Synthesis Of The Bn-aln Composites By Carbothermal Reduction And Nitridition Of B4c-al2o3 Mixtures / Cem Çeliker

Abstract

Son yıllarda teknolojide hızlı ilerleme sonucu, kullanılacak malzemelerden istenen ve beklenen özellik ve performanslar da artış olmuştur. Her yeni gelişme ve yeni uygulama, çok özel kabiliyetleri olan malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Malzeme bilim ve mühendisliği bu gelişmelere paralel olarak hızla gelişmekte olup, hem gelişen teknolojilerin ihtiyacı olan malzemeler üretilmekte nemde geliştirilen yeni malzemeler sayesinde teknolojik alanda bazı yeni gelişmeler olmaktadır. Günümüzde seramik endüstrisi dünya ekonomisinin büyük bir kısmına hitap etmektedir. Elektronik, uzay havacılık, nükleer enerji çalışmalarında seramik malzemelerin kullanımı günden güne artmaktadır. Seramik malzemelerin geliştirilmesi performanslarının arttırılması ve üretimi yapılan malzemenin maliyet fiyatının düşürülmesiyle sağlanmaktadır. Teknolojinin hızla gelişmesine paralel olarak malzemelerin servis ortamlarında maruz kaldıkları şartlar da değişmektedir. Seramik malzemeler kullanım sıcaklıkları, kimyasal dayanımları, sertlikleri, aşınma dirençleri göz önüne alındığında çok iyi mühendislik malzemeleri oldukları halde tokluk değerlerinin düşük olmalarından dolayı çok az kullanım alanı bulabilmişlerdir. Seramik malzemelerde tokluğu arttırmanın en uygun yolu kompozit malzeme anlayışıdır. Potansiyel matriks malzemelerinin yoğunluklar ve kullanım sıcaklıkları baz alınarak yapılan kıyaslamalar sonucunda seramik malzemelerde yoğunluklar, özellikle metal matrikslere kıyasla oldukça düşük kullanım sıcaklıkları ise metal ve polimer matrikslere oranla oldukça yüksektir ve bu özellik nedeniyle tüm dünyada seramik matriksli kompozit malzemeler üzerinde çok yoğun çalışmalar sürdürülmektedir. Seramik malzemeler alanında kullanılan başlangıç tozlarının ince, saf, reaktif ve düşük sıcaklıklarda sinterlenebilir olması istenmektedir. Ayrıca klasik şekillendirme yöntemleriyle şekillendirilmeleri mümkün olmayan seramik malzemelere olan ihtiyacın artması ile bunların üretimini mümkün kılacak olan üretim yöntemlerine ihtiyaç artmaktadır. ix Tüm bunların yanında elektronik seramik malzemeler endüstrisi, bütün seramik pazarında büyük öneme sahiptir. Bu alanın maliyeti yaklaşık 15 milyon Amerikan Dolarıdır ki, bu da tüm seramik pazarının %30'unu teşkil etmektedir. Elektronik seramiklerin prensiplerini anlamak sadece heyeoön verici bir bilimsel deneyim değil, aynı zamanda ticari bir husustur. Şekil 1., 1980, 1985 yıllarındaki dünya elektronik seramik pazar payını ve 2000 yıllarında oluşacak pazar payını göstermektedir. Yüksek Teknoloji Seramiklerinin Kullanım Alanları x Elektrik porselenleri 10% Diğer Optik fiberler Mühendislik elektronik seramikler 13% seramikleri 25% 11% Şekil 2. Yüksek Teknoloji Malzemelerin Pazar Paylan [4]. Thenmistor ve varistorier Kapasitûrter J209 Diğer $750 5% $365 Electronic tC Packages $380, 20% Şekil 3. Yüksek Teknoloji Seramikler Pazar Oranları. Üretim ve dünya Pazar Payı (milyon dolar). Toplam Pazar Payı 1980 yılında, 4.250 milyon dolar; 1985 yılında 5.500 milyon dolar, 2000 yılında, 15.000 milyon dolar [3]. xi Reaksiyon sinterlemesi sistemi iki sınıfta incelenebilir; 1) Çok kristalli tek-faz katı oluşumu 2) Kompozit oluşumu Çok kristalli tek-faz katı oluşumu Sinterleme sırasında iki farklı başlangıç malzemesinin karışımından oluşan numunede reaksiyon ile birlikte yoğunluk kazanımıda meydana gelir ve 1 nolu eşitlikte ve şekil 4 de şematik olarak gösterildiği gibi çok kristalli, tek- faz katı oluşur. A (toz) + B (toz) = C (çok kristalli katı) Eşitlik (1.) Şekil 4. İki bileşenli toz (A+B) karışımından reaksiyon sinterlemesi sonucu tek fazlı katı (C) oluşumunun şematik gösterimi. Reaksiyon sinterlenmesiyle endüstriyel olarak tek fazlı seramik üretimi, mikro yapı kontrolünün zor olmasından dolayı pek mümkün değildir. Çok Fazlı Katı veya Kompozit Oluşumu Reaksiyon Sinterlemesi sırasında, çok fazlı iki katı veya kompozit oluşumu eşitlik 3 ve şekil 5 de şematik olarak gösterilmektedir. D (toz)+ E (toz) = F (katı) + G (katı) Eşitlik (3.) Üretim maliyeti yönünden bakılacak olursa, reaksiyon sinterlemesi karmaşık katı kompozisyonların üretimi esnasında kalsinasyon aşamasını ortadan kaldırdığından iyi bir seçimdir. Normalde reaksiyon sonunda üründe bir aglomerasyon oluşumu gözlenir, bu yüzden de malzemeye istenilen şeklin verilmesinden önce öğütme işlemi kaçınılmaz olmaktadır. Reaksiyon sinterlemesinde ise, reaksiyon ve sinterleme işlemi aynı kademede gerçekleştiğinden, kalsinasyon ve öğütme gibi konvansiyonel proses kademeleri elimine edilebilir [8,9]. xxı Şekil 5. D ve E olarak gösterilen toz karışımının reaksiyon sinterlemesi sonucu F (matriks) ve G (inklüzyon) içeren bir kompozit şeklinde gösterimi. Uygulamada, reaksiyon sinterlemesinin birkaç dezavantajı vardır. Bunlar; a) Tamamlanmıyan reaksiyondan dolayı kimyasal açıdan homojen olmayan üretim riski. b) Reaksiyon esnasında mikroyapıdaki değişimlerden dolayı densifikasyonda düşüş. c) Reaksiyonun özelillikle başlangıçtaki karmaşık yapısından dolayı mikroyapının kontrolündeki zorluklar. Kontrollü bir mikroyapı gerektiği zaman, tek-faz saf tozların sinterlenmesi kompleks bir işlemide beraberinde getirir. Katı durum kimyasal reaksiyonlar için gerekli itici güç genelde sinterleme için gerekli itici güçten daha fazladır. Ayrıca katı-faz kimyasal reaksiyon, reaktanların kimyasına bağlı olduğu gibi bir sistemden diğerine değişiklik gösterebilir. Reaksiyon sinterlemesi için en önemli proses parametreleri ise; a) Tozların özellikleri, aktiviteleri, şekilleri ve boyutları gibi b) Pişirme sıcaklığı ve c) Uygulanan basınçdır. Reaksiyon sinterlemesi işlemi yüksek sıcaklık senteziyle kendi kendine oluşum işlemi yerine kullanılır. Çünkü toz bileşiminin tümü ısıtılarak aynı anda yüksek sıcaklık sinterlemesiyle kendi kendine oluşum reaksiyonunun malzemenin her tarafında meydan gelmesi ile elde edilebilir. Hot-press ile reaksiyon sinterlemesi sırasında malzemenin istenilen bileşikte ve kompozisyonda üretilmesiyle beraber, uygulanan basınçla belirli şekilli parçaların aynı anda üretilmesi de sağlanır. Reaksiyon ile birlikte sinterlenme sağlandığından üretim maliyetinin düşürülmesi yanında topaklanma oluşumu engellenerek homojen bir yapı elde edilir. Reaksiyon sinterlenmesinin çeşitli avantajları vardır. Bu avantajlar; ucuz hammadde kullanma olanağı, (örneğin yerel kaynaklardan xiii üretilen bor-karbür ve alüminadan başlayarak BN-AIN üretimi), ürün bileşiminin kontrolü ve homojen mikro yapı üretim olanağı olarak sıralanabilir. AIN-BN, yüksek ısıl iletkenlik, çeşitli eriyik metallerde kimyasal olarak inert, iyi elektrik yalıtkanlığı gibi özelliklere sahiptir. BN-AIN seramik kompozitlerin üstün yüksek özelliklerinden dolayı bu malzeme son yıllarda ilgi odağı olmaya aday bir malzemedir. Başlangıç malzemesi olarak Al203 ve B4C tozlan kullanarak AIN-BN seramik kompozit üretimi, bu malzemenin direkt üretimlerinden ekonomik olarak daha ucuzdur. Özellikle ülkemizin dünya bor yataklarının büyük bir kısmına sahip olması ve İTÜ de hammaddesi çok ucuz olan bor-oksit kullanılarak B4C üretiminin yapılması bununla beraber AfeCVnın kolaylıkla ve ucuza