Titanyum dioksit içeren seramik kaplamaların anataz-rutil dönüşümü ve kristal boyutu değişiminin incelenmesi: Al2O3, B2O3 ve sıcaklığın etkisi
Investigation of anatase-rutile transformation and crystal size change of ceramic coatings containing titanium dioxide: Effect of Al2O3, B2O3 and temperature
Yazar: FAHRİYE ALTINDAL
Danışman: DOÇ. DR. YASEMEN KALPAKLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Cam seramikler = Glass ceramics

Özet:
Bu tez kapsamında düşük sıcaklıklarda boromullit sisteminde kristallenebilen, değişen Al2O3 ve B2O3 oranlarına sahip sır kompozisyonlarına TiO2 ilave edilerek anataz-rutil dönüşümü ve kristal boyutu değişimi 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C ve 1100°C'de ısıl işlem uygulanarak incelenmiştir. TiO2 ilave edilen ve edilmeyen kompozisyonların faz değişimi, fonsiyonel yapı ve mikroyapı evrimi, su emme, kütle yoğunluğu, görünür porozite, mikrosertlik ve optik davranışı, ısıl davranışı 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C ve 1100°C'de detaylı bir şekilde incelenmiştir. XRD analizi ile faz değişimi incelenmiş en yüksek Al2O3 oranına sahip numunelerde sıcaklığın artması ile boromullit kristallerinin pik şiddetinin arttığı gözlemlenmiştir. TiO2 ilave edilen numunelerde sıcaklığın artması ve B2O3 oranının artması ile anataz kristallerinin rutil kristallerine devitrifiye olduğu gözlemlenmiştir. Korund kristallerinin varlığı anataz kristal boyutu büyümesini geciktirdiği gözlemlenirken B2O3 oranının artması ile rutil oluşumu hızlanmıştır.  Ayrıca B2O3 oranındaki artış albit kristallerine ait pikleri keskinleştirirken, sıcaklığın artması ile rutil kristallerinin oluşumu hızlanarak ve albit oluşumunun engellenmesine neden olmuştur. Tüm numunelerde albit kristallerinin gözlemlendiği sıcaklıklarda en düşük su emme ve görünür gözeneklilik değerleri ile en yüksek kütle yoğunluğu değerlerine ulaşılmıştır. En iyi mikrosertlik değerleri ise en yüksek kütle yoğunluğunun gözlemlendiği sinterleme sıcaklıklarında sergilenirken katkısız numunelerde S1 1000°C'de 645 HV ve TiO2 ilave edilen numunelerde ise S4 1000°C'de 550 HV değerlerine ulaşmıştır. Mikroyapı değişimi FESEM analizi ile incelenmiş ve iğnemsi boromullit kristallerinin yanında küresel anataz tanecikleri ve çubuksu rutil kristallerinin varlığı mikrosertlik değerlerinin düşmesine neden olmuştur. Mikroyapıda tamamen rutil kristallerinin bulunduğu ve rutil kristallerinin maksimum boyuta ulaştığı sıcaklıklarda numunelerin sarılık (+b*) değerlerinin en yüksek olduğu gözlemlenmiştir.  Nunumelerin ısı karşısındaki davranışı ısı mikrokobu ile belirlenmiş ve B2O3 oranının artması ve TiO2 ilave edilmesi numunelerin sinterlenme sıcaklığını düşürmüştür. Bunula birlikte, fonksiyonel grup değişimleri FTIR ile incelenmiş sıcaklığın artması ile absorbans bantlarının genişliklerinin arttığı ve yoğunlukları azaldığı gözlemlenirken TiO2 ilave edilmesinin sinterlenme sıcaklıklarında düşüşe neden olduğu eğrilerin davranışı ile desteklenmiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis, anatase-rutile transformation and crystal size change were examined at 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C and 1100°C by adding TiO2 to glaze compositions with varying Al2O3 and B2O3 ratios, which can crystallize in the boromullite system at low temperatures. The phase change, functional structure and microstructure evolution, water absorption, bulk density, apparent porosity, microhardness and optical behavior, thermal behavior of compositions with and without TiO2 added at 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C and 1100°C has been examined in detail. Phase change was examined by XRD analysis and it was observed that the peak intensity of boromullite crystals increased with increasing temperature in the samples with the highest Al2O3 ratio. It was observed that anatase crystals devitrified into rutile crystals as the temperature increased and the B2O3 ratio increased in the samples to which TiO2 was added. While it was observed that the presence of corundum crystals delayed the anatase crystal size growth, rutile formation accelerated with the increase in B2O3 ratio. In addition, while the increase in B2O3 ratio sharpened the peaks of albite crystals, the formation of rutile crystals accelerated with the increase in temperature and prevented the formation of albite. The lowest water absorption and apparent porosity values and the highest bulk density values were reached at the temperatures where albite crystals were observed in all samples. While the best microhardness values were exhibited at the sintering temperatures where the highest bulk density was observed, S1 reached 645 HV at 1000°C in the samples without TiO2 added and S4 reached 550 HV at 1000°C in the samples with TiO2 added. The microstructural evolution was examined by FESEM analysis, and the presence of spherical anatase grains and rod-like rutile crystals, as well as needle-like boromullite crystals, caused the microhardness values to decrease. It was observed that the yellowness (+b*) values of the samples were highest at temperatures where rutile crystals were completely present in the microstructure and rutile crystals reached their maximum size. The behavior of the samples against heat was determined by a heat microscope, and increasing the B2O3 ratio and adding TiO2 decreased the sintering temperature of the samples. Additionally, the functional group changes were examined by FTIR, and it was observed that the widths of the absorbance bands increased and their intensities decreased with the increase in temperature, while the addition of TiO2 caused a decrease in the sintering temperatures, which was supported by the behavior of the curves.