Grafen-takviyeli nanokompozitlerin içyapı ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkinin araştırılması
Investigation of the relationship between internal structure and mechanical properties of graphene-reinforced nanocomposities
Yazar: BETÜL ASLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN BAYRAK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Grafen = Graphene ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Mikroyapı = Microstructure ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Seramik kompozitler = Ceramic composites ; Silisyum nitrür = Silicon nitride

Özet:
Seramikler, metallerin ve polimerlerin sağlayamadığı bir takım fiziksel özellikleri dolayısıyla mühendislikte özel kullanım alanlarına sahip malzemelerdir. Seramik malzemelerin en bilinen özelliği olan kırılganlığı en aza indirgemek veya önlemek amacıyla tercih edilen kritik işlemlerden bir tanesi seramik bazlı kompozit malzeme elde edilmesidir. Seramik malzemeler arasından silisyum nitrür (Si3N4) dünya üzerinde pek çok araştırmacı tarafından tercih edilen bir malzeme olmuş ve seramik bazlı kompozit malzemeler için matris bileşeni olarak tercih edilmiştir. Ancak düşük kırılma tokluğu ve düşük elektrik iletkenliği silisyum nitrürün bazı alanlarda kullanımını sınırlandırmaktadır. Titiz üretim yöntemleri ile, seramik malzemelerin kırılganlık özelliği düşürülebilmektedir. Silisyum nitrür bazlı seramikler yüksek sıcaklık dayanımı, ısıl şok direnci, korozyon direnci, yüksek aşınma direnci, kimyasal kararlılık gibi çeşitli özelliklere sahiptir. 
Son yıllarda, seramik matrisli kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak grafen veya grafen bazlı nano malzemeler denenmektedir. Silisyum nitrür matrisli kompozit malzemelerde grafen ve türevleri güçlendirici bileşen özelliği sergileyebilmektedir. Bunun nedeni, grafenin yüksek mekanik ve elektriksel değerlere sahip olması ile birlikte yüzey alanı/hacim oranın çok büyük olmasıdır. Fakat bazı durumlarda, seramik matrisli kompozit malzemeler de, grafen, seramik matris malzemeleri güçlendirmek yerine seramik matrisli malzemeleri mekanik özellikleri açısından zayıflattığı belirlenmiştir. Bu zayıflatıcı etkinin nedenlerinden birisi olarak grafen fazı ile matris fazı arasındaki arayüzey etkileşiminin zayıflığı öngörülmektedir.
Silisyum nitrür matrisi ve grafen nanopulları (GNP) arasındaki arayüz özelliklerinin daha iyi anlaşılması, kompozitin mekanik özelliklerindeki zayıflamanın önüne geçmek için ileride yapılacak olan bilimsel çalışmalara katkı sunacaktır. Bunu başarmak için, öncelikle GNP takviyeli silisyum nitrür nano kompozitleri hakkında genel bir literatür taraması yapılmıştır. GNP'lerin kalınlığı, ortalama düzlemsel boyutları, oryantasyon dağılımları gibi geometrik özelliklere ilişkin veriler toplanmıştır. Silisyum nitrür ve GNP/silisyum nitrür nano kompozitlerin mekanik özellikleri ile ilgili literatür çalışması gerçekleştirilmiştir. Nano kompozitlerin sonlu elemanlar modellemesinin, yukarıda belirtilen etkileşimin ve malzemenin deformasyon mekanizmasının anlaşılmasına katkıda bulunması öngörülmektedir. Bu çalışmada sonlu elemanlar analizleri ile fazlar arasındaki arayüzey özelliklerindeki değişimin kompozitin elastik davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Ceramics are used in special application fields of engineering due to their physical properties that are not provided by metals and polymers. One of the most important processes preferred in order to minimize or prevent the brittleness characteristic of ceramic materials is to obtain a ceramic-based composite material. Among the ceramic materials, silicon nitride (Si3N4) has been a subject preferred by many researchers in the world and it is preferred as a matrix component in the ceramic-based composite. Meticulous production processes of composite materials reduce the brittleness of ceramic materials. Silicon nitride-based ceramics have remarkable properties such as high temperature resistance, high thermal shock resistance, good corrosion resistance, good wear resistance, chemical stability and outstanding mechanical strength. 
Graphene and graphene-based materials were used as reinforcement phases in ceramic-matrix composite materials. Graphene and its derivatives can exhibit reinforcing effect in silicon nitride matrix composite materials. However, in some cases, it has been determined that graphene in ceramic matrix composite materials weakens ceramic matrix materials in terms of mechanical properties instead of reinforcing it. One of the reasons behind this weakening effect is foreseen to be the weak interphase between the matrix and graphene phases.
Understanding the interface properties between the silicon nitride matrix and graphene nanoplatelets (GNPs) will contribute to future scientific studies to prevent deceleration in the mechanical properties of the composite. To achieve this, a general literature review was conducted on GNP/silicon nitride nano composites. Data on geometric properties such as thickness, mean lateral dimensions, orientation distributions of GNPs were collected. Literature study on mechanical properties of silicon nitride and GNP/silicon nitride nano composites was conducted. It is anticipated that finite element modeling of nanocomposites will contribute to the understanding of the aforementioned interaction and the deformation mechanism of the material. In this study, effect of changes of the interface properties to the elastic properties of the composites is analysed using finite element analyses.