Camlarda çözelti yöntemiyle yapılan yüzey kaplamalarının mekanik özelliklere etkisi
The effect of surface coatings by solution method on the mechanical propeties of glasses
Yazar: SEBAHATTİN KIRTAY
Danışman: PROF. DR. ENVER OKTAY
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
ÖZETCAMLARDA ÇÖZELTİ YÖNTEMİYLE YAPILAN YÜZEY KAPLAMALARINMEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİCamlarda teorik mukavemetin çok yüksek olmasına karşın gerçekte ölçülen değerlerindüşük olması, üretimleri sırasında veya daha sonra oluşan yüzey hatalarındankaynaklanmaktadır. Ayrıca aynı hatta üretilmiş camlardaki mukavemet değerlerindekidağılım çok geniş aralıkta olmaktadır. Bu nedenle camlarda mukavemeti arttırmanınyolu yüzeyde oluşan bu hataların ortadan kaldırılması veya azaltılması ile mümkünolmaktadır. Genel olarak camlara uygulanan dağlama, iyon değiştirme ve temperlemegibi kimyasal veya fiziksel yüzey işlemleriyle mukavemet artışı sağlanmaktadır.Camların dağlama ile mukavemetlerinin arttırılması sağlık ve çevre etkilerinden dolayıuygun olmamaktadır, ayrıca dağlama ile sağlanan mukavemet artışının kalıcı olmasıiçin cam malzemelerin çok iyi korunması veya bir koruyucu kaplama ile kaplanmasıgerekmektedir. Temperleme işlemi ile camlarda yüksek oranda mukavemet artışısağlanmasına rağmen kompleks şekilli cam ürünlerine uygulanması zordur. İyondeğiştirme ile yüzeyde basma gerilimleri oluşturma işlemi çok uzun ve pahalı biryöntemdir. Bu yöntemlerin uygulamalarında çevre, zaman, boyut ve şekil sınırlılığı gibisebeplerden dolayı sorunlar yaşanmaktadır. Bu yöntemlerin dışında camların yüzeyleriamaca uygun ince filmlerle kaplanarak mukavemette artışlar sağlanabilmektedir.Yüzeylerin kaplanması ile mukavemet arttırıcı mekanizmalar olarak; çatlaklarındoldurulması, yüzeyde basma gerilimleri oluşturma ve çatlak uçlarının dağlanmasıkarşımıza çıkmaktadır. Mukavemet arttırmaya yönelik olarak Sol-jel yöntemi ileinorganik ve inorganik-organik (ormosil) esaslı çözeltiler hazırlanarak cam yüzeylerininkaplanması son yıllarda hem araştırma konusu olmuş hem de ticari olarak uygulamaalanı bulmuştur.Bu tez çalışmasında, camlarda mukavemet ölçüm yöntemleri karşılaştırılmış, hava vekalay yüzeyleri arasındaki mukavemet farklılığı incelenmiştir. Camların kaplanmasıamacıyla Sol-jel yöntemiyle inorganik ve ormosil (organik-inorganik) esaslı çözeltilerhazırlanmıştır. Hazırlanan çözeltiler ile düzcamlar, daldırma tekniği ile kaplanmıştır.Kaplanan camlar uygun sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulmuşlardır. Mekanik testlerhalka üstü halka (ring on ring) düzeneği kullanılarak yapılmış, sonuçlar ve bunlarıngüvenirliliğini gösteren Weibull dağılımları tartışılmıştır. Kaplanmış ve kaplanmamışcamların aşınma,yapışma, sertlik ve kırılma toklukları incelenmiştir. Bu çalışmada,uzun raf ömrüne sahip kaplama çözeltileri hazırlamak, daha ince kaplama kalınlıklarıelde etmek, düşük sinterleme sıcaklıkları uygulayıp camların mukavemetlerini arttırmakve istenen optik özellikleri sağlamak amaçlanmıştır.xiiBu çalışma kapsamında alkol bazlı ve ilk defa olarak su bazlı ormosil esaslı SiO2-TiO2kaplama çözeltileri hazılanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda ormosil esaslı kaplamaçözeltisi ile mukavemette % 200 artış sağlanmış ve kaplamaların aşınma, yüksekkırılma tokluğu, yapışma ve kimyasal dayanımlarının yüksek olduğu belirlenmiştir.Ayrıca kaplanmış camların optik özelliklerinde değişimler meydana gelmemiştir.Mukavemette sağlanan bu artış literatürde belirtilen ormosil esaslı kaplamalardan dahayüksektir. Mukavemet arttırmaya yönelik olarak hazırlanan alkol bazlı çözelti odasıcaklığında 214 günde jelleşmiş, buna karşın su bazlı çözelti ise bir yıldan daha uzunsüre jelleşmeden kalmıştır. Dolayısıyle raf ömürleri yüksek olması sebebi ile su bazlıçözeltinin endüstriyel uygulamalar için kullanılması daha uygundur.xiii

Abstract:
SUMMARYTHE EFFECT OF SURFACE COATINGS BY SOLUTION METHOD ON THEMECHANICAL PROPERTIES OF GLASSESThe reason of large discrepencies between theoretical and practical strength of glasses issurface flaws occured during the course of production. In addition, the range of theachieved strength varies considerably for glasses produced in the same production line.Therefore, in order to increase the glass strength, surface flaws need to be reduced orremoved completely. In general, glass strength can be increased by chemical andphysical surface treatments including etching, ion exchange and tempering. Thewidespread use of etching may not be appropriate due to potential environmental andhealth hazards. Furthermore, in order to preserve the increased strength by etching,glasses need to be protected well or coated. Although, it?s possible to achieve highstrength with the use of tempering, this method is not easy to apply when glass productsare complex shaped. The compression stresses process based on the ion exchangemethod, requires large amount of time and high cost. Therefore, the applicability of theabove mentioned methods is impaired by limitations associated with environment, time,dimension and shape. In addition to these methods, applying a thin film coating canincrease the glass strength. The mechanism of increasing glass strength with surfacecoating comprised of flaw filling, compression stress creation at the surface and cracktip etching. In recent years, glass surface coating by Sol-gel method which requires thepreparation of inorganic and ormosil-based solutions have been the subject of intenseresearch in both academia and industry.In this thesis, glass strength measurement methods have been compared against eachother and differences on air and tin sides of the glasses have been examined. For thepurpose of glass coating, inorganic and ormosil based solutions have been preparedusing Sol-gel method. Float glasses have been coated by applying dip-coating techniqueusing the prepared solutions. The coated glasses have been heat treated at elevatedtemperatures. Mechanical properties have been measured using ROR (ring on ring) testmethod. Afterwards, test results and Weibull statistical distributions presenting thereliability of these results have been discussed. Properties of the coated and uncoatedglasses such as wear, scratch, hardness and fracture toughness have been investigated.The primary objectives of this study are to prepare coating solutions that have longershelf life, to obtain thinner coating thickness, to increase the strength of the glass byapplying lower curing temperature, and to obtain desired optical properties.xivIn this research, alcohol-based and novel water-based SiO2-TiO2 coating solutions havebeen prepared. As a conclusion, experiments have revealed that the use of ormosil basedcoating solution increases the glass strength by up to 200 % and wear, fracturetoughness, scratch and chemical properties of coated glasses are significantly higherthan those of uncoated glasses. Furthermore, it has been noted that optical properties ofcoated glasses have not been modified. The 200 % increase achieved for the glassstrength is higher than the ormosil based coatings stated in the literature. The alcohol-based solution prepared for the intention of increasing strength, has been noted to gell in214 days, while the water-based solution has remained ungelled for a period of timemore than a year. Therefore, water-based solution is more appropriate for industrialapplications due to a longer shelf life.xv