LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 28
-
ÖgeAlFe2B2 MAB fazında krom (Cr) ve vanadyum (V) ikamelerinin malzeme özellikleri üzerindeki etkileri: Deneysel destekli modelleme çalışması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-10-16)Geçiş metallerinin borürleri, yüksek sertlik, kimyasal dayanıklılık ve yüksek ergime sıcaklıkları gibi belirgin özellikleri sayesinde mühendislik ve teknolojik uygulamalarda önemli bir malzeme sınıfı olarak öne çıkmaktadır. MAB (M: geçiş metali, A: genellikle IIIA veya IVA grup elementi, B ise bor) fazları olarak adlandırılan nano ölçekli tabakalı yapıya sahip geçiş metal borürleri, son yıllarda benzersiz özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu bağlamda, kapsamlı araştırmalara konu olan AlFe2B2 MAB fazı, oda sıcaklığına yakın bir manyetokalorik etki göstermekte olup, manyetik soğutma ve manyetokalorik enerji dönüşümü uygulamaları için potansiyel bir aday olarak değerlendirilmektedir. Manyetokalorik etki, malzemenin dış bir manyetik alan altında iken sıcaklığındaki değişimle ilişkilidir; bu etki, manyetik alan uygulandığında ısınma, kaldırıldığında ise soğuma şeklinde gözlemlenmektedir. AlFe2B2, manyetokalorik etkisi ile ön plana çıkmakla birlikte, bir üçlü geçiş metal borürü olarak yüksek sertlik ve rijitlik gibi üstün mekanik özellikler de sergileme potansiyeline sahiptir. Bu sebeple, AlFe2B2'nin hem manyetokalorik etkisi hem de mekanik özellikleri üzerine hesaplamalı (modelleme) ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak, hesaplama ve deneylerin birlikte ele alındığı çalışmaların sayısı fazla değildir. Bu iki yaklaşımın birleşimi, malzemenin davranışını daha kapsamlı bir şekilde anlamak ve uygulama potansiyelini daha doğru bir şekilde değerlendirmek için kritik bir yöntem sunmaktadır. Bu çalışma, hesaplamalı ve deneysel olarak iki kısıma ayrılmaktadır. Hesaplamalı kısımda, AlFe2B2 MAB faz bileşiğindeki Fe elementi, bileşikten belli oranlarda (at%12.5, at%25, at%50) eksiltilmiş ve yerine dördüncü alaşım elementi olarak Cr veya V eklenmiştir. Bu şekilde AlFe2B2 esaslı yeni borürler elde edilmiştir. Borürlerin elektronik yapı (bant yapısı, toplam durum yoğunluğu, kısmi durum yoğunluğu, alfa ve beta durum yoğunluğu, yük yoğunluğu dağılım haritaları ve Mulliken bağ popülasyonu), kimyasal bağlanma ve mekanik özellikleri (elastik sabitler, elastik modüller, teorik Vickers sertliği, Poisson oranı, Cauchy basıncı, Pugh oranı ve elastik anizotropi) yoğunluk fonksiyonel teorisi (Density Functional Theory, DFT) hesaplamalarıyla analiz edilmiştir. Ayrıca, mekanik özellikler kapsamında elastik Debye sıcaklığı da incelenmiştir. Hesaplamalı çalışmalar, Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) formundaki genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (Generalized Gradient Approximation, GGA) ile CASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package) kodu ve pseudopotansiyeller kullanılarak gerçekleştirilmiştir. AlFe2B2, AlFe1.5Cr0.5B2 ve AlFe1.5V0.5B2 borürleri metalik ve iletken özellikler göstermiştir. Ayrıca, AlFe2B2 ve AlFe1.5Cr0.5B2 borürleri manyetik özellik sergilerken, AlFe1.5V0.5B2'de manyetik özellik tespit edilmemiştir. Borürlerin bağlanmasında metalik, iyonik ve kovalent olmak üzere üç temel kimyasal bağın önemli katkılar sağladığı görülmüştür. Özellikle, B-B arasında kuvvetli kovalent bağlar, geçiş metali (Transition Metal, TM)-B arasında iyonik-kovalent bağlar ve TM-TM arasında metalik bağlar, kovalent etkileşimlerle birlikte gözlemlenmiştir. Tüm borürlerde C11 elastik sabitinin C22 ve C33 elastik sabitlerinden büyük olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, borürlerin a-ekseni boyunca uygulanan basınca karşı b ve c eksenlerine göre daha yüksek bir dayanım sergileyeceğini göstermektedir. Ayrıca, C11 elastik sabitinin büyüklüğü, tüm kristallerde a-ekseni boyunca kuvvetli B-B bağlarının varlığını ortaya koymaktadır. AlFe(2-x)TMxB2 (x= 0–1; TM= Cr, V) sisteminde, x değerleri 0.25 ve 0.5 olduğunda, vanadyumun, kroma kıyasla rijitlikte (daha yüksek Young modülü ile sonuçlanan) daha büyük bir artışa neden olduğu tespit edilmiştir. Ancak, x=1 olduğunda artan krom miktarına bağlı olarak rijitlikteki artış devam ederken, vanadyumda ters bir eğilim gözlemlenmiştir. Ayrıca, dördüncü alaşım elementinin artan varlığı ile izotropinin arttığı görülmüştür. Dahası, izotropideki artışta kromun vanadyumdan daha etkili olduğu fark edilmiştir. AlFeCrB2'nin en yüksek elastik modüllere (bulk, kayma ve Young modülü), teorik Vickers sertliğine, elastik Debye sıcaklığına ve en düşük elastik anizotropiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Deneysel kısım, AlFe2B2 MAB faz bileşiğinin üretim ve karakterizasyonunu kapsamaktadır. AlFe2B2 MAB faz bileşiği kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) ve vakum ark ergitme teknikleri birleştirilerek üretilmiştir. Üretiminin ilk aşamasında, genellikle tercih edilen yöntemlerden farklı, enerji açısından verimli ve hammadde olarak metal oksit tozlarının kullanılmasına imkan sağlayan, dolayısıyla maliyet açısından da etkin bir yöntem olan SHS tekniği kullanılmıştır. SHS tekniği ile AlFe2B2 ve FeB (ferrobor) üretilmiştir. SHS öncesinde kullanılacak hammaddelerin molar oranlarını belirlemek ve adyabatik sıcaklığı tayin edip reaksiyonun kendiliğinden ilerleyip ilerlemeyeceğini öngörmek için FactSageTM 7.1 termokimyasal modelleme yazılımından yararlanılmıştır. SHS ürünündeki AlFe2B2 konsantrasyonunu arttırmak amacıyla, AlFe2B2 fazının oluşumu için gerekli alüminyum (Al) miktarından sırasıyla %50 ve %100 daha fazla Al eklenerek vakum ark ergitme tekniğiyle iki farklı numune elde edilmiştir. Üretilen numuneler, x-ışını floresansı (XRF), x-ışını kırınımı (XRD), optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), enerji dağılımlı x-ışını spektrometresi (EDS) ve nanoindentasyon testi ile karakterize edilmiştir. Üretilen iki numunede de AlFe2B2 oluşumu gerçekleşmiştir. Fazladan eklenen Al miktarındaki artışın, AlFe2B2 fazının oluşumunu desteklediği gözlemlenmiştir. AlFe2B2 fazının mekanik özellikleri, nanoindentasyon testi ile incelenmiştir. Fazladan %100 Al eklenen numunedeki AlFe2B2 fazına ait bölgeden yapılan beş ölçümde, sertlik değerlerinin ortalaması 1248.784 Vickers (12.25 GPa) ve Young modülü ortalaması ise 284.130 GPa olarak bulunmuştur. Bu ölçümlerde, sertlik ve Young modülü değerlerinin, her iki özellik için de ölçüm noktaları arasında oldukça tutarlı olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, malzemenin test edilen AlFe2B2 faz bölgesindeki homojenliğini göstermektedir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçların, hesaplamalı çalışmalardan elde edilen bulgularla uyum gösterdiği tespit edilmiştir. Simüle edilmiş AlFe2B2 pikleri ile deneysel çalışmalara ait AlFe2B2 pikleri arasında yakın bir uyum görülmüştür. Ayrıca, DFT hesaplamaları ile elde edilen Young modülü ve sertlik değerleri, deneysel bulgularla karşılaştırılmış ve sertlikte %74.7, Young modülünde ise %81.3 oranında bir uyum tespit edilmiştir. Bu yüksek uyum, DFT hesaplamaları ile deneysel sonuçlar arasında dikkat çekici bir paralellik olduğunu göstermekte ve bu malzemenin mekanik özelliklerine yönelik gelecekteki çalışmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
-
ÖgeUzun karbon elyaf takviyeli poliamit 6 esaslı kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025-01-29)Uzun ve sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozitler (CFT), yüksek dayanıklılık ve mukavemetleriyle tanınan ileri mühendislik malzemeleridir. Bu kompozit malzemeler, uzun ve sürekli elyafların termoplastik bir matris içinde yerleştirilmesiyle üretilir ve kısa elyaf takviyeli kompozitlere kıyasla üstün mekanik performans sergilerler. Ayrıca üretim süreçlerinin hızlı ve maliyetlerinin düşük olması, geri dönüştürülebilirlik ve kolay işlenebilirlik özellikleri dolayısıyla bu kompozitler otomotiv ve havacılık gibi çeşitli sektörlerde öncelikli olarak kullanılmaktadır. Bu kompozitlerin üretiminde, toz impregnasyonu, termoplastik gövdeye fiber emdirme (FIT©:Fiber impregnèe Thermoplastique) malzemesi, elyaf ipliklerinin birbirleri ile karıştırılması (commingled fiber), çözelti impregnasyonu ve eriyik impregnasyonu gibi çeşitli üretim yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemler içinde eriyik impregnasyon metodu, kimyasal işlem gerektirmediği ve üretim hızının yüksek olması nedeniyle teknik uygulamada en çok tercih edilen yöntemdir. Buna rağmen kullanılan bu ana üretim metoduna alternatif üretim yöntemlerinin araştırılmasına devam edilmektedir. Bu araştırmalar çoğunlukla impregnasyon kalitesini arttırmak için yeni kalıp dizaynına yöneliktir. Kalıp dizaynında kalıp içi pimlerin geometrisi ve konfigürasyonu araştırılan en önemli parametrelerdir. Bu çalışmada uzun karbon elyaf takviyeli poliamit 6 (PA 6) kompozitlerin üretimi amacıyla çeşitli pim konfigürasyonları içeren özel bir impregnasyon kalıbı tasarlanmıştır. 4140 kalite ıslah çeliğinden imal edilen bu ataçman çeşitli pim konfigürasyonarı içeren özel bir impregnasyon kalıbıdır. Kompozit üretim sürecinde kullanılan pim konfigürasyonları; dar silindir, dar-geniş silindir ve dar silindir-konveks pimlerden oluşmaktadır. Bu konfigürasyonlar kullanılarak kompozit peletler üretilmiş ve elde edilen peletlerin mikroyapıları optik mikroskop kullanılarak incelenmiştir. Mikroskop görüntüleri, ImageJ programı ile analiz edilerek impregnasyon alanı belirlenmiştir. Bu alan verileri kullanılarak Gebart denklemi aracılığıyla elyafların geçirgenlikleri hesaplanmıştır. Yapılan analizler sonucunda, dar silindir konfigürasyonunun diğer konfigürasyonlara kıyasla elyaf demetinin geçirgenliğini önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir. Spesifik olarak, dar silindir konfigürasyonu, dikey yönde (K⊥) 1,81 x 10⁻¹¹ m² ve yatay yönde (K||) 0,78 x 10⁻¹¹ m² değerleri ile en yüksek geçirgenliği sağlamıştır. Bu bulgular, dar silindir konfigürasyonunun elyaf demetinin impregnasyon sürecine katkıda bulunduğunu ve bu konfigürasyonun kompozit üretiminde daha etkili bir sonuç verdiğini göstermektedir. Bu nedenle, sonraki çalışmalarda da dar silindir konfigürasyonu tercih edilerek kompozit üretimine devam edilmiştir. Tez çalışmasında yukarıda açıklanan deneylere ek olarak üretilen malzemede, PA6 matrisi ile ara yüzeyin bağlanmasını artırmak için uzun karbon elyaflara su bazlı bir yüzey işlemi uygulanmıştır. Bunun için, elektrokimyasal oksidasyon sonrasında karbon elyaf yüzeyine polietilen imin (PEI) ve karboksimetil selüloz (CMC) çapraz (crosslink) bağlama ile kaplanmıştır. Oluşturulan kompozit malzemenin ıslanabilirlik özelliğini iyileştirmek için yapılan PEI-CMC kaplama sayesinde karbon elyaf/su temas açısı 111,69°'den 26,42°'ye düşürülmüştür. Islanabilirlikteki bu belirgin iyileşme, ara yüzey mukavemetinde %164,8 artışa yol açmış ve PEI-CMC kaplaması uygulanan karbon elyaflar (CF) için ara yüzey mukavemeti 26,7 MPa olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak, ortalama çekme ve eğme mukavemeti, PEI-CMC kaplamalı CF/PA6 kompoziti için sırasıyla 209,6 MPa ve 378,3 MPa'dan 250,3 MPa ve 422,7 MPa'ya %19,3 ve %11,7 oranında artmıştır. Su bazlı yüzey işlemi uygulanmış ve uygulanmamış numunelerde hasar mekanizmasını ve de üretim kalitesinin tespiti için çekme deneylerinden elde edilen numunelerin kırık yüzey morfolojileri incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) metodu ile yapılan bu incelemelerde uygulanan tek adımlı elektrokimyasal oksidasyon sonrası su bazlı kaplama prosedürünün yüksek performanslı uzun fiber takviyeli termoplastik kompozitlerin üretiminde diğerlerine göre daha mukavim yapılar oluşurduğunu göstermiştir. Deneysel çalışmalar çerçevesinde üretilen kompozit malzemelerin üretiminde temel adım olan karbon elyafın üzerine su bazlı PEI-CMC kaplamasının kalitesi FTIR, XPS ile analiz edilmiştir. Bu işlemlerde tezde gerçekleştirilen çapraz kaplamanın başarı ile uygulandığı ispatlanmıştır. Bu tez çalışmasında üretilen kompozit malzemenin ara yüzeylerinin iyileştirilmesi için elektrokimyasal oksidasyon ile beraber elektroforetik biriktirme yöntemi (EPD) de kullanılmıştır. Elektrokimyasal oksidasyon CF'lerin elektroliz yoluyla anodik oksidasyonudur. EPD ise elektroliz yoluyla MWCNT-COOH (karboksil bağlı karbon nanotüpler) anodik olarak CF üzerinde biriktirilmesidir. Karbon elyaflar, oksitlenme ve MWCNT-COOH ile elektroforetik kaplama yöntemleri kullanılarak başarılı bir şekilde modifiye edilmiştir. FTIR ve Raman spektroskopisi analizleri, oksitlenme sürecinin ve MWCNT-COOH kaplamasının etkili bir şekilde gerçekleştirildiğini doğrulamaktadır. Bu modifikasyonlar sonucunda, karbon elyafların yüzeyindeki fonksiyonel grup yoğunluğunda belirgin bir artış gözlemlenmiş ve su ile ıslanma temas açısının 43,6°'ye düştüğü tespit edilmiştir. Mekanik performans açısından, MWCNT-COOH modifiye edilmiş karbon elyafların (CFcnt) arayüzey bağ dayanımı TFB (Transversal Fiber Bundle) dayanımı %203 oranında artarak 30,5 MPa değerine ulaşmıştır. Mekanik Analiz sonuçları, CFcnt'nin çekme dayanımının %36,6 oranında artış göstererek 286,4 MPa değerine yükseldiğini, 3-nokta eğme dayanımının ise %25,8 artış ile 476 MPa'a ulaştığını ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, ara yüzey bağı ve yük transferi açısından belirgin iyileşmelerin olduğunu göstermektedir. MWCNT-COOH kaplanmış numunelerin hasar analizini gerçekleştirmek için çekme testi sonrası hasarın meydana geldiği yüzeyin morfolojik incelemesi SEM analizi ile gerçekleştirilmiştir. Bu analiz neticesinde MWCNT-COOH kaplı numunelerin bir önceki aşamalarda üretilen yapılara göre daha mukavim olduğu gözlemlenmiştir. Her iki yöntemde de elde edilen yüksek mukavemetli ara yüzey bağı oluşması, iki temel faktörle açıklanabilir: Birincisi, oksitlenme ve su bazlı polimer veya CNT-COOH kaplaması sonrası oluşan OH ve NH gruplarının PA 6 polimerinin amino grupları ile kurduğu hidrojen bağlarının artması; ikincisi ise PA 6 polimer moleküllerinin kaplama tabakasına nüfuz ederek oluşturduğu mekanik yapışmadır. Bu etkileşimler, PA6/CNT-CF kompozitlerinin dinamik mekanik özelliklerinde önemli bir artışa yol açmıştır. Sonuç olarak, CF'lerin MWCNT-COOH ile fonksiyonelleştirilmesi, arayüzey bağlarının güçlenmesini ve kompozitlerin genel mekanik performansının ciddi şekilde iyileşmesini sağlamıştır. Bu tez çalışmasında uygun kalıp dizaynı ile karbon elyaflı kompozitlerde arayüzey bağlarının değişik yöntemler ile iyileştirilmesi ile daha mukavim ve karbon elyaf esaslı kompozitlerin daha verimli olarak üretilebileceği kanıtlanmıştır.
-
ÖgeEffect of galvanic coupling with TiN, TiAlN, and CrN coatings, and titanium to the corrosion of steels(Graduate School, 2023-10-27)Physical vapor deposition is a surface engineering technique, applied in low-pressure atmospheres. The deposition of the desired film takes place in several consecutive steps. A metal or alloy solid target is vaporized and ionized; and this metallic vapor is deposited onto the substrate, forming a dense, compact, and well-adhered film. Depending on the use of inert or reactive process gases, films with metallic or ceramic character (metals, alloys, mixtures, as well as transition metal oxides, nitrides, carbides, carbonitrides, oxynitrides, etc.) may be produced on metallic, ceramic or polymeric substrates. The technique was first commercialized in the 1970s and is now applied industrially for many applications, such as prolonging the life performance of cutting and drilling tools, and surgical instruments by improving wear and tribo-corrosion resistance, solar collectors and decorative applications by improving optical and visual properties. The transition metal nitrides produced with these methods are very hard and wear-resistant. Furthermore, their corrosion resistance is also high, especially in atmospheric and aqueous environments where structural materials are used frequently. Besides, they're also resistant to a wide range of acidic and alkaline aqueous electrolytes. Accordingly, PVD coatings were promising candidates for their corrosion protective ability, leading to many scientific and industrial studies. However, these investigations haven't yielded the expected protection due to the pores or defects reaching the substrate. Unless the substrate is corrosion-resistant, coatings produced with conventional methods can't fulfill the desired corrosion protection. Among transition metal nitrides, the most commonly used are single-element nitrides such as titanium nitride (TiN) and chromium nitride (CrN) or multi-element nitrides such as titanium aluminum nitride (TiAlN). Current efforts to increase the corrosion protective ability of PVD-coated substrates focus on the deposition of multi-layered coatings, deposition of a corrosion-resistant interlayer, and methods to eliminate porosity in coatings. According to the current state-of-art, the main factor limiting the corrosion protection ability of these coatings is these pores and substrate corrosion within these pores. The cathodic or anodic character of the coating compared to the substrate is expected to accelerate or inhibit the substrate's corrosion, due to the galvanic interactions occurring beneath the pores (similar to the zinc or tin coatings on steel). Noble and electrically conductive transition metal nitrides are generally considered to accelerate substrate corrosion due to the galvanic effects. However, there is a lack of comprehensive research in the literature regarding these acceleration effects on substrate corrosion. Furthermore, in the case of a noble coating on a substrate, the acceleration of the corrosion rate due to the galvanic effect doesn't depend solely on the potential difference between the corrosion potentials but also on the cathodic reaction rate of the cathode material. This thesis aims to investigate the extent of galvanic interaction between the three common transition metal nitride coatings (TiN, CrN, and TiAlN) and different substrates (steel and stainless steel). These three coatings were selected to study the effect of nitride type on these interactions. Moreover, the effect of galvanic interaction between the substrate and metallic interlayer which is used to improve adhesion to the substrate, was also considered by the metallic titanium-steel galvanic couple that is common for titanium-based coatings. The selected coatings were deposited on inert substrates by the cathodic arc PVD method. They were used to determine the inherent anodic and cathodic behaviors of the coatings and the galvanic interactions with the substrates without being affected by an additional substrate effect. TiN and CrN were deposited on alumina substrate at 80 A cathode current with 150 V bias using a Ti and Cr cathode, respectively. TiAlN coatings were deposited using a TiAl (75:25) cathode at 60 A cathode current with 50 V bias. In the first experimental section (Chapter 5.1), the interaction between the nitride-based coating and steel substrate is investigated. For the first two chapters, two different electrolytes were selected to represent the solution properties during corrosion in localized defects: an aerated (fixed oxygen-concentration), neutral and chloride-containing electrolyte, and a deaerated, acidic and chloride-containing electrolyte. The uncoupled electrochemical behavior of the electrodes was determined by OCP measurements and potentiodynamic polarization. EIS measurements at OCP and Mott-Schottky analysis on the coatings were also conducted. Galvanic behavior may be determined by the combination of polarization diagrams or by zero-resistance-ammeter (ZRA) and both techniques were used in this study. Moreover, EIS measurements at a potential corresponding to galvanic couple potential were obtained from the coatings. Results showed that the galvanic interactions with the nitride coatings significantly accelerate the steel substrate's corrosion rate in aerated neutral electrolyte but don't cause a significant contribution in deaerated acidic electrolyte. This may be explained by the cathodic reaction kinetics on the coatings: in acidic solutions where the cathodic reaction is hydrogen ion reduction, the high binding energy between the adsorbed hydrogen to the nitride surface caused slow reactions that were supported by the DFT calculations from the literature. The effect of nitride type and their respective charge carrier concentrations are significant for their performance during galvanic interactions. The acceleration of self-corrosion in the substrate adjacent to the coatings was verified by the immersion of cross-section samples. Accordingly, the low charge carriers in CrN led to slower reaction kinetics and caused less dissolution at the CrN coating-steel interface than the interface of TiN coated-steel or TiAlN coated-steel. In the second experimental section (Chapter 5.2), the interaction between the nitride-based coating and stainless steel substrate is studied. The common corrosion type for stainless steel is pitting corrosion in many of the corrosion testing environments. Therefore, firstly the pitting potential of the stainless steel was determined by the polarization curves. Then, the possibility of the stainless steel's potential being shifted to this pitting potential under the effect of galvanic coupling with nitride coatings is explored. Experiments showed that the couple potentials lie below the pitting potential of the stainless steel in both electrolytes and that galvanic interaction with the nitride coatings would not cause significant damage under the testing environments used in the study. The steady-state galvanic currents are low (in the range of 1±0.5 μA/cm2) for TiN, TiAlN, and CrN coatings. These results highlighted the importance of the substrate's inherent corrosion resistance along with the cathodic reaction kinetics on the coatings. Under these experimental conditions, galvanic coupling with the nitride coatings didn't cause pitting of the stainless steel. In the third experimental section (Chapter 5.3), the interaction between the titanium interlayer and steel substrate is investigated. For this purpose, galvanic corrosion experiments were conducted between the metallic titanium and steel. It was observed that titanium can readily self-activate in acidic electrolytes where pH <2 and act as the anode of the titanium-steel galvanic couple. The degradation of the titanium's native oxide is a function of pH: the activation time at pH 0 is very fast (11 min) whereas it increased to 115 min at pH 0.5 and to 400 min at pH 1. Interestingly, the activation is significantly accelerated under cathodic polarization impressed by galvanic coupling. These were 22 min at pH 0.5, 32 min at pH 1, and 60 min for pH 2 which didn't exhibit reversal at OCP for 10 hours. Consequently, potentiostatic polarization experiments were conducted to study the effect of cathodic potential on the oxide degradation times, causing both chemical and electrochemical dissolution. During galvanic coupling experiments in electrolytes with higher pH, the titanium acted as the cathode of the titanium-steel galvanic couple, but the slow cathodic reactions on the titanium cathode produced very limited currents, thus, the effect on the steel's corrosion was not pronounced. This chapter determined that the behavior of the titanium-steel couple was pH-dependent; the steel substrate may act as the cathode of the galvanic couple; and the titanium's protective oxide degradation was accelerated by the induced cathodic polarization during the galvanic coupling.
-
ÖgeDesign and production of biomass-derived anode active materials for lithium ion batteries(Graduate School, 2024-12-24)As technology advances, societies have seen a rise in energy demands, leading to a heavy reliance on fossil fuels to meet this growing need. However, the carbon dioxide and greenhouse gases released during these processes have contributed to global warming and climate change, becoming increasingly significant issues. According to the 2023 report by the U.S. Environmental Protection Agency, the largest portion of greenhouse gas emissions—28%—comes from gasoline and diesel transportation. In response, many countries have implemented policies to promote the widespread adoption of electric vehicles (EVs) as a means to mitigate the climate challenges posed by greenhouse gas emissions. The two most critical factors influencing the adoption of electric vehicles are the range per charge and the charging time, both of which are directly tied to the lithium-ion batteries used in these vehicles. To support the sustainable growth of electric vehicles, it is also essential that the components of lithium-ion batteries are sourced sustainably. Graphite is the predominant anode material used in commercial lithium-ion batteries. With its high electrical conductivity, graphite is valuable across various industries and is listed among the Critical Raw Materials by the European Union. However, as the demand for electric vehicles rises, experts predict a shortage of graphite supply beginning in 2026. Therefore, finding environmentally friendly and sustainable alternatives that can perform similarly to graphite is becoming increasingly crucial. This thesis aims design and production of an anode active material for lithium-ion batteries using rice husk, an organic waste. Rice husk is a promising alternative to graphite due to its high silica content and worldwide annual production. However, the electrochemical performance of silica-based materials is often limited by their poor electrical conductivity. To enhance their performance, strategies such as reducing particle size to shorten the lithium diffusion path or creating composites with materials that have higher electrical conductivity can be employed. In this thesis, submicron silica particles and SiOx/C nanocomposite biochars were synthesized using wet chemical methods and fast pyrolysis by induction heating. High During pyrolysis the organic components in rice husk decomposes and produces reducing gases such as CO, CH4, and H2, which partially reduce the silica to SiOx. The high heating rates promote the formation of these reducing gases. For the first time in the literature, rice husk-derived anode active materials are synthesized using fast pyrolysis with induction heating. This study is significant because it has the potential for scalability and commercial application. In the first part of the experimental studies, submicron silica particles were produced using leaching and precipitation methods using rice husk. The effects of pre-calcination, the solid-to-liquid ratio, and the addition of ethanol as a co-solvent on the silica particle sizes were examined. In this process, both rice husk and rice husk ash were dissolved in a sodium hydroxide solution to obtain a sodium silicate solution, which is commonly used in silica production. By utilizing organic waste to derive the sodium silicate solution, the process aimed to reduce the overall carbon footprint. In the next stage of production, sulphuric acid was added to the sodium silicate solution to precipitate silica particles at a pH of 7. The resulting samples were characterized based on their structural, morphological, and electrochemical properties. FTIR and XRD analyses confirmed the existence of Si-O bonds and the amorphous silica structure. SEM images revealed that the particles were irregularly shaped and agglomerated. The sample that underwent calcination before leaching, with a solid-to-liquid ratio of 1/20 and no ethanol added, exhibited the smallest particle size. It was noted that low solid-to-liquid ratio leads to low SiO2/Na2O ratio, which is the key parameter to control particle growth. Moreover, adding ethanol increased particle size and shifted the distribution from monodisperse to polydisperse. This shift was attributed to the immiscibility of sodium silicate in ethanol, which led to local supersaturations. The sample with the smallest particle size delivered discharge capacities of 503, 167, and 145 mAh/g at the 1st, 100th, and 200th cycles, respectively. The improvement in electrochemical performance was attributed to the shorter lithium diffusion path. Additionally, the capacity drop observed after the 1st cycle in all samples is attributed to the formation of the solid electrolyte interface (SEI) layer and irreversible lithium silicates. In the second part of the experimental studies, SiOx/C nanocomposite biochar samples were synthesized using rice husk via induction-heated fast pyrolysis method with the aim of preserving the maximum carbon content to improve electrical conductivity. Three different pyrolysis temperatures (specifically, 700-750-800 °C) and two pyrolysis atmospheres (argon and argon-hydrogen mixture) were tested. Additionally, the sample with the highest carbon content was ball milled to reduce its particle size and achieve a more homogeneous elemental distribution. FTIR analysis confirmed the successful synthesis of silica, revealing the presence of Si-O-C, Si-O-Si, and Si-O bonds. XRD patterns showed that samples pyrolyzed at temperatures below 800 °C exhibited an amorphous phase, while above this temperature, crystallization began, and the cristobalite phase was formed. SEM images indicated that the samples had irregular morphologies; however, milling after pyrolysis resulted in smaller, more spherical particles. Raman spectroscopy confirmed the presence of both defective and graphitic carbon structures. As the pyrolysis temperature increased, the ratio of graphitization also increased, and milling further increased the ID/IG ratio by introducing additional defects into the structure. XPS analysis confirmed the formation of SiOx, displaying peaks of Si+2, Si+3, and Si+4 in the Si 2p spectrum. TEM images showed that silicon-rich particles were uniformly distributed within the carbon matrix. The pyrolysis conducted at 700 °C in the argon atmosphere resulted in the highest carbon content as 41.3 wt.% and delivered the best electrochemical performance as 1366, 340, and 275 mAh/g in the 1st, 100th, and 200th cycles, respectively. An increase in carbon content was associated with improved electrochemical performance. However, all samples exhibited a drop in capacity after the first cycle, attributed to the formation of the solid electrolyte interphase (SEI) layer and irreversible lithium silicates.
-
ÖgeMangan alüminyum mıknatıslarının spark plazma yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-11-28)Kalıcı mıknatıslar günümüzde ulaşım cihazları, biyomedikal cihazlar, elektrik enerjisi üretim cihazları gibi çeşitli uygulama alanlarında kullanılması ve uygulama alanlarının artması nedeniyle en önemli ileri teknolojik araştırma konuları arasında yer almaktadır. Mn-Al alaşımları, manyetik özelliklerinden dolayı önemli alaşımlardır ve kalıcı mıknatıslar olarak tanımlanmıştır. Bu alaşım manyetik özelliklere sahiptir ve nispeten düşük bir maliyetle üretilebilir. Mn-Al alaşımları, nadir toprak mıknatıslarına ve sert ferritlere bir alternatif olabilir ve umut verici bir geleceğe sahiptir. Bu nedenle, bahsedilen benzersiz özellikler nedeniyle Mn-Al kalıcı mıknatıslar üzerinde geleneksel kalıcı mıknatıslara alternatif olarak birden fazla çalışma yapılmış ve literatürde yayınlar bulunmaktadır. Mn-Al mıknatıslar, birçok araştırmacı tarafından çeşitli üretim yöntemleri kullanılarak hazırlanmıştır. Ancak Mn-Al mıknatısların spark plazma sinterleme ile üretildiğine dair çalışmalar nispeten azdır. SPS, geleneksel tekniklere kıyasla malzemelerin daha düşük sıcaklıkta ve daha kısa sürede yoğunlaşmasını mümkün kılar. Bu yöntemde, darbeli bir doğru akım, tek eksenli bir basınçla aynı anda grafit punçlardan, kalıptan ve tozlardan geçer, böylece hızlı ısıtma ile tane büyümesi engellenebilir ve yüksek sıcaklıkta yoğunlaştırma hızlandırılır. Ayrıca mikro yapı, daha hızlı ısıtma hızları ve daha kısa işlem süreleri sayesinde kontrol edilebilir. Bu çalışmada SPS yöntemi ile üretilen Mn-Al alaşımlarının sinterleme sıcaklığı, bekletme süresi ve basıncının; yoğunlaşma, ortalama tane boyutu ve manyetik özellikler üzerindeki etkileri gözlemlenmiştir. İlişkileri anlamak için Taguchi deney tasarımı kullanılmıştır. Taguchi yöntemi, yüksek kaliteli sistemlerin tasarımı için sağlam bir istatistiksel araçtır. Kontrol faktörleri ve gürültü faktörlerini kullanır ve ikisinin kombinasyonu ile deney tasarımını geliştirir. Taguchi yönteminin temel amacı, kalite özelliklerini iyileştirmek için proses parametre değerlerinin ayarlarını optimize etmektir. Optimizasyonun son adımı, parametre tasarımı tarafından önerilen optimum ayarlar etrafındaki toleransları belirlemek ve analiz etmek için kullanılan tolerans tasarımıdır. Bu çalışmanın kapsamı, fazına daha verimli bir şekilde ulaşmak için sinterleme parametrelerini (sıcaklık, tutma süresi ve basınç) optimize etmek ve sinterleme parametrelerinin yoğunlaştırma ve ortalama tane boyutu üzerindeki sonuçlarını anlamaktır. Bu çalışma kapsamında SPS ile üretilen 50 mm çapında ve 4 mm kalınlığında Mn-Al mıknatıslar kullanılmıştır. Toz karışımı XRD, partikül boyut analizi ile kontrol edilmiştir. Sinterleme işlemi öncesi kontaminasyon olup olmadığı anlaşılmıştır. Sinterleme sıcaklığı, tutma süresi ve basınç sırasıyla 700-800-900 °C, 60-300-600 sn, 30-40-50 MPa arasında ayarlanmıştır. Sıcaklık, zaman, basınç gibi parametreler 3 faktörlü ve 3 seviyelidir. Normalde bu 3 faktör ve 3 seviye toplam 27 deney gerektirir, ancak Taguchi'nin L9 tasarımı yardımıyla 27 deney 9 deneye düşürülmüştür. Son olarak ana etkiler grafikleri ve Taguchi tahminleri de yapılmıştır. XRF ile ölçülen malzemelerin bileşimi, XRD ile karakterize edilen faz analizi, optik mikroskop yardımıyla değerlendirilen tane boyutu tayini, SEM/EDS ile detaylı mikroyapıların incelenmesi, Arşimet yöntemi ile ölçülen yoğunluklar kontrol edilmiştir. Son olarak titreşimli numune manyetometresi ile manyetik özellikler analiz edilmiştir. Sonuç olarak, en yüksek yoğunluk değerleri yaklaşık %99 rölativ yoğunlukla (N6 800°C-600 s-30MPa) 5.24g/cm3'e ulaşmıştır. N6 numunesinin tane boyutu 137±18,1 µm'dir. Sinterleme parametrelerinin yoğunlaştırma, mikro yapı ve fazlar üzerindeki etkileri deneysel tasarım (Design of experiment DOE) ile izlendi. DOE yardımıyla daha yoğun malzeme ve daha düşük tane boyutlu numuneler üretilmiştir. Bu çalışma DOE'nin gücünü göstermek için güzel bir örnektir çünkü DOE'nin amacı süreci optimize etmektir. Minimum örneklem büyüklüğü ile istatistiksel hesaplamalar çalışmaları desteklemektedir. Ancak ilk denemede SPS ile manyetik özellikli numuneler üretilememiştir. fazına ısıl işlem yardımı ile ulaşılmıştır. Bununla birlikte, manyetik özellikler için en aktif parametre fazdır. Bu özel faza ulaşmak için numunelere farklı ısıl işlem uygulanmıştır. Sıcaklık ve soğutma yöntemi 450-650 °C arasında, hava soğutmalı-su soğutmalı olarak ayarlanmıştır. 2 faktörlü, 2 seviyeli Taguchi'nin L4 tasarımı 4 deneyle gerçekleştirilmiştir. Ana etki grafiği oluşturulmuştur. 650°C'ye ısıtılan ve hava ile soğutulan numune en iyi manyetik özellikleri göstermiştir. Isıl işlemlerden sonra iyileşen manyetik özellikler, faz analizi ile de doğrulanmıştır. Numunede fazına ulaşıldığı görüldü. Sonuç olarak, Mn-Al mıknatısların SPS ile üretimi geleneksel yöntemlere göre nispeten daha kolay bir şekilde yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, Mn-Al mıknatısların düşük sıcaklıklarda ve kısa sürede homojen, gözeneksiz, kararlı tane boyutuna sahip yapıda elde edilmesidir. Ancak ilk denemede SPS ile manyetik özellikli numuneler üretilememiş, manyetik özelliklere sahip numuneler ısıl işlem sonrası elde edilmiştir. Yüksek rölativ yoğunluk ve düşük ortalama tane boyutuna sahip, manyetik Mn-Al mıknatıslar SPS ile sinterlenmiştir.