rölatif yoğunluk, Vickers mikrosertlik ve kırılma tokluğu değerleri ölçülmüş, faz ve mikroyapı analizleri yapılmıştır. Üretim aşamasında öncelikle hacimce %10, 20, 30 TiB2 katkısı ile hazırlanan SiC matrisli tozlar bilyalı değirmende 24 saat boyunca öğütülmüş ve etüvde 24 saat bekleme süresi ile kurutulmuştur. SiC kompozitlerinin üretimi spark plazma sinterleme yöntemi kullanılarak 50 MPa basınç altında 5 dakika sinterleme süresiyle gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların başlangıcında %10 TiB2 katkılı kompozit üretimi için SPS sıcaklığı 1700 °C olarak gerçekleştirilmesine rağmen, elde edilen yoğunluk değerlerinin arttırılabilmesi için, SPS sıcaklığı 1750 °C'a yükseltilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında sinterlenen SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin rölatif yoğunluk değerlerinin TiB2 oranının %10'dan %30'a yükselmesiyle %92,49'dan % 97,42'ye yükseldiği belirlenmiştir. İlave edilen TiB2 miktarı artışının yoğunluk değerini arttırdığı belirlenmiştir. SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin sertlik değerlerinin 17,09-24,13 GPa arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen TiB2 miktarı ile artan rölatif yoğunluk sebebiyle sertlik değerinin arttığıda görülmüş ve en yüksek sertlik değerine (24,13 GPa) %30 TiB2 ilavesinde ulaşılmıştır. SiC- TiB2 ikili kompozitlerinin kırılma tokluğu değerleri incelendiğinde en yüksek rölatif yoğunluk değeri elde edilen % 30 TiB2 katkılı numunede kırılma tokluğunun 3,79 MPa•"m" ^"1/2" olduğu belirlenmiştir. SiC- % TiB2-GNP üçlü kompozitleri, SiC'e TiB2 ilavesiye en yüksek yoğunluğun elde edildiği hacimce % 30 oranına % 0.5, 1, 2 ve 3 oranında GNP katılarak hazırlanan tozların 1750ºC'da 40MPa basınçta 5 dakika sinterlenmesi ile üretilmiştir. SiC-%30 TiB2-GNP kompozitlerinde yoğunluk değerlerinin %95,36-96,85 arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen GNP miktarı ile yoğunluk değerlerinde önemli bir değişim gözlemlenmemiştir. SiC-TiB2-GNP üçlü kompozitlerinin sertlik değerlerinin 18,40-22,59 GPa arasında değiştiği belirlenmiştir. Kompozitte artan GNP miktarı ile sertlik değerlerinde düşüş kaydedilmiştir. En düşük sertlik değerine (18,40 GPa) %2 GNP ilavesinde, en yüksek sertlik değerine (22,59 GPa) %1 GNP ilavesinde ulaşılmıştır. SiC- TiB2-GNP üçlü kompozitlerinin kırılma tokluğu değerlerinin 4,35-4,64 MPa•"m" ^"1/2" arasında değiştiği belirlenmiştir. İlave edilen GNP miktarı ile kırılma tokluğu değerlerinde önemli bir değişim gözlemlenmemiştir. En yüksek kırılma tokluğu değerine (4,64 MPa•"m" ^"1/2" ) %2 GNP ilavesinde ulaşıldığı belirlenmiştir. Ölçülen kırılma tokluğu değerlerinin yorumlanması ve mikroyapı içerisinde TiB2 ve GNP ilavelerinin nasıl dağıldığını görmek amacıyla üretilen kompozitlerin kırık ve parlak yüzey görüntüleri alan taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir.