Nanokompozit İnce Filmlerin Sentezi Ve Mekanik Özelliklerinin Karakterizasyonu - Karbay, İsmail Hakkı Cengizhan (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014)
İnce film teknolojisi, kolay uygulanmasından ötürü son zamanlarda giderek yaygınlaşmıştır. Ayrıca tüm yapıyı kompozit üretmekten daha ucuza mal olmaktadır. Daha az malzeme tüketimi olduğundan, yüksek teknolojik malzemelerin üretiminde daha çevreci çözümler sunar. Mukavemet, her malzeme için, tüm kullanım alanlarında en önemli özelliklerden biridir. Mekanik özellikler tüm tasarım parametrelerini etkiler. Bu sebeple sistemimizde kullanmadan önce malzemelerin davranışlarını bilmek ya da tahmin etmek çok önemlidir. Kopma dayanımı, aşınma dayanımı ve kimyasallara karşı direnç gibi özellikler ince film teknolojisi ile geliştirilebileceği gibi geçirgenlik ve yansıtıcılık gibi optik özellikler de değiştirilebilir. Prensipte hem inorganik hem de organik malzemeler farklı altlıklara kaplanabilir. Birçok kullanım alanı için zehirlilik en büyük problemlerden biridir. Tantalum, titanyum ve oksitleri insan vücuduyla uyumlu olmalarından dolayı son derece yaygın kullanımı olan malzemelerdir. En büyük sebep bu malzemelerin kimyasal olarak tepkime vermemesidir. Titanyum 1950'lerden beri ameliyatlarda kullanılır ve vücut sıvıları ile tepkimeye girmez. Bununla beraber dış kuvvetlere karşı gayet iyi dayanır. Tantalum ve oksidi müthiş kimyasal kararlılığı ve yüksek yansıtıcılık özellikleri iyi bilinse de mükemmel mekanik özellikleri bu zaman kadar fazla dikkat çekmemiştir. Buna ilaveten tantalum filmler son derece transparandır ve bu camlar ile çalışmak için son derece önemli bir parametredir. Bu inanılmaz özellikler tantalumu cam altlıklar için mükemmel bir kaplama malzemesi yapar. Camın mekanik özelliklerini iyileştirmek için uzun yılladır çalışılmıştır. Birçok bilim adamı camı hem inorganik hem de organik malzeme ile takviye etmeyi denemiştir. Polyvinyl butyral (PVB) hem kopma mukavemeti hem de tokluk açısından en yaygın olarak kullanılan organik takviye malzemesidir. Aynı zamanda kırılma durumlarında, cam parçalarını bir arada tutarak daha yüksek güvenlik sunar. Bu özelliklerinden dolayı PVB, araba camları ve inşaat sektörü gibi birçok kullanım alanına sahiptir. Lakin, güneş ışığının organik malzemeler üzerindeki negatif etkileri (degredasyon, vb.) bilinmektedir. Bu nedenle PVB bardak, tabak gibi insan ile temasta bulanan malzemelerde en iyi seçim olmayabilir. Genel olarak inorganik malzemeler zorlu çevre koşullarına karşı daha dayanıklıdır. Bu sebeplerden ötürü camın mekanik özellikleri inorganik malzemeler ve katkı maddeleri ile iyileştirilmeye çalışılmıştır. Yukarıda belirtilen bütün özellikler üretim metoduyla bağlantılıdır. Yöntem ucuz ve seri üretime elverişli olmalıdır. Birçok farklı özellik sunmasıyla beraber göreceli olarak küçük bir laboratuvar ekipmanı olan, sol-gel metodu, bilim insanlarına, cam kaplama için etkili bir yöntem sunmaktadır. Ayrıca yüzey özellikleriyle kolayca xxiv oynanabilmektedir. İkili, üçlü inorganik ve nano yapılı malzemelerin sentezi, bu yöntemin kullanılmasıyla günümüze kadar gelmiştir. Bu çalışmada, döndürerek ve daldırarak kaplama yöntemleri ayrı ayrı kullanılarak cam altlıklar kaplanmış ve sonuçlar incelenmiştir. Mekanik özellikler kaplama yöntemine bağlı olarak değişir, çünkü yöntem film kalınlığını doğrudan etkiler. İlk olarak, ikili ve üçlü sistemdeki filmler döndürerek ve daldırarak kaplama metotlarıyla kaplanmıştır. Daha sonra, mekanik özellikler başta olmak üzere, filmlerin detaylı karakterizasyonu yapılmıştır. Sol-gel yöntemiyle elde edilen filmlerde, gelişmeye açık olan camların mekanik özelliklerini iyileştirmek amaçlanmıştır. Dünyada binlerce farklı organik ve inorganik malzeme vardır. Kompozit teknolojisinde ise iki veya daha fazla malzeme bir arada kullanılır. Buna ek olarak mekanik ve optik özellikler nano boyutta tamamen değişir. Yani her bir malzemeyi, birbiriyle nano veya makro boyutta denemek neredeyse imkânsızdır. Bazen analitik çözümler ve/veya bilgisayar simülasyonları bitmiş yapının davranışlarını analiz etmek için gereklidir. İki yöntemde malzemenin mekanik özelliklerine ve verilen problem için sınır koşullarına ihtiyaç duyar. Sonlu elemanlar yöntemi son derece yaygındır ve farklı analiz tipleri için oldukça başarılı sonuçlar vermektedir. Bu çeşit bilgisayar programları doğru malzemeyi seçmemizde ve sistemimizi tasarlamamızda bize yardım eder. Bu çalışmada titanyum dioksit (TiO2) – silisyum dioksit (SiO2) karışımı ve tantalum pentoksit (Ta2O5) farklı katkı maddeleri ile kaplama malzemesi olarak kullanılmıştır. İki farklı TiO2 – SiO2 reçetesi denenmiştir. Katkı malzemesi olarak da tek duvarlı karbon nanotüp (SWCNTs) ve ceryum dioksit (CeO2) nano parçacıklar kullanılmıştır. Örneklerin faz karakterizasyonu için, x-ışını spektroskopisi (XRD) ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi kullanılmıştır. Film yüzeylerinin incelenmesi için ise taramalı elektron mikroskopundan (SEM), atomik kuvvet mikroskopu (AFM) ve optik mikroskoptan yararlanılmıştır. UV-görünür bölge spektroskopisi ve NKD analizör ile örneklerin optik geçirgenlik ve yansıtıcılık özelliklerini saptamak için kullanılmıştır. Suyun kontak açısı, tensiyometre ile ölçülerek, yüzeylerin hidrofiliklik ve hidrofobiklik özellikleri incelenmiştir. Halka üzerinde halka testi asıl olan mekanik testtir. Bu test gevrek malzemeler için daha iyi sonuç veren, çift eksenli gerilme uygulayan bir yöntemdir. Numuneler iki farklı çaptaki halka arasına konarak, kırılıncaya kadar basma gerilmesi uygulanır. Camlar gevrek yapıda olduklarından akma gerilmesi, maksimum çekme gerilmesi ve kopma gerilmesi değerlerinin hepsi birbirine yakındır. Cihaz gerilme ve sehim değerlerini kaydeder. Böylece kaplanan farklı filmlerin, mekanik özelliklere olan etkisi güvenilir biçimde ölçülmüş olunur. Gevrek malzemelerde testin tekrarı, güvenilirlik için son derece önemlidir. Uygulanan ikinci test ise çizilme testidir. Bu yöntem yüzey sertliği ile ilgili direkt; aşınma direnci ile ilgili dolaylı yönden bilgi verir. Aynı zamanda sertlik ile akma dayanımı arasında da bir bağıntı vardır. Son olarak, tüm sonuçlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Tantalum pentoksit, optik ve yarı-iletken uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Ancak yapılan testlerde, aynı zamanda mekanik özellikleri oldukça iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Kopma mukavemetini yaklaşık olarak 3.5 katına çıkarmıştır. Mekanik özelliklerdeki bu iyileşmenin yanı sıra, transparan camın optik özelliklerini de bozmamıştır. Aynı zamanda insan sağlığına olumsuz etkileri de xxv olmaması sebebiyle, tantalum pentoksit, mukavemet gerektiren birçok alanda kullanılabilir. Aynı zamanda kaplanan film oldukça incedir. Böylece malzeme verimli bir şekilde kullanılabilir. Üçlü sol sistemi denemesi ise, başarısız olmuştur. Sebebi hatalı kimyasal reaksiyonlar olabilir. Solleri karıştırmak yerine tabakalı film uygulaması mekanik açıdan daha iyi sonuç verebilir. Öte yandan, titanyum ve silisyum oksit ikili sistemi de gerek mekanik gerek optik açıdan iyi sonuçlar vermiştir. Optik geçirgenlik özelliği, tantalum filmlerden yaklaşık olarak 20 kat daha kalın olmasına rağmen, daha iyidir. Aynı zamanda daha sünek ve tok bir film oluşturarak, darbe direncinin de artmasına yardımcı olur. Lakin, kalın film seri üretim söz konusu olduğunda, maliyet açısından olumsuz olabilir. Mekanik özellikler bakımından, bilinen en iyi malzeme olan tek duvarlı karbon nanotüp katkısı ise beklenen etkiyi verememiştir. Sebebi sol içinde çözülmeme ve düzgün dağılmama sorunlarıdır. İlerleyen teknoloji seviyesi ile bu malzemenin istenildiği gibi kullanılmasına olanak sağlanacaktır. Analitik çözüm, tek tabaka için oldukça başarılı sonuçlar verse de çok katmanlı yapılarda hassasiyetini kaybetmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ise, çok katmanlı yapıları da oldukça hassas şekilde analiz edebilmiştir ve ince film araştırma ve geliştirme çalışmalarında yaygın olarak kullanılması gerektiğini göstermiştir. Hata payı %10'un altındadır.

Thin film technology has been studied extensively because of its ease of use. Moreover, it is inexpensive way to synthesis composites materials. It consumes less material, thus it is more environmental solution for fabrication of advanced materials. Mechanical strength is quite important feature for any material and any application area. Mechanical properties affect all design parameters. Therefore, it is important to know or predict behavior of materials before using them in our system. Ultimate strength, wear resistance and chemical resistance are some features that can be improved via thin film technology. Also the optical properties such as transmittance, reflectance can be altered. In principle, both inorganic and organic materials can be coated on different substrates. Toxicity is the biggest problem for various usages. Tantalum, titanium and their oxide forms are quite popular materials because of their compatibility with human body. The main reason is the chemical inertness of these materials. Titanium is used in surgeries since 1950s and it is not affected by body fluids. Besides, it withstands external forces very well. Tantalum and tantalum oxide are well known as their great chemical stability and high refractive index but theirs superior mechanical properties have not drawn so much attention. Moreover, it is extremely transparent that is a necessary feature when working with glass. These incredible features make tantalum oxide a perfect coating material for glass substrates. Improving mechanical strength of glass has been worked for many years. Many scientists have tried reinforcing glass with both inorganic and organic materials. Polyvinyl butyral (PVB) is the most popular organic material for both ultimate strength and toughness. Additionally, it holds glass particles together that provides extra safety. Thus, PVB is often used in many applications such as cars, buildings and household goods. However, the negative effects (degradation, etc.) of sunshine on organic materials are well known in the literature. Therefore, PVB may not be the best selection for materials in touch with human body like glasses, plates, etc. Inorganic materials are generally more stable in the rough environmental conditions. In this work, we tried to improve the mechanical properties of glass with inorganic materials. All these properties mentioned above depend on the deposition techniques. Coating techniques should be cheap and compatible with batch processes. Sol-gel process offers an efficient platform to scientists to coat the glass, because of numerous reasons: it requires relatively simpler laboratory equipment and offers a large portfolio of starting materials and lastly. Moreover, it allows modification of xxii surfaces quite effortlessly. With the use of this process, the preparation of binary and ternary inorganic materials and nanostructures have been studied considerably to date. In this work, dip and spin coating were separately used to deposit the glass substrates and the results were compared. Mechanical properties change with different coating methods because it affects final film thickness directly. Firstly, the binary and ternary films were deposited by spin and dip coatings. Subsequently, detailed characterization of the films and the properties - especially the mechanical properties - of the sol-gel derived films are discussed aiming to improve mechanical properties with great potential in the glass technology. There are huge number of organic and inorganic materials. The mechanical and optical properties are changed in nano scale and composite materials. Therefore, it is nearly impossible to try out every material with each other in nano or macro scales. Sometimes we need the analytical calculation and/or computer simulations to analyze final behavior. Both of them need the properties of materials and boundary conditions for given situations. Finite element method (FEM) is very popular and quite successful for many different analyze types. It gives quick information about our system. Using these kinds of computer programs (which use FEM) help us to select the right materials for our purpose and design our systems. In this work, we used titanium dioxide (TiO2) – silicon dioxide (SiO2) binary system and tantalum pentoxide (Ta2O5) as coating materials with different additives. Two different titanium dioxide – silicon dioxide recipes were used. As additive agent single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and cerium dioxide (CeO2) nano particles were used. For phase characterization and chemical composition of the samples, X-ray diffractometry (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used, respectively. Scanning electron microscope (SEM), atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy were used for examining film surfaces. UV-visible spectroscopy and NKD analyzer were used to measure transmittance and reflectance of samples. Contact angle was measured by tensiometer. Ring-on-ring tests were used as main mechanical test. It is a biaxial test, which gives better results for the brittle materials. The second mechanical test was scratch test. It gives information about surface hardness directly and wear resistance indirectly. Finally, all results of the deposited films were compared to each other. Ta2O5 thin films represent the best results. They demonstrated around 200% improvement for ultimate strength and huge increase in scratch resistance. Adding CeO2 nano particles to TiO2 – SiO2 binary sol gave poor results in terms of the mechanical properties. SWCNT shows some improvement especially on hardness. Very small amount of SWCNT leads 7% improvement on ultimate strength and 100% on hardness. Nevertheless, the positive effects of SWCNT decreases by increasing content. FEM gave nearly perfect results for all samples. It is obvious that, Ansys could easily apply to analyze bilayer or multilayer materials.
Synthesis Of Nanocomposites Thin Films And Characterization Of Mechanical Properties
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis () -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014
Keywords: ince film; ince film mekaniği; kırılma mekaniği; tio2; sio2; ta2o5; döndürerek kaplama; ansys; sonlu elemanlar yöntemi; thin film; thin film mechanics; fracture mechanics; tio2; sio2; ta2o5; spin coating; ansys; finite element method