Polivinilborat kullanımı ile düşük sıcaklık bor karbür (B4C) üretimi
Low temperature boron carbide (B4C) production by using polyvinylborate
Yazar: OĞUZ KARAAHMET
Danışman: DOÇ. DR. BUĞRA ÇİÇEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bor karbür = Boron carbide ; Kalsinasyon = Calcination ; Karbotermal indirgeme = Carbothermal reduction ; Polimer malzemeler = Polymer materials

Özet:
Bor karbür (B4C) yüksek teknoloji gerektiren endüstriyel alanlarda stratejik bir malzeme olarak kullanılmaktadır. Özellikle savunma sanayiinde, nükleer santrallerde ve havacılık alanında kritik öneme sahip parçalarda tercih edilmektedir. Dünya'da B4C üretiminin büyük bölümü geleneksel karbotermik redüksiyon yöntemi kullanılarak yüksek sıcaklıklarda (>2000 °C) gerçekleştirilmektedir. Ancak bu üretim teknolojisinin, ürün/maliyet dengesizliği ve çevreye etkileri sebebi ile sürdürülemez olması, alternatif B4C üretim teknolojilerinin arayışına sebep olmuştur. Alternatif bir yöntem olan polimerik başlangıç malzemesinden B4C üretim yöntemi ile düşük sıcaklıklarda (<1800 C) B4C sentezlenmesi üzerine çalışmalar söz konusudur. 
Bu çalışmada endüstriyel hammaddeler ile sol-jel ve katı hal yöntemi kullanılarak polimerik başlangıç malzemesinden B4C sentezleme prosesinin parametreleri, ara ürünlerin karakterizasyonu ve son ürün özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sol-jel ve katı hal yöntemleri ile PVA ve H3BO3 arasında BOC bağ yapısına sahip olan polimerik başlangıç malzemesi polivinilborat (PVBO) sentezlenmiştir. PVBO'nun kalsinasyonu ile karbon ve B2O3'ten oluşan tek bir reaktant elde edilmiştir. Kalsinasyon işlemi sonrasında reaktant malzemeye mekanik aktivasyon işlemi uygulanmıştır. Reaktant ve mekanik aktivasyon uygulanmış numunelere, 1300-1700 C'de 5 sa. süre ile redüksiyonu sonucunda polihedral, <20 μm boyutunda kristalin ve serbest karbon içeren B4C taneleri elde edilmiştir. Nihai ürünlerin verimliliklerini artırmak için sol-jel ve katı hal yöntemi ile sentezlenen polimerik başlangıç malzemelerinden elde edilen reaktant malzemelere, ticari kalite elementel bor ilave edilmiştir. Element bor ilaveli C/B2O3<1 mol oranlarına sahip kompozisyonlara, 1200-1600 C'de 3 sa. süre ile redüksiyon işlemi uygulanmıştır ve <500 nm boyutta kristalin B4C sentezlenmiştir. Deneysel olarak polimerik başlangıç malzemesinden B4C sentezleme yöntemi ile geleneksel karbotermik redüksiyon yöntemi ve elementel bordan B4C sentezlenme yöntemleri karşılaştırılmıştır. B4C sentezleme yöntemlerinin prosedürü ve nihai ürün özellikleri incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda polimerik başlangıç malzemesinden B4C sentezleme yöntemi ile ön işlemlerin ve katkı maddelerinin etkileri incelenmiş olup prosesin ve nihai ürünün optimizasyonu sağlanmıştır.

Abstract:
Boron carbide (B4C) is used to a strategic materials at industries fields where need to require state-of-the-art technology. Especially at defense industries, nuclear plants and aviation fields, it is preferred to have some parts that is very critical valuable. The most part of the production of boron carbide is carried out at high temperature (>2000 °C) by conventional carbothermic reduction methods in the world. However, the product technology is not sustinable the reasons of in balance between cost and product quality and environment effect which lead to search the alternative production methods. There are studies on the synthesis of B4C at low temperatures (<1800 C) with the B4C production method from polymeric precursor as an alternative method.
In this study, the parameters of B4C synthesis process from polymeric precursor using sol-gel and solid state with industrial raw materials, the characterization of midproducts and the last products characteristic were investigated in detail. The polimeric precursor, polyvinyl borate (PVBO), which has a BOC bond structure, was synthesized from sol-gel and solid state synthesis. PVBO, which has a between PVA and H3BO3, was synthesized by sol-gel and solid state synthesis methods. A single reactant consisting of carbon and B2O3 was obtained by calcination of PVBO. After the calcination process, the mechanical activation process was applied to the reactant material. The polyhedral, <20 μm of size, crystalline B4C grains containing free carbon were obtained at 1300-1700 C for 5 h from the reactant and mechanically activated samples. The commercial quality elemental boron was added to the reactants obtained from polymeric starting materials synthesized by sol-gel and solid state method in order to increase the efficiency of the final products. The compositions with C/B2O3<1 mole ratios by elemental boron added were applied to the reduction process at 1200-1600 C for 3 h and the crystalline B4C with a size of <500 nm. was synthesized. Experimentally, the B4C synthesis method from polymeric precursor was compared with the traditional carbothermic reduction and the elemental boron method. The procedure and final product properties of B4C synthesis methods were investigated. As a result, the effects of pre-treatment and additives were examined with the B4C synthesis method from the polymeric precursor, and the process and the final product were optimized.