Geri Dön

Synthesis & characterization of boron nitride nanostructures and application in nanocomposites

Bor nitrür nano yapıların sentezlenmesi, karakterizasyonu ve bu yapıların nano kompozit uygulamalarında kullanılması

PDF İndir

  1. Tez No: 458896
  2. Yazar: AYŞEMİN TOP
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK, YRD. DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Fiber takviyeli polimer nano kompozitler, günden güne hem endüstride hem de akademik çalışmalarda oldukça önem kazanmaktadır. Bu malzemeler, nano ve mikro elektronik cihazları, iletişim ve bilişim sektörü, denizcilik yapı malzemeleri, kozmetik uygulamaları, spor eşyaları, tekstil sektörü, otomotiv sektörü, havacılık, uzay ve savunma uygulamaları gibi geniş uygulama alanlarına sahiptir. Polimer nanokompozitlerin hafifliği ve yüksek mekanik dayanım özelliklerinin yanı sıra, kullanılacak takviye malzemenin özelliklerine göre, elektrik iletken veya yalıtkan, termal iletken, kimyasal malzemelere ve korozif ortamlara dayanımlı ve bunun gibi farklı ve oldukça avantajlı özelliklere sahip nano kompozit malzemeler elde edilebilir. Nano kompozitler ile alakalı en önemli noktalardan bir tanesi de, mikro ve üstü boyutta takviye malzeme miktarlarına kıyasla, oldukça az miktarda nano boyutta katkı malzemesi kullanılarak aynı özellikler elde edilebilmesidir. Bu durumun sebebi ise, nano boyutta malzemelerin yüksek yüzey alanı ve yüksek boy/en oranına sahip olmalarıdır. Bor nitrür nano malzemeler yüksek mekanik değerleri, yüksek sıcaklıklara olan dayanımları, kimyasal malzemelere ve orozif ortamlardaki yüksek dayanımları ile gibi spesifik özellikleri ile polimer ve seramik nano kompozitler için önemli takviye malzeme adaylarıdır. Bu çalışma BNNF ve BNNT lerin üretimi, üretim parametrelerinin optimize edilmesine ve karakterize edilmesine dayanmaktadır. Bu kapsamda bu tez çalışması iki ana bölüme ayrılabilir:  Farklı bor nitrür nano yapıların sentezi, optimizasyonu ve karakterizasyonu  Üretilen nano malzemelerin polimer nanokompozit üretiminde kullanılması Çalışmanın ilk bölümü BNNF ve BNNT' lerin farklı malzemeler ve farklı proses parametreleri ile sentezlenmesi ve karakterize edilmesini kapsamaktadır. BNNF' ler, elektro lif çekim yöntemi ve ardından bir çeşit ısıl işlem yöntemi olan nitrürleme uygulanarak elde edilmişlerdir. Elektro lif üretim yönteminin uygulanabilmesi için polimerik malzeme olarak PBV, polimer malzemenin çözücüsü olarak etanol, bor kaynağı olarak da B2O3 kullanılarak bir solüsyon hazırlanmıştır. Bu solüsyona uygulanan elektro lif çekim yöntemi sonucunda, bor kaynağı içeren polimerik nano fiberler (BOFs) elde edilmiştir. BOF' lara NH3, N2 ve O2 gazları atmosferinde uygulanan nitrürleme işlemi ile aşağıdaki aşamaların gerçekleşmesi ile BNNF' ler elde edilmişlerdir. Nitrürleme işlemi aşağıdaki 4 aşamadan oluşmaktadır;  Polimerin karbonizasyonu  B2O3' ün erimesi  B2O3'ün fiberizasyonu xxiv  B2O3'ün nitrürlenmesi NH3 nitrürleme reaksiyonları için gerekli olmakla beraber N2 taşıyıcı ve süpürücü gaz olarak kullanılmıştır. O2 ise polimerin karbonize edilmesinin ardından ordaya çıkan karbonun giderilmesi amacıyla sisteme beslenmiştir. Bu üretim sürecinde kullanılan bor kaynağının, polimer malzemesinin miktarı ve proses parametreleri optimize edilerek bir üretim reçetesi oluşturulmuştur. BNNF sentez çalışmasının paralelinde, BNNTs' lerin sentezi çalışması yürütülmüüştür. CVD yöntemi kullanılarak, Ar ve NH3 atmosferinde BNNT' lerin sentezi gerçekleştirilmiş ve parametreler optimize