Farklı grafen nanoplaka ilavelerinin sialon seramiklerinin mekanik, ısıl ve elektriksel özelliklerine etkisi

Abstract

SiAlON seramikleri sahip oldukları üstün özellikler sayesinde havacılık, otomotiv ve savunma sanayileri olmak üzere geniş kullanım alanına sahiptir. Bununla birlikte, SiAlON'ların mekanik, ısıl ve elektriksel özelliklerinin iyileştirilmesi, kullanım ömürlerinin uzamasının yanı sıra yeni kullanım alanlarının da ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Mükemmel mekanik, ısıl ve elektriksel özelliklere sahip olan grafen nanoplakaları (GNP) seramik matrislere ikinci faz olarak eklendiğinde malzemenin özelliklerini gözle görülür bir şekilde iyileştirmektedir. Bununla birlikte, aynı matris malzemeye aynı/yakın miktarlarda GNP'lerin eklendiği farklı çalışmalarda birbirinden farklı mekanik, ısıl ve elektriksel performanslar elde edilmiştir. Bunun en önemli nedeni ise çalışmalarda özellikleri birbirinden farklı olan GNP'lerin kullanılmasıdır. Bu çalışmada, farklı plaka genişliği, kalınlık (plaka sayısı) ve genişlik/kalınlık oranına sahip dört farklı GNP, aynı miktarlarda SiAlON matrise eklenmiş ve kompozitler spark plazma sinterleme (SPS) fırınında sinterlenmiştir. GNP-SiAlON kompozitlerinin mikroyapıları, sertlik, kırılma tokluğu ve sürtünme katsayısı gibi mekanik özellikleri ile ısıl ve elektriksel iletkenlikleri ölçülerek karşılaştırılmıştır. Ayrıca, çalışma boyunca kullanılan dört farklı GNP'den bir tanesine kalınlık azaltılması amacıyla 1, 2, 4 ve 8 çevrim sayılarında mikroakışkanlaştırma tekniği uygulanarak farklı çevrim sayılarının GNP'lerin boyut ve kalınlıkları ile eklendikleri matrisin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. SiAlON'un mekanik özellikleri ile ısıl ve elektriksel iletkenliğinde en yüksek artışa GNP'lerde büyük plaka genişliği, yüksek genişlik/kalınlık ve olabildiğince ince plaka yapısıyla ulaşıldığı belirlenmiştir.Anahtar Sözcükler: SiAlON, GNP, Plaka genişliği, Kalınlık (Plaka sayısı), Mikroakışkanlaştırma.

SiAlON ceramics have a wide range of application areas such as aviation, automotive and defense industries thanks to their superior properties. In addition, improvements in mechanical, thermal and electrical properties of SiAlONs leads to new application areas as well as longer service life. When the graphene nanoplatelets (GNPs) with excellent mechanical, thermal and electrical properties are added as a second phase to the ceramic matrices, they dramatically improve the properties of the material. However, different mechanical, thermal and electrical performances have been obtained in different studies even when same/close amounts of GNPs were added to the same matrix. The most important reason for this is the use of GNPs having different properties from each other. In this study, four different GNPs with different platelet size, thickness (number of platelets) and size/thickness ratios were added to SiAlON matrix and composites were sintered in spark plasma sintering (SPS) furnace. The microstructures, mechanical properties such as hardness, fracture toughness and friction coefficient and also thermal, electrical conductivities of GNP-SiAlON composites were compared. Additionally, to reduce the thickness, microfluidization technique was applied in 1, 2, 4 and 8 cycle numbers to one of the GNPs used during the study. The effects of different cycle numbers on the GNPs dimensions and thicknesses and also on the mechanical properties of the matrix were investigated. It was determined that the highest increment in the mechanical properties, thermal and electrical conductivity of the SiAlON was achieved by GNPs with larger platelet size, higher size/thickness ratio and thinner structure.Keywords: SiAlON, GNP, Platelet size, Thickness (Number of platelets), Microfluidization.