Zırh uygulamaları için alümina seramiklerin sert seramik katkılar ve metal faz ile takviyelendirilerek üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Seramik malzemeler, düşük özgül ağırlık ve yüksek mekanik özelliklerinden (sertlik, elastisite modülü, mukavemet) dolayı zırh uygulamalarında sıklıkla tercih edilmektedir. Alümina (Al2O3), ileri seramik malzemeler içerisinde en yüksek fayda-fiyat oranına sahip olan malzemedir. Ancak silisyum karbür (SiC) ve bor karbür (B4C) ile kıyaslandığında, daha düşük sertliğe sahiptir ve özgül ağırlığı da daha yüksektir. Düşük eğme mukavemeti ile de SiC ve B4C'e göre daha zayıf balistik performans sergilemektedir. Bu tez çalışmasında, saf alüminanın çeşitli katkılarla mukavemet ve sertliğinde artış sağlayarak, araç ve personel zırhlarında kullanılmak üzere iyi bir alternatif aday zırh malzemesi olarak üretilmesi ve karakterize edilmesi hedeflenmiştir. Bunun için Al2O3 matrise seramik katkı olarak yitria ile stabilize zirkonya (YSZ) ve krom oksit (Cr2O3), metal faz olarak da heterojen çöktürme yöntemi kullanılarak nano boyutta nikel (Ni) ilavesi yapılmıştır. En yüksek mukavemet saf alüminaya göre % 84'lük bir artış ile YSZ+Ni içeren alümina (ANZ) için elde edilmiştir. Bu artış Ni parçacıklarının tane sınırını mukavemetlendirmesi ile ilgilidir. Ni parçacıklarının varlığı Hall-Petch etkisi ile sertliği arttırmıştır, ANZ için en yüksek sertlik değeri (25,5 ± 1,0 GPa) elde edilmiştir. Ağırlık düşürme test sonuçlarına göre en yüksek maksimum kuvvet değeri ANZ kompozisyonu için ortalama 26617 N olarak ölçülmüştür. En yüksek sertlik ve maksimum yük değeri ile ANZ kompozisyonu belli bir darbe enerjisi için kurşunun daha fazla tahrip edilmesini sağlayacaktır. Bu tez çalışmasından 3 adet SCI makale yayınlanmıştır ve tez kapsamında bir TUBİTAK 1002 (118M806) projesi tamamlanmıştır.Ceramic materials are often preferred due to their low specific weight and high mechanical properties (hardness, elastic modulus, strength) in armor applications. Alumina (Al2O3) has the highest benefit cost ratio among the advanced ceramic materials. However, Al2O3 has lower hardness and higher specific weight when it is compared to silicon carbide (SiC) and boron carbide (B4C). Also, its low bending strength results in lower ballistic performance in comparison with SiC and B4C. In this thesis, it is aimed to produce and characterize alumina as a good alternative candidate armor material for use in vehicle and personnel armor by increasing the tensile strength and hardness of the pure alumina with various additives. Accordingly, yitria stabilized zirconia (YSZ) and chromium oxide (Cr2O3) were added as ceramic additives to the Al2O3 matrix and nano-size nickel (Ni) was added as a metal phase by using heterogeneous precipitation method. The highest strength was obtained for alumina containing YSZ+Ni (ANZ) with an 84 % increase compared to the pure alumina. This increase is related to the grain boundary strengthening of Ni particles. The presence of Ni particles increased the hardness with Hall-Petch effect, and the highest hardness value (25.5 ± 1.0 GPa) was obtained for ANZ. According to the drop weight test results, the maximum force value was measured as 26617 N for ANZ composition. With the highest hardness and maximum load value, the ANZ composition will lead to further destruction of a bullet for a given impact energy. From this thesis, three SCI papers were published and a TUBİTAK 1002 (118M806) project was completed.