edilerek BNNT' ler içinde bir üretim reçetesi oluşturulmuştur. BNNT/tekil seramik fiber yapılarının, seramik matrisli kompozit malzemelerin üretiminde kullanımı ile takviye malzemesi - matris malzemesi ara yüzeyinin arttılmasına katkıda bulunarak tabakalar arası ve dışı kırılma tokluğunun arttıldığı literatürde rapor edilmiştir. BNNT' lerin tekil seramik fiberler üzerinde büyütülmesi mekanizmasını araştırmak ve bu yaklaşımından yola çıkarak BNNT' lerin BNNF'lerin üzerinde büyütülmesinin de seramik nano kompozit malzemeleri için faydalı olacağı düşünülmüştür. Bu kapsamda, BNNT' lerin farklı altlıklar üzerinde çok havlı şekilde (fuzzy) sentezlenmesi üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Altlık yüzeyi ile BNNT' ler arasında bağlantıyı güçlendirebilmek ve sentez verimini arttırmak amacı ile altlık olarak kullanılan BNNF' lere ve tekil seramik fiberlere katalizleme işlemleri uygulanmıştır. Altlıklar, Fe asetat, Mg asetat ve etanol ile farklı konsantrasyonlarda hazırlanan kataliz solüsyonları içerisinde bekletilerek, Fe ve Mg iyonlarının altlıklara tutunması sağlanmıştır. Bu işlemin ardından altlıklar üzerinde bulunan bu kataliz iyonları H2 atmosferinde redüklenerek atoma çevrilmiştir. Fuzzy BNNT' lerin sentezlenmesinde, CVD yöntemi optimize edilen BNNT üretimi reçetesi ile uygulanmıştır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, BN nano yapılar/polimer nano kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Literatürde, BNNF/polimer nano kompozitler ile ilgili hiç bir çalışmanın yapılmamış olması göz önünde bulundurularak ilk aşamada, üretilen BNNF' lerin polimer nano kompozit üretiminde kullanılması tercih edilmiştir. Matris malzemesi olarak kâğıt şeklinde epoksi tabakaları kullanılarak, katkı malzemesi olan BNNF' lerin epoksinin termal özelliklerini iyileştirmesi beklenmiştir. Literatürde polimer nano kompozit üretiminde kullanılan BN nano malzemeler, düşük ıslatılabilme ve yüksek hidrofobik özelliklerinden dolayı, kimyasal veya fiziksel yollarla fonksiyonlama işlemlerine maruz bırakılmışlardır. Fonksiyonlama işlemlerinin temel amacı BN nano malzemesinin yüzeyinin modifiye edilerek, ıslatılabilme özelliklerinin geliştirilmesini sağlamaktır. Fakat fonsiyonlama işlemlerinin, uygulanan malzemenin özelliklerinde kötüleşmeye sebep olduğu da literatürde yer aldığından dolayı bu çalışmada, literatürün aksine fonsiyonlama işlemi uygulamadan sadece mekanik güç ile fiber – matris arayüzey bağlantısının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda fiberlere herhangi bir işlem uygulamaksızın, sıcak pres ve vakum infüzyon yöntemleri ile kompozit üretiminin gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen malzemelerin özelliklerinin araştırılabilmesi için bazı karakterizasyon teknikleri kullanılmıştır. BNNF' lerin ve BNNT' lerin morfolojik özelliklerini anlayabilmek için SEM cihazı kullanılmıştır ve sentezlenen malzemelerin formu, çap ölçüleri gibi bilgilere ulaşılmıştır. FTIR analizi, atomlar arasında ki bağ titreşimleri ölçülmesi ile yapı hakkında bilgiler vermektedir ve bu çalışmada da FTIR spektrumu ile bor kaynağının başarılı bir şekilde nitrürlenerek BN' e dönüştürülüp dönüştürülmediği bilgisi araştırılmıştır. TGA cihazı kullanılarak, sentezlenen malzemelerin çeşitli atmosferler ve sıcaklıklar altında termal özellikleri incelenebilmektedir. Bu çalışmada da TGA kullanılarak, BN nano malzemelerin hava atmosterinde yüksek sıcaklıklarda nasıl davrandığı araştırılarak, yüksek sıcaklıklarda ki oksidasyon direnci ölçülmüştür.

Özet (Çeviri)

Lightweight, high temperature resistivity and high strength materials are areas of interest in industry and academy for advanced composite applications. Boron Nitride (BN) nanostructures such as nanofibers and nanotubes are very important classes of materials, due to their high surface area, high aspect ratio and extreme material characteristics. BN nanomaterials are promising reinforcement materials for several nanocomposite applications because of their unique properties. This study focuses on the synthesis, optimization, and characterization of advanced BN nanostructures including BN nanotubes, nanofibers as well as fuzzy architectures to develop enhanced polymer nanocomposites. This study can be summarized in two main section;  synthesis, optimization and characterization of BN nanostructures  fabrication of BN based polymer nanocomposites The first section of this study consists of synthesis of boron nitride nanofibers (BNNFs) and boron nitride nanotubes (BNNTs) by using different boron precursors and methods on various substrates. To achieve BNNFs, electrospinning method is used and followed by a nitriding process, respectively. Electrospinning solution was prepared with polyvinlybutyral (PVB) as polymeric material, boric oxide (B2O3) as boron source and ethanol as solvent. Nanofibers containing of boron source, labelled as BOFs, were obtained by conventional electrospinning set-up. Then, in NH3, O2, N2 atmosphere, heat treatment process was applied to BOFs and BNNFs were produced, respectively. Optimization studies of time durations of process and wt. % of boron source and polymer were performed and parameters were optimized within the existing system. In parallel to BNNFs studies, BNNTs were synthesized by a chemical vapour deposition (CVD) method under Ar and NH3 atmosphere. Process parameters and precursor amounts were optimized for fabrication of advanced nanostructures. Synthesis of fuzzy BNNTs on different substrates such as BNNFs and single ceramic fibers was performed to achieve more surface area and increase laminar strength in the existing CVD system. For fabrication of fuzzy BNNTs, catalysis studies were done and an optimized process was applied to the substrates. In the second section of this study, BN based polymer nanocomposites were fabricated. Regarding the lack of the researches about the BNNF/polymer nanocomposites, BNNFs were used as reinforcement material and epoxy sheet as matrix material. In literature, chemical or physical functionalization process is applied to the BN's to increase wettability since BN nanomaterials have low wettability and are super hydrophobic. The aim of the polymer nancomposites section in this study is to increase conjunction between the reinforcement surface and the matrix material by using mechanical force instead of functionalization process, which is done in other BN material/polymer nanocomposites studies and resulted as poor property nanocomposites. The polymer nanocompsoites were fabricated by hot press moulding and vacuum infusion methods, respectively. Scanning electron microscopy (SEM) was performed to investigate the morphological properties of BN nanostructures. Fourier transformation infrared ray spectrum (FTIR) was performed to investigate bonding nature of the materials. Thermal gravimetric analysis (TGA) was used to investigate the thermal properties and oxidation resistance properties of BN nanostructures.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    558708

    Synthesis of acrylic modified hexagonal boron nitride polymers by ATRP

    Akrilik fonksiyonlandırılmış hekzagonal bor nitrür polimerlerinin ATRP ile sentezlenmesi

    BÜŞRA AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI

  2. Tez No

    897752

    Mangan destekli bor nitrür nanopartiküllerin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of manganese supported boron nitride nanoparticles

    AYGÜL BELGE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBatman Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ KADRİ KURT

  3. Tez No

    771589

    Depolamada kullanılan gözenekli bor yapıların üretilmesi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of porous boron structures used in storage

    GÜLENAY YELTİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİGEN KAYA

  4. Tez No

    472888

    Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD

    III-nitratların ve metal oksitlerin atomik katman kaplamısı; bunların alan seçici ALD'deki uygulamaları

    ALI HAIDER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. AYKUTLU DANA

    DR. NECMİ BIYIKLI

  5. Tez No

    398033

    Synthesis of conducting polymers and investigation of their electrical properties

    İletken polimerlerin sentezi ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi

    ESMA AHLATCIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL

    DOÇ. DR. MUSTAFA OKUTAN

Geri Dön