Atık alüminyum kullanarak grafen ve silisyum nitrür takviyeli kompozit üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışma; hem ekonomik hem de kolay bir yöntem olan karıştırma döküm yöntemi kullanılarak, silisyum nitrür (Si3N4) ve grafen takviyeli alüminyum matrisli kompozit (AMK) malzeme üretmek, bu malzemelerin mekanik ve mikroyapı özelliklerini incelemek amacıyla yapılmıştır. Üretimi yapılan kompozit malzemelerin matrisi için saf alüminyum veya ticari alüminyum alaşımları yerine atık alüminyum içecek kutuları kullanılmıştır. Takviye elemanı olarak ise grafen ve Si3N4 tozları kullanılmıştır. Çalışmanın birinci aşamasında; atık içecek kutularının üzerindeki boyaların giderilmesi için ön ergitme işlemi uygulanmış, elde edilen sıvı ergiyik kalıplara dökülerek külçeler halinde matris malzemesi elde edilmiştir. İkinci aşamada, külçe alüminyumlar ergitme fırını potasında ergitilerek, ağırlıkça % 0.1, 0.3 ve 0.5 oranında grafen ve % 0.5, 0.75 ve 1 oranında Si3N4 tozları ile takviye edilerek iki farklı türde kompozit malzeme üretilmiştir. Üçüncü aşamada ise, elde edilen kompozitlerin mekanik ve mikroyapı özellikleri incelenmiştir. Si3N4 takviyeli kompozitlerde, artan takviye oranına bağlı olarak, çekme mukavemeti 54,5 MPa'dan 105,17 MPa'ya, darbe mukavemeti 4,94 J'den 13,18 J'ye ve sertlik 70 HV'den 87,9 HV'ye yükselmiştir. Yapılan yoğunluk ölçümlerinde takviye oranının artmasıyla yoğunluğun ve gözenek oranının arttığı görülmüştür. Üretilen kompozitlerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerinden, takviye malzemesinin homojen olarak dağıldığı görülmüştür. Grafen takviyeli kompozitlerde ise çekme mukavemeti 54,5 Mpa'dan 158,96 Mpa'ya kadar artmış ve en yüksek çekme mukavemeti % 0.3 takviye oranında elde edilmiştir. Sertlik değeri 70 HV'den 80,05 HV'ye yükselmiş, en yüksek sertlik % 0.1 takviye oranında elde edilmiştir. Darbe dayanımı 4,94 J'den 30,04 J'ye yükselmiş, en yüksek darbe dayanım değerinin yine % 0.1 takviye oranında elde edildiği görülmüştür. Grafen takviyeli kompozitlerin yoğunluğunun, artan takviye oranıyla birlikte düştüğü, gözenek oranının ise artış gösterdiği belirlenmiştir. SEM görüntülerinden grafen plakaların, alüminyum tane sınırlarına yerleştiği görülmüştür.

The aim of this study is to produce silicon nitride (Si3N4) and graphene reinforced aluminum matrix composite (AMC) material with using Stir Casting Method which is an economic and easy method and investigate mechanical and microstructure specifications of this material. Instead of pure aluminum or commercial aluminum alloy, waste aluminum was used for the matrix of produced composite material. As for reinforcing material silicon nitride (Si3N4) and graphene powder is used. Silicon nitride (Si3N4) and graphene powders were used as reinforcing the material. In the first phase of the study; the pre-melting process was applied to remove the paints on waste beverage cans, and poured to liquid melt molds to obtain the bullion matrix material. In the second phase, two different types of composite materials were produced by melting bullion aluminum in the melting furnace by reinforcing with 0.1%, 0.3% and 0.5% graphene and 0.5%, 0.75% and 1% Si3N4 powders. In the third phase, the mechanical and microstructure specifications of the obtained composites were investigated. In Si3N4 reinforced composites, tensile strength increased from 54,5 MPa to 105,17 MPa, impact strength increased from 4,94 J to 13,18 J, and hardness values increased from 70 HV to 87,9 HV depending on the increased reinforcement ratio. Also, in the density measurements, density and porosity ratio increased with the increase of the reinforcement ratio. The produced composites were examined with scanning electron microscope (SEM) and it was seen that the reinforcement material was homogeneously dispersed. In graphene reinforced composites, tensile strength increased from 54,5 MPa to 158,96 MPa and the highest tensile strength was obtained at 0.3% reinforcement ratio. The hardness value increased from 70 HV to 80,05 HV and the highest hardness reinforcement ratio was obtained at 0.1%. It was seen that the impact resistance increased from 4,94 J to 30,04 J and the highest impact resistance value was obtained again at the reinforcement rate of 0.1%. It was determined that the density of graphene-reinforced composites decreased but the porosity ratio increased with increasing reinforcement ratio. It was seen from the SEM images that, graphene platelets were settled on aluminum grain boundary.