Geri Dön

Processing and characterization of cocufeni based high entropy alloys

Cocufeni esaslı yüksek entropili alaşımların üretimi ve karakterizasyonu

  1. Tez No: 909003
  2. Yazar: BURAK KÜÇÜKELYAS
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN, PROF. DR. DENİZ UZUNSOY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Bu doktora tezi, çeşitli elementlerin eklenmesi ve farklı sentez yöntemlerinin kullanılması ile CoCuFeNi yüksek entropili alaşımlarının (YEA) üretimini, modifikasyonu ve karakterizasyonunu ayrıntılı olarak araştırmaktadır. Tezin ana motivasyonu, CoCuFeNi YEA'ları üretip karakterize etmek, modifikasyonlar ile fonksiyonel hale getirmek ve endüstriyel ve teknolojik alanlardaki uygulama alanı bulmaya yönelik çalışmalar yapmaktır. Bu tez, ayrıca YEA'ların özelleştirilmiş özelliklerle üretilmesindeki zorlukları ele alarak, farklı katkı maddelerinin ve sentez tekniklerinin CoCuFeNi YEA'ların özellikleri üzerindeki etkilerini derinlemesine incelemektedir. Tezin ilk bölümünde, farklı grafit içeriklerinin eklenmesiyle mekanik alaşımlama yoluyla sentezlenen CoCuFeNi YEA'ların yapısal ve manyetik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Yapılan deneylerde, grafit katkı oranları ağırlıkça %0,2, %1, %2 ve %10 olarak belirlenmiş ve bu oranların alaşımın mikroyapısı ve manyetik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu esnada karakterizasyon yöntemleri olarak, X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektrometre (EDS), yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu (HRTEM) ve titreşimli örnek manyetometresi (VSM) kullanılmış ve grafit katkısının alaşımın üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde ele alınmıştır. XRD analiz sonuçları, grafit eklenmesinin alaşımların kristal yapısında yüzey merkezli kübik yapının ağırlıkça %1 grafit eklenmeye kadar hakimiyetini koruduğunu, ancak %2 grafit eklenmesi ile alaşımda hacim merkezli kübik yapıların da görülmeye başlandığını, %10 grafit eklenmesi ile hem yüzey merkezli kübik, hem hacim merkezli kübik, hem de grafit fazlarının bir arada bulunduğunu göstermiştir. Ayrıca eklenen grafit miktarı ile tane boyutları küçülmüştür. %10 grafit eklenen numunelerde morfolojik değişimler meydana gelmiş ve levhacık türünde yapılar elde edilmiştir. Grafit içermeyen numunede alaşımın kristalit boyutunun yaklaşık 19,48 nm olduğu, %10 grafit eklenen numunelerde ise kristalit boyutunun 13,12 nm'ye düştüğü gözlemlenmiştir. Bu durum, karbon atomlarının metalik kafese entegre olmasıyla yapıda bir gerilme oluşturduğunu ve kristal kafes parametrelerinin değiştiğini göstermektedir. VSM analizlerinde manyetik özelliklerde de belirgin değişiklikler gözlenmiştir. Grafit içermeyen numunede doygunluk manyetizasyonu (Ms) değeri 90,22 emu/g olarak kaydedilirken, koersivite (Hc) değeri ise 8,53 Oe olarak ölçülmüştür. %10 grafit içeren C10 numunesinde ise Ms değeri 78,99 emu/g'ye düşerken, Hc değeri 165,08 Oe'e çıkarak önemli bir artış göstermiştir. Bu sonuçlar, mekanik alaşımlama yoluyla karbon atomlarının kafes yapısı içerisine entegre olmasının sağlanabileceğini, eklenen grafitin karbon atomları olarak yapıya girmesiyle CoCuFeNi YEA'ların mikroyapısını ve manyetik özelliklerini önemli ölçüde değiştirebildiğini ve grafit içeriğinin artırılmasıyla farklı morfolojilerde kompozit malzeme benzeri özelliklerin elde edilebileceğini göstermiştir. Tezin ikinci bölümünde, Triton X-100 yüzey aktif maddesi kullanılarak fonksiyonelleştirilen grafen (FG), ağırlıkça %0,2, %1, %2 ve %10 oranlarında CoCuFeNi yüksek entropili alaşımlara eklenmiş ve aynı mekanik alaşımlama koşullarında üretilmiştir. Bu alaşımlar, benzer karakterizasyon yöntemleri ile analiz edilmiş ve FG'nin eklenmesiyle karbonun alaşım yapısına daha etkin bir şekilde entegre olduğu, aynı zamanda daha homojen bir dağılım sağladığı tespit edilmiştir. XRD analiz sonuçları, %0,2 FG eklenen numunede yüzey merkezli kübik yapının korunduğunu, %1 FG eklenmesiyle piklerin genişlediğini, %2 FG oranında hacim merkezli kübik fazların oluşmaya başladığını ve %10 FG eklenmesiyle hem yüzey merkezli kübik hem hacim merkezli kübik hem de grafen fazlarının bir arada bulunduğu gözlemlenmiştir. FG'nin kristalit boyutu üzerinde önemli bir etkisi olduğu ayrıca gözlenmiş; %0 FG içeren numunede kristalit boyutu 19,48 nm iken, %2 FG içeren numunede 9,30 nm'ye kadar düşmüş, ancak %10 FG eklenen numunede kristalit boyutu tekrar artarak 21,47 nm'ye çıkmıştır. SEM analizleri, FG içermeyen numunede ortalama tane boyutunun 9,57 μm olduğunu göstermiştir. %1 FG içeren numunede ise 3,41 μm'ye kadar tane boyutu küçülmesi meydana gelmiştir. %2 FG içeren numunede ortalama tane boyutu 1,5 μm'ye kadar düşerken, %10 FG eklenen numunede ortalama boyut 2,73 μm'ye çıkmıştır. Bu sonuçlar, FG'nin partiküller üzerinde belirgin bir küçülmeye neden olduğunu ve yüksek FG içeriğiyle birlikte numunelerin levhacık tarzında bir yapıya dönüştüğünü göstermiştir. VSM analizlerinde manyetik özellikler incelenmiş ve doygunluk manyetizasyonu ile koersivite değerlerinin FG eklenmesiyle değiştiği gözlenmiştir. FG içermeyen numunede Ms değeri 90,22 emu/g ve Hc değeri 8,53 Oe olarak ölçülürken, %2 FG eklenen numunede (FG2) Ms değeri 57,33 emu/g'ye düşmüş, Hc değeri ise 116,51 Oe'ye yükselmiştir. %10 FG içeren numunede Ms değeri 61,48 emu/g'ye yükselmiş ve Hc değeri 144,13 Oe olarak ölçülmüştür. Bu bulgular, FG'nin manyetik özellikleri manipüle ettiğini ve yüksek konsantrasyonlarda FG eklenmesinin koersiviteyi artırarak sert mıknatıs benzeri özelliklerin elde edilebileceğini göstermektedir. Genel olarak, bu analizler FG'nin CoCuFeNi YEA'ların mikroyapı ve manyetik özelliklerini önemli ölçüde etkilediğini ve bu katkının alaşımın hem yapısal hem de işlevsel özelliklerini ayarlamada kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. Tezin üçüncü bölümünde, CoCuFeNi yüksek entropi alaşımı ile takviye edilmiş karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin üretimleri ve karakterizasyon sonuçları ele alınmıştır. YEA'lar, kompozit matrisine ağırlıkça %5, %10 ve %15 oranlarında eklenmiş, bu eklemelerin yapısal ve işlevsel iyileştirmeler sağlayıp sağlamadığı araştırılmıştır. İlk olarak, takviye amacıyla üretilen YEA tozlarının XRD analizleri yapılmış ve metal tozlarının başlangıçtaki kristal yapıları korunurken, 54 saat süren mekanik alaşımlama işlemi sonrasında CoCuFeNi alaşımının FCC fazda katı bir çözelti oluşturduğu gözlenmiştir. EDS analizlerinde, elementlerin atomik yüzdeleri eşit oranlarda dağılım göstererek yapısal homojenliği doğrulamıştır. TEM-EDS analizleri ise YEA partiküllerinin morfolojisi ve elementlerin dağılımı hakkında daha ayrıntılı bilgiler sunmuş, partikül içerisinde de homojen bir yapının mevcut olduğunu ve FCC fazda katı çözelti yapısının başarılı bir şekilde oluşturulduğunu ortaya koymuştur. Kompozitlerin SEM/EDS analizleri, farklı YEA konsantrasyonlarında kompozit matrisindeki YEA partiküllerinin dağılımını ve etkileşimini incelemiştir. %5 oranında YEA içeren kompozitlerde partiküllerin daha seyrek dağıldığı, karbon fiber matrisinin bazı kısımlarının açıkta kaldığı görülmüştür. %10 oranında YEA eklenen numunelerde homojen bir dağılım sağlanırken, %15 oranında ise aglomerasyon probleminden dolayı bazı lokal bölgelerde partikül yoğunluğu artış göstermiş ve bazı alanlarda boşluklar oluşmuştur. Yüksek büyütmeli SEM görüntüleri, YEA partiküllerinin matrisle güçlü bir şekilde entegre olduğunu, arayüzeylerde ayrılma veya kusurlar oluşmadığını doğrulamıştır. YEA katkılı kompozitlerin elektromanyetik girişim koruma etkinliği ölçümleri Vektör Network Analizör (VNA) cihazı ile gerçekleştirilmiştir. elektromanyetik girişim koruma etkinliği, kompozitlere eklenen YEA miktarına göre artış göstermiştir. Örneğin, YEA içermeyen kompozitte koruma etkinliği 4 GHz frekansta 45,91 dB olarak ölçülürken, %5 YEA katkılı kompozitte bu değer 54,06 dB'ye, %10 YEA katkılı kompozitte 68,04 dB'ye yükselmiştir. %15 YEA katkılı kompozitte ise, 4 GHz frekansında 58,40 dB olarak kaydedilmiştir. Bu sonuçlar, YEA katkısının kompozitlerin elektromanyetik koruma kapasitesini artırdığını ve uygulama alanlarının genişleyebileceğini göstermektedir. Bu analizler ayrıca CoCuFeNi YEA ile güçlendirilmiş kompozitlerin elektromanyetik koruma özelliklerini iyileştirerek, bu tür kompozitlerin endüstriyel uygulamalarda etkin şekilde kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. Tezin dördüncü ve son bölümünde, CoCuFeNi ve CoCuFeNiZn yüksek entropili alaşımların ultrasonik sprey piroliz (USP) ve hidrojen indirgeme (HR) yöntemleriyle sentezi ve karakterizasyonu ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bu bölümde, farklı sentez sıcaklıklarının alaşım partiküllerinin faz bileşimi ve morfolojisi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İlk olarak, sentez işlemleri 700 °C, 800 °C ve 900 °C sıcaklıklarında gerçekleştirilmiş olup, XRD ve SEM analizleriyle faz oluşumları ve morfolojik değişimler incelenmiştir. Sonuçlar, en uygun morfoloji ve partikül boyutunun 800 °C'de elde edildiğini göstermiştir. Bu sıcaklıkta sentezlenen partiküller, Co, Cu, Fe ve Ni'nin yüzey merkezli kübik yapısına sahip olduğunu ortaya koyarken, aynı zamanda hidrojen indirgeme sırasında oluşan serbest enerjinin termodinamik analizleri, indirgeme sürecinin 700-900 °C aralığında gerçekleşebileceğini doğrulamaktadır. Çekirdek-kabuk yapıdaki CoCuFeNi ve CoCuFeNiZn partikülleri ise farklı sentez ortamları ve Zn katkısı ile elde edilmiş, yapıların morfolojik ve yapısal özellikleri TEM ve STEM-EDS analizleri ile detaylandırılmıştır. Çekirdek-kabuk yapılarındaki alaşım partiküllerinin iç yapısı ve element dağılımı, yüksek çözünürlüklü analizlerle doğrulanmış olup, bu yapılar oksijen çevrim reaksiyonlarında (OER) üstün katalitik performans sergilemiştir. USP-1 katalizörü (Fe₃O₄@CoCuFeNi), 10 mA/cm² akım yoğunluğunda 306 mV aşırı potansiyel göstererek yüksek verimlilik sergilemiştir. USP-2 katalizörü (ZnO-FeO@CoCuFeNiZn) aynı yoğunlukta 378 mV aşırı potansiyel ile USP-1'e göre daha yüksek enerji gereksinimi göstermiştir. Ticari IrO₂ katalizörünün 10 mA/cm² için 355 mV aşırı potansiyel değeri USP-1'in gerisinde kalmıştır. Tafel eğimlerine göre USP-1, 61,5 mV/dec değeriyle daha etkin kataliz sağlarken, USP-2'de bu eğim 65,4 mV/dec, ticari IrO₂'de ise 99,5 mV/dec olarak gözlemlenmiştir. Elektrokimyasal empedans analizinde USP-1'in düşük yük transfer direnci ile hızlı elektron transferine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, USP-1, 10 mA/cm²'de 350 saat süren stabilite testinde potansiyelini yaklaşık 1,5 V civarında koruyarak yüksek bir stabilite göstermiştir. Bu bulgular, USP-1 katalizörünün düşük enerji tüketimi ve yüksek stabilitesiyle OER için ticari IrO₂'ye göre avantaj sağladığını ortaya çıkarmıştır.

