Structural, physical, elastic, optical and radiationshielding properties of hfo₂ doped boro-telluriteglasses
Hfo₂ katkılı boro-tellürıt camların yapısal, fızıksel, elastık, optık ve radyasyon zırhlama özellıklerı
- Tez No: 953789
- Danışmanlar: PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Harran Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Bu tez çalışması, tıbbi ve nükleer radyasyon koruma uygulamalarına yönelik olarak geliştirilen HfO₂ katkılı boro-tellurit esaslı camların yapısal, termal, mekanik, optik, elastik ve radyasyon zırhlama özelliklerini kapsamlı bir şekilde incelemektedir. TeO₂–B₂O₃–WO₃–HfO₂ bileşiminden oluşan cam sistemi, 0–10 mol% aralığında değişen HfO₂ katkı oranlarıyla geleneksel ergitme-soğutma (meltquenching) yöntemiyle sentezlenmiştir. X-ışını kırınımı (XRD) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizleri, camların amorf yapısını ve stabil cam ağını doğrulamıştır. Raman spektroskopisi ise TeO₂'ye ait karakteristik titreşim bantlarının 561 cm⁻¹'den 547 cm⁻¹'ye kaydığını göstermiş; bu da Hf–O bağlarının oluşumu nedeniyle yapısal yeniden düzenlenmenin gerçekleştiğini ortaya koymuştur. HfO₂ ilavesi, cam matrisinde yoğunlaşmaya yol açmış; molar hacim 33.20 cm³/mol'den 31.85 cm³/mol'e düşerken, yoğunluk 4.48 g/cm³'ten 4.83 g/cm³'e yükselmiştir. Artan HfO₂ içeriğiyle birlikte camların termal özelliklerinde belirgin iyileşmeler gözlemlenmiştir. Cam geçiş sıcaklığı (Tg) 402 °C'den (T1) 419 °C'ye (T6), yumuşama sıcaklığı ise 773 K'den 952 K'ye yükselmiştir. Debye sıcaklığı da 284 K'den 314 K'ye artarak termal kararlılıktaki gelişmeyi desteklemiştir. Mekanik özellikler de benzer şekilde güçlenmiş; mikrosertlik 3.74 GPa'dan 3.98 GPa'a yükselmiş, kırılma tokluğu ise 0.26 MPa·m¹ᐟ²'den daha yüksek değerlere ulaşmıştır. Optik çalışmalar, HfO₂ katkısının artmasıyla birlikte optik bant aralığının 2.99 eV'den 1.95 eV'ye düştüğünü göstermiştir. Bu durum, camın elektronik polarizabilitesinin arttığını ve optoelektronik uygulamalar için potansiyel taşıdığını göstermektedir. Radyasyon zırhlama özellikleri, HfO₂ katkısıyla önemli ölçüde gelişmiştir. Özellikle düşük foton enerjilerinde gama ışını zırhlama verimliliği artmıştır. 80.99 keV enerjisinde kütle zayıflatma katsayısı (MAC) 2.746 cm²/g (T1) değerinden 3.246 cm²/g (T6) değerine yükselmiş; 0.356 MeV enerjisinde ortalama serbest yol (MFP) 1.6299 cm'den 1.4510 cm'ye düşerek gama zayıflatma etkinliğini artırmıştır. Ayrıca, hızlı nötron zırhlama kapasitesi de önemli ölçüde artmıştır. Hızlı nötron uzaklaştırma kesiti (ƩR), T4 numunesinde maksimuma ulaşmış ve nötron dozu absorpsiyonu %30.68 oranında artmıştır. Sonuç olarak, HfO₂'nin TeO₂–B₂O₃–WO₃ cam matrisine entegrasyonu; yapısal yoğunluk, termal ve mekanik dayanım, optik özellikler ile birlikte gama ve nötron radyasyon zırhlama performansını anlamlı şekilde iyileştirmiştir. Elde edilen bulgular, HfO₂ katkılı boro-tellurit camlarının; nükleer teknoloji, radyasyon kalkanlama sistemleri ve biyomedikal uygulamalar gibi zorlu çalışma ortamlarında kullanılabilecek çok işlevli aday malzemeler olduğunu ortaya koymaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Mekanik özellikler, Yapısal Özellikler, Borotellurit camlar, Hafniyum dioksit (HfO₂), Termal kararlılık, Gama ışını zırhlama
Özet (Çeviri)
This thesis comprehensively investigates the structural, thermal, mechanical, optical, elastic, and radiation shielding properties of boro-tellurite-based glasses doped with varying concentrations of hafnium oxide (HfO₂), targeting advanced applications in medical and nuclear radiation protection. The glass system, composed of TeO₂–B₂O₃–WO₃–HfO₂, was synthesized using the conventional meltquenching technique with HfO₂ content ranging from 0 to 10 mol%. X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared (FTIR) analyses confirmed the amorphous structure and the stability of the glass network. Raman spectroscopy further revealed a shift in the characteristic TeO₂ vibrational bands from 561 cm⁻¹ to 547 cm⁻¹, signifying structural reorganization through the formation