Chemical vapor deposition of boron carbide
Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi
- Tez No: 201922
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ ÖNDER ÖZBELGE, DOÇ. DR. NAİME ASLI SEZGİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: CVD, Reaksiyon Mekanizması, Kinetik, Reaksiyon Mühendisliği, Adsorpsiyon, Kimyasal Rektörler, CVD, Reaction Mechanism, Kinetics, Reaction Engineering, Adsorption, Chemical Reactors
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 201
Özet
Bu çalışmada, bor karbür BCl3, CH4, ve H2, gaz karışımı kullanılarak tungsten folyo yüzeyinde kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile üretilmiştir. Bu süreçteki kütle transferi adımının önemi kullanılan çift taraflı çarpan-jet reaktör konfigürasyonu ile en aza indirilmiş ve reaktör çıkışına bağlanan FTIR spektrofotometresi detaylı kinetik araştırmayı mümkün kılmıştır. Üretilen malzemelerin faz ve morfoloji çalışmaları XPS, XRD, mikro sertlik ve SEM metodları ile yapılmıştır. XPS analizi ile bor karbür fazına ait olan kimyasal verilerin yanı sıra, oksi-bor karbürlerin varlığı da ispatlanmıştır. SEM analizi neticesinde boyutları 30 mikrometreye varan beşgen tabanlı piramit şeklindeki bor karbür kristallerinin varlığı gözlemlenmiştir. Mikrosertlik analizi sonucunda tungsten folyo sıcaklığının bor karbür sertliğini önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Ölçülen bor karbür Vickers sertlik değerleri 1100 ve 1300 oC tungsten folyo sıcaklık aralığında 3850 kg/mm2 ve 4750 kg/mm2 arasında değişiklik göstermiştir. Reaksiyon ürünlerinin FTIR analizi sonucunda yüzeyde bor karbürü oluşturan reaksiyona ek olarak, gaz fazındaki bir başka reaksiyon sonucunda diklorobor (BHCl2)'un oluştuğu kanıtlanmıştır. Deneysel parametreler folyo sıcaklığı ile reaktör girişindeki metan ve bor triklorürün mol oranları olup, bu parametrelerin iki ana reaksiyonun hızlarına, dönüşümlerine ve seçiciliklerine etkileri irdelenmiş ve bunlar mekanizma önerme çalışmalarında kullanılmıştır. Bütün deneysel veriler, Arrhenius tipi bir hız denklemine uyarlanmıştır. Doğrusal dışı egri uyarlama prosedürü uygulanarak, bor karbür oluşum reaksiyonunun aktivasyon enerjisi 56,1 kjoule/mol olarak bulunmuştur. Bor karbür oluşum hızı, reaktör girişindeki bor triklorürün mol oranının 0,34, metanın mol oranının 0,64'üncü kuvvetleri ile orantılıdır. Bu sonuçlar karmaşık bir reaksiyon mekanizması olduğunu işaret etmektedir. Yapılan bütün deneylerde bor karbür oluşum hızının diklorobor oluşum hızından düşük olduğu açığa çıkmıştır. Bir çok reaksiyon mekanizması modellenmiş ve bu modellerin deneyler sonucunda gözlenen hız verilerine uyumluluğu istatistiksel olarak denenmiştir. Bu modeller arasında bor triklorürün taban (subtrat) yüzeyine ayrışmasız olarak tutunduğu durumlar en iyi sonucu vermiştir. Önerilen mekanizmada diklorobor gazının sadece gaz fazındaki reaksiyon ile oluştuğu varsayılmıştır. Diğer taraftan, bor karbür kompleks bir yüzey mekanizma serisi sonucu oluşmaktadır.
Özet (Çeviri)
Boron carbide was produced on tungsten substrate in a dual impinging-jet CVD reactor from a gas mixture of BCl3, CH4, and H2. The experimental setup was designed to minimise the effect of mass transfer on reaction kinetics, which, together with the on-line analysis of the reactor effluent by FTIR, allowed a detailed kinetic investigation possible. The phase and morphology studies of the products were made by XPS, XRD, micro hardness and SEM methods. XPS analysis showed the existence of chemical states attributed to the boron carbide phase, together with the existence of oxy-boron carbide species. SEM pictures revealed the formation of 5-fold icosahedral boron carbide crystals up to 30 micron sizes for the samples produced at 1300oC. Microhardness tests showed change of boron carbide hardness with the temperature of tungsten substrate. The hardness values (Vickers Hardness) observed were between 3850 kg/mm2 and 4750 kg/mm2 corresponding to substrate temperatures of 1100 and 1300oC, respectively. The FTIR analysis of the reaction products proved the formation of reaction intermediate BHCl2, which is proposed to occur mainly in the gaseous boundary layer next to the substrate surface. The experimental parameters are the temperature of the substrate, and the molar fractions of methane and borontrichloride at the reactor inlet. The effects of those parameters on the reaction rates, conversions and selectivities were analysed and such analyses were used in mechanism determination studies. An Arrhenius type of a rate expression was obtained for rate of formation of boron carbide with an energy of activation 56.1 kjoule/mol and the exponents of methane and boron trichloride in the reaction rate expression were 0.64 and 0.34, respectively, implying complexity of reaction. In all of the experiments conducted, the rate of formation of boron carbide was less than that of dichloroborane. Among a large number of reaction mechanisms proposed only the ones considering the molecular adsorption of boron trichloride on the substrate surface and formation of dichloroborane in the gaseous phase gave reasonable fits to the experimental data. Multiple non-linear regression analysis was carried out to predict the deposition rate of boron carbide as well as formation rate of dichloroborane simultaneously.
Benzer Tezler
- Deposition of boron carbide by plasma enhanced chemical vapor deposition technique
Bor karbünün plazma yardımı ile buhar biriktirme yöntemiyle oluşturulması
ÖZGÜR DOĞA EROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNDER ÖZBELGE
PROF. DR. GÜNGÖR GÜNDÜZ
- Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile volfram çekirdekli bor fiber üretiminde sistem tasarımı
System design in tungsten-cored boron fiber production by chemical vapor deposition
SELİM ERTÜRK
Doktora
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL DUMAN
- Kimyasal buhar çöktürme yöntemi ile bor karbür üretimi
Production of boron carbide with chemical vapor deposition method
ABDULLAH İLKER İZMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. F. SUNA BALCI
DOÇ. DR. İBRAHİM USLU
- Kinetics of boron carbide formation by chemical vapour deposition technique
Kimyasal buhar biriktirme tekniği ile bor karbür üretim kinetiği
SABRİ NOYAN DİLEK
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. ÖNDER ÖZBELGE
- Düşük sıcaklıkta bor karbür üretimi ve karakterizasyonu
Low temperature production of boron carbide and its characterization
ERDEM ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. CANAN CABBAR