İyon değişimi yöntemiyle soda kireç camının mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
Mechanical strengthening of soda lime glasses by ion exchange process
Yazar: İPEK ERDEM
Danışman: PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Keşfedildiği ilk günden beri kullanımı giderek yaygınlaşan cam, bulunduğumuz yüzyıl içerisinde her alanda büyük bir hızla gelişen teknoloji ile birlikte bir ev eşyası olmaktan çıkarak özellikle otomotiv, mimari, inşaat, uçak, optik ve uzay sanayinde, laboratuvarlarda, enerji elde etme gibi pek çok alanda kullanılmaktadır. Estetik ve saydamlık açısından diğer malzemeler ile kıyaslanamaz bir üstünlüğe sahip olan camın bu sektörlerin ihtiyacını karşılaması ve farklı uygulamalarda kullanım alanının genişletilmesi, yüksek mukavemet gösteren güvenilir bir malzeme olması halinde mümkün olmaktadır. Bu sebeple cam malzemelerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesi konusu büyük önem arz etmekte ve günümüzde bu konuda çalışmalar artarak devam etmektedir. 
Camın günlük hayatımızda ve teknoloji dünyasındaki kullanımını belirleyen en önemli özelliği mekanik davranışı olup; mekanik dayanımları yüzey özellikleri tarafından belirlenir. Camların yüzeyinde oluşan çatlaklar, üretimi esnasında veya günlük yaşantımızda sıkça karşılaşılan mekanik, kimyasal ve ısıl etkilerle ortaya çıkar. Camın mukavemetini artırmaya yönelik çalışmalar, cam yüzeyine çatlakların oluşmasını ve ilerlemesini engelleyebilecek basma gerilmeleri meydana getirilmesine odaklanmıştır. En yaygın uygulamaya sahip ısıl temperlemenin yanında kimyasal temperleme geçtiğimiz yarım yüzyılda çalışmaların odak noktası haline gelmiştir. 
Kimyasal temperleme işlemi, uzun yıllardır optik dalga klavuzu üretimi, cam renklendirmesi ve cama antibakteriyel özellik kazandırılması gibi amaçlar için bilinen bir yöntemdir. Son yıllarda özellikle camların yüzey özelliklerinin geliştirilmesi ve camlara mukavemet kazandırılmasına yönelik uygulamasıyla üzerinde çalışılan bir konu olarak dikkat çekmektedir. Daha önce bahsedildiği üzere bu konuda dünyadaki farklı cam üreticilerinin geliştirdiği çeşitli ürünler ve patentler bulunmasına rağmen; prosesin verimliliği, sıcaklık, süre, banyo bileşimi ve konsantrasyonu, cam bileşimi gibi farklı parametrelere bağlı olarak değiştiği için üzerinde çalışmaların devam ettiği ve her geçen gün yeni gelişmelerin kaydedildiği, patentlerin üretildiği önemli bir araştırma konusudur.
Dünyanın en önemli cam üreticilerinden olan Corning®, kimyasal temperleme yöntemi kullanılarak geliştirilen Gorilla® Glass ürünü ile cam piyasasına farklı bir yön kazandırmış; özellikle elektronik uygulamalarda kullanılan cihaz ekranlarında (Samsung cep telefonu ve tabletleri, Sony televizyonlar ve Acer, Dell, HP ve Lenovo masaüstü bilgisayarlar) önemli bir başarı elde etmiştir. İlk Gorilla® Glass ürünlerinin 2010 yılında kullanılmaya başlanmasının ardından, araştırmalar sürdürülmüş ve kaydedilen ilerlemeler ile neredeyse her yıl yeni bir ürün ortaya çıkmıştır. Kimyasal temperleme yöntemi ile ticarileşen ürünlerin büyük çoğunluğunda, alkali aluminosilikat camlar kullanılmış olup; geliştirilen ürünler genellikle elektronik cihaz panelleri ve ekranları olarak işlev görmektedir.
Anlaşılacağı üzere oldukça yaygın kullanımda olan kimyasal temperleme işlemi, cam yapısındaki iyonlar ile işlem gördüğü tuz banyosu içindeki iyonların yer değiştirmesi esasına dayanan bir iyon değişim işlemi ile gerçekleştirilmektedir. Yapıya geçen büyük çaplı iyonlar yüzeyde bir basma gerilmesi oluşturarak camların mukavemetinde artış sağlamaktadır. Yöntem, bilinen diğer mukavemetlendirme yöntemlerine kıyasla kolay uygulanabilir oluşu, farklı boyutlarda karmaşık şekilli parçalara uygulanabilmesi, işlem sonrası sonuç ürünün işlenebilmesi, pahalı makina ve ekipmanlara ihtiyaç duyulmaması gibi önemli avantajlara sahiptir. 
Tez kapsamında, ticari bir ürün olan ve pek çok farklı uygulamada kullanılan soda kireç camının kimyasal temperleme işlemiyle mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Soda kireç camı, iyon değişim işleminin uygulanabilir olduğu aluminosilikat, borosilikat ve alumino borosilikat camlarına göre daha ucuz ve kolay bulunur oluşu ve iyon değişim işlemi için yeterli miktarda alkali iyon içeriği için tercih edilmiştir. 
Soda kireç camına saf potasyum nitrat banyosunda uygulanacak iyon değişim işlemi için 4 sıcaklık ve her sıcaklık için 9 süre belirlenmiş, yüksek mukavemetli camların elde edilmesi adına en etkili sonuçların elde edildiği işlem süresi ve işlem sıcaklığı gibi parametrelerin karşılaştırılması üzerinde çalışılmıştır. İşleme tabi tutulmuş ve işlem uygulanmamış camın optik özellikleri, sertlik, çatlak oluşturma davranışı, çizilme ve eğme dayanımları incelenmiş, konsantrasyon profilleri de belirlenerek sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Çalışmalar sonucunda, soda kireç camlarına uygulanan iyon değişim işlemi ile camın ismi geçen tüm mekanik özelliklerinde belirli oranlarda gelişme sağlanmıştır. Gerçekleştirilen karakterizsyonlar sabit sıcaklıkta değişen süre ve sabit sürede değişen sıcaklığa bağlı olarak kendi içinde değerlendirildiğinde, her mekanik test için iyileşme miktarlarında benzer nitelikte tutarlı değişimler elde edilmiştir. Artan süreye bağlı olarak sertlik değerlerinde öncelikle artış daha sonra azalarak sabitlenen değerler gözlenmiştir. Yüksek sertlik değeri gözlenen numunelerin çatlak oluşturma yük sınırları ve eğme mukavemetlerinin yüksek; çatlak oluşturma ihtimalleri ve hasar bölgesi boyutlarının düşük olduğu belirlenmiştir. Sıcaklık artışına bağlı olarak sertlik değerlerinde azalma gözlenirken, çatlak oluşturma yük sınırları ve eğme mukavemetleri azalmış, çatlak oluşturma ihtimalleri ve hasar bölgesi boyutları artmıştır. 
Literatür araştırmaları süresince, bu tez kapsamında yapılan karaterizasyon adımlarının hepsini aynı anda içeren ve karşılaştırma yapan başka bir kaynağa rastlanmamıştır. Bu sebeple deneyler sonucunda çok çeşitli açılardan incelenen mekanik özelliklerin karşılaştırmalı yorumlanmasının literatürde özgün değere sahip bir çalışma olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
With rapidly developing  technology in our century, glass materials particularly started being used not only as housewares but in many fields such as automotive, architecture, construction, aircraft, optical and aerospace industries, laboratories, energy generation. Glass is the mostly preferred or the only choice for its esthetics and transparency, so to meet the needs of the sector and expand the use in different applications, glasses should be reliable materials with high strength. Therefore,  the development concerning  mechanical properties of glass materials are of great importance, and today the efforts in this regard continue to increase.
The most important feature of glass, that determines the use of it in our daily lives and in the world of technology, is its mechanical properties. The mechanical strength of glass is determined by its surface property. The flaws that occur on the surface of the glass are due to production prosesses or the mechanical, chemical and thermal effects encountered in our daily lives. Therefore, studies on glass mechanical strengthening mostly focuses on the supression of these microcracks by introducing compressive stresses to the glass surface. The stress limits the crack generation and seals them diabling further crack progression. With thermal tempering being the most popular method for generating surface compression, chemical tempering has become the focus of studies in the last decades. 
Chemical tempering method is known for many years for purposes as the production of optical waveguides, glass coloring and gaining antibacterial proterties to glass. In recent years, the method has also become a popular choice for developing glass strength and improving the surface properties of glass. Although as mentioned earlier, there are a variety of products and patents developed by different glass manufacturers in the world in this regard; there are many ongoing researches on various parameters such as process efficiency, temperature, time, bath composition and concentration and glass composition. It is a field where each day a new development is recorded and patents are produced. 
