Katı-gaz karbotermal reaksiyonu ile metal borür ve metal karbür tozlarının üretilebilirliğinin araştırılması
Investigation of the feasibility of producing metal boridesand metal carbide powders via solid-gas carbothermal reactions
- Tez No: 957105
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AĞAH AYĞAHOĞLU, PROF. DR. MUSTAFA AYDIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle birlikte etkin faktörlerden olan malzemeler üzerine yapılan çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Bu malzeme gruplarından olan metal borürler ve metal karbürler yüksek ergime noktası, yüksek sertlik, iyi aşınma direnci, yüksek elektrik ve ısıl iletkenlik, iyi korozyon direnci ve nispeten düşük yoğunlukları gibi üstün özellikleri ile son yıllarda üzerinde en çok çalışma yapılan malzeme grupları arasında ön plana çıkmaktadır. Bu üstün özellikleri ile savunma sanayi, uzay sanayi ve uçak sanayi gibi stratejik alanlarda kullanımları giderek artmaktadır. Bu tezde oksit tozlarının katı-gaz karbotermal reaksiyon yöntemiyle karbon kaplanması ve bu süreç sonucunda metal borürlerden TiB2, ZrB2, AlB2 ve CaB6, metal karbürlerden TiC ve ZrC ve yerli kaynaklardan olan B2O3 ile boraks tozu kullanılarak B4C tozlarının üretilebilirliği ve karakterizasyonları çalışılmıştır. Bu süreç iki aşamadan oluşmaktadır; ilk olarak oksit tozlarının hidrokarbon gaz olan propilen gazının (C3H6) parçalanması (cracking) esnasında karbon ile kaplanması ve ikinci olarak da ısıl işlem yapılarak metal borür, metal karbür ve B4C tozlarının üretilmesidir. Katı-katı karbotermal reaksiyon yönteminde kullanılan katı fazdaki karbon karışım tozlarına göre, katı-gaz karbotermal reaksiyon yönteminde oksit toz yüzeyine kaplanan karbonun yakın temasından ve gerekli olan karbon monoksit (CO) gaz çıkışının sürekli sağlanmasından dolayı reaksiyon daha hızlı gerçekleşmekte ve buna bağlı olarak daha düşük sıcaklıkta ve daha yüksek saflıkta toz üretimine imkan sağlanmaktadır. Karbon kaplama işlemleri sonrası karbon kalınlığı ve karbon miktarlarının tespitinde taramalı elektron mikroskopu (SEM), geçirimli elektron mikroskopu (TEM) kullanılarak karakterize edilmiş, ısıl işlem sonrası üretilen metal borür ve metal karbür tozları ise X-ışını kırınım (XRD) analizi ile karakterize edilmiştir. Analiz sonuçlarından borür ve karbür üretimi için kullanılan oksit tozlarının 9 nm – 40 nm arasında karbon ile kaplandığı, B4C üretimi için kullanılan oksit tozlarının ise jelleşme ve topaklanmadan dolayı karbon ile kaplanamadığı tespit edilmiştir. XRD analiz sonuçlarından ise TiB2, ZrB2, AlB2, CaB6, TiC ve ZrC ileri teknoloji seramik tozlarının dönüşüm sıcaklığının altında ve kısa sürelerde sinterlenmesine rağmen üretilebildiği, ara fazların oluşmadığı tespit edilmiştir. Bu tez kapsamında kullanılan yöntem ile daha düşük sıcaklıkta, daha düşük maliyette ve daha yüksek saflıkta ileri teknoloji seramik tozlarının üretilebildiği tespit edilmiştir. Bu özellikleri ile savunma sanayinde ihtiyaç duyulan metal borür ve metal karbürlerin milli imkanlarla üretimini sağlayarak, dünya bor rezervinin %73'üne sahip ülkemizin metal borür üretimini artırarak yüksek katma değerli uç ürünlerin ihracatında stratejik bir basamak olmasını sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Today, with the advancement of technology, studies on materials, which are among the most effective factors, are increasing daily. Metal borides and metal carbides, among these material groups, have become prominent among the most studied material groups in recent years due to their superior properties such as high melting points, high hardness, good wear resistance, high electrical and thermal conductivity, good corrosion resistance, and relatively low densities. These superior properties have led to their increasing use in strategic areas such as the defense, aerospace, and aircraft industries. In this thesis, the carbon coating of oxide powders via the solid–gas carbothermal reaction method and, subsequently, the synthesis and characterization of titanium diboride (TiB₂), zirconium diboride (ZrB₂), aluminum diboride (AlB₂), and calcium hexaboride (CaB₆) from metal borides; titanium carbide (TiC) and zirconium carbide (ZrC) from metal carbides; and boron carbide (B₄C) using locally sourced B₂O₃ and borax powders were investigated. This process consists of two main stages: first, the coating of oxide powders with carbon during the decomposition (cracking) of the hydrocarbon gas propylene (C₃H₆), and second, the production of metal boride, metal carbide, and B₄C powders through thermal treatment. Compared to the solid–solid carbothermal reaction method, in which carbon is mixed in the solid phase, the solid–gas carbothermal reaction enables a faster reaction due to the close contact of the carbon deposited on the surface of the oxide powders and the continuous release of the necessary carbon monoxide (CO) gas. This facilitates powder synthesis at lower temperatures and with higher purity. After the carbon coating process, the carbon layer thickness and quantity were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The metal boride and metal carbide powders produced after thermal treatment were characterized by X-ray diffraction (XRD) analysis. Analysis results indicated that the oxide powders used for the synthesis of borides and carbides were successfully coated with carbon layers ranging from 9 nm to 40 nm. In contrast, the oxide powders intended for B₄C production could not be effectively coated due to gelation and agglomeration. XRD analysis revealed that advanced ceramic powders such as TiB₂, ZrB₂, AlB₂, CaB₆, TiC, and ZrC were successfully synthesized at temperatures below their conventional transformation points and within short sintering durations, without the formation of intermediate phases. The method used in this thesis has been found to produce high-tech ceramic powders at lower temperatures, lower costs, and higher purity. These features will enable the production of metal borides and metal carbides needed in the defense industry through domestic resources, thus increasing metal boride production in our country, which holds 73% of the world's boron reserves, and becoming a strategic step in the export of high-value-added end products.
Benzer Tezler
- Ergimiş tuz elektrolizi ile vanadyum borür üretimi
Production of vanadium borides by molten salt electrolysis
ELİF ECEM ÖZGÜVENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Synthesis and characterization of various tungsten carbide powders from tungsten hexachloride powders via mechanochemical reaction and autoclave/pressure vessel methods
Mekanokimyasal reaksiyon ve otoklav/basınçlı kap metodlarıyla tungsten hekzaklorür tozundan çeşitli tungsten karbür tozlarının sentezi ve karakterizasyonu
NİHAN ÖZKAN AYTEKİN
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Yüksek sıcaklıklarda nikel oksit tozunun etanol ile reaksiyonu
Reaction of nickel oxide powder with ethanol at high temperatures
FARUK COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERAFETTİN EROĞLU
YRD. DOÇ. DR. ŞENOL ÇETİNKAYA
- Silisyum nitrür tozu üretimi ve sinterlenmesi
Processing and sintering of Si3N4 powder
MUSTAFA TÜMER
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Metalurji MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMetal Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET ATASOY
- Kimyasal buhar reaksiyon yöntemi ile nanokristal malzemelerin sentezi
Synthesis of nanocrystalline materials by chemical vapor reaction method
ŞENOL ÇETİNKAYA
Doktora
Türkçe
2011
Metalurji Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERAFETTİN EROĞLU