bulunabilmesi, AIN-BN seramik kompozitlerinin reaksiyon sinterlemesiyle üretimini cazip kılmaktadır. B4C ve Aİ203 nın reaksiyonuna ait termodinamik veriler ve bu reaksiyona ait yapılan çalışmalar bu tür bir reaksiyon sinterlemesinin mümkün olduğunu bize gösteriyor. Tüm bu verilerden yola çıkarak, ticari olarak piyasada bulunan CERAC firmasına ait B4C, İstanbul Teknik Üniversitesi, Yüksek Teknolojik Seramikler Laboratuarında üretilen B4C tozlan ve CERALOX firmasından sağlanan AI2O3 tozları kullanılarak dört farklı kompozisyon, değişik sıcaklık ve sürelerde azot gazı atmosferinde reaksiyon sinterlemesine tabii tutuldu. Oluşan fazlar X-lşınları Difraktometresi analizleriyle değerlendirildikten sonra uygun sıcaklık ve süre rejimi seçilerek BN-AIN seramik kompozit üretimine geçildi. Reaksiyon sinterlemesinin malzemeye olan etkisini anlamak için çeşitli karakterizasyon methodları kullanıldı. Sinterleme sonrası ağırlık kayıpları ve bulk yoğunluklar hesaplandı. Sinterlenmiş numunelerin yoğunlukları isoprophile alkol içine daldırma yöntemiyle hesaplandı. Başlangıç tozlarının ve reaksiyon sinterlemesinin sonucu olarak elde edilen numunelerin karakterizasyon işlemi için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanıldı. Rigaku-Rint X- Işınları Difraktometresi kullanılarak oluşan fazlar tanımlandı ve değişik sinterleme sıcaklıkları ve sinterleme süresinin bileşime ve homojenizasyon davranışına etkisi incelendi.

Aluminum nitride-boron nitride both have interesting properties such as high thermal conductivity, chemically inert to various molten metals, good electrical insulation. Boron nitride has excellent lubrication properties at relatively high temperatures up the 1000°C in air. Because of these unique properties, Boron nitride-aluminum nitride composites were recently attracted interest. There are several methods for the preparation of these composites. Reaction sintering is öne of the most economical process. The objective of this research was to produce BN-AIN composites from blended AI2O3-B4C powders and to characterize the kinetics of sintering these compacts. This study covers the investigation of the mass transport mechanism, the effect of sintering variables on consolidation and homogenization, and the microstructural characterization of the sintered compact. Preforms contains düferent percentage of AI2O3 and B4C were prepared using ceramic bali mili. in order to explain the effect of B4C to sintering, preforms contains different percentage of 640 (30, 50, 70 wt %) were prepared. The mbctures were dry pressed then sintered at 1750-1950°C for times ranging from 1/2 hour to 5 hour, under nitrogen flow in an graphite element resistance fumace. Each sample was weighed before and after every sintering experiment to determine weight change. Sintered samples were cut and polished for SEM. Phase analysis of the sintered samples were analyzed by XRD. The reaction sintering of AI2O3 and B4C in N2 atmosphere and densifıcation of the composite in N2 atmosphere at 1850-1950 °C were achieved by using AI2O3-B4C powders as the starting materials. Sintering time does not have an appreciable effects at temperatures extended soak times result BN formation increased. X-ray diffraction analysis showed that the reaction was quite nearly achieved for ali compositions. Better reaction sintering results have been obtained by using I.T.U. product B4C powders containing higher level of free C remaining from charbothermal reduction of boric acid by petroleum coke in a arc-typed graphite resistance fumace. This effect occurred because natural reduction character of C.