Corning® as one of the world's most important glass producers, has given a different direction to the glass market by developing Gorilla® Glass product produced by chemical thempering method. The product has achieved a major success especially in applications as display screens used in electronic applications (Samsung mobile phones and tablets, Sony TVs and Acer, Dell, HP and Lenovo desktops). After the first Gorilla® Glass products first introduced in 2010, researches continued to proceed and a new product has appeared almost every year. Corning recently announced a new glass product offering Gorilla® Glass 4 like impact resistance and sapphire like scratch resistance. The majority of the products commercialized by chemical tempering method use alkali aluminosilicate glass; developed products generally serve as electronic equipment panels and screens.
Chemical tempering is realized by the ionic exchange process of the alkali ions in the glass structure with the ions in a molten salt bath it is in contact with. The larger ions incorporated to the surface structure replacing the smaller ions cause local strains thus increase the strength of glass by forming a compressive stress. The method has important advantages compared to other known methods of strengthening; it can be applied easily to complex shaped and very thin (down to 0,5 mm) parts of varying sizes, the resulting product is suitable for machining and the process does not require expensive machinery or equipment.
In the thesis, it is aimed improve the mechanical properties of soda-lime glass by chemical tempering process. Soda lime glass is preferred over other ion exchangeable glasses such as aluminosilicate, borosilicate and alumino borosilicate glasses for being cheaper and easier to purchase as it is a commercial product used in many different applications, and also for containing sufficient amount of alkali ions. 
Four temperatures and nine time durations are determined for the application of ion exchange process on soda-lime siliacte glasses, using pure potasssium nitrate salt bath. The investigations are focused on the optimum temperature and duration combination that results in the most efficient amount of mechanical stengthening. Treated and untreated samples are examined and evaluated in terms of their optical properties, hardness values, crack forming behaviors, scratch and bending strengths, and the results were evaluated together with the surface and bulk ionic concentration changes. Study results of the soda lime glass by ion exchange operation applied to said glass Browse all mechanical properties improvement has been achieved in specific proportions.
In experimental studies, soda lime silicate glasses are immersed in pure potassium nitrate salt baths in stainless steel tanks. As the glass trasition of soda lime glass was determined to be 549°C, process parameters are applied as 425°C, 450°C, 475°C and 500°C temperatures accordingly and 0,5 , 1, 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24 hours for each temperature. A total of 36 ion exchanged glass samples are produced. The efficiency of ion exchange process was determined by weight measurements, assuming an increase after process as potassium ions incorporated have larger ionic diameters than sodium ions leaving. Further characterization steps were realized on 6 samples to investigate the effect of time and temperature variance on results, chosen as 425°C for 1, 4 and 16 hours and 450°C, 475°C and 500°C for 16 hours.
The optical property changes of samples after ion exchange were measured by UV-Vis Spectrophotometer. For the mechanical characterization, samples were analyzed for their Vickers microhardness, indentation induced crack formation load limits, cracking probabilities and deformation zones using Schimadzu HMV-G21 Vickers Instrument, scratch resistance tests applied in CSM depth sensitive nano hardness ve scratch test instrument and four-point bending tests were applied to determine the strength by using Schimadzu Universal Testing Instrument. Surface potassium ion concentration and concentration profile were investigated by EDS and Linescan EDS analysis. 
The results of experimental studies revealed that compared to unprocessed reference sample, ion exchange process improved the microhardness, indentation induced crack formation load limit, cracking probability, scratch resistance and strength of glass samples for all temperatures and time durations. The improvement amounts change with changing temperature at constant durations and also with changing time at constant temperature. 
Results of all 36 samples revealed that for all temperatures, increasing the time of ion exchange process resulted in increasing hardness up to a maximum value and then after a certain duration the values descended to become stabilized. Investigations on selected samples showed that, along with high hardness, crack formation load limit and bending strength also increased and accordingly crack formation possibility and deformation zone have decreased. For each duration, hardness values have decreased with increasing temperature. Accordingly, crack formation load limit and bending strength also decreased, crack formation possibility and deformation zone have increased. 
There was no significant optical transmittance difference of the samples before and after the ion exchange process. Concentration profiles obtained by linescan EDS analysis revelaed a stable decrease of potassium concentration from surface to bulk, up to 60 m depth.
During the literature investigations, no source was found that includes and compares these characterization steps all at the same time, as done in this thesis. Therefore the comparative interpretation of the mechanical test results examined from various angles are thought to be essential contributions to literature.