Çeşitli bor oksit katkılarının vermikülit esaslı kordiyerit cam-seramik özelliklerine etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of various boron oxide additives on vermiculite based cordierite glass-ceramic properties
Yazar: FADİME TAKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. SÜLEYMAN AKPINAR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ CANSU KURTULUŞ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Kordiyerit (2MgO.2Al2O3.5SiO2), MgO-SiO2-Al2O3 sisteminin önemli fazlarından birisidir. Kordiyerit seramikler düşük dielektrik sabiti (ε = 5– 6), yüksek özdirenç (ρ>1012Ωcm) ve çok düşük ısıl genleşme katsayısına (α = 1-2x10-6 °C-1) sahiptir. Bu özellikler, kordiyeritin çeşitli yüksek sıcaklık uygulamalarında ve mikro elektronik endüstrisinde yarı iletken malzeme olarak kullanılabilmesini sağlar. Kordiyerit seramiklerin karakteristik özellikleri, sentezlenmesinde kullanılan başlangıç hammaddelerinin ve sentezleme sonrası mikro-yapılarındaki fazların bileşimi ve yapısı, safsızlıklar ve üretim tekniği gibi birçok faktörden etkilenir. Müllit, korund, spinel, forsterit, ensteatit, kristobalit gibi ikincil kristal fazları genellikle camsı kordiyerit matriks yapısı içerisinde kordiyerit fazı ile birlikte bulunabilir ve bu çok fazlı mikro yapı, kordiyerit seramiklerin nihai özelliklerini belirler. Özellikle, oksit tozların katı hal sinterlemesi ile üretilen kordiyerit seramiklerde, termal genleşme katsayısını artıran kristobalit ve spinel fazları kaçınılmaz olarak kordiyerit fazına eşlik eder. Yüksek yoğunlukta kordiyerit seramik üretimi için aşırı sinterleme uygulaması kristalin kordiyeritin forsterit ve müllit fazlarına ayrışmasına neden olur; bu durum, termal genleşmeyi önemli ölçüde arttırır. Öte yandan, yetersiz sinterleme ise, düşük ısıl genleşme ve yüksek şok direnci için yeterli kristal kordiyerit fazını geliştiremez (Akpinar vd. 2015). Erime noktası 1460 °C olan kordiyeritin çok dar bir sinterleme sıcaklık aralığına (1350-1400 °C) sahip olmasından dolayı sinterlenmesi zordur (Kumar vd. 2015). Çeşitli hammadde karışımlarından oluşan kordiyerit seramikler için tam bir yoğunlaşma elde etmek için, genellikle sinterleme yardımcılarına ihtiyaç vardır. Ancak, devre kartları, katalitik konvertörler ve termal izolatörler gibi çeşitli alanlarda hayati önem taşıyan kordiyeritin kendisine has ısıl ve elektriksel özellikleri, sinterleme katkıları kullanımı durumunda ikincil kristal fazların oluşumu nedeni ile olumsuz etkilenmektedir (Akpinar 2019). Dolayısıyla sinterleme katkılarına duyulan ihtiyaç, safsızlığa duyarlı doğası nedeniyle tek fazlı kordiyerit seramiklerin elde edilmesini oldukça zorlaştırmaktadır (Oliveira ve Fernandes 2002). Kordiyerit ile ilgili yapılmış çalışmalar, sinterleme yardımcıları olmadan sinterleme sıcaklığında ısıtmanın çok zor olduğunu göstermektedir (Thorp ve Hutton 1981). 

 Bu tez çalışmasında, tek fazlı kordiyerit seramik eldesi için, kordiyerit sitokiyometrisine benzer bileşime sahip Vermikülit hammaddesinin iyi ergitici özelliklerine sahip çeşitli bor oksit katkıları (boraks, borik asit, kolemanit)  ile saflığı ve nihai ürün teknik özelliklerini önemli ölçüde etkilemeyecek oranda katkılandırılarak ergitilmesi ve sonrasında cam yapıya dönüştürülmesi ve akabinde cam yapının uygun sıcaklıkta kristalizasyonu ile kordiyerit cam-seramik üretimi hedeflenmektedir. Bu kapsamda kullanılan bor oksit katkılarının nihai cam-seramik yapının faz, mikroyapı, fiziksel, mekanik, termal özellikleri üzerinde etkileri araştırılacaktır.

Abstract:
Cordierite (2MgO.2Al2O3.5SiO2) is one of the important phases of the MgO-SiO2-Al2O3 system. Cordierite ceramics have low dielectric constant (ε = 5– 6), high resistivity (ρ>1012Ωcm) and very low coefficient of thermal expansion (α = 1-2x10-6 °C-1). These properties allow cordierite to be used as a semiconductor material in various high temperature applications and in the microelectronics industry. The characteristic properties of cordierite ceramics are affected by many factors such as the composition and structure of the initial raw materials used in their synthesis and the phases in their microstructures after synthesis, impurities and production technique. Secondary crystal phases such as mullite, corundum, spinel, forsterite, ensteatite, cristobalite can often be found together with the cordierite phase in the glassy cordierite matrix structure, and this multiphase microstructure determines the final properties of cordierite ceramics. In particular, in cordierite ceramics produced by solid state sintering of oxide powders, cristobalite and spinel phases that increase the thermal expansion coefficient inevitably accompany the cordierite phase. For the production of high-density cordierite ceramics, excessive sintering causes the crystalline cordierite to decompose into forsterite and mullite phases; this significantly increases thermal expansion. On the other hand, insufficient sintering cannot develop sufficient crystalline cordierite phase for low thermal expansion and high shock resistance (Akpinar et al. 2015). Cordierite, which has a melting point of 1460 °C, is difficult to sinter because it has a very narrow sintering temperature range (1300-1400 °C) (Kumar et al. 2015). For cordierite ceramics composed of various raw material mixtures, sintering aids are often needed to achieve full densification. However, the thermal and electrical properties of cordierite, which is vital in various fields such as circuit boards, catalytic converters and thermal insulators, are adversely affected by the formation of secondary crystalline phases in the case of the use of sintering additives (Akpinar 2019). Therefore, the need for sintering additives makes it very difficult to obtain single-phase cordierite ceramics due to their impurity sensitive nature (Oliveira and Fernandes 2002). Studies on cordierite show that it is very difficult to heat at sintering temperature without sintering aids (Thorp and Hutton 1981).
n this thesis, for the production of single-phase cordierite ceramics, it is aimed to melt the Vermiculite raw material, which has a composition similar to cordierite cytochiometry, by doping with various boron oxide additives (borax, boric acid, colemanite) with good melting properties at a rate that does not significantly affect the purity and technical properties of the final product, and then melting the glass. It is aimed to produce cordierite glass-ceramic by transforming it into a structure and then crystallization of the glass structure at the appropriate temperature. In this context, the effects of boron oxide additives on the phase, microstructure, physical, mechanical and thermal properties of the final glass-ceramic structure will be investigated.