MALZEME BİLİMİ VE TEKNOLOJİSİ (Güz/ 2024-2025) PDF

MALZEME BİLİMİ VE TEKNOLOJİSİ Dr Öğr. Üyesi Hazal Gezmiş Gökçe Güz/ 2024-2025 1.1. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme bilimi, malzemelerin yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkinin ortaya konması ile ilgilenmektedir. Malzeme mühendisliği, bu yapı-özellik ilişkilerine dayan...

MALZEME BİLİMİ VE TEKNOLOJİSİ Dr Öğr. Üyesi Hazal Gezmiş Gökçe Güz/ 2024-2025 1.1. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme bilimi, malzemelerin yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkinin ortaya konması ile ilgilenmektedir. Malzeme mühendisliği, bu yapı-özellik ilişkilerine dayanarak istenen bir dizi özelliği kazandırmak üzere, malzeme yapısının tasarlanması veya mühendisliğidir.  Bir malzemenin yapısı, içinde bulunan bileşenlerin (öğelerin) oluşturdukları düzen ile ilişkilidir. Yapısal öğeler, boyut açısından küçükten büyüğe doğru; atom-altı, atomsal, nano (10-9), mikro ( 10-6) ölçekte ve makro ölçekte yapısal öğeler olarak sıralanabilir.  Özellik, belirli bir dış etkiye karşılık olarak, cins ve büyüklük bakımından malzemenin kendisine özgü bir biçimde verdiği bir cevap veya tepkidir. Katı malzemelerin neredeyse bütün önemli özellikleri, mekanik, elektrik, ısıl, manyetik, optik ve bozulma ile ilgili olmak üzere altı farklı kategori altında toplanabilir.  Malzeme bilimi ve mühendisliğinin ilgi alanında, yapı ve özelliklerin yanında, malzemelerin işlenmesi ve performansı olmak üzere iki önemli bileşen daha bulunmaktadır. Bu dört bileşen arasındaki ilişki açısından malzemelerin yapısı, nasıl işlem gördüklerine bağlı iken malzemelerin performansı da özelliklerinin bir fonksiyonu olarak değişir. Malzeme bilimi ve mühendisliği bilim dalını oluşturan dört bileşen ve aralarındaki ilişki  1.2. Malzeme Seçimi Malzeme seçiminde göz önünde bulundurulması gereken özellikler: Fiziksel özellikler (boyut, şekil, yoğunluk…) Mekanik özellikler (çekme mukavemeti, süneklik, sertlik, darbe, yorulma, burulma, sürünme direnci…) Kimyasal ve elektrokimyasal özellikler (kimyasal bileşim, çözünürlük, korozyon…) Elektrik ve manyetik özellikler (öz direnç elektrik iletkenliği, manyetiklik…) Isıl özellikler (ısı iletim katsayısı, ergime sıcaklığı, özgül ısı, ısı kapasitesi…) 7  Optik özellikler (ışığı yansıtma ve geçirme, renk, ışığı yutma, kırılma indisi… ) Akustik özellikler (Sesi geçirme, sesi yutma, sesi yansıtma…) Teknolojik özellikler (imal edilebilme, kaynak, döküm, işlenebilme…) Ekonomik özellikler (bulunabilme, maliyet…) 8 1.3. Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Önemi Makine Müh. Kimya Müh. İnşaat Müh. Malzeme seçimi Tasarımı Elektrik Müh. Biyomühendis  1.3. Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Önemi Malzeme seçiminde karar verme kriterleri 1. gerekli malzeme özelliklerinin belirlenmesi için servis (çalışma) koşullarının tanımlanması gerekir. 2. Malzeme özelliklerinin servis şartlarında bozulma olasılığının da göz önüne alınması gerekir. 3. Göz önüne alınması gerekenler arasında belki de en öne çıkan maliyet olacaktır. 1.4. Malzemelerin Sınıflandırılması 3 temel katı malzeme türü: metaller, seramikler ve polimerler olarak üç ana kategoriye ayrılır. İki ya da daha fazla malzemenin birlikte kullanılması sonucu oluşturulan kompozit (karma) malzemeler de vardır. İleri malzemeler: yarı iletkenler, biyomalzemeler, akıllı-malzemeler ve nanomühendislik malzemeleri gibi, ileri teknoloji uygulamalarında kullanılır. Metaller Bu gruptaki malzemeler demir, alüminyum, bakır, titanyum, altın ve nikel gibi bir ya da daha fazla metal elementinden ve genellikle nispeten az miktarlarda karbon, azot ve oksijen gibi metal olmayan elementlerden oluşur.  Seramikler Metal ve metal dışı elementlerden oluşan bileşiklerdir. Çoğunlukla oksitler, karbürler ve nitrürler oluşturur. Alüminyum oksit (alümina, Al2O3) silisyum dioksit (silika, SiO2) silisyum karbür (SiC) Silisyum nitrürün (Si3N4) Porselenler (kil minerallerinden oluşan), geleneksel seramikler ve de cam ve çimento yaygın olarak kullanılan seramik malzemeler  Polimerler Plastik ve lastikten oluşur. Çoğu, kimyasal olarak karbon, hidrojen ve diğer bazı metal dışı elementlerden (O, N ve Si) meydana gelen organik bileşiklerdir. Ana omurgasını çoğu kez karbon atomlarının oluşturduğu ve genellikle zincire benzetilen uzun moleküller halinde bulunan, çok geniş molekül yapıları vardır. Yaygın olarak kullanılan polimerler: Polietilen (PE), naylon, poli (vinilklorür) (PVC), polikarbonat (PC), polisitiren (PS) ve silikon kauçuk. Kimyasal olarak soy (inert) davranış sergiler ve çoğu ortamda kimyasal tepkime vermezler. Dezavantaj: Çok yüksek olmayan sıcaklıklarda yumuşama ve/veya ayrışma eğilimleri kullanımlarını kısıtlamaktadır.  Kompozitler (Karma Malzemeler) Metal, seramik ve polimerlerden iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşan malzemelerdir. Tasarımında, bir malzemenin tek başına sergileyemeyeceği özelliklere ve de kendisini oluşturan malzemelerin en iyi özelliklerine sahip olan bir malzemenin üretilmesi amaçlanır. Küçük boyutlu cam elyafların (fiberlerin) bir polimer (genellikle, epoksi ya da poliester) matris içinde bulunduğu cam-elyaf, yaygın olarak kullanılan kompozitlerden biridir. Karbon elyafların bir polimer matris içinde bulundukları karbon elyaf takviyeli kompozitler (KETK)’dir. Uçak ve uzay uygulamalarında, yüksek teknolojili spor ekipmanlarında (örneğin, bisiklet, golf sopası, tenis raketi ve kayak) ve otomobil tamponlarında da kullanılmaktadır  Bazı metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki yoğunluk değeri aralıklarını gösteren diyagram Metal ve alaşımlarında atomlar oldukça düzenli dizildiğinden yoğunlukları seramik ve polimerlere göre yüksektir. Bazı metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin Bazı metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki rijitlik (elastiklik modülü) değeri oda sıcaklığındaki dayanım (çekme) değeri aralıklarını aralıklarını gösteren diyagram gösteren diyagram Metaller nispeten yüksek rijitliğe ve dayanıma sahiptir. Rijitlik ve dayanım ------- Metaller ~ Seramikler !!!Polimerlerin mekanik özellikleri metaller ve seramiklerden oldukça farklıdır. Düşük yoğunluklu, rijit veya dayanıklı değiller. Ancak ağırlıkları sebebiyle, düşük yoğunlukları göz önüne alındığında ağırlık başına sağladıkları rijitlik ve dayanımları seramik seviyesinde olabilir !!!!  Bazı metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin kırılma direnci (kırılma tokluğu) değeri aralıklarını gösteren diyagram Metaller------ süneklikleri (kırılmadan yüksek oranda şekil değiştirebilme kabiliyeti) ve kırılmaya karşı dirençleri yüksek Seramikler------ son derece gevrek davranış (sünekliği yok) sergiler ve kırılmaya yatkın. Yeni tip seramiklerde kırılma dirençleri iyileştirilmiştir. Polimerler---- son derece sünek, bu sebeple karmaşık şekilleri oluşturacak biçimde kolayca şekillendirilebilir.  Metal, seramik, polimer ve kompozit malzemelerin oda sıcaklığındaki elektrik iletkenliği aralıklarını gösteren diyagram Metaller------ belirli bir atoma bağlı olmayan serbest elektronları sayesinde elektriği ve ısıyı iyi iletir. Seramikler------ısı ve elektrik iletkenliği açısından yalıtkan Bu sebeple metal ve polimerlere göre yüksek sıcaklıklara ve malzemeyi zorlayıcı ortamlara karşı daha dayınıklı. Polimerler---- elektrik iletkenliği düşük ve manyetiklenme özelliği yoktur.  İleri Malzemeler Yüksek teknoloji uygulamalarında kullanılan malzemeler bazen ileri malzemeler olarak adlandırılır. İleri malzemeler, iyileştirilmiş geleneksel malzemeler veya yeni geliştirilmiş yüksek performanslı malzemeler tipik olarak özellikleri olabilir. Genellikle maliyetleri yüksektir. İleri malzemeler, yarı iletkenleri, biyomalzemeleri ve “geleceğin malzemeleri” olarak adlandırabileceğimiz akıllı malzemeler ile nano- malzemelerini kapsamaktadır.  Yarı İletkenler Yarı iletken malzemelerin elektriksel özellikleri, elektriksel metal ve alaşımları (iletken) ile seramik ve polimer malzemelerin (yalıtkan) arasındadır. Bu malzemelerin elektriksel özellikleri, yapılarında çok düşük konsantrasyonlarda bulunan empürite atomlarının varlığına oldukça duyarlıdır. Yarı iletkenler, elektronik ve bilgisayar endüstrisinde, (dolayısıyla günlük hayatımızda), devrime yol açan entegre devrelerin gelişmesini sağlamıştır.  Biyomalzemeler İnsan vücudundaki hasar görmüş, işlevini kısmen veya tamamen kaybetmiş doku ve organlara yardımcı olmak, onları desteklemek, işlevlerini üstlenmek veya tamamen yerini almak amacıyla kullanılan, doğal veya sentetik malzemelere denir. Bu malzemelerin zehirli madde üretmemesi (toksik olmaması) ve vücut dokusu ile uyumlu olması gerekir. Buraya kadar bahsedilen bütün malzemeler, yani metal, seramik, polimer, kompozit ve yarı iletkenler biyomalzemeler olarak kullanılabilir. Todros ve ark. 2021. Processes. Biomaterials and Their Biomedical Applications: From Replacement to Regeneration.  Akıllı Malzemeler Akıllı malzemeler, birçok teknoloji üzerinde önemli etkileri bulunan en yeni malzeme grubudur. Akıllı nitelemesi bu malzemelerin, yaşayan organizmalarda görüldüğü gibi, bulundukları ortamda meydana gelen değişiklikleri hissedebildiklerine ve önceden belirlenen bir cevap oluşturabildiklerine işaret etmektedir. Bir akıllı malzeme (ya da sistemi), giriş sinyalini algılayan bir çeşit sensör ve bu sinyale uygun bir cevap oluşturan bir aktüatörden (uyarıcıdan) oluşur.  Akıllı Malzemeler Aktuatörlerde (uyarıcılarda), şekil hafızalı alaşımlar, piezoelektrik seramikler, manyetostriktif malzemeler, elektroreolojik/manyetoreolojik akışkanlar olmak üzere dört farklı malzeme türü yaygın olarak kullanılır. 25 Akıllı Malzemeler Fiberoptik / optik fiber, kendi boyunca içinden ışığın yönlendirebildiği plastik veya cam fiberlerden oluşmuş bir optik liftir. Diğer iletişim malzemelerine oranla uzun mesafelerdeki veri iletişiminin daha hızlı ve yüksek değerlerde yapılabilmesine olanak verdikleri için haberleşme sistemlerinde çok sıklıkla kullanılmaktadırlar. Metal kablolar yerine fiber kabloların kullanılmasının nedeni, daha az kayba neden olmaları ve elektromanyetik etkileşimden etkilenmemeleridir. Optik fiberler, bazı polimerler de dâhil olmak üzere piezoelektrik malzemeler ve mikro-elektromekanik sistemler, sensörlerde kullanılan malzeme ve cihazlar arasındadır. Nanomalzemeler 1965 Nobel Fizik Ödülü Richard Feynman: »Aşağıdaki daha çok yer var» Dört temel malzeme türünün herhangi birine ait olabilir. 1-100 nm boyutlarında gerçekleştirilen fen ve mühendislik bilgilerinin teknolojik uygulamasına nanoteknoloji adı verilmiştir. Parçacık boyutları atomsal boyutlara yaklaştığında, malzemelerin sergiledikleri bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerde çarpıcı değişiklikler meydana gelir. Bu özgün ve olağandışı özellikleri sayesinde elektronik, biyomedikal, spor, enerji üretimi ve diğer endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Nanomalzemeler medikal uygulamaları üzerine yeteri kadar çalışma bulunmamasına rağmen, deri, akciğer ve sindirim sistemi yoluyla hızlı bir şekilde vücut tarafından emilebilecekleri ve yeterli konsantrasyonlarda bulunmaları durumunda, akciğer kanseri ya da DNA hasarı gibi sağlık riskleri içerdikleri konusunda endişeler vardır.  Nanomalzemeler Nanomalzemelerin sağlık üzerine etkileriyle ilgili olarak çalışmalar artarak devam etmektedir. Özellikle kanser tanı ve tedavisinde, ilaç salınım sistemlerinde sıklıkla denemeleri mevcuttur. Deri, akciğer ve sindirim sistemi yoluyla hızlı bir şekilde vücut tarafından emilebilecekleri ve yeterli konsantrasyonlarda bulunmaları durumunda, akciğer kanseri ya da DNA hasarı gibi sağlık riskleri içerdikleri konusunda görüşler mevcuttur. 28  1.5. Modern Malzeme Gereksinimleri Enerji darboğazı açısından ümit vaat eden nükleer enerji konusundaki problemlerin çözümü; kullanılan yakıtlar, depolama malzemelerinin yapıları radyoaktif atıkların depolanma imkânları Ulaşım ve taşımacılık >>> yüksek enerji masrafı Araç ağırlıklarının azaltılması Motor çalışma sıcaklıklarının arttırılması Yüksek dayanımlı ve düşük yoğunluklu yeni yapı malzemelerinin geliştirilmesi Yüksek sıcaklıklara dayanıklı motor parça malzemelerinin geliştirilmesi yakıt sarfiyatını iyileştirecektir. 29 1.5. Modern Malzeme Gereksinimleri Ucuz yeni eneji kaynaklarının bulunması ve mevcut kaynakların daha verimli kullanılması Güneş enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi için kullanılan güneş hücrelerinde daha az karmaşık ve düşük maliyetli malzemelerin kullanılması gereksinimi Hidrojen yakıt hücreleri : Çevreci enerji kaynağı Elektronik aletlerde pil olarak kullanılmaya başlanmıştır. Otomobilllerde enerji kaynağı olarak kullanımı gelecek vaat etmektedir. İhtiyaç: Daha iyi katalizör görevi görecek yeni malzemelerin geliştirilmesi 1.5. Modern Malzeme Gereksinimleri Çevre kalitesi ~ hava ve su kirliliğini kontrol edebilme Malzeme işleme ve arıtma yöntemlerinin çevrede tahribata daha az yol açacak şekilde iyileştirilmesi Ham maddelerin çıkarılması sırasında doğaya daha az zarar verecek şekilde iyileştirilmesi Bazı malzemelerin üretim aşamalarında ortaya çıkan by-product’lar zehirli olabildiğinden bunların atılması, biriktirilmesi / imhası ülkelerce sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir. 1.5. Modern Malzeme Gereksinimleri Kullandığımız malzemelerin çoğu yenilenebilir olmayan, yani tekrar oluşturulamayan kaynaklardan elde edilmektedir. Ana ham maddesi petrol olan polimerlerin çoğu ve bazı metaller vb. Bu kaynakların zamanla tükenmekte olması; 1) yeni rezervlerin bulunmasını, 2) karşılaştırılabilir özelliklere sahip aynı zamanda çevreye daha az zararlı yeni malzemelerin geliştirilmesini 3) geri dönüşüm çabalarının arttırılması ile yeni geri dönüşüm teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. 32