Malzeme Bilimi

Seramik Nedir? Kullanım Alanları Nelerdir?

Gelişmelerden haberdar olmak için bizi Google Haberler'den takip edin!

Mühendistan Google News

Herkesin üzerinde uzlaştığı tek bir tanım olmadığı için “seramik” teriminin ne anlama geldiğini tanımlamak kolay değildir; Ancak hayatımızın her alanında seramik malzemelere rastlamak mümkündür. Bu yazımızda sanattan, endüstriye, sağlıktan inşaata hatta oyuncaklara kadar bir çok alanda en güvendiğimiz malzemelerden olan seramikleri ele alacağız.

Seramik Nedir?

Seramik kavramı, tarihsel olarak, Yunanca κεραμοσ teriminin türetildiği pişmiş toprak ve çanak çömlek kavramıyla ilişkilidir. Bu terim, toprakları, ezilmiş kayaları yani jeolojik malzemeleri ifade eder.

Görsel görünümü kuru killerden çok farklı olmayan, ancak mekanik direnci çok daha yüksek olan ve suya karşı duyarsızlığın önemli bir özellik oluşturduğu bu ürünlere örnek olarak pişmiş toprak tuğlalar veya saksılar verilebilir.

Seramiklerin Tarihi

Seramik, binlerce yıl öncesine dayanan en eski endüstrilerden biridir. İnsanlar kilin bolca bulunabileceğini ve önce suyla karıştırılıp sonra ateş vasıtasıyla kullanışlı ve sağlam nesnelere dönüştürülebileceğini keşfettiğinde, aslında geleceğin en önemli malzemelerinden olacak seramiklerin doğuşuna ışık tutmuşlardı. Bilinen en eski seramik eser, Paleolitik dönemde M.Ö 28.000 yıllarına kadar dayandığı tahmin edilmektedir.

Rastlanılan eski buluntulardan biri, Çek Cumhuriyeti’ndeki Brno kenti yakınlarındaki küçük bir kasabada “Dolní Věstonice Venüsü” adlı bir kadının heykelidir. Bu konumda, at nalı şeklindeki bir seramik parçanın kalıntılarının yanında Buz Devri hayvanlarını temsil eden yüzlerce kilden yapılan figürün de varlığı ortaya çıkarılmıştır.

Dolní Věstonice Venüsü (Kaynak: Wikipedia)

Ayrıca İslam ve Türk devletlerin de caiz görülmemesine rağmen bazı Osmanlı padişahları veya paşaları bu halkın puta benzettiği seramikten heykelleri yaptırmış ve çoğu tepki görmesi üzerine günümüze ulaşamamıştır.

Tekrar tarih öncesi çağlara gelecek olursak, M.Ö 18.000-17.000 yılların da Doğu Asya’da Çin’deki Xianrendon mağarasında çömlek parçaları bulundu. Çin’den çömlek kullanımının ardından, Japonya’ya göçler ve kültürel alışverişler sonucunda Anadolu ve Avrupa’ya yayıldığı düşünülmektedir.

Neolitik dönemde, hayatlarını tarım ve çiftçiliğe adamış yerleşik toplulukların kurulmasıyla seramik kullanımı önemli ölçüde arttı. Yaklaşık olarak MÖ 9.000’den başlayarak, kil bazlı seramikler su ve yiyecek, sanat objeleri, fayans ve tuğlalar için kullanımları popüler hale geldi ve kullanımları Asya’dan Orta Doğu ve Avrupa’ya hatta Afrika ve Rusya topraklarına kadar çok geniş bir alana yayıldı. İlk ürünler güneşte kurutuldu veya düşük sıcaklıkta (1.000°C’nin altında) toprağa açılan ilkel fırınlarda ateşlendi.

