Structural and Mechanical Properties of Carbon Fiber Fabric Reinforced ZrB2-SiC Composites Produced by Spark Plasma Sintering Method

Abstract

Bu çalışma kapsamında ZrB2-SiC matris fazı içerisine karbon fiber kumaş takviyesi yapılarak seramik matris kompozit malzemeleri üretilmiştir. Kullanılan seramik malzemeler etanol ortamında karıştırılarak bir seramik çamuru hazırlanmış ve bu çamur karbon fiber kumaşlara basınçsız emdirme işlemi yapılarak uygulanmıştır. Seramik malzemelerin kütlece oranı ZrB2-ağ.%20SiC şeklindedir. Bağlayıcının etkisini araştırmak amacıyla bazı kompozitler polivinil butiral (PVB) kullanılarak hazırlanmıştır. Homojen bir seramik çamuru elde etmek amacıyla başlangıç tozları bir polietilen (PET) şişe içerisine eklenmiş ve Si3N4 bilyeler kullanılarak bilyeli değirmende 24 saat boyunca karıştırılmıştır. Hazırlanan seramik çamurunun karbon fiber kumaşlara uygulanma ve kurutma işlemlerinin ardından kompozit malzemeler Spark Plazma Sinterleme (SPS) işlemine tabi tutulmuşlardır. Sinterleme işlemi tek aşamalı ve çift aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. Ulaşılan maksimum sinterleme sıcaklığı 2000 ℃ ve maksimum sıcaklıkta bekleme süresi 30 dk şeklindedir. Uygulanan maksimum basınç ise 50 MPa’dır. Sinterleme sürecinin ardından çeşitli karakterizasyon işlemleri için uygun boyutlarda kesilen numunelerin Arşimet Prensibi ile yoğunluk analizleri, X-ışını toz kırınımı yöntemi ile faz analizleri, taramalı elektron mikroskobu ile mikro yapısal analizleri ve Instron cihazı ile 3 nokta eğme testi analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre; sinterleme aşamasının çift aşamada gerçekleştirilmesi ve çamur hazırlama sürecinde bağlayıcı kullanılmasının yapısal ve mekanik özellikler açısından daha verimli olduğu saptanmıştır. Maksimum yoğunluğa (2,3972 g/cm3) çift aşamada sinterlenen ve bağlayıcı kullanılan malzemede ulaşılmıştır. Ayrıca aynı malzeme 5,59 GPa’lık maksimum elastik modülü ile karakterize edilir.