Çok işlevli alümina-zirkonya kompozit malzemelerinin üretimi, mekanik ve balistik özelliklerinin incelenmesi
Production of multifunctional alumina-zirconia composite materials, investigation of their mechanical and ballistic properties
Yazar: BURCU BÜYÜKDOĞAN ÇAVDAR
Danışman: DOÇ. DR. GÖZDE FATMA ÇELEBİ EFE
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde hem yurt içi hem de global dünyada savunma sanayi sektörü büyük önem taşımaktadır. Savunma sanayi sektöründe hem araç hem de personeller balistik koruma ürünleri ile korunmaktadır. Zırh teknolojilerinde araç ve personel koruma için düşük ağırlık yüksek koruma özelliklerinden dolayı çelik ve çelik türevi malzemelerin yerini artık kompozit malzemeler almıştır. Özellikle ağırlık avantajı yakalamak istenmelerinden dolayı kompozitler arasında seramik esaslı kompozit malzemeler daha çok tercih edilmektedir. Seramik esaslı kompozit malzemelerde tokluk ve mekanik davranışlar ürünün ömrünü ve aldığı darbelere karşı davranışlarını önemli ölçüde etkiler. Bu sebeple seramik malzemelerde ağırlık azaltmak ve dayanım yükseltmek için araştırma ve bu alanlarda geliştirme ihtiyacı doğmuştur. 
Bu çalışmada piyasa ismi NM9916F olan %99,5 saflıkta Alümina (Al2O3) ile yine piyasa ismi NMZTA12 olan Zirkonya (ZrO2) malzemesi ile birden fazla seramik zırh malzemeleri üretilmiştir. Bu iki  malzemenin seçilmesinin sebepleri iki malzemenin de büzülme oranlarının aynı olmasıdır. Bu sayede sinterleme sonrası malzeme boyutları aynı olarak değerlendirme sağlanabilecektir. Malzemelerin mekanik ve balistik davranışlarının incelenmesi amacıyla 4 ayrı 50x50x10 mm boyutlarında kare geometrisinde numuneler yapılmıştır. Karşılaştırma yapabilmek amacıyla sadece saf alüminadan, sadece saf zirkonyadan, iki tozu aynı oranda homojen harmanlayarak ve yine iki tozu katmanlı olacak şekilde 5'er mm katmanlı presleyerek farklı numuneler üretilmiştir. Bu numuneler mekanik testlere tabi tutulmuş ve balistik özellikleri de incelenmiştir. Numuneler sırasıyla dozajlama, toz karıştırma, presleme ve sinterleme aşamalarından geçirilmiştir. Dozajlama ve toz karıştırma işlemleri eleklerle ve hassas tartıyla yapılmış olup presleme işlemi çelik kalıp içinde 500 MPa'lık basınç altında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen numuneler 1630oC'de açık atmosfer fırınınında kademeli olarak yaklaşık 30,3 saat sinterlenmiştir. Tüm ürünlerin sertlik değerleri Vickers sertlik cihazı ile ölçülmüştür. Ürünler için kopma testi, SEM analizi ve optik mikroskopta mikroyapı analizleri yapılmıştır. Ayrıca 4 ürünün sahada performanslarını ölçmek ve analiz edebilmek amacıyla balistik laboratuvarında atış testi yapılmıştır. Atış esnası hız kamerası ile kayıt altına alınmış olup sonuçlarda  karşılaştırılma yapılmıştır.
Anahtar Kelimler: Seramik zırh kompozitler, alümina seramikler, toz metalurjisi, zırh teknolojileri, balistik test

Abstract:
Nowadays, the defense industry is one of the most important cornerstone both countrywide and global world. In armor technologies, steel and steel derivative materials have been replaced by composite materials due to having low weight and high protection properties for vehicle and personnel protection. Since one of the important parameters is weight; ceramic-based composite materials are preferred among composites, owing to having a lower weight. The toughness and mechanical behavior of ceramic-based composite materials significantly affect the life of the product and its behavior against impacts that are faced. Therefore, there is a need for research and development in these areas to reduce the weight and increase the strength of ceramic materials.
In this study, ceramic armor materials were produced by using 99.5% pure Alumina (Al2O3), with the market name NM9916F and Zirconia (ZrO2), with the market name NMZTA12. These materials are selected for the sake of the research since the shrinkage rates of both alumina and zirconia are the same which enables to evaluate of the material's dimensions as the same after sintering process. Four different testing samples are produced which have the geometry of the 50x50 mm square with a thickness of 10 mm in order to examine the mechanical and ballistic behavior. In order to be able to compare, different samples were produced by mixing the powders of pure alumina and pure zirconia homogeneously at the same rate. After mixing homogeneously, the mixture is pressed in a layered manner 5 mm each. 
Throughout this study, these samples were subjected to mechanical tests, and then their ballistic properties were examined. In this study, the samples were passed through the processes of dosing, powder mixing, cold pressing, and sintering, respectively. The processes of dosing and powder mixing were done with sieves and precision scales; and the next process, cold pressing, was carried out in a steel mold under 500 MPa pressure. After cold pressing, the samples were gradually sintered in an open atmosphere furnace at 1630◦C for approximately 30,3 hours due to obtaining the final products. For all samples, hardness values were measured by a Vickers hardness device. The other measurements performed for the samples are rupture test, SEM analysis and microstructure analysis by optical microscope. In addition to mentioned measurements, shooting test was carried out in the ballistics laboratory in order to analyze and comment on the performance of the four samples in the area of usage. The shooting moment was recorded with a speed camera and the results were compared.
Keywords: Ceramic armor composites, alumina ceramics, powder metallurgy, armor technologies, ballistic testing