Time-resolved in-situ analysis of densification of nano boron carbide under superimposed electric and thermal fields with energy dispersive x-ray diffraction
Eş zamanlı elektrik ve termal alanlar altında nano bor karbürün yoğunlaşmasının zamana bağlı enerji dağılımlı x-ışını kırınımı ile yerinde analizi
- Tez No: 782624
- Danışmanlar: PROF. DR. THOMAS TSAKALAKOS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Seramik Mühendisliği, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Rutgers, The State University of New Jersey-New Brunswick Campus
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Bor karbür, yüksek erime sıcaklığı, yüksek sertlik ve düşük yoğunluk ile karakterize edilir. Bu tür istisnai özellikler, bor karbürü yüksek teknoloji uygulamaları için tercih edilen bir malzeme haline getirir. Bununla birlikte, sahip olduğu kovalent bağın oldukça yönlü ve sert karakterinin neden olduğu düşük yayınırlık, bor karbürün termal olarak aktif sinterlenmesini zorlaştırır. Kovalent bağlı seramikler genel olarak yüksek yoğunluklar elde etmek için sıcak presleme ve kıvılcım plazma sinterleme (SPS) ile sinterlenir. Bununla birlikte, bu iki teknik, basit şekilli bileşenlerle sınırlıdır ve pahalı ekipman gerektirir. Pahalı kalıp tasarımlarından ve sinterleme sonrası elmas işlemeden kaçınmak için bor karbürün basınçsız sinterlenmesi istenir, ancak yüksek yoğunluklar elde etmek için erime noktasına yakın çok yüksek sinterleme sıcaklıkları gereklidir. Son zamanlarda tanıtılan flaş sinterleme tekniği, seramiğin yoğunluğunu artıran düşük voltajlı iki elektrot yöntemidir. Sinterleme süresi ve sıcaklığı, enerji tasarrufu sağlayan flaş sinterleme yöntemi ile önemli ölçüde azaltılabilir. Bu çalışmada, nanopartikül bor karbürün flaş sinterlenmesinin uygulanabilirliği araştırılmıştır. İlk olarak, flaş sinterleme ile ilgili temel verileri elde etmek için bor karbürün farklı sabit elektrik alan şiddeti altında termal genleşmesi analiz edilmiştir. Elektrik alan kuvveti, bor karbürün doğrusal olmayan termal genleşme katsayıları üzerinde bir etkiye sahiptir ve uygulanan elektrik alanının artmasıyla termal genleşme daha doğrusal olmayan hale gelmiştir. İkinci olarak, bor karbürün yoğunlaştırılmasını sağlamak için çeşitli izotermal olmayan ve izotermal flaş sinterleme deneyleri yapılmıştır. Düşük voltaj kullanılarak, teorik yoğunluğun %95'ine varan yoğunluklar, 711oC'ye kadar düşük sıcaklıklarda ve birkaç dakika mertebesinde kısa sürelerde elde edilmiştir. Çok düşük süreç yoğunlaştırma sıcaklıkları ve süresi, bu nanoparçacıklı sistemdeki hem termal hem de elektrik alanların etkisi altındaki kütle aktarımının elektrokimyasal bir kökene sahip olduğunu açıkça göstermektedir. Bor karbürün flaş sinterlemesinde ultra yüksek enerjili enerji dağılımlı X-Işını Kırınımı (EDXRD) yönteminin uygulanması, geleneksel Bragg-Brentano yöntemiyle mümkün olmayan birim hücre ölçeğinde nanopartikül maddenin gelişiminin izlenmesini sağlamıştır. EDXRD analizi, flaş sinterleme olgusuyla bağıntılı olan geçici anormal birim hücre genişlemesini ortaya koymaktadır ve galvanomekanik etki adı verilen yeni birleştirme mekanizmasının yardımıyla bor karbürün flaş sinterleme yoluyla yoğunlaştırılmasının mümkün olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, farklı flaş sinterleme koşullarının bor karbürün yoğunlaştırılması üzerindeki etkileri de araştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Boron carbide (B4C) is characterized by high melting temperature, high hardness, and low density. Such exceptional properties make B4C is an important covalent solid which is considered the foremost material of choice for high-technology applications. However, low diffusivity caused by the highly directional and stiff character of the covalent bond makes the thermally activated sintering of B4C difficult. Highly covalent bonded ceramics are sintered with hot pressing and spark plasma sintering (SPS) to achieve high densities. However, these two techniques are limited to simple shape components and costly, involving expensive equipment. Pressureless sintering of B4C is desired to avoid expensive die designs and post sintering diamond machining, but very high sintering temperatures close to melting point is necessary to obtain high densities. Recently introduced flash sintering technique is a low voltage two electrode method which enhances the densification of ceramics. The sintering time and temperature can be reduced substantially with flash sintering that provide essential energy savings. In this study, the feasibility of flash sintering of nanoparticulate boron carbide is investigated. Firstly, we analyze the thermal expansion of boron carbide under different constant electric field strength to obtain iii fundamental data to provide insight into understanding of flash sintering. The electric field strength has an effect on the non-linear thermal expansion coefficients of B4C, and expansion becomes more non-linear with the increase of applied e-field. Secondly, the variety of nonisothermal and isothermal flash sintering experiments have been performed to achieve densification of B4C. By using low voltage, densities up to 95% of the theoretical density have been accomplished at temperatures as low as 711oC and short times on the order of few minutes. The very low process densification temperatures and time clearly indicate that mass transport in this nanoparticulate system under the action of both thermal and electrical fields are of an electrochemical origin. The implementation of ultrahigh energy EDXRD method in flash sintering of B4C enables us to monitor the evolution of nanoparticulate matter at the unit cell scale that is otherwise not possible with conventional Bragg-Brentano-method. EDXRD analysis reveals the transient anomalous unit cell expansion which is consistent with the flash sintering phenomena, and we demonstrate that flash sintering of B4C is possible with help of new coupling mechanism called the galvanomechanical effect. Moreover, we investigate the effect of different flash sintering conditions on densification of B4C.
Benzer Tezler
- Time-resolved spectroscopy on the carrier dynamics of BiVO4 photoanodes for solar water oxidation
Başlık çevirisi yok
ABDULLAH KAHRAMAN
Doktora
İngilizce
2020
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SARP KAYA
PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
- Katı atıkların depolanmasında karşılaşılan geoteknik problemler
Geotechnical problems encountered in disposal of wastes
AHMET KUTAY
- Yeni ferrosenil naftokinon bileşiklerinin çoklu sensör özelliklerinin incelenmesi: Organik solventlerde su tayini ve seçici katyon bağlama
Investigation of multisensor applications of new ferrocenyl naphthoquione compounds: Determination of water in organic solvents and selective cation binding
METİN DAĞDEVREN
- Yarı pilot ölçek yer altı kömür gazlaştırma deney düzeneğinde Malkara Pirinççeşme kömür sahasına ait blok kömür örneklerinin gazlaştırılması
Gasification of coal block samples of Princcesme-Malkara region in semi-pilot scale ucg testing apparatus
İREM TUNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN