Investigation of crystallization effect on surface tension of nanoparticle embedded borosilicate glass-ceramic coatings
Nanopartikül içeren borosilikat cam seramik kaplamalarının yüzey gerilimi üzerindeki kristalleşme etkisinin incelenmesi
- Tez No: 886688
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BUĞRA ÇİÇEK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 195
Özet
Cam ve seramiğin avantajlı özelliklerini birleştiren cam-seramik kaplamalar, üstün mekanik mukavemet, termal kararlılık, kimyasal dayanıklılık ve optik özellikleri sayesinde çeşitli endüstriyel uygulamalarda önemli bir rol oynamaktadır. Bu araştırma, özellikle nano-CuO ve nano-ZnO ile güçlendirilmiş fosfat içeren lityum çinko borosilikat (LZBS) cam-seramik kaplamaları incelemektedir. Çalışmanın ana amacı, LZSB cam-seramiklerinin kristalizasyon kinetiğini arastırmak ve sonrasında nano-CuO ve nano-ZnO katkılarının bu cam-seramik kaplamaların yüzey özellikleri üzerindeki etkisini araştırmaktır. Kullanılan temel yöntemler arasında termal özellikleri belirlemek için diferansiyel termal analiz (DTA), faz tanımlaması için X-ışını difraksiyonu (XRD), mikroyapısal analiz için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve yüzey hidrofiliği ve gerilimini değerlendirmek için temas açısı ölçümleri bulunmaktadır. Cam-seramik kaplama, P2O5, NiO ve CoO ile modifiye edilmiş Li2O-ZnO-B2O3-SiO2 baz bileşimi ile formüle edilmiştir. Cam- seramik öncüsü 1400°C'de eritilmiş, soğutulmuş ve ardından ince cam parçacıkları üretmek için kurutulmuştur. Kaplama özelliklerini incelemek için çeşitli konsantrasyonlarda (0.5 ila 5.0 wt.%) nano-CuO (38 nm) ve nano-ZnO (30-50 nm) eklenmiştir. Isı mikroskobu, LZBS öncül camının termal dönüşüm aşamalarını ortaya koymuştur: sinterleme 681°C'de başlamış, yumuşama 722°C'de, sıvı faz geçişi 748°C'de, küre deformasyonu 773°C'de ve tam erime 782°C'de gerçekleşmiştir. VFT analizi viskozite parametrelerini göstermiştir: A = 4122.09, B = 5262.74 ve T0 = 691.12. Kissinger denklemi, kristalizasyon için önemli bir enerji bariyerine işaret eden 11,362 kJ/mol aktivasyon enerjisi (Ea) ve 7.19 doğal logaritma (ln(A)) ön-eksponensiyel faktörünü belirlemiştir. X-ışını difraksiyonu (XRD) analizi, nano-CuO içeren cam-seramik kaplamaların belirgin faz kompozisyonları (SiO2, Li2ZnSiO4, Li3PO4) sergilediğini, Li3PO4 yoğunluğunun daha yüksek sıcaklıklarda (750°C'den 850°C'ye) ve %2.5 nano-CuO'ya kadar arttığını ortaya koymuştur. Nano-ZnO ile katkılanmış kaplamalar, çeşitli sıcaklıklar (750°C, 800°C, 850°C) ve konsantrasyonlarda (0.5, 1.0, 2.5, 5.0 wt%) Li2ZnSiO4 ve Li3PO4'ün kristalizasyonunu ve faz kararlılığını artırmıştır. Optik mikroskop, sıcaklıkla artan tane boyutunu doğrulamış, 750°C'de ince taneli yapılar, 800°C'de daha kaba yapılar ve 850°C'de düzensiz taneler gözlemlenmiştir. Nano-CuO ve nano-ZnO ilavesi, cam-seramik yüzeylerin ıslanabilirliğini önemli ölçüde artırmaktadır; %0.5 nano-CuO, temas açılarını 750°C'de 67.04° ± 2.53'ten 18.42° ± 2.38'e düşürürken, %0.5 nano-ZnO temas açısını 42.11° ± 2.26'ya indirmekte ve yüzey gerilimini 850°C'de nano-CuO için 286.62 mN/m'ye, nano-ZnO için ise 257.50 mN/m'ye yükseltmektedir. Bu tez, LZBS öncül camının sinterleme başlangıcından tam ergimeye kadar olan ardışık çok aşamalı termal dönüşümünün kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Glass-ceramic coatings, integrating the advantageous properties of glasses and ceramics, play a pivotal role in various industrial applications owing to their superior mechanical strength, thermal stability, chemical durability, and optical characteristics. This research delves into phosphate-containing lithium zinc borosilicate (LZBS) glass-ceramic coatings, specifically enhanced with nano-CuO and nano-ZnO. The primary objective of this study is to investigate the kinetics of the LZSB systems and subsequently influence of nano-CuO and nano-ZnO on the surface characteristics of