SiC takviyeli iletken bakır kompozitlerin geliştirilmesi
Development of conductive copper composites reinforced with SiC
Yazar: GÖZDE FATMA ÇELEBİ EFE
Danışman: PROF. DR. CUMA BİNDAL ; PROF. DR. SAKİN ZEYTİN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bakır = Copper ; Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Kontaktör = Contactor ; Sementasyon = Cementation ; Sertlik ölçme = Hardness measurement ; Silisyum karbür = Silicon carbide ; Yoğunluk = Density

Özet:
Bu çalışmada, sementasyon yöntemiyle üretilen bakır tozunun farklı partikül boyut ve bileşimdeki seramik karakterli SiC tozu ile takviye edilerek yüksek iletken Cu-SiC kompozit üretimi hedeflenmiştir. Öncelikli olarak 10 ? m tane boyutlu ticari Cu tozu ağ,%0, 1, 2, 3 ve 5 oranlarında 1 ? m partikül boyutlu SiC partikülleri ile takviye edilerek mekanik olarak karıştırılmıştır. Hazırlanan toz karışımları 280 MPa basınçta tek yönde uygulanan basınçla preslenmiş ve 900, 950 ve 1000°C'de 2 saat süre ile grafit tozuna gömülü halde açık atmosferli fırında sinterlenmiştir. Sinterleme sonrası numuneler yoğunluğun arttırılması için 850 MPa yük uygulanarak sıcak olarak dövülmüştür. Optik ve SEM incelemeleri sonucu SiC partiküllerinin bakır tanelerinin etraflarında yer aldığı ve hakim bileşenlerin Cu, SiC olduğu X-ışınları analiz tekniği ile (XRD) tespit edilmiştir. Artan sinterleme sıcaklığı ile birlikte bakır matriste tane kabalaşması görülmüş ve genel olarak kompozitlerin relatif yoğunluk, sertlik ve iletkenliklerinde çok küçük azalmalar tespit edilmiştir. Yapılan karakterizasyon incelemeleri sonucunda 900°C optimum sinterleme sıcaklığı olarak belirlenmiştir. Bu sıcaklıkta sinterlenen semente Cu-SiC kompozitlerinin elektrik iletkenlik değerlerinin düşük olması nedeni ile daha düşük sinterleme sıcaklıkları denenmiş ve 700°C sinterleme sıcaklığında en iyi elektriksel iletkenlik değerlerine ulaşılmıştır. Bu sıcaklıkta SiC partikül boyutları da değiştirilerek (1, 5, 30 ? m) semente ve ticari Cu-SiC kompozitlerinin özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir.700°C'de sinterlenen ticari Cu-SiC kompozitlerinin relatif yoğunlukları, 1 ? m' luk SiC için 97,3 ile 91,8; 5 ? m'luk SiC için, 97,5 ile 95,2; 30 ? m'luk SiC için, 97,7 ile 96,2; mikrosertlikleri her üç SiC boyutu için sırasıyla, 143- 167; 156- 182; 215- 277 HV; elektriksel iletkenlikleri ise yine her üç SiC boyutu için, sırasıyla 85,9- 55,7; 87,9- 65,2; 91,3- 77,2 % IACS arasında değişmiştir. 700°C'de sinterlenen semente Cu-SiC kompozitlerinin relatif yoğunlukları ise, 1 ? m'luk SiC için 96,2 ile 90,9; 5 ? m'luk SiC için, 96,6 ile 93,7; 30 ? m'luk SiC için, 97 ile 95; mikrosertlikleri her üç SiC boyutu için sırasıyla, 130- 155; 153- 179; 188- 229 HV; elektriksel iletkenlikleri ise yine her üç SiC boyutu için, sırasıyla 79- 54,9; 81- 60,3; 83- 69 % IACS arasında değişmiştir. 3000, 6000, 9000, 12000 ve 21000 çevrim sayısında gerçekleştirilen açma kapama testleri Cu-%3SiC'ün düşük elektrik iletkenliğine bağlı olarak saf semente bakırdan daha fazla malzeme kaybı olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the production of Cu-SiC composite with high electrical conductivity by reinforcing cemented copper with ceramics based SiC having different particle sizes at different ratios was aimed. Primarily, commercial copper powders having 10 ? m particle size were mixed with SiC with particle size of 1 ? m at ratios of 0, 1, 2, 3 and 5 % by weight. Then, the prepared powder mixtures first were pressed with an axial pressure of 280 MPa and sintered at 900, 950 and 1000°C in an open atmospheric furnace for 2 h embedded in graphite. Following sintering the test samples were pressed with a load of 850 MPa in order to increase the relative density of test samples. Optical and SEM studies revealed that SiC particles are located at grain boundaries of copper grain and Cu and SiC being dominant phases were verified by x-ray diffraction (XRD) analysis technique. In addition, high sintering temperature results in grain coarsening in copper particles and minor declines was observed in relative density, hardness and electrical conductivity of Cu-SiC composites. The optimum sintering temperature determined is 900°C. Because of low electrical conductivity of cemented Cu-SiC composites at 900°C, the low sintering temperatures were attempted and the best electrical conductivity results were obtained for composites sintered at 700°C and the effect of SiC particles having different particle sizes (1, 5 and 30 ? m) on Cu-SiC composites were investigated at concerning temperature.The relative densities of commercial Cu-SiC composites sintered at 700°C are ranged from 97,3 to 91,8 for SiC with 1 ? m particle size, 97,5 to 95,2 for SiC with 5 ? m particle size, and 97,7 to 96,2 SiC with 30 ? m particle size, microhardness of composites ranged from 143 to 167 HV for SiC having 1 ? m particle size, 156 to 182 for SiC having 5 ? m particle size, 215 to 277 HV for SiC having 30 ? m particle size and the electrical conductivity of composites changed between 85,9 and 55,7 for SiC with 1 ? m particle size, 87,9 and 65,2 for SiC with 5 ? m particle size, and 91,3 and 77,2 % IACS for SiC with 30 ? m particle size, respectively. The relative densities of cemented Cu-SiC composites sintered at 700°C are ranged from 96,2 to 90,9 for SiC with 1 ? m particle size , 96,6 to 93,7 for SiC with 5 ? m particle size, and 97,0 to 95,0 for SiC with 30 ? m particle size, microhardness of composites ranged from 130 to 155 HV for SiC having 1 ? m particle size, 153 to 179 for SiC having 5 ? m particle size, 188 to 229 VHN for SiC having 30 ? m particle size and the electrical conductivity of composites changed between 79 and 54,9 SiC with 1 ? m particle size, 81,0 and 60,3 SiC with 5 ? m particle size, and 83,0 and 69,0 % IACS for SiC with 30 ? m particle size, respectively. The load break switch test performed for cycles of 3000, 6000, 9000, 12000 and 21000 revealed that depending on low electrical conductivity of Cu-3wt%SiC the materials loss of composite is greater than that of pure cemented copper.