LEE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19374

Gözat

AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg basınçlı alüminyum döküm alaşımlarına bor ve stronsiyum ilavesinin Cr3+ dönüşüm kaplaması sonrası korozyon direncine etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Savaşkan, Berkay ; Keleş, Özgül ; 769849 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı

Alüminyum döküm alaşımları; sahip oldukları yüksek spesifik mukavemet, yüksek termal & elektrik iletkenlik ve iyi korozyon direnci özellikleri sayesinde başta havacılık & savunma ve otomotiv sektörü olmak üzere sıkça tercih edilen malzemelerdendir. Metallerin ve alaşımların, yüksek korozyon direncine sahip olması ve korozyona maruz kalmadan uzun süre kullanılabilir olması, endüstride orijinal ekipman üreticileri (OEM) tarafından istenilen özelliklerin başında gelmektedir. Alüminyum döküm alaşımları, başta yüksek dökülebilirlik, işlenebilirlik ve iyileştirilebilir korozyon direnci özellikleri sayesinde otomotiv sektöründe çeşitli uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe en yaygın kullanılan alüminyum alaşımları 3xx (Al-Si-Mg/Cu) ve 4xx (Al-Si) alaşımlarıdır. Bu alaşımların şekillendirilmesinde kullanılan yüksek basınçlı döküm teknolojisi başta gelen önemli yöntemlerden biridir. 3xx alüminyum alaşımlarının korozyon direnci, kimyasal bileşimlerine göre –özellikle içerdikleri bakır (Cu) elementinin oranına bağlı olarak- değişkenlik gösterebilmektedir. Bu nedenle, otomotiv sektöründe yüksek basınçlı döküm yöntemiyle üretilen alüminyum döküm alaşımlarına müşteri istekleri doğrultusunda korozyon direncini artırıcı Cr3+ dönüşüm kaplaması (TCP) uygulanabilmektedir; ancak bu kaplama, bakır oranı göreceli yüksek alaşımlarda düşük alaşımlara göre korozyon direnci yönünden olumsuz sonuçlar verebilmektedir. Bu çalışmada, Cu elementinin oluşturduğu mikrogalvanik korozyonun olumsuz etkilerini azaltmak ve daha yüksek korozyon direnci elde edebilmek için göreceli yüksek bakır oranına sahip (ağ. %2,5) AlSi9Cu3 (EN AC 46000) ve göreceli düşük bakır oranına sahip (ağ. %0,1) AlSi10Mg (EN AC 43400) alüminyum döküm alaşımlarına tane inceltici özellikli bor (B) içeren AlB3 ön alaşımı ve ötektik modifiye edici stronsiyum (Sr) esaslı AlSr15 ön alaşımı ilavesi yapılmıştır. Alaşımlara yapılan bu ilaveler ile hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrası korozyon direnci özelliklerinde iyileşme amaçlanmıştır. Özellikle, aynı miktardaki bakırın mikroyapıya homojen dağılımı ile AlSi9Cu3 alaşımının TCP kaplaması sonrasında korozyon direncinde artış öngörülmüştür. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg ön alaşım ilaveli numunelerine yağ alma & asit ile aşındırma ön işlemleri sonrasında TCP kaplaması uygulanmıştır. Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile şekillendirilen AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının optik mikroskop ile metalografik, Taramalı Eletron Mikroskobu (SEM) ile morfolojik ve EDS-Haritalama (Enerji Dispersiv X-Ray Spektroskopisi Haritalama) analizleri ile malzeme karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Malzemenin mikroyapısında yapılan değişikliklerin korozyon direnci üzerindeki etkilerinin incelenmesi için hem döküm numunelere hem de TCP kaplanmış numunelere Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ve Tafel deneyleri uygulanmıştır. CV analizi; AlSi9Cu3 için döküm sonrası, her iki alaşım içinse TCP kaplama ön işlemleri sonrası uygulanmıştır. Numunelerin uzun dönem korozyon dirençleri tuz testi ile ölçülmüştür. Metalografik ve morfolojik malzeme karakterizasyonları sonucunda AlB3 ön alaşımının mikroyapı üzerindeki olumlu etkileri görülmüştür. AlB3 ön alaşımı kullanılan numunelerde daha ince taneler ile birlikte nispeten daha küresel ve küçük birincil α-Al fazları gözlemlenmiştir. AlSr15 ön alaşımının kullanıldığı numunelerde ise normalde iğnesel ve kaba formda bulunan Al-Si ötektik fazları Sr elemtinin etkisiyle incelerek lifsi formda oluşmuştur. AlSi9Cu3 ön alaşım ilavesiz ve ön alaşım ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarlarının hesaplanabilmesi için Çevrimsel Voltametri (CV) analizleri gerçekleştirilmiş ve bakır elementinin Cu(0)' dan Cu(I)' yükseltgenme reaksiyonu sonucu ~ -0.1 V değerinde pik elde edilmiştir. Elde edilen pikin şiddeti yeterli olmadığı için yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. Hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrasında uygulanan EIS ve Tafel deneyleri sonuçlarına göre, AlSi9Cu3 alaşımının (Cu: % 2,5) korozyon direncinin (korozyon akımı, icorr: 2,192 / 0,291 μA/cm2) AlSi10Mg alaşımının (Cu: % 0,1) korozyon direncinden (icorr: 0,715 / 0,019 μA/cm2) daha düşük olduğu bulunmuştur. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının korozyon dirençlerindeki bu farklılığın, içerdikleri bakır oranlarından kaynaklandığı gözlemlenmiştir. AlSi9Cu3 alaşımı B + Sr ilaveli numunenin korozyon direnci, ön alaşım ilavesiz numuneye göre EIS (Polarizasyon direnci, Rp, EIS: 4,16 kΩ / 3,64 kΩ) ,Tafel (Rp, EIS: 4,53 kΩ / 3,31 kΩ & İcorr: 2,192 μA/cm2 /1,585 μA/cm2) ve tuz testi (ağırlık değişimi: 0,007 g/cm2 / 0,008 g/cm2) sonucunda daha yüksek bulunmuştur. AlSi9Cu3 AlB3 + AlSr15 ilaveli numunede, tane inceltme ve ötektik modifikasyon sonucunda daha küçük ve çok sayıdaki mikrogalvanik hücrenin oluştuğu ve böylece numune korozyon direncini azalttığı düşünülmektedir. Buna ek olarak, AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin döküm yüzeye sahip numunelerin Tafel analizi sonrası mikroyapısı incelendiğinde çamursu fazlarının (sludge) oyuk oluşumunu engellediği görülmüştür. Tane inceltmenin etkisiyle AlB3 ilaveli numunelerde çamursu fazların daha küçük ve fazla olduğu; bu nedenle AlB3 ilaveli numunelerinin korozyon dirençleri diğer ön alaşım ilaveli numunelere göre daha yüksek olabileceği düşünülmüştür. AlSi10Mg alaşımı için; ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri birbirine yakın değerlerde bulunmuş ve numunelerin korozyon dirençleri arasında fark görülmemiştir. AlSi10Mg alaşımı AlSr15 ilaveli numunenin korozyon direnci ise diğer üç numunenin korozyon direncinden düşük bulunmuştur. Sr elementinin ötektik fazın yüzey alanını artırdığı faz analizi sonucunda görülmüştür. Bakır oranı az AlSi10Mg alaşımının temel korozyon mekanizması birincil α-Al ve Al-Si ötektik fazı arasında gerçekleşmiştir. Bu sebeple artan ötektik faz korozyon direnci AlSi10Mg alaşımı üzerinde olumsuz etki oluşturmuştur. AlSi9Cu3 (Cu: %2.4) numunelerine uygulanan CV deneylerinde, saf bakıra oranla ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli, AlSr15 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarları sırasıyla %32,1 %66,9 %39,9 %64,1 olarak bulunmuştur. AlSi9Cu3 alaşımında AlB3 ilavesi ile tane inceltme sonucunda numune mikroyapısında tane boyutu küçülmüş ve daha küçük ve küresel şekilde α-Al fazları oluşturulmuştur. Mikroyapıdaki bu değişimin sonucunda tane sınırları artmış ve tane sınırlarında oluşma eğilimi gösteren bakır içeren intermetalik fazlar mikroyapı yüzeyinde homojen bir şekilde dağılmıştır. Bu nedenle, CV analizi sonucunda AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli AlSi9Cu3 numunelerinin elektroaktif bakır miktarları ön alaşım ilavesiz ve AlSr15 ilaveli numuneden daha yüksek değerlerde bulunmuştur. AlSi10Mg (Cu: %0.1) alaşımı içerdiği düşük bakır nedeniyle CV analizi sonucunda herhangi bir pik elde edilememiş ve yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. TCP kaplanmış AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyi sonuçları incelendiğinde, AlB3 ilaveli numunenin korozyon direncinin diğer numunelerden daha yüksek değerde olduğu görülmüştür. AlSi9Cu3 alaşımı AlB3 ilaveli ve ön alaşım ilavesiz numunelerinin EIS deneyi sonucunda yük transfer dirençleri sırasıyla 295,8 kΩ ve 57,51 kΩ, Tafel deneyi sonucunda korozyon akımları sırasıyla 0,053 μA/cm2 ve 0,291 μA/cm2 olarak hesaplanmıştır. Uygulanan CV analizleri sonucunda AlB3 ilaveli AlSi9Cu3 alaşımı numunesinin yüzeyinde saf bakıra göre %66,9 oranında elektroaktif bakır bulunduğu tespit edilmiştir. Asit ile aşındırma sonrası, yüzeyde α-Al çözünmesi sonucunda geriye kalan bakır elementleri üzerinde / yakınında TCP kaplama oluşumunun başladığı öngörülmektedir. TCP kaplanmış AlSi10Mg alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyleri ve tuz testi sonuçlarına göre AlSr15 ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri ön alaşım ilavesiz ve AlB3 ilaveli numunelerden daha yüksek bulunmuştur. AlSr15 ve AlB3+ AlSr15 ilaveli numunelerde artan ötektik faz ve tane inceltmenin etkisiyle, anodik α-Al fazının, daha katodik fazlar (silisyum ve intermetalikler) ile etkileşim yüzeyi artmıştır. TCP kaplaması ön işlemlerinde bu etkileşim yüzeylerinin çözünmesi (korozyona uğraması) sonucunda numunenin yüzey pürüzlülüğü artmış ve bu alanların üzerinde daha homojen ve tutunan bir TCP kaplaması oluşmuş ve böylece korozyon direnci artmıştır. Sonuç olarak; yapılan çalışma kapsamında AlSi9Cu3 alaşımı yüzeyindeki bakır içeren intermetaliklerin daha küçük ve homojen şekilde yüzeye dağıtmak ve daha küçük mikrogalvanik korozyon hücreleri oluşturarak TCP kaplama sonrası korozyon direncini artırmak amaçlanmıştır. AlSi9Cu3 alaşımına AlB3 ön alaşımı ilavesiyle yüzey elektroaktif bakır miktarının arttığı CV analizleri ile görülmüş ve TCP kaplama sonrasında elde edilen korozyon direncinin ön alaşım ilavesiz numuneye göre korozyon akımının yaklaşık 5,5 kat azaldığı (AlB3 ilaveli: 0,053 μA/cm2 ve normal: 0,291 μA/cm2) ve yük transfer direncinin ise (295,8 kΩ & 57,51 kΩ) yaklaşık 5 kat daha fazla olduğu görülmüştür.
Attempts to re-evaluate waste thermoplastic polyurethane (TPU)

(Graduate School, 2025-01-16) Yanık, Simay ; Nofar, Mohammadreza ; 521211022 ; Materials Science and Engineering

Polymers' excellent mechanical and thermal qualities, lightweight nature, and economical manufacturing have made them essential materials in many different sectors. However, there are major environmental issues with waste management and large-scale polymer production, which highlights the need for sustainable recycling solutions. Thermoplastic polyurethanes (TPUs), which are widely used in industries including consumer goods, automotive, and medicine, are known for their flexibility, toughness, and chemical resistance. In order to encourage sustainable material development, this study aims to enhance the revaluation of TPU waste through chemical modification and blending procedures. The environmental problems caused by polymeric waste are highlighted in this study of the literature, especially in the case of TPU, which has been widely used in the consumer goods, automotive, and medical sectors. TPU is a good option for recycling because of its thermoplastic characteristics, mechanical strength, and durability. However, the process is made more difficult by its structural complexity and the presence of additives. Studies has investigated polymer blending and chemical modification as approaches to enhance the properties of TPU and make recycling less challenging. The rheological, mechanical, and thermal properties of TPU are enhanced via chemical modification. Through a variety of processes, additives such diisocyanates (polymerized-methylene diphenyl diisocyanate (PMDI), and hexamethylene diisocyanate (HDI)), Joncryl ADR 4468, pyromellitic dianhydride (PMDA), and other different additives have an impact on the properties of TPU. Waste of TPU could also have effectively revaluate through blending it with polymers including polylactic acid (PLA), polyamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), and polybutylene terephthalate (PBT). This method improves mechanical properties including toughness, flexibility, and impact resistance while addressing PLA's shortcomings, such as brittleness, low melt strength, and slow degradation. However, compatibility problems with PLA/TPU blends can result in phase separation as well as limitations. Compatibilizers such as Joncryl optimize mechanical and thermal qualities by enhancing phase compatibility and blend morphology. The objective of this thesis is to develop sustainable materials with improved mechanical, thermal, morphological, and rheological properties by improving the reutilization of TPU waste through chemical modification and blending techniques. Due to TPU's great resistance to degradation and growing environmental concerns about its recycling and disposal, improved methods are required to increase its reusability. Through the chemical modification of TPU with different additives and also blending the waste TPU with biodegradable polymers like PLA, this work aims to address these problems. The experimental process has been divided into two parts: the chemical modification and blending. TPU wastes have been melt processed with additives (PMDI, HDI, Joncryl ADR 4468, and PMDA) at 0.5% and 1% by weight for five minutes at 200°C and 100 rpm in an internal melt mixer. Rheological, mechanical, thermal, and properties of the samples were determined using small amplitude oscillatory shear (SAOS) rheometer, tensile and hardness tests, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), and gel permeation chromatography (GPC). PLA/TPU blends were made with 20% waste TPU and 80% PLA in a twin screw extruder. Joncryl was utilized as a compatibilizer in certain samples. Mechanical, thermal, and morphological properties of the samples were investigated using tensile, impact, and hardness tests, DSC, TGA, and scanning electron microscopy (SEM). Chemical modification study findings shown significant increases in TPU properties depending on the type and concentration of additions. particularly when diisocyanates are incorporated, resulting in improved mechanical performance (tensile strength and elongation at break) and melt strength (complex viscosity) while preserving thermal stability. However, PMDA-modified TPU resulted in lower mechanical performance because to hydrolysis-induced degradation. This finding highlights the potential of the modifications to enhance material performance without compromising its fundamental characteristics. Experiments carried out in the second stage of the study indicated that, the use of waste TPU contributed to improving the disadvantageous properties of PLA. Based on the results of various mechanical analyses, the structure obtained by blending PLA and TPU exhibited a decrease in tensile strength due to the immiscibility between PLA and TPU. However, the presence of TPU led to a more ductile structure, reflected by an increase in elongation at break values, while hardness values decreased. Additionally, TPU enhanced the impact resistance properties of PLA. The incorporation of Joncryl ADR 4468 as a compatibilizer improved phase compatibility, thereby enhancing the mechanical properties. Blend structure created by pre-blending TPU with Joncryl (PLA/(TPU/J)*) resulted in only a slight increase in tensile strength and modulus values. SEM analysis revealed that phase separation occurred due to the immiscibility of PLA and TPU, with TPU appearing as droplets inside the PLA matrix. The addition of Joncryl increased phase compatibility, resulting in finer and more uniform microstructures by interacting with PLA and TPU to lower interfacial tension and increase viscosity by branching in the PLA matrix. Stronger interphase bonding and a more stable structure were confirmed in PLA/(TPU/J)* blends. The microstructure was further improved by pre-blending TPU with Joncryl, which improved its dispersion inside the blend. The presence of TPU improved PLA's thermal stability and processability by increasing the degree of crystallization while decreasing its total crystallinity, according to thermal analysis. Tg of PLA was lowered by TPU's plasticizing effect, which may reduce brittleness. Joncryl enhances the overall performance of the blend and increases the maximum degradation temperatures, especially when blended with TPU before that, which greatly increases thermal stability. This study emphasizes the possibilities of chemical modification and blending methods for tackling TPU waste recycling concerns. While the incorporation of additives enhances the rheological and mechanical property of TPU, blending it with PLA tackles PLA's limitations, and the two methods promote the revaluation of waste TPU. The findings emphasize the importance of optimizing process parameters, selecting suitable materials, and evaluating alternating additives for enhanced performance. These efforts contribute to the development of sustainable materials, reduction of polymer waste, and promotion of a circular economy.
Atık tetra pak aseptik ambalajlarından karton, düşük yoğunluklu polietilen, alüminyum bileşenlerinin geri kazanımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-01-20) Baltacı, Ilgım ; Yücel, Onuralp ; 521191017 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Bu tez çalışmasının amacı, dünyada oldukça yaygın olarak kullanılan çok katmanlı ve multi-materyal yapıya sahip gıda ambalajı Tetra Pak Aseptik kutuları oluşturan karton, düşük yoğunluklu polietilen ve alüminyum malzemelerinin birbirinden ayrıştırılması, ayrıştırmanın verimi ve geri kazanım yöntemlerinin araştırılmasıdır. Çalışma konusu kapsamında, hidropülp methodu ile Tetra Pak ambalajından selüloz kısmı ayrıştırılmıştır. Selüloz ayrıştırıldıktan sonra geride kalan PEAl fraksiyonundaki PE ve Al fazlarının birbirinden ayrılması için hidrometalürjik ve pirometalurjik deneyler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen fraksiyonların karakterizasyonu için FTIR analizi, yüksek sıcaklık altındaki davranışlarını incelemek için TGA ve DTA yapılmıştır. Yapılan deneylerin sonuçları değerlendirilmiş ve alternatif yöntemler incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanmak amacıyla, ev içi tüketim sonrası ortaya çıkan (evsel atık) Tetra Pak aseptik ambalaj atıkları toplanmıştır. Toplanan bu atıklara hidropülp deneyleri, hidrometalürjik ve pirometalürjik metotlar uygulanmıştır. Ek olarak, Kahramanmaraş Kağıt Sanayi tarafından gönderilen endüstriyel hidropülp uygulanarak içerdiği selüloz ayrılmış ve parçalanmış PEAl fraksiyonu bu çalışmanın hidrometalurji ve pirometalurji deneylerinde hammadde olarak kullanılmıştır. Deneysel çalışmaların ilk aşamasında, Tetra Pak ambalaj atıkları temizlenip küçük parçalara ayrılarak belirli süre suda bekletilerek işlenmeye hazır hale getirilmiştir. Belirli sıcaklıkta su, deney süresi ve öğütme hızı altında yapılan blending işlemi ile ambalaj atığının öğütülmüş yığını elde edilmiştir. Daha sonra yaş eleme sistemiyle belirli aralıklarda elekler kullanılarak karton lapası, PEAl ile karton lapası karışımı ve PEAl fazlarının ayrı ayrı elde edilmesi sağlanmıştır. Fazların kurutulması ile hidropülp işlemi tamamlanmış, selüloz (karton), yanı sıra düşük yoğunluklu polietilen-alüminyum (PEAl) fazları ayrı ayrı elde edilmiştir. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında hidrometalurjik deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda TS 886'ya uygun bitkisel yağ içerisinde PE ve Al katmanlarının birbirinden ayrılması işlemi üzerine çalışılmıştır. Deneyler manyetik karıştırıcılı ısıtıcı kullanılarak yapılmış olup farklı sıcaklıklarda, sürelerde ve karıştırma hızlarında LDPE ve Al katmanlarının birbirinden ayrılma performansı incelenmiştir. Deneyler sonucunda LDPE ve Al bileşenlerinin ayrılma durumuna göre en verimli deney parametreleri saptanmıştır. Artan sıcaklık ve sürenin katmanların birbirinden ayrılmasına olumlu etki ettiği gözlenmiştir. Çözücü olarak yağ kullanıldığı için sıcaklık belli bir değere kadar yükseltilmiştir. Deneysel çalışmaların üçüncü aşamasında piroliz yöntemi uygulanmıştır. Hidrometalurjik yönteme alternatif olarak, yüksek sıcaklıkta polietilenin buharlaştırılması ile Al metal fazı elde edilmesi amaçlanmıştır. 2 ayrı piroliz çalışması yapılmıştır, ilkinde açık atmosfer altında sıcaklık (400, 500, 600°C) ve sürenin (2, 3, 4 h) çeşitli kombinasyonları ile ilerletilmiştir. İkinci piroliz çalışmasında PEAl nikel tepsiye yerleştirilerek kül fırınına çeşitli sıcak ve süre kombinasyonları altında içerdiği LDPE'nin buharlaşması sağlanmıştır. Her iki metodolojinin (hidrometalurjik ve pirometalurjik) son ürünü olan ayrılmış fraksiyonlar (LDPE ve Al) XRF, XRD ve FT-IR yöntemleri ile karakterize edilmiş, termogravimetrik davranışları TGA, DTA ile incelenmiş ve geri kazanım verimlerine etki eden unsurlar incelenmiştir. Tetra Pak aseptik ambalaj atıklarının içerdiği selülozik kısım hidropülp işlemi ile verimli bir şekilde PEAl katmanlarından ayrılmıştır. Hidropülp işleminin ardından elde edilen PEAl fraksiyonunu oluşturan LDPE ve Al malzemelerini birbirinden ayırmak için hidrometalurjik çalışmalar yapılmıştır. Bu metotta PEAl parçaları 140ºC, 100 rpm karıştırma hızında ayçiçek yağında deneye alınmıştır. İşlem sonucunda Al fazında yüksek miktarda LDPE içeriğine rastlanmıştır. Hidrometalurjik yola alternatif olarak yapılan piroliz deneylerinde 400, 500 ve 600°C sıcaklıkların her birinde numuneler 2,3 ve 4 saat açık atmosferde yüksek sıcaklıkta bekletilmiştir. Bu işlem sonucunda LDPE'nin Al'den uzaklaştırılması başarıyla sonuçlanmış ve bunun için optimum koşullar 500°C'de 3 saat olarak belirlenmiştir.
B4C-ZrB2 kompozitlerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-27) Yanmaz, Leyla ; Şahin Çınar, Filiz ; 521162005 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Bor karbür (B4C), düşük yoğunluğu, yüksek sertliği, yüksek kimyasal kararlılığı, yüksek aşınma direnci ve yüksek nötron absorplama kabiliyeti nedeniyle balistik zırh malzemelerinde, kesici ve aşındırıcı takımlarda, kumlama nozüllerinde, nükleer reaktörlerde kontrol çubuğu ve nötron zırhlama malzemesi olarak yaygın olarak kullanılan önemli bir yapısal seramiktir. Bor karbürün tüm bu üstün özelliklerine rağmen, kırılma tokluğunun düşük olması ve yüksek yoğunluklara sinterlenmesi zor bir malzeme olması, kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi, tek eksenli basınç ve darbeli doğru akımın uygulandığı, malzemelerin düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde sinterlenmesine olanak sağlayan bir sinterleme yöntemidir. Son yıllarda, özellikle B4C gibi sinterlenmesi zor seramik malzemelerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bor karbürün sinterlenmesini geliştirmek ve kırılma tokluğunu iyileştirmek için çeşitli metalik, oksit, karbür, borür ve nitrür katkı malzemeleri kullanılmaktadır. Zirkonyum diborür (ZrB2), yüksek ergime noktası, yüksel elektriksel iletkenliği, yüksek termal iletkenliği ve korozyon dayanımı gibi özelliklere sahip bir ultra yüksek sıcaklık seramik malzemesidir. Bu tez çalışmasında nükleer uygulamalarda termal nötron, gama-ışını ve x-ışını radyasyonlarının zırhlanmasında kullanılması hedeflenen B4C-ZrB2 kompozitleri spark plazma sinterleme yöntemi ile üretilmiştir. ZrB2 katkısının malzemenin yoğunluğu, mikroyapısı, mekanik ve radyasyon zırhlama özellikleri üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Üretilen malzemelerin; faz analizleri x-ışını difraktometresi (XRD) ile, yoğunluk değerleri Arşimet prensibiyle, Vickers sertlik ve indentasyon kırılma tokluğu değerleri Vickers indentasyon yöntemiyle, mikroyapı analizleri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin termal nötron zırhlama özellikleri nötron transmisyon tekniği, gama-ışını zırhlama özellikleri gama transmisyon tekniği ve x-ışını zırhlama özellikleri x-ışını transmisyon tekniği kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, hacimce % 5, 10, 15 ve 20 ZrB2 içeren 50 mm çapında, 5 mm kalınlığında dairesel geometride B4C-ZrB2 kompozitleri SPS ile üretilerek, kompozitlerin yoğunlaşma davranışları, mekanik özellikleri ve mikroyapı özellikleri incelenmiştir. SPS parametrelerinin optimizasyonu için farklı sıcaklık ve basınçlarda gerçekleştirilen deneyler sonrası dairesel geometrideki kompozitler için üretim parametreleri; sinterleme sıcaklığı 1650°C, ısıtma hızı 100°C/dk, basınç 60 MPa, olarak belirlenmiş ve tüm kompozitler 5 dakika süreyle vakum atmosferinde spark plazma sinterlenmiştir. Dairesel geometrideki B4C-ZrB2 kompozitlerinin yoğunluk değerleri monolitik B4C'ye göre artmış olup tüm kompozitler için %98'in üzerinde relatif yoğunluğa ulaşılmıştır. Elde edilen yoğunluk değerleri mikroyapı analiziyle desteklenmiş ve yapıdaki por miktarının azaldığı tespit edilmiştir. Kompozitlerin sertlik ve kırılma tokluğu değerleri artan ZrB2 miktarıyla monolitik B4C'ye kıyasla yükselmiştir. Ancak, %20 ZrB2 katkısıyla kırılma tokluğunun azalma trendine girdiği belirlenmiştir. Deneysel çalışmaların ikinci bölümünde, hacimce % 5, 10, 15 ve 20 ZrB2 içeren, endüstriyel kullanıma yönelik, 50x50 mm boyutlarında, 5 mm kalınlığında kare geometride B4C-ZrB2 kompozitleri SPS ile üretilerek, kompozitlerin yoğunlaşma davranışları, mekanik özellikleri ve mikroyapı özellikleri incelenmiştir. Kare geometride malzemelerin merkez, kenar ve köşesinden yapılan yoğunluk ölçümleri ve mikroyapı analizleriyle malzemelerin homojenliği incelenmiştir. Kare geometrideki kompozitler 1540°C'de, 100°C/dk ısıtma hızıyla, 50 MPa basınç altında 7 dakika süreyle vakum atmosferinde spark plazma sinterlenmiştir. %15 ZrB2 katkılı kompozitte merkez, kenar ve köşe homojenliği elde edebilmek adına aynı parametrelerde farklı sinterleme sürelerinde ( 9, 12 ve 20 dk.) deneyler yapılmıştır. Kare geometrideki numuneler için, merkez yoğunluk değerlerinin kenar ve köşe yoğunluk değerlerinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Artan ZrB2 miktarıyla merkez, kenar ve köşe yoğunluklarının arttığı belirlenmiştir. %15 ve %20 ZrB2 katkısıyla %97 üzerinde relatif yoğunluğa ulaşılmıştır. Kompozitlerin merkez, kenar ve köşe bölgelerinde yoğunluk ve mikroyapı özellikleri bakımından homojenlik sağlanması için, optimum katkı miktarı olarak belirlenen %15 ZrB2 katkılı numunelerde artan sinterleme süresiyle malzemenin homojenliğinin arttığı tespit edilmiştir. 20 dakika süreyle sinterlenen B4C-%15 ZrB2 kompozitinde kenar ve köşe yoğunluk değerleri %98'in üzerine yükselmiş olup, daha homojen bir malzeme elde edilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde yapıda bulunan por miktarlarıyla yoğunluk değerlerinin uyumlu olduğu ve artan relatif yoğunlukla por miktarının azaldığı tespit edilmiştir. Kare geometrideki kompozitlerin sertlik değerleri incelendiğinde, B4C-ZrB2 kompozitlerinin sertlik değerlerinin, artan ZrB2 miktarıyla monolitik B4C'ye göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Monolitik B4C'nin sertlik değeri 21,90 GPa iken, B4C-ZrB2 kompozitlerinin sertlik değerlerinin 27,64 ile 33,08 GPa arasında değiştiği saptanmıştır. Kare geometrideki kompozitlerin kırılma tokluğu değerleri 3,75 ile 3,82 GPa arasında değişmekte olup, artan ZrB2 miktarıyla kırılma tokluğu değerlerinde büyük bir değişime neden olmadığı gözlemlenmiştir. Monolitik B4C'nin kırılma tokluğu değeri malzemenin düşük yoğunluğu nedeniyle Vickers indentasyon yöntemi ile belirlenemediği için, 4-nokta eğme düzeneği kullanılarak eğmede yüzey çatlağı methoduyla ölçülmüştür. Kıyaslama yapabilmek adına optimum katkı olarak belirlenen %15 ZrB2 katkılı kompozitin kırılma tokluğu da bu yöntemle ölçülmüştür. Kırılma tokluğu değeri, monolitik B4C için 3,03 GPa olarak belirlenmiş olup, %15 ZrB2 katkısıyla kırılma tokluğu değeri 3,63 GPa'ya yükselmiştir. ZrB2 katkısının malzemenin toklaşma mekanizması üzerindeki etkilerinin belirlenebilmesi için SEM ile mikroyapı analizi yapılmıştır. B4C-ZrB2 kompozitleri için ana toklaştırma mekanizmasının çatlak sapması olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, ZrB2 katkısının B4C'nin mekanik özelliklerini iyileştirdiği belirlenmiştir. Deneysel çalışmaların üçüncü bölümünde, hacimce % 5, 10 ve 15 ZrB2 içeren kare geometrideki kompozitlerin Pu-Be termal nötron kaynağı karşısındaki termal nötron zırhlama özellikleri, Cs-137 ve Co-60 radyoizotopları karşısındaki gama-ışını zırhlama özellikleri ve 50, 60, 70, 80 ve 90 kV tüp voltajları karşısındaki x-ışını zırhlama özellikleri incelenmiştir. Kompozitlerin termal nötron radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında termal nötronlar karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, toplam makroskopik tesir kesiti ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. B4C-ZrB2 kompozitlerinin, monolitik B4C ile kıyaslandığında, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma miktarının arttığı belirlenmiştir. Toplam makroskopik tesir kesiti monolitik B4C için 0,773 cm-1 iken, %15 ZrB2 katkısıyla 0,903 cm-1'e yükselmiştir. Malzemelerin yarı değer kalınlıkları artan ZrB2 miktarı ile azalmıştır. Monolitik B4C ve B4C- %15 ZrB2 kompoziti için yarı değer kalınlıkları sırasıyla 0,897 ve 0,767 cm olarak belirlenmiştir. Kompozitlerin gama-ışını radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında Cs-137 ve Co-60 radyoizotopu karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, lineer zayıflatma katsayısı, kütle zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. B4C-ZrB2 kompozitlerinin, monolitik B4C ile kıyaslandığında, her iki radyoizotop kaynağına karşı, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma miktarının arttığı belirlenmiştir. Kompozitlerin deneysel kütle zayıflatma katsayıları ve yarı değer kalınlıkları incelendiğinde, artan ZrB2 miktarıyla kütle zayıflatma katsayılarının ve yarı değer kalınlıklarının her iki radyoizotop için de azaldığı belirlenmiştir. Deneysel kütle zayıflatma katsayılarının, XCOM programı kullanılarak hesaplanan teorik kütle zayıflatma katsayıları değerlerine çok yakın olduğu belirlenmiştir. Cs-137 radyoizotopu karşısındaki lineer zayıflatma katsayılarının ve kütle zayıflatma katsayılarının, Co-60 radyoizotopunun daha yüksek enerjili olmasından dolayı, Co-60 radyoizotopundaki zayıflatma katsayılarına göre daha düşük olduğu, yarı değer kalınlıklarının ise daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Monolitik B4C'nin Cs-137 ve Co-60 radyoizotop kaynakları karşısındaki yarı değer kalınlıkları sırasıyla 3,821 ve 5,269 cm olarak belirlenmiştir. Yarı değer kalınlıkları hacimce %15 ZrB2 katkısıyla Cs-137 ve Co-60 radyoizotop kaynakları için sırasıyla 3,213 ve 4,374 cm'ye düştüğü belirlenmiştir. Kompozitlerin x-ışını radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında 50, 60, 70, 80 ve 90 kV tüp voltajları karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, lineer zayıflatma katsayısı, kütle zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. Kompozitlerin x-ışını radyasyonu zayıflatma eğrileri incelendiğinde uygulanan tüm tüp voltajlarında, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma oranının arttığı belirlenmiştir. Kompozitlerin lineer zayıflatma katsayıları ve kütle zayıflatma katsayıları tüm tüp voltajları karşısında artan ZrB2 miktarıyla artmıştır. Kompozitlerin yarı değer kalınlıkları ise tüm tüp voltajları karşısında artan ZrB2 miktarıyla azalmıştır. Malzemelerin radyasyon zırhlama özellikleri incelendiğinde, ZrB2 katkısının B4C'nin termal nötron zırhlama kabiliyetini bozmadan gama-ışını ve x-ışını radyasyonu zırhlama özelliklerini yüksek oranda geliştirdiği tespit edilmiştir. %15 ZrB2 katkısının en yüksek termal nötron, gama-ışını ve x-ışını radyasyonu zırhlama kabiliyetine sahip olduğu tespit edilmiştir. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, ZrB2 katkısının monolitik B4C'nin yoğunlaşmasını ve mekanik özelliklerini iyileştirdiği belirlenmiştir. Dairesel geometride elde edilen değerlerin kare geometride sürdürülebileceği tespit edilmiştir. Endüstriyel kullanıma yönelik; yüksek yoğunluklu, iyi mekanik özelliklere ve iyi termal nötron, gama-ışın
Bor karbür katkılı PMMA (polimetil metakrilat) polimerkompozitlerin ATRP metodu ile sentezi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Türkmani Tuluk, Duygu ; Arslan, Cüneyt ; 783241 ; Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı

Günümüzde ivmelenen bir hızla gelişen uzay teknolojisi beraberinde zorlu koşullara daha dayanıklı malzeme ihtiyacının doğmasına sebep olmaktadır. Bu durum uzaydaki çevre koşulları ile yakından ilgili olup yoğunluğu ve maliyeti düşük ancak mekanik, sıcaklık ve kimyasal dayanımı ayrıca kozmik radyasyonu sönümleme özellikleri yüksek alternatif malzemeleri endüstriyel ölçekte üretme hedefini zorunlu hale getirmektedir. Bu bağlamda seramik katkılı polimer matriksli kompozitler önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada seramik malzeme sınıfına dahil B4C tozu ile yaygın endüstriyel uygulama alanı bulunan Poli (metil metakrilat) (PMMA) kompozit olarak sentezlenmiştir. Çalışmanın amacı yeni nesil bu malzemenin uygulanabilirliğini karakterizasyon sonuçları ile açıklanabilen malzeme özellikleri ile desteklemektir. Bor karbür kovalent bağlı, seramik malzeme grubuna dahil mekanik dayanımı oldukça yüksek bir bileşiktir. Poli (metil metakrilat) (PMMA) ise polimer malzeme grubundan termoplastik polimerler sınıfına dahil olan yüksek mukavemet ve ısı direnci özellikleri gösteren bir malzemedir. B4C 4 adet bor ve 1 adet karbon atomundan oluşması nedeniyle kimyasal bağları hayli güçlüdür. Bor ve Karbon atomlarının yarıçapları birbirine çok yakın olduğundan elektronegativite değerleri de birbirine oldukça benzer olup bu iki atomun bir araya gelerek bileşik yapması çok yüksek enerji ve sıcaklık ihtiyacının karşılanmasını gerektirmektedir. Günümüz koşullarında B4C üretimi esnasındaki yüksek enerji ve sıcaklık ihtiyacı sebebiyle B4C tozu yüksek maliyetli ürün sınıfına girmektedir. B4C yüksek mukavemeti ve düşük yoğunluğu sayesinde personel zırhlarında, zırhlı taktik araçlarda, yüksek sıcaklık dayanımı ve yüksek sıcaklıkta artan elektrik iletkenliği sayesinde elektronik cihazlardaki kaplamalarda, Bor elementinin doğal nötron absorblama özelliği sebebiyle nükleer alanda radyasyon zırhlama ve tıp alanında bor nötron yakalama terapisinde kullanılmaktadır. Bu çalışmada farklı partikül boyutuna sahip 3 çeşit B4C tozu sentez parametrelerine ve kompozit içerisine katkılanma miktarlarına göre incelenmiş ve farklı partikül boyutuna sahip B4C tozu ailesinin ürün sentezine etkileri farklı karakterizasyon yöntemleri ile kıyaslanmıştır. PMMA ise yüksek optik geçirgenlik özelliği sebebiyle camsı akrilat olarak da adlandırılmaktadır. PMMA, mor ötesi ışınlara ve atmosfer koşullarına karşı duyarlılık göstermesi sebebiyle esnek cam üretimi, gıda sanayi, sağlık uygulamaları, otomotiv ve uçak sanayinde, mor ötesi ışın ve radyasyon zırhlama uygulamalarında kullanılmakta olup kullanım alanları yaygınlaştırılmaya çalışılmaktadır. Bu amaç ile PMMA içerisine farklı metal, nanomalzeme veya seramiklerin eklenmesi sonrası PMMA matriksli kompozitler üretilmeye çalışılmaktadır. Bu tez çalışması boyunca B4C, PMMA polimer yapısına katkı malzemesi olarak farklı oranlarda eklenmiş ve kompozit sentezlenmeye çalışılmıştır. PMMA ise üretilen kompozitlerin matriksi olup, B4C katkısı sonrası kompozit yapının değişen özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla kompozitlerin mekanik, yüzey ve sıcaklık dayanımı özellikleri çeşitli karakterizasyon yöntemleri ile incelenip B4C katkısının etkileri analiz edilmiştir. Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) yöntemi kullanılarak sentezlenen kompozitlerin iç yapılarının, bağlarının ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla X-ışınları Difraksiyon (XRD) analizi, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometresi (FTIR), Raman, Termal Gravimetri (TGA) ve Pozitron Yokolma Ömrü Spektrometresi (PALS) analizleri yapılmıştır. Üretilen kompozitlerin yüzey özelliklerinin tespit edilmesi amacıyla Stereomikroskop ve SEM görüntüleri alınmış ve temas açısı ölçümü ile kompozit yüzeylerinin hidrofilik veya hidrofobik özellikte olup olmadığı incelenmiştir. Sertlik ölçümü yapılarak kompozitlerin mekanik dayanım değerleri kıyaslanmıştır. Kütlece farklı miktarlarda B4C takviye edilen bu çalışmada, en büyük partikül boyutuna sahip B4C tozu B4C-1 olarak, en küçük partikül boyutuna sahip B4C tozu ise B4C-3 olarak isimlendirilmiştir. İkisi arasında kalan B4C tozu ise B4C-2 olarak adlandırılmıştır. PMMA matrisine B4C-1 katkısı kütlece %35, %38, %40, %50 ve %60 oranında B4C-2 katkısı %40 ve %50, B4C-3 katkısı ise %15, %18 ve %50 oranlarında eklenmiştir. Partikül boyutu küçüldükçe PMMA matrisine B4C katkısı eklemenin zorlaştığı ve katkı başarısının düştüğü görülmüştür. Partikül boyutu en büyük olan B4C-1 ise çeşitli oranlarda ve çok daha kısa sürelerde PMMA matrisine ilave edilebilmiştir. Karakterizasyon sonuçlarından sertlik sonuçu baz alındığında mekanik dayanımı en yüksek kompozitin %35 B4C-1 katkısı yapılarak sentezlendiği ve B4C-1 katkısı artırıldıkça mekanik dayanımın düştüğü görülmüştür. Bu duruma Stereomikroskop ve SEM ile alınan görüntülerden anlaşılan topaklanmanın sebep olduğu düşünülmektedir. B4C-1 katkısı artıkça topaklaşma artmıştır, buna ek olarak B4C-1'e göre daha düşük partikül boyutuna sahip B4C-2 tozundan kütlece aynı miktarda eklendiğinde, B4C-1 içeren yapının daha çok topaklandığı Stereomikroskop görüntülerinden anlaşılmaktadır. Benzer topaklaşma mikroyapısına sahip %35 B4C-1 katkılı kompozit ile %50 B4C-2'nin sertlik sonuçlarının çok yakın olmasının mikroyapı kaynaklı olduğu düşünülmektedir. Topaklaşma ile B4C etkisi azalmış ve daha heterojen bir mikroyapı elde edilmiştir. Daha büyük partikül boyutlu B4C-1'den B4C-2'ye göre daha az miktarda eklenerek aynı mekanik dayanımın elde edildiği anlaşılmaktadır. Temas açısı ölçümü yapılarak B4C-1 katkısı kompozit içerisinde artıkça kompozit yüzeyinde su damlacıklarının yayılmadığı daha da hidrofobik yüzeylerin oluştuğu fark edilmiştir. Ayrıca aynı katkı miktarına sahip %50 B4C-1 ve %50 B4C-2 tozlarından partikül boyutu daha büyük olan B4C-1'in stereomikroskop görüntülerinde görülen daha fazla topaklaşma gene numune yüzeyinin daha fazla hidrofobikleşmesine sebep olmuştur.Yapılan XRD, FTIR ve Raman analizlerinde ise B4C-1 ve B4C-2 katkılı kompozitlerde PMMA ve B4C pikleri B4C-3 katkılı kompozitlere göre daha yüksek şiddette ve belirgin olarak görülmekte olup bu sebeple partikül boyutu düştükçe zorlaşan kompozit sentezinin safsızlık veya reaksiyonun veriminden olumsuz etkilendiği tahmin edilmektedir. Yapılan TGA analizinde ise %50 B4C-1 içeren kompozit benzer katkı oranlarına sahip daha düşük partikül boyutlu B4C-2 ve B4C-3 katkılı kompozitlere göre daha fazla kütle kaybı yaşamış ve sıcaklık dayanımının daha düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla daha küçük partikül boyutuna sahip B4C çeşitlerinin sıcaklık dayanımını daha fazla geliştirdiği anlaşılmıştır. PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) diğer adıyla pozitron yokolma ömrü spektroskopisi ölçümü ile B4C-1 katkılı B4C/PMMA kompozitlerinin sıcaklığa bağlı pozitronyumun ömrü artış göstermiş ve böylece serbest hacim büyümesinin sıcaklığa bağlı arttığı anlaşılmıştır. B4C-2 ve B4C-3 katkılı numunelerde ise tam tersi durum tespit edilmiştir. Bu yeni Bor Karbür- PMMA kompoziti radyasyondan korunma özelliği ile uzay çalışmalarında kullanılabilecek yeni bir malzeme adayı olma potansiyelini taşımaktadır. Nano boyutlu Bor Karbür tozlarının kullanıldığı farklı çalışmalar literatürde yer almakta olup, bu çalışmada üretim maliyetini düşürmek ve endüstriyel uygulama alanını genişletmek amacıyla ortalama partikül boyutu mikron metre olan Bor karbür tozu çeşitlerinin kullanımı çalışmanın endüstriyel ölçeğe geçebilmesini sağlayabilecek faktörlerden biridir. Sentezlenen bu kompozit uzay araçlarında ve uydu yapısal malzeme çeşitlerinde radyasyon kalkanı olarak da alternatif olarak kullanıma aday bir malzeme olabilecektir.
CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) yüksek entropili alaşım sistemlerin mekanik alaşımlamasının optimizasyonu ve B4C takviyesinin spark plazma sinterleme prosesine etkisinin araştırılması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025-01-29) Çiçek, Yusuf Baran ; Göller, Gültekin ; 521211024 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Yüksek entropili alaşımlar (YEA), en az beş farklı elementin yapıya dahil olmasıyla elde edilen malzeme grubudur. Alaşım sisteminde bulunan, veya eklenecek olan her bir elementin, malzemenin belirli özelliklerini geliştirmesi beklenir. Mevcut alaşıma, çeşitli takviye malzemeleri (bor karbür, silisyum karbür vb.) veya oranı %5'ten daha az olacak şekilde minör olarak adlandırılan alaşım elementleri de eklenerek, yüksek mukavemet, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, iyi seviyede korozyon ve oksidasyon direncine sahip bir malzeme elde edilebilmektedir. Bu sayede, yüksek entropili alaşım sistemlerinin, üstün performans gerektiren çeşitli alanlara yönelik (havacılık, otomotiv vb.) geliştirilmesine devam edilmektedir. YEA sistemlerinin kendine has bazı özellikleri bulunmaktadır. Bu özellikler, dört temel etki olarak adlandırılmakta olup, yüksek entropi etkisi, yüksek latis distorsiyonu, yavaş difüzyon etkisi ve kokteyl etkileridir. İlgili parametreler sayesinde, malzemelerin temel özellikleri ve davranışları hakkında bilgi edinilebilmektedir. YEA sistemlerinde en çok kullanılan üretim yöntemleri, genellikle üç başlık altında değerlendirilmektedir. Bu yöntemler; katı hal, sıvı hal ve gaz hal olmak üzere sınıflandırılmaktadır. Sıvı hal yöntemlerinde en çok kullanılan vakum ark ergitme prosesidir. Bu yöntemin temel sınırlaması, homojenliğin elde edilmesinin uzun vakitler gerektirmesidir. Homojenliğin sağlanması için, yöntemin birden fazla kez tekrarlanması gerekebilmektedir. Gaz hal üretim yöntemleri, genellikle YEA film kaplamaları üretiminde tercih edilmektedir. Katı hal üretim yöntemlerinde ise mekanik alaşımlama (MA) prosesi yer almaktadır. Mekanik alaşımlama prosesinde, toz, bilye ve proses kontrol maddesinin içerisinde olduğu, genellikle paslanmaz çelikten oluşan bir kap sistemi kullanılır. Yüksek enerjili değirmenlerde gerçekleştirilen proseste, çarpışmanın kuvvetiyle, toz parçacıkları plastik olarak deforme olur ve deformasyon sertleşmesine uğrayıp ile parçacıkların kırılması sağlanır. MA sayesinde, vakum ark ergitme yönteminin sınırlamalarından olan homojen mikroyapı iyi bir şekilde elde edilebilmektedir. Malzemede istenen yoğunluğun elde edilebilmesi için, MA işlemini takiben spark plazma sinterleme ile malzemeler şekillendirilerek, yüksek yoğunluk değerleri elde edilebilmektedir. SPS işlemi, düşük voltajlı, doğru akımlı, darbeli akımla aktive edilen bir basınçlı sinterleme tekniği olarak da bilinir ve yüksek sıcaklıklarda bile malzemelerin çok kısa sürelerde sinterlenip, yoğunlaştırılması sağlanır. YEA sistemlerine takviye malzemesi olarak eklenebilen, bor karbür (B4C), elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert üçüncü malzemedir. Bor karbür, düşük yoğunluğu (2,52 g/cm3), yüksek sertliği (29.1 GPa), yüksek ergime sıcaklığı (2450°C), yüksek elastik modülü (448 GPa), yüksek nötron emilim kesiti (600 barns) ve mükemmel termoelektrik gibi birçok çekici kombinasyonu sebebiyle yüksek performans uygulamaları için uygun bir malzemedir. Bu kapsamda, bor karbür, nükleer endüstride, personel ve araç güvenliği için zırh, roket yakıtı vb. uygulamalarda kullanılmaktadır. Çalışma kapsamında CoCrFeNiAlx (x=0,2 0,6 1,0 1,5) yüksek entropili alaşım sistemleri, mekanik alaşımlama yöntemi ile farklı sürelerde (2, 4, 6 ve 8 saat), sabit rpm dönüş hızında (800) üretilmiştir. Üretilen toz alaşımının partikül boyut dağılımları belirlenmiş ve X-ışını difraktormetre analizi (XRD) ile faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminden önce, ThermoCalc yazılım programında yapıda hangi fazların oluşabileceğine ilişkin faz tahmin analizi gerçekleştirilmiştir. MA yöntemiyle üretilen toz alaşımlarının şekillendirilmesi için spark plazma sinterleme (SPS) prosesi gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminde başlangıç tozu olarak 20 saat 300 rpm hızında öğütülmüş CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri kullanılmıştır. Bor karbür takviyeli alaşım sistemlerinde, sinterleme işleminden önce, öğütülmüş YEA tozları ve bor karbürün daha iyi homojen dağılımı için turbulada 6 saat süreyle karıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, hem takviyesiz hem de değişen oranlarda (hacimce %2 ve %4) bor karbür takviyeli CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri değişen sıcaklıklarda (845, 900, 1000°C), sabit basınçta (40 MPa) ve sabit sinterleme sıcaklığında (3 dakika) SPS yöntemiyle şekillendirilmiştir. SPS işlemlerinden sonra, malzemelerin yoğunluk ölçümleri, XRD yöntemiyle faz analizleri, taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile mikroyapı karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Mekanik testler kapsamında, malzemelerin Vickers mikrosertlik ölçümleri, aşınma ve basma testleri yapılmıştır. Malzemelerin termal davranışları hakkında bilgi sahibi olabilmek için termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel termal analiz (DTA) işlemleri gerçekleştirilmiştir. Partikül boyut analizlerinde, genellikle 2-4 saat aralığında partikül boyutlarında bir azalma görülmüştür. Burada mekanik alaşımlama mekanizmalarından kırılma, soğuk kaynağa göre daha baskındır. 4-6 saat aralığında ise partikül boyutlarında bir artış görülmüştür. Burada ise soğuk kaynağın kırılmaya göre baskın olduğu gözlemlenmiştir. En yüksek yoğunluk değeri (7,87 ± 0,012), 1000°C sıcaklık, 40 MPA basınç ve 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen CoCrFeNiAl0,2 sisteminde elde edilmiştir. Yoğunluk artışının temel sebebinin, sinterleme sıcaklığındaki artışa bağlı olarak por miktarının azalması ve alüminyum oranının düşük olmasından kaynaklandığı görülmüştür. Mekanik alaşımlanmış CoCrFeNiAlx sistemlerinin faz analizlerine bakıldığında tüm alüminyum içeriğinde, YMK ve HMK katı çözeltilerinin bir arada bulunduğu görülmüştür. Elde edilen bu sonuçların termodinamik hesaplamalarla da uyumlu olduğu görülmüştür. Sinterlenmiş numunelerin faz analizlerine bakıldığında ise, eşmolar alaşım sistemlerinin hepsinde YMK ve HMK fazları bir arada bulunurken, ek olarak alüminyum esaslı intermetalik bileşiğin ve işlemler sırasında karbon difüzyonuna bağlı olarak karbürlü yapılarının da bulunduğu görülmüştür. Eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 alaşım sistemlerinde ise ağırlıklı olarak YMK katı çözelti fazı ve karbürlü yapılar mevcuttur. Alüminyum oranının arttıkça, tek fazlı bir HMK yapısının oluşacağı bilinmektedir. Dolayısıyla eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 sisteminde alüminyum oranının düşük olmasına bağlı olarak ağırlıklı olarak YMK fazının bulunması beklenen bir durumdur. Taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile yapılan mikroyapı karakterizasyonlarıyla, X-ışını difraktormetre analizi sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. En yüksek sertlik değeri (4,76 ± 0,17 GPa), 900°C sıcaklıkta – 40 MPa basınçta – 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımında elde edilmiştir. Genel olarak, yoğunlaşmanın daha iyi olduğu sıcaklıklarda bor karbür takviyesiyle birlikte sertlik değerleri, takviyesiz sisteme göre eşdeğerdir. En yüksek sinterleme sıcaklığında (1000°C) ise, B4C takviyesiyle birlikte, sertlik değerinde belirgin bir artış görülmüştür. Bunun sebebinin, yüksek yoğunlaşmaya ek olarak, takviyesiz sisteme göre farklı pik açılarında oluşan Fe,Cr esaslı karbür yapılarından kaynakladığı düşünülmektedir. Aşınma testi sonuçlarına göre, 845 ve 900°C'de B4C ilavesiyle, daha düşük aşınma derinliği ve genişliğiyle birlikte ortalama sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve spesifik aşınma hızı değerleri azalarak aşınma direncinde iyileşme elde edilmiştir. 1000°C sıcaklıkta ise, B4C ilavesiyle birlikte daha yüksek sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve aşınma hızı elde edilmiştir. Bunun sebebinin malzeme yüzeyinde oksit tabakasının meydana geldiği düşünülmektedir. Elde edilen verilerin, profilometre sonuçlarıyla ve optik mikroskop görüntüleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Basma testleri, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve en yüksek yoğunluk değerine sahip 1000°C sıcaklıkta sinterlenen eşmolar olmayan takviyesiz CoCrFeNiAl0,2 alaşım sisteminde gerçekleştirilmiştir. Eşmolar olmayan alaşım sisteminin basma mukavemeti 1388,19 MPa bulunurken, eşmolar alaşım sisteminin ise 395,62 MPa bulunmuştur. Sinterleme sıcaklığının artışıyla beraber basma mukavemeti değerinde de artış görülmüştür. Basma mukavemetindeki artışın, azalan gözenek miktarı ve gözenek boyutuna bağlı olarak gerçekleştiği düşünülmektedir. Termal testler kapsamında, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve %2 bor karbür takviyeli sistemleri için termogravimetri (TG) ve diferansiyel termal analizleri (DTA) gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda her iki alaşım için parabolik hız sabitleri hesaplanmıştır. Takviyesiz alaşımın parabolik hız sabiti, kp=1.21×10−8 (mg²/cm⁴/s), bor karbür takviyeli alaşımın parabolik hız sabiti değeri ise kp≈1.71×10−9 (mg²/cm⁴/s) olarak bulunmuştur. Her iki sistemde de ağırlık artışının az olduğu (takviyesiz sistemde %0,7 takviyeli sistemde ise %0,3) ve parabolik hız sabiti değerlerinin düşük olması sebebiyle oksidasyona karşı iyi bir dirence sahip oldukları söylenebilir. B4C ilavesinin, daha az ağırlık artışına ve hız sabiti değerinin daha düşük olmasına sebep olarak, oksidasyon direncini iyileştirmiştir.
Çelik üzerinde titanyum karbür katmanlarının katodik ark fbb temelli yayındırma yöntemi ile üretilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-22) Kaçar, Erkan ; Ürgen, Mustafa Kamil ; 521142007 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Çelik yüzeylerine yaygın olarak uygulanan geçiş metali karbürü kaplamalar, çeliğin aşınma ve korozyon dayanımını artırmanın yanında yüksek sıcaklıklarda da kullanıma uygun refrakter karbürlerdir. Geçiş metali karbür katmanları çelik yüzeylerinde farklı yöntemler ile oluşturulabilmektedir. Bu refrakter karbürlerin üretiminde en yaygın kullanılan metot termoreaktif difüzyon (TRD) metodudur. TiC katmanların üretiminde ayrıca kimyasal buhar biriktirme metodu (KBB) veya fiziksel buhar biriktirme yöntemi (FBB) gibi yöntemler de kullanılmaktadırlar. TRD yönteminin yaygın kullanımın sebebi ilk kurulum maliyetlerinin düşük olmasının yanında yayınma esaslı bir üretim yöntemi olması sebebiyle, kaplamanın çelik yüzeyine adezyonunun da yüksek olmasıdır. Yöntemde karbon kaynağı olarak altlık çeliğin karbonu kullanılır. Bu nedenle KBB ve FBB ile yapılan işlemlerle de çeliğin karbonunu kullanarak karbür katmanları oluşturulmasına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. KBB yönteminde üretim sıcaklıkları yüksek olduğu için yayınma esaslı bu üretim yöntemi tek bir adımda yapılabilirken, FBB yöntemi ile yayınma esaslı üretim ise önce metal kaplanması sonrasında ise ısıl işlemle karbon difüzyonu şeklinde iki adımlı bir proses ile mümkün olabilmektedir. Bu çalışmada amaçlanan ise; grubumuzda geliştirilen ve yüksek sıcaklıklarda katodik ark FBB yöntemi ile kaplama-yayındırma imkanı veren yeni bir yöntem olan katodik ark elektron metal iyon prosesi (Ka-EMİP) yöntemi ile yayınma esaslı geçiş metali karbürlerinin tek bir adımda üretiminin sağlanmasıdır. Bu amacı gerçekleştirmek için katodik ark FBB cihazı ve AA hızlandırma voltajı ile 1000 ⁰C ve üzerindeki sıcaklıklarda titanyum kaplanması ve karbonun bu titanyum tabakasına yayındırılması ile TiC katmanların üretimi üzerinde çalışılmıştır. Çalışma beş ana başlık altında toplanmıştır: I. Süreç sırasında Ti-Fe-C ve Ti-Fe arasında gelişen reaksiyonlar sonucu oluşabilecek fazların ve kullanılabilecek parametrelerin tespiti için yapılan ön çalışmalar. II. Titanyum akısının filmlerin büyümesi ve niteliği üzerindeki etkisinin araştırılması. III. TiC tabakasının büyüme kinetiğini ve aktivasyon enerjisinin saptanması. IV. TiC tabakasında ve bu tabakanın üzerinde demirin varlığının ve ilerleyişinin sistematik araştırılması. V. Üretilen numunelerin sertlik ve kavitasyon dayanımı testleri. Yapılan ön çalışmaların amaçlarından birisi karbonun olmadığı durumda yüzeye gelen titanyumun çelik ile oluşturduğu fazların tespit edilmesidir. Bu amaçla düşük karbon içeriğine sahip çelik numunelerin yüzeyi 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıklarda titanyumlama işlemine tabii tutulmuştur. Bu titanyum yayındırma deneyleri ile titanyum-demir alaşımlarını ve intermetaliklerinin oluşabildiği ve intermetalik oluşumunun yayınmayı yavaşlattığı tespit edilmiştir. Ön çalışmaların bir diğer amacı ise kullanılabilecek çelik kalitesinin tespit edilmesidir. Bu amaçla 0,55 ile 0,90 aralığında karbon içeren farklı numuneler işleme tabii tutulmuştur. Bu deneyler sonucunda ise 0,55 ve üzeri karbon ihtiva eden çeliklerin üzerinde TiC tabakasının bu çalışmada kullanılan yöntem ile üretilebileceği görülmüştür. Kullanılan yöntemde birbirinden bağımsız kontrol edilen üç farklı değişken bulunmaktadır bunlar; işlem sıcaklığı, işlem süresi ve yüzeye gelen titanyum akısıdır. Titanyum akısının etkisinin araştırılması için de 60-110 A aralığında katot akımları ile deneyler yapılmıştır. Bu deneylerden 1200 ⁰C sıcaklık ve 30 dakika işlem süresinde 90 A katot akımına kadar TiC tabaka büyümesinin titanyum akısı ile kontrol edilebildiği bu akımın üzerinde çalışıldığında fazlalık titanyumun TiC tabakasının üzerinde biriktiği görülmüştür. TiC oluşum kinetiğinin çıkartılması amacıyla yapılan sıcaklık ve süreye bağlı deneylerde yüzeye gelen titanyum akısı yüksek tutularak yüzeyde her zaman metalik titanyum tabakası olması sağlanmış bu sayede de büyüme kinetiği yalnızca karbon difüzyonuna bağlı hale gelmiştir. Üç farklı sıcaklıkta (1000, 1100 ve 1200 ⁰C) ve 4 farklı sürede (5, 10, 20 ve 40 dk) üretilen numune kesitleri elektron mikroskobu ile incelenerek TiC katman kalınlıkları ölçülmüştür. Bu deneylere göre TiC büyüme kinetiği parabolik hız kanununa uymaktadır. Deney verileri ile hesaplanan TiC büyümesine ait aktivasyon enerjisi TRD yöntemi ile hesaplanandan düşük çıkmıştır. Yine bu deneylerde 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunelerde TiC tabakası üzerinde biriken metalik titanyum tabakası içerisinde demir olduğu ve bu demirin tabaka boyunca yayınarak alfa-beta titanyum yapılarının oluşmasına yol açtığı gözlenmiştir. Buna karşılık 1000 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunelerde metalik titanyum tabakasında demir gözlenmemiştir. Sıcaklığa bağlı olarak yüzeyde biriktirilen titanyum tabakasına karbonun yanında demirin de girebildiği gözlenmiştir. Yüzeyinde metalik titanyum birikmesine izin verilmediği koşullarda (düşük katot akımı ile üretilen numuneler) yapı içerisine giren demirin TiC tabakasının üzerindeki makro parçacıklarla ilişkili bir dağılım gösterdiği görülmüştür. Bu demir yayınımının ve yapı içerisindeki dağılımının araştırılması için 1000 ve 1100 ⁰C sıcaklıklarda numuneler üretilerek demirin davranışı incelenmiş hem de 1200 ⁰C sıcaklıkta yapılan kısa süreli üretimlerle prosesin başlangıcından itibaren demirin yapıya giriş nedenleri araştırılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda demirin yalnızca 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıklarda TiC tabakasının üzerine yayınabildiği görülmüştür. Kısa süreli üretimler ise prosesin başlangıcında sürekli bir TiC tabakası oluşmadan önce demirin titanyum ile bileşikler oluşturduğunu ve sürekli TiC tabakasının oluşmasının ardından ise yapı içerisine girmiş olan demirin sürekli karbürlenmemiş bölgelere doğru taşındığı saptanmıştır. Makro parçacık bölgeleri yüzeye göre çıkıntı halinde oldukları ve karbürlenmemiş titanyum içerdikleri için de demir sürekli olarak makro parçacıklar içerisinde toplanmaktadır. Üretilen TiC katmanlarının sertlikleri yüzeylerden ve kesitlerden nanoindentasyon yöntemi ile ölçülmüştür. Kesitlerden alınan sertlik ölçümlerine göre en yüksek sertlik değerinin 30 GPa ile çelik arayüzeyine yakın küçük taneli bölgede olduğu görülmüştür. Yüzeylerden alınan TiC tabaka sertliği ise 24-28 GPa arasında değişmektedir. Üretilen demirli ve demirsiz TiC tabakalarının kavitasyon erozyonu dayanımının ölçülmesi için ultrasonik yöntem ile yapılan kavitasyon dayanımı testleri sonucunda 1000 °C sıcaklıkta üretilen ve demir içermeyen numunede kavitasyon hasarlarının makro parçacık noktalarından başladığı ve bu başlangıç hasarlarının genişlemesi ile ilerlediği gözlenmiştir. 1100 ⁰C sıcaklıkta üretilen ve makro parçacık bölgelerinin yanında matriste de demir bulunduran numunelerde hasar demirin en az olduğu makro parçacık civarlarından başlamıştır. Ancak demir içermeyen numuneden farklı olarak ilk oluşan hasarların çok fazla genişleyemediği ve hasarın yeni bölgelerin açılması şeklinde ilerlediği gözlenmiştir. 1200 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunede ise demir makro parçacık bölgelerinde yoğunlaşmaktadır. Bu numunelerde ergiyen TiFe bileşiklerinin katılaşması sonucu oluşan çekilme boşluklarının hasarın başlama noktaları olduğu görülmüştür. Bu numunede hasar hem bir çok farklı noktadan başlamış hem de çok hızlı ilerlemiştir. Demir içeren numunelerde kavitasyon erozyonuna karşı en dayanıklı bölgelerin demirce zengin bölgeler olduğu görülmüştür. Hem 1100 hem de 1200 ⁰C sıcaklıklarda üretilen numunelerde 270 dakikalık test süresinin sonunda bile yüksek demir içeren makro parçacık bölgelerinin hasara uğramadığı gözlenmiştir.
Design and development of a custom batch foaming reactor and its validation through bead foaming of bioplastics

(ITU Graduate School, 2025) Kesler, Arda ; Nofar, Mohammed Reza ; 521201001 ; Material Science and Engineering

Sustainable polymers have gained worldwide importance as they have started to become viable alternatives for petroleum-based plastics. This is mainly due to their potential to overcome environmental detriments such as plastic pollution, carbon emissions, and the possible depletion of natural resources. Türkiye, having very limited fossil fuel resources, and increasing use of plastics, is even more exposed to negative economic and environmental consequences of using plastics. As an agriculture country, Türkiye will benefit much more from any progress in the bioplastics field, and possible gradual replacement of petroleum-based plastics with bioplastics. Polylactic acid (PLA) is a sustainable plastic because it can be produced efficiently from various agricultural products, and has rapid biodegradation properties. PLA has suitable mechanical properties for foam production and has long attracted the attention of both academics and industry. On the other hand, bioplastic foams that can compete economically and technically with petroleum-based foams on an industrial scale have not yet been produced. Research on this subject is being conducted at our university, as well as in many major universities around the world. Extensive testing of bioplastic samples under controlled laboratory environments and with varying production methods is needed before industrial processes that enable large-scale foam production from bioplastics can be designed. İTÜ, as one of the leading universities in academic research on the subject of sustainable polymers, has been planning to equip its Sustainable Green Plastics Laboratory (SGPL) with a laboratory-scale batch foaming reactor. The main aim of this project is to develop an autoclave batch foaming reactor to be used for bioplastic foaming research at İTÜ. The project started with a general literature survey on the subject, and continued with the design of the autoclave body using CAD software, design of a special workbench dedicated to the autoclave, materials selection and procurement, production of individual parts, assembly of the autoclave foam production device and the workbench. Design and procurement of an autoclave insulation sleeve, arrangement of the reactor setup to work with existing temperature control device, syringe pump etc., optimizing the reactor setup for ergonomics and preparation of health and safety documentation were also within the scope of this project. Finally, operational testing of the device in SGPL with PLA samples and supercritical carbon dioxide as blowing agent was carried out using different temperatures, pressures and foaming times. After successfull operational tests, the autoclave foaming device which is unique in Türkiye, has been added to ITU infrastructure facilities to be used in different research projects after this thesis project, and is expected to benefit researchers significantly by facilitating their testing work.
Design and evaluation of high-k dielectric materials for low-power 'green' OFET-based sensors

(Graduate School, 2024-10-17) Tavaslı, Aybüke ; Trabzon, Levent ; Faraji, Sheida ; 521192001 ; Materials Science and Engineering

This thesis aims to design and focus on the exploration of OFET-based sensors using solution-processed polymeric dielectrics and organic semiconductors. It also investigates the potential of synthetic and natural polymeric dielectrics blended with nanoparticles on capacitors. The thesis is organised into five chapters: The first twochapters consist of the published review articles on OFET and OPT devices. They provide a comprehensive background on these devices, supported by examples from literature, along with explanations of the mechanisms of the devices. The third and fourth chapters present the experimental research findings related to capacitors and OFET devices, offering new insights and data. The last chapter summarises the results, evaluates the research, discusses the challenges encountered, and concludes the thesis with planned recommendations for future work
Development of composite anode materials for high capacity sodium-ion batteries

(Graduate School, 2022-04-19) Eroğlu, Ömer ; Kızıl, Hüseyin ; 521142009 ; Materials Science and Engineering

The demand for lithium-ion batteries has ever increased in almost all portable electronic devices and electric vehicles nowadays. However, it is believed that this increasing demand for lithium-ion batteries in these applications could potentially be limited due to the scarcity of lithium resources in the world's known lithium reserves, which could significantly affect the cost and availability of lithium in the future. Sodium is the fourth most abundant element on earth, and sodium reserves are spread over a wide area. At the same time, the amount of lithium in the earth's crust is only 20 ppm, while the abundance of Na in the earth's crust is about 2%. Thus, sodium ion batteries are considered an economical alternative energy source to lithium-ion batteries in the future. As a result, research and development of appropriate anode, cathode, electrolyte, separator, and binder for sodium ion batteries with high electrochemical performance is required. In this doctoral thesis study, three alternative anode materials for sodium ion batteries were synthesized and tested. The first part, it is aimed to improve the electrochemical properties of titanium dioxide by doping with an iron atom at various ratios of titanium dioxide. In the second part, to improve the low electrochemical performance of titanium dioxide, one-dimensional anode material was synthesized by the electrospinning method. In the third part, a composite anode material with polyaniline polymer was synthesized as a solution to the pulverization of tin oxide anode material due to high volume expansion by the sodium ion alloying reaction.
Development of diffusion bonding processes for metal alloys to use production of pche

(Graduate School, 2022-07-29) Erol, Ahmet Furkan ; Kazmanlı, M Kürşat ; 521171018 ; Material Science and Engineering

The phase state of carbon dioxide above the critical pressure and critical temperature is called supercritical CO2 (sCO2). Since the density of sCO2 at the critical point is higher than the density of the liquids at the critical point, it allows the pumping power in the compressor to be greatly reduced, thus increasing the efficiency of thermalelectrical energy conversion. The sCO2 cycle has great potential in waste heat recovery systems, air-independent propulsion systems, due to its high power density, high efficiency, compact and modular structure. In order to use a heat exchanger in the sCO2 cycle, a compact heat exchanger resistant to high pressure and temperature should be developed. In order to develop a heat exchanger that will meet these requirements, the diffusion bonding process, which can be applied in complex geometries, provides strength as much as the base material, and has high corrosion resistance, comes to the fore. Since the heat exchangers that can meet the high pressure and high temperature requirements of sCO2 are printed circuit heat exchangers (PCHE) type heat exchangers, the diffusion coupling method developed within the scope of the thesis has been used in the production of printed circuit heat exchangers. Heat exchangers are equipment that allow the heat energies of two fluids to pass from a high temperature fluid to a low temperature fluid. In some areas of use, it is of great importance that the heat exchanger designs be compact and resistant to high pressure and high temperature. Printed circuit heat exchangers (Printed Circuit Heax Exchanger-PCHE) come to the fore because they are one of the types of heat exchangers that meet these conditions. The compactness, high pressure and temperature resistance of this type of heat exchanger is directly related to the production method of the heat exchanger. Diffusion bonding has been used in the production of micro-channel heat exchanger, which is the subject of this thesis, because of the precision welding process requirement. In addition, the strength of the weld in the region of diffusion bonding is in some cases as much as the base material. In printed circuit heat exchangers, micro-channel plates are placed on top of each other to ensure heat transfer between the fluids with counterflow in the channel. When two plates are welded together in order to withstand high pressure and temperature, the strength of the weld area must be either the same or close to the base material. In addition to the fact that traditional welding methods (melt welding, solder, etc.) cannot provide as much strength as diffusion bonding welding, the material pairs that can be used in traditional welding methods are limited. Not every material can be welded with each other. Material selection possibilities are wider in diffusion bonding method. The diffusion bonding process, which plays a critical role in the production of heat exchangers mainly due to such advantages, has been developed within the scope of this thesis. The basis of the diffusion bonding process is explained by the diffusion mechanism. Concentration and concentration changes, which are the basic parameters in the diffusion process, are revealed by Fick's laws. Diffusion takes place on an atomic scale between the materials to be used in diffusion bonding. The diffusion coupling mechanism has been studied in this context. The parameters affecting the diffusion bonding are: temperature, pressure, time, surface quality and atmosphere where diffusion bonding takes place. The parameters optimized in the thesis work are temperature, pressure and time. Surface quality and atmosphere were kept constant in each sample. 316L stainless steel material was chosen for use in heat exchanger design due to reasons such as resistance to high temperature, resistance to high pressure, that is, high strength, cheap and easy availability, and suitability for the diffusion bonding process. For this reason, 316L stainless steel is used in the diffusion bonding process. The properties of 316L stainless steel material are explained in the thesis. In addition to diffusion bonding of 316L-316L material pair, samples using nickel as intermediate material were also examined. The test matrices of the relevant samples were prepared and sample optimization was made. Temperature, pressure and time were used as optimization parameters. 316L-316L and 316L-Ni-316L samples were also tested with destructive and non-destructive examinations using these optimization parameters, and the test results were also compared. Tensile test and microhardness test were performed as tests of samples prepared within the scope of destructive testing. Optical microstructure examinations, SEM and EDS examinations were also carried out within the scope of non-destructive examination. The prepared samples were examined and evaluated. As a result of the literature search, all samples were prepared under 8.5 MPa pressure and in Argon atmosphere. In the study, first of all, temperature optimization was made. The samples prepared at 950°C and 1050°C were fixed for 60 minutes and compared. As a result of the temperature optimization, it was observed that the samples prepared at 950°C and 60 minutes failed the tensile tests. In the second optimization phase, the temperature was kept constant at 1050°C and the optimization was made for 120 and 180 minutes and the results were evaluated. It has been seen in tensile tests, 316L-Ni316L diffusion bonding sample produced at 1050°C for 180 minutes, under 8.5 MPa pressure and argon atmosphere gave the best results. In the tensile test, the maximum tensile stress was measured as 407 MPa. As a result of the development of the diffusion bonding process, a printed circuit heat exchanger (PCHE) was produced by using the sample parameters that gave the best results as a result of the tensile tests. The heat exchanger was tested in a test bench installed at 80 bar, 453°C. The parameters have been measured. It has been seen that it meets the technical requirements in terms of performance. In addition, the hydrostatic test of the heat exchanger was carried out at 200 bar at room temperature using water as a fluid, and the leak test was carried out under 10 bar pressure at room temperature by blowing air into the heat exchanger and foaming the outside with a special solution. The heat exchanger has successfully passed these tests as well. Thus, the diffusion bonding process developed for the designed printed circuit heat exchanger (PCHE) was successfully carried out.
Development of electrodes & electrolytes for high performance and long life supercapacitors

(Graduate School, 2025-04-29) Özkaynak, Mert Umut ; Güner, Seniha F. ; Yavuz Karatepe, Nilgün ; 521042004 ; Materials Science and Engineering

This study enhances supercapacitor technology through three primary advancements: First, it introduces a phosphoric acid-based liquid crystal gel electrolyte with enhanced specific capacitance. Second, it examines how water influences the lyotropic liquid crystalline (LLC) mesophase characteristics of C12E23-LiCl-H2O gel electrolytes, revealing their self-healing properties with optimized features for the first time. Lastly, it develops mesoporous Ni0.5Mn0.5Co2O4 electrodes for the first time utilizing the Molten Salt Assisted Assembly technique. These innovations address the shortcomings of traditional supercapacitors, paving the way for adaptable, high-efficiency energy storage solutions suitable for wearable electronics and electric vehicles. In the first part of the thesis study, a novel liquid crystal (LC) gel electrolyte by combining phosphoric acid (H3PO4, PA) and a non-ionic surfactant (NI), optimized at a PA:NI mole ratio of 80:1 (PA-NI80) was developed. A bicontinuous LC mesophase with a lattice distance of 3.9 nm was observed at all mole ratios between 60:1 and 100:1, as confirmed through X-ray diffraction and optical microscopy. The PA-NI80 LC gel achieved a specific capacitance (Cs) of 1128 F g⁻¹ at 0.1 A g⁻¹ using reduced graphene oxide (rGO) symmetric electrodes. Results highlight the pivotal role of the LC gel mesophase in achieving high electrolyte performance. The high viscosities and stable mesophase structures make the PA-NI LC gels suitable for use in flexible and high-performance supercapacitors. The mesophase structure facilitated controlled ion transport via the Grotthuss mechanism, where hydrogen hopping through hydrogen bonds contributed to the gel's high ionic conductivity and superior electrochemical performance. In the second part of this thesis, we systematically investigated the role of water in shaping the lyotropic LC mesophase properties of C12E23-LiCl-H2O gel electrolytes, with a focus on their mechanical and electrochemical performance in supercapacitors. XRD and POM data confirmed the formation of a cubic mesophase at all water concentrations. Rheological analysis suggested quantitative information about gel strength, gelation point, and structural recovery changed with water content and LiCl concentration. The storage modulus increased with decreasing water content, attributed to variations in the quantity and average size of junction points due to system entanglement. The study revealed that excess water molecules break down micellar connections, weakening the gel. Conversely, at low water concentrations, the micellar domains entangle, displaying viscoelastic behavior similar to that of a transitory polymer network. The gel structures exhibited self-healing properties, attributed to their shear-thinning behavior. This property allows the gels to flow under shear stress and self-recover once the stress is removed. By varying water content while maintaining a 5.63:1 LiCl-to-C12E23 molar ratio, we observed that reduced water content significantly enhanced gel rigidity, as evidenced by an increase in storage modulus (G') from 82 Pa for LC1.125(H2O) to 113 Pa for LC0.875(H2O). Structural analyses using XRD revealed cubic mesophases with a unit cell parameter of 13.2 nm across all formulations. Rheological measurements highlighted the gels shear-thinning behavior and self-healing capability, with LC1.125(H2O) achieving full recovery after strain-induced rupture. Electrochemical tests further demonstrated that LC1.125(H2O) displayed a specific capacitance of 316 F·g⁻¹ at 0.25 A·g⁻¹ and retained 80% capacity over 1500 cycles, indicating its suitability for robust energy storage systems. In the last part of this study, to complement the electrolyte, we synthesized mesoporous Ni0.5Mn0.5Co2O4 electrodes using the Molten Salt Assisted Assembly (MASA) method, marking the first application of MASA for ternary metal oxides. This approach enabled the creation of nanoscale active sites and ensured the formation of mesoporous Ni0.5Mn0.5Co2O4, NiCo2O4, and MnCo2O4 with relatively high surface areas. By simply altering the salt type and composition in the initial clear solutions used to prepare the LLC mesophases and applying calcination, MASA facilitated precise control over the electrode material properties. The MASA method allowed for the synthesis of mesoporous Ni0.5Mn0.5Co2O4 with high surface area and enhanced redox behavior. The method involves using metal nitrate salts precursors assembled with non-ionic and ionic surfactants in their lyotropic liquid crystalline phase, followed by high-temperature calcination. Among the synthesized materials, the Ni0.5Mn0.5Co2O4 electrode showed the highest specific capacitance (11.51 F·cm⁻²) and exhibited superior electrochemical activity, with the lowest charge transfer resistance compared to NiCo2O4 and MnCo2O4. The asymmetric supercapacitor, assembled with Ni0.5Mn0.5Co2O4 utilizing the positive electrode and employing activated carbon for the negative electrode, achieved an energy density of 79.52 Wh kg⁻¹. The device exhibited excellent performance, with a low ohmic resistance of 2.348 Ω and a charge transfer resistance of 0.672 Ω. Additionally, it maintained high capacitance even at elevated current densities. The study emphasizes Ni0.5Mn0.5Co2O4, crafted using the MASA technique, as a highly efficient material for asymmetric energy storage devices, attributed to its remarkable specific capacitance, low resistance, and excellent energy density.
Development of zeolite-based adsorbents for deep desulfurization of liquefied petroleum gas

(Graduate School, 2023-01-18) Bulut, Betül ; Ersolmaz Tantekin, Ş. Birgül ; 521132001 ; Materials Science and Engineering

Air pollution has become one of the major problems facing humanity. A significant part of air pollution is originated from transportation sector. Organic sulfur compounds present in transportation fuels are converted to sulfur oxides (SOx) during combustion, which cause smog, global warming, and acid rain. Also, stringent sulfur regulations imposed on fuels have been mandated worlwide. Thus, the urgent need for deep desulfurization methods, such as adsorption, is required. Understanding the factors that affect the sulfur removal performance of adsorbents is important for both adsorbent and fuel industries. Most commercial desulfurization adsorbents are derived from zeolites due to their relatively high performance and low cost. Desulfurization adsorbents are expected to have the properties like high sulfur adsorption capacity, selectivity, thermal stability, regenerability and economical advantage. The effectiveness of zeolites to adsorb organic sulfur compounds in the fuels has been strongly influenced by the structural, textural and chemical properties of the adsorbent. On the other hand, the type of sulfur compound plays an important role in the overall capacity since different adsorption mechanisms are effective for each compound. Therefore, zeolites used in desulfurization should be developed to be suitable on a target-based seperation. The sulfur adsorption capacity and selectivity of zeolites are continuing to be explored in depth as new materials and methods are developed. According to the investigations on adsorptive desulfurization from fuels, sulfur removal performance of zeolites can be enhanced by ion-exchange method which increases the number of active sites for adsorption. A fundamental understanding of ion-exchange process and its effects on capacity is needed to design high performance desulfurization adsorbents. Considering the difficulties associated with industrial applications, studies should be evaluated by using real fuels to model adsorption system and optimize the parameters. In this thesis, the adsorptive removal of dimethyl disulfide (DMDS) and thiophene (TP) from real liquefied petroleum gas (LPG) over zeolites was studied. NaX and NaY type zeolites were modified using Cu2+, Zn2+ and Cu2+-Zn2+ ions by liquid phase ion-exchange (LPIE) method in order to improve their adsorption capacity and selectivity. The adsorbents were characterized to investigate their surface area, crystal structure, surface acidity, ion-exchange rate, and adsorption mechanism. The desulfurization performances of zeolites were tested and compared in both static and dynamic adsorption conditions. Then, the best performing adsorbent, Cu-Y, was investigated in detail to understand the effects of calcination temperature, concentration of Cu(NO3)2 solution, initial sulfur concentration, competitive adsorption between sulfur compounds and LPG flow rate. Cu-Y zeolite was characterized for its chemical composition, crystal structure, auto-thermal reduction of copper species, surface acidity, adsorption mechanism, textural properties and surface morphology to reveal performance-structure relationships. Furthermore, the equilibrium isotherms and kinetics for both DMDS and TP adsorption over zeolites in real LPG were also investigated for the first time in the literature. Results indicate that ion-exchange process enhances the DMDS and TP removal performance of the zeolites in the order of Cu > CuZn > Zn. Among the all prepared zeolites, Cu-Y ion-exchanged with 7 wt.% Cu2+ and calcined at 550 ℃ displays the highest sulfur removal capacity in both static and dynamic tests. It is clear that the calcination temperature has great influence on adsorption capacity since the auto-reduction of Cu2+ ions into Cu+ improves mainly the Lewis acid sites of the zeolites that enhance the sulfur adsorption. Mechanistic investigation shows that DMDS is attached to Cu-Y via direct sulfur-metal (S-M) interaction while both direct S-M interaction and π-complexation contributed in TP adsorption onto zeolite. According to the characterization results, textural, structural and chemical properties directly affect the adsorption performance. The adsorption of both DMDS and TP on the adsorbents appears to fit Langmuir isotherm and the pseudo-second-order kinetic models. Furthermore, Cu-Y has good thermal stability and can be reused efficiently up to 3 cycles that makes it highly beneficial and economical for deep desulfurization of LPG in industrial applications.
Doğal taşlara yüzey koruyucu olarak sol-jel yöntemiyle nano katkılı kaplama geliştirilmesi

( 2020) Tekin Eroğul, Gözde ; Yücel, Onuralp ; 643023 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Doğal taşlar, tuz kristalizasyonu, atmosferik etkileşim, taş gözeneklerinde suyun donması, taşın sürekli ıslanıp kuruması, rüzgâra bağlı etkiler, taş üzerinde mikroorganizmaların büyümesi, rüzgâra bağlı aşınma ve insan etkisi gibi faktörler yüzünden zaman içinde bozulmaya uğrarlar. Su doğal taşların bozulmasına yol açan en önemli sebeplerden biridir; çünkü su, tuzların taş içerisinde kristalleşmesine yol açarak taşların pul pul dökülmesine neden olur, atmosferik kirliliklerle reaksiyona girip asidik bileşikler oluşturarak taşların yüzeyini bozar, soğuk iklimlerde donarak taşların çatlamasına sebebiyet verir ve mikro organizmaların taş üzerinde büyümesine neden olur. Bu sebepten doğal taşların suyun aşındırıcı etkisine karşı korunması gerekmektedir. Doğal taşlara koruyucu kaplamalar uygulamak taşlara su girişini engellemenin en etkin yöntemlerinden biridir. Bunun için doğal taşlara koruyucu kaplama olarak hidrofobik ve süperhidrofobik kaplamaların her ikisi de uygulanabilmektedir. Hidrofobik kaplamalarda, temas açısı 90°'den büyük olduğundan damlalar küreler şeklinde yüzeyde kalır ve hidrofilik kaplamalardaki gibi emilmezler. Süper hidrofobik kaplamalarda ise temas açısı 140°nin üzerinde olup damlalar hava paketlerinin üzerinde kalırlar. Bu tip kaplamalar doğal taşlara su girişini önleyerek taşlarda suya bağlı bozunmaların olmasını engellerler. Süperhidrofobik ve hidrofobik kaplama üretmenin en basit ve düşük maliyetli yöntemlerinden biri sol-jel yöntemidir. Sol-jel yöntemi, moleküler başlangıç madde-lerinin hidroliz ve yoğunlaşmasına dayanan bir düşük sıcaklık prosesidir. Bu proses ile inorganik, inorganik-organik hibrit kaplamalar, yüksek saflıkta tozlar, fiberler, aerojeller, seramik ve camlar gibi çeşitli malzemeler üretilebilmektedir. Sol-jel yöntemiyle sentezlenen inorganik-organik hibrit kaplamalar doğal taşların yüzeylerinin korunmasında sıklıkla kullanılmaktadır. Burada, inorganik bileşen kaplamaya kimyasal direnç ve ısıl kararlılık sağlarken polimerik organik bileşen de kaplamaya hidrofobiklik sağlamaktadır. Nano tozlar da kaplama yüzeylerinde yarattıkları mikro-nano pürüzlülük nedeniyle kaplamaların hidrofobikliğini arttırlar. Bu tez çalışmasında, mermer yüzeyler için nano silika ve nano alümina katkılı inorganik-organik hibrit kaplamalar geliştirilmiştir. Organik bileşen olarak polidimetilsiloksan (PDMS), inorganik bileşen olarak da tetrametoksisilan (TMOS) kullanılmıştır. İlk yapılan çalışmalarda, PDMS oranı %10'da sabit tutularak nano silika katkı miktarları değiştirilmiş ve farklı nano silika miktarının temas açısına etkisi incelenmiştir. İkinci setteki çalışmalarda, yine PDMS oranı %10'da sabit tutulmuş ancak bu sefer nano silika tozu yerine nano alümina tozu kullanılarak farklı nano alümina miktarlarının ve farklı toz kullanımının temas açısına etkisi incelenmiştir. Üçüncü setteki çalışmalarda ise, nano silika oranı %1'de sabit tutularak farklı PDMS oranının temas açısına etkisi incelenmiştir. Daha sonra geliştirilen kaplamalar nem direnci ve UV yaşlandırma testlerine tabi tutularak optimum koşulları sağlayan kaplamalar belirlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, optimum temas açısı değeri nem direnci testi öncesinde %1 nano silika %10 PDMS katkılı kaplama ile 145° olarak ölçülmüşken, nem testi sonrasında ise %3 nano silika %10 PDMS katkılı kaplamalı numunelerde 140° olarak ölçülmüştür. Nano silika katkılı formülasyonların çoğu test sonrasında da hidrofobik özelliklerini korurken nano alümina katkılı formülasyonlar nem direnci testi sonrasında bu özelliklerini kaybetmiştir. UV yaşlandırma testi öncesinde ve sonrasında numunelerin hiçbirinde gözle görülebilecek renk değişimi olmadığı gözlenmiştir.
Effect of electrolyte and electrical parameters on the anodic oxidation of ti to improve photocatalytic performance of TiO2 nanotube structures

(Graduate School, 2023-11-02) Altay, Mert ; Baydoğan, Murat ; 521122015 ; Materials Science and Engineering

TiO2 is a semiconductor material that, when stimulated by photons with energy sufficient to overcome its band gap (3.0-3.2 eV), generates electron-hole pairs. By interacting with one another or through a succession of redox reactions, these charge carriers eventually have the capacity to mineralize a wide range of organic compounds, including dyes, surfactants, aromatics, and alkanes. This property makes various TiO2 forms (powder, nanotube, nanorod, etc.) appropriate for a variety of applications in the energy and environmental domains, such as solar cells, hydrogen production, water purification, air purification, and others. This thesis study was undertaken to investigate production, characterization and photocatalytic performance of TiO2 nanostructures as a very promising semiconducter photocatalyst. Anodic oxidation process utilized for production of TiO2 nanostructures from comercially pure titanium foils. Various electrolytes and elecrtrical parameretes explored to investigate their effect on the surface preperad. Produced nanostructures characterized by surface morphology analyses with optical and electron microscopy, surface phase and structure analyses with XRD, XRF and Raman, optical properties analyses with photoluminescence and UV-DRS, and with organic contaminant degradation tests. One of the anodic oxidation parameters studied in the scope the thesis was cyclic bipolar voltage. In this work group different duty cycle and frequency values was experimented and nano structures succesfully produced on titanium foils. Results showed that the increasing positive pulse duration, number of successive positive pulses and neutral period of the cycle could increase nanotube diameter. Also, application of negative voltage clearly deterioriated the nanotube morphology and produced a sponge like structure at the surface. Effect of pre-deformation mode and strain level on the photocatalytic performance of TiO2 nanotubes produced by anodic oxidation on titanium foils were also investigated. In this study set, three different amounts of tensile and compression strains applied to titanium foil prior to anodic oxidation. Results showed that pre-deformation on titanium foils could have a strong effect on photacatalytic performance of TiO2 nanotubes produced from these foils. Especially cold rolling deformation was quite successful in improving photacatalytic performance. On the other hand, critical amount of tensile deformation did improve photocatalytic performance, where further deformation amount detoriated it. One other anodic oxidation parameter studied in the thesis was effect of carbon structure, namely carbon nanotubes, addition to electrolyte. Different amounts of carbon nanotubes was added to anodic oxidation electrolyte since, in term of impoving xviii photocatalytic performance, carbon is a very effective dopant for TiO2 structutres. Results showed that deposition of carbon structures on TiO2 nanotubes was successful and photocatalytic performance of these doped samples were better than un-doped ones. However due to clustering and covering up effect of carbon structures, with the increase at the carbon concentration in electrolyte, photocatalytic performance decreased. Prior to anodic oxidation experiments, a surface preparation method named electropolsihing and a surface coating method named hot-dip aluminizing also studied. Electropolishing of titanium foils was experimented to produce smooth surfaces for further proceses. Succesfuly electropolished titanium surfaces were preperad after trials with various process parameters and these surfaces used in anodic oxidation trials. Alumizing of titanium foils were investigated to produce intermetalic surfaces for further procesess/applications. Intermetallics of aluminum and titanium succesfully produced with this method and these structures greatly improved high temperature oxidation resistance of titanium foils. Anodic oxidation of these surfaces was not undertaken in the scope of this thesis, however formation of nanostructures on intermetallics could be a very interesting further study. As a whole, thesis study investigated electropolishing, aluminizing and anodic oxidation of titanium foils. Succesfull parameters for electropolishing of commercially pure titanium was established. Additionally, various ways to improve photocatalytic performance of a TiO2 nanostructures demonstrated. In this context, outputs of the thesis study could be useful in two very strategically important and urgent fields namely, energy and envioroment.
Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering

(Graduate School, 2024-07-09) Aghdam Jafari, Sevda ; Öveçoğlu, M. Lütfi ; 521211009 ; Materials Science and Engineering

The synthesis and characterization of thin film materials have garnered significant attention in advanced technological field nowadays. Development of advanced thin film materials with superior properties is crucial for progress in various technological fields. Among these, refractory high entropy thin films have emerged as innovative materials due to their exceptional properties. The deposition of HEAs as thin films has garnered significant attention as it enables the fabrication of advanced functional coatings with tailored properties. Recent research has focused on understanding the influence of deposition parameters on microstructure and properties, exploring various HEA compositions, and developing innovative applications in fields like electronics, energy, and biomedical engineering. High-entropy thin films offer exceptional properties, making them suitable for various applications. These include protective coatings, electronics, biomedical implants, energy technologies, and components for the aerospace and automotive industries. In this study, by using magnetron sputtering technique, equimolar WNbMoV refractory high entropy thin film coatings were deposited on the silicon wafer substrate which had been coated with chromium metal as an intermediate layer between the substrate and the thin film. The effects of bias voltage and pressure of the chamber on the physical and mechanical properties of coated films during the magnetron sputtering process were investigated. X-Ray diffraction experiments were carried out for phase analysis, determining the experimental components and grain sizes were calculated by using the Williamson-Hall method, ORIGINPro and CALPHAD softwares. Scanning electron microscopy (SEM) and EDS mapping analyses were used to evaluate the microstructural properties and XRF analyses were used to investigate elemental distribution, respectively. In addition, we studied the Surface morphology by AFM (Atomic Force Microscopy). Hardness and Electrical Resistance of the samples was measured using nanoindentation and relative equipment. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed a dominant body-centered cubic (BCC) solid solution phase, aligning with expectations for WNbMoV HEAs, but also revealed minor oxide phases due to oxygen contamination. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) showed a dense columnar microstructure with varying surface roughness depending on deposition conditions. Notably, applying a -80V bias voltage resulted in smoother and denser coatings due to increased energy and directionality of sputtered particles. Nanoindentation tests revealed an inverse relationship between film hardness and working pressure, with -80V bias voltage enhancing hardness due to grain refinement. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed uniform elemental distribution within the film. Electrical conductivity was influenced by phase composition and microstructure, with oxide phases decreasing conductivity and denser microstructures improving it. UV-Vis spectroscopy showed tunable optical properties, with increased working pressure decreasing transmittance. The sample produced at 1.5 Pa pressure and 0V bias exhibited complete transparency, likely due to excessive oxidation or stoichiometry deviations. The results show that by applying bias and pressure, there are alterations in the produced thin films thickness. This suggests a direct correlation between the applied parameters and hardness values. By applying the -80 V bias, the grain size of samples decreased from 10 to 5.2 nm and the hardness of the films increased from 350 to 301 HVs, respectively. Furthermore, when the pressure increased from 0.5 Pa to 1.5 Pa, the thickness of films decreased approximately from 1.26 to 1.11 m. This project offers unique insights into experimental studies. We've gained groundbreaking knowledge about WNbMoV high-entropy alloy thin films, understanding how processing, structure, and properties are interconnected. This allows us to tailor these films for applications like wear-resistant coatings. Future research should focus on optimizing deposition to improve film quality.
Elektrikli araç bataryaları için kobalt içermeyen lityumca zengin li-iyon pil katot aktif malzemesi (Li1,2NixMnyAl0,8-x-yO2) geliştirilmesi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025-03-20) Kül, Halis Gençer ; Keleş, Özgül ; 521172009 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Doğal enerji kaynaklarının hızla azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarını ve elektrikli araçların önemini her geçen gün artırmaktadır. Bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarının etkin bir şekilde kullanılmasını sağlayacak bataryalara olan ihtiyacı da kaçınılmaz bir şekilde artırmıştır. Lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu, küçük boyutları ve hafiflikleriyle öne çıkmaktadır. Bu nedenle tüketici elektroniği ve savunma sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Öte yandan, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanmasında ve elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte otomotiv sektöründe de lityum iyon pillerin kullanımı büyük bir ivme kazanmıştır. Bu gelişmeler sonucunda, lityum iyon pil teknolojisine olan talep katlanarak artmıştır. Özellikle elektrikli araçların menzilini artırmak için yüksek enerjili katot malzemelerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Yüksek kapasiteye (>220 mAsa/g) ve enerji yoğunluğuna sahip katot aktif malzemesi olarak lityumca zengin nikel kobalt mangan oksit (LR-NMC) katot aktif malzemeleri, elektrikli araçlarda kullanılacak yeni nesil katot malzemeleri içerisinde en güçlü adaylardan biri olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, bu malzemelerin ticari olarak kullanıma sunulabilmesi için bazı kritik problemlerin çözülmesi gerekmektedir. Voltaj düşüşü, düşük çevrim ömrü ve zayıf C-hızı (C-rate) performansı gibi sorunlar, bu malzemelerin yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerdir. Buna ek olarak, daha çevreci ve maliyet etkin katot aktif malzemeleri geliştirilmesi için de çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Çevreye ve insan sağlığına zararlı, yüksek maliyetli, madenciliği esnasında çocuk işçilerin çalıştırıldığı kobaltın NMC bazlı katot aktif malzemelerinden tamamen çıkarılması; dünyaya saygılı, düşük maliyetli lityum iyon piller için büyük önem arz etmektedir. Bu tez, elektrikli araçların menzilini artırmayı hedefleyen, yüksek enerji yoğunluğuna sahip, düşük maliyetli ve çevreci lityum iyon pil katot aktif malzemesi kompozisyonu geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bunun yanı sıra, bu malzemenin yüksek akım (C-hızı) dayanıklılığı, uzun çevrim ömrü, düşük maliyet, güvenlik ve çevre dostu olma gibi önemli kriterleri de asgari düzeyde karşılaması hedeflenmektedir. Bu çalışmanın temel hipotezi, LR-NMC katot aktif malzemelerindeki yüksek maliyetli ve çevreye zararlı Co elementi yerine Al kullanılarak geliştirilen lityumca zengin nikel mangan aluminyum oksit (LR-NMA) katot malzemeleri ile, kapasiteden büyük bir kayıp vermeden LR-NMC katot malzemelerine benzer veya daha üstün çevrim ömrü ve C-hızı performansı elde edilebileceğidir.
Evaluation of thermal, rheological, and dynamic mechanical properties of CNT reinforced PEI and PEEK composites

(Graduate School, 2022) Kaygınok, Fulden ; Cebeci, Hülya ; 729354 ; Department of Materials Science and Engineering

In this study, the effect of multiwall carbon nanotube (CNT) reinforcement on viscoelastic properties of polyetherimide (PEI) and polyether ether ketone (PEEK) polymers was investigated by oscillator rheology and dynamic mechanical analysis (DMA) method. CNT reinforced PEI and PEEK composites were produced using a specially designed twin-screw extruder at 1, 3, and 5 wt.% at 210 rpm and 360 °C and 380 °C for CNT/PEI and CNT/PEEK composites, respectively. Thermogravimetric (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) analyzes were performed to examine the thermal properties of the samples. It was observed that the decomposition temperatures in PEI samples showed two-stage decomposition depending on the aromatic group and non-aromatic group decomposition at approximately 529 °C and 564 °C, and their thermal stability was found as about up to 400 °C, whereas in PEEK samples, decomposition occurred in a single step due to ether and ketone groups and their thermal stability was found as about up to 550 °C. Also, a residual weight of around 50% in PEI and PEEK samples was at 800 °C. It was seen that CNT did not significantly affect the thermal stability of polymers. In addition, CNT almost did not change the glass transition temperature of polymers (Tg), but it increased the crystal ratio by acting as the nucleation factor for PEEK composites, and the highest crystal ratio was obtained from 1 wt.% CNT/PEEK composite as 29%. The morphological analysis revealed that CNT reinforced PEI and PEEK composites were fabricated homogeneously without any agglomerations. Rheology analysis showed that the linear viscoelastic region (LVR) narrowed with CNT, that is, the critical strain decreased, which was explained as evidence of the formation of a brittle solid network in the structure. Also, the critical strain has an exponential dependence on the volume fraction of the CNT as -1.76 and -1.40 for PEI and PEEK, respectively. On the other hand, the frequency-dependent results in LVR showed that the storage modulus of both polymers increased and the frequency dependence decreased with the increase in the amount of CNT. The frequency dependence of the storage modulus was exponentially 0.7 and 1.57 for neat PEI and PEEK, and these values were calculated as 0.32 and 0.27 at 1 wt.% CNT reinforcement, respectively. The decrease of frequency dependency and sudden increase in 1 wt.% CNT reinforcement was interpreted as an indication of the structure change, and the rheological percolation threshold was determined below 1 wt.% CNT reinforcement was also proved by drawing Cole-Cole plots that are a clear representation for the transition from the liquid-like to the solid-like structure. Additionally, the complex viscosity increased with CNT in both polymers and they changed the behavior from Newtonian to shear-thinning in the low-frequency region and shear-thinning behavior became dominant with 1 wt.% CNT reinforcement.
Fabrication of nickel based electro-active materials with anodic oxidation of different substrates in sub molten koh for supercapacitor applications

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Mohamed, Nourhan Ramadan Abdelgalil Abdalla ; Ürgen, Mustafa ; 713563 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

The research conducted on this thesis aims at synthesizing and optimizing electroactive materials by direct anodic oxidation in the sub-molten state (SMS) KOH and introducing new nanowire based substrates as an alternative to nickel foam. The studies within this thesis are collected under four main topics. 1- Analysis of the Ni's anodic behavior in sub-molten salt (SMS) KOH The aim of this group of studies was to investigate and optimize the production of high surface area nickel hydroxides by anodization in SMS KOH. Accordingly, the anodic behavior of pure flat nickel in SMS KOH at 200˚C, as well as the properties of surface films formed at different anodic polarization potentials, were determined. Potentiodynamic polarization curves of nickel in SMS indicated the presence of active, passive, far-passive, and transpassive states. Raman spectroscopy and grazing-incidence x-ray diffraction (GI-XRD) showed that NiO and potassium-intercalated γ-NiOOH are the products in the active and the far-passive/transpassive regions, respectively. XPS analysis was used to study the passive layer because its thickness is in the nm range. The results showed that NiO that is formed in the passive range possesed fewer defects than NiO formed in the active region, which promotes passivity. The morphology of the surface films created in the active, far passive, and transpassive regions was investigated by FE-SEM. The typical cube-like morphology of NiO is observed in the active region, while flake-like γ-NiOOH is observed in the far-passive and traspassive potentials. At high transpassive potentials, the flak-like morphology of NiOOH deteriorated with the high rate of oxygen evolution reaction (OER). The electroactive anodic surface films formed during active, far passive, and transpassive regions are a few micrometers thick, contrary to the ones obtained in 6M aquous KOH, because of the high dissolution rate of Ni and the high viscosity of the SMS KOH. This study proved that anodic oxidation of nickel in molten salt KOH is a promising, fast, and economical way to produce electroactive nickel hydroxides 2- The electrochemical and structural stability of the nickel hydroxide produced by anodic oxidation in sub-molten KOH. The long-term electrochemical stability of the NiOOH produced by anodic oxidation in sub-molten KOH hasn't been reported yet in the literature. Commercial nickel foam has been anodically oxidized at far passive and transpassive potentials, and its structural and electrochemical stability were tested. The highest specific capacity was obtained from the samples anodized at 1100 mV vs. Ni at 200˚C since it exhibited the best combination of surface area and conductivity. However, NiOOH showed low capacity retention (33% ) after 1200 cycles in 6M KOH because of the phase transition from γ-NiOOH to β-NiOOH. The electrochemical performance of the anodic layers produced in SMS KOH was compared to that produced by another conventional method (electrodeposition). This comparison showed that the instability of the nickel hydroxide is related to the nature of the material regardless of the synthesis method, as has already been verified in previous studies. In addition, it showed the need for the stabilization of these anodic layers for long-term performance. 3- Improvement of the structural and electrochemical stability of NiOOH was by coating them with cobalt oxide using a new approach. The coating process was realized in 1 wt% Co(OH)2 containing SMS KOH with anodic oxidation of nickel foam as a function of temperature and anodic oxidation potentials. The highest capacity was obtained for the samples anodized at 1100 mV vs. Ni at 200˚C. These samples exhibited significantly improved capacity retention (75% ) after 1200 cycles. XPS and Raman investigations of the layer produced under optimized conditions revealed the presence of Co3O4, on top of the NiOOH layer. 4- Production of Ni and Ni-Co self-standing nanowire substrates(SSNW) by template-assisted electrodeposition using aluminum anodic oxide (AAO) as an alternative to the conventional Ni foam substrates a) AAO membranes were synthesized by anodizing Al in oxalic acid as a conventional method and deep eutectic solvent as a novel method. Then electrodeposition of Ni was conducted using either Watt's solutions or deep eutectic solvents after zincating to open and activate AAO pores bottom. We successfully managed to produce AAO in DES. However, SSNW produced by using nickel ion-containing DES did not give sufficient mechanical durability. Thus for the anodic oxidation in SMS-KOH, SSNW produced with Watt's solution was used. b) For the electrodeposition of Ni-Co alloys with different cobalt content into the pore, bottom-activated AAO, modified Watt's electrolytes are used. The deposition process of Ni and Ni-Co alloys was continued after filling the pores to cover the AAO with a metal /or alloy layer to support the nanowires structures (self-standing nanowires (SSNW)) after the dissolution of the aluminum substrate and AAO. c) SSNW substrates of Ni and Ni-Co alloys were anodically oxidized in SMS KOH. The Co content in these alloys was 0%, 10%, 25%, 35%, and 60%. The anodically grown layers were studied by GI-XRD, Raman, and cycling voltammetry(CV). Raman spectroscopy proved the successful synthesis of the solid solution of layered double oxyhydroxide NixCo1-xOOH for the anodized alloys containing up to 35% Co. Raman and CV suggested that the anodic layer formed on Ni-Co alloy with 60% Co has an additional phase of Co(OH)2. The capacity retention of the SSNW of 100% Ni was 40%. However, it increased with increased Co content (55% for 10 % Co-containing alloy and 80% for 60 % Co-containing alloys). Additionally, it is observed that a transition from faradaic towards peudocapacitive behavior occurs with the increase of the cobalt content of the alloy Results of the study indicated the potential of anodic oxidation in SMS-KOH for producing electroactive Ni and Ni-Co oxides directly on the support metal. The produced materials showed comparable and/or higher electrochemical performance than the ones given in the literature.
Farklı asitlerle yapılan anodik oksidasyon işlemlerinin 2024 ve 7075 alüminyum alaşımlarının korozyon direncine etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Kozan, Yusuf Tolunay ; Arısoy, Cevat Fahir ; 800568 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı

Çalışmada, üstün mekanik ve kimyasal özelliklerinden dolayı havacılık sektöründe gövde ve kanat yapılarında yoğun olarak kullanılan 2024 ve 7075 serisi alüminyum alaşımlarının korozyon dirençleri üzerine deneyler yapılmıştır. Bu iki farklı alüminyum alaşımından hazırlanan test numuneleri 3 farklı anodizasyon yöntemi ile kaplanmıştır. Bu kaplama ile numunelere kazandırılan korozyon direnci kabiliyetleri karşılaştırılmıştır. Bu üç yöntem Kromik Asit Oksidasyon, Tartarik Sülfürik Asit Oksidasyon ve Borik Sülfürik Asit Oksidasyon yöntemleridir. Dünyanın önde gelen havacılık şirketleri geçtiğimiz yıllarda kromik asit yardımıyla yapılan oksidasyon işlemlerinin oranlarını günden güne azaltarak yerine Tartarik Sülfürik Asit Oksidasyon ve Borik Sülfürik Asit Oksidasyon yöntemlerinin kullanım oranını artırmıştır. Bu değişimin sebebi, Kromik Asit Oksidasyon yöntemi sonucu çevreye salınan Cr (VI) miktarıdır. Bu metalin doğaya ve insan sağlığına olan zararları birçok uluslararası çalışma ve makale ile kanıtlanmıştır. Ayrıca Dünya Sağlık Örgütü ve Avrupa Birliği gibi dünya çapında etkinliği olan oluşumlar da Cr (VI) bileşiklerinin kanserojen doğası sebebiyle bu kimyasalın kullanıldığı eylemlerde sert regülatif yaptırımlar uygulanmakta. Bu sebeple sanayide kullanımı da günden güne azalmakta. İçinde bulunulan bu güncel durum sonucu Kromik Asit Oksidasyon yöntemine alternatif bir kaplama yöntemi belirlenmesi elzem olmuştur. Bu yöntemi belirlemek için dünya çapında yoğun olarak uygulanmaya başlanan iki farklı alternatif olarak karşılaşılan Tartarik Sülfürik Asit Oksidasyon ve Borik Sülfürik Asit Oksidasyon yöntemleri belirlenmiştir. Deneyler öncesinde ilk işlem numunelerin kaplanması ve boyanması aşamalarıdır. 2024 ve 7075 serisi alüminyum levhalar Kromik Asit Oksidasyon, Tartarik Sülfürik Asit Oksidasyon ve Borik Sülfürik Asit Oksidasyon olmak üzere 3 farklı kaplama yöntemiyle işlem görerek toplamda 6 farklı numune grubu oluşturulmuştur. Ardından bu numunelerin bir kısmı gerekli testlerde kullanılmak üzere boyanmıştır. Oksidasyon işlemleri tamamlanan test numuneleri, yapılacak deneylere uygun olarak yalnızca kaplama veya kaplama ve boyama şeklinde işlem görmüşlerdir. Yalnızca kaplama uygulanmış numunelere görsel muayene, kaplama ağırlığı, kaplama kalınlığı, korozyon direnci ve XRD analizi gibi testler uygulanırken; kaplama ve boyama işlemi uygulanmış olan numunelere metalografiik analiz, optik mikroskop incelemesi ve boya tutunması gibi incelemeler yapılmıştır. Çalışmada korozyon direncinin yanı sıra, korozyon direncine etki edecek olan kaplama ağırlığı, kaplama kalınlığı ve boya tutunması özellikleri de incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Bu parametrelerle beraber SEM ve XRD kullanılarak yüzey ve kesit analizleri, kristal yapılardaki değişimler ve farklılıklar, faz dağılımları ve kristal boyutları incelenmiştir. Numunelerin boya tutunma kabiliyetleri deney sonucu için önem arz eden parametrelerinden biridir. Bu kabiliyeti ölçmek için uygulanan deney TS EN ISO 2409 standardına uygun olarak yapılan çapraz çizik testidir. Test her iki alüminyum serisinin 3 farklı kaplama yöntemi ile kaplanan numunelerine uygulanmıştır. Deneyin her bir numune için üst düzey başarı ile sonuçlandığı görülmüş ve boya tutunmasının üç kaplama yöntemi için de yeterli seviyede olduğu belirlenmiştir. Deney sonucuna etki edecek parametrelerin başında gelen kaplama kalınlığı farklı yöntemlerle ölçülmüştür. İlk yöntem kaplama işleminin hemen ardından yapılan Eddy-Current yöntemidir.

Gözat

Başlık ile LEE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri