Alüminyum matrisli farklı seramik takviyeli kompozitlere grafen ilavesinin termal ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of grafen addition on thermal and mechanical properties of different ceramic reinforced aluminum matrix composites
Yazar: SAFA POLAT
Danışman: PROF. DR. YAVUZ SUN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, basınçlı infiltrasyon yöntemi ile alüminyum matrisli seramik ve nano partikül takviyeli hibrit kompozitler üretilmiştir. Matris malzemesi olarak AA2024, Al-Si ve AA6061 olmak üzere üç farklı alaşım kullanılmıştır. Takviye olarak mikron boyutunda titanyum diborür (TiB2) ve bor karbür (B4C) kullanılırken, nano boyutta ise grafen (GNP) partikülleri kullanılmıştır. Bu kompozitlerde matris ve takviyelerin bileşenleri hacimce %50-%50 olarak ayarlanmıştır. Grafenin miktarı ise hacimce %0, 0,25, 0,5 ve 1 olarak ayarlanmıştır. Üretilen kompozitlerin karakterizasyonları için ilk olarak yoğunluk ölçümü daha sonra XRD, SEM ve TEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik dayanımlarını deneysel olarak belirlemek için sertlik, basma  ve aşınma testleri uygulanmıştır. Termal özelliklerini tespit etmek için ise her bir kompozitin termal genleşme katsayısı, ısı yayınımı, ısı kapasitesi ve termal iletkenlik katsayısı testleri yapılmıştır. Deneysel olarak tespit edilen bu sonuçlar aynı zamanda bazı teorik modeller kullanılarak hesaplanan teorik sonuçlarla da kıyaslanmıştır. Mekanik özelliklerin teorik olarak tespit edilebilmesi için yük aktarım mekanizması, Orowan-Looping mekanizması, termal uyumsuzluk mekanizması ve geometrik deformasyon gradyan mekanizmaları kullanılmıştır. Termal ilektenliğin teorik olarak hesaplanması için Hasselman-Jhonson modeli, Maxwell yaklaşımları ve akustik uyumsuzluk modelleri kullanılmıştır. Termal genleşme katsayılarının teorik olarak belirlenmesi için ise Kerner ve Turner modelleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre seramik partiküller arasında bor karbürün mekanik özellikler bakımından oldukça üstün bir davranış gösterdiği anlaşılmıştır. Öte yandan termal özellikler bakımından seramik partikül takviyesi ile alaşımların genleşme katsayılarının ve iletkenliklerinin önemli oranda düştüğü, grafen takviyesi ile iletkenlik değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Teorik ve deneysel sonuçların ise nispeten birbiriyle uyumlu olduğu gözlenmiştir. Uyumsuz sonuçların ise genel olarak poroziteden kaynaklandığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, aluminum matrix ceramic and nanoparticle reinforced hybrid composites were produced by the pressured infiltration method. Three different alloys, AA2024, Al-Si and AA6061, were used as matrix material. Titanium diboride (TiB2) and boron carbide (B4C) were used as reinforcements, while nano-sized graphene (GNP) particles were used. In these composites, the components of the matrices and reinforcements are set at 50-50% by volume. The amount of graphene is set to 0, 0.25, 0.5 and 1% by volume. For the characterizations of the composites produced, density measurements were performed first and then XRD, SEM and TEM analyzes were performed. Hardness, compression and abrasion tests were applied to determine the mechanical strength experimentally. Thermal expansion coefficient, heat dissipation, heat capacity and thermal conductivity coefficient tests of each composite were performed to determine their thermal properties. These experimentally determined results were also compared with the theoretical results calculated using some theoretical models. Load transfer mechanism, Orowan-Looping mechanism, thermal mismatch mechanism and geometric deformation gradient mechanisms are used to determine the mechanical properties theoretically. Hasselman-Jhonson model, Maxwell approaches and acoustic mismatch models were used for the theoretical calculation of thermal bonding. Kerner and Turner models were used to theoretically determine thermal expansion coefficients. According to the results obtained, it was understood that boron carbide shows a superior behavior in terms of mechanical properties among ceramic particles. On the other hand, it was observed that the expansion coefficients and conductivity of the alloys decreased significantly with the addition of ceramic particles in terms of thermal properties, and the conductivity values increased with graphene reinforcement. Theoretical and experimental results were observed to be relatively compatible with each other. It is concluded that incompatible results are generally caused by porosity.