Sızdırmazlık cam bileşimlerinin geliştirilmesi, farklı yöntemlerle şekillendirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Camlar antik çağlardan beri bilinmektedir, ancak hermetik malzemelerin elde edilmesi amacıyla camın kullanımı nispeten yeni olup, bu alanın gelişimi elektronik ve yarı iletken endüstrisinin büyümesiyle bağlantılıdır. Sızdırmazlık camları; bağlantı noktalarının, korozyon, aşındırıcılar, nem, titreşim ve sıcaklık dalgalanmaları gibi uygulandığı sistemin performansını düşüren ve/veya arızalanmasına sebep olan etkilerden korunması ve uzun ömürlü olmasının sağlanması açısından uzun yıllardır üzerinde çalışmaların devam ettiği malzemelerdir. Sızdırmazlık camlarının incelenmesi; cam bileşimlerinin tasarımı ve hazırlanması, yapışma ve difüzyon süreçleri gibi farklı konu başlıklarını ve ileri karakterizasyon tekniklerini birleştiren disiplinler arası bir araştırma alanıdır. Bu tür camların kullanımı, özellikle savunma sanayiindeki elektronik bileşenlerin, yakıt hücrelerinin, bataryaların sızdırmazlığı, diğer malzemelere hasar vermeden düşük sıcaklıkta birleştirme yapılabilen, operasyon süresince termal ve kimyasal kararlılık sağlayabilen enkapsülasyon-yapıştırma uygulamaları gibi alanlarda öne çıkmaktadır. Sızdırmazlık sağlanan/birleştirilen malzeme çeşitliliğine ve sistem gereksinimlerine göre cam bileşimleri ve formları da farklılık göstermektedir. Bu konuda yapılan uluslararası araştırma çalışmalarının çok geniş çerçevede olması tez çalışması için teşvik edici olmuştur. Bu tez kapsamında, hem yüksek sıcaklıkta faaliyet göstermesi beklenen cihaz, motor vb. yapılardaki elektrik-elektronik bileşenlerin sızdırmazlığı alanında kullanılabilen yüksek sıcaklık sızdırmazlık camları; hem de sensörler, implantlar, bazı batarya uygulamaları gibi düşük sıcaklıkta etkin sızdırmazlık beklenen sistemlerde kullanım yeri bulan düşük sıcaklık sızdırmazlık camları ile ilgili çalışılmıştır. Tez çalışması, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık sızdırmazlık camlarının geliştirilmesi olarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Yüksek sıcaklık sızdırmazlık camı ile ilgili çalışmalar kapsamında; baryum alkali silikat (5 farklı kompozisyonda) ve borosilikat esaslı cam fritler (3 farklı kompozisyonda) üretilerek, fritlerin karakterizasyonları X-ışınları kırınım difraktometre (XRD), diferansiyel termal analiz (DTA), yüksek sıcaklık viskozite, ısıl mikroskop optik dilatometre (HSM) teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen baryum alkali silikat ve borosilikat esaslı fritlerin presleme ve sinterleme ile şekillendirilmesi (cam preform hazırlanması) yapılmıştır. Numunelerin kristalografik yapıları ve ısıl genleşme katsayılarının sıcaklığa bağlı olarak değişimi irdelenmiş, sinterleme koşullarının numunelerdeki gözenekliliğe etkisi optik mikroskop incelemeleri ile ortaya konmuştur. Belirlenen optimum koşullarda hazırlanan numunelerde cam-metal kaynağı/birleştirmesi gerçekleştirilerek yalıtkanlık ve basınç testleri yapılmış, yüksek sıcaklıkta cam-metal birleştirme uygulamalarına yönelik sıkıştırmalı ve uyumlu tipte sızdırmazlık camları başarıyla geliştirilmiştir. Ara bir üretim aşaması olan sinterleme şartlarıyla morfolojik ve mekanik özelliklerin ilişkilendirilmesi amacıyla farklı koşullarda sinterlenen camların sinterleme sonrasındaki mekanik özellikleri (eğme dayanımları), bu camlar kullanılarak hazırlanan cam-metal birleştirilmiş numunelerin mekanik özellikleri (kayma dayanımları) ve cam-metal birleştirme sonrası taramalı elektron mikroskobu- enerji dağılımlı spektrometre (SEM-EDS) ile arayüzey kesit incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Camların üretim, sinterleme ve birleştirme sonrası faz analizleri yapılmış, amorf yapının korunduğu tespit edilmiştir. Cam-metal sızdırmazlık numunelerinin üretiminde, sinterleme esnasında yüksek gözeneklilik