Nanoyapılı y-tzp/al2o3 granül kompozit mikrokürelerin sentezlenmesi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nanostructured y-tzp-al2o3 granule composite microspheres
Yazar: MUHTEREM KOÇ
Danışman: PROF. DR. OSMAN ŞAN ; DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
NANOYAPILI Y-TZP/Al2O3 GRANÜL KOMPOZİT MİKROKÜRELERİN SENTEZLENMESİ VE KARAKTERİZASYONU
Muhterem KOÇ
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Doktora Tezi, 2018
Tez danışmanı: Prof. Dr. Osman ŞAN, 
Ortak Tez Danışmanı: Doç. Dr. Cem ÖZGÜR
ÖZET
Bu çalışmada, itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (Y-TZP)/alümina (Al2O3) nano kompozit granül tozları itriya-zirkonya sol ve alümina solüsyon karışımından ultrasonik sprey piroliz (USP) tekniği ile sentezlenmiştir. Farklı reaktör sıcaklığı (600°, 800° ve 1000°C) ve Al2O3 katkı miktarının (%5-20 mol.) toz özelliklerine etkisi belirlenmiş ve tozların sinterleme davranışları toz formunda ve basınç altında yüksek frekanslı indüksiyon (YFİ) sisteminde incelenmiştir. Toz sinterleme işlemi kamara fırında farklı sıcaklık (1000°-1250°C) ve bekleme sürelerinde (1-24 saat) yapılmıştır. YFİ sistemi ile tozların sinterleme davranışı iki farklı sıkıştırma basıncında (10 ve 20 MPa) farklı sıcaklık (1400°-1600°C) ve sinterleme sürelerinde (60-600 sn) araştırılmıştır. Granül tozların tane boyutu, yüzey alanı, yüzey morfolojisi ve faz yapıları ilave edilen Al2O3 miktarı ve uygulanan reaktör sıcaklığıyla değişmektedir. Düşük reaktör sıcaklığında üretilen tozlar amorf yapıdadır, reaktör sıcaklığı 1000°C olduğunda tetragonal zirkonya kristallenmesi başlamaktadır. Al2O3 katkısı ile oluşan böhmitik yapılar yüzey alanını 2 m2/g değerinden 137 m2/g değerine ve kristallenme sıcaklığını da 513°C'den 817°C'ye yükseltmektedir. Aktivasyon enerjisi alümina katkısı ile değişmektedir. Alümina katkısız, %10 mol ve %20 mol Al2O3 katkılı tozların aktivasyon enerjileri sırasıyla 43.93 kJ/mol, 31 kJ/mol ve 27.69 kJ/mol değerindedir. Düşük aktivasyon enerjisine sahip tozlar da alümina miktarı tozların kristal büyümesini önlemede etkili olmuş ve 67 nm, 45 nm ve 38 nm kristal boyutuna sahip tozlar üretilmiştir. Alümina ilavesiz tozlarda ortalama tane büyümesi granül içi birincil tanelerde 426 nm boyuta ulaşırken %10 mol alümina ilavesi ile 225 nm boyutunda kalmaktadır. YFİ ile sinterleme sürecinde tozlar granüle yapılarını kaybederek birincil taneler şeklinde paketlenmektedir. Tozların YFİ ile sinterlenmesinde, tane büyümesini önlemede Al2O3 miktarı etkilidir, ancak sinterleme süresi 300 saniyeden fazla olduğunda bu etki Al2O3 tane taşınımı nedeniyle azalmakta, mikroyapıda Al2O3 yönüyle zengin bölgeler oluşmakta ve ikinci fazın homojen dağılımı bozulmaktadır. YFİ sistemi ile 1600°C sıcaklık ve 300 saniyenin altında bekleme süresi ile üretilen Y-TZP/ Al2O3 kompozit malzeme %97 yoğunluk, 68 nm kristal boyutu ve 300 nm tane boyutundadır. 
Anahtar kelimeler: Al2O3, granül, nano kompozit, tane büyümesi, USP, Y-TZP, YFİ.

Abstract:
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF NANOSTRUCTURED Y-TZP-Al2O3 GRANULE COMPOSITE MICROSPHERES
Muhterem KOÇ
Materials Science and Engineering, Ph.D Thesis, 2017
Thesis Advisor: Prof. Dr. Osman ŞAN, 
Assistant Thesis Advisor: Assoc. Prof. Dr. Cem ÖZGÜR
SUMMARY
In this study, yttria stabilized zirconia (Y-TZP)/alumina (Al2O3) nano composite granule powders were synthesized by ultrasonic spray pyrolysis (USP) technique from a mixture of yttria-zirconia sol and alumina solution. The effect of different reactor temperatures (600°, 800° and 1000°C) and the amount of Al2O3 content (5-20 mol%) on the powder properties was determined and the sintering behaviors of the powders were investigated in powder form and under pressure in high frequency induction (YFI) system. Powder sintering was carried out in a furnace at different temperatures (1000°-1250°C) and produced different sintering times (1-24 hours). The sintering behavior of the powders with the YFI system was investigated at different temperatures (1400°-1600°C) and sintering times (60-600 sec) at two different compression pressures (10 and 20 MPa). The grain size, surface area, surface morphology and phase structures of the granular powders vary with the amount of Al2O3 added and the applied reactor temperature. The powders produced at low reactor temperature are amorphous, and tetragonal zirconia crystallization begins when the reactor temperature is 1000°C. The boehmite structures formed by the Al2O3 admixture increase the surface area from 2 m2/g to 137 m2/g and the crystallization temperature from 513°C to 817°C. Activation energy varies with alumina contribution. The activation energies of alumina-free, 10 mol% and 20 mol% Al2O3 added powders are 43.93 kJ/mol, 31 kJ/mol and 27.69 kJ/mol, respectively. The alumina additive reduced the activation energy by preventing grain growth and the crystal size of the powders was found to be 67 nm, 45 nm and 38 nm, respectively. Sintered powders at lower activation energies are low in crystal size; wherein the crystal dimensions were measured as 67 nm, 45 nm and 38 nm, respectively. In alumina-free powders, the average grain growth is 426 nm in primary granules, while it remains 225 nm with 10 mole% of alumina addition. In the process of sintering with YFI, the powders lose their granular structure and are packed as primary granules. In the sintering of the powders with YFI, the amount of Al2O3 in the grain growth prevention is effective, but when the sintering time is more than 300 seconds, this effect is decreased due to the transport of Al2O3, the Al2O3-rich regions are formed in the microstructure and the homogeneous distribution of the second phase is disturbed. The Y-TZP/Al2O3 composite material produced with the YFI system at a temperature of 1600°C and a sintering time of less than 300 seconds has a density of 97%, a crystal size of 68 nm and a grain size of 300 nm.
Key words: Al2O3, granule, nanocomposite, grain growth, USP, Y-TZP, YFI.