FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/183
Nano Bilim ve Nano Mühendislik Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir.

Gözat

Yazar "10040560" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik'a göz atma
  • Öge
    Nanokompozit İnce Filmlerin Sentezi Ve Mekanik Özelliklerinin Karakterizasyonu
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-06-20) Karbay, İsmail Hakkı Cengizhan ; Zayim, Esra Özkan ; 10040560 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering
    İnce film teknolojisi, kolay uygulanmasından ötürü son zamanlarda giderek yaygınlaşmıştır. Ayrıca tüm yapıyı kompozit üretmekten daha ucuza mal olmaktadır. Daha az malzeme tüketimi olduğundan, yüksek teknolojik malzemelerin üretiminde daha çevreci çözümler sunar. Mukavemet, her malzeme için, tüm kullanım alanlarında en önemli özelliklerden biridir. Mekanik özellikler tüm tasarım parametrelerini etkiler. Bu sebeple sistemimizde kullanmadan önce malzemelerin davranışlarını bilmek ya da tahmin etmek çok önemlidir. Kopma dayanımı, aşınma dayanımı ve kimyasallara karşı direnç gibi özellikler ince film teknolojisi ile geliştirilebileceği gibi geçirgenlik ve yansıtıcılık gibi optik özellikler de değiştirilebilir. Prensipte hem inorganik hem de organik malzemeler farklı altlıklara kaplanabilir. Birçok kullanım alanı için zehirlilik en büyük problemlerden biridir. Tantalum, titanyum ve oksitleri insan vücuduyla uyumlu olmalarından dolayı son derece yaygın kullanımı olan malzemelerdir. En büyük sebep bu malzemelerin kimyasal olarak tepkime vermemesidir. Titanyum 1950'lerden beri ameliyatlarda kullanılır ve vücut sıvıları ile tepkimeye girmez. Bununla beraber dış kuvvetlere karşı gayet iyi dayanır. Tantalum ve oksidi müthiş kimyasal kararlılığı ve yüksek yansıtıcılık özellikleri iyi bilinse de mükemmel mekanik özellikleri bu zaman kadar fazla dikkat çekmemiştir. Buna ilaveten tantalum filmler son derece transparandır ve bu camlar ile çalışmak için son derece önemli bir parametredir. Bu inanılmaz özellikler tantalumu cam altlıklar için mükemmel bir kaplama malzemesi yapar. Camın mekanik özelliklerini iyileştirmek için uzun yılladır çalışılmıştır. Birçok bilim adamı camı hem inorganik hem de organik malzeme ile takviye etmeyi denemiştir. Polyvinyl butyral (PVB) hem kopma mukavemeti hem de tokluk açısından en yaygın olarak kullanılan organik takviye malzemesidir. Aynı zamanda kırılma durumlarında, cam parçalarını bir arada tutarak daha yüksek güvenlik sunar. Bu özelliklerinden dolayı PVB, araba camları ve inşaat sektörü gibi birçok kullanım alanına sahiptir. Lakin, güneş ışığının organik malzemeler üzerindeki negatif etkileri (degredasyon, vb.) bilinmektedir. Bu nedenle PVB bardak, tabak gibi insan ile temasta bulanan malzemelerde en iyi seçim olmayabilir. Genel olarak inorganik malzemeler zorlu çevre koşullarına karşı daha dayanıklıdır. Bu sebeplerden ötürü camın mekanik özellikleri inorganik malzemeler ve katkı maddeleri ile iyileştirilmeye çalışılmıştır. Yukarıda belirtilen bütün özellikler üretim metoduyla bağlantılıdır. Yöntem ucuz ve seri üretime elverişli olmalıdır. Birçok farklı özellik sunmasıyla beraber göreceli olarak küçük bir laboratuvar ekipmanı olan, sol-gel metodu, bilim insanlarına, cam kaplama için etkili bir yöntem sunmaktadır. Ayrıca yüzey özellikleriyle kolayca xxiv oynanabilmektedir. İkili, üçlü inorganik ve nano yapılı malzemelerin sentezi, bu yöntemin kullanılmasıyla günümüze kadar gelmiştir. Bu çalışmada, döndürerek ve daldırarak kaplama yöntemleri ayrı ayrı kullanılarak cam altlıklar kaplanmış ve sonuçlar incelenmiştir. Mekanik özellikler kaplama yöntemine bağlı olarak değişir, çünkü yöntem film kalınlığını doğrudan etkiler. İlk olarak, ikili ve üçlü sistemdeki filmler döndürerek ve daldırarak kaplama metotlarıyla kaplanmıştır. Daha sonra, mekanik özellikler başta olmak üzere, filmlerin detaylı karakterizasyonu yapılmıştır. Sol-gel yöntemiyle elde edilen filmlerde, gelişmeye açık olan camların mekanik özelliklerini iyileştirmek amaçlanmıştır. Dünyada binlerce farklı organik ve inorganik malzeme vardır. Kompozit teknolojisinde ise iki veya daha fazla malzeme bir arada kullanılır. Buna ek olarak mekanik ve optik özellikler nano boyutta tamamen değişir. Yani her bir malzemeyi, birbiriyle nano veya makro boyutta denemek neredeyse imkânsızdır. Bazen analitik çözümler ve/veya bilgisayar simülasyonları bitmiş yapının davranışlarını analiz etmek için gereklidir. İki yöntemde malzemenin mekanik özelliklerine ve verilen problem için sınır koşullarına ihtiyaç duyar. Sonlu elemanlar yöntemi son derece yaygındır ve farklı analiz tipleri için oldukça başarılı sonuçlar vermektedir. Bu çeşit bilgisayar programları doğru malzemeyi seçmemizde ve sistemimizi tasarlamamızda bize yardım eder. Bu çalışmada titanyum dioksit (TiO2) – silisyum dioksit (SiO2) karışımı ve tantalum pentoksit (Ta2O5) farklı katkı maddeleri ile kaplama malzemesi olarak kullanılmıştır. İki farklı TiO2 – SiO2 reçetesi denenmiştir. Katkı malzemesi olarak da tek duvarlı karbon nanotüp (SWCNTs) ve ceryum dioksit (CeO2) nano parçacıklar kullanılmıştır. Örneklerin faz karakterizasyonu için, x-ışını spektroskopisi (XRD) ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi kullanılmıştır. Film yüzeylerinin incelenmesi için ise taramalı elektron mikroskopundan (SEM), atomik kuvvet mikroskopu (AFM) ve optik mikroskoptan yararlanılmıştır. UV-görünür bölge spektroskopisi ve NKD analizör ile örneklerin optik geçirgenlik ve yansıtıcılık özelliklerini saptamak için kullanılmıştır. Suyun kontak açısı, tensiyometre ile ölçülerek, yüzeylerin hidrofiliklik ve hidrofobiklik özellikleri incelenmiştir. Halka üzerinde halka testi asıl olan mekanik testtir. Bu test gevrek malzemeler için daha iyi sonuç veren, çift eksenli gerilme uygulayan bir yöntemdir. Numuneler iki farklı çaptaki halka arasına konarak, kırılıncaya kadar basma gerilmesi uygulanır. Camlar gevrek yapıda olduklarından akma gerilmesi, maksimum çekme gerilmesi ve kopma gerilmesi değerlerinin hepsi birbirine yakındır. Cihaz gerilme ve sehim değerlerini kaydeder. Böylece kaplanan farklı filmlerin, mekanik özelliklere olan etkisi güvenilir biçimde ölçülmüş olunur. Gevrek malzemelerde testin tekrarı, güvenilirlik için son derece önemlidir. Uygulanan ikinci test ise çizilme testidir. Bu yöntem yüzey sertliği ile ilgili direkt; aşınma direnci ile ilgili dolaylı yönden bilgi verir. Aynı zamanda sertlik ile akma dayanımı arasında da bir bağıntı vardır. Son olarak, tüm sonuçlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Tantalum pentoksit, optik ve yarı-iletken uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Ancak yapılan testlerde, aynı zamanda mekanik özellikleri oldukça iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Kopma mukavemetini yaklaşık olarak 3.5 katına çıkarmıştır. Mekanik özelliklerdeki bu iyileşmenin yanı sıra, transparan camın optik özelliklerini de bozmamıştır. Aynı zamanda insan sağlığına olumsuz etkileri de xxv olmaması sebebiyle, tantalum pentoksit, mukavemet gerektiren birçok alanda kullanılabilir. Aynı zamanda kaplanan film oldukça incedir. Böylece malzeme verimli bir şekilde kullanılabilir. Üçlü sol sistemi denemesi ise, başarısız olmuştur. Sebebi hatalı kimyasal reaksiyonlar olabilir. Solleri karıştırmak yerine tabakalı film uygulaması mekanik açıdan daha iyi sonuç verebilir. Öte yandan, titanyum ve silisyum oksit ikili sistemi de gerek mekanik gerek optik açıdan iyi sonuçlar vermiştir. Optik geçirgenlik özelliği, tantalum filmlerden yaklaşık olarak 20 kat daha kalın olmasına rağmen, daha iyidir. Aynı zamanda daha sünek ve tok bir film oluşturarak, darbe direncinin de artmasına yardımcı olur. Lakin, kalın film seri üretim söz konusu olduğunda, maliyet açısından olumsuz olabilir. Mekanik özellikler bakımından, bilinen en iyi malzeme olan tek duvarlı karbon nanotüp katkısı ise beklenen etkiyi verememiştir. Sebebi sol içinde çözülmeme ve düzgün dağılmama sorunlarıdır. İlerleyen teknoloji seviyesi ile bu malzemenin istenildiği gibi kullanılmasına olanak sağlanacaktır. Analitik çözüm, tek tabaka için oldukça başarılı sonuçlar verse de çok katmanlı yapılarda hassasiyetini kaybetmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ise, çok katmanlı yapıları da oldukça hassas şekilde analiz edebilmiştir ve ince film araştırma ve geliştirme çalışmalarında yaygın olarak kullanılması gerektiğini göstermiştir. Hata payı %10'un altındadır.