Alüminyum matrisli bor karbür takviyeli sermet kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production of al based cermet composite reinforced with boron carbide and caracterization
Yazar: DUYGU UZUN
Danışman: PROF. DR. METİN GÜRÜ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürden sonra gelen en sert malzemedir. Ayrıca, birçok kimyasal reaksiyona karşı dayanımının iyi ve yoğunluğunun da düşük olması önemli özelliklerindendir. İçerik bakımından yaklaşık %80 Bor ihtiva eden bor karbür, yüksek ergime noktasına, iyi kimyasal ve fiziksel kararlılığa sahip olmasından dolayı nötronların absorbe edilmesinde etkin ve ekonomik kullanıma sahiptir. Bu özellikleri ile kesici alet yapımında, özel uç oluşturmada ve zırh malzemesi yapımında önemli kullanım alanları bulunmaktadır. Ayrıca, bor karbür kullanılarak en yüksek özgül mukavemete sahip seramiklerden biri elde edilebilmekte ve kompozitin toplam ağırlığı arttırılmaksızın mekanik özellikleri geliştirilebilmektedir.Bu çalışmada, bor ve karbon reaktiflerinden çıkılarak mekanokimyasal yöntemle bor karbür sentezlenmiş ve bu malzemeden stratejik öneme sahip seramik metalik kompozit malzeme üretilerek dayanımı test edilmiştir. Çalışma 2 aşamadan oluşturulmuştur. İlk aşamada, 4 farklı orandaki karbon ve bor elementlerinin inert atmosferde mekanokimyasal reaksiyonla oluşumu gerçekleştirilmiş, elde edilen ürünler 1550°C'de sinterlenerek bor karbür kristallerinin oluşumu sağlanmıştır. Elde edilen ürüne sırasıyla FT-IR ve XRD analizi yapılarak pik şiddetleri incelenmiş ve kullanılması gereken B/C oranı belirlenmiştir. 20 ml/min azot-argon gaz akışında yapılan TGA-DTA analizi sonucunda, çalışılan en yüksek sıcaklığa kadar bor karbürün kararlı yapıya sahip olduğu, yüksek sıcaklıkta herhangi bir bozunma olmadığı tespit edilmiştir. İkinci aşamadaki deneylerde, 5 farklı oranda hazırlanmış Al-B4C kompozitleri bilyalı değirmende üniform hale getirilerek 400 MPa basınçta plaka halinde preslenmiştir. Preslenen kompozitler 600°C'de atmosferik ortamda 1 saat süreyle sinterlendikten sonra sertlik ölçümleri yapılmıştır. Kütlece %50 takviye oranına kadar kompozit sertliğinde artış meydana gelmiş, %50'den fazla takviye katkısının sertliği düşürdüğü gözlenmiştir. Takviye katkısına karar verildikten sonra, sinterleme süresinin ve sinterleme ortamının kompozit sertliği üzerindeki etkisi incelenmiş ve malzeme yoğunluğu hesaplanmıştır. Aynı zamanda SEM ve EDS analizleri yapılarak partiküllerin matris içindeki dağılımları incelenmiştir.Yapılan çalışmalar sonucunda optimum parametrelere sahip numune argon atmosferinde 120 dakika boyunca sinterlenerek hazırlanmış, B/C mol oranı 4/1 olan, kütlece %50 takviye katkılı kompozit numunesi olarak belirlenmiştir. Bu numuneye ait sertlik değeri 418 Hv, yoğunluk değeri 2,48 g/cm3'dir. SEM-EDS analizlerinin uniform dağılım göstermesi ve teorik yoğunluk değerine %95 oranında yaklaşılması yüksek bor rezervinden dolayı uç kimyasalların ticari değere katma değer olarak ülkemize kazandırılması yönünde önemli katkılar sağlayacaktır.

Abstract:
Boron carbide is the most rigid material after diamond and cubic boron nitride. In addition, good resistance against many chemical reactions and also the low density its important features. Boron carbide which content nearly 80% boron having effective to absorb neutrons and has economic use due to high melting point, good chemical and physical stability. With these features there are important areas like making cutting instruments, creating a special tip, and making armor material. . In addition, one of the most high specific strength ceramics have been obtained by using boron carbide and mechanical properties can be developed without enhancing the total weight.In this study, boron carbide has been synthesized using boron and carbon elements. Ceramic-metallic composite material produced and