TeO2?CdO sisteminde faz dengelerinin tespiti ve sistemin termodinamik?yapısal?mikroyapısal incelenmesi
Phase studies and thermodynamic?structural-microstructural characterization of TeO2?CdO system
Yazar: GÜNKUT KARADUMAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Faz dengeleri = Phase equilibriums ; Faz diyagramı = Phase diagram ; Kadmiyum oksit = Cadmium oxide ; Mikroskopi-elektron taramalı = Microscopy-electron scanning ; Tellür dioksit = Tellurium dioxide ; Termal analiz = Thermal analysis ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
Tellür oksit (TeO2) esaslı camlar sahip oldukları düşük cam geçiş ve ergimesıcaklığı, yüksek kırıcılık indeksi, düşük saçılma değeri, iyi derecede kızılötesigeçirgenliği ve düşük fonon enerjisi gibi özellikleri ile silikat, borat ve fosfat esaslıcamlar ile karşılaştırıldıklarında optik ve fotonik uygulamalar için daha elverişlidir.Bu camlar sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle lazerlerde, optikkuvvetlendiricilerde, sensörlerde ve optik veri depolama uygulamalarındakullanılmaktadır. TeO2 normal soğutma koşullarında tek başına cam yapısı oluşturmakabiliyetine sahip olmamasına karşın ağ yapısını bozmak üzere eklenen alkali,halojenür, ağır veya geçiş metal oksitleri gibi ikincil bileşenler sayesinde camyapmaktadır. Lazer uygulamalarında camlarda aranan en temel özellik yüksek optikyoğunluklarda açığa çıkan ısıya karşı termal dayanımdır. Bir geçiş metal oksidi olanCdO'nun ikinci bileşen olarak seçilmesinin nedeni bulunduğu sistemin termalkararlılığını oluşturduğu kovalent bağlar ile arttırmasıdır.Bu çalışmada TeO2 ? CdO ikili sisteminin termal, yapısal ve mikroyapısalkarakterizasyonu ile sistemde dengede olan fazların tespiti gerçekleştirilmiştir.Ayrıca TeO2 ? CdO ikili sisteminin cam yapma bileşim aralığı incelenmiş ve camyapının kristalizasyon davranışı belirlenmiştir. Lazer ve optik uygulamalarda genişkullanım alanı bulan tellürit esaslı sistemler içinden bu sistemin seçilmesinin temelnedeni literatürde bu sistem üzerine yapılan az sayıda çalışma bulunması ve yapılançalışmalarda sistemde dengede olan fazlar üzerine çelişkiler bulunmasıdır.Deneysel çalışmalarda, on dokuz farklı bileşimdeki numuneler; (1?x)TeO2 ? xCdOformülü gereğince 0,05 ? 0,50 mol yüzdesi aralığında hazırlanmıştır. Bu amaçla,yüksek saflıktaki tozlar, belirlenen bileşimlerde, homojen olarak agat havaniçerisinde karıştırılmıştır. Kapaklı platin pota içerisine yerleştirilen karışımlar, 800 -850 °C'deki fırında, 30 dakika boyunca bekletildikten sonra fırından çıkarılıp suda suverilerek hızlı bir şekilde soğutulmuştur. Döküm sonrası elde edilen numunelerintermal ve yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Termal analiz sonuçlarına dayanarakekzotermik reaksiyonların tamamlandığı 550 °C'de 24 saat ısıl işlem uygulanaraknumunelerin termal dengeye ulaşmaları sağlanmıştır. Isıl işlem sonrası numuneleryeniden termal ve yapısal olarak karakterize edilmiş ve mikroyapıları incelenmiştir.Gerçekleştirilen DTA, XRD ve SEM çalışmaları sonucu termal olarak dengede olanfazlar tespit edilmiş, cam yapma bileşim aralığı belirlenmiştir. Literatürde bulunansistemde faz dengeleri üzerine çelişkilere ışık tutulmuş ve elde edilen sonuçlaryardımıyla TeO2 ? CdO faz diyagramı %50 CdO bileşimine kadar olan bölgeyeniden düzenlenmiştir.Döküm sonrası elde edilen numunelerden 0,05 ? x ? 0,15 bileşimlerinin, uygulanansoğutma koşullarında cam yaptığı tespit edilmiştir. Isıl işlemli numunelere uygulananfaz ve mikroyapı analizlerine göre; 0,05 ? x ? 0,33 bileşimlerinde ?-TeO2(paratellürit) ve monoklinik CdTe2O5 fazlarının, 0,33 ? x ? 0,475 bileşim aralığındamonoklinik CdTe2O5 ve 8CdO·9TeO2 fazlarının ve 0,475 ? x ? 0,50 bileşimaralığında ise 8CdO·9TeO2 ve monoklinik CdTeO3 fazlarının dengede olduğubelirlenmiştir. Sistemdeki ilk ötektik reaksiyon (sıvı ? ?-TeO2 (paratellürit) +monoklinik CdTe2O5) onset sıcaklık değeri 642 ±1 °C, ikinci ötektik reaksiyon (sıvı? monoklinik CdTe2O5 + 8CdO·9TeO2) onset sıcaklık değeri 692 ±2 °C olaraktespit edilmiştir. 8CdO·9TeO2 arabileşiğinin anormal ergiyen bir bileşik olup; 715 ±5°C'de gözlemlenen peritektik reaksiyon sonucu sıvı ile CdTeO3 fazına ayrıştığısaptanmıştır. CdTeO3 fazına ait iki adet dönüşüm reaksiyonu yapılan termalanalizlerde 688 ve 739 °C'de belirlenmiştir.

Abstract:
Tellurium oxide (TeO2) based glasses are more convenient for optic and photonicapplications than silicate, borate and phosphate glasses according to their low glasstransition and melting temperature, high refractive index, low dispersion value, goodinfrared transmission and low phonon energy. TeO2 glasses use in lasers, opticalamplifications, sensors and optical data storage applications due to their desirableproperties. TeO2 is a conditional glass former it does not have ability to form glassunder normal cooling conditions but addition of a secondary component increases theglass forming tendency. The main draw back of the tellurite glasses in laserapplication is thermal damage of the glass medium during high optical intensityapplicaitons. In order to prevent this situation CdO was selected as a secondarycomponent since the addition of CdO into glasses increases the thermal stability byintroducing covalent bonds in the structure.Equilibrium of the existing phases in the TeO2 ? CdO binary system wereinvestigated by thermal, structural and microstructural characterization techniques.Also glass forming composition range studied and crystallization behavior of theglass determined. In the literature; there are few study for investigating the existingphases in the TeO2-CdO system; which are not a systematical investigations and alsothere is a conflict on an existing phases near 50% mol CdO composition in thesystem; for these reasons this system was selected to study.In the experimental studies, nineteen different sample composition prepared with thecompositions of (1-x)TeO2 + xCdO, where x = 0.05 ? 0.50 in molar ratio. High puritypowders were mixed homogeneously in a agate mortar with given compositions.Powder batches of 5g size were melted in platinum crucible with a closed lid at 800 ?850 °C, waited for 30 minutes and then molten samples removed from furnace,quench in a water bath. Thermal and structural characterization of the as-castsamples was carried out. According to the DTA results, as-cast samples were heattreatedabove the exothermic peaks at 550 °C for 24 hours in order to obtain thermalequilibrium. Thermal (DTA), phase (XRD) and microstructural (SEM) investigationswere carried out on heat-treated samples. Thermal equilibrium of the phases existedin the system was studied with investigation of glass forming region. Confliction onexisted phases in the system enlightened with obtained data?s from this study andTeO2 ? CdO binary phase diagram modified.Glass formation was determined on as-cast samples with the composition of 0,05 ? x? 0,15, under applied cooling conditions. According to phase and microstructureinvestigations on heat-treated samples equilibrium of the phases found for ?-TeO2and CdTe2O5 at 0,05 ? x ? 0,33, CdTe2O5 and 8CdO·9TeO2 at 0,33 ? x ? 0,475 and8CdO·9TeO2 and CdTeO3 at 0,475 ? x ? 0,50 composition range in the TeO2 ? CdObinary system. The first and the second eutectic reaction onset temperature valueswere observed at 642 ±1 and 692 ±2 °C respectively. 8CdO·9TeO2 intermediatecompound melts incongruently by separating into liquid and CdTeO3 phase as aresult of peritectic reaction occurred at 715 ±5 °C. Two phase transition reactions,which are related to CdTeO3 phase, were observed at 688 and 739 °C respectively.