Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile bor karbür tozu üretimi
Production of boron carbide powder by self propagating high temperature synthesis
Yazar: MURAT ALKAN
Danışman: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Bor karbür = Boron carbide ; Bor oksit = Boron oxide ; Hidroklorik asit = Hydrochloric acid ; Magnezyum = Magnesium

Özet:
Bu tez çalışmasında, ileri teknolojileri seramiklerinden biri olan bor karbür tozunun kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi (Self-propagating High-temperature Synthesis: SHS) ile üretiminin koşulları araştırılmıştır. Deneyler SHS ve asitte çözümlendirme deneyleri olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Deneylerde bor oksit (B2O3), redükleyici magnezyum (Mg) tozuyla SHS yöntemi kullanılarak indirgenmiş ve karbon karası (C) ilavesi yapılarak B4C yapısı oluşturulmaya çalışılmış ve oluşan B4C, MgO ve Mg3B2O6 ağırlıklı ürün HCl ile çözümlendirilerek MgO ve Mg3B2O6 içeriğinden arındırılmaya çalışılmıştır.SHS deneyleri sırasında Mg ve C stokiyometrisinin redüksiyona etkisi, çözümlendirme deneylerinde ise sıcaklık, süre, katı/sıvı oranı ve asit konsantrasyonunun çözümlendirmeye etkisi incelenmiştir.SHS deneyleri argon atmosferi altında MgO astarlı metalotermi potasında gerçekleştirilmiştir. Deneylerin sonucunda süngerimsi sinterleşmiş siyah renkte ürünler elde edilmiştir. Magnezyum miktarının arttırılması redüksiyon reaksiyonunun spesifik ısı değerini arttırarak aşırı ısınmadan dolayı magnezyumun buharlaşmasına yol açmıştır. Karbon miktarının arttırılması, karbonun redüklenen bor oksit ile reaksiyona girme oranını arttırıp reaksiyon veriminin artmasına neden olmuştur. Gereğinden fazla karbon ilavesi reaksiyon sonucunda oluşan ürünlerde bulunan serbest karbonun artmasına neden olmuştur.X-ışını difraksiyonu analizi SHS ürünlerinde ağırlıklı olarak MgO fazının bulunduğunu, indirgenemeyen B2O3'in MgO ile reaksiyon vererek Mg3B2O6 yapısını oluşturduğunu ve elde edilen bor karbürün B7,8C stokiyometrisine daha çok uygun olduğunu göstermektedir.Çalışmanın ikinci aşamasında, % 100 stokiyometrik B2O3, C ve Mg karışımı kullanılarak üretilen SHS ürünleri HCl ile MgO ve Mg3B2O6 bileşiklerini gidermek amacıyla çözümlendirilmiştir.Çözümlendirme işleminde toz ilavesinden hemen sonra ilk iki dakika içinde sıcaklık 100 °C'nin üzerine çıkmış, bu da reaksiyonun ekzotermik olarak gerçekleştiğini göstermiştir. Deneylerde safsızlıkların giderilmesi ile filtre kekinin rengi değişmemiştir. Sıcaklığın MgO'in çözünme davranışına etkisi olmadığı, sıcak asitin Mg3B2O6 fazının tamamının çözünmesini sağladığı anlaşılmıştır.Katı/sıvı oranı düştükçe veya diğer bir deyişle çözelti hacmi arttıkça çözelti sıcaklığı daha düşük değerlerde kalmış ve çok fazla miktardaki serbest asit etkisiyle safsızlıkların çözünürlüğü daha yüksek olmuştur. 1/2 katı/sıvı oranının kullanıldığı deneylerde sıcaklık saniyeler içinde artmış ve taşma meydana gelmiş deney kontrolsüz gerçekleşmiştir.Asit konsantrasyonu artışı ile Mg ve B'un çözeltiye geçme eğilimi artmış olup artan asit konsantrasyonu aynı koşullarda daha fazla Mg ve B'un çözümlendirilmesini sağlamıştır. Yapılan deneyler sonunda oluşan çözeltiden yapılan kimyasal analizler, çözeltide Mg içeriğinin 10-15 g/lt olduğunu göstermektedir.Deneysel çalışmaların sonucunda başlangıç şarj karışımındaki toplam bor ve karbon miktarı göz önüne alınarak SHS ve çözümlendirme prosesleri ile % 90,7 verim ile B4C üretildiği saptanmıştır.

Abstract:
In this study, production conditions of boron carbide powder, one of the advanced ceramics, by self propagating high temperature synthesis (SHS) method were investigated. Experiments were conducted in two stages including SHS synthesis and acidic leaching. The formation of B4C was tried to practised by SHS method using boron oxide (B2O3), which was reduced with reductive magnesium (Mg) powder by the addition of carbon black (C) and obtained powder mixture containing B4C, MgO and Mg3B2O6 was leached with HCl to remove MgO and Mg3B2O6.Effects of the stoichiometry of Mg and C to the reduction on the SHS experiments and the effects of temperature, duration, solid / liquid ratio and acid concentration on leaching experiments was investigated, respectively.SHS experiments were realized in MgO lined crucible in argon atmosphere. Sponge like sintered black product was obtained at the end of experiments. Increase in the quantity of magnesium resulted in the evaporation of magnesium due to overheat that was generated by the increase in specific heat value of reduction reaction. The addition of more carbon resulted in the increase in reaction efficiency by the increase in the ratio of reaction between reduced boron oxide and carbon. Excessive carbon addition caused increase in free carbon content of the obtained products.x-ray diffraction analysis showed that SHS products contained mostly MgO together with Mg3B2O6 that was formed by the reaction between non reduced B2O3 and MgO and the stoichiometry of obtained boron carbide was fit the stoichiometry of B7,8C.The powder mixture produced from SHS by using 100% of stoichiometric amount of B2O3, C and Mg was leached with HCl to remove MgO and Mg3B2O6 in the second stage of the experiments.The temperature of the leaching solution was increased up to 100 ? C within two minutes just after the addition of powder. While there was no significant effect of temperature on the dissolution of MgO, hot acid provided complete dissolution of Mg3B2O6. No change in the colour of powder was observed after the removal of impurities.Solubility of impurities was increased with the effect of free acid by decreasing the solid/liquid ratio or in other words, by increasing the volume of solution that resulted in decrease in the temperature of the solution. When 1/2 of solid/liquid ratio was used the temperature increased within seconds and the experiment failed due to the uncontrolled overflow.There was a linear effect on the dissolution of Mg and B of acid concentration. Increase in acid concentration resulted in more Mg and B dissolution under similar conditions.It was determined after the results of experiments that B4C was produced with 90,7 % considering the content of boron and carbon of the initial charge mixture by SHS and the following leaching processes.