İleri Kompozit Malzemeler - Bursa Teknik Üniversitesi

MMM291 MALZEME
BİLİMİ
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Ofis Saatleri: Perşembe 14:00 – 16:00
ayse.kalemtas@btu.edu.tr, akalemtas@gmail.com
Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi,
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
Malzeme bilimi ve mühendisliği
disiplininin dört temel bileşeni
malzeme tetrahedronunu
oluşturmaktadır.
YAPI
Malzeme bilimi
proses, yapı,
özellikler ve
performans
arasındaki ilişkiyi
inceler.
PROSES
Proses, yapı, özellikler ve
performans birbiri ile
yakından ilişkilidir. Örneğin
malzeme üretim aşamasında
(proses) yapacağınız bir
değişiklik, yapıyı değiştirir.
Yapı değişince özellikler değişir
ve bu durumda da
malzemenin performansı
etkilenir.
ÖZELLİKLER
PERFORMANS
Performans
Malzemenin servis koşullarında istenilen
fonksiyonları yerine getirebilmesidir.
Özellik
Malzemelerin belirli bir etkiye
karşı verdiği cevaptır
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
YAPI
Atom altı seviye
Atomik seviye
(her bir atomun
(malzemedeki
elektronik
atomların
yapısı)
dizilimi)
Mikroskobik yapı
(malzeme
içerisinde
tanelerin düzeni,
mikroskopla
incelenebilir)
Makroskobik
yapı (gözle
görülebilir
yapısal
elementlerdir)
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
YAPI
YAPI (boyut skalası)
Atom altı
Atomik
Mikroskobik
Makroskobik
< 0.2 nm
0.2-10 nm
1-1000 mm
> 1 mm
Elektronlar ve elektronların atomun
çekirdeği ile olan etkileşimi
Atom veya
moleküllerin
organizasyonu.
Manyetik,
elektriksel, ısıl
ve optik
özellikler,
mukavemet ve
rijitlik gibi
özelliklerini
atomik yapı
belirler.
Mikroskop altında
incelenen yapı.
Çıplak göz ile
görülen yapı.
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
YAPI
Kompozisyon, bağlanma, kristal yapı ve mikroyapı malzeme özelliklerini belirler
Örneğin seramik bir malzeme olan alüminyum oksit (Al2O3) malzemenin yapısına
bağlı olarak saydam, yarı saydam veya opak olabilmektedir.
Tek kristal
Çok kristalli yapı ve
düşük gözenek
içeriğine sahip
Çok kristalli yapı ve
yüksek gözenek
içeriğine sahip
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
YAPI
Çok Kristalli Malzeme
Tek Kristal
 Tek kristal malzemelerde mikroyapı olarak
tekrar
eden
atom
düzeninin
kesintiye
uğramaksızın malzeme boyunca devam etmesi
söz konusudr ve bütün birim hücreler aynı
yönde uzanır.
 Tek
kristal
malzemelerdir
malzemeler
anizotropik
 Malzemeler genellikle çok kristalli bir
yapıya sahiptir. Malzemeler rastgele farklı
doğrultularda yönelmiş ve çok sayıda küçük
kristallerden oluşmaktadır.
 Çok
kristalli
malzemelerin
üretim
yöntemine bağlı olarak
izotropik veya
anizotropik
özellik
göstermeleri
söz
konusudur.
 Tek kristal büyütmesi güçtür, ortamın hassas
bir şekilde kontrol edilmesi gerekir
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
Aynı kimyasal kompozisyona sahip
ancak farklı kristal yapıya sahip olan
ve tek tip atomdan oluşan
malzemelere allotrop denir.
Örneğin grafit ve elmas.
Grafit
Grafit tabakalı yapıya sahiptir
Elmas
* Tabakaları arasında zayıf van
der Waals bağları vardır
* Düzlemleri bu nedenle birbiri
üzerinden kolayca kayabilir ve bu
sebeple de yağlayıcı olarak
kullanılabilmektedir
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
Aynı kimyasal
kompozisyona sahip
ancak farklı kristal yapıya
sahip olan ve birden fazla
sayıda atomdan oluşan
malzemelere polimorf
denir. Sıcaklık ve/veya
basınçta meydana gelen
değişime bağlı olarak
polimorfik dönüşümler
meydana gelir.
Polimorfları olan
malzemelere örnekler;
SiO2, BN, BaTiO3, ZrO2
ve BeO.
Silikanın iki polimorfuna ait
kristal yapı (SiO2)
Polimorf
Yoğunluk (g/cm3) Kristal Yapı
Tridymite
Cristobalite
Quartz (Beta)
Quartz (Alpha)
2.28
2.33
2.53
2.65
Hexagonal
Cubic
Hexagonal
Rhombohedral
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
Hekzagonal bor nitrür (BN)
Kübik bor nitrür (BN)
Kübik bor nitrür elmastan sonra en sert ikinci malzemedir.
Hekzagonal bor nitrür de tabakalı yapıya sahiptir. Tabakaları arasında zayıf van
der Waals bağları vardır. Düzlemleri bu nedenle birbiri üzerinden kolayca kayabilir
ve bu sebeple de yağlayıcı olarak kullanılabilmektedir.
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
Malzemenin kristal yapısında atomların dizilişi tüm yapı boyunca
düzenli ise bu tür malzemelere kristalin malzeme denir.
Malzemede atom
malzemeler denir.
dizilişleri
Kristalin katı
düzensiz
ise
bu
tür
yapılara
amorf
Amorf katı
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
(a) Kristalin silika, (b) sıvı veya cam silika ve (c) bir miktar sodyum oksit
içeren cam veya cam benzeri silika yapısını gösteren iki boyutlu şematik
gösterim
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzemelerin Yapısı
Bir malzemenin özellikleri farklı kristallografik
değişiyorsa bu malzeme anizotropiktir.
yönlenmelere
bağlı
olarak
Malzemenin özellikleri tüm yönlerde aynı ise o zaman bu malzeme izotropiktir.
İzotropik
Homojen
Heterojen
Anizotropik
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
Kompozisyon, bağlanma, kristal yapı ve mikroyapı
malzeme özelliklerini belirler
Mekanik özellikler
(mukavemet, tokluk,
sertlik, …)
ÖZELLİKLER
Elektriksel ve
manyetik özellikler
(elektriksel iletkenlik,
…)
Isıl özellikler (ısı
kapasitesi, ısıl
iletkenlik, …)
Kimyasal özellikler
Optik özellikler
(absorpsiyon,
transmisyon, …)
(korozyon direnci, …)
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
Malzeme Tetrahedronu
Malzemelerde yapı, kompozisyon ve özellikler arasındaki ilişkinin
belirlenmesi ile malzeme özelliklerinde çok önemli iyileştirmelerin
yapılması mümkün olmuştur. Özellikle 1900’lü yıllardan sonra
mukavemet/yoğunluk oranında çok ciddi iyileşmeler sağlanmıştır.
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ
SORULAR
Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