Nano partikül takviyeli bakır kompoziyonunun sinterlenmesi ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Sintering of nano particle reinforced copper composition and determination of mechanical and electrical properties
Yazar: ALPER MUTLU
Danışman: DOÇ. DR. UĞUR ÇAVDAR
İzmir Demokrasi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemi kullanılarak grafen nano plakaları
(GNPs) katkılı bakır matrisli kompozitler hazırlanmış ve indüksiyon sıcak presleme
konsolidasyon metoduyla üretilmiştir. Saf ve farklı oranlarda (ağırlıkça %0,1-0,9)
GNPs katkılı on farklı bakır tozu bileşimi hazırlanmıştır. Kompozisyonlar, 3D
karıştırma sistemi kullanılarak 90 dakika boyunca argon atmosferinde homojenize
edilmiş ve 85 MPa basınç altında 685 °C'de 8 dakika boyunca sinterlenmiştir. Üretilen
bakır matrisli kompozitlere GNPs ilavesinin etkisi yoğunluk, faz analizi (XRD
analizi), mikroyapı (SEM-EDX) analizi, mikrosertlik, elektrik iletkenliği, üç nokta
eğme analizi ve ball-on-disk aşınma analizi ile karakterize edilmiştir. Numunelerin
sinterlenmesi sırasında sistem tarafından tüketilen enerji miktarı da ölçülmüştür.
Üç nokta eğme deneyi sonuçlarına göre, GNPs ilavesi ile kompozit
malzemelerin dayanımlarında görece düşük oranda azalma meydana geldiği tespit
edilmiştir. Aşınma deneylerinde saf numunenin sürtünme katsayısı (COF) 0,67 olarak
ölçülürken, ağırlıkça %0,9 GNPs katkılı numunenin ise 0,14 değerine düşmüştür.
Elektriksel iletkenlik değeri arayüz direncindeki artıştan dolayı saf numunede %74
IACS iken, ağırlıkça %0,9 GNPs katkılı numunede %64 IACS olarak ölçülmüştür.
Mikroyapı analizlerinde ağırlıkça %0,4 GNPs katkılı kompozite kadar homojen bir
GNPs dağılımı gözlemlenirken, daha yüksek orandaki katkılarda tane sınırlarında
topaklanarak gözenekliliği arttırdığı ve mekanik özellikleri olumsuz etkilediği tespit
edilmiştir. Mikrosertlik deneyi sonuçlarına göre, ağırlıkça %0,4 GNPs katkılı
numunenin sertlik değerinin diğer kompozitlere göre daha yüksek olduğu belirlenmiş
olup saf numuneye göre (%27) oranında artış sağlanırken relatif yoğunluk değerinde
ise %99 oranına ulaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Bakır, GNPs, Kompozit, Toz metalurjisi, Enerji ölçümü

Abstract:
In this study, graphene nanoplatelets (GNPs) reinforced copper matrix composites
were prepared using powder metallurgy method and fabricated by the induction hot
pressing consolidation method. Ten different compositions of copper powders, pure
and reinforced with GNPs at different ratios (0.1-0.9 wt%), were prepared. The
compositions were homogenized in an argon atmosphere for 90 minutes using a 3D
mixing system and sintered at 685 °C for 8 minutes under 85 MPa pressure. The effect
of the addition of GNPs on the produced copper matrix composites was characterized
by density, phase test (XRD), microstructural analysis (SEM-EDX), microhardness,
electrical conductivity, three-point bending test, and ball-on-disk wear study. The
amount of energy consumed by the system during the sintering of the samples was also
measured.
According to the results of the three-point bending test, there was a relatively
low decrease in the strength of the composite materials with the addition of GNPs. In
the wear tests, the coefficient of friction (COF) of the pure sample was measured as
0.67, whereas that of the 0.9 wt% GNPs reinforced sample decreased to 0.14. The
electrical conductivity value was measured as 74% IACS in the pure sample and 64%
IACS in the 0.9 wt% GNPs- reinforced sample because of the increase in interface
resistance. In the microstructure analysis, a homogeneous GNPs distribution was
observed up to 0.4 wt% GNPs-reinforced composite, whereas higher levels of GNPs
increased porosity by agglomerating at the grain boundaries and negatively affected
the mechanical properties. According to the results of the microhardness test, it was
found that the hardness value of the 0.4 wt% GNPs reinforced sample was higher than
that of the other composites, and an increase of (27%) was achieved compared to the
pure sample, while the relative density value reached 99%.
Keywords: Copper, GNPs, Composites, Powder metallurgy, Energy measurement