Camlar da bir çeşit seramik türüdür. Bu bağlam da tarihte MÖ 7000 civarında, insanların doğal olarak oluşan bir volkanik cam olan obsidiyenden yapılmış keskin aletler kullandıkları biliniyordu. Romalı tarihçi Pliny, ilk insan yapımı camın, MÖ 5.000’de Fenikeli tüccarlar tarafından bir kumsalda istirahat ederken, ateşin yanına sodyumca zengin kayaların üzerine pişirme kapları yerleştirdiklerinde şans eseri üretildiğini bildirmiştir. Öncelikle ateşin ısısı kayaları ısıttı ve içeriğindeki kristallerle kum karışarak erimiş bir cam oluştu. 

Seramik üretimindeki atılımlardan biri, MÖ 3.500’de tekerleğin icadıydı. Tekerleğin seramikten yapılması ilk insanlar için hem hafif hem de sağlam olması taşımacılığın bir çok alan da faydalarından yararlanmalarına sebep olmuştur.

15. yüzyıla gelindiğin de, Avrupa’da 1.500°C’ye kadar çıkabilen yüksek fırınlar geliştirildi. İlk başlar da demiri eritmek için kullanıldılar. Daha sonra 16. Yüzyıl da yüksek sıcaklıklara karşı daha dayanıklı olan “refrakter” olarak adlandırılan seramik malzemeler geliştirildiğinde, sanayi devrimi doğdu diyebiliriz. Bu refrakterler, metalleri ve camı endüstriyel kullanım için eritebilmeyi ve ayrıca kok, çimento, kimyasallar ve seramik üretimi için gerekli koşulları yarattı.

O zamandan beri, seramik endüstrisi büyük bir dönüşüm geçirdi. Sadece geleneksel seramik ve cam her yerde bulunmakla kalmadı, aynı zamanda bu malzemelerin düşük termal ve elektrik iletkenliği, yüksek kimyasal direnci ve yüksek erime noktası gibi benzersiz özelliklerinden yararlanmak için zaman içinde yeni ürünler geliştirildi.

Seramiklerin Tarihi

İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra seramik ve cam, elektronik, optoelektronik, tıp, enerji, otomotiv, havacılık ve uzay araştırmaları dahil olmak üzere teknolojik olarak gelişmiş birçok alanın büyümesine katkıda bulunmuştur. Ayrıca, seramik işleme ve karakterizasyon tekniklerindeki yenilikler, özel ve özelleştirilmiş uygulamaların gereksinimlerini karşılayan spesifik özelliklere sahip malzemelerin oluşturulmasını sağlamıştır.

Tüm bu gelişmelerin, küresel olarak seramik ve cam endüstrisini 2018’de tahmini 800 milyar dolardan 2023’te yaklaşık 1,1 trilyon dolarlık bir pazar haline getirmesi beklenmektedir.

Seramikler ve cam tarihindeki en önemli kilometre taşlarının bir özeti aşağıdaki tabloda verilmektedir.

