Bor'un elektroforetik yöntemle biriktirilmesine yönelik koloidal özelliklerinin ve birikme kinetiğinin araştırılması
Investigation of colloidal behaviour and deposition kinetics of electrophoretically deposited amorphous boron powder
Yazar: GÜROL ALDIÇ
Danışman: DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Elektroforetik yöntemler = Electrophoretic methods

Özet:
Mikron altı boyutta %95-97 saflıktaki amorf Bor tozu AISI 420 kalite paslanmaz çelik altlık üzerine Elektroforetik Biriktirme (EPD) yöntemiyle biriktirilmiştir.Bu yüksek lisans tezinin kapsamı Bor/Iyot/Aseton koloid sisteminin EPD koşullarında stabil şartlarını tespit etmek ve literatürde mevcut EPD kinetiği yaklaşımlarını deneysel sonuçlarla karşılaştırıp tartışmaktır. Ayrıca ileriki çalışmalara yönelik homojen, koherent ve yoğun kaplama elde edilecek şartları tespit edip Bor esaslı uygulamalarda kullanılabilecek nitelikte ön yapı oluşturmak amaçlanmıştır.Yüksek stabilitede süspansiyon hazırlama, Elektroforetik Biriktirme için en temel şarttır. Stabilitesi düşük süspansiyon kullanılarak elde edilen film yapısal hatalar içermektedir. Bu çalışmada, B/I/Aseton koloidal sisteminin stabilite karakterizasyonu; Partikül boyut dağılım analizi, yüzey aktifleştirici (I) konsantrasyonu kontrollü Zeta potansiyeli ölçümleri ve amorf Bor tozu konsantrasyonu kontrollü Gerçigenlik (%T) spektroskopisi ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir.Partikül boyut dağılım analizi sonucunda, kullanılan amorf Bor tozunun boyut aralığının 2 farklı seviyede (0.2, 2 µm) dağılım gösterdiği görülmüştür. Dağılım yoğunluğu mikron altı seviyede olup d(0.5) değeri 0.182 µm'dir. Elektrik alan kuvveti (E) altındaki yüklü bir koloidin hareketini kısıtlayan temel 2 kuvvet vardır; yerçekimi kuvveti ve sürtünme kuvveti. Yer çekimi kuvveti partikül boyutuna bağlı gelişirken, sürtünme kuvveti partikülün yüzey alanına bağlı gelişir. Genel bir kabul olarak; partikül boyutu arttıkça yerçekimi kuvvetinin koloid üzerindeki etkisi artarken, partikül boyutunun azalımıyla yüzey alanı genişlemesine bağlı olarak partikül ? sıvı arayüzeyinde orataya çıkan sürtünme kuvveti artmaktadır. Buna göre süspanse edilecek toz malzemenin yerçekimi kuvvetini yenecek ölçüde küçük, sürtünme kuvvetini azaltacak ölçüde kaba olması istenir.Süspansiyonun Zeta potansiyeli ve elektriksel iletkenlik ölçümleri Zetasizer cihazında yapılmıştır. Yüzey aktifleştirici kontrollü zeta potansiyeli ölçümleri yapılarak düşük elektriksel iletkenlik ve yüksek zeta potansiyeli değerleri esas alınarak optimum yüzey aktifleştirici konsantrasyonu 0.133 g/L iyot olarak tayin edilmiştir.Katı konsantrasyonunun süspansiyon stabilitesi üzerindeki etkisi Geçirgenlik spektroskopisi ölçümleri yardımıyla araştırılmıştır. Geçirgenlik testlerinde kullanılan katı konsantrasyonu skalası logaritmik ve simetrik değerlerden seçilmiştir. Spektrofotometre'den elde edilen veriler bilgisayar programı yardımıyla istatistiki olarak değerlendirilerek katı konsantrasyonun süspansiyon stabilitesi üzerindeki etkisini ortaya koyan kontr grafikler elde edilerek optimum katı konsantrasyonu 0.2 g/L Bor tozu olarak tayin edilmiştir.EPD prosesi temelde, süspanse edilmiş koloid, güç kaynağı, biriktirme hücresi ve iletken elektrotlardan oluşmaktadır. Bu çalışmada literatürdeki mevcut kinetik yaklaşımların deneysel sonuçlarla kıyaslanabilmesi açısından doğru akım güç kaynağı kullanılmıştır. Biriktirme hücresi, işlenebilir ve asetona karşı inert polioksimetilen termoplastik malzemesinden dizayn edilmiştir. Biriktirme hücresi silindir yapıda olup elektrot tutan yüzeyi 2.54 cm2, süspansiyon yüklenen hacmi ise 27 ml'dir.Yürütülen deneyler sonucunda görülmüştür ki, biriktirme hücresinin elektrik alan kuvveti altındaki hacimi (etkin hacim) birikme kinetiğini etkileyen önemli bir parametredir. Bor gibi pahalı malzemelerin düşük konsantrasyonda yüksek verimde biriktirilebilmesini sağlayan aseton gibi düşük viskoziteli koloid sistemlerde küçük etkin hacimde biriktirme yapıldığında birikme elektrodu çevresinde oluşan konsantrasyon düşüşü birikme tabakasının homojenitesini bozmaktadır. Bu çalışmada kullanılan biriktirme hücresinin etkin hacmi, geleneksel tip hücre ile kıyaslandığında oldukça büyüktür. Bu çalışmanın deneysel sonuçlarının kinetik değerlendirmesi sonucunda ortaya konduğu şekliyle etkin hacim arttıkça birikme elektrotu çevresindeki lokal konsantrasyonda artış meydana gelmektedir. Katı konsantrasyondaki lokal artış süspansiyon içerisindeki koloidlerin doğal difüzyona bağımlılığını azaltarak birikme hızını arttırıcı etki yaratmaktadır. EPD kinetiğinin en temel eşitliği olan Hamaker eşitliği ile deneysel sonuçlar değerlendirildiğinde en ideal şartlarla kıyaslandığında dahi birikme veriminin büyük etkin hacimde yüksek olduğu sonucuna varılmıştır.Birikme kinetiğini etkileyen bir diğer önemli nokta koloidin elektriksel özellikleridir. Literatürdeki mevcut EPD kinetiği üzerine yürütülmüş çalışmaların tamamı seramik tozları ile yapılmıştır. Seramiklerin oda sıcaklığında yüksek elektriksel direnç özelliği göstermesi nedeniyle birikme esnasında birikme yüzeyinde oluşturdukları elektriksel direnç ile birikme hızını azaltarak birikme kinetiğini idealden saptırdığı belirtilmektedir. Bor gibi yarı metal tozların seramik tozlarına kıyasla çok daha düşük elektriksel dirence sahip olması nedeniyle Hamaker eşitliği üzerinde yapılmış söz konusu modifikasyonların Bor için geçerli olmadığı görülmüştür. Bahsedilen elektriksel direnç seviyesinin B/I/Aseton sistemi ile biriktirme işlemi üzerinde kısıt oluşturduğu görülmüştür. Sistemden akan elektrik akımının birikme tabakası direncine bağlı azalmaması, elektrot-birikme tabakası arayüzeyinde oluşan joule ısınmasının birikme tabakası kalınlığının neden olduğu izolasyon etkisi ile sıvı buharlaşması ile sonuçlanarak birikme tabakasının arayüzeyden ayrılmasına neden olduğu görülmüştür. Bu çerçevede biriktirme işleminde uygulanan voltaj ile biriktirme süresi optimize edilmiştir. 40 V/cm başlangıç elektrik alan kuvvetinde 0-600 saniye uygulama süresi aralığında 10-23 µm aralıkta kalınlıkta homojen ve koherent birikme elde edilebileceği görülmüştür.Elde edilen sonuçlar çerçevesinde Elektroforetik biriktirmenin kinetiği üzerine seramik malzemeler dışında, farklı malzemeler ile daha çok birikme kinetiği çalışması yapılması ve birikme hızı ile şarj edilmiş partiküllerin etkin hacime migrasyon hızı arasındaki ilişkinin matematiksel olarak modellenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Amorphous Boron powder precursor, suspended in acetone media were deposited electrophoretically on AISI 420 stainless steel substrate. Resublimed Iodine has been used as dispersant. Colloidal properties of B/I/Acetone system have been investigated via Particle size distribution analysis, Zeta potential (?) measurements and Transmittance (%T) spectroscopy. Semi-experimental values of electrostatic forces and inter-particle positioning were discussed. 0.2, 0.133 g/L am. B / I mixture found to be optimized in Acetone medium, respectively. Within this work, Electrophoretic Deposition cell has been designed as cylindrical form, 105 mm inter-electrode space, 2.54 cm2 deposition area and 27 ml cell volume to approach deposition kinetics of EPD without dependent on the natural diffusion of particles which migrate naturally from electrically non-forced area to effective area of the conventional cells or flow rate of suspensions controlled by external pump. EPD cell designed as to be all particles were under applied electric field perpendicular to working electrode along the process duration as described in fundamentals of EPD. It has been seen that eliminating the diffusion dependent of deposition makes it efficient compare with present kinetic aspects of EPD. Increasing the effective volume of deposition perpendicular to working electrode requires higher voltages. Under high voltage, Faradic resistance evolution of Electric double layer capacitance becomes significant. Formation of balance between faradic and suspension resistances takes seconds 20 to 200 depending on applied voltage. Plots of recorded electrical signals at stable deposition regime were fitted to initial stages of operation via regression stats. Regression stats were given good match with the evolution of unstable stage of deposition. Effect of Amorphous Boron powder resistant on deposition mechanism has also been investigated. It has been seen that voltage drop along the process was originated by suspension dilution over the block movement of particles through the working electrode under electric field strength. As a general aspect, Voltage drop, originated by resistance of deposit layer, was not expected in our experiments due to the lower solid resistant compare with solution resistant. As a main disadvantage of EPD under high voltages and large inter-electrode spacing, inner density of deposited layer gets poor by reason of rapid voltage drop during unstable stage of the process.