This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
10/23/2016
1
Doç. Dr. Atilla EVCİN Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü
1
Yardımcı Kaynaklar The Science and
Engineering of Materials, 4th ed Donald R. Askeland – Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright
Dersin Müfredatı1 Malzeme Bilimine Giriş2 Atom yapısı, bağları ve özellikleri3 Kristal yapılar ve geometrisi4 Atomik ve İyonik Dizilmeler Düzenlerde Hatalar5 Malzemelerde Atom ve İyon Hareketleri6 Malzemelerin mekanik özellikleri7 Malzemelerin elektriksel ve manyetik özellikleri8 Malzemelerin karakterizasyon teknikleri9 Biyomalzemelere giriş ve biyouyumluluk10 Biyomalzemelerin sınıflandırılması11 Biyomalzemelerin özellikleri12 Metalik biyomalzemeler13 Polimer biyomalzemeler14 Seramik ve doğal biyomalzemeler15 Cam seramikler, Dental porselenler ve Kaplamalar16 Biyomalzemelerin üretimi ve Karakterizasyonu
Malzeme, kendilerinden birşeyler oluşturulan ve yapılan maddelerdir.
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, malzemelerin yapı, özellik ve işlenmeleri arasındaki ilişkiyi inceleyen bilim dalıdır.
Malzeme Bilimi ve Mühendisi ise malzeme biliminin sunduğu yapı ve özellik arasındaki bilgiye dayanarak, arzu edilen özellikte malzemelerin tasarlanması ve imal edilmesi ile ilgilenen mühendistir.
18
Özellik belli bir dış etkiye karşılık olarak, cins ve büyüklük bakımından malzemenin kendine özgü bir biçimde verdiği cevap ve tepkidir.
Yapı, malzemedeki bulunan atom yada iyonların düzenlenmelerinin açıklamasıdır.
Performans malzemenin kullanım sırasında özelliklerinin bir fonksiyonu olarak değişim gösteren bileşenidir.
Proses şekillenmiş ürünler için onların özelliklerini değiştiren yada kullanışlı malzeme haline dönüştürme yöntemleridir.
Proses, yapı, özellik ve performans ilişkisi
Proses Yapı Özellik Performans
Bu dört bileşen arasındaki ilişki açısındanmalzemelerin yapısı, nasıl işlem gördüklerine bağlıiken malzemelerin performansı da özelliklerinin birfonksiyonu olarak değişir.
Malzeme bilimi ve mühendisliği bilim dalını oluşturan dört bileşen ve aralarındaki ilişki
Özellik Mekanik özellikler: Dayanım, gevreklik,
süneklik, tokluk, yorulma, sürünme, vs.
Fiziksel özellikler: iletkenlik, ısıl özellikleri, özgül ağırlık, optik özellikleri (şeffaflık), vs
Kimyasal özellikler : Bileşimi, ortamdan etkilenmesi-korozyon, oksidasyon, vs.
20
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Malzemelerin Sınıflandırılması Metal ve Alaşımlar Seramikler, Camlar ve Cam-Seramikler Polimerler (plastikler),
Termoplastikler ve Termosetler Yarıiletkenler Kompozit Malzemeler
•Katı malzemeler; geleneksel olarak metaller, seramikler ve polimerler olarak üç ana kategoriye ayrılır.
•Bunun yanında, iki ya da daha fazla malzemenin birlikte kullanılması sonucu oluşturulan kompozit (karma) malzemeler de vardır.
•Diğer bir grup ise yarı iletkenler, biyo-malzemeler, akıllı-malzemeler ve nano-mühendislik malzemeleri gibi, ileri teknoloji uygulamalarında kullanılır ve ileri malzemeler olarak adlandırılır.
Metaller Bir veya daha fazla metalik elementten olusur. Örnek: Demir, Bakır, Aluminyum. Metallik element, metalik olmayan elementi
(C, N gibi) bünyesinde barındırabilir. İnorganik olup atomları düzenli bir şekilde yer
aldığı kristal yapıya sahiptir. İyi elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptir. Çoğu oda sıcaklığında dayanımlı ve sünek olup
yüksek sıcaklıklarda bile nispeten dayanımlarını korurlar.
26
27
Metaller
28
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Seramikler Birbirine kimyasal olarak bağlı metalik ve metal
olmayan elementlerden oluşan, organik olmayan malzemelerdir.
Kristal yapıda veya kristal olmayan yapıda veya bunların karışımı olabilir.
Mekanik olarak kırılgandırlar. Yüksek sertlik, yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek
aşınma direnci göstermektedirler. Isıyı az geçirir. Bu bakımdan yüksek sıcaklık sıvı metal ve ısıl islem fırınlarında astar olarak kullanılır.
Örnek- Porselen, cam, silisyum nitrür29
Seramikler• Seramik malzemelerin büyük bir kısmını
oksitler, karbürler ve nitrürler oluşturur.• Alüminyum oksit (alümina, Al2O3), silisyum
dioksit (silika, SiO2), silisyum karbür (SiC),silisyum nitrürün (Si3N4) yanında, kilminerallerinden oluşan (yani porselen) –geleneksel seramikler ve de cam ve çimentoyaygın olarak kullanılan seramik malzemelerolarak sayılabilir.
30
31
Seramikler
32
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• Kompozitler (karma malzemeler); metal, seramik ve polimerlerden iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşan malzemelerdir.
• Kompozit malzeme tasarımında, bir malzemenin tek başına sergileyemeyeceği özelliklere ve de kendisini oluşturan malzemelerin en iyi özelliklerine sahip olan bir malzemenin üretilmesi amaçlanır.
• Küçük boyutlu cam elyafların (fiberlerin) bir polimer (genellikle, epoksi ya da poliester) matris içinde bulunduğu cam-elyaf, yaygın olarak kullanılan kompozitlerden biridir.
Kompozitler
42
Kompozitler Iki veya daha fazla malzemenin karışımı Malzemeler birbiri içinde çözünmez ve
birbirlerinden bir ara yüzeyle ayrılır. Iki tip kompozit malzeme vardır : Lifli, Parçacıklı Anafaz (matris)
Cam lif, beton gibi
43
Teknolojik olarak diğer önemli bir malzeme de, karbon elyafların bir polimer matris içinde bulundukları karbon elyaf takviyeli kompozitler (KETK)’dir.
KETK, bazı uçak ve uzay uygulamalarında, yüksek teknolojili spor ekipmanlarında (örneğin, bisiklet, golf sopası, tenis raketi ve kayak) kullanılmaktadır.
Son zamanlarda, otomobil tamponlarında da kullanılmaya başlanmıştır.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• Yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılan malzemeler bazen ileri malzemeler olarak adlandırılır.
• İleri malzemeler, tipik olarak özellikleri iyileştirilmiş geleneksel malzemeler veya yeni geliştirilmiş yüksek performanslı malzemeler olabilir. Genellikle maliyetleri yüksektir.
• İleri malzemeler, yarı iletkenleri, biyo-malzemeleri ve “geleceğin malzemeleri” olarak adlandırabileceğimiz akıllı malzemeler ile nano-mühendislik malzemelerini kapsamaktadır.
İleri Malzemeler
• Yarı iletken malzemelerin elektriksel özellikleri, elektriksel açıdan iletken metal ve alaşımları ile yalıtkan seramik ve polimer malzemelerin arasındadır.
• Bu malzemelerin elektriksel özellikleri, yapılarında çok düşük konsantrasyonlarda bulunan empürite atomlarının varlığına oldukça duyarlıdır.
• Yarı iletkenler, yaklaşık son otuz yılda, elektronik ve bilgisayar endüstrisinde, (dolayısıyla günlük hayatımızda), devrime yol açan entegre devrelerin gelişmesini sağlamıştır.
Yarı İletkenler
47
Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması
Uzay Biyomedikal Elektronik Malzemeler Enerji Teknolojisi ve Çevresel Teknolojiler Magnetik Malzemeler Fotonik yada Optik Malzemeler Akıllı Malzemeler Yapısal Malzemeler
• Biyomalzemeler, vücudun hastalanmışveya hasarlı kısımlarının yerinegeçmek üzere insan vücudunayerleştirilen parçalarda kullanılır. Bumalzemelerin zehirli maddeüretmemesi ve vücut dokusu ileuyumlu olması gerekir.
• Buraya kadar bahsedilen bütünmalzemeler, yani metal, seramik,polimer, kompozit ve yarı iletkenlerbiyomalzemeler olarak kullanılabilir.
Biyomalzemeler
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• Akıllı malzemeler, birçok teknoloji üzerinde önemli etkileri bulunan en yeni malzeme grubudur.
• Akıllı nitelemesi bu malzemelerin, yaşayan organizmalarda görüldüğü gibi, bulundukları ortamda meydana gelen değişiklikleri hissedebildiklerine ve önceden belirlenen bir cevap oluşturabildiklerine işaret etmektedir.
• Bir akıllı malzeme (ya da sistemi), giriş sinyalini algılayan bir çeşit sensör ve bu sinyale uygun bir cevap oluşturan bir aktüatörden (uyarıcıdan) oluşur.
Akıllı Malzemeler
• Aktuatörlerde (uyarıcılarda), şekil hafızalı alaşımlar, piyezoelektrik seramikler, manyetostriktif malzemeler, elektroreolojik/manyetoreolojik akışkanlar olmak üzere dört farklı malzeme türü yaygın olarak kullanılır.
• Optik fiberler, bazı polimerler de dâhil olmak üzere piezoelektrik malzemeler ve mikroelektromekanik sistemler, sensörler de kullanılan malzeme ve cihazlar arasındır.
Nanomalzemeler, dört temel malzeme türünün herhangi birine ait olabilir.
Bu malzemelerin özelliklerini inceleyen çalışmalara da nanoteknoloji adı verilmiştir.
Parçacık boyutları atomsal boyutlara yaklaştığında, malzemelerin sergiledikleri bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerde çarpıcı değişiklikler meydana gelir.
Nanomalzemeler
• Bu özgün ve olağandışı özellikleri sayesinde nanomalzemeler elektronik, biyomedikal, spor, enerji üretimi ve diğer endüstriyel uygulamalarda kendilerine yer edinmişlerdir.
• Nanomalzemelerin sağlık üzerine etkileriyle ilgili olarak hazırda yeteri kadar çalışma bulunmamasına rağmen, deri, akciğer ve sindirim sistemi yoluyla hızlı bir şekilde vücut tarafından emilebilecekleri ve yeterli konsantrasyonlarda bulunmaları durumunda, akciğer kanseri ya da DNA hasarı gibi sağlık riskleri içerdikleri konusunda endişeler vardır.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Enerji darboğazı açısından ümit vaat eden nükleer enerji konusundaki problemlerin çözümü; yakıtlar, depolama malzemelerinin yapılarını ve radyoaktif atıkların depolanma imkânlarını içermektedir.
Araç ağırlıklarının azaltılmasının yanında, motor çalışma sıcaklıklarının arttırılması da yakıt sarfiyatını iyileştirecektir.
Modern Malzeme Gereksinimleri
• Kullandığımız malzemelerin çoğu yenilenebilir olmayan, yani tekrar oluşturulamayan kaynaklardan elde edilmektedir.
• Yenilenebilir olmayan bu kaynakların zamanla tükenmekte olması; yeni rezervlerin bulunmasını, karşılaştırılabilir özelliklere sahip aynı zamanda çevreye daha az zararlı yeni malzemelerin geliştirilmesini ve/veya geri dönüşüm çabalarının arttırılması ile yeni geri dönüşüm teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır.
Yapıya dayalı olarak malzemelerin sınıflandırılması
Kristalin malzeme bir yada birçok kristalden meydana gelir. Herbir kristalde atom yada iyonlar geniş bir aralıkta periyodik düzenlenme gösterirler. Tek kristal sadece tek bir kristalden yapılmış kristali malzemedir. (tane sınırları yoktur) Tane bir polikristalin malzemedeki kristallerdir. Polikristalin malzeme birçok kristalden meydana gelmiş malzemedir. (Tek bir kristale sahip tek kristal ile kıyaslandığında). Tane sınırları polikristalin malzemenin taneleri arasındaki bölgelerdir.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)