28.000 M.Ö.Seramik figürinler dinsel tören amaçlı kullanılmaktadır.
18.000 M.Ö.Çin’de çanak çömlek yapımında kullanılmış.
MÖ 18.000 – MÖ 14.000Doğu Asya’da seramik çanak çömleklerin kullanımı yaygınlaşır.
9.000 M.Ö.Vazolar, tuğlalar ve fayanslar gibi seramik ürünler Orta Doğu ve Avrupa’da popüler hale gelmiştir.
MÖ 7000Doğal camdan yapılmış keskin aletler ortaya çıkmıştır.
5.000 M.Ö.Fenikeli tüccarlar ilk bardağı yapmışlardır.
3.500 M.Ö.Basit cam eşyalar Mezopotamya ve Mısır’da üretilmiştir.
3.500 M.Ö. Tekerlek icat edildi.
3000 M.Ö.Mezopotamya’da sırlanmış daha işlevli çanak çömlekler üretilmiştir.
1500 M.Ö.Mısırlılar cam eşya üretimi için fabrikalar kurmaya başlamışlardır.
700 M.Ö.Antik Yunanistan’da seramik çanak çömlek sanat eseri haline gelmiştir.
600 M.ÖÇin porselenleri keşfedildi.
1400’lerAvrupa’da metalürji biliminde çığır açan yüksek sıcaklık fırınları geliştirilmiştir.
1500’lerÇelik, cam, seramik ve çimento yapmak için yüksek sıcaklıkta refrakter malzemeler keşfedildi ve bu olay sanayi devrimine yol açtı.
1800’lerin ortasıSeramik malzemeden elektrik yalıtkanları ve akkor ampuller icat edildi.
1920’lerİzolatörler için yüksek mukavemetli kuvarsla zenginleştirilmiş seramik, alümina bujiler, otomobiller için cam pencereler ve seramik kapasitörler icat edildi.
1940’larFerritler ve ferroelektrik malzemeler üzerine araştırmalar başladı.
1950’lerBaryum titanat bazlı seramik kapasitörler geliştirildi.
1960’lar220 kV üzerindeki voltajlar için alümina izolatörleri, karbürler ve nitrürler için uygulamalar geliştirildi. Ayrıca biyocamlar da keşfedildi.
1970’lerKatalitik konvertör için yüksek performanslı hücresel seramik substratlar ticarileştirilmiştir.
1980’lerYüksek sıcaklık seramiklerinden süper iletkenler geliştirildi.
1990’larÇok katmanlı seramik devreler (düşük sıcaklıkta birlikte pişirilen seramikler) ticarileştirilmiştir. Katı hâl lazerleri için polikristal neodimiyum-itriyum alüminyum garnetler geliştirildi.
1990’ların sonuNanoteknoloji seramik girişimleri dünya çapında yayılmaya başlar.
1990’ların sonuSeramiklerin 3D baskısı için çalışmalar başladı.
2000’lerNASA, 2.200°C’ye kadar sıcaklıklara dayanıklı ZrB2/HfB2 bazlı kompozitler üreterek, hipersonik uçaklar için ultra yüksek sıcaklık seramiklerinin (UHTC’ler) geliştirilmesine olan ilgiyi arttırdı.
2010’larTeknik seramiklerin 3D baskısı için çeşitli prosesler geliştirilmektedir. 2017’de ilk hiperelastik kemik 3D baskı ile üretildi.

Seramiklerin Özellikleri

Daha önce ifade ettiğimiz gibi, seramiğin en önemli özelliği, refrakter (yüksek sıcaklığa dayanıklı) olmalarıdır. Çoğumuz mutfaklarımıza ve banyolarımıza fayans döşeriz çünkü seramik karolar sert, su geçirmez, çizilmelere karşı büyük ölçüde dirençlidir ve yıldan yıla iyi görünmeye devam eder.

Seramiklerin özelliklerini özetleyecek olursak;

  • Yüksek erime noktaları (Böylece ısıya dayanıklıdırlar.)
  • Sertlik ve rijitlik.
  • Uzun ömürlü ve dayanıklı.
  • Düşük elektriksel ve termal iletkenlik (İyi yalıtkanlardır.)
  • Kimyasallarla reaksiyona girmezler.
  • Yüksek boyutsal kararlılık.
  • İyi aşınma direnci
  • Korozyona karşı yüksek direnç (paslanma)
  • Zayıf darbe mukavemeti

Çoğu seramik malzeme aynı zamanda manyetik olmayan malzemelerdir, ancak ferritler (demir bazlı seramikler) demir içeriklerinden dolayı manyetik özellik kazanırlar.

Seramiklerin Yapısı ve Türleri

Elektronik yapı ve atomik bağ, seramik ve cam malzemelerin mikro yapısını ve özelliklerini büyük ölçüde belirler.

Her malzemede olduğu gibi, seramiklerin özellikleri, mevcut atom türleri, atomlar arasındaki bağ türleri ve atomların bir araya gelme şekli ile belirlenir.

