Magnezyum esaslı karbon nanotüp ve seryum takviyeli nanokompozit malzeme geliştirilmesi ve özelliklerinin araştırılması
Development of Mg based carbon nanotubes and cerium reinforced nano composites and research of their properties
Yazar: FATMA NAZLI SARI
Danışman: PROF. DR. MEHMET BAKİ KARAMIŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Metal tozları = Metal powders

Özet:
Magnezyum alaşımları konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılan metalik malzemeler içerisinde düşük yoğunluğa sahip olması sebebiyle endüstriyel uygulamalarda tercih edilen bir malzemedir. Fakat yorulma ve sürünme dirençleri, korozyon dayanımı ise geliştirilmesi gereken özellikleridir. Bu sebeple magnezyum alaşımlarının özelliklerinin iyileştirilmesi için uygulanan imalat yöntemlerinden birisi de magnezyum esaslı kompozit malzeme üretilmesidir.
Magnezyum matrisli karbon nanotüp takviyeli kompozit malzemeler ile ilgili literatürde çalışmalar olduğu görülmektedir. Ancak yapılan çalışmalarda nadir toprak elementleri ise magnezyuma sadece alaşım olarak ilave edilmiştir. Bu çalışma sonuçları incelendiğinde ikili takviye elemanlarının etkisini anlama yönünden literatürde az sayıda çalışma olduğu görülmektedir. Bu alanda çalışma yapılmasına ihtiyaç bulunduğu anlaşılarak tez konusunun araştırma alanları belirlenmiştir.
Bu tez çalışmasında AZ41 magnezyum alaşımı (MA) tozu farklı oranlarda çok duvarlı karbon nano tüp (KNT) ve nadir toprak elementi seryum (Ce) ile takviyelendirilerek hibrit kompozit numuneler imal edilmiştir. Karışım tasarımı yöntemi ile karışım oranları belirlenerek imal edilen kompozit malzemenin bazı özellikleri incelenmiştir.
Tez çalışması kapsamında KNTleri karıştırma yönteminin homojenliğe etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Literatürdeki yöntemlere uygun olarak ön denemeler neticesinde  en uygun karıştırma yöntemi belirlenmiştir. İmalatı yapılan kompozitlerde AZ41 (266 μm ) matris, takviye malzemesi olarak KNT (5-20 nm dış çap ve 1 - >10 μm uzunluk) ve nadir toprak elementi seryum (< 44 μm) kullanılmıştır 
Isopropil alkol (IPA) içerisine her bir numune için belirlenen oranda KNT miktarı ultrasonik karıştırma yöntemi ile karıştırılarak magnezyum alaşımı ilave edilerek mekanik karıştırmadan sonra döner evaporatörde buharlaştırma işlemi yapılarak ısıtma fırınında 1 saat süreyle kurutulmuştur. Kurutulan karışıma atmosbag içerisinde argon atmosferinde Ce ilave edilerek üç boyutlu karıştırma sistemi ile karıştırılmıştır.
Farklı karışım oranlarında imalatı gerçekleştirilen kompozitler çubuk formunda ekstrüze edilerek kompozit numunelerin içyapıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ile incelenmiştir. Numunelerin sertlik, yoğunluk ve gözeneklilik değerleri ölçülmüştür. Mekanik özelliklerinin incelenmesi aşamasında da üretilen numunelerin yorulma ve çekme testleri yapılmıştır. Aşınma testleri ile aşınma karakterizasyonu incelenmiştir. Aşınma testleri farklı ortam, hız ve sıcaklıklarda yapılmıştır.
İmalatı gerçekleştirilen malzemelerin özelliklerinin incelenerek elde edilen sonuçların değerlendirilmesiyle KNT takviyesinin karıştırılması işleminin kompozit malzeme özelliklerini önemli derecede etkilediği anlaşılmıştır. KNT ve Ce takviyesinin bazı oranlarda kimyasal malzeme etkileşimlerinden dolayı malzeme özelliklerine olumsuz etkilerde de bulunduğu görülmüştür.

Abstract:
Magnesium alloys are the materials, which are preferred in the industrial applications due to having low density among the metallic materials used as a construction material. However, their fatigue and creep resistance, corrosion resistance are the properties to be developed. For that reason, one of the manufacturing methods applied for improving the properties of the magnesium alloys is to manufacture magnesium based composite material.
However there is a limited research about the usage of carbon nano tubes as a reinforcing element especially with magnesium matrix. There are studies in the literature about the magnesium matrix composites reinforced with carbon nanotubes. However, rare earth elements are only added to the magnesium as an alloy in the studies which have been conducted. When examining the results of these studies, it's observed that there is a limited number of studies in the literature to understand the effect of the dual reinforcement elements. The research areas of the thesis have been specified by understanding the need to study on this field.
In this thesis study, hybrid composite samples have been manufactured by reinforcing AZ41 magnesium alloy (MA) with rare earth element cerium (Ce) and multi walled carbon nano tube (MWCNT) at different powder ratios. The mixture ratio have been specified with mixture design method and some properties of the composite material, which has been manufactured, have been investigated.
The effects of the mixture method of CNT on the homogeneity have been experimentally searched in the scope of the thesis. As a result of the preliminary experiments in line with the methods in the literature, the most suitable mixture method has been specified. AZ41 (266 μm) as a matrix, CNT (5-20 nm outer diameter and 1 - >10 μm length) and rare earth element cerium (< 44 μm) as a reinforcoment material have been used in the composite, which are manufactured. 
A given rate of KNT has been added to the magnesium alloy by mixing with ultrasonic mixture method for each sample within the isopropyl alcohol (IPA) and it has been dried in the heating furnace for one hour by evaporating in the rotary evaporator after mechanical mixture. Ce has been added to the dried mixture within the atmosbag in the argon atmosphere and mixed with three dimensional mixture systems.
Composites, which have been manufactured at different rates of mixtures, are extruded as a rod and micro structure of the composite samples has been examined with scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). Hardness, density and porosity values of the samples have been measured. In order to investigate the mechanical properties tensile and fatigue tests were conducted. Wear tests were carried out in different conditions, speed and temperatures.
The evaluation of the results obtained by examining the properties of materials it has been found that mixing process of reinforcement element CNT has significant effects on the properties of composite materials. It has been observed that CNT and CE reinforcement have negative effect on the material features due to the chemical material interactions at some rates.