Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeler

Alüminyum alaşımları çok uzun bir süredir MMK malzemelerde en sık kullanılan matris malzemelerindendir. Bunun en önemli nedeni, birçok kullanım alanı için birinci gereklilik olan düşük yoğunluk özelliğidir. Mg ve Ti gibi düşük yoğunluğa sahip alaşımlarla karşılaştırıldığında, maliyeti daha azdır. Aluminyum alaşımlarının yüksek mukavemet, işlenebilirlik, ulaşılabilirlik, süneklik ve korozyon dayanımı gibi özellikleri, AMK malzemelerin otomotiv, uzay/uçak, savunma, elektronik, spor endüstrisi benzeri gelişmiş kullanım alanlarında kullanılmasına imkan vermektedir.
 

Alüminyum matrisli kompozit malzemeler genel olarak otomotiv, uzay/uçak, savunma, elektronik, spor endüstrisi ve nükleer alanda kullanım alanı bulmaktadır.
 

Düşük ağırlıklı malzemeler grubundan olan Al matrisli kompozit malzemeler sahip oldukları gelişmiş özelliklere ve performansa bağlı olarak çeşitli otomotiv parçalarının üretiminde kullanılabilmektedir. Son kırk yıllık süreçte, partikül takviyeli MMK malzemelerin geliştirilmesi için çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle son on yılda Al martisli kompozit malzemelerin, parça üretiminin istenilen teknolojik düzeye ulaşması ile otomotiv endüstrisinde ticari kullanımı mümkün hale gelmiştir.

AMK malzemeler son yıllarda özellikle hafiflikleri, yüksek mukavemetleri, düşük ısıl genleşme katsayıları ve iyi aşınma dirençleri gibi özellikleriyle otomobillerde motor pistonu, silindir gömleği, fren diski/kampanası gibi uygulamalarda kullanım alanı bulmaya başlamıştır. Otomotiv endüstrisinde başta SiC/Al ve Al/Al₂O₃ olmak üzere Al matrisli partikül takviyeli kompozit malzemeler başarıyla üretilmektedir. Al matrisli kompozit malzemelerin otomotiv endüstrisinde kullanımına verilebilecek en göze çarpan örnek, Honda şirketi tarafından 90’ların başında Al motor bloklarını geliştirmesidir.

Önerilen Makale: Çelik sac malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik sac çeşitleri sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Uzay/uçak endüstrisinde kullanılacak malzemelerde istenen en önemli özellik ağırlık kazancı sağlamasıdır. Ayrıca malzemelerin daha yüksek dayanım, mukavemet, yüksek sıcaklık kabiliyeti, hasar toleransı (süneklik, kırılma tokluğu ve yorulma dayancını içerir) ve korozyon dayanımına sahip olması beklenir. AMK malzemeler istenen özellikleri sağlama potansiyeline sahiptirler. Bunlar; uçak yapısal iskeleti, motoru ve uzay uygulamalarında kullanılan malzemeler olarak iki grupta incelenebilirler.

Uçak yapısal iskeleti yapımında, birinci amaç yüksek mukavemete sahip malzemeler geliştirmektir. Geliştirilen malzemeler SiC ve Al₂O₃ fiber takviyeli Al-alaşımları, yüksek mukavemetli Al alaşımları ve SiC partikül takviyeli Al-Li alaşımlarıdır. Al matrisli kompozit malzemelerin uçak endüstrisindeki uygulama alanları, uçak arka dikey kanatları, çeşitli kanat parçaları, kapılar, tekerlekler, hız kesiciler benzeri uçak parçalarıdır. Uçak motorunda istenen özellikler ise, daha uzun kullanma ömrü, yüksek itme gücü-ağırlık oranı, yüksek yakıt etkinliği ve az maliyettir. Al-bazlı MMK malzemeler uçak motorunun çeşitli parçalarının (düşük ve yüksek basınç komproser muhafazası ve pervane diskleri) yapımında da kullanılmaktadır.

Uzay uygulamalarında, dünya yörüngesinde bulunan tipik bir uydu, vakum, termal radyasyon, atomik oksijen, mikrometeorlar ve çeşitli yabancı maddeler gibi istenmeyen durumlarla karşılaşır. İlk başarılı uygulama B/Al kompozitinin kullanımıdır. Bu kompozitin titanyum alaşımından yapılan parça yerine kullanımı ile % 45 oranında ağırlık kazancı sağlanmıştır. Bir diğer uygulama ise, Gr/Al kompozitinin Hubble Uzay Teleskobunda kullanılmasıdır.
 

Savunma endüstrisinde Al matrisli kompozit malzemelerin balistik alanında kullanılması düşünülmektedir. Balistik alanında kullanılan seramik malzemeler yüksek sertlik ve aşınma direnci, yüksek elastik modülü ve yüksek mukavemet, hafiflik gibi özelliklerinden dolayı, kendilerine çarpan mermiyi kırma, aşındırma ve söndürme özelliklerine sahiptir. Fakat düşük toklukları sorun yaratmaktadır. Bu nedenle, seramiklere kıyasla daha yüksek tokluğa sahip olan seramik-metal kompozit malzemelerin alternatif bir malzeme olması düşünülmektedir. Sonuçta, yüksek kırılma tokluğuna sahip, yapısal işlevi de olan, hafif ve çoklu çarpmalara dayanıklı B4C-Al kompozit malzemelerinin kullanılması planlanmaktadır. Güvenli ölçümler sonucunda SiC whisker’li AMK malzemeler gelişmiş askeri tanklarda ayak paleti olarak kullanılmakta ve üretilmektedir. Bu şekilde tankın ağırlığını azaltmada önemli yol katedilmiştir.
 

Metal matrisli kompozit malzemeler, düşük termal genleşme katsayısı, düşük yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik katsayısı gibi özelliklere sahip olduğundan, elektrik parça uygulamalarında tercih edilmektedir. Metal matrisli kompozit malzemelerin elektrik ve termal özellikleri matris malzemesine bağlıdır ve takviye/hacim oranı ile düşmektedir. Mikrodalga ve elektronik devre (package) malzemelerinin maruz kaldığı, 65 ile 125 ^oC arasında termal çevrim yüklemesi, parçaların hasarına sebep olmaktadır. Bu amaçlar için, hacimce % 20 ile 40 arasında SiC_p takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemeler kullanılmaktadır.

Bunun dışında tenis raketleri, kayaklar, bisiklet çatısı (frame), tekerlek jantları ve golf sopası gibi sportif alanda kullanılan malzemelerin üretiminde de aluminyum matrisli kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Tüm bu uygulamalarda düşük ağırlık için yoğunluk ve aynı zamanda mukavemet için elastisite modülü önemli malzeme özellikleridir. Örnek verilecek olursa, grafit/epoksi raketlerle karşılaştırıldığında, %20 SiC partikül takviyeli Al matrisli kompozit raketler, düşük maliyetlerde %25 titreşim azalması ve mukavemet artışı sağlamıştır.

Al matrisli kompozit malzemelerin potansiyel kullanım alanlarından bir diğeri, nükleer korumadır. B₄C takviyeli Al matrisli kompozit malzeme içerisinde bulunan B₄C’ün izotop B10'u doğal yoldan absorblaması, nükleer koruma alanında harcanmış yakıt çubuklarının depolanmasında bu kompozit türünün kullanılmasına imkan sağlamaktadır.