Seramikte iki tip bağ bulunur:

İyonik bağ, bir metal ile ametal arasında, yani elektronegatifliği çok farklı olan iki element arasında oluşur. Elektronegatiflik, bir atomdaki çekirdeğin, atomun içindeki tüm elektronları çekme ve tutma yeteneğidir ve elektron sayısına ve dış kabuklardaki elektronların çekirdeğe olan mesafesine bağlıdır.

İyonik bir bağda, atomlardan biri (metal) elektronları diğer atoma (ametal olmayan) aktarır, böylece pozitif yüklü (katyon) olurken, ametal negatif yüklü (anyon) hale gelir. Zıt yüklere sahip iki iyon, güçlü bir elektrostatik kuvvetle birbirini çeker.

Bunun yerine iki ametal, diğer bir deyişle benzer elektronegatifliğe sahip iki atom arasında kovalent bağ oluşur ve bu bağ iki atom arasında elektron çiftlerinin ortaklaşması demektir.

Seramik malzemelerde atomlar arasında her iki bağ türü de oluşsa da, çoğunda (özellikle oksitlerde) iyonik bağ daha çok baskındır.

Seramiklerin iyonik ve kovalent bağları, bu malzemelerin yüksek sertlik, yüksek erime noktaları, düşük termal genleşme ve iyi kimyasal direnç gibi birçok benzersiz özelliğinden ve ayrıca kırılganlık başta olmak üzere bazı istenmeyen özelliklerini etkiler.

Seramiklerin Kullanım Alanları

Günlük hayatımızda etrafımız seramik ve camla çevrilidir. Yaşadığımız ev ve çalıştığımız yerlerde tuğla, ofis camları, seramikten yapılan yemek tabakları örneklerini verebiliriz. Seramik karolar, bir odanın zeminini, duvarlarını veya mutfak tezgahlarını süsleyebilir. Seramik çatı kiremitleri genellikle binaları, sudan korumak için kullanılır. Ayrıca akıllı cam dediğimiz son zamanlar da oldukça ilgi çeken ve içeri giren ışık miktarını kontrol edebilen pencereler. Evi yazın serin, kışın sıcak tutmak için ekstra bir yalıtım katmanı oluşturmak için cam elyaflar kullanılabilir.

Televizyonların ve diğer ev elektroniklerinin içinde, seramik malzemelerden yapılan devre kartları bulunur.

Dış mekanlarda, seramik saksılar, heykelcikler ve kuş banyoları bahçelerinizi süsleyebilir.

Araba ve kamyonlarda güçlü ve dayanıklı seramikten üretilmiş pencere camları ve birçok mekanik ve elektronik aksam bulunur. 

Köprüler ve asfalt yollar betondan yapılır.

Seramik ve camın popüler olduğu başka bir alan ise snowboard ekipmanları için cam-karbon laminatlar ve yarış arabaları için seramik frenler gibi hafif ve dayanıklı yapılar yapmak için bu tür sporlarda yüksek performanslı seramikler kullanılır.

Günlük yaşam uygulamaları için seramik ve camın ana uygulamaları aşağıda gösterilmektedir.

Muhammed Enes İLGAZİ

Muhammed Enes İLGAZİ, 1997 yılında İstanbul'da doğdu. 2019 yılında Kocatepe Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümünden mezun oldu. Şu anda İstanbul Üniversitesi - Cerrahpaşa Metalurji ve Malzeme Mühendisliği alanında yüksek lisansına devam etmektedir. Öğrencilik süreci boyunca uzun süreli Havacılık - Uzay ve Savunma sanayi sektörlerinde edindiği tecrübeler ile yine bu sektörlerin taleplerini karşılayacak akademik düzeyde bilimsel çalışmalar yapma hedefiyle emin adımlarla ilerlemektedir.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


Başa dön tuşu