B4C-ZrB2 kompozitlerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

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