Seramik Malzemeler

Prof. Dr. Ali Bayat

Seramik Malzemeler

• Seramik uygulamada taş, tuğla, kiremit, beton, cam, emaye, porselen gibi malzemelere verilen genel addır.
• Seramikler toprak esaslı kil, kaolin vb. malzemelerin yüksek sıcaklıklarda pişirilmesi ile elde edilirler.
• Seramikler, kimyasal olarak metal ve metal olmayan elementlerden oluşan bileşiklerdir. Bu bileşikler SİLİKATLAR, ALÜMİNATLAR VE METAL OKSİTLERİ olup genellikle iyon bağına sahiptirler.
• Seramiklerin çoğu kristal, bazıları da amorf yapıdadır.
• Bağ türleri nedeniyle yapıları çok kararlıdır. Genellikle yüksek sıcaklığa dayanıklı, sert ve gevrek, aşınmaya dirençli ve elektriksel yalıtkanlığı iyi olan malzemelerdir.

Seramiklerin Genel Özellikleri

​

• Seramikler genellikle çok sert ve gevrek (kırılgan) malzemelerdir
• Dayanımları basınca karşı yüksek, çekmeye karşı çok düşüktür.
• Çekme dayanımları ısıl işlemlerle artırılabilmektedir. Ayrıca, içyapı hatalarını azaltacak biçimde yapılan üretimlerle de çekme dayanımı artırılabilmektedir (çok ince cam liflerinde olduğu gibi).

Seramiklerin iç Yapıları

​

• Seramik fazlar çoğunlukla kristal, bazıları ise kristalleşemediği için amrof yapıdadır.
• Seramik kristallerinde atomların dizilişi çok karmaşıktır. Bağları da kuvvetli olduğundan faz dönüşüm hızları yavaştır.
• Bu nedenle, soğuma hızının iç yapı oluşumuna etkisi büyüktür.
• Camın, normal soğuma hızı sürecinde, sıvı haldeki amorf yapısını koruyarak katılaşması buna örnektir. Eğer çok yavaş soğutulursa, camda kısmen kristalleşme olur

Kristal yapılar

​

• Sayıları Eşit iki Elemanlı Kristaller (AX): En basit seramik bileşiklerdir.
• Eşit sayıda (1/1) metalik ve metalik olmayan eleman vardır.
• Atomlar arasında belirli boyut oranı bulunur. AX tipi bileşiklerde, birim kafeste gerekli boyut oranını veren bir küçük katyon ve bir büyük anyon bulunur.
• Bu yapıya CsCl (Sezyum klorür), NaCl, ZnS, CaO örnek olarak gösterilebilir

Kristal yapılar

• Sayıları Eşit Olmayan iki Elemanlı Kristaller (AmXn): Elemanların oranı 1/2 ya da 2/3 biçimindedir. En sade bileşik olanı florit (Ca₂F₃) gösterilebilir. Bunun dışında, korandum (Al₂O₃) ve ZrO₂ (zirkonyun) örnek olarak verilebilir.
• Üç Elemanlı Kristaller (ABmXn): İki elemanlı bileşiklerden daha karmaşık bir yapıya sahiptirler. BaTiO₃ bu gruba örnek olarak gösterilebilir.
• Kübik kristalin köşelerinde baryum, yüzey merkezlerinde oksijen ve küp merkezinde titanyum iyonu bulunur.Seramik mıknatıslar da bu kristal yapısındadır.

Baryum Titanoksit kristali (Üç elamanlı)

Silikatlar

• Seramiklerin çoğunluğu çeşitli türlerde silikatlar içerir. Silikatlar doğada bol olarak bulunurlar. Bu nedenle de beton, tuğla, kiremit, cam ve porselen gibi yapı malzemelerinin temel taşı silikatlardır.
• Silikatlarda temel yapı birimi silis dörtyüzlüsü (tetrahedron) yani SiO₄'dür.
• Burada silisyum atomu 4 oksijen atomu arasına yerleşmiştir
• Silisyum ve oksijen atomları arasında valans bağı(Kovalent bağı) vardır. Oksijen atomlarının valans elektron kabuğunda, sekiz yerine yedi elektron bulunduğundan, bir boş enerji düzeyi bulunur. Dolayısıyla oksijen atomları eksiklerini ya başka bir metal atomundan alarak tamamlarlar, ya da komşu birim silis dörtyüzlüsünün silisyum atomu ile bir çift elektronu paylaşarak tamamlarlar

Silis dörtyüzlüsünün 3 boyutlu görünüşü

Silikat Yapıları

• Şekilde de görüldüğü gibi, oksijen atomlarının komşu birim silikatların silisyumu ile oluşturduğu uzay ağı düzenli dizilerek kuvartz kristalini, düzensiz dizilirlerse amorf silisi oluştururlar.
• Birim silikatlar metal iyonu ile (örneğin 2 değerli Mg iyonu ile) bağlanarak düzlemsel bir yapı elde edilir. Ya da bir değerli bir metal iyonu (örneğin Na) ile bağlanarak zincir biçiminde bir silikat yapısı oluşur.

