Synthesis, development and characterization of some W-based compounds, composites and hybrid materials
Volfram esaslı bileşiklerin, kompozitlerin ve de hibrid malzemelerin üretimi, geliştirilmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 310615
- Danışmanlar: PROF. DR. M. LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Metalurji Mühendisliği, Science and Technology, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 168
Özet
Geleneksel metal alaşımları ile seramik ve polimer malzemeler günümüz modern teknolojisinin gereksinim duyduğu alışılmamış özellik kombinasyonlarına sahip değildir. Geleneksel malzemelerin bu artan ihtiyaçları karşılayamaması, son 20 senedir ileri teknoloji seramikler, alaşımlar ve de kompozit malzemeler ya da bu malzemelerin çeşitli kombinasyonlarını içeren eşsiz özellikli yeni malzemelerin geliştirilmesine yönelik artan bir ilgi oluşturmuştur. Bunun bir sonucu olarak, denge dışı şartlarda üretilen malzemelerin, geleneksel yöntemlerle üretilen malzemelere göre daha iyi ve gelişmiş özelliklere sahip olabilecek olması, birçok bilim adamı ve mühendisin ilgisini çekmiş ve de hala çekmektedir. Mekanik alaşımlama yöntemi, toz partiküllerinin yüksek enerjili bir öğütücüde tekrarlanan soğuk kaynama, kopma ve yeniden kaynama işlemleri sonucunda ufalanarak homojen bir mikroyapıya sahip kompozit tozların denge dışı şartlarda üretilebilmesini sağlayan bir üretim yöntemidir. Bu yöntemin en önemli avantajı, normal şartlarda birbirleriyle karışamayan elementlerin karışmasını sağlayarak çok çeşitli özelliklere sahip yepyeni alaşımların ve kompozit malzemelerin üretimine imkân sağlamasıdır.Bütün refrakter metallerin içinde volfram, yüksek ergime sıcaklığı ve elastik modülü, korozyona ve de termal şoka karşı dayanımı, düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek sıcaklıklarda gösterdiği mukavemet ve de direngenlikten dolayı, özellikle yüksek yoğunluk gerektiren sayısız uygulamada kullanılan birçok gelişmiş alaşım ve de kompozit malzeme için uygun bir matris malzemesi olarak öne çıkmakta ve de tercih edilmektedir. Bu tarz alaşım ve kompozitlerde takviye malzemesi olarak genellikle çeşitli oksitler, karbürler ve de nitrürler tercih edilmektedir. En çok tercih edilen takviye elemanları TiC, ZrC, HfC, TiN, Y2O3, La2O3, Sm2O3, ThO2 ve ZrO2 olarak sıralanabilir. Bütün bu kompozit ve alaşımlara ek olarak, volfram borür ve de volfram oksitler oldukça enteresan mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan iki tip volfram bileşiği olarak ön plana çıkmaktadırlar. Volfram borürler hakkındaki literatür bilgisi çok sınırlı olmakla birlikte, bu bileşiklerin yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik (>9 Mohs), yüksek aşınma ve termal şok direnci, kimyasal kararlılık, manyetiklik, metal benzeri elektrik iletkenliği ve de iyi ısı iletkenliği gibi etkileyici özelliklere sahip oldukları bilinmektedir. Bütün bu özellikler volfram borürleri, sıra dışı şartlarda hizmet gören aşındırıcı, korozyona dayanıklı ve de elektrot malzemelerinin gereksinim duyulduğu endüstriyel uygulamalar için ideal bir hale getirmektedir. Ancak günümüze kadarki süreçte, bu bileşiklerin üretimlerinde yüksek sıcaklık ekipmanlarına gereksinim duyulması birçok zorluğu da beraberinde getirmiştir. Bununla birlikte en önemlisi, Türkiye'nin bor ve volfram madenlerince çok zengin olduğu gerçeğidir. Özellikle dünya bor rezervlerinin yaklaşık %72'lik dev bir bölümü ile volfram rezervlerinin %2'lik bir kısmı ülkemizde bulunmaktadır. Günümüzde ticari olarak satılan volfram borür tozlarının 100 gramının fiyatının yaklaşık olarak 160? `ya kadar çıktığı düşünüldüğünde, böylesine zengin bor ve volfram rezervlerine sahip olmanın, volfram borür bileşiklerinin üretimini endüstriyel olarak ne kadar stratejik ve de önemli bir hale getirdiği gerçeği bir kez daha tüm açıklığıyla ortaya çıkmaktadır. Diğer bir taraftan, son zamanlarda volfram oksit nanoyapılar da sahip oldukları enteresan elektrokromik, fotokromik ve gazokromik özellikler sayesinde ilgi çekmektedirler. Bu özellikler, volfram oksit nanoyapıları özellikle optik, elektronik, optoelektronik ve sensör uygulamaları için potansiyel birer aday haline getirmektedir. Günümüzde ise bu malzemeler, flat ekran görüntüleme sistemlerinde, foto-elektro-kromik akıllı pencerelerde, hafıza depolama cihazlarında, nem ve sıcaklık sensörlerinde, katalizörlerde, optik modülatörlerde, elektron yayınımında ve NO2, CO, CH4, H2, NH3, H2S ve ozon gazları için kullanılan gaz sensörlerinde sıkça kullanılmaktadırlar. Fakat volfram oksit nanoyapıların üretimi genellikle ya yüksek sıcaklık ile teknolojik olarak karmaşık ve de pahalı ekipmanlar gerektirmekte ya da birbirinden farklı kademeler ve çeşitli katkı maddelerinin kullanımını içermektedir ki, bu da oluşacak yan ürünlerin ya da kullanılan bu katkı maddelerinin uzaklaştırılması için fazladan işlem yapmayı mecbur kılmaktadır. Son zamanlarda, volfram oksit malzemeler karbon nanotüpler (KNTler) ile birlikte çeşitli hibrit malzemeleri/kompozitleri oluşturmak için kullanılmaktadırlar. Hibrit malzemelerin en önemli avantajı çeşitli organik ve de organik olmayan bileşenlerin farklı özelliklerini bir malzemede birleştirebilmeleridir. Hibrit malzemelerin geleneksel kompozit malzemelerden farkları ise, malzeme bileşenlerinin nanometre ve hatta moleküller düzeyde birbirleriyle karışmasıdır. KNTler sahip oldukları yüksek en-boy oranları ve de muazzam mekanik, elektronik ve de optik özellikleri sayesinde bu tarzda hibrit malzemeler için eşsiz birer bileşen haline gelmişlerdir. Bu hibritlerin üretimi için, KNTler çeşitli yöntemlerle ya volfram oksit ile kaplanmakta ya da volfram oksit nanotozları ile karıştırılmaktadırlar. Volfram oksit/KNT hibritleri, sahip oldukları büyük potansiyeli heterojen katalizör ve gaz sensörü uygulamalarında başarıyla sergilemektedirler.Bütün bilgilerin bu ışığında, bu doktora çalışması üç farklı volfram esaslı malzeme sistemi üzerine odaklanmıştır. Bu sistemler gerek üretim yöntemleri gerekse kullanılan element kombinasyonlarının özgünlüğüne göre seçilmiştir.İlk olarak farklı volfram borürler (WxBy), volfram oksit (WO2.72), bor oksit (B2O3) ve de redükleyici eleman olarak magnezyum (Mg) tozlarının kullanılması ile literatürde ilk defa mekanik alaşımlama yöntemiyle üretilmiştir. Bu çalışmalarda, farklı volfram borürlerin karışımları (W2B, WB ve W2B5) ve de en önemlisi saf halde volfram pentaborür (W2B5) tozları başarıyla üretilmiş ve de karakterizasyonları için kapsamlı bir X-ışınları çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada istenen volfram borür bileşiklerinin üretilmesinde, mekanik alaşımlama süresiyle birlikte en önemli noktanın stokiyometrik olarak hesaplanandan daha fazla B2O3 tozu kullanmak olduğu görülmüştür.İkinci olarak, ortalama ~40 nm çaplı volfram oksit (WO2) nanotozları ilk defa araştırmacı tarafından geliştirilmiş yeni bir sulu çözelti yöntemiyle üretilmiştir. Bunu takiben, üretilmiş olan nanotozlar farklı sıcaklıklarda tavlanarak ortalama 60-70 nm çaplı nanoçubuklar geliştirilmiştir. Artan tavlama sıcaklığı ile bu çubukların çapları değişmezken, boylarının birkaç yüz nanometreden birkaç on mikrometreye kadar uzadıkları gözlemlenmiştir. Bunların yanında sistemin bir diğer orijinalliği de yine bu çalışmada üretilen KNTler kullanılarak çeşitli volfram oksit/KNT hibrit malzemelerin üretilmiş olmasıdır. Bu hibritlerin üretimi için hem saf hem de fonksiyonlaştırılmış KNTler nano boyuttaki volfram oksit partikülleriyle kaplanmıştır. Saf KNTler kullanıldığında oksit partikülleriyle KNTler arasındaki etkileşimin daha zayıf olduğu gözlemlenmiştir.Son olarak, vanadyum karbür (VC) takviyeli volfram-mangan (W-Mn) matrisli kompozit sistemi yine bu çalışmada ilk defa incelenmiştir. Karşılaştırma yapabilmek için bazı numunelerde VC yerine zirkonyum karbür de (ZrC) kullanılmıştır. Önceden 24 saat öğütülmüş olan ağırlıkça %2 oranında VC (ZrC), W-Mn matrise katılarak farklı sürelerde mekanik alaşımlanmıştır. Bunun sonucunda, mekanik alaşımlama süresi ve de Mn miktarının üretilen kompozitin mikroyapı ve mekanik özelliklerine yaptığı etkiler incelenmiştir. Bu çalışmada geleneksel pekiştirme ve göreceli olarak düşük sinterleme sıcaklıkları kullanılmış olduğu düşünüldüğünde, elde edilmiş olan göreceli yoğunluk ve de Vickers mikrosertlik sonuçları oldukça ilgi çekicidir. Elde edilen bütün aşınma, sertlik, yoğunluk sonuçları ile kompozitlerin mikroyapıları irdelendiğinde, artan Mn miktarı ile mekanik alaşımlama süresinin kompozitlerin mikroyapısal ve fiziksel özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiği görülmüştür.Sonuç olarak, bu çalışma farklı volfram borür tozlarının mekanik alaşımlamayla, WO2 nanoyapıların ve KNT hibrit malzemelerinin yeni geliştirilmiş bir sulu çözelti yöntemiyle ve de W-Mn matrisli kompozitlerin mekanik alaşımlama ve de geleneksel sinterleme yöntemleriyle üretilmeleri konularında ilk bilimsel verileri sergilemektedir.
