Grafen ve bor nitrür katkılarının titanyum diborür – titanyum karbür kompozitlerinin özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi

Abstract

Yüksek ergime sıcaklığı ve sertliğe sahip titanyum diborür (TiB2), nozul, elektrot malzemesi, aşınmaya dayanıklı ve yüksek sıcaklık koşulları gerektiren uygulamalarda kullanılan seramiklerden biridir. Yüksek ergime sıcaklığı, güçlü kovalent bağ yapısı ve düşük öz-difüzyon katsayısından kaynaklı olarak monolitik TiB2'nin sinterlenmesi oldukça zordur. TiB2 şekillendirmesini kolaylaştırmak ve tam yoğunlaşmış malzeme elde etmek amacıyla titanyum karbür (TiC) gibi ikincil fazlar eklenerek seramik matrisli kompozitler elde edilebilir. Bu tür seramikler kırılma tokluğunu iyileştirmede etkili olmayabilirler. Kırılma tokluğunu artırmak ve toklaştırma mekanizmalarını aktive etmek için TiB2 esaslı seramikler grafen nanoplaka (GNP) ve hekzagonal bor nitrür (hBN) gibi tabakalı katkı malzemeleri ile güçlendirilebilir. Buna ek olarak, içerdiği zayıf bağ kuvvetlerinden dolayı yağlayıcı özelliği taşıyan bu malzemelerin kompozit içerisinde takviye olarak kullanılması aşınma uygulamaları için gelecek vaat etmektedir. Bu çalışmanın ilk kısmında, TiB2 içerisine farklı hacim oranlarında (%10-30) TiC eklenen kompozitler, 1700 °C SPS sıcaklığında, 40 MPa basınç altında ve 5 dakika sinterleme süresi ile spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak üretilmiş ve numunelerin karakterizasyonları yapılmıştır. Ardından, en iyi "yoğunluk-mekanik özellik" kombinasyonuna sahip TiB2-TiC ikili kompozitine, GNP ve hBN olarak tabakalı malzeme eklenerek aynı yöntem ile üçlü bileşimden oluşan TiB2-TiC-GNP ve TiB2-TiC-BN kompozitleri üretilmiştir. Numuneler, yoğunluk ölçümü için Archimedes prensibi, faz analizi için X-ışını kırınımı (XRD), mikroyapı değerlendirmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak karakterize edilmiş ve farklı oranda TiC ilavesinin TiB2'nin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Monolitik TiB2'de teorik yoğunluğun %97'sine ulaşılabilmiştir. Hacimce %10, 15, 20 ve 30 TiC ilavesi ile TiB2-TiC ikili kompozitlerinin relatif yoğunluğu sırasıyla %99,2, %99,5, %99,9 ve %99,5 olarak ölçülmüştür. TiC katkısı TiB2'nin densifikasyon davranışını iyileştirmiştir. XRD analiz sonuçlarında toz ve sinterlemiş TiB2-TiC kompozitleri için TiB2 ve TiC dışında herhangi bir faz oluşumu gözlenmemiştir.