Geri Dön

Improvement of the integrity of self standing nickel nanowire structures produced with AAO template method

AAO şablon metodu ile üretilen kendi kendini taşıyan nikel nanotellerin bütünlüğünün iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 688663
  2. Yazar: ÖZDEN GÜNEŞ YILDIZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

Bu çalışmanın motivasyonu, gözenekli alüminyum anodik oksit (AAO) şablonlar kullanılarak üretilen nikel nanotellerin kırılmasını ve dökülmesini engellemek için bir yöntem geliştirmektir. Bu problemin üstesinden gelebilmek için, çekme gerilmesi uygulanarak AAO şablonu üzerinde mikrometre kalınlığında lineer çatlak ağı oluşturulmuştur. Daha sonra şablon çatlak bölgelerinde kalın nikel duvarlar oluşturana kadar, elektrodepozisyon yolu ile AAO'nun gözeneklerini ve çatlaklarını nikel dolduracak şekilde, seçilen parametreler doğrultusunda prosese tabi tutulmuştur. Al ve AAO'nun kütlece %10'luk NaOH sulu çözeltisi içerisinde 60◦C'de tamamen çözünmesinin ardından, nikel nanotellerden ve mikro-duvarlardan oluşan kendi kendine duran bir yapı ortaya çıkmıştır. Elde edilen bu yapının taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenmesi ile birlikte, nikel duvarların nanotellerin yapısal bütünlüğüne katkısı incelenmiştir. Bu katkı, nanotel yapılarının aglomerasyonunu ve kırılmasını açıklamak üzere literatürde önerilmiş mekanizmalar doğrultusunda tartışılmaktadır. Ni nanotellerin üretiminde üretim metodu, uygulamasındaki kolaylık ve maliyeti göz önünde bulundurulduğunda diğer yöntemlerden belirgin bir şekilde ayrılan alüminyumun anodizasyonu tekniği kullanılmıştır. Çalışmamızda altlık malzemesini oluşturmak üzere anodize edilen alüminyum alaşımı 1050'dir. Şablon üretimi için kullanılan 1050 alüminyum levhaların haddeleme yönünün mikro-çekme testi süresince çatlak oluşumuna etkisini sıfıra indirmek için hadde izleri yüzeyden tamamen giderilene kadar 320'lik zımpara kağıdı ile Al levhalar zımparalanmıştır. Zımparalanan numunelerin üzerindeki oksit tabakası %10'luk NaOH çözeltisi içerisinde 10 saniye tutularak giderilmiştir. Oksit tabakası alınan numuneler saf su ile üç aşamada yıkanıp %10'luk HNO3 içerisinde 5 dakika boyunca nötralize edilmiştir. Numuneler 70◦C Polytoxal EB-35 banyosunda 7 dakika boyunca 17 V potansiyel uygulanarak elektrokimyasal olarak parlatılmıştır. Ardından, AAO şablon malzemesi enerji depolama cihazlarında kullanılmak üzere yüksek yüzey alanı gerektiren elektrot malzemeleri için uygun por genişliği oluşturacak şekilde grubumuzca optimize edilmiş anodizasyon parametreleri (5◦C, 50 V) kullanılarak alüminyumun 50 dakika boyunca 0.3 M oksalik asit çözeltisi içerisinde anodize edilmesi sonucunda üretilmiştir. Üretilen şablonlar çatlak oluşturmak üzere mikro çekme testine maruz bırakılmıştır. Alüminyum yüksek sünekliği nedeniyle uzama gösterirken, alüminyum oksit yapısı üzerinde lineer ve birbirlerine paralel çatlaklar oluşturulmuştur. Alüminyum ve alümina tabakası arasındaki bu mekanik özellik farkı sayesinde hedeflenen çatlaklı şablon formu elde edilmiştir. Ayrıca, zımparalanmayan bir numune daha anodize edilerek hadde yönüne dik yönde çekilmiştir. Bu işlemle birlikte hadde yönünün çatlak yoğunluğuna ve bunun sonucunda da nanotel yoğunluğuna ve dağılımına etkisini görüntülemek amaçlanmıştır. Elektriksel yalıtkan oksit şablonlarının gözeneklerini aktifleştirmek için çeşitli yöntemler uygulanabilir. Bu yöntemlerden birçoğu çeşitli kimyasal dağlama çözeltileri ile alüminyum metalinin ve por diplerindeki oksit yapısının çözünmesinin ardından kendi kendini taşıyan oksit membranın vakum altında metalik olarak kaplanmasını içerir. Bir diğer yöntem ise anodizasyon adımının sonunda negatif akım vererek veya elektrokaplama adımında negatif pulse akım vererek oksit şablonun bariyer tabakasının por diplerinden çözünmesidir. Çalışmamızda ise grubumuzca önerilmiş, uygulaması oldukça kolay ve maliyeti düşük olan zinkatlama işlemi uygulanmıştır. Bu yöntemin bir diğer avantajı da çözme işlemi esnasında porların genişlemesidir. Şablonlar 25 saniye boyunca 32◦C'de zinkatlama işlemine tabi tutulmuştur. Sıcaklık stabilizasyonu için proses ultrasonik banyo içerisinde gerçekleştirilmiştir. Zinkat banyosu 2 g/l FeCl3, 50 g/l C4H4KNaO6, 120 g/l NaOH, 20 g/l ZnO, 1 g/l NaNO3 içermektedir. Çözelti %80'lik olacak şekilde su ile seyreltildikten sonra kullanılmıştır. Bu işlem ile bariyer tabakası çözülmüş ve Zn-Al arasında sementasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Por çapları çinko atomları ile kaplanarak ve oksit tabakası inceltilerek elektriksel iletken haline gelen numune kaplama banyosuna daldırılmadan önce kütlece %1'lik amonyum dihidrojen sitrat çözeltisi içerisinde 5 saniye boyunca nötralize edilmiştir. Aktivasyon işleminin ardından, elektrolitik kaplama yolu ile mikro duvarlar tarafından korunan Ni nanoteller üretilmiştir. Çalışmamızın öncelikli hedefi nikel nanotellerin kümelenme ve kırılmasını engellemek olduğundan iyi yüzey kalitesi elde etmek için uygun banyo konsantrasyonunu belirlemek gerekmiştir. Bu doğrultuda, uygun banyoyu belirlemek için Nickel-Watts ve tamamen sülfat banyoları kullanılarak oluşturulan tellerin ve kaplamanın yüzey kalitesini karşılaştırmak amaçlanmıştır. Ürettiğimiz tellerin kalitesini artırmayı hedeflediğimizden kaplama prosesi olarak pulse elektrodepozisyon yöntemi kullanılmıştır. Kaplama ve çözme süreleri her iki banyo için de 0.400 ms'dir. Watts ve sülfat banyoları için biriktirme ve çözme potansiyelleri sırasıyla 2.1 – (-1.3) V ve 1.8 – (-1.5) V ¸seklinde seçilmiştir. Banyoların konsantrasyonları ise 300 g/L NiSO4.6H2O, 45 g/L NiCl2.6H2O, 45 g/L H3BO3 ve 0.7 M NiSO4.6H2O, 0.49 M H3BO3, 1.5 M Na2SO4 olarak belirlenmiştir. Watts banyosunun çalışma sıcaklığı 55◦C ve pH'ı oda sıcaklığında 3.5 olacak şekilde ayarlanmıştır. Sülfat banyosu içinse çalışma sıcaklığı oda sıcaklığı olup banyonun pH'ı 3'tür. Banyolar arasındaki konsantrasyon farkı sebebiyle kristal büyüme hızları da farklı olduğundan Watts banyosu için belirlenen elektrolitik kaplama işlemi süresi 50 dakika iken sülfat banyosu için kaplama süresi 90 dakika olarak belirlense de sülfat banyosunda üretilen kaplamanın kalınlığı Watts banyosunda üretilene kıyasla çok daha düşüktür. AAO şablon nikel ile kaplandıktan sonra alüminyum ve alüminyum anodik oksiti tamamen çözmek için kütlece %10'luk 60◦C'de NaOH sulu çözeltisi kullanılarak, nanotellerden ve mikro-duvarlardan oluşan kendi kendini taşıyan nikel nanotel yapıları elde edilmiştir. Üretilen sıralı nanotellerden oluşan yapının morfolojisi SEM ile görüntülenmiştir. Yapılan karakterizasyon işlemleri sonucunda Watts banyosunda üretilen Ni nanotellerin sülfat banyosuna kıyasla nispeten daha düzgün, daha yoğun, daha hizalı ve daha az kırıldığı kaydedilmiştir. Bu banyoda üretilen numunelerdeki nanotellerin yoğunluğu da sülfat banyosuna göre çok daha fazla olarak gözlemlenmiştir. Nanotellerin kırılmasının ve elde edilen morfolojinin homojen olmamasının bazı olası nedenleri, sülfat banyosunun düşük metal konsantrasyonu ve buna bağlı olarak düşük elektriksel iletkenliği olabilir. Elektriksel iletkenliğin düşmesi kaplama verimliliğinin düşmesine ve düşük kristal büyüme hızına sebep olduğundan üniform olmayan bir morfoloji oluşmasına sebep olması muhtemeldir. Konsantrasyona bağlı bir diğer sebep ise sülfat banyosunda nikel sülfat miktarının standart olarak belirtilen değerin üzerinde olması sebebiyle azalan kırılma dayanımı olabilir. Farklı banyolarda üretilen nanotellerin ve kaplamanın kalitesindeki farklılığa neden olabilecek bir başka olası sebep ise Sülfat banyosu için 0.05 mm ve Watts banyosu için 0.35 mm olan farklı kaplama kalınlıklarıdır. Düşük kalınlık iç gerilmeyi artırabileceğinden nikel kaplama ve alüminyum numune/alüminyum oksit arasında lokal olarak düşük adezyon ile sonuçlanabilir; bunun da ince olan kaplamanın yırtılmasına olanak vermesi bir diğer olası sebep olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca elde edilen SEM görüntüleri doğrultusunda elektrodepozisyon ile çatlakların doldurulması ile üretilen duvar benzeri yapıların ön sırasında yer alan nanotellerin birbirine dolanmasını ve aglomere olmasını engellediği görülürken, çatlakların olmadığı bölgelerde yer alan nanoteller kümelenmiş ve birbirlerine dolanmıştır. Nikel duvarların varlığı nanoteller ile %10 NaOH dağlayıcı çözeltisi arasındaki yüzey gerilim kuvvetlerine ve nanotellerin birbirine uyguladığı van der Waals kuvvetlerine karşı yönde ve bu kuvvetlerin bileşkesinden daha yüksek çekme gerilmesi oluşturduğundan, duvar oluşturulan bölgelerdeki tellerin aglomerasyonu engellenmiş ve tek sıra halinde birbirinden ayrı ve sıralı nanotel yapıları elde edilmiştir. SEM sonuçlarına ek olarak, çekme testi boyunca eş zamanlı olarak ve test sonunda yapılan optik mikroskop incelemelerinde numunelerdeki çatlak mesafesi hem hadde yönünde çekilen zımparalanmış numunelerde hem de hadde yönüne dik çekilen numunede yaklaşık 20 m olarak kaydedilmiştir. Bu, oldukça yüksek bir değer olduğundan çatlak dağılımı nanotellerin yoğunluğunu etkilememiştir. Çalışmamızda elde ettiğimiz sonuçlar doğrultusunda, artan sayıda ve daha yakın çatlakların tel yoğunluğunu arttırmaya yardımcı olabileceği görülmüştür. Bu sonuçlar, enerji depolama malzemeleri üzerine çalışanlara ve yüksek yüzey alanlı kararlı nanotel ağları üretmek isteyen araştırmacılara yardımcı olacaktır.

Özet (Çeviri)

The motivation of this work is to develop a method for overcoming fracture and shedding of nickel nanowires fabricated by using AAO templates. For overcoming this problem micrometer thick network of cracks are created on the AAO template with tensile straining. Then nickel is electrodeposited into the pores and the cracks of AAO till the coverage of the structure with thick nickel skin. After dissolving the Al and AAO in NaOH a structure composed of Ni nanowires and walls is exposed as a self standing structure. Presence of nickel walls protected the nickel nanowires in their close vicinity from breaking down and coalescence. We used Watts and all-sulfate baths under pulse current for determining the bath composition on the process. The deposition and reverse potentials were 2.1 – (-1.3) V and 1.8 – (-1.5) V, and also the concentrations were 300 g/L NiSO4.6H2O, 45 g/L NiCl2.6H2O, 45 g/L H3BO3 and 0.7 M NiSO4.6H2O, 0.49 M H3BO3, 1.5 M Na2SO4, which were constant for each experiment for Watts and sulfate baths, respectively. Nickel nanowires were well aligned, relatively dense and unbroken in the Watts. Some possible reasons for the shedding and fracture of nanowires were indicated as the low conductivity and low metal concentration of all-sulfate bath. The other reason could be the different thicknesses of the nickel coating, which were 0.05 mm for sulfate and 0.35 nm for watts. Low thickness might increase internal stress and may have resulted in weak adhesion. Moreover, we prevented the entanglement and coalescence of the nanowires by filling the cracks under electrodeposition. The contribution of nickel walls to the structural integrity of nanowires is discussed in the light of proposed mechanisms for the coalescence and breaking of the nanowire structures. Accordingly, the presence of nickel walls decreased the higher tensile stress against surface tension force and van der Waals forces between wires. In addition to that, increased number and closer cracks might be helpful to enhance the arranged wire density. These results will be helpful to those working in the field of energy materials and seeking high surface area stable nanowire networks.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    841808

    Grafen esaslı kompozit kaplamaların korozyon ve aşınma özellikleri

    Corrosion and wear properties of graphene based composite coatings

    KUBİLAY KILIÇÇI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET UYSAL

  2. Tez No

    900897

    Investigation of the catalytic performance of tin nanowires produced by aluminum anodic oxide template method for electrochemical CO2 reduction

    Alüminyum anodik oksit şablon yöntemiyle üretilen kalay nanotellerin elektrokimyasal CO2 redüksiyonuna yönelik katalitik performansinin i̇ncelenmesi

    DİLAN ER GÖNÜL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

  3. Tez No

    830295

    Solution-processed/evaporation-based light-emitting diodes of face-down/edge-up oriented colloidal quantum wells

    Çözelti işlemli/buharlaştırma tabanlı yüz aşağı/kenar yukarı yönlendirilmiş koloidal kuantum kuyuları ışık yayan diyotları

    İKLİM BOZKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  4. Tez No

    66792

    Karşılaştırma

    Bencmarking

    BURÇAK ERENMEMİŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT DİNÇMEN

  5. Tez No

    55666

    Çeşitli büyüklüklerdeki alışveriş mekanlarını aydınlatma sistemleri tasarım ilkeleri

    Designing principles of lighting systems in store designs of various types

    HALE İKİZLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET Ş. KÜÇÜKDOĞU

Geri Dön