Boro/karbotermik indirgeme yöntemiyle CaB6 sentezi ve karakterizasyonu
Boro/carbothermic reduction synthesis and characterization of CaB6
Yazar: DUYGU YILMAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NURŞEN KOÇ ; PROF. DR. SERVET TURAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Karbotermal indirgeme = Carbothermal reduction

Özet:
Bu çalışmada, endüstriyel alanda sıkça kullanılan alkali hekzaborürler grubundan kalsiyum hekzaborür'ün (CaB6) boro/karbotermik indirgeme (BKTİ) yöntemiyle sentezi, yerinde oluşan bor karbürün (B4C) sistemde kalsiyum (Ca) kaynağı olarak görev alan bileşeni indirgemesiyle sentezlenmiş ve sentezlenen CaB6'ün karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, yerli borik asit kullanılarak, geleneksel yöntemlerle oldukça yüksek sıcaklıklarda sentezlenebilen CaB6'ün BKTİ üzerinden sentezlenmesi ve sentez sıcaklığının düşürülmesidir.

Tez çalışması kapsamında, CaCO3'ın yerinde oluşan B4C üzerinden ve yarı-kararlı kalsiyum hekzaborat (CaB6O10) ile polivinil alkol (PVA) kullanılarak üretilen PVA-CaB6O10 karışımının pirolizini takiben gerçekleştirilen karbotermik indirgeme (KTİ) yöntemiyle sentezlenmesi ele alınmıştır. İlk yöntemin seçilmesindeki amaç, esterifikasyon temelli jellerin sentezlenmesiyle B-O-C bağlarının oluşumunu sağlamak ve elde edilen eş dağılımlı karışımla BKTİ'nın verimini artırmaktır. İkinci yöntemde ise, borun belirli bir sıcaklığa kadar serbest hale geçmesini engelleyerek, KTİ sıcaklığına dek bor kaybını azaltacak, B4C oluşum sıcaklığının üzerinde ise kolaylıkla bileşenlerine ayrılaşabilecek ve hem Ca, hem de B kaynağı olarak kullanabilecek bir yarı-kararlı geçiş evresi olan hekzaboratın KTİ yöntemine uyumlanması amaçlanmıştır.

İlk yöntemde bor kaynağı olarak yerli borik asit, karbon kaynağı olarak D(-)-Manitol ve Ca kaynağı olarak CaCO3 üzerinden jel öncüller, esterifikasyon tepkimesine uyumlu BMCaC6 ve BKTİ için uygun stokiyometride BMCaC3 grubu olarak sentezlenmştir. Pirolizi takiben BKTİ yöntemiyle 1350-1450°C'de 6-12 saat süreyle CaB6 sentezi gerçekleştirilmiştir. PVA-CaB6O10 sistemi için ise öncelikle CaB6O10.5H2O, yine yerli borik asit ve CaCO3 kullanılarak hidrotermal sentez yöntemiyle sentezlenmiş ve sonrasında PVA-CaB6O10 karışımları elde edilmiştir. Piroliz sonucu elde edilen tozlardan 1400-1500°C'de 6-12 saat boyunca KTİ ile CaB6 sentezi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, calcium hexaboride (CaB6) from a group of alkaline hexaborides which are frequently used in the industry was synthesized by the reduction of calcium (Ca) source by in-situ synthesized boron carbide (B4C) via boro/carbothermic reduction (BCTR) method and characterization of the synthesized CaB6 was carried out. The aim of the study was to synthesize CaB6 via BCTR by using local boric acid and to reduce the synthesis temperature which is very high in conventional synthesis methods.

The scope of the study is the reduction of calcium carbonate (CaCO3) by in-situ synthesized B4C and the reduction of carbon (C) coated hexaborates obtained after pyrolysis of calcium hexaborate (CaB6O10)-polyvinyl alcohol (PVA). The purpose of the first method is to form B-O-C bonds via synthesis of the esterification based gel materials and to increase the effect of BCTR by obtaining homogeneous mixtures. The purpose of the second method is to keep the boron species in the system until a certain temperature by synthesizing a meta-stable transitional calcium-hexaborate as a both Ca and B source which can easily decompose into its components above the B4C formation temperature. 

In the first method, gel precursors were synthesized as two groups by using boric acid as boron, D(-)-Mannitol as C and CaCO3 as Ca source. The first group BMCa6 was stoichiometric for esterification and the second group BMCa3 was stoichiometric for BCTR. Following the pyrolysis of gels, CaB6 was synthesized at 1350-1450ºC for 6-12 hours via BCTR. 

For the CaB6O10-PVA system, firstly calcium hexaborate pentahydrate (CaB6O10.5H2O) was synthesized by hydrothermal synthesis method by using local boric acid and CaCO3. Then, CaB6O10-PVA mixtures were prepared. The effect of molecular weight of PVA on CaB6 was also investigated. CaB6 powders were synthesized over pyrolyzed CaB6O10-PVA mixtures at 1400-1500ºC for 6-12 hours via BCTR.