Silikat yapıları (iki boyutlu)

Seramik Türleri

​

• Endüstride yaygın olarak kullanılan seramik malzemeler camlar ve pişmiş kil ürünleridir.
• Camlar
• Belirli bir atom düzenine sahip olmayan yani ergimiş haldeki amorf yapısını koruyarak katılaşmış malzemelerdir. Bu nedenle, aşırı soğutulmuş sıvı olarak da adlandırılırlar.
• Camlar çok sert ancak kırılgan olup en önemli özellikleri saydam olmalarıdır. Basma dayanımları yüksek çekme dayanımları ise çok düşüktür.
• Camlar hava, su ve asitlerin (flour asiti dışında) kimyasal etkilerine dayanıklıdır. Alkalilere karşı daha az dayanıklıdır.
• Elmas ve sinterlenmiş karbür gibi sert malzemelerle oda sıcaklığında işlenebilirler. Sıcak olarak şekillendirilebilirler. Cam elyaf üretiminde de kullanılır.

Silis camı (SiO₂):

• Cam oluşturmada çok iyi özelliklere sahip bir bileşiktir. Birim silikatların ara oksijen atomları ile oluşturduğu sürekli bir ağ yapısına sahiptir
• Genel olarak amorfturlar. Silisin ergime sıcaklığı çok yüksektir (1710 ⁰C). Yumuşak halde viskozitesi yüksek olduğundan zor işlenir. Ancak ısı şokuna dayanıklıdır. Bu nedenle sıcaklığa dayanıklı cam eşya yapımında kullanılır

Soda-Kireç Camı

• Silise soda (Na₂O) ve kireç (CO) katılarak elde edilir.
• Ergime sıcaklığı düşük olup erimiş halde viskozitesi düşük olduğundan kolay işlenir.
• Kimyasal etkilere ve suya dayanıklıdır. Sertliği yüksektir. Isıl genleşme katsayısı yüksek olduğundan ısı şokuna dayanamaz, çatlar. Pencere camı ve ucuz cam eşya yapımında kullanılır

Kurşunlu Cam:

• Silise kurşun oksit (PbO) katılarak elde edilir. Işığı kırma ve yayma özeliği yüksektir.
• Ayrıca, kristal adı verilen değerli cam eşya üretiminde. kullanılır

Boron Silikat Camı:

• Silise boron oksit (B₂O₃) katılarak elde edilir.
• Bu camın ısıl genleşme katsayısı çok düşük, kimyasal etkilere ve yüksek sıcaklığa dayanıklıdır.
• Laboratuvar aletleri ve ateşe dayanıklı cam eşya üretiminde kullanılır.
• Pyrex de boron silikat camıdır. Bu camın önemi, bir yandan kuvvetli temizleme maddelerinin kullanılmasına izin veren reaksiyon tembelliğine sahip olması, diğer yandan temizleme kontrolüne izin veren saydamlığa sahip olmasıdır.

Pişmiş kil ürünleri

​

• Kil toprağın bileşenlerinden olup, kayaların herhangi bir etki ile ufalanması sonucu elde edilir.
• Killer bileşimleri ve özellikleri ile farklı yapıda olup ayrı ayrı adlandırılırlar. Kilin temel bileşenleri silis (SiO₂), aluminat (Al₃O₃) ve sudur.
• Kil, bunlardan başka oksitler ve alkaliler de içerir.

Pişmiş kil ürünleri

• Pişirilme sırasında önce ergiyen bileşikler sıvılaşarak, halen katı olan parçacıkların çevresini sarar ve boşlukları doldururlar.
• Bu olaya camlaşma (vitrifikasyon) adı verilir. Sıcaklık yükseldikçe ergiyen miktar dolayısıyla camlaşma oranı artar. Sürdürülen sıcaklık artışı ile (1400 ^oC dolayında) tam camlaşma gerçekleşir.
• Ekonomik açıdan en önemli kil türü kaolen olup, porselenin yapımında kullanılır.
• Kaolen alumina, silis ve az miktarda su içerir.
• Tuğla ve kiremit üretiminde kullanılan kil, yeşil renkli ve plastik kıvamda olup alumina, silis, demir oksitler ve alkali bileşikleri ile birlikte % 20 kadar su içerir.
• Ateş tuğlası gibi yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakter malzemelerin üretiminde kullanılan killer ise yüksek oranda silis, alumina ve magnezyum oksit içerir.

​

​

​

​

Çimento ve beton

​

• Beton çimento ile kum-çakıl ve su karışımından oluşan seramik esaslı kompozit bir malzemedir. Burada çimento bağlayıcı (matris) dir.
• Çimento ile suyun oluşturduğu çimento hamuru kum, çakıl, taş parçaları vb. birbirine sıkı olarak bağlanarak dayanıklı bir kütle oluşturur.
• Çimento esas olarak kil ve kalker taşı ile az miktarda demir oksit ve alçı taşının pişirilmesi ve öğütülerek toz haline getirilmesi ile elde edilen bir malzemedir.

Çimento ve beton

• Çimento içinde farklı bileşenler (trikalsiyum silikat, dikalsiyum silikat ve trikalsiyum alüminat vb) bulunur.
• Çimento su ile reaksiyona girer (hidratasyon), bir süre sonra çimento hamuru plastik özelliğini kaybetmeye ve katılaşmaya başlar. Katılaşma ile birlikte sertlik de artar.
• Bileşenlerin sertleşme süreleri birbirinden farklıdır. Örneğin trikalsyum silikat hızlı, dikalsyum silikat çok yavaş sertleşir. Hidratasyon sırasında ısı açığa çıkar.
• Çimentoların özellikleri bileşimlerine bağlıdır. Yapı endüstrisinden çok kullanılan çimento türü portland'dır (% 50 trikalsyum silikat, % 30 dikalsyum silikat kalanı diğer maddeler).