Özet (Çeviri)

This thesis comprehensively investigates the production, modification, and characterization of CoCuFeNi high entropy alloys (HEAs) by adding various elements and using different synthesis methods. The primary motivation of the thesis is to produce and characterize CoCuFeNi HEAs, enhance their functionality through modifications, and explore their application in industrial fields. The first section of the thesis examines the effects of adding various graphite contents on the structural and magnetic properties of mechanically alloyed CoCuFeNi HEAs. The experiments set graphite addition levels at 0.2%, 1%, 2%, and 10% by weight and investigated their impact on the alloy's microstructure and magnetic properties. Characterization methods such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and vibrating sample magnetometry (VSM) are utilized to discuss the effects of graphite addition comprehensively. XRD analysis results indicate that the addition of graphite maintains the dominance of face-centered cubic structure up to 1% graphite addition, but with 2% addition, body-centered cubic structures start to appear, and at 10% graphite, both face-centered cubic, body-centered cubic, and graphite phases coexist. Additionally, grain sizes decrease with increased graphite content. Morphological changes occur in samples with 10% graphite, leading to flake-like structures. The alloy's crystallite size in samples without graphite is approximately 19.48 nm, while in those with 10% graphite, it decreases to 13.12 nm. This suggests that carbon atoms integrate into the metallic lattice, causing strain and altering lattice parameters. VSM analyses reveal significant changes in magnetic properties. The saturation magnetization (Ms) value in the sample without graphite is recorded at 90.22 emu/g, while the coercivity (Hc) value measures 8.53 Oe. In the C10 sample containing 10% graphite, the Ms value drops to 78.99 emu/g, and the Hc value increases to 165.08 Oe. These results demonstrate that mechanical alloying can integrate carbon atoms into the lattice structure, significantly altering the microstructure and magnetic properties of CoCuFeNi HEAs and that increasing graphite content can achieve composite-like properties with various morphologies. The second section of the thesis involves the addition of Triton X-100 functionalized graphene (FG) to CoCuFeNi high entropy alloys at 0.2%, 1%, 2%, and 10% by weight under the same mechanical alloying conditions. These alloys are analyzed using similar characterization methods, and the results indicate that FG integrates carbon more effectively into the alloy structure, also promoting a more homogeneous distribution. XRD analysis shows that the face-centered cubic structure is preserved with 0.2% FG addition, peak broadening occurs with 1% FG, body-centered cubic phases begin to form at 2% FG, and 10% FG, face-centered cubic, body-centered cubic, and graphene phases coexist. FG significantly impacts the crystallite size; it decreases from 19.48 nm in samples without FG to 9.30 nm in those with 2% FG, though it increases again to 21.47 nm in samples with 10% FG. SEM analyses indicate that average grain sizes decrease significantly with FG addition, achieving flake-like structures at high FG contents. VSM analyses of magnetic properties show changes with FG addition; the Ms value in samples without FG is 90.22 emu/g and Hc is 8.53 Oe, while in the FG2 sample (2% FG), Ms drops to 57.33 emu/g and Hc rises to 116.51 Oe. In samples with 10% FG, Ms increases to 61.48 emu/g and Hc to 144.13 Oe. These findings suggest that FG manipulates magnetic properties and that high concentrations of FG can enhance coercivity, yielding hard magnet-like features. Overall, these analyses reveal that FG significantly affects the microstructure and magnetic properties of CoCuFeNi HEAs, showing potential for adjusting the alloy's structural and functional properties. The third section discusses the production and characterization results of carbon fiber-reinforced polymer composites strengthened with CoCuFeNi high entropy alloy, with alloy concentrations at 5%, 10%, and 15% by weight. Initially, XRD analyses of the alloy powders produced for reinforcement show that the initial crystal structures of the metal powders are maintained, and after a 54-hour mechanical alloying process, the CoCuFeNi alloy forms a solid solution in the FCC phase. EDS analyses confirm the atomic percentage distribution of elements, verifying structural homogeneity. TEM-EDS analyses provide more detailed information about the morphology and distribution of elements within HEA particles, confirming a homogeneous structure and the successful formation of a solid solution in the FCC phase. SEM/EDS analyses of the composites investigate the distribution and interaction of HEA particles in different composite matrix concentrations. Composites with 5% HEA show sparse particle distribution, with some parts of the carbon fiber matrix exposed. At 10% HEA, a homogeneous distribution is achieved, while at 15% HEA, particle density increases in some local areas due to agglomeration issues, creating voids. High-magnification SEM images confirm that HEA particles are strongly integrated into the matrix without separation or defects at the interfaces. Electromagnetic interference shielding effectiveness measurements of the composites are conducted using a Vector Network Analyzer (VNA), showing that adding HEA enhances the composites' electromagnetic shielding capacity. For instance, the shielding effectiveness at 4 GHz is measured at 45.91 dB in composites without HEA, rising to 54.06 dB in those with 5% HEA and reaching 68.04 dB in those with 10% HEA. In composites with 15% HEA, it measures 58.40 dB at the same frequency. These results demonstrate that HEA enhances the electromagnetic protection capacity of the composites, suggesting the potential for expanding their application areas. This analysis also indicates that CoCuFeNi HEA-strengthened composites can effectively improve electromagnetic protection features, allowing for their efficient use in industrial applications. The fourth and final section of the thesis detailedly examines the synthesis and characterization of CoCuFeNi and CoCuFeNiZn high entropy alloys using ultrasonic spray pyrolysis (USP) and hydrogen reduction (HR) methods. This section explores the effects of different synthesis temperatures on the phase composition and morphology of the alloy particles. Initially, synthesis processes are carried out at 700 °C, 800 °C, and 900 °C, with XRD and SEM analyses investigating phase formations and morphological changes. The results indicate that the optimal morphology and particle size are obtained at 800 °C. Particles synthesized at this temperature exhibit a face centered cubic structure of Co, Cu, Fe, and Ni, while thermodynamic analyses of the free energy released during hydrogen reduction confirm that the reduction process can occur between 700-900 °C. Core-shell structured CoCuFeNi and CoCuFeNiZn particles obtained in different synthesis environments and with Zn addition are further detailed through TEM and STEM-EDS analyses. High-resolution analyses confirm alloy particles' internal structure and element distribution in core-shell structures, showing superior catalytic performance in oxygen evolution reactions (OER). The USP-1 catalyst (Fe₃O₄@CoCuFeNi) exhibits a high efficiency with an overpotential of 306 mV at a current density of 10 mA/cm². The USP-2 catalyst (ZnO-FeO@CoCuFeNiZn) shows a higher energy requirement with an overpotential of 378 mV at the same current density compared to USP-1. The commercial IrO₂ catalyst's overpotential at 10 mA/cm² is 355 mV, trailing behind USP-1. Tafel slopes indicate that USP-1 provides more efficient catalysis with a value of 61.5 mV/dec, while USP-2 has a slope of 65.4 mV/dec, and commercial IrO₂ at 99.5 mV/dec. Electrochemical impedance analysis shows that USP-1 has a low charge transfer resistance, enabling fast electron transfer. Additionally, USP-1 maintains its potential around approximately 1.5 V during a stability test lasting 350 hours at 10 mA/cm², showing high stability. These findings reveal that the USP-1 catalyst offers advantages over commercial IrO₂ for OER with lower energy consumption and higher stability.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    655237

    Mekanik alaşımlama ile CoCrFeMnNi ve AgCoCrFeNi esaslı yüksek entropi alaşım tozlarının sentezlenmesi ve karakterizasyonu

    Synthesization of CoCrFeMnNi and AgCoCrFeNi high entropy alloy powders via mechanical alloying and their characterization

    EBRU SARIOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURAK ÖZKAL

  2. Tez No

    771795

    Processing and characterization of novel graphene containing inks

    Özgün grafen içeren mürekkeplerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    SEDA SULTAN YÜKSEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHSİN ÇİFTÇİOĞLU

  3. Tez No

    691369

    Zirh uygulamalarina yönelik grafen katkili sic seramik kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Processing and characterization of graphene reinforced sic ceramic composites for armour applications

    BURCU YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Savunma ve Savunma TeknolojileriTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZARİFE GÖKNUR BÜKE

  4. Tez No

    341035

    Processing and characterization of brick-and-mortar structured bulk bio-inspired composites

    Biyolojik malzemelerden esinlenilmiş tuğla-ve-harç yapılı hacimli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    SELEN NİMET GÜRBÜZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU

  5. Tez No

    341106

    Processing and characterization of high density tungsten-nickel-iron alloys

    Yüksek yoğunluklu tungsten-nikel-demir alaşımlarının üretimi ve karakterizasyonu

    NECMETTİN KAAN ÇALIŞKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ŞAKİR BOR

    DOÇ. DR. NURİ DURLU

Geri Dön