Özet (Çeviri)
Conventional metal alloys, ceramics, and polymeric materials mostly cannot possess the unusual combinations of properties that many of our modern technologies require. Since conventional materials could not fulfill the rising requirements in the last 20 years, an increasing interest in developing new materials, such as high technological ceramics, composites or alloys and the combinations of these new materials has been urged to serve the need for new materials having unique properties for special applications. As a result, non-equilibrium processing of materials has attracted the attention of a number of scientists and engineers due to the possibility of producing better and improved materials than it is possible by conventional methods. Mechanical alloying (MA) is such a processing method holding the greatest advantage of the synthesis of novel alloys and composites by alloying of normally immiscible elements that are not possible by another technique.Among all refractory metals, tungsten possesses excellent characteristics like good high temperature strength and stiffness, high elastic modulus, good corrosion resistance, high resistance of thermal shock and low coefficient of thermal expansion (CTE). These properties make tungsten an appropriate and interesting matrix material for advanced alloys and composites suitable for numerous applications, especially for which a high-density material is required. Generally, oxides or carbides have been used as reinforcement materials in W-based composites and alloys. In addition to these alloys and composites, tungsten borides and tungsten oxides are two groups of W compounds, which possess interesting mechanical and physical properties among all others. Although data about tungsten borides are very limited in the literature, it is well known that they exhibit promising characteristics like high melting point, high hardness values (>9Mohs), high abrasion and thermal shock resistance, chemical inertness, magnetic properties, metal-like electronic conductivity and good thermal conductivity. These great properties make them ideal for many industrial applications as abrasive, corrosion-resistant and electrode materials, which are exposed to exceptional environmental conditions. However, their production, to date, is difficult due to the need of high temperature equipment. Most importantly, Turkey has a huge share of ~72% of boron and ~2% of tungsten world reserves. Considering that today the commercial prices for 100 g of tungsten borides goes up to ~160?, possession of these huge B and W reserves explicitly actualize the strategic and industrial significance of tungsten boride synthesis. On the other hand, tungsten oxide nanostructures have lately received a lot of attention because of their interesting electrochromic, photochromic and gasochromic properties, which make them potential candidates for optic, electronic, optoelectronic and sensor applications. They have been used in flat panel displays, photo?electro?chromic `smart? windows, storage devices, humidity and temperature sensors, catalysts, optical modulation devices, electron emitters, and gas sensors for NO2, CO, CH4, H2, NH3, H2S and ozone. Nevertheless, synthesis processes for tungsten oxide nanostructures are generally carried out at high temperatures and require technically complex and expensive experimental setup or include several steps and addition of directing agents, which creates other requirements like removal of these agents or other by-products. Lately, tungsten oxides have been used in carbon nanotube (CNT) hybrid materials/composites, which combine the different features of organic and inorganic components in one material. CNTs are ideal constituents for hybrids with their high aspect ratios as well as excellent mechanical, electrical, and optical properties. To produce these hybrids, CNTs are either coated by tungsten oxide or mixed with tungsten oxide nanopowders by various methods. WOx/CNT hybrids have exhibited their great potential in heterogeneous catalysis and gas sensor applications.In the light of these, this dissertation work concentrated on three different W-based material systems, their production and characterization. These systems were determined with regard to their uniquity, in the sense of their production method or element combinations used in.First, tungsten borides (WxBy) were produced via mechanical alloying of tungsten oxide (WO2.72) and boron oxide (B2O3) powders for the first time in the literature. Magnesium (Mg) was used as the reducing agent. In these studies, mixtures of different tungsten boride powders (W2B, WB and W2B5) and, most importantly, pure ditungsten pentaboride (W2B5) powders were successfully synthesized and, for characterization, a comprehensive X-ray diffraction study was carried out. In this study, it was appeared that beside the MA duration, the most important issue was to use stoichiometric excess amount of B2O3 powders to produce the desired tungsten boride compounds.Second, tungsten oxide (WO2) nanoparticles with an average diameter of ~40 nm were produced by a novel water assisted method developed by the present researcher (author) for the first time. Following this, nanorods with an average diameter of 60-70 nm were developed from these nanoparticles via annealing at different temperatures. With increasing temperature, the lengths of these nanorods increased form several hundreds of nanometers up to several tens of micrometers, although the diameters remained unchanged. Another originality of this system was that self-prepared CNTs were used to produce tungsten oxide/CNT hybrid materials/composites.Finally, a vanadium carbide (VC) reinforced tungsten-manganese (W-Mn) matrix composite system was investigated in this work for the first time. For comparison, zirconium carbide (ZrC) was also used as reinforcement in some samples. W-Mn matrix composites reinforced with 2 wt.% of 24 h pre-milled VC (ZrC) particles were mechanically alloyed (MA?d) for different durations. The effects of the manganese amount and the MA duration on the microstructural and mechanical properties were investigated. Considering that conventional consolidation methods and relatively low sintering temperatures were employed, remarkable Vickers microhardness and relative density values were achieved. When all the wear amounts, the microhardness results, relative densities and microstructures of the composites were taken into account, it was evident that increasing MA and Mn amounts improve the mechanical as well as the microstructural properties of W-Mn matrix composites.In conclusion, this work revealed the first scientific data on the production of different tungsten borides (W2B, WB and W2B5) and their mixtures via mechanical alloying, tungsten oxide (WO2) nanostructures with CNT hybrid materials via a water assisted method and W-Mn matrix composites via mechanical alloying and conventional sintering.
Benzer Tezler
- Tekstil atıksularındaki boyar maddelerin fotokatalitik oksidasyon ile giderimi için zno bazlı katalizörlerin geliştirilmesi
Development of zno based catalysts for photocatalytic degradation of dyes in textile wastewater
BEYZA DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK TÜTER
PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Fabrication and characterization of multilayer TiO2 membranes with hierarchically porous structure
Hiyerarşik gözenekli yapılı çok katmanlı TiO2 membranların üretimi ve karakterizasyonu
MERVE BULDU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
- Yanma gecikmeli poliakrilonitril polimer ve elyafları üretimi
Producing flame retardant polyacrylonitrile polymers and fiber manufacturing from the same
MUSTAFA YILMAZ
Doktora
Türkçe
2020
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET AKAR
- Bazı yeni Schiff bazları ve benzimidazoller ile Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II) ve Pd(II) komplekslerinin sentezi ve yapılarının incelenmesi
Synthesis and characterization of some new Schiff bases and benzimidazoles and their Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II) and Pd(II) complexes
DILDORA PARDAEVA