Geri Dön

ReB2 and Re7B3 : Synthesis, characterization and theoretical calculations

ReB2 ve Re7B3 : Sentezi, karakterizasyonu ve teorik hesaplamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 367676
  2. Yazar: ZEYNEP GİZEM NARİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Endüstriyel uygulama alanları nedeniyle son yıllarda aşırı sert malzemelerle ilgili çalışmalar büyük ilgi toplamıştır. Şimdiye kadar bilinen en sert ve sıkıştırılmaya karşı en dayanıklı malzeme elmastır. Birçok bilim adamı en az elmas kadar sert bir malzeme bulmak için çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmalar sonucunda, renyum diborür (ReB2) en umut vaat edici bileşik olarak belirlenmiştir. ReB2'e ek olarak, Re7B3 kuantum kimyasal hesaplamaları sonucunda olası sert bir bileşik olarak değerlendirilmiştir. Bu tez çalışması iki projeden oluşmaktadır. Birincisi, ark eritme yöntemi ile sentezlenen ReB2'ün mekanik özelliklerinin içerisindeki bor miktarına göre incelenmesi; ikincisi ise, Re7B3 için yeni üretim metotlarının geliştirilmesi ve kapsamlı karakterizasyon çalışmasıdır. ReB2'ün Vickers sertlik aralığı, teorisyenler ve deneysel çalışanlar tarafından net bir biçimde belirlenememiştir. Tam belirlenemeyen ve 20 ile 48 GPa arası çeşitlilik gösteren sertlik aralığı yüzünden, ReB2'ün aşırı sert olup olmadığı tartışmaya açık hale gelmiştir. Bu belirsizliği gidermek ve gerçek sertlik değerini saptamak için, ReB22ün mekanik özelliği üzerine çalışıldı ve bunu sentez sonrasında yapı içerisinde kalan fazla borun mekanik özelliği nasıl etkilediği incelendi. Ark eritme metodu ile ReB2'ü sentezlemek ancak reaksiyona fazla bor ile başlayarak mümkün olmaktadır. Ancak sentez için ne kadar fazla bor kullanmak gerektiği şimdiye kadar net bir biçimde belirtilmemiştir. Son ürünün yapısında kalan bor fazlalığının ReB2'ün mekanik özelliklere etkisini araştırmak için iki farklı kimyasal mol oranı kullanılmıştır, Re:B=1:4 ve Re:B=1:7. İstanbul Teknik Üniversitesi'nde yapılan Vickers mikro indentasyon test tekniği ile, ilk defa ReB2 yapısındaki bor fazlalığının ReB2'ün sertlik değerlerini düşürdüğü saptanmıştır. Bu saptamanın üzerine, çeşitli deney metotları ile yapıdaki bor fazlalığı uzaklaştırılmaya çalışılmıştır. Nitrik asit uygulaması ve kırıp yeniden sentezleme metodu başarılı sonuçlar vermiştir. Bunlara ek olarak, amorf bor ile senteze başlamak yerine daha stabil kristal bor ile reaksiyon tekrarlanmış ve aradaki farklılık gözlemlenmiştir. ReB2 projesinde, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellik incelemeleri XRD, ICP-OES, EDXS, SEM, Vickers sertlik cihazı ve aşınma cihazları ile yapılmıştır. Re-B sistemleri arasında; Re7B3, ReB2 kadar kapsamlı bir biçimde çalışılmadı. 2003 senesinde, sürpriz bir biçimde Re7B3'ün süper iletkenliği kesfedildi.1 Bunun dışında, Örmeci tarafından yapılan teorik FPLO paket hesaplama çalışmalarında Re7B3 için iki ayrı sertlik değeri hesaplandı. Bu iki ayrı sonucun sebebi Re7B3 yapısındaki B-B etkileşiminin bağ olarak değerlendirilip değerlendirilmeme durumundan kaynaklanmaktadır.2 Re7B3'ün sertliğini net bir biçimde anlayabilmek ve saf bir biçimde sentezlenip fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini kapsamlı olarak raporlamak bu projenin başlıca amacıdır. Re7B3 şimdiye kadar saf bir biçimde tek faz olarak sentezlenemedi. Genellikle, ReB2 ve Re3B impüriteleri ile gözlemlendi. Re-B faz diyagramında Re7B3'ün dar bir alanda yer alıyor olmasının yanı sıra üretim esnasında kullanılacak bor fazlalığının hesaplanamaması Re7B3'ün tek bir fazla üretilmesini zorlaştıran başlıca sebeplerdir. Biz bu projesinde, üç farklı üretim şekli ile Re7B3'ün saf bir biçimde sentezlenmesi üzerine çalıştık. Birincisi yüksek sıcaklık altında elementlerin karışım metodu, ikincisi metal eriğiyi ile sentezleme metodu, üçüncüsü ise ark eritme tekniğidir. Yapılan çalışmalarda, Re3B impürite olarak görülmesine rağmen, Re7B3 ilk defa kurşun eriğiyi içinde sentezlenmiştir. Ark eritme tekniği ile daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir. %95 saflık değerinde Re7B3 başarı ile sentezlenmiştir. Takibinde ise, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikler XRD, ICP-OES, EDXS, SEM, Vickers sertlik testi, aşınma testi, manyetik duyarlılık ölçümü ve özgül ısı kapasitesi ölçümleri ile raporlanmıştır.

Özet (Çeviri)

The investigation of superhard materials has attracted much interest due to their applications in industry. Diamond is the hardest and most incompressible single-phase material known up to now. Several researchers have devoted themselves to produce new superhard materials, as hard as or even harder than diamond. One of those promising material is rhenium diboride (ReB2). In addition to ReB2, Re7B3 is also considered from quantum chemical calculations as another possible superhard compound. The present thesis consists of two parts: mechanical characterization of arc melted ReB2 and synthesis and comprehensive characterization of Re7B3. The controversial Vickers hardness range of ReB2 has not been cleared out by experimentalists and theoreticians. This large range, reported as 20 GPa to 48 GPa, causes an argument on whether ReB2 is a superhard material or not. In order to clarify this point and to understand the actual hardness, we have examined how hardness of ReB2 changed in correlation with the excess boron amount in the compound. Arc melting synthesis of ReB2 is only possible when surplus of boron is employed. Until now, there is no clear information how much excess should be applied. To investigate the effect of excess boron in the final product, a set of ReB2 compound was synthesized with two different boron contents, Re:B=1:4 and 1:7. By the Vickers micro-indentation hardness test, average hardness of ReB2 was measured 24 GPa. As the free boron content increased from ReB3.5 to ReB5.5, the average hardness decreased from 24.89 ±0.66 GPa to 23.88 ±0.34 GPa. It is the first result ever that compares the hardness values of ReB2 depending on the boron excess in the ReB2 structure. Hence, the inverse relationship between excess boron amount and the hardness of ReB2 was successfully proved for the first time ever. The obtained micro-hardness values are lower than the corresponding average values of 35 GPa reported by Chung et. al. 16 This may be due to the fact that the limitation effect of excess amorphous boron in the structure. Different experiments have been conduct to reduce/remove the rest (unreacted) boron from ReB2. Hereby, HNO3 treatment and cracking and re-melting methods were most successful ones. As reported by ICP-OES results, ReB3.5 decreased to ReB3.3 by nitric acid treatment, while ReB3.6 decreased to ReB2.9 by cracking and re-melting method. In addition, crystalline boron was used as a reactant instead of the amorphous powder to investigate the effect of allotropic forms and purity of boron on the ReB2 synthesis. There is no need to employ surplus of boron for the synthesis from the crystal boron. Among the Re-B system, Re7B3 has not been studied as extensively as ReB2. Recently the superconductivity of Re7B3 was discovered with the transition temperature of 3.3 K for the first time.1 Besides the superconductivity of Re7B3, there is an interest in checking the hardness properties of the Re-B compounds. Örmeci et. al. also investigated the hardness of Re7B3 by using the crystal structure and the tabulated atomic radii by the FPLO package.2 There was a basic conflict either to use B-B interaction as a bond in the calculations -14 GPa- or to not use it -20 GPa- . For deeper understanding of this phenomenon -in other words- the hardness of Re7B3, we have decided to synthesize Re7B3 as a pure powder and characterize its chemical, physical and mechanical properties. Experimental results proved that the hardness of Re7B3 is 19 GPa. So, the B-B interaction should be considered in the hardness calculations. The compound Re7B3 has not been synthesized as a pure phase so far. Usually, Re3B or ReB2 are the byproduct as a minor phase. Therefore, it is a big challenge to synthesize a single phase of Re7B3 not only because of the narrow phase region of Re7B3, but also due to the incalculable boron loss during the synthesis. In this thesis, we investigated the synthesis of Re7B3 with three different methods; synthesis by the direct reaction of elemental component at high temperature, synthesis in a metal flux, and arc melting synthesis. The preparation of Re7B3 was accomplished by the lead flux method for the first time ever. By applying arc melting method and by tuning the starting composition, we obtained Re7B3 as the main product (ca. 95 wt. %). In the second part of the thesis, the detailed synthesis method was reported with the chemical, physical and mechanical characterization results done by XRD, ICP-OES, EDXS, SEM, Vickers micro-indentation, wear test, magnetic susceptibility, and specific heat capacity measurements.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    276937

    Synthesis and characterization of novel ternary transition metal borides and new synthesis methods for superhard ReB2 and clathrate of Type-I

    Yeni üçlü geçiş metal borürlerinin sentez ve karakterizasyonu ve süper sert renyum diborür ve Tip-I klatratları için yeni sentez metotları

    BURCU USLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Metalurji MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER

  2. Tez No

    460844

    Numerical analysis of turbulent flow and heat transfer with nanofluid in elliptical cross-sectioned duct

    Eliptik kesitli bir kanal içerisindeki ısı transferinin türbülanslı koşullar altında ve nano-akışkan kullanımıyla beraber sayısal olarak incelenmesi

    KAĞAN PENEKLİOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiÇankaya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVZAT ONUR

  3. Tez No

    312690

    GeI2, Re2C, La-Bi ve Ln2O3 (Ln=Sc, Y, La-Lu) bileşiklerinin yapısal, elektronik, mekanik ve titreşimsel özelliklerinin Ab initio yöntemlerle incelenmesi

    The investigation of the structural, electronic, mechanic, and vibrational properties of GeI2, Re2C, La-Bi, AND Ln2O3 (Ln=Sc, Y, La-Lu) compounds with Ab initio method

    HACI ÖZIŞIK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL ÇOLAKOĞLU

Geri Dön