the LZBS glass-ceramic coatings. Key methods employed include differential thermal analysis (DTA) to determine thermal properties, X-ray diffraction (XRD) for phase identification, scanning electron microscopy (SEM) for microstructural analysis, and contact angle measurements for assessing surface hydrophilicity and tension. The glass-ceramic coating was formulated with a base composition of Li2O-ZnO-B2O3-SiO2, modified with P2O5, NiO, and CoO. The glass-ceramic precursor was melted at 1400°C, quenched, and then dried to produce fine glass particles. Nano-CuO (38 nm) and nano-ZnO (30-50 nm) were added in varying concentrations (0.5 to 5.0 wt.%) to study their influence on the coating properties. Hot-stage microscopy revealed the thermal transformation stages of LZBS precursor glass, with sintering starting at 681°C, softening at 722°C, liquid phase transition at 748°C, sphere deformation at 773°C, and complete melting at 782°C. VFT analysis showed viscosity parameters: A = 4122.09, B = 5262.74, and T0 = 691.12. The Kissinger equation determined an activation energy (Ea) of 11,362 kJ/mol and a pre-exponential factor (ln(A)) of 7.19, indicating a significant energy barrier for crystallization. X-ray diffraction (XRD) analysis revealed that glass- ceramic coatings with nano-CuO exhibit distinct phase compositions (SiO2, Li2ZnSiO4, Li3PO4), with Li3PO4 intensity increasing at higher temperatures (750°C to 850°C) and up to 2.5 wt% nano-CuO. Nano-ZnO-doped coatings showed enhanced crystallization and phase stability of Li2ZnSiO4 and Li3PO4 at varying temperatures (750°C, 800°C, 850°C) and concentrations (0.5, 1.0, 2.5, 5.0 wt%). Optical microscopy confirmed increasing grain size with temperature, with fine- grained structures at 750°C, coarser structures at 800°C, and irregular grains at 850°C. The incorporation of nano-CuO and nano-ZnO significantly enhances ceramic surface wettability, with 0.5 wt% nano-CuO reducing contact angles from 67.04° ± 2.53 to 18.42° ± 2.38 at 750°C, and 0.5 wt% nano-ZnO lowering them to 42.11° ± 2.26, thereby increasing surface tension to 286.62 mN/m for nano-CuO and 257.50 mN/m for nano-ZnO at 850°C. This thesis provides a comprehensive understanding of the sequential multi-stage thermal transformation of LZBS precursor glass, from sintering initiation to complete melting.
Benzer Tezler
- Ultrasona duyarlı hidrojellerin sentezi ve ilaç salım davranışlarının incelenmesi
Synthesis of ultrasensitive hydrogels and investigation of drug release behavior
ŞULE BALCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikSakarya ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CUMA BİNDAL
- Sürekli döküm tekniği ile üretilmiş levhalarda dökme rulo kalınlığının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi
Affect of cast thickness on microstructure and mechanical properties of produced sheets with twin roll casting
SÜLEYMAN KAYAPA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL DUMAN
- Baryum titanat katkili PVDF kompozitlerinin kristalizasyon kinetiğinin i̇ncelenmesi
Investigation of crystallization kinetics of barium titanate doped PVDF composites
ELİF BİNİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HANDE ÇELEBİ
- The growth of magnesium substituted hydroxyapatite on (Ti,Mg)N thin films and investigation of their potential as hard tissue implant material
Ti,Mg)N ince film yüzeyinde magnezyum katkılı hidroksiapatit büyütülmesi ve sert doku implant malzemesi olarak potansiyellerinin belirlenmesi
SAKİP ÖNDER
Doktora
İngilizce
2013
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK
DOÇ. DR. KÜRŞAT KAZMANLI
- Molibden katkılı bivo4 katalizörlerinin geliştirilmesi,karakterizasyonu ve fotokatalitik etkinliklerinin incelenmesi
Development and characterization of molibden metal doped bivo4 catalysts and investition of their photocatalytic activities
TUĞBA YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN