Farklı sıcaklık şartlarının Cu difüze edilmiş Bi-2212 seramiklerin mekanik karakteristiği üzerine etkisi
Effect of different temperature conditions on mechanical characteristics of Cu diffusion doped Bi-2212 ceramics
Yazar: BAHADIR AKKURT
Danışman: DOÇ. DR. MURAT PAKDİL
Abant İzzet Baysal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezin temel amacı, bir yüzeyine bakır difüzyonu gerçekleştirilen katı Bi-2212 süperiletken malzemelerin kristal yapısını, elektrik, süperiletkenlik, mekanik performans ve mekanik karakteristiklerinin 650 °C-850 °C difüzyon tavlama sıcaklıkları arasındaki değişimlerini, kütle yoğunluğu, özdirenç değişimi (ρ-T), kritik akım yoğunluğu (I-V), toz X-ışınımı kırınım (XRD) spektrumları ve Vickers sertlik (Hv) ölçümleri vasıtasıyla belirlemektir. Tüm deneysel bulgular, elde edilen karakteristik özelliklerin (kristallenme, kristal düzlem yönelimi, faz oranları, faz saflığı, ortalama kristal büyüklüğü, kafes örgü sabitleri, normal durum özdirenci, artık özdirençler, artık özdirenç oranları, ρnorm, ρ, kritik geçiş sıcaklıkları, genişleme derecesi, çivileme doğası, yarıkararlılığı, σ-boşluk anizotropisi, akma mukavemeti, kırılganlık endeksi, elastik sertlik katsayısı ve eğilme dayanımı parametreleri) difüzyon tavlama sıcaklığının 750 °C'ye kadar artması ile Cu-O2 sıralı katmanlarındaki lokal yapısal kusurlarının, kafes gerilmelerinin, çarpıklıklarının, bozukluklarının ve tanecikler arası etkileşim problemlerinin azalmasının bir sonucu olarak önemi bir şekilde gelişme eğiliminde olduğunu gösterdi. Ancak 750 °C kritik tavlama sıcaklığından sonra, yukarıda verilen parametreler hızlı bir şekilde azalır, ve hatta tavlama sıcaklığı 850 °C iken bu özellikler global minimum değerini alır. Daha detaylı olarak, süperiletken tanecilerin içine ve tanecik sınırları üzerine optimum bakır konsantrasyonu girmesine neden olan 750 °C optimum difüzyon tavlama sıcaklığı Bi-2212 kristal sistemin özünde aşırı katkılı durumundan optimum katkılanmış durumuna Fermi enerji seviyesindeki elektronik durum yoğunluklarının artmasıyla getirir. Bu yüzden, maksimum kritik geçiş sıcaklıkları (onset ve ofset) ve minimum özdirenç parametreleri 750 °C de hazırlanan Bi-2212 materyali için gözlemlenmiştir. Jc sonuçlarına gelindiğinde, optimum tavlama sıcaklığı, Bi-2212 kristal yapısının girdap akı çivilemesinin daha fazla gelişsin diye bakır nanoparçacıklarını tanecikler içi ve tanecikler arası bölgeler boyunca etkili çekirdeklenme merkezleri oluşturmak için sıkıca birbirine bağlanmasına neden olur. Ayrıca toz XRD deneysel bulgular, difüzyon sıcaklığının 750 °C'ye artmasının ortalama kristal boyutunu, c-eksen uzunluğunu ve yüksek fazı oranını geliştirdiğini gösterir, bu kritik sıcaklık değerinden sonra her bir değer dramatik şekilde azalır. Benzer olarak, optimum tavlama sıcaklık değeri mekanik dayanıklılığı ve ideal eğilme mukavemetini dayanıklı tetragonal fazının sabitliğinin bir sonucunda güçlendirir. Böylece, çatlak başlatan kusurların ve çatlak ilerlemesinin hızlıca yön değiştirsin veya yavaşlasın diye Cu safsızlığının varlığı malzemelerin kritik gerilme değerini arttırır. Ayrıca, ilk kez her bir materyalin mekanik krakteristiklerini Meyer Kanunu (MK), Orantılı Numune Direnci Modeli (ONDM), Modifiyeli Orantılı Numune Direnci Modeli (MONDM), Elastik/Plastik Deformasyon (EPD), Hays Kendall (HK) ve Çentik-Kaynaklı Çatlak (ÇKÇ) gibi 6 farklı teorik model vasıtasıyla inceledik. Modellerin sonuçlarına dayanarak, ISE davranış sergileyen materyallerin yük bağımlı ve yükten bağımsız mikrosertlik karakterizasyonlarını incelemek için HK teorik yaklaşım en iyi metot olarak gözlemlenirken, RISE doğasına uyan diğer materyalin gerçek mekanik karakteristiklerin belirlenmesi için ÇKÇ yaklaşım en uygun metot olarak bulunmuştur.  Özet olarak, 750 °C tavlama sıcaklığı Bi-2212 süperiletken seramiklerin büyük çaplı uygulamalarda kullanımını destekler. 
ANAHTAR KELİMELER: Bi-2212 seramikler, Bakır difüzyon, özdirenç değişimi (ρ-T), kritik akım yoğunluğu, Vickers sertlik, X-ışını kırınımı

Abstract:
The aim of this thesis is to determine the changes of crystal structure, electrical, superconducting, mechanical performance and mechanical characteristics of one surface Cu-layered bulk Bi-2212 superconducting materials with the diffusion annealing temperature in the range of 650 °C-850 °C by means of bulk density, dc resistivity (ρ-T), transport critical current density (Jc), powder X-ray diffraction (XRD) and Vickers hardness measurements. All the experimental findings display that the extracted characteristic properties (crystallanity, crystal plane alignments, volume fractions, phase purity, average crystallite size, lattice constant parameters, normal state resistivity, residual resistivities, residual resistivity ratios, ρnorm, ρ, critical transition temperatures, degree of broadening, pinning nature, metasibility, σ-gap anisotropy, yield strength, fracture toughness, brittleness index, elastic modulus and flexural strength parameters) tend to improve significantly with the increase of diffusion annealing temperature up to 750 °C as a result of regression in the local structural distortions, lattice strains, disorders, defects and grain boundary interaction problems in the Cu-O2 consecutively stacked layers. However, after the critic annealing temperature of 750 °C, the parameters given above degrade rapidly, and in fact they reach to their own global minimum points as the annealing temperature is 850 °C. In more detail, the optimum diffusion annealing temperature of 750 °C resulting in the optimum copper concentrations embedded in the superconducting grains and over grain boundaries transits intrinsically the over-doped feature of Bi-2212 crystal system to optimally doped state as a consequence of the increment in density of electronic states at the Fermi energy level. Thus, the maximum critical transition temperatures (onset and offset) and minimum resistivity parameters are observed for the Bi-2212 material prepared at 750 °C. As for the Jc results, the optimum annealing temperature causes highly dispersed Cu nanoparticles to bind tightly for the formation of the effective nucleation centers along the transgranular and intergranular regions so that the flux pinning of vortices more and more improves in the Bi-2212 crystal structure. Moreover, the powder XRD experimental evidences show that the increase of diffusion annealing temperature up to the temperature value of 750 °C develops the average crystallite size, c-axis length and high phase fraction, after this critical temperature value every value decrease dramatically. Similarly, the optimum annealing temperature value strengthens the mechanical durability and ideal flexural strength as a result of the stabilization of durable tetragonal phase. Thus, the presence of Cu impurities increases the critical stress value of the materials so that the crack-producing flaws and cracks propagation divert or slow down rapidly. Furthermore, we check the mechanical characteristics of every materials by means of available six different theoretical models as regards Meyer's Law (ML), proportional sample resistance (PSR), modified proportional sample resistance (MPSR), Elastic-Plastic Deformation (EPD), Hays-Kendall (HK) and Indentation-Induced Cracking (IIC) approach for the first time. Based on the results of models, while the HK theoretical approach is observed to be the best method to investigate the relations between the load dependent and independent microhardness characterizations for the materials exhibiting the ISE behavior, the IIC approach is noted to be the most suitable method for determination of the true mechanical characteristics for the other material obeying the RISE nature. To sum up, the annealing temperature of 750 °C favors the Bi-2212 superconducting ceramics for usage in the large scale applications.
KEYWORDS: Bi-2212 ceramics, Copper diffusion, dc resistivity (ρ-T), transport critical current density (Jc), Vickers hardness , X-ray diffraction (XRD)