oluştuğunda birleştirme sonrasında da kabarcıkların büyüdüğü, ayrıca sinterleme sıcaklığı maksimum seviyelere ulaştığında cam preformların hem gözenekliliğinin arttığı hem de üzerinde difüzyon bariyeri işlevi gören sır benzeri tabaka oluştumu sebebiyle 316L paslanmaz çelik ile birleştirildiklerinde cam-metal ara yüzey tabakası kalınlığının azaldığı görülmüştür. Sinterleme şartları optimize edilerek cam preformların gözenekliliği azaltıldığında, hem preform halde hem de birleşme sonrasında mekanik dayanım artmıştır. Optimizasyon çalışmaları sonucu nispeten düşük sinterleme sıcaklıklarında çalışıldığında daha yüksek yüzey pürüzlülüğü elde edilmiş ve metal yüzeylerde daha düşük ıslatma açısı sağlandığı gözlemlenmiştir. Bu numunelerde cam-metal birleştirme sonrası arayüzeyde difüzyon gerçekleştiği ve ~6-8µm arayüzey tabakası oluştuğu tespit edilmiştir. Düşük sıcaklıklarda sızdırmazlık camlarının geliştirilmesi çalışmaları kapsamında, alkali oksit ve kurşun içermeyen bizmut çinko borat esaslı (BiZn) cam bileşimleri (4 farklı kompozisyon) hazırlanmış, termal, yapısal ve fiziksel özellikler DTA, dilatometre, HSM, yoğunluk, XRD ve fourier dönüşümlü kızıl ötesi (FTIR) spektrometre analizleri ile incelenmiştir. Hazırlanan camların farklı yüzeylerde (Al 1050 alüminyum, alümina seramik, alkali içermeyen borosilikat cam, 316L paslanmaz çelik, silikon) HSM analizleri ile ıslatma davranışları incelenmiştir. Camların birleştirme işleminin yapılacağı fırın ortamında hem oksitleyici (hava) hem de redükleyici (Ar/%5H2) atmosferde aluminyum (Al) ve cam alttaşlar üzerindeki ıslatma açıları LBADSA (Low-Bond Axisymmetric Drop Shape Analysis) eklentisi kullanılarak ImageJ programı yardımıyla ölçülmüş, redükleyici atmosferde ıslatabilirliğin arttığı gözlemlenmiştir. Hafifliği ve düşük maliyeti ile dikkat çeken alüminyum metali ile gerçekleştirilen çalışmalarda, en yüksek ıslatabilirliği V2O5 ve TeO2 ile katkılandırılmamış bizmut çinko borat cam numunesinin gösterdiği belirlenmiştir. Birleştirme uygulamasından önce alüminyum alttaşta yapılan oksidasyon işleminin, alüminyumun ıslanabilirliğini ve cam ile arayüzey etkileşimini artırdığı açıkça gözlemlenmiştir. Katkısız ve yüksek oranda TeO2 (koşullu cam yapıcı) katkılı bizmut çinko borat cam numuneler, cam alttaş yüzeylerde iyi ıslatabilirlik sağlamış, sonuçlar SEM-EDS kesit analizleri ile de doğrulanmıştır. Seçilen düşük sıcaklık cam bileşimleri macun haline getirilmiş ve 28 gün boyunca belirli periyotlarda viskozite değerleri, artan açısal hızlardaki ve anlık ölçümler esnasındaki viskoziteleri takip edilmiştir. Macun numunelerinin bağlayıcı tipi ve miktarı, katı/sıvı oranının uzun süreli viskozite davranışlarına ve cam-cam birleştirme sonrası birleşme dayanımına etkileri gözlemlenmiştir. Cam macunlar, akışkanlığını koruyabilmesi, tersinir tiksotropik davranış sergileyebilmesi, serigrafik uygulama kolaylığı ve birleşme dayanımı açısından değerlendirilmiştir. Ağ. %3 polivinil bütiral (PVB) bağlayıcı içeren, 80:20 katı/organik taşıyıcı oranındaki düşük sıcaklık bizmut çinko borat cam macunlarının uygulanabilir olduğu belirlenmiştir. Tez çalışması sonucunda, cam-metal birleştirme yapılabilen ve 1x10-6 atm cm3/sn.'den düşük helyum sızdırmazlığı sağlayan yüksek sıcaklık sızdırmazlık cam preformları; mekanik olarak dayanıklı cam-cam birleştirme sağlayabilen düşük sıcaklık cam macunları başarıyla geliştirilmiştir. Sızdırmazlık camlarının sinterleme davranışları, macun formunda hazırlanmaları ve bu üretim aşamalarının farklı malzemelerle nihai birleştirme-arayüzey performansına etkileri ile ilgili çalışmaların kısıtlı sayıda olması sebebi ile bu tez çalışması ile literatüre önemli katkılar sunulmuştur. Ayrıca çalışılan konu, elektronik paketleme gibi mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanım yeri bulduğundan tez çıktıları günümüz teknolojik uygulamaları açısından da önemlidir.