Atık alüminyum matrisli ve nano partikül takviyeli kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of waste aluminum matrix and nanoparticle reinforced composite materials
Yazar: MUHAMMED GÖKSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET DİRİLMİŞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve  Dinamiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sanayi ve teknolojinin istenilen özellikte malzeme ihtiyaçlarını karşılamak için fiziksel ve mekanik özellikler bakımından iyileştirilmiş olan en az biri matris diğeri takviye elemanı olmak şartıyla birden fazla malzemenin en iyi özelliklerini bir araya getirilerek üretilen malzeme, kompozit malzeme olarak tanımlanabilir. Genellikle daha düşük mekanik özelliklere sahip referans matris malzemesi içerisine farklı yöntemlerle takviye malzemesi eklenerek daha yüksek mekanik özelliklere sahip malzeme üretmek istenmiştir. Matris malzemesi olarak farklı sınıflara ait malzemeler mevcut olup mühendislik ihtiyaçlarını karşılaması açısından metal matrisli kompozitler önemli bir yere sahiptir. Metal matrisli kompozitlerde matris malzemesi olarak seçilen metaller yumuşak, hafif, ergime sıcaklığı düşük ve dayanımı az olan metallerdir. Bu alanda genel olarak alüminyum hafif ve şekillendirilebilirliği iyi olan bir malzeme olduğu için daha çok tercih edilmektedir. Alüminyumun mekanik özelliklerini arttırmak için genel olarak literatür incelendiğinde seramik nanopartiküllerin takviye edilmesiyle daha iyi özelliklere sahip kompozit malzeme elde edilebilmektedir. Bu çalışmada matris malzemesi olarak atık içecek kutuları geri dönüştürülerek kompozit malzeme üretimi için matris malzemesi üretilmiştir. Atık alüminyumdan elde edilen referans matris malzemesine ağırlıkça %0.5 ve %1 oranlarında 38nm boyutunda TiO2, ayrıca ağırlıkça %0.5, %1 ve %1.5 oranlarında 78 nm boyutunda Al2O3 nanopartikülleri karıştırmalı döküm yöntemi ile takviye edilerek metal matrisli nano kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen metal matrisli nano kompozit malzemeye çekme dayanımı, 3 nokta eğilme dayanımı, aşınma oranı, yüzey pürüzlülüğü sonuçları, vickers sertlik değeri, yoğunluk, gözeneklilik oranı ve mikroyapı deneyleri yapılarak değişimleri irdelenmiştir. Yapılan deneyler sonucu ağırlıkça Al2O3 partikül takviyesi sonucu en iyi değerler %1.5 oranında çekme dayanımı 143,5 N/mm2, 3 nokta eğilme dayanımı 336,2 N/mm2, sertlik değeri 245.51 Hv, aşınma oranı 0,0000023 mm3/ Nm ve kütle kaybının %1,60 olduğu, yoğunluk 2,699gr/cm3 ve yüzey pürüzlülüğü en az %0,5 Al2O3 katkılı kompozitte 0,3614 µm olduğu tespit edilmiştir. Matris malzemesine ağırlıkça TiO2 takviye edilmesiyle yapılan deneyler sonucu en iyi değerler %1 oranında çekme dayanımı 143,98 N/mm2, 3 nokta eğilme dayanımı 323,04 N/mm2, sertlik değeri 263.95 Hv, aşınma oranı 0,0000028 mm3/ Nm ve kütle kaybının %1,933 olduğu, yoğunluk 2,711 gr/cm3 ve yüzey pürüzlülüğü en az 0,3527 µm olduğu tespit edilmiştir. Takviye partikülü olarak Al2O3 ve TiO2 katkılı malzemenin mikro yapı incelemesine bakıldığında artan takviye miktarına göre matris malzemesi içinde partiküllerin homojen bir şekilde dağıldığı ve porozitenin azaldığı gözlemlenmiştir. Sonuç olarak atık alüminyum matris malzemesine nano boyutta Al2O3 ve TiO2 ilave edilmesinin mekanik özelliklere katkı sağladığı tespit edilmiştir.

Abstract:
A composite material can be defined as a material produced by combining the best properties of more than one material, provided that at least one of them is a matrix and the other is a reinforcement element, which has been improved in terms of physical and mechanical properties in order to meet the material needs of the industry and technology with the desired properties. It was desired to produce materials with higher mechanical properties by adding reinforcement material with different methods into the reference matrix material, which generally has lower mechanical properties. There are materials belonging to different classes as matrix materials, and metal matrix composites have an important place in terms of meeting engineering needs. Metals chosen as matrix material in metal matrix composites are soft, light, low melting point and low strength metals. In this field, aluminum is generally preferred more because it is a light and formable material. In order to increase the mechanical properties of aluminum, when the literature is examined in general, composite materials with better properties can be obtained by reinforcing ceramic nanoparticles. In this study, matrix material was produced for composite material production by recycling waste beverage cans as matrix material. Metal matrix nanocomposite production was carried out by reinforcing the reference matrix material obtained from waste aluminum with 38 nm size TiO2 at 0.5% and 1% by weight, and 78 nm size Al2O3 nanoparticles at 0.5%, 1% and 1.5% by weight, by the mixed casting method. Tensile strength, 3-point bending strength, abrasion rate, surface roughness results, Vickers hardness value, density, porosity ratio and microstructure experiments were performed on the produced metal matrix nano composite material and their changes were examined. As a result of the experiments, the best values as a result of the Al2O3 particle reinforcement by weight, the tensile strength of 1.5%, 143.5 N/mm2, the 3-point bending strength 336.2N/mm2, the hardness value of 245.51 Hv, the wear rate 0.0000023 mm3/ Nm and the mass loss % It was determined that it was 1.60, the density was 2.699 gr/cm3, and the surface roughness was 0.3614 µm in at least 0.5% Al2O3 added composite. As a result of the experiments made by adding TiO2 to the matrix material by weight, the best values are 1% tensile strength 143.98 N/mm2, 3-point bending strength 323.04N/mm2, hardness value 263.95 Hv, wear rate 0.0000028 mm3/Nm and mass loss. It has been determined that it is 1.933%, the density is 2.711 gr/cm3 and the surface roughness is at least 0.3527 µm. When examining the microstructure of the material with Al2O3 and TiO2 as reinforcement particles, it was observed that the particles were homogeneously dispersed in the matrix material and the porosity decreased according to the increasing amount of reinforcement. As a result, it has been determined that the addition of nano-sized Al2O3 and TiO2 to the waste aluminum matrix material contributes to the mechanical properties.