Nd-Fe-B manyetik nanopartiküllerinin katı-halreaksiyonları ile üretimi, grafen tabakası ile kapsüllenmesi ve ilişkin karakterizasyon çalışmaları

Production of nd-fe-b magnetic nanoparticles by solid- state reactions, encapsulation with graphene layer and related characterization studies

Tez No: 676030
Yazar: MUSTAFA BELLEK
Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
Anahtar Kelimeler: Biyomedikal uygulamalar, Grafen oksit, Karbon temelli materyaller, Kimyasal buhar çöktürme, Malzeme bilimi, Malzeme üretimi, Manyetik maddeler, Mekanik alaşımlama, Mekanik alaşımlama tekniği, İki boyutlu yapılar, Biomedical applications, Graphene oxide, Carbon based materials, Chemical vapor deposition, Material science, Material production, Magnetic matters, Mechanical alloying, Mechanical alloying technique, Two dimensional structures
Yıl: 2021
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Manyetizma konusunda yapılan çalışmalarda temel hedef daha güçlü kalıcı mıknatıslar geliştirmek olmuştur. RE-Fe-B kalıcı mıknatısları bu amaçla geliştirilmiş, nadir toprak elementi olarak genellikle Neodimyum (Nd) elementinin kullanıldığı üstün özelliklere sahip kalıcı mıknatıslar olarak bilinmektedir. Birkaç yüksek sıcaklık uygulaması dışında, manyetik özellikler açısından en yakın takipçisi Sm-Co mıknatıslarına göre daha az maliyetli olması nedeni ile endüstride sıklıkla tercih edilmektedir. Nd-Fe-B kalıcı mıktanıslarının çeşitli üretim yöntemleri bulunmaktadır: Toz metalurjisi, ergiyik döndürme, sıcak deformasyon ve hidrojen orantısızlaştırma desorpsiyon rekombinasyonu. Bu yöntemlerde temel amaç manyetik özellikleri geliştirilmiş, anizotropik kalıcı NdFeB mıknatısları üretmektir. NdFeB kalıcı mıknatıslarına ferromanyetik özellik kazandıran tetragonal kafes yapısına sahip Nd2Fe14B nanopartiküllerinin kimyasal sentezi Nd3+'ün yüksek indirgenme potansiyeli ve Nd2Fe14B'nin oksidasyona eğilimi nedeniyle zordur. Tüm bunlardan yola çıkarak biyomedikal amaçlar için kullanılma potansiyeli değerlendirilen Nd-Fe-B nanopartiküllerin katı hal sentezleme yöntemleriyle üretildikten sonra doygunluk manyetizasyon ve koersivite değerlerinin ideal manyetik değerlerde olacağı öngörülmektedir. Ancak, nanopartikül boyutunda üretilen birçok malzeme gibi yüksek yüzey alanına sahip olacakları ve bu sebeple çok aktif olacakları öngörülmüş ve bu nedenle dış yüzeylerine kaplama yapılması planlanmıştır. Nd-Fe-B mıknatıslarının korozyon dirençlerini arttırmak için birkaç yöntem bulunmaktadır. Ama bu yöntemler temel olarak bu mıknatısların korunması için kaplamaların kullanımı yönünde yoğunlaşmıştır. Ayrıca alaşımlama yaparak da mıknatısların korozyon direncinin arttırılabileceği bilinmektedir. Bununla birlikte, alaşımlama genellikle manyetik özellikleri istenmeyen şekilde değiştirebilmekte ve pratik uygulamalar için koruyucu kaplamalara hala ihtiyaç duyulduğu sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada, elementel ve oksit hammaddelerden başlayarak kalıcı mıknatıs özelliğine sahip Nd-Fe-B nanopartikülleri üretilmiş, grafen ile kapsüllenmeleri amaçlanarak termal ve kimyasal kararlılıklarının arttırılması hedeflenmiş ve biyomedikal alanda kullanılma potansiyeli için detaylı karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Nanopartiküllerin üretimi için mekanik alaşımlama (MA) ve mekanokimyasal sentezleme yöntemleri kullanılmıştır. Alaşım tozları MA ile, mikroskobik ölçekte meydana gelen ve periyodik olarak tekrarlanan çarpışma, soğuk kaynak ve kırılma olaylarının zincirleme döngüsü ile daha ince ve homojen bir mikroyapıya sahip yüksek kompozit malzemelerin üretilmesinde kullanılır. Yüksek enerjili öğütme ortamlarından dolayı partikül boyutları oldukça küçük değerlere ulaşabilmekte, homojen yapıda kompozitler elde edilebilmektedir. Kimyasal dönüşümlerin, mekanik etkilerle gerçeklemesi mekanokimyasal sentezleme olarak adlandırılmaktadır. Bu mekanik etkilere basınç, kaynama veya sürtünme örnek olarak verilebilir. Mekanik enerjinin ortaya çıkarıldığı öğütme gibi plastik deformasyon yaratan işlemler itici güç oluşturarak mekanokimyasal reaksiyonların gerçekleşmesinde etkili olur. Mekanik etkiler sonucu ortaya çıkan enerji sayesinde bu yöntemle gerçekleşen proseslerde dışardan herhangi bir enerji sağlamaya gerek duyulmamaktadır. MA yöntemi ile Nd, Fe ve B elementel tozları kullanılarak Nd15Fe77B8, Nd10Fe84B6 ve Nd2Fe14B kompozisyonları ile üretimler gerçekleştirilmiş; 8, 10, 12 ve 24 saat (sa) öğütme süreleri ile farklı bilya boyutları kullanılmıştır. Böylelikle nanopartiküllerin manyetik özelliklerine kompozisyon, öğütme süresi ve bilya boyutu, sayısının etkisi göz önünde bulundurulmuştur. Mekanokimyasal sentez yöntemi ile Nd2O3, Fe2O3 ve B2O3 başlangıç tozları ile Nd15Fe77B8 ve Nd10Fe84B6 kompozisyonlarında, indirgeyici ajan olarak Mg kullanılarak nanopartikül sentezi gerçekleştirilmiş, MgO yan ürünü eşliğinde nihai yapı elde edilmiştir. Mekanokimyasal sentez yönteminde 8 ve 10 sa öğütme süreleri ile farklı bilya boyutları ve sayılarında üretim gerçekleştirilerek manyetik özellikler değerlendirilmiştir. Mekanokimyasal sentez yöntemi ile üretilmiş tozlara yan ürün olan MgO'nun uzaklaştırılması amacı ile asit liçi 1 sa süreyle uygulanmıştır. MA ve mekanokimyasal sentez yöntemi ile sentezlenmiş nanopartiküllerin faz analizleri X-ışınları difraktometresi (XRD) tekniği ile gerçekleştirilmiştir. XRD analizleri sonucunda MA'lanmış ve mekanokimyasal sentez ile elde edilmiş tozların Nd2Fe14B tetragonal fazını içerdiği tespit edilmiştir. Partikül boyut ölçümleri dinamik ışık saçılımı (DLS) yöntemi ile gerçekleştirilmiş ve tozların nanopartikül boyutunda sentezlendiği kanıtlanmıştır. Partikül boyutlarının desteklenmesi ve MA sürecinin takibi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. MA yönteminde gerçekleşen kaynaklanma, kırılma, yeniden kaynaklanma aşamaları sırasında aglomere olmuş partikül morfolojileri SEM analizleriyle incelenmiştir. Enerji dağılım spektrometresi (EDS) analizi ile öğütme sonrası tozların elementel bileşimleri incelenmiştir. Manyetik özellikler titreşimli örnek manyetometresi (VSM) ile incelenmiş ve koersivite, doygunluk manyetizasyonu ve artık mıknatıslanım değerleri incelenmiştir. MA'lanmış tozlara öğütme sonrası ve mekanokimyasal sentez yöntemi ile üretilmiş tozlara liç işlemi sonrası yeni fazların oluşumu ve manyetik özelliklerin geliştirilmesi amacıyla tavlama işlemi 900°C'de 1 sa boyunca uygulanmıştır. Tavlama işlemi sonrasında XRD, SEM, EDS ve VSM analizleri tekrarlanmıştır. Bu analizler sonucunda öğütme ve liç sonrası elde edilen tozların XRD sonuçlarında Nd2Fe14B tetragonal fazı ve diğer yeni fazların oluşumu gözlenmiş, kristalizasyon oranının arttığı gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar EDS analizleri ile desteklenmiştir. Tavlanmış MA ve mekanokimyasal sentez yöntemleri ile üretilmiş tozlar biyomedikal kullanım alanlarında kullanım potansiyelleri açısından grafen kaplanması amacı ile kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemi ile kaplanmıştır. Literatürde grafen sentezi için çalışmalar yapılan tüm stratejilerin yanında, kimyasal buhar biriktirme yöntemi maliyetli olmayan ve yüksek miktarda grafen üretimine olanak sağladığı için sıklıkla tercih edilmektedir. KBB yönteminde, öncü gazlar reaktör içerisine beslenerek, tek tabaka veya birkaç tabaka grafen tabakası oluşturmak amacı ile, metal altlık üzerinde hidrokarbon öncü gazlarının karbon radikallerine dekompoze olmasını sağlayan ısı bölgelerinden geçerek metal altlık üzerinde biriktirilmektedir. Metal altlık, reaksiyonun enerji bariyerini düşürmek amacı ile katalizör olarak işlem görmesinin yanı sıra, grafen biriktirmemekanizmasında etkili olarak, sentezlenen grafenin kalitesinin belirlemektedir. Kaplama işlemi CH4 ve H2 gazları altında 50 mbar vakum ortamında ve 950°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Kaplama sonrası kaplama özelliklerinin incelenmesi amacıyla XRD analizleri yapılmış, yapıda 2θ=27°'de C piki elde edilmiştir. SEM ve elementel haritalama metodu (MAP) analizleri ile manyetik nanopartiküllerin elementel dağılımları ve morfolojileri karakterize edilmiştir. VSM ile KBB işlemi sonrası manyetik analizler gerçekleştirilmiş, manyetik özellikler koersivite, doygunluk manyetizasyonu ve artık mıknatıslanım parametreleri ile değerlendirilmiştir. Bu işlemler ışığında Nd15Fe77B8 kompozisyonunda mekanokimyasal sentez yöntemi ile 8 sa, küçük bilya ile üretilmiş manyetik nanopartiküller 323,92 Oe koersivite ve 32,81 emu g-1 doygunluk manyetizasyonu ile en iyi manyetik özelliklere sahip numune olarak belirlenmiştir. Liç işlemi sonrası elde edilen bu değerler ile birlikte biyomedikal kullanım alanlarının bu numune için değerlendirilebileceği öngörülmektedir.

