Grafen-seramik tanecik takviyeli alüminyum matrisli hibrit kompozitlerin toz metalurjisi metoduyla üretimi, mekanik ve mikroyapı özelliklerinin incelenmesi
Fabrication of aluminum matrix hybrid composites reinforced with graphene-ceramic particles by powder metallurgy method and investigation of their mechanical and microstructural properties
Yazar: MAHMUT CAN ŞENEL
Danışman: PROF. DR. ERDEM KOÇ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, alüminyum-grafen, alüminyum-SiC-grafen, alüminyum-Si3N4-grafen kompozitler toz metalurjisi metoduyla üretilmiş olup SiC (ağırlıkça %1, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 25, 30), Si3N4 (ağırlıkça %1, 3, 6, 9, 12) ve grafen (ağırlıkça %0.1, 0.3, 0.5) katkı oranlarının kompozitlerin yoğunluğuna, gözenekliliğine, mekanik özelliklerine (Vickers sertliğine, basma dayanımına, çekme dayanımına), aşınma direncine ve mikroyapısına olan etkisi incelenmiştir.  
Üretilen Al-grafen kompozitlerde en yüksek yoğunluk ve sertlik değerini veren en uygun sinterleme sıcaklığı, sinterleme süresi ve grafen katkı oranı sırasıyla; 630°C, 180 dk ve ağırlıkça %0.1 olarak belirlenmiştir. Grafen katkısının belli bir orana (ağırlıkça %0.1) kadar kompozitin mekanik özelliklerini iyileştirdiği ve aşınma direncini azalttığı tespit edilmiştir. Ağırlıkça %0.1 grafen katkısından sonra grafen taneciklerin topaklanması sebebiyle Al-grafen kompozitin mekanik özellikleri ve aşınma direnci azalmıştır.
Toz metalurjisi metoduyla üretilen Al-SiC kompozitlerde, en yüksek deneysel yoğunluk ve Vickers sertliği Al-%30SiC kompozit yapıda elde edilmiştir.                   Al-%30SiC kompozit yapıya ağırlıkça %0.1, 0.3, 0.5 oranında grafen katkısı yapıldığında; en yüksek deneysel yoğunluğa (2.69 g/cm3) ve Vickers sertliğine (85.2 HV), Al-%30SiC-%0.5grafen kompozit yapıda ulaşılmıştır. En yüksek basma dayanımına (271 MPa) ise Al-%30SiC-%0.1 grafen kompozit yapıda ulaşılmıştır. Alüminyum matrise, SiC ve grafen katkısıyla belli bir orana kadar (ağırlıkça %0.1 grafen katkısı) mekanik özelliklerin iyileştiği tespit edilmiştir. 
Üretilen Al-Si3N4 kompozitler içerisinde en yüksek deneysel yoğunluk ve Vickers sertliğine Al-%9Si3N4 kompozit yapıda ulaşılmıştır. Al-%9Si3N4 kompozit yapıya ağırlıkça %0.1, 0.3, 0.5 oranında grafen katkısı yapıldığında, en yüksek deneysel yoğunluk (2.59 g/cm3) ve maksimum basma dayanımı (334 MPa) ağırlıkça %0.1 grafen katkısında elde edilmiştir. 
Alüminyum matrise ağırlıkça %0.1 oranına kadar grafen katkısı, incelenen kompozitlerin mekanik özelliklerini ve aşınma direncini iyileştirmiştir. Mekanik ve aşınma test sonuçları, alüminyum matrisli kompozitlerde grafenin iyi bir katkı elemanı ve katı yağlayıcı olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this study, aluminum-graphene, aluminum-SiC-graphene, aluminum-Si3N4-graphene composites were fabricated by powder metallurgy method. The effects of SiC (1, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 25, 30wt.%), Si3N4 (1, 3, 6, 9, and 12wt.%), and graphene (0.1, 0.3, 0.5wt.%) addition on density, porosity, mechanical properties (Vickers hardness, compressive strength, tensile strength), wear resistance, and microstructure of composites were investigated. 
The optimum sintering temperature, sintering time, and graphene content were determined as 630 °C, 180 min and 0.1%wt respectively. It has been determined that graphene addition to Al matrix improves the mechanical properties and decreases the wear resistance of the composite up to certain graphene content (0.1%wt). The mechanical properties and wear resistance of Al-graphene composites reduced due to the agglomeration of graphene after the 0.1%graphene content.
The highest experimental density and Vickers hardness were obtained at           Al-30%SiC composite fabricated by the powder metallurgy method. The maximum experimental density (2.69 g/cm3) and Vickers hardness (85.2 HV) were detected at Al-30%SiC-0.5%graphene composites when graphene (0.1, 0.3, 0.5wt.%) added to Al-30%SiC composite structure, In addition, the highest compressive strength (271 MPa) was determined at Al-30%SiC-0.1%graphene composite. Both SiC and graphene addition to aluminum matrix was found to improve the mechanical properties up to a certain graphene content (0.1wt.%). 
The highest experimental density and Vickers hardness value were obtained at Al-9%Si3N4 composite structure. The highest experimental density (2.59 g/cm3) and ultimate compressive strength (334 MPa) were determined at Al-9%Si3N4-0.1%graphene when graphene (0.1, 0.3, 0.5wt.%) added to Al-9%Si3N4 composite. Also, the highest Vickers hardness (82 HV) was obtained at Al-9%Si3N4-0.5%graphene. Mechanical properties of Al-Si3N4-GNPs decreased due to the agglomeration of graphene nanoparticles after 0.1%graphene content. 
Graphene addition up to 0.1wt.%GNPs to aluminum matrix improved the mechanical properties and wear resistance of composites. Mechanical and wear test results showed that graphene was a good additive element and a solid lubricant in aluminum matrix composites.