Katı oksit yakıt hücreleri için tantalyum penta oksit (TA2O5) ve vanadyum penta oksit (V2O5) katkılı sızdırmazlık camı kompozisyonlarının geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of sealing glass compositions with tantalum penta oxide (TA2O5) and vanadium penta oxide (V2O5) additives for solid oxide fuel cells
Yazar: KÜBRANUR ÇATALBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. NESLİHAN TAMSÜ SELLİ
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı CaO-SrO-B2O3-Al2O3-Bi2O5-SiO2 cam sistemine Ta2O5 ve V2O5 katkılayarak bu camların kristalleşme kinetiğini incelemek ve katı oksit yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere sızdırmazlık camı geliştirmektir. Yapılan literatür araştırmaları ışığında Ta2O5 ve V2O5 katkısının camsı geçiş sıcaklığını (Tg) düşüreceği, iyi bir ıslanabilirlik sağlayacağı ve kullanıldıkları altlıklara iyi yapışacağı ön görülmüştür. Ayrıca kompozisyona Ta2O5 ve V2O5 eklenmesinin bir nedeni ise bor uçuculuğunu engellemektir. Camlar 1400 °C'de ergitildikten sonra eriyik söndürme yöntemi ile soğuk suya dökülerek cam eldesi gerçekleştirilmiştir. Cam oluşumu X-ışını Kırınımı Analizi yapılarak her kompozisyon için doğrulanmıştır. Camların kristalizasyon kinetiği çalışmaları Diferansiyel Taramalı Kalorimetri analizi ve ısı mikroskobu kullanılarak yapılmıştır. Yapılan kinetik çalışmaların ardından kristalleşme için en düşük aktivasyon enerjisine sahip kompozsiyon T1/V1 kompozisyonu olmuştur. Kristalizasyon mekanizması hakkında bilgi veren Avrami parametresi değerleri T1/V1 kompozisyonu için 3,088 hesaplanırken diğer tüm cam kompozisyonları için 1'den düşüktür. Bu da T1/V1 kompozisyonu dışındaki diğer tüm kompozisyonlarda yüzey kristalleşme görüldüğünü göstermektedir. Cam kompozisyonların termal genleşme katsayıları Mayer ve Havas yöntemi ile hesaplanmıştır. Camların cam-seramiğe dönüştürülmesi için en uygun sıcaklık yapılan ısı mikroskobu analizi sonucunda 850 °C olarak belirlenmiştir. Isıl işlem sonrası T1/V1, T2, T3, V2, V3 cam-seramiklerinin her birinde wollastonit, stronsiyum alüminyum silikat, stronsiyum alüminyum oksit, bizmut oksit fazları görülmüştür. T4 ve V4 cam-seramiklerinde bizmut oksit fazı bulunmamaktadır. Ayrıca T2, T3, T4 cam-seramiklerinde tantalyum oksit fazı görülürken, V2, V3, V4 cam-seramiklerinde vanadyum oksit fazı belirlenmiştir. Bu fazların her ikisi de camsı yapıya gömülü, çubuk şeklinde kristallerdir. Yapılan kinetik çalışmaların ardından sekiz cam kompozisyonu arasından en uygun iki tanesi seçilmiş ve bu iki kompozisyona sızdırmazlık testleri uygulanmıştır.

Abstract:
The aim of this study is to examine the crystallization kinetics of these glasses by adding Ta2O5 and V2O5 to the CaO-SrO-B2O3-Al2O3-Bi2O5-SiO2 glass system and to develop sealing glass for use in solid oxide fuel cells. In the light of the literature research, it was predicted that Ta2O5 and V2O5 additives would lower the glass transition temperature (Tg), provide good wettability and adhere well to the substrates on which they are used. Additionally, one reason for adding Ta2O5 and V2O5 to the composition is to prevent boron volatility. After the glasses were melted at 1400 °C, glass was obtained by pouring them into cold water using the melt quenching method. Glass formation was confirmed for each composition by performing X-ray Diffraction Analysis. Crystallization kinetics studies of glasses were carried out using DSC analysis and heat microscopy. Following the kinetic studies, the composition with the lowest activation energy for crystallization was the T1/V1 composition. The Avrami parameter values, which provide information about the crystallization mechanism, are calculated as 3.088 for the T1/V1 composition, while they are lower than 1 for all other glass compositions. This shows that surface crystallization is observed in all compositions except the T1/V1 composition. Thermal expansion coefficients of glass compositions were calculated by the Mayer and Havas method. The most suitable temperature for converting glasses into glass-ceramic was determined as 850 °C as a result of heat microscope analysis. After heat treatment, wollastonite, strontium aluminum silicate, strontium aluminum oxide and bismuth oxide phases were observed in each of the T1/V1, T2, T3, V2, V3 glass-ceramics. There is no bismuth oxide phase in T4 and V4 glass-ceramics. In addition, while tantalum oxide phase was observed in T2, T3, T4 glass-ceramics, vanadium oxide phase was determined in V2, V3, V4 glass-ceramics. Both of these phases are rod-shaped crystals embedded in the glassy structure. Following the kinetic studies, the three most suitable glass compositions were selected among eight glass compositions and sealing tests were applied to these three compositions.