of Hf–O bonds. The incorporation of HfO₂ induced a more compact structure, as evidenced by a reduction in molar volume from 33.20 cm³/mol to 31.85 cm³/mol and an increase in glass density from 4.48 g/cm³ to 4.83 g/cm³.Thermal properties were significantly improved with increasing HfO₂ concentration. The glass transition temperature (Tg) increased from 402 °C (T1) to 419 °C (T6), while the softening temperature rose from 773 K to 952 K. The Debye temperature also increased from 284 K to 314 K, indicating enhanced thermal stability. Mechanical performance was similarly enhanced, with microhardness rising from 3.74 GPa to 3.98 GPa and fracture toughness increasing from 0.26 MPa·m¹ᐟ², reflecting the strengthening of the glass matrix.Optical studies revealed a decline in the optical band gap from 2.99 eV to 1.95 eV with increasing HfO₂ content, indicating increased electronic polarizability and potential for optoelectronic use. Radiation shielding characteristics demonstrated a remarkable improvement due to HfO₂ doping. Gamma-ray shielding efficiency increased with HfO₂ content, particularly at lower photon energies. At 80.99 keV, the mass attenuation coefficient (MAC) increased from 2.746 cm²/g (T1) to 3.246 cm²/g (T6), while the mean free path (MFP) at 0.356 MeV decreased from 1.6299 cm to 1.4510 cm, enhancing photon attenuation capability. Additionally, neutron shielding was significantly improved; the fast neutron removal cross-section (ƩR) reached its maximum in the T4 sample, resulting in a 30.68% increase in neutron dose absorption compared to the undoped glass. In conclusion, the integration of HfO₂ into the TeO₂–B₂O₃–WO₃ glass matrix not only enhances structural compactness, thermal and mechanical resilience, and optical properties, but also markedly strengthens gamma and neutron radiation shielding efficiency. These results highlight the potential of HfO₂-doped boro-tellurite glasses as promising multifunctional materials for use in harsh environments requiring robust thermal, mechanical, and radiation resistance particularly in nuclear technology, radiation shielding systems, and biomedical applications. KEYWORDS: Mechanical properties, Structural properties, Boro-Tellurite glasses, Hafnium dioxide (HfO₂), Thermal stability, Gamma shielding
Benzer Tezler
- Boro-tellürit cam matrisine Tm2O3 ve CEO2 katkısının, yapısal, optik, mekanik ve radyasyon zırhlama özelliklerine etkisi
Effect of tm2o3 and CEO2 additions to boro-tellurite glass matrix on structural, optical, mechanical and radiation shielding properties
KAAN DOĞRU
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiHarran ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ
- Nadir toprak elementleriyle katkılandırılmış borat camların fiziksel ve radyasyon zırhlama özelliklerinin incelenmesi
Analysis of elastic, mechanical, optical and radiation shielding properties of rare earth elements doped borate glass
İLYAS İZGÜDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiMunzur ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAHYA TAŞGIN
- RbGeCl3 kristalinin elektronik, optik ve elastik özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
Investigation of electronic, optical and elastic properties of RbGeCl3 crystal with density functional theory
FATMA ERDİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiYüzüncü Yıl ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EMEL KİLİT DOĞAN
- Bazı AB2 tipi sert bileşiklerin temel fiziksel özelliklerinin ilk ilkeler yöntemiyle incelenmesi
The investigation of basic physical properties of some AB2 type hard compounds using first principle methods
AHMET HAKAN ERGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YASEMİN Ö. ÇİFTÇİ
- Theoretical investigation of structural, vibrational, electronic, and elastic properties of ultra-thin anisotropic materials
Ultra-ince anizotropik malzemelerin yapısal, titreşimsel, elektronik ve elastik özelliklerinin teorik incelenmesi
KADİR CAN DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET YAĞMURCUKARDEŞ
DOÇ. DR. SERKAN ATEŞ