Özet (Çeviri)

The main goal in studies on magnetism has been to develop more powerful permanent magnets. RE-Fe-B permanent magnets are developed for this purpose and they are known as permanent magnets with superior properties, in which Neodymium (Nd) is generally used as a rare earth element. Apart from some high temperature applications, it is frequently preferred in the industry due to its lower cost than the Sm-Co magnets in terms of magnetic properties. There are various production methods of Nd-Fe-B permanent magnets: Powder metallurgy, melt spinning, hot deformation and hydrogen disproportion desorption recombination. The main purpose of these methods is to produce anisotropic permanent NdFeB magnets with improved magnetic properties. Chemical synthesis of Nd2Fe14B nanoparticles with tetragonal lattice structure that gives ferromagnetic properties to NdFeB permanent magnets is difficult due to the high reduction potential of Nd3+ and the oxidation tendency of Nd2Fe14B. It is predicted that the saturation magnetization and coercivity values of Nd-Fe-B nanoparticles, whose potential use for biomedical purposes are evaluated, will be at ideal magnetic values after they are produced by solid state synthesis methods. However, it was predicted that, like many materials produced in nanoparticle size, Nd-Fe-B nanoparticles will have a high surface area so they will be very active and therefore it is planned to coat their outer surfaces. There are several methods to increase the corrosion resistance of Nd-Fe-B magnets. These methods have mainly focused on the use of coatings to protect these magnets. It is also known that the corrosion resistance of magnets can be increased by alloying. However, alloying can often undesirably change magnetic properties and it has been concluded that protective coatings are still needed for practical applications. In this study, starting from elemental and oxide raw materials, Nd-Fe-B nanoparticles with permanent magnet properties were produced with the aim of encapsulating them with graphene. It was aimed to increase their thermal and chemical stability and detailed characterization studies were carried out for their potential use in the biomedical field. Mechanical alloying (MA) and mechanochemical synthesis methods were used for the production of nanoparticles. Alloy powders are used in the production of high composite materials with a thinner and homogeneous microstructure with the chain cycle of collision, cold welding and fracture processes that occur on a microscopic scale and are repeated periodically. Particle sizes can reach very small values due to high energy milling environments, and composites with homogeneous structure can be obtained. With the MA method, Nd15Fe77B8, Nd10Fe84B6 and Nd2Fe14B compositions were produced using elemental powders of Nd, Fe and B; different ball sizes were used with milling time of 8, 10, 12 and 24 hours. Thus, the effect of composition, milling time and ball size and ball number on magnetic properties of nanoparticles were taken into consideration. After the experiments carried out, it was determined that the yield of powder amount obtained as a result of MA was between 41% and 53% as a result of high speed and excessive grinding time. It is inevitable that the amount of powders obtained as a result of MA will be at low efficiency. Powders adhering to the balls, as a result of partial melting, reduces this efficiency. Since increasing the ball size will reduce the total surface area, powder gaining efficiency is increased. The realization of chemical transformations by mechanical effects is called mechanochemical synthesis. Examples of these mechanical effects are pressure, boiling or friction. Processes that create plastic deformation, such as grinding, in which mechanical energy is released, create a driving force and are effective in the realization of mechanochemical reactions. Thanks to the energy generated as a result of mechanical effects, there is no need to provide any energy from the outside in the processes realized with this method. With mechanochemical synthesis method, nanoparticle synthesis was performed using Mg as reducing agent with Nd2O3, Fe2O3 and B2O3 starting powders and Nd15Fe77B8 and Nd10Fe84B6 compositions, and the final structure was obtained in the presence of MgO by-product. In the mechanochemical synthesis method, 8 and 10 hours of milling time and different ball sizes and ball numbers were selected as variable parameters and magnetic properties were evaluated under these conditions. Acid leaching was applied for 1 hour in order to remove the by-product MgO to the powders produced by mechanochemical synthesis method. It has been determined that although the recovery rates of nanoparticles produced by mechanochemical synthesis method in the presence of Mg, starting from cheap oxide raw materials, vary between 74% and 87% after grinding, the recovery after leaching is below 1%. Phase analyses of nanoparticles synthesized by MA and mechanochemical synthesis method were performed by X-ray diffractometry (XRD) technique. As a result of XRD analysis, it was determined that powders obtained with MA and mechanochemical synthesis method contain Nd2Fe14B tetragonal phase. Particle size measurements were performed by dynamic light scattering (DLS) method and it was proven that powders were synthesized in nanoparticle size. Scanning electron microscopy (SEM) studies were carried out to support particle sizes and examine the properties MA process. Agglomerated particle morphologies during the welding, fracture, and re-welding stages in the MA method were investigated by SEM analysis. The elemental composition of the powders after milling was investigated by energy dispersion spectrometry (EDS) analysis. Magnetic properties were investigated by vibrating sample magnetometer (VSM) and coercivity, saturation magnetization and remanent magnetization values were investigated. Annealing process was applied for 1 hour at 900°C in order to form new phases and improve magnetic properties after the milling process for the powders produced with MA method and after the leaching process for the powders produced by the mechanochemical synthesis method. After annealing, XRD, SEM, EDS and VSM analyses were repeated. As a result of these analyses, the formation of Nd2Fe14B tetragonal phase and other new phases was observed in the XRD results of the powders obtained after milling and leaching, and it was observed that the crystallization ratio increased. These results were supported by EDS analyses. Annealed MA'd and mechochemically synthesized powders are coated by chemical vapor deposition (CVD) method for graphene coating in terms of their potential use in biomedical usage areas. The coating process was carried out under CH4 and H2 gases at a vacuum of 50 mbar and at a temperature of 950°C. XRD analyses were investigated in order to examine the coating properties after coating, and C peak was obtained at 2θ = 27° in the structure. Elemental distributions and morphologies of magnetic nanoparticles were characterized by SEM and elemental mapping method (MAP) analysis. Magnetic analysis was performed with VSM after CVD process, magnetic properties were evaluated with coercivity, saturation magnetization and remanent magnetization parameters. In the light of these processes, the sample produced with mechanochemical synthesis method, Nd15Fe77B8 composition and 8-hours milling time has the best results. 323,92 Oe coercivity and 32,81 emu g-1 saturation magnetization values were obtained for this sample.

