ZnO-Al₂O₃-SiO₂ esaslı cam seramiklerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of ZnO-Al₂O₃-SiO₂ based glass ceramics
Yazar: ŞEYDA BALİKCİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÖZKAN TOPLAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Mevcut çalışmada, çekirdeklendiriciler kullanılarak ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (ZAS) esaslı transparan cam seramiklerin üretilmesi ve elde edilen ZAS esaslı cam seramiklerin yapısal ve transparan özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada TiO₂ ve ZrO₂ çekirdeklendirici olarak kullanılmıştır. Ayrıca ileri teknoloji seramik olan transparan ZAS cam-seramikler optik cam-seramikler olarak büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada ZAS esaslı transparan cam-seramik üretmek amacı ile ZnO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃, PbO ve çekirdekleyici olarak TiO₂, ZrO₂ tozlarından kompozisyon hazırlanmıştır. Bu kompozisyonlar hazırlanırken ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (ZAS) üçlü denge diyagramının bileşim oranları göz önüne alınmıştır. ZAS-A, B, C ve D olarak adlandırılan sistemde ZAS-A'da ağırlıkça %36ZnO, %12Al₂O₃, %47SiO₂, %5B₂O₃ bulunmaktadır. ZAS-B için %34ZnO, %11.5Al₂O₃, %44.5SiO₂, %5B₂O₃ ve çekirdeklendirici %2.5TiO₂, %2.5 ZrO₂ bileşimi hazırlanmıştır. ZAS-C ise ağırlıkça %36ZnO, %12Al₂O₃, %47SiO₂, %5PbO içerirken, ZAS-D ağırlıkça %34ZnO, %11.5 Al₂O₃, %44.5SiO₂, %5PbO ve çekirdeklendirici %2.5TiO₂, %2.5 ZrO₂ içermektedir. ZAS cam seramiğinin ısıl işlem sonrası karakterizasyon incelemeleri aşağıdaki sıra ile yapılmıştır. Elektrikli asansörlü fırında 1450ºC'de 2 saat süre ile ergitilen homojen ZAS bileşimleri grafit kalıba dökülmüş ve termal gerilmeleri uzaklaştırmak için tav fırınında 600ºC'de 1 saat gerilim giderme tavlamasına tabi tutulmuştur. Tavlama işlemi sonrası elde edilen cama kırma, öğütme işlemleri yapılıp tozların XRD, DTA (10-15-20°C/dk hızla) ve kinetik analizleri yapılmıştır. DTA analizinden faydalanarak numuneler ZAS-A ve ZAS-B için 900 ºC ve 950 ºC, ZASC için 950ºC ve 1000ºC, ZAS-D için ise 850ºC, 900 ºC ve 950 ºC sıcaklıklarda 4 saat ısıl işleme tabi tutulmuştur. Gerçekleştirilen XRD analizlerinde üretilen ZAS kodlu cam-seramiklerin willemit, gahnit ve kuvars fazlarından oluştuğu belirlenmiştir. Üç farklı sıcaklık ve sürede (800ºC, 850ºC ve 900ºC'de 1, 3 ve 5 saat) sinterleme işlemine tabi tutulmuşlardır ve SEM analizleri yapılmıştır. Kinetik çalışmalarda ZAS kodlu camlar için kristallenme ve viskoz akış aktivasyon enerjileri sırasıyla ZAS-A için 311,775 kJ/mol ve 365,816 kJ/mol, ZAS-B için 267,143 kJ/mol ve 277,133 kJ/mol, ZAS-C için 271.457 kJ/mol ve 290.990 kJ/mol, ZAS-D için 239.758 kJ/mol ve 266,745 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. ZAS kodlu cam-seramikler için ölçülen sertlik değerleri ise sinterleme sıcaklığı ve süresine bağlı olarak 515-934 HV0.05 değerleri arasında değişim göstermektedir. Ölçülen yoğunluk değerleri ise 2,5-3 gr/cm³ aralığında bulunmaktadır.

Abstract:
In the present study, it was aimed to produce ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (ZAS) based transparent glass ceramics using nucleating agents and to investigate the structural and transparent properties of the obtained ZAS based glass ceramics. TiO₂ and ZrO₂ were used as nucleating agents in the study. In addition, transparent ZAS glassceramics, which are high-tech ceramics, are of great importance as optical glassceramics. In this study, a composition was prepared from ZnO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃, PbO and TiO₂, ZrO₂ powders as nucleating agents in order to produce ZAS based transparent glass-ceramic. While preparing these compositions, composition ratios of ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (ZAS) ternary equilibrium diagram were taken into consideration. In the system called ZAS-A, B, C and D, ZAS-A has 36% ZnO, 12% Al₂O₃, 47% SiO₂, 5 %B₂O₃ by weight. 34% ZnO, 11.5% Al₂O₃, 44.5 %SiO₂, 5 %B₂O₃ and nucleating 2.5% TiO₂, 2.5% ZrO₂ were prepared for ZAS-B. ZAS-C contains 36% ZnO, 12% Al₂O₃, 47% SiO₂, 5% PbO by weight, while ZAS-D contains 34% ZnO, 11.5% Al₂O₃, 44.5% SiO₂, 5% PbO and nucleating 2.5% TiO₂, 2.5% ZrO₂. Homogeneous ZAS compositions melted in the electric lift furnace at 1450ºC for 2
hours were poured into a graphite mold and subjected to stress relieving annealing at 600ºC for 1 hour in the annealing furnace to remove thermal stresses. Glass crushing and grinding processes are carried out and the powders obtained after the annealing process; XRD, DTA (10-15-20 ° C / min speed) and kinetic analyzes were performed. Using the DTA analysis, the samples were heat treated at 900 ºC and 950 ºC for ZAS-A and 950 ºC, for ZAS-C at 950 ºC and 1000 ºC, and for ZAS-D at 850 ºC, 900ºC ve and 950 ºC for 4 hours. ZAS coded glass-ceramics produced in XRD analyzes were determined to consist of willemite, gahnit and quartz phases. They were subjected to sintering process at three different temperatures and times (800ºC, 850ºC and 900 ºC for 1, 3 and 5 hours) and their SEM analysis was performed. In kinetic studies, crystallization and viscous flow activation energies for ZAS-coded glasses were 311.775 kJ/mol and 365.816 kJ/mol for ZAS-A, 267.143 kJ/mol and 277.133 kJ/mol for ZAS-B, 271.457 kJ/mol and 290.990 kJ/mol, for ZAS-C 239.758 kJ/mol and 266,745 kJ/mol for ZAS-D. The hardness values measured for ZAS coded glass-ceramics vary between 515-934 HV0.05 values depending on the sintering