Plazma destekli kimyasal buhardan çöktürme metodu ile grafen kapsüle edilmiş metalik tozların sentezi ve karakterizasyonu
The synthesis and characterization of graphene-encapsulated metal particles via plasma-enhanced chemical vapor deposition
Yazar: DENİZ ÇAKIR
Danışman: DOÇ. DR. ZARİFE GÖKNUR BÜKE
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Grafen-Cu kompozitler, bakıra göre geliştirilmiş özelliklere sahip olmaları nedeniyle çeşitli endüstrilerde potansiyel uygulamalara sahiptir. Grafen-Cu kompozitlerin sentezlenmesi için yaygın olarak kullanılan yöntemler, Hummer metodu ve türevleriyle grafen yaprakçıklarının Cu tozlarıyla karıştırılması, presleme ve sinterleme işlemleridir. Ancak, bu yöntemlerde grafen yaprakçıklarının morfolojisinin kontrolü ve homojen dağılımın sağlanması zorluklar oluşturabilmektedir.
Son zamanlarda, bakır tozlarının çeşitli yöntemlerle grafen ile kaplanması üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar arasında, endüstriyel uygulamalara uygun bir yöntem olarak Kimyasal Buhar Biriktirme (KBÇ) yöntemi öne çıkmaktadır. Ancak, KBÇ yöntemiyle Cu tozlarının grafen ile kaplanması, yüksek sıcaklık gerektiren hidrokarbon parçalanması nedeniyle zorluklar içermektedir.
Bu tez çalışması, düşük sıcaklıkta plazma destekli KBÇ (PDKBÇ) yöntemi kullanılarak grafen ile kaplanmış bakır (Grafen-Cu) tozlarının geliştirilmesi üzerine odaklanmaktadır. Bu kaplanmış tozlar kullanılarak Grafen-Cu kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiş ve bu kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri araştırılmıştır. Oluşturulan Grafen-Cu kompozitlerin yapısal, mekanik ve termal özellikleri karakterizasyon yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Bu yöntemler, kompozitlerin mikroyapısını ve grafen dağılımını değerlendirmek amacıyla kullanılmıştır.
Elde edilen sonuçlar, düşük sıcaklıkta PDKBÇ yönteminin başarılı bir şekilde kullanılarak homojen Grafen-Cu kompozitlerinin üretilebildiğini göstermektedir. Grafen varlığının oluşan kompozit mikroyapısı üzerinde etkisi araştırılmış ve grafen varlığında elde edilen yapılarında daha küçük tane boyutları ve azalmış gözenek miktarı gözlemlenmiştir. Mekanik testler, grafen varlığının kompozitin akma dayanımını ve elastik özelliklerini artırdığını göstermiştir. Termal testlerde ise grafen kaplamasının kompozitin termal difüzivite değerlerini artırdığı tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kompozitlerin mikroyapısıyla ilişkilendirilerek iyileşme mekanizmaları incelenmiştir. Bu çalışma, grafen takviyeli bakır kompozitlerin üretim yöntemlerinin geliştirilmesine ve bu kompozitlerin potansiyel uygulamalarda kullanılabilmesine katkı sağlamaktadır.

Abstract:
Graphene-Cu composites have potential applications in various industries due to their improved properties compared to copper. The commonly used methods for synthesizing Graphene-Cu composites involve mixing graphene nanoplatelets with Cu powders using the Hummer method and its derivatives, followed by pressing and sintering processes. However, controlling the morphology of graphene nanoplatelets and achieving homogeneous distribution poses challenges in these methods.
Recently, studies have been conducted on coating copper powders with graphene using various techniques. Among these studies, the Chemical Vapor Deposition (CVD) method is suitable for industrial applications. However, coating Cu powders with graphene using the CVD method faces difficulties due to the high-temperature requirement for hydrocarbon decomposition.
This thesis work focuses on the development of graphene-coated copper (Graphene-Cu) powders using a low-temperature plasma-enhanced CVD (PECVD) method. Using these coated powders, Graphene-Cu composites were produced, and their mechanical and thermal properties were investigated. The structural, mechanical, and thermal properties of the fabricated Graphene-Cu composites were determined using various characterization methods, aimed at evaluating the microstructure and graphene distribution of the composites.
The obtained results demonstrate the successful production of homogeneous Graphene-Cu composites using the low-temperature PECVD method. The effect of graphene presence on the microstructure of the formed composites was investigated, and structures with smaller grain sizes and reduced porosity were observed in the presence of graphene. Mechanical tests showed that the presence of graphene increased the yield strength and elastic properties of the composites. Thermal tests revealed that the graphene coating enhanced the thermal diffusivity of the composites. The obtained results were analyzed in relation to the microstructure of the composites, and the improvement mechanisms were investigated. This study contributes to the development of production methods for graphene-reinforced copper composites and enables their potential use in various applications.