Bor karbür üretimi ve özelliklerinin belirlenmesi


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Technology, Metallurgical and Materials Engineering, Turkey

Approval Date: 2018

Thesis Language: Turkish

Student: CELİL GÜLDAŞ

Consultant: MUSTAFA ÇAKIR

Abstract:

Bor karbür yüksek performanslı uygulamalarda yüksek sertliği, düşük yoğunluğu, yüksek ergime derecesi, yüksek elastisite modülü, kimyasal ürünlere karşı mükemmel aşınma direnci, fevkalade yüksek termoelastik ve termoelektrik özellikleri ve yüksek korozyon direnci nedeniyle önemli bir yere sahiptir. Mükemmel özellikleri sayesinde vücut ve araç zırhı, aşındırıcı toz, nükleer uygulamalar ve havacılık uygulamaları dâhil olmak üzere birçok yüksek performansa sahip uygulamalarda kullanılmaktadır. Şu anda, bor karbür ticari olarak karbotermal indirgeme işlemi ile üretilir. Bu işlem ise elektrikli fırınlarda borik asidi ısıtarak karbonun indirgenmesi suretiyle yapılır. Ancak bu süreçte bazı sorunlar mevcuttur. Bunlar:  Nihai üründe önemli miktarda serbest karbon kalıntısı vardır,  İnce parçacık boyutuna yoğunlaştırılması için ürünü öğütmek pahalı ve zordur,  Yüksek sıcaklık fırını işlemi gerektirir,  2000 °C'nin üzerindeki sıcaklık kontrolü mümkün değildir,  Elektrik ark ocağında homojen olmayan ısınma, bir miktar reaksiyona girmemiş ürünlere sebep olabilir,  Son üründe kirlenme, Ticari olarak bor karbürün üretimindeki problemlerin sonucu olarak alternatif yöntem gereklidir. Bu çalışmada, sol-jel yöntemi ile polivinilalkol (PVA) ve borik asit (H3BO3) kullanarak bor karbür (B₄C) üretimi ve özellikleri anlatılmaktadır. İşlem basamakları:  Kurutma yoğunlaştırma reaksiyonunda PVA ve borik asit karıştırmak suretiyle polivinil borat (PVBO) sentezleme.  PVA karbonize ve borik asitten suyun ayrıştırılması için PVBO’nin pirolize edilmesi ile karbon ve bor oksitin ayrıştırılması.  Pirolize edilmiş numunenin bor karbür sentezlenmek üzere ısıl işleme tabi tutulması. XRD, TGA, SEM FT-IR ile PVBO’yu karakterize etmek için kullanmıştır. Pirolize edilmiş ürün ve son ısıl işlemi yapılmış ürün ham maddenin başlangıcıdır ve sürecin koşullarıdır. Optimum işlem koşulları şu şekilde belirlenmiştir:  100g PVA 1000ml suda çözündükten sonra  500ml suda çözünen 80g H₃BO₃ ilave edilerek jel elde edilmiştir  Argon gaz atmosferinde, 10 °C/dk ısıtma hızında 600 °C’de 2 saat pirolize edilmiştir  Argon gaz atmosferinde, 10 °C/dk ısıtma hızında 1300 °C’de 5 saat ısıl işlem edilmiştir Bu işlemler ile az miktar kalıntı karbon ile beraber B₄C tozu elde edilir. Uygulanan yöntem ticari olarak düşük sıcaklıkta ve düşük maliyetle bor karbür elde etme yöntemidir. ABSTRACT There is an important place in high performance applications of boron carbide. These are high corrosion resistance, high resistance to chemical agents, perfect thermoelectric and thermoelastic properties, extreme hardness, high Young’s modulus, low density, high melting point. Because of all these excellent properties, it can be used at widw range of high performance applications. Like ; nuclear applications and aerospace applications, abrasive powder, body and vehicle armour. Carbothermal reduction process is used to produce boron carbide commercially. Carbon reduction is involved in this process that produces from boric acid and heating in a furnace. Nevertheless, the process has some problems, including:  In the final product we can see considerable amount of free carbon residue.  To get fine particle size for densification, it can be seen difficulty and expensive to grind the product.  A high temperature furnace is required.  Above 2000 °C control of temperature is not possible.  In an arc furnace non-uniform heating resulting some products that is unreacted.  In the final product there some contamination. Because of this result of the problems an alternative process is required to produce boron carbide commercially. This is directed us the possibility of using, boric acid (H3BO3) and polyvinylalcohol (PVA). These are starting raw materials and B4C can be synthesised. The process steps :  To synthesise polyvinylborate (PVBO), boric acid (H3BO3) and polyvinylalcohol (PVA) mixed in a dehydration condensation reaction.  Water will be removed from the boric acid and to carbonise the PVA and, polyvinylborate PVBO is pyrolysed. So that boron oxide and carbon are obtained to process B4C.  To synthesise boron carbide, pyrolysed sample is heat treated. There are some tests used to characterise the PVBO, involve XRD, TGA, SEM FTIR. Pyrolysed product and final heat treated product are used for tests that can be processing conditions for a function and beginning materials. The optimum processing and materials  100g PVA and 80g H3BO3 are mixed,  Pyrolyse at10 ºC/min heating rate under argon atmosphere at 600 ºC for 2 hours  Heat treatment is applied at 10 ºC/min heating rate under argon atmosphere at 1300 ºC for 5 hours With this method there are some amount of residual carbon. This is a method to produce B4C commercially with low temperature and low cost.