Benzer Tezler

Tez No
672080
Synthesis of biocompatible swimmers with magnetic additives
Biyouyumlu yüzücülerin manyetik katki maddeli sentezi
HAYDER AYAD ABD ALI AL-SHAMMARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislik Bahçeşehir Üniversitesi
Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OZAN AKDOĞAN
Tez No
430776
Nd-Fe-B esaslı sert (kalıcı) mıknatısların melt spinning yöntemiyle üretimi, yapısal ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
Production of Nd-Fe-B permanent magnet with melt spinning method and investigation of their stractural and magnetic properties
KÜRŞAT İCİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliği Karadeniz Teknik Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SULTAN ÖZTÜRK
Tez No
777233
Hızlı katılaştırılmış Nd-Fe-B-Ce alaşımların yapısal ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the structural and magnetic properties of fast solidized Nd-Fe-Be-Ce alloys
ORKUN AYTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Kayseri Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN KARAKÖSE
Tez No
324641
Ni ve Cu katkılı Nd-Fe-B mıknatıslarının üretimi ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
The fabrication and characterization of magnetic properties of Ni and Cu doped Nd-Fe-B magnets
MEHMET BAŞOĞLU
Doktora
Türkçe
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliği Karadeniz Teknik Üniversitesi
Fizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM YANMAZ
Tez No
287196
Numune boyutu ve uygulanan manyetik akı dağılımının Nd-Fe-B ve Fe-B katkılı Sm123 süperiletkeninin manyetik kuvvet özelliklerine etkisi
Effect of sample size and magnetic flux distribution on the magnetic levitation force of Nd-Fe-B and Fe-B added sm123 superconductors
MURAT ABDİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Fizik ve Fizik Mühendisliği Karadeniz Teknik Üniversitesi
Fizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL ÖZTÜRK

Geri Dön