Synthesis of zirconium tungstate and its use in composites with tunable thermal expansion coefficient
Zirkonyum tungstat üretimi ve ısıl genleşme katsayısı ayarlanabilen kompozitlerde kullanımı
- Tez No: 286190
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜNGÖR GÜNDÜZ, YRD. DOÇ. BORA MAVİŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: zirkonyum tungstat, tungstik asit, negatif ısıl genleşme, yaşlandırma süresi, çökeltme, kompozit, zirkonya, spark plazma sinterleme, zirconium tungstate, tungstic acid, negative thermal expansion, ageing time, precipitation, composite, zirconia, spark plasma sintering
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Bir sistemi oluşturan bileşenlerde meydana gelen ısıl genleşme katsayısındaki uyumsuzluklar, çatlama, ısıl yorulma sorunlarına yol açan artık gerilimlerin ve hatta hassas optik sistemlerde odaklama sorunlarının oluşmasına neden olabilir. Bu sorunların çözümü, eşdeğer miktarda ısıl büzüşme gösteren malzemelerin kompozit halinde kullanılmaları durumunda olasıdır. Zirkonyum tungstatın (ZrW2O8) birçok ileri teknoloji seramiğinin ısıl genleşme sabitlerine eşdeğer bir negatif genleşme göstermesi onu yakın gelecekte sıfır ya da ayarlanabilir ısıl genleşme sabitine sahip seramik-seramik kompozitlerinin yapımında vazgeçilmez bir malzeme kılacaktır.ZrW2O8 genellikle tungsten oksit ve zirkonyum oksidin 1200 oC'de gerçekleştirilen katı hal tepkimeleriyle üretilmektedir. Fakat atomik düzeyde tek düzeliğin sağlandığı ve asıltı parçacıkların oluşumunun ve büyümesinin daha iyi denetlenebildiği çözelti kimyasına dayalı yöntemlerle de üretilebildiği görülmüştür. Kaynaklarda, 100 oC'nin altında 1 ile 3 hafta arasında veya hidrotermal ortamda, 160-180oC'de 1 ile 2 gün arasında yaşlandırma süreleri kullanılarak, 600 oC ve altında kristallenebilen mikron-altı ZrW2O8 parçacıklarının üretilebileceği belirtilmektedir. Yaşlandırma süreçlerinde kullanılan yöntemlerin uzun süreli olması veya yüksek basınç gerektiriyor olması ve ayrıca öncül hazırlamada maliyeti yüksek tunsgsten kaynaklarının kullanılması endüstriyel uygulama açısından sakınca oluşturmaktadır.Negatif ve pozitif ısıl genleşme katsayılarına sahip parçacıkların karıştırılmasıyla ayarlanabilir katsayıya sahip kompozitler üretilebilmektedir. Geleneksel sinterleme yöntemleriyle neredeyse sıfır genleşme katsayısına sahip kompozitler üretilmiştir. Son dönemde, Spark Plazma Sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak geleneksel sinterleme yöntemlerinde gereken sıcaklık ve sürelerin önemli oranda düşürülebileceği görülmüştür. ZrW2O8'ın bir kompozit bileşeni olarak kullanıldığı çalışmalar arasında, Kanamori ve arkadaşlarının SPS yöntemini kullanıldığı bir çalışmaya rastlanmıştır [1].Bu araştırmanın amacı ZrW2O8 parçacıklarının sentezi ve ısıl genleşmesi ayarlanabilir kompozit yapıların üretilmesidir. Bu amaçla tungstik asit gibi maliyeti görece daha düşük bir tungsten kaynağı kullanılarak, sentezin düşük pH bölgelerinde gerçekleştirildiği bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yeni yöntemle, 100 oC altında toplamda en çok 2 günlük yaşlandırma süresi kullanılarak, 600 oC'de kristallenebilen ZrW2O8 öncülleri üretilmiştir. Yıkama yönteminin uygulanmadığı parçacıklar mikron boyutlarda iken yıkamadan sonra elde edilen parçacıkların boyları 400-600 nm arasındadır. Geliştirilen öncüllerle üretilen tozlar kompozit uygulamaları için gerekli parçacık boylarının elde edilmesini sağlamıştır. Ürünün saflığına etki eden deneysel değişkenler (tungstik asitin çözünürlüğü, kimyasal oran ayarlaması ve yaşlandırma etkileri gibi) ayrıntılarıyla incelenmiştir. Kompozit olarak ZrW2O8/ZrO2 sistemi seçilmiş ve üretiminde geleneksel ve SPS yöntemleri uygulanmıştır. Her iki yöntemde de sıfır genleşme katsayısına sahip kompozit üretimi için gerekli karışım aralıklarını saptamak üzere sistemli deneyler yürütülmüştür. %35 ZrW2O8, %65 ZrO2 ve %35 Al2O3 içeren ve 1200 oC'de 24 saat geleneksel yöntem ile sinterlenen kompozitin ısıl genleşme katsayısı 0.20 x 10-6/K olurken, %55 ZrW2O8 ve %45 ZrO2 içeren ve 1000 oC'de 5 dakika SPS'de sinterlenen kompozitin ısıl genleşme katsayısı 0.94 x 10-6/K olmuştur. Çalışmalar sırasında X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskopisi (SEM), parçacık analizi, ve ısıl ve dilatometre analiz (DTA/TGA/DMA) yöntemleri kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Thermal mismatch between different components of a system could be sources of problems like residual stress induced cracking, thermal fatigue or even optical misalignment in certain high technology applications. Use of materials with tailored thermal expansion coefficient is a counter-measure to overcome such problems. With its negative thermal expansion coefficient zirconium tungstate (ZrW2O8) is a candidate component to be used in synthesis of composites with controlled thermal expansion coefficient (CTE).ZrW2O8 is typically produced by solid-state reaction between zirconium oxide and tungsten oxide at 1200oC. However, it has been demonstrated that ZrW2O8 can also be synthesized using wet chemical techniques, which provide a superior chemical homogeneity that often extents down to the atomic scale, and the convenient means of controlling nucleation and growth of the primary crystallites. With the commonly adopted wet chemical approaches, it is possible to crystallize particles with sizes in the submicrometer range at temperatures as low as 600 oC or even lower. In these studies, precursors are aged either below 100 oC (7 days ? 3 weeks), or at 160-180 oC under hydrothermal conditions (1?2 days). Besides the obvious disadvantage in the ageing steps, use of tungsten sources with high cost in all approaches, constitutes the other disadvantage.Production of composites with tunable controlled thermal expansion (CTE) has been achieved by blending negatively and positively expanding materials in different proportions. In majority of these studies composites have been produced by conventional sintering methods. Spark Plasma Sintering (SPS) is a recent technique; in which sintering can be achieved at relatively low temperatures in short durations. There is only one study made by Kanamori and coworkers on the use of SPS in sintering of a composite, in which ZrW2O8 is one of the constituents [1].This study aims the synthesis of ZrW2O8 particles and composites that possess tunable or zero CTE. A novel precursor recipe for ZrW2O8 synthesis was developed. In preparation of the precursor a total of 2 days of ageing and a temperature less than 100 oC was used. It was developed using a cost-effective tungsten source, namely tungstic acid and its final pH was lower than 1. The particles obtained from `unwashed? procedure had sizes in micrometer range, while those obtained from `washed? case had sizes in the range of 400-600 nm. These precursors could readily be crystallized at 600 oC, which in turn provided the desired particle sizes for composite applications. Experimental details on the precursor development are hereby presented with a discussion on the effects of solution parameters (i.e. solubility of tungstic acid, adjustment of the stoichiometry, ageing time) on the phase purity of the fired product. Zirconium oxide (ZrO2) has positive thermal expansion, therefore ZrW2O8/ZrO2 was selected as the composite system, and for their synthesis both conventional and spark plasma sintering methods were experimented. Composition ranges that provide composites with almost zero CTE?s were determined. The composite having a composition of containing 35% ZrW2O8, 65% ZrO2, and 35 w/o Al2O3 and sintered at 1200 oC for 24 hours had an expansion coefficient of 0.20 x 10-6/K for conventional method, while the one having a composition of 55% ZrW2O8, 45% ZrO2 and sintered at 1000 oC for 5 minutes had an expansion coefficient of 0.94 x 10-6/K for spark plasma sintering method. For characterization of the products X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), photon correlation spectroscopy (PCS), and thermal and dilatometer analyses (DTA/TGA/DMA) were used.
Benzer Tezler
- A novel precursor for synthesis of zirconium tungstate and preliminary studies for nanofiber production
Yeni bir öncülle zirkonyum tungstat sentezi ve nanolif üretimi için ön çalışmalar
BERKER ÖZERCİYES
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
PROF. GÜNGÖR GÜNDÜZ
YRD. DOÇ. BORA MAVİŞ
- Nikel katkılı WOXZrO2 katalizörünün sentezi, karakterizasyonu ve lignin için model bileşik gayakolün hidrodeoksijenasyon reaksiyonundaki aktivitesinin değerlendirilmesi
Synthesis, characterization and activity evaluation of nickel-doped WOXZrO2 catalyst for hydrodeoxygenation of guaiacol as a model compound of lignin
ALİ TOLGA ÜNALAN
- Gold supported on tungstated zirconia: Synthesis, characterization and in situ FT-IR investigation of NOx+C3H6 surface reactions
Tungstenlenmiş zirkoniya destekli altın: Sentez, niteleme ve NOx+C3H6 yüzey tepkimelerin yerinde FT-IR ile incelenmesi
SERDAR MAMETSHERİPOV
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Bölümü
DOÇ. DR. MARGARİTA KANTCHEVA
- Bimetalik katalizör sentezi, karakterizasyonu ve hidrodeoksijenasyon etkinliğinin incelenmesi
Synthesis and characterization of bimetallic catalyst, andinvestigation of hydrodeoxygenation efficiency
SAMED ERGENEKON
- IV B grubundan zirkonyum ve V B grubundan niyobyumun CVD yöntemiyle serbest partiküllü borürlere dönüştürülmesi ve sinter özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of group IV B zirconium and group V B niobium diborides via CVD process as free particles and evaluation of sintering properties
MELTEM BOLLUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL DUMAN