Sol-jel yöntemi ile polimerik öncülerden nükleer kalite bor karbür tozların düşük sıcaklıkta üretimi ve radyasyon kalkanı olarak polimer nanokompozitlerde kullanımı
Production of nuclear grade boron carbide powders from polymeric precursors by sol-gel method and their utilization as radiation shield in polymer nanocomposites
Yazar: SUNA AVCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. FİGEN KAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Enerji, elektronik, savunma uzay ve havacılık alanlarında kullanılabilir, ileri fonksiyonel malzemelerin yerli üretimine olan ilgi giderek artmaktadır. En değerli yer altı kaynaklarımızdan biri olan bor mineralinin ülkemizde işlenerek katma değeri yüksek ileri teknoloji bor ürünlerinin geliştirilmesi ve ülke sanayine kazandırılması çok önemlidir. Bor karbür üstün özellikleri nedeni ile savunma ve nükleer sanayi gibi stratejik sektörlerde kullanılan bir malzemedir. Bu tez çalışmasının ilk amacı; kontrollü morfoloji ve tane boyutuna sahip nükleer kalite bor karbür tozun düşük sıcaklıkta yerli üretimi için ekonomik ve seri üretime uygun bir yöntem geliştirmektir. Bir diğer amacı ise nükleer tıp ve moleküler görüntüleme merkezlerinde radyasyondan korunma paneli ya da kişisel koruyucu giysilerde kullanılabilecek hafif, esnek ve uygun maliyetli bor karbür takviyeli polimer matris nanokompozit plakaların imalatının gerçekleştirilmesidir. 
Bu amaçlar doğrultusunda, tez çalışmasında bor karbür tozun üretimi için özgün bir yöntem geliştirilmiştir. Tasarlanan yöntemde bilimsel literatürde ilk defa bor karbür sentezi için polimerik jel molce %5-50 oranında elementel nano bor partikülleri ile modifiye edilmiş ve bor oksidin daha düşük sıcaklıkta indirgenerek bor karbüre dönüşmesi sağlanmıştır. Tez çalışmasında elementel nano bor katkısının yanı sıra farklı başlangıç ham maddelerinin ve sentez koşullarının bor karbür dönüşümü ve morfolojisi üzerine etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar başlangıç kompozisyonu ve süreç parametrelerinin optimizasyonu ile %99 saflıkta ve yüksek kristaliniteye sahip bor karbür tozların elde edildiğini göstermiştir. Sentezlenen bor karbür tozların morfolojisinin genel olarak eş eksenli-çok yüzlü olduğu, ortalama partikül boyutunun ~0.5-0.7µm aralığında değiştiği, 10nm'den daha düşük boyuta sahip birincil partikülleri içerdiği tespit edilmiştir. Tez çalışmasında 1300-1500°C sıcaklıkta sentezlenmiş bor karbür tozların nükleer kalite bor karbür toz standardına (ASTM C750-9) uygun olduğu gösterilmiştir.
Ayrıca bu tez çalışmasında yine ilk defa polimerik öncülerden bor karbür toz üretiminde morfoloji kontrolü sağlanmıştır. Eş-eksenli ve çokyüzlü bor karbür partiküllerin yanı sıra yüksek oranda mikron, mikron altı ve nano boyutlarda bor karbür plaka, kayış ve fiberlerin sentezi için özgün bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde yakma işlemi esnasında öncü madde yüzeyi borik asit kristalleri ile yerinde (in-situ) dekore edilerek anizotropik partiküllerin büyümesi sağlanmıştır. Farklı sürelerde (2-12 sa.) yakma işlemi uygulanmış öncü maddelerden sentezlenen bor karbür partiküllerin oluşma ve büyüme mekanizmaları araştırılmış ve elde edilen deneysel veriler ışığında tartışılmıştır. Bunun yanı sıra, literatürde bor karbür sentezi sırasında sıklıkla karşılaşılan morfolojik çeşitliliğin nedenleri ele alınmış ve çeşitliliği engelleyecek stratejiler geliştirilmiştir.
Son olarak sentezlenen nükleer kalite bor karbür tozlar yüzey modifikasyon işlemi ile fonksiyonelleştirilerek, hafif ve esnek bor karbür takviyeli düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) matris nanokompozitlerin üretiminde kullanılmıştır. Ağırlıkça %0,6-10 oranında bor karbür takviyesi içeren LDPE matris nanokompozitlerin mekanik özellikleri ve nötron kalkanlama performansı incelenmiştir. Sonuçlar ağırlıkça %10 bor karbür toz takviyesi ile %80 oranında nötron soğuran nano kompozit plakaların üretildiğini göstermiştir.

Abstract:
Recently, interest in the domestic production of advanced functional materials that can be used in the fields of energy, electronics, defense, space, and aviation is increasing. It is very important to develop and utilize boron-based high-tech products in the industry since boron is one of Turkey's most valuable underground resources.  Boron carbide is such a strategic material that can be used in critical sectors like defense and nuclear industry due to its superior properties. The first aim of this thesis is therefore to develop an economical method for mass production of nuclear grade boron carbide powder with controlled morphology and particle size at low temperature. The second aim is to manufacture lightweight, flexible, and cost-effective boron carbide reinforced polymer matrix composites that can be used as radiation protection panels or personal protective clothing in nuclear medicine and molecular imaging centers.
For these purposes, an original method has been developed for the production of boron carbide powder. For the first time in the scientific literature, the polymeric gel was modified with elemental nano-sized boron particles (5-50 mol %) for the synthesis of boron carbide, in order to transform boron oxide to boron carbide at lower temperatures. In the study, the effects of different starting raw materials and synthesis conditions on the boron carbide transformation and morphology were also investigated. The results showed that boron carbide powders with 99% purity and high crystallinity were obtained by optimization of the starting composition and process parameters. It has been determined that the morphology of the synthesized boron carbide powders is generally polyhedral-equiaxed, the average particle size varies between ~0.5-0.7µm, and contains primary particles with a size less than 10nm. In this thesis, it has been shown that boron carbide powders synthesized at 1300-1500°C are in compliance with nuclear grade boron carbide powder standard (ASTM C750-9). In addition, for the first time in this thesis, morphology control was achieved in the production of boron carbide powder from the polymeric precursors. A new and original method suitable for mass production has been developed for the synthesis of micron and submicron sized boron carbide plates, belts, and fibers as well as polyhedral-equiaxed boron carbide particles. In this method, the surface of the precursor material was in-situ decorated with boric acid crystals during the burning process and the growth of anisotropic particles was achieved. The formation and growth mechanisms of boron carbide particles synthesized from precursors, which were burned for different durations (2-12 hours), were investigated and discussed in the light of experimental data. In addition, the reasons of morphological diversity frequently encountered during boron carbide synthesis in the literature were discussed and strategies were developed to prevent diversity. Finally, the synthesized nuclear quality boron carbide powders were functionalized with a surface modification process and used in the production of light and flexible boron carbide reinforced low-density polyethylene (LDPE) matrix nanocomposites. The mechanical properties and neutron shielding performance of LDPE matrix nanocomposites containing 0.6-10 wt. % boron carbide was investigated. The results indicated that 80% neutron-absorbing polymer nanocomposite plates were produced with max 10 wt. % boron carbide powder reinforcement.