Şerit döküm ile şekillendirilen kordiyerit-anortit esaslı seramik bünyeye mullit fiber ilavesinin mekanik ve dielektrik özellikler üzerine etkisi

Abstract

Bu çalışmada sulu şerit döküm yöntemi ile kordiyerit esaslı seramik malzeme ve mullit fiber katkılı kordiyerit esaslı seramik kompozit malzeme üretilmiştir. Üretilen şeritler ile hem ağırlıkça % 20 mullit fiber katkılı tabakalı kompozit bir yapı şeklinde ve hem de fiber ilavesi olmadan 30 MPa basınçta preslenmiştir. Mullit kristallerinin fiber şekline getirilme işlemi tamamen laboratuvar ortamında yapılmıştır. Sinterleme işlemi 1340 ̊ C sıcaklıkta 2 s boyunca sıvı faz sinterleme ile olmuştur. Sinterleme sonrası XRD analizinde kordiyerit fazının yanında ikincil bir anortit fazının olduğu tespit edilmiştir. Sıvı faz sinterleme ile kordiyerit-anortit seramiği ve mullit fiber katkılı kordiyerit-anortit seramik kompozit malzemesi herhangi bir deformasyona uğramadan sinterlenebilmiştir. SEM görüntülerinde mikron mertebelerde yoğun ve homojen bir kordiyerit-anortit seramik bünyesi oluştuğu gözlemlenmiştir. Kordiyerit-anortit seramik bünyesinin elastik modulüs, kırılma mukavemeti, Vickers sertlik, kırılma tokluğu, ısıl genleşme katsayısı, dielektrik sabiti, dielektrik kayıp tanjantı, elektriksel iletkenlik ve özdirenç karakterizasyon işlemleri yapılmıştır. Mullit fiber katkılı kordiyerit-anortit seramik kompozit malzemesinin ise elastik modulüs ve kırılma mukavemeti karakterizasyon işlemleri yapılmıştır. Yapılan bu karakterizasyon işlemlerinden alınan sonuçlar; kordiyerit-anortit seramik bünyesinin elastik modulüs 121 GPa, kırılma mukavemeti 90 MPa, Vickers mikrosertlik 820 HV, kırılma tokluğu 2,1 MPa.m1/2, ısıl genleşme katsayısı 600 ̊C sıcaklıkta 4,0 x 10-6 C-1 , 600 ̊C-800 ̊C sıcaklık aralığında ise 2,68 x 10-6 C-1, dielektrik sabiti 1 MHz'de oda sıcaklığında 4,5, 300 ̊C sıcaklıkta 8,5, dielektrik kayıp tanjantı oda sıcaklığında 0,0015, 300 ̊C sıcaklıkta 0,005 ve elektriksel iletkenlik oda sıcaklığında 7-7,5 x 10-6 S/cm, 250 ̊C sıcaklıkta ise 7,5-8 x 10-6 S/cm ve özdirenç 2,11 x 1011 Ω.m, mullit fiber katkılı kordiyerit-anortit seramik kompozit malzemesinin elastik modulüsü 106 GPa ve kırılma mukavemeti 60 MPa olarak tespit edilmiştir. Tüm bu sonuçlara göre oluşan anortit fazı kordiyeritin özelliklerini kötü yönde etkilemediği tespit edilmiştir, fakat mullit fiber katkısı beklenenin aksine mekanik özellikleri düşürmüştür.

In this thesis, influence of mullite fiber reinforcement in mechanical and dielectrical propertiesof cordierite-anorthite ceramic structure. First, tape casting method was applied toraw materials which will react in-situ to cordierite-anorthite during sintering in orderto produce mullite fiber reinforcement composite by adding mullite fibers intobetween thick ceramic films. Second, mechanical characterization of cordierite basedceramic material and 20wt% mullite fiber reinforcement cordierite based ceramicmaterial. These results; 106 GPa elastic modulüs and 60 MPa flexural strenght ofmullite fiber reinforcement cordierite based ceramic material, 121 GPa elasticmodulüs, 90 MPa flexural strength, 820 HV hardness and 2,1 fracture toughness ofcordierite based ceramic material. There is also fact that application of cordieritebased ceramic material as electrical substrate material were searched. Because ofthis, thermal expansion coefficient, dielectric constant, dielectric loss tangent,electrical conductivity and resistivity were measured. These results are; thermalexpansion coefficient is 4,0 x 10-6 C-1 between 25 ̊C-600 ̊C and 2,68 x 10-6 C-1between 600 ̊C-800 ̊C, dielectric constant is 4,5 and dielectric loss tangent is 0,0015at 1 MHz and room temperature but at 300 ̊C, dielectric constant is 8,5 and dielectricloss tangent is 0,005 at 1 MHz. Electrical conductivity is 7-7,5 S/cm x 10-6 at roomtemperature and is 7,5-8 S/cm x 10-6 at 250 ̊C and resistivity is 2,11 x 1011. On theother side, ceramic composite materials which include 20wt% mullite fibers wereproduced, afterward were matched with cordierite-anorthite ceramics aboutmechanical properties. The results of elastic modulus and flexural strenght ofceramic composite material are 106 GPa and 60 MPa, respectively. According tothose results, mullite fiber reinforcement into cordierite-anorthite ceramics unlikelydecreased mechanical properties.