Seydişehir alüminasından alüminyum nitrür toz üretimi
Production of aluminum nitride powders from Seydişehir alumina
Yazar: ERHAN VOLKAN KIZILIRMAK
Danışman: DOÇ. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Seramik Eğitimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2002
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum nitrür = Aluminum nitride ; Karbotermal indirgeme = Carbothermal reduction ; Konya-Seydişehir = Konya-Seydişehir ; Nitrürleme = Nitriding ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Toz üretimi = Dust production

Özet:
Alüminyum nitrür (A1N) ileri teknoloji seramikleri alanına en yeni giren malzemelerden biridir. Wurtzite kristal yapısı ve hafif elementlerden oluşmuş olması nedeniyle yüksek bir termal iletkenliğe sahip olduğu tahminlerle öngörülmüş ve deneysel sonuçlarla da ispatlanmıştır. Yüksek termal iletkenliği, yüksek elektriksel direnci, yüksek dielektrik mukavemeti, düşük dielektrik katsayısı ve silisyuma yakın termal genleşme katsayısı nedeniyle elektronik uygulamalarda çok yaygın kullanılan bir altlık malzemesidir. Yüksek yoğunlukta sinterlenebilmesi ve istenen elektriksel ve termal özelliklerin elde edilebilmesi için çeşitli nadir ve alkali yer bileşikleri gibi sinterleme katkılarıyla birlikte de kullanılmaktadır. Mekanik özellikleri açısından ise ancak orta seviyelerde sertlik ve modül değerlerine sahiptir. Eğme dayanımı ise yüksektir. Alüminyum nitrür malzemeler elektronik uygulamalar dışında zırh yapımında da alternatif bir malzemedir ve diğer pahalı zırh malzemelerine oranla daha düşük fiyat olanağı sağlamaktadır. Bunlardan başka, AİN sıvı alüminyuma ve bir çok ferro alaşıma dayanıklı olduğundan sıvı metaller için mükemmel bir pota malzemesidir. Endüstriyel boyutta AİN üretimi iki yöntemle gerçekleştirilmektedir. Bunlar azot atmosferinde karbotermal redüksiyon ve nitrürleme, ile metalik alüminyumun doğrudan nitrürlemesi yöntemleridir Toz teknolojisinde Japonya açık farkla lider durumdadır. Japonya' daki Tokuyama Soda firması yaklaşık 130 ton/yıl kapasite ile Amerikan firmaların toplamının % 75-80'i düzeylerinde üretim gerçekleştirmektedir. A1N toz üreten diğer firmalar arasında Toshiba Corporation, Denka, ART, C-Axis Technology, Dow Chemical Company, Ceramic Processing Systems, Coors Ceramics Company, W.R. Grace & Company, ESK Engineered Ceramics, Starck, Wacker Ceramics, Electroceramics, Advanced Refractory Technologies, Corborandum Company, Atochem, Toyo Aluminum K. K. ve Keramont Corporation sayılabilir. Bu çalışmada Seydişehir alüminası hammadde olarak kullanılarak, karbotermal redüksiyon ve nitrürleme yöntemi ile alüminyum nitrür üretim parametreleri araştırılmıştır. Yapılan çalışmada AfeOa'ün karbotermal redüksiyon ve nitrürlenmesi için stokiyometrik oranın 2 ve 2,83 katı karbon karası ile yaş olarak karıştırılan Seydişehir alüminası 1600-1400 °C sıcaklıklarda 0,4 1/dak azot gazı akışı altında karbotermal redüksiyon ve nitrürleme işlemine tabi tutulmuştur. Elde edilen tozların içerdikleri fazların oranlarının belirlenmesi amacıyla X-ışınlan difraktometresi yöntemi uygulanmıştır. Ayrıca seçilen bazı numunelerde toz boyutu ve morfolojisini incelemek amacıyla taramak elektron mikroskopisi uygulanmış, toz boyut dağılımını belirlemek için sedigraf analizleri, yüzey alanının belirlenmesi için de BET analizleri XIIyapılmıştır. Elde edilen sonuçlar H.C. Starck firmasının ürettiği ticari alüminyum nitrür tozlan ile karşılaştırılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda Seydişehir alüminasından alüminyum nitrüre dönüşüm karbon karası ilavesinin stokiyometrik oranın 2,83 katı olması durumunda 1600 °C'de 1 saatte, 1500 °C'de ise 4 saatte tamamlandığı görülmüştür. Alüminyum nitrüre tam olarak dönüşümün tamamlandığı şartlarda yapıdaki kalıntı karbonun giderilmesi ile elde edilen numunelerin X-ışınları analizleri ticari numunelerle farklılık göstermemiştir. Seydişehir alüminasından karbotermal yöntemle AIN üretiminde daha kullanılmış olan sıcaklık, süre ve azot akışı şartlan altında reaksiyon aktivasyon enerjisi ise 497 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Aluminum nitride (AIN) is one of the most recent entrants into the advanced ceramics arena. Having the wurtzite structure and being made up of relatively light elements, it was predicted and experimentally verified that A1N should have a high thermal conductivity. The combination of high thermal conductivity, high electrical resistivity, good dielectric properties and a lineer thermal expansion that closely matches silicon makes A1N an exciting ceramic material for electronic applications. To achieve high sintered densities and the desired electrical and thermal characteristics, sintering additives selected from rare and alkaline earth compounds are necessary. However from a mechanical property perspective, AM has only moderate hardness and modulus values. Its bending strength is high. Different from electronical applications, AIN is an alternative for the other expensive armor materials and has the advantage of lower cost. Since AIN is not eroded away by molten aluminium and many ferrous alloys, it is an excellent crucible and gate material for molten metals. Industrial scale production of AIN is made by two methods. These are carbothermal reduction and nitridation, and direct nitridation of metallic aluminium. Japan is significantly the leader in the powder technology. Tokuyoma Soda Company in Japan produces about % 75-80 of all American companies with the capacity of 130 tons/year. Among the companies that produce AIN powders are Toshiba Corporation, Denka, ART, C-Axis Technology, Dow Chemical Company, Ceramic Processing Systems, Coors Ceramics Company, W.R. Grace & Company, ESK Engineered Ceramics, Starck, Wacker Ceramics, Electroceramics, Advanced Refractory Technologies, Corborandum Company, Atochem, Toyo Aluminum K. K. and Keramont Corporation. In this study, the parameters of AIN production via carbothermal reduction and nitridation by using Seydişehir alumina as the raw material was investigated. In the study, Seydişehir alumina that was wet mixed with 2 and 2,83 times of the stochiometric ratio of carbon black, and was exposed to carbothermal reduction and nitridation at the temperatures of 1400-1600 °C under 0,4 1/min nitrogen gas flow. In order to determine the ratios of the phases that were formed, X-ray diffractometry method was used. In some powder samples, scanning electron microscopy was used to determine the particle size and powder morphology, sedigraph analysis were carried out to determine the particle size distribution, and BET analysis were made to determine the surface areas of the powders. XIVAccording to the results of experiments, with the 2,83 times the stochiometric carbon ratio, it was observed that it takes the reaction to complete at 1 hour at 1600 °C, and at 4 hours at 1500 °C. After the removal of carbon in the samples in which completion of reaction into aluminium nitride was observed, the X-ray analysis showed no difference with the commercial powders. In the production of A1N from Seydişehir alumina via carbothermal reduction and nitridation with the conditions in the experiments, the activation energy was calculated to be 497 kJ/mole.