The reaction rate controlling steps and turbostatic-hexagonal structure transition in hBN synthesis

Abstract

Bor nitrür karbona olan benzerliği sebebiyle malzeme açısından, ilginç özelliklere sahip yüksek teknolojik bir malzemedir. Memleketimizde bulunan zengin bor cevherleri sebebiyle Türkiye açısından özel bir öneme sahiptir. vBor nitrürün ilk sentezinin ardından bu konudaki çalışmalar uzun bir süre laboratuar merakı olarak devam ettirilmiştir. Gelişmiş ülkelerde 197D'li yıllarda başlatılan ileri seramikler konusunda yapılan çalışmalar sırasında ise basınçsız olarak sinterlenmemesi sebebiyle diğer kovalent bağlı bileşikler gibi bir kenara terkedilmiştir. Daha sonraları çok yüksek sıcaklıklara ve basınçlara çıkabilen preslerin geliştirilmesiyle suni elmas üretilebilmiş ve bor nitrür tekrar ilgi odağı haline gelmiştir. Günümüzde ise yüksek sıcaklık yağlayıcısı yüksek sıcaklık yalıtkanı, pota malzemesi, vasıflı refrakterlerde katkı malzemesi, elektronik malzeme, inert astar vs. olarak kullanılmaktadır. Kübik haline dönüştürüldüğünde ise elmastan sonra bilinen en sert malzeme olarak kesici ve aşındırıcı şeklinde kullanılır. Bor nitrür, kompozit malzemelerde katkı malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Ancak kovalent bağlı olması sebebiyle sinterlenmesi için bazı katkı maddeleri gerektirmektedir. Sinterlenme mekanizmasının daha iyi anlaşılması için hekzagonal bor nitrürde kafes ve bağların oluşumu, kristalitlerin gelişimi gibi konuların aydınlatılabilmesi gerekmektedir.Kristal yapısında "a" ve "c" eksenleri boyunca oluşturulan bağların enerjilerinin birbirlerinden ol dukça farklı olduğu bilinmektedir. Farklı enerjilere sahip bağların oluşması için farklı sıcaklıklarda sağ lanan farklı aktivasyon enerjileri gerekecektir. Bor nitrür eldesinde kullanılan yöntemlerden, düşük maliyetli ürün üretilebilmesi sebebiyle, borik oksitin nitrürlenmesi metodu kullanılmıştır. Yapılan termodinamik hesaplamalar, borik oksitin yaklaşık 65D C'nin üzerinde amonyak tarafından nitrürlendiğini göstermiştir.

Boron nitride displays unique properties due to its similarity to carbon. In this thesis, the reaction progress during the nitridation of boric oxide was followed via thermal gravimetry analysis (TGA) and, later on, formation of the hexagonal lattice during crystallization heat treatment was studied. Thermodynamic analysis showed that nitridation is feasible above the melting point of boric oxide, hence, the usage of an inert filler was necessary to avoid the diminishment of the reaction interface. The TGA studies revealed that, under fixed bed conditions, the rate controlling steps are chemical reaction, flow through porous media (or mass transfer) and gas diffusion, respectively. Further studies revealed the effect of flow rate under constant condi tions and confirmed the thermodynamic calculations indicating the dissociation and shortage of ammonia as the temperature increases. The XRD analysis of the leached products revealed the formation of immature "turbostatic" crystal o structure which formed at around 1 DGD C synthesis temperature. This is probably due to the highly different bonding energies in "a" and "c" axis of the hexagonal lattice. The comparison of the (DD2) plane peak asymmetry of turbostatic BN and carbon yielded the conclusion that the interplanar spacing "d" belonging to (DD2) planes increases to the stable value during heat treatment above 1 35D C.