Synthesis and optimization of the transition metal boride nanoparticles and their possible magnetic/hybrid composite applications
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 668778
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER, DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE BALCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Metalurji Mühendisliği, Chemistry, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 212
Özet
Bu çalışmanın temel amacı, geçiş metali borürlerin nanoparçacıklarını sentezlemek ve düşük sıcaklık yöntemini kullanarak manyetik ve hibrit takviye özelliklerini hem bilimsel hem de endüstriyel alanlarda hedeflenen uygulama alanlarına doğru araştırmak ve optimize etmektir. Bu kapsamda, kristalin kobalt-metal-bor (Co-M-B (M = Fe, Ti)) esaslı borür sistemleri incelenmiştir. Tez kapsamında inorganik ergimiş tuz tekniği ve otojenik basınçta redüksiyon tekniği ile sentez çalışmaları susuz/sulu metal klorür ve sodyumborhidrür karışımları kullanımı ile gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarının yanı sıra bu malzemeler ile yapılabilecek olası uygulamalar her bölüm içerisinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. İkinci bölüm, optimize edilmiş düşük sıcaklık yöntemini, metal klorürleri ve öncü olarak NaBH4'ü kullanan ve inorganik ergimiş tuz ortamı içeren yeni bir yaklaşımla Co-Fe-B kristalin nanopartiküllerin yerinde sentezine odaklanmaktadır. Reaksiyon sistemlerinin ve sentez koşullarının, elde edilen örneklerin faz oluşumu, mikro yapısı, saflığı ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İnorganik ergimiş tuz ortamının kullanılmasının, öncü maddelerin ergime noktasının azaltılmasına yardımcı olduğu gözlemlenmiştir. CoCl2, FeCl3 ve NaBH4'ün 850 °C'de kapalı paslanmaz çelik borularda reaksiyonunu takiben CoB ve Fe3B fazları ayrı olarak elde edilmiştir. Ar akışı altında gerçekleşen reaksiyondan sonra ise, (CoFe)B2 katı çözelti nano tozları ortalama 60 nm boyutunda 850°C'de tek adımda sentezlenmiştir. Aynı tozların 1100 °C'deki tavlama işleminden sonra, 1: 1 Co: Fe mol oranına sahip kararlı ve oldukça kristalin (CoFe)B2 katı çözelti fazı elde edilmiştir. Sentezlenen parçacıkların ferromanyetik özellik sergilediği ve elde edilen yumuşak manyetik malzemelerin karakteristik dar bir histerezis eğrisine sahip olduğu gözlemlenmiştir. 650 - 850 °C arasındaki reaksiyon sıcaklığı aralığında sentezlenen tozların manyetik ölçümleri, doyma magnetizasyonunda önemli bir azalma olmadan 500 Oe'ye kadar koersivite artışı sağlandığını göstermiştir. Öte yandan, tavlama işlemi ardından elde edilen faz ve kimyasal değişimden sonra, kristalin (CoFe)B2 parçacıkların süperparamanyetik özellik sergilediği tespit edilmiştir. Üçüncü bölüm, sulu metal klorürler ve NaBH4 kullanarak kristalin ve nano boyuttaki kobalt-demir metal borür tozlarının kimyasal sentezi üzerinde yapılan araştırmaları açıklamakta ve ayrıca reaksiyon sistemlerine ve sentez koşullarına optimizasyon adımlarının uygulanmasının etkisini ortaya koymaktadır. Başlangıç malzeme konsantrasyonunun ve optimize edilmiş sentez koşullarının faz oluşumu, mikroyapı ve manyetik özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 850 °C'de CoCl2 · 6H2O - FeCl3 · 6H2O - NaBH4 arası reaksiyon uygulandıktan sonra, uygulanan farklı sentez koşullarından (CoFe)B2, (CoFe)B, Co2B, Fe3B ve Fe0.91B0.09 borür fazları elde edilmiştir. Otojenik basınçta oluşan oksiklorür empüritelerinin, azaltılmış manyetizasyon değerlerinin sebebi olduğu; öte yandan aktif Ar akışı altında sentez gerçekleştiğinde üçlü katı çözelti fazının oluştuğu ortaya çıkmıştır. 183 emu/g ile en yüksek doygunluk manyetizasyonu, (CoFe)B2 ve (CoFe)B saf fazlarını içeren nanoparçacıklarda elde edilmiştir. Bir önceki bölümdeki deneyimlerimizden elde edilen optimizasyon adımlarını uyguladıktan sonra, numunelerin elde edilen doygunluk manyetizasyonu 9 kat arttırılmıştır. Bu da tozların saflığının önemini ve oksijenin rolünü vurgulamaktadır. Yüksek sıcaklık manyetik ölçümleri, sentezlenmiş tozların 795 K'ye kadar yumuşak manyetik malzemeler olarak kararlı olduğuna işaret ederken, elde edilen fazlar için Tc değerine ulaşılmamıştır. Dördüncü bölümün odağı, takviye maddesi olarak kullanılmak üzere sentezlenen nanoparçacıklara doğru kaymaktadır. Bu bölümde, kobalt-titanyum-bor bazlı kristal tozların sentezi için yeni düşük sıcaklık yaklaşımı benimsenmiştir. Yöntem, otojenik basınç altında kapalı bir reaktör içinde CoCl2(s), TiCl4(1) ve NaBH4(s) in tek aşamalı doğrudan reaksiyonuna dayanmaktadır. Öncüllerin 850 °C'de reaksiyonundan sonra, metal klorürlerin 1:3 olarak NaBH4'e molar oranları ile CoB ve TiB2 fazları yerinde sentez yöntemi ile oluşturulmuştur. 1100 °C'de müteakip tavlama işlemi, metal klorürlerin CoB-TiB2 kompozit yapılara tam bir dönüşümünü sağlamıştır. Borürlerin ikili formlarının, farklı morfolojilerle SEM/EDS analizlerinde gösterilen ayrı fazlar oluşturma eğiliminde olduğu sonucuna varılmıştır. Amorf bor tabakası, ortalama partikül boyutu 60 nm olan TiB2 partiküllerini kuşatırken, CoB partikülleri ortalama 450 nm'lik bir boyutta aglomeratlar oluşturmuştur. Sentezlenen tozların metal matrislerde takviye elemanı olarak kullanımı, Ti6Al4V yığın numunelerinde yükseltilmiş sertlik (506 Hv) ve basınç mukavemeti (1682 MPa) değerleri ile sonuçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
The main objective of this study is to synthesize nanoparticles of transition metal borides adopting a low-temperature method and explore and optimize their magnetic and hybrid reinforcement properties and enhance their mechanical properties towards targeted application areas, both in scientific and in industrial fronts. This thesis reports the synthesis conditions of crystalline cobalt-metal-boron (Co-M-B (M = Fe, Ti)) based boride systems: Investigations of Co-Fe-B systems as effective magnets and Co-Ti-B as effective reinforcement agents in hybrid composite production have been targeted. In the scope of the thesis, synthesis studies were carried out by inorganic molten salt and reduction at autogenic pressure techniques using the anhydrous/hydrous metal chloride and sodium borohydride mixtures. The results of the experiments as well as their possible applications are described in detail within each chapter. Chapter two focuses on the in-situ synthesis of Co-Fe-B crystalline nanoparticles via a new approach utilizing the optimized low-temperature method, metal chlorides, and NaBH4 as precursors and, incorporating inorganic molten environment. The effect of the reaction systems and synthesis conditions on the phase formation, microstructure, purity, and magnetic properties of the obtained samples were investigated. The use of an inorganic molten environment helped reduce the melting point of the precursor materials. Following the reaction of CoCl2, FeCl3 and NaBH4 at 850 °C in sealed stainless-steel tubes, CoB and Fe3B phases formed separately. After a reaction under Ar flow; however, CoFeB2 solid solution nano powders were obtained in one step at 850 °C with an average size of 60 nm. After annealing at 1100 °C, stable and highly crystalline (CoFe)B2 solid solution phase with a Co:Fe molar ratio of 1:1 was achieved. As-synthesized particles exhibited ferromagnetic property and possessed a narrow hysteresis curve characteristic of soft magnetic materials. Extended reaction temperature from 650 to 850 °C is seen to produce coercivity enhancement up to 500 Oe without a significant reduction in saturation magnetization. On the other hand, after an annealing process and subsequent phase and chemical change, crystalline (CoFe)B2 particles exhibited superparamagnetic property. Chapter three describes research performed on the chemical synthesis of crystalline and nanoscale cobalt-iron metal boride powders using hydrous metal chlorides and NaBH4 and also reveals the effect of application of optimization steps to the reaction systems and synthesis conditions. The effects of precursor concentration and optimized synthesis conditions on the phase formation, microstructure, and magnetic properties were investigated. After applying a reaction of CoCl2·6H2O-FeCl3·6H2O-NaBH4 at 850°C, (CoFe)B2, (CoFe)B, Co2B, Fe3B, and Fe0.91B0.09 boride phases were obtained from different synthesis conditions applied under autogenic pressure or Ar flow atmosphere. Oxychloride impurities were the reason for the reduced magnetization values, and it was revealed that the ternary solid solution phase forms when synthesized under active Ar flow. The highest saturation magnetization of 183 emu/g belongs to obtained nanoparticles containing (CoFe)B2 and (CoFe)B pure phases. After implementing the optimization steps acquired from our previous experiences, the obtained saturation magnetization of the samples was increased 9-fold which emphasizes the importance of purity of the powders and the role of oxygen. High temperature magnetic measurements marked synthesized powders as soft magnetic materials up to 795 K while no Tc was reached for the obtained phases. The focus of chapter four shifts toward nanoparticles synthesized to be used as a reinforcement agent. In this chapter, a novel low-temperature approach was adopted for the synthesis of cobalt-titanium-boron based crystalline powders. The method was based on the single-step direct reaction of CoCl2(s), TiCl4(l), and NaBH4(s) in a sealed reactor under autogenic pressure. After the reaction of the precursors at 850 °C, with molar ratios of metal chlorides to NaBH4 as 1:3, CoB and TiB2 phases were formed in-situ. The subsequent annealing process at 1100 °C achieved a full conversion of metal chlorides to CoB-TiB2 composite nanostructures. It was concluded that the binary forms of the borides tend to form as separate phases, which is illustrated in the SEM/EDS analyses with different morphologies. The amorphous boron layer surrounded TiB2 particles with an average particle size of 60 nm, whereas the CoB particles formed agglomerates with an average size of 450 nm. The use of 1 wt. % of the synthesized composite powders as reinforcement in metal matrices resulted in enhanced hardness (506 Hv) and compressive strength (1682 MPa) of the Ti6Al4V bulk samples.
Benzer Tezler
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ile W2FeB2 ve W2FeB2-Fe bazlı kompozitlerin üretimi ve malzeme karakterizasyonu
Synthesis of W2FeB2 and W2FeB2-Fe based composites by self-propagating high temperature synthesis and material characterization
ECE SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT BORA DERİN
- Elektrokimyasal yöntemle titanyum ve titanyum alaşımlarının borlanması ve karakterizasyonu
Electrochemical boronizing and characterization of titanium and titanium alloys
AYŞE AYPAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
PROF. DR. İ. SERVET TİMUR
- Production and characterization of W-Ni matrix composites reinforced with CeB6, NdB6, ErB4 particulates by powder metallurgy methods
CeB6, NdB6, ErB4 partikülleri ile takviye edilmiş W-Ni matris kompozitlerin toz metalurjisi yöntemleri ile üretimi ve karakterizasyon çalışmaları
BURÇAK BOZTEMUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Understanding and optimization of InN and high indium containing InGaN alloys by metal organic chemical vapor deposition
Başlık çevirisi yok
ÖCAL TUNA
Doktora
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiRheinisch-Westfälische Technische Hochschule AachenElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MICHAEL HEUKEN
PROF. DR. RAINER WASER
- 1-(1,3-ditiyen-2-il)propargilaminlerin iyodosiklizasyonuyla 3-amino-4-iyodotiyofenlerin sentezi
Synthesis of 3-amino-4-iodothiophenes through iodocyclization of 1-(1,3-dithian-2-yl)propargylamines
ZEYNEP MERT