NEW GENERATION COMPOSITES WITH GRAPHENE REINFORCED ALUMINUM MATRIX

Yıl 2015, Cilt: 56 Sayı: 669, 36 - 47, 03.09.2015

Mahmut Can Şenel Mevlüt Gürbüz Erdem Koç

Öz

Graphene is one atomic layer thick sheet of carbon atoms. In recent years, it has been widely studied due to its sp2 bonded two dimensional single-atom thick-layer structure in hexagonal lattice and extraordinary electrical, thermal, mechanical properties and low weight. It has been studied in fabrication of aluminum matrix composite since 2008 even though it was synthesized for the first time in 2004. In this study, research studies and international patents after 2008 related to graphene reinforced aluminum matrix composites were investigated. Also, manufacturing methods, process steps and mechanical test results of those composites from published studies were evaluated. Addition of graphene in aluminum matrix leads to increase in mechanical properties of composites. The maximum tensile strength was increased from 155 MPa to 315 MPa with the addition of 0.5% graphene in pure aluminum. The micro Vickers hardness of the composite was determined to increase from 76 HV to 85 HV. Hence, new generation composites with graphene reinforced aluminum matrix are proposed to be used in many industrial fields such as automotive, defense and aerospace industry because of their superior properties (lightness, high strength etc.) in the near futu

Anahtar Kelimeler

Aluminum, graphene, composite

GRAFEN TAKVİYELİ ALÜMİNYUM MATRİSLİ YENİ NESİL KOMPOZİTLER

Öz

Grafen, bir atom kalınlığındaki karbon atomları tabakasıdır. Grafen, sahip olduğu hegzagonal latiste sp2 bağı, iki boyutlu tek atom kalınlığındaki yapısı ve sıra dışı elektrik, ısıl, mekanik özellikleri ve hafifliğinden dolayı son yıllarda yaygın olarak çalışılmaktadır. Grafen, ilk kez 2004 yılında sentezlenmesine rağmen, 2008 yılından itibaren alüminyum matrisli kompozit üretiminde kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada, grafen takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerle ilgili 2008 sonrası yayımlanmış yayınlar ve uluslararası patentler araştırılmıştır. Bu çalışmalardan, kompozitlerin üretim metodları, üretim aşamaları ve üretim sonrası mekanik test sonuçları değerlendirilmiştir. Grafenin alüminyum matris içerisine ilavesiyle kompozitin mekanik özelliklerinin arttığı belirlenmiştir. Genel olarak saf alüminyum içerisine %0.5’e kadar grafen katkısı yapıldığında, kompozitin maksimum çekme dayanımı 155 MPa’dan 315 MPa’a, mikro Vickers sertlik değeri ise 76 HV’den 85 HV’ye artmaktadır. Bu sebeple, yeni nesil bu kompozitlerin sahip oldukları üstün özelliklerinden (hafiflik, yüksek mukavemet vb.) dolayı yakın gelecekte otomotiv, savunma sanayi, havacılık ve uzay gibi bir çok endüstriyel alanda kullanılabileceği öngörülmektedir.

Anahtar Kelimeler

Alüminyum, grafen, kompozit

Kaynakça

• 1. Gürbüz, M., Gençoğlu, O., Durmuş, A., Kolbakır, F., Pekşen, C., Üreyen, M. E., Koparal, A. S., Doğan, A. 2010. “Kompozit Malzemeler ve Nano Boyutlu Antibakteriyel Seramik Toz Katkılı Kompozitlerin Havacılık Sektöründe Kullanımı,” III. Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, 16-18 Eylül 2010, Eskişehir.
• 2. Pul, M. 2010. “Al Matrisli MgO Takviyeli Kompozitlerin İnfiltrasyon Yöntemi ile Üretilmesi ve İşlenebilirliğinin Değerlendirilmesi,” Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• 3. Şahin, Y. 2006. Kompozit Malzemelere Giriş, Seçkin Yayınevi, Ankara.
• 4. Erdoğan, M. 2005. “Çelik Takviyeli Alüminyum Kompozit Üretimi ve Mekanik Özelliklerinin Deneysel İncelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kütahya.
• 5. Tjong, S. C. 2013. “Recent Progress in the Development and Properties of Novel Metal Matrix Nanocomposites Reinforced with Carbon Nanotubes and Graphene Nanosheets,” Materials Science and Engineering, vol. 74, no.10, p.281–350.
• 6. Geim, A. K., Novoselov, K. S. 2007. “The Rise of Graphene”, Nature Materials,” vol. 6, p.183–191.
• 7. Bastwros, M., Kim, G. Y., Zhang, C. Z. K., Wang, S., Tang, X. 2014. “Effect of Ball Milling on Graphene Reinforced Al6061 Composite Fabricated by Semi-Solid Sintering,” Composites: Part B, vol. 60, p.111–118.
• 8. Bartolucci, S. F., Paras, J., Rafiee, M. A., Rafiee, J., Lee, S., Kapoor, D., Koratkar, N. 2011. “Graphene–Aluminum Nanocomposites,” Materials Science and Engineering A, vol. 528, no. 27, p. 7933– 7937.
• 9. Pérez-Bustamante, R., Bolaños-Morales, D., Bonilla-Martínez, J., Estrada-Guel, I., Martínez-Sánchez, R. 2014. “Microstructural and Hardness Behavior of Graphene-Nanoplatelets/Aluminum Composites Synthesized by Mechanical Alloying,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 615, no.1, p. 578-582.
• 10. Wang, J., Li, Z., Fan, G., Pan, H., Chen Z., Zhang, D. 2012. “Reinforcement with Graphene Nanosheets in Aluminium Matrix Composites,” Scripta Materialia, vol. 66, no. 8, p.594–597.
• 11. Türkiye Demir ve Demir Dışı Metaller Meclisi Sektörü Raporu. 2012. Türkiye Odalar ve Borsalar Birliği (TOBB) Yayınları, Ankara.
• 12. http://www.alcoa.com/sustainability/en/info_page/products_design_lifecycle.asp, son erişim tarihi: 12.06.2015.
• 13. Alüminyum Raporu. 2006. TMMOB Metalürji Mühendisleri Odası, 24. Dönem Çalışma Raporu, Ankara.
• 14. Aluminium - Specifications, Properties, Classifications and Classes, Supplier Data by Aalco, http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=2863#7, son erişim tarihi: 17.06.201.
• 15. Demirci, K. M. 2012. Dünya Alüminyum Ticaretinde Türkiye’nin Yeri, Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği Metalürji Mühendisleri Odası, s.17-29.
• 16. Randviir, E. P., Brownson, D. A. C., Banks, C. E. 2014. “A Decade of Graphene Research: Production, Applications and Outlook,” Materials Today, vol. 17, no. 9, p. 426-432.
• 17. Savage, N. 2012. “Materials Science:Super Carbon,” Nature, vol. 482, p. 30-31.
• 18. Singh, V., Joung, D., Zhai, L., Das, S., Khondaker, S. I. 2012. “Graphene Based Materials: Past, Present and Future,” Progress in Materials Science, vol. 56, no. 8, p. 1178–1271.
• 19.  Adams, J., Pendlebury, D. 2011. Global Research Report Materials Science and Technology, Thomsons Reuters, UK.
• 20. Kumar, H. G., P., Xavior, M. A. 2014. “Graphene Reinforced Metal Matrix Composite (GRMMC): A Review,” Pocedia Engineering, vol. 97, p. 1033-1040.
• 21. Başçı, M. 2015. “Geleceğin Malzemesi Grafen,” Bilişim Dergisi, sayı 177, s. 156-165.
• 22. Dhand, V., Rhee, K. Y., Kim, H. J., Jung, D. H. 2013. “A Comprehensive Review of Graphene Nanocmposites: Research Satatus and Trends,” Journal of Nanomaterails, vol. 2013, p. 1-14.
• 23. Chen, L. Y., Konishi, H., Fehrenbacher, A., Ma, C., Xu, J. Q., Choi, H., Xu, H. F., Pfeferkorn, F. E., Li, X. C. 2012. “Novel Nanoprocessing Route for Bulk Graphene Nanoplatelets Reinforced Metal Matrix Nanocomposites,” Scripta Materialia, vol. 67, p. 29-32.
• 24. Dashwood, R. C., Grimer, R. 2010. Structural Materials: Aluminium and its Alloys-Properties, Encyclopedia of Aerospace Engineering, ISBN: 9780470686652 John Wiley&Sons, USA, p.1-12.
• 25. Porwal, H., Grasso, S., Reece, M. J. 2013. “Review of Graphene-Ceramic Matrix Composites”, Advances in Applied Ceramics,” vol. 112, no. 8, p. 443-454.
• 26. Tjong, S. C. 2013. “Recent Progress in the Development and Properties of Novel Metal Matrix Nanocomposites Reinforced with Carbon Nanotubes and Graphene Nanosheets,” Materials Science and Engineering, vol. 74, p. 281–350.
• 27. Wang, J., Li, Z., Fan, G., Pan, H., Chen, Z., Zhang, D. 2012. “Reinforcement with Graphene Nanosheets in Aluminum Matrix Composites,” Scripta Materialia, vol. 66, p. 594–597.
• 28. Porwal, H., Grasso, S., Reece, M. J. 2013. “Review of Graphene–Ceramic Matrix Composites”, Advances in Applied Ceramics,” vol. 112, no. 8, p. 443-454.
• 29. Rashad, M., Pan, F., Tang, A., Asif, M. 2014. “Effect of Graphene Nanoplatelets Addition on Mechanical Properties of Pure Aluminium Using a Semi-Powder Method,” Progress in NaturalScience: Materials International, vol. 24, p. 101-108.
• 30. Yan, S. J., Dai, S. L., Zhang, X. Y., Yang, C., Hong, Q. H., Chen, J. Z., Lin, Z. M. 2014. “Investigation Aluminum Alloy Reinforced by Graphene Nanoflakes,” Materials Science&Engineering A, vol. 612, p. 440-444.
• 31. Li, J. L., Xiong, Y. C., Wang, X. D., Yan, S. J., Yang, C., He, W. W., Chen, J. Z., Wang, S. Q. 2015. “Microstructure and Tensile Properties of Bulk Nanostructured Aluminum/Graphene Composites Prepared via Cryomilling,” Materials Science&Engineering A, vol. 626, p. 400-405.
• 32. Iacob, G., Ghica, V. G., Buzatu, M., Buzatu, T., Petrescu, M. I. 2015. “Studies on Wear Rate and Micro-Hardness of the Al/Al2O3/Gr Hybrid Composites Produced via Powder Metallurgy,” Composites: Part B, vol. 69, p. 603-311.
• 33. Berman, D., Erdemir, A., Sumant, A. V. 2014. “Graphene: a New Emerging Lubricant,” Materials Today, vol. 17, no. 1, p. 31-42.
• 34. Zhai, W., Shi, X., Wang, M., Xu, Z., Yao, J., Song, S., Wang, Y. 2014. “Grain Refinement: A Mechanism for Graphene Nanoplatelets to Reduce Friction and Wear of Ni3Al Matrix Self-Lubricating Composites,” Wear, vol. 310, p. 33-40.
• 35. Zhai, W., Shi, X., Yao, J., İbrahim, A. M. M., Xu, Z., Zhu, Q., Xiao, Y., Chen, L., Zhang, Q. 2015. “Investigation of Mechanical and Tribological Behaviors of Multilayer Graphene Reinforced Ni3Al Matrix Composites,” Composites: Part B, vol. 70, p. 149-155.
• 36. Boostani, A. F., Tahamtan, S., Jiang, Z. Y., Wei, D., Yazdani, S., Khosroshahi, R. A., Mousavian, R. T., Xu, J., Zhang, X., Gong, D. 2015. “Enhanced Tensile Properties of Aluminum Matrix Composites Reinforced with Graphene Encapsulated SiC Nanoparticles,” Composites: Part A, vol. 68, p. 155-163.
• 37. Rashad, M., Pan, F., Tang, A., Asif, M., Hussain, S., Gou, J., Mao, J. 2015. “Improved Strength and Ductility of Magnesium with Addition of Aluminum and Graphene Nanoplatelets (Al+GNPs) using Semi Powder Metallurgy Method,” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 23, p. 243-250.
• 38. Kvetkova, L., Duszova, A., Hvizdos, P., Dusza, J., Kunb, P., Balazsib, C. 2012. “Fracture Toughness and Toughening Mechanisms in Graphene Platelet Reinforced Si3N4 Composites,” Scripta Materialia, vol. 66, p. 793–796.