LEE- Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19483

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Dizinde bir noktaya atla:
  • Öge
    Hidrojen redüksiyon yöntemi ile LaFeSi temelli manyetokalorik malzeme üretimi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Ateş, Semih ; Gürmen, Sebahattin ; Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği
    Yaşamın sürdürülebilir olması insanın temel ihtiyaçlarını sağlayabilmesi ile sağlanmaktadır. Temel ihtiyaçlar içerisindeki beslenme ihtiyacı ise üretim – tüketim zincirini oluşturmaktadır. Üretim ve tüketim ikilisi her zaman bir birini anlık takip eden olgular değildir. Dolayısıyla üretilen gıda ürünlerinin tüketilmeden önce muhafaza edilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Gıdanın depolanabilirliğinin araştırılması insanoğlunun varoluşundan başlayan bir süreci takip etmiştir. Modern toplumlar da ise üretici – tüketici arasındaki bağ lojistik kanalları ile kıtalar arası mesafeler kat edebilmektedir. Bu bağlamda gıdanın gerek bireysel ve anlık, gerekse kitlesel ve uzun süreli muhafaza edilebilmesi ihtiyacı doğmuştur. Ayrıca yaşam verimliliğinin arttırılması adına insanların konfor alanlarını sağlaması gerekmektedir. Canlılığın devamı noktasında sıcaklık kritik bir rol oynamaktadır. Optimum koşulların canlılığın olduğu her noktada sağlanması büyük önem arz etmektedir. Soğutma teknolojileri üretici – tüketici arasındaki bağlantıda gıda ürünlerinin bozulmaması, tüketici – tüketici arasındaki bağlantıda ihtiyaç fazlası ürünlere depolama imkânı sağlaması, kullanıcı – ortam arasındaki bağlantıda konforun ve verimliliğin arttırılması gibi hayatın önemli noktalarında bulunmaktadır. Ateşte pişirme tekniği ile başlayan gıda muhafaza teknikleri günümüzde her evin vazgeçilmezi olan buzdolapları noktasına gelmiş ve geliştirilmeye devam edilmektedir. Tüketimin devamlılığının sağlanmasına karşılık dünya üzerinde tüketim yükünün oluşturmuş olduğu kötü etkilerle her gün başa çıkmak zorunda kalmaktayız. Soğutma sistemleri ile kendi devamlılığımızı ve konfor şartlarımızı oluştururken, bir yandan da bunları sağlamak için sarf ettiğimiz kaynaklar ile elimizdekileri durmaksızın tüketmekteyiz. Son zamanlarda fark edilen bu durum mühendislik çalışmalarını nihai sonuçlar, problemlerin çözülmesi ve yeşil – mühendislik felsefesi yaklaşımlarının temellerine dayanmasını gerektirmektedir. Soğutma ve iklimlendirme sistemleri kullandıkları soğutucu gazlar, enerji verimliliği düşük ve geliştirilmeye muhtaç olan sistemleri ve yaygınlığı açılarından günümüz gelinen teknolojik seviyelerin çok altında kalmaktadır. Soğutucu olarak kullandığı hidro – floro karbon, hidro – kloro – floro karbon gazları gibi doğa düşmanı; ısı pompaları gibi enerji düşmanı sistemlerin minimizasyon çalışmaları buzdolabı ve klima sektöründe önemli bir ar–ge alanını kaplamaktadır. Gaz sıkıştırma/genleştirme sisteminin ısı çekme/verme teorisi ile ilişkilendirilmesinden sonra her yaşam alanının demir başı olmayı başarmış olan soğutma sistemleri; termodinamik temellerin diğer fiziksel kuramlarla ilişkilendirilmesinden sonra çeşitli soğutma çevrimleri oluşturulmuştur. Bu soğutma çevrimleri çerçevesinde ise mekano – termal, opto – termal, manyeto – termal ve elektro – termal soğutma sistemleri oluşturulmuştur. Artan küresel ısınma ve beraberindeki problemler neticesinde son yıllarda alternatif soğutma sistemleri ile ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. Bu bağlamda, soğutucu sıvı olarak ozon – doğa düşmanı akışkanlara ihtiyaç duymayan, soğutma etkisini temelindeki katı malzemeden alan manyeto – termal soğutma sistemleri bilim insanlarının odak noktasında bulunmaktadır. Manyetokalorik soğutma sistemleri olarak adlandırılan yenilikçi soğutma sistemi temelinde, adını soğutma çevrimi ve sisteme de veren manyetokalorik etki bulunmaktadır. Bu etki en genel tanımıyla manyetik alan altında malzemenin entropisinde oluşan değişim etkisine karşılık malzemenin düzensizliğini doğal formuna getirmek için oluşturduğu tepki olarak tanımlanmaktadır. Her malzemenin sahip olduğu toplam entropisinin içerisinde latis, elektronik ve elektron manyetik momentlerinden kaynaklanan manyetik entropi bulunmaktadır. Bu doğrultuda, her malzemenin belirli bir manyetik altında manyetokalorik etkiye sahip olduğu görülmektedir. Ancak, alternatif teknolojinin oluşturulması için bu malzemeler ve malzemelerle oluşturulan sistemlerden elde edilecek verimin günümüz yaygın teknolojileri ile yarışır seviyede olması beklenmektedir. Manyetizma ve termal etki arasındaki ilişkinin termodinamiksel olarak açıklanmasından sonra başlayan manyetokalorik çalışmalar nadir toprak metallerinin ve alaşımlarının üretilmesi, sahip oldukları özelliklerinin keşfedilmesi ile birlikte ivme kazanmıştır. Özellikle Gadolinyum metali ve alaşımları üzerine yapılan manyeto – termal etki araştırmaları ile manyetokalorik soğutma sistemlerini günlük kullanımlara uygun kılmıştır. Ancak Gadolinyum metali; çoğu nadir toprak metali elementine atfedildiği gibi üretim maliyeti, az bulunurluğu ve tüketim alanlarının yaygın olması sebebiyle kritik metaller içerisinde yer almaktadır. Dolayısıyla, nadir toprak metallerine olan talebi azaltmak ve arz/talep dengesinin devamlılığını sağlayabilmek adına yeni nesil malzemelerin araştırılması gerekmektedir. Oda sıcaklığına soğutmalar için uygun olan malzemeler manyetokalorik malzemeler olarak nitelendirilmektedir. Malzemelerin sahip olduğu manyetokalorik etki manyetik özellikler (doyum manyetizması, koersivite, manyetik entropi değişimi, adyabatik sıcaklık değişimi) ile karakterize edilmektedir. Gd içeren manyetokalorik malzemeler literatürde en sık araştırılması yapılmış ve diğer çalışmalar için referans özellikler olarak kullanılmıştır. Geliştirilmiş olunan manyetokalorik malzemeler temelinde bulunan bileşenlerinin oluşturdukları aileler şeklinde nitelendirilmektedir. Bu aileler içerisinde bileşenlerinin bulunurluğu, düşük yatırım maliyetleri, kontrol edilebilir nihai özellikleri açısından LaFeSi temelli alaşımlar araştırma konularının odaklandığı tekno – ekonomik malzeme grubu olarak değerlendirilmektedir. Manyetik faz dönüşümünün görüldüğü kritik sıcaklıklarda (Curie Sıcaklığı) manyetokalorik etkinin en yüksek seviyeye ulaştığı yapılan çalışmalar ile tespit edilmiştir. Kritik sıcaklıkta gözlemlenen manyeto – termal ilişki Maxwell Eşitlikleri ile analiz edilmektedir. Bu bağlamda Maxwell Eşitlikleri ile manyetik entropi değişimi, adyabatik sıcaklık ve soğutma kapasitesi özellikleri sıcaklık ve manyetik etki parametreleri ile elde edilmektedir. LaFeSi temelli alaşımların göstermiş olduğu manyetokalorik etki üretim yöntemi, bileşenler, kompozisyon, ısıl işlemler gibi metalurjik teknikler ile kontrol edilebilmektedir. Bu durum Metalurji ve Malzeme Mühendisliğinin ilişkisini tanımlamış olduğu üretim yöntemi – yapı – özellik – performans bağıntısını en güçlü şekilde yansıtmaktadır. Çoğu manyetokalorik malzeme araştırmalarında olduğu gibi LaFeSi temelli manyetokalorik malzemelerin de sonuç özellikleri, araştırmaların odak noktasında bulunmaktadır. Kompozisyon, dop elementleri ve kristal yapısı bakımından LaFeSi temelli malzemelerin NaZn13 tip kristal yapıya sahip olduğu koşullarda en yüksek manyetokalorik etkiye sahip olduğu yapılan çalışmalarda ortaya konmuştur. Nadir toprak metallerinin yapıdaki etkinlikleri amacıyla La – Fe – Si ailesinin bir alt grubu olan LaRFeSi (R = nadir toprak metali) içerisinde Ce doplu LaFeSi NaZn13 temelli malzemeler ise LaFeSi alaşımlarının Curie Sıcaklığını oda sıcaklıklarına yakın seviyeleri yükselttiği tespit edilmiştir. Ayrıca, manyetik özelliklerinin odak noktasında olması sebebiyle bu malzemeler için genel olarak saf metal tozlarından hareketle ark/indüksiyon ergitme tekniği ve takibinde yapılan tavlama ( 3 – 30 gün arası) işlemi konvansiyonel üretim yöntemi olarak kullanılmaktadır. Tamamlanan tez çalışması kapsamında La1-xCexFe11,8Si1,2 nominal hedef kompozisyonunda oksalatlı ham maddelerden hareketle tek adımda Hidrojen Redüksiyon tekniğini kullanarak, konvansiyonel üretim sürecinin oluşturduğu ham madde yükü ve enerji sarfiyatının önüne geçmek amacıyla yenilikçi ve temiz üretim yöntemi geliştirilmesi ve optimizasyonu amaçlanmıştır. LaFeSi temelli manyetokalorik malzemeler için geliştirilmesi hedeflenmiş Hidrojen Redüksiyonu tekniğinin optimizasyonu ve redüksiyon parametrelerinin nihai yapıdaki özelliklerin incelenmesi için redüksiyon süresi olarak 1,2 ve 3 saat; redüksiyon sıcaklığı olarak 700oC, 800oC, 900oC ve 1000oC belirlenerek üretimler ilgili ön çalışmaların sonuçlarından hareketle (başlangıç malzemesi karışımının termal davranışları, oluşabilecek reaksiyonların termodinamik analizleri) gerçekleştirilmiştir. Kompozisyonun nihai özelliklere etkisi ve üretim yöntemlerinin nominal kompozisyona uygunluğunun sağlanabilmesi için La1-xCexFe11,8Si1,2 hedef bileşimi x = 0,3;0,5;0,7 stokiyometrik parametrelerde belirlenmiş olunan kritik sıcaklıklarda üretim gerçekleştirilmiştir. Elde edilen malzemelerin yapısal karakterizasyonları X – ışınları faz difraktometresi, taramalı elektron mikroskobu, enerji dispersif spektrometresi ile nihai manyetik özellikleri ise titreşimli numune manyetometresi ile analiz edilmiştir. Ayrıca kalıcı mıknatıslanmanın temelinde bulunan Neodimyum metalinin, malzemede oluşan manyetokalorik etkiyi üzerindeki varlığı, üretimi gerçekleştirilen malzemeye Nd katkılandırılması ile araştırılmıştır. Ön çalışmalar ile belirlenmiş parametreler ışığında oksalatlı ham madde karışımından Tek adımda gerçekleştirilen Hidrojen Redüksiyon tekniği sonucunda elde edilen La1-xCexFe11,8Si1,2 malzemesinin 2 saat 900oC kademeli Hidrojen Redüksiyon ile elde edilmesi amaçlanan NaZn13 tip LaFeSi temelli malzeme üretimi sağlanmış olunup, üretilen malzemenin manyetik özelliklerinin Nd eklenmesi ile arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca elde edilen manyetik analiz sonuçlarına Maxwell Eşitlikleri uygulanmış ve elde edilen nihai toz malzemelerin manyetokalorik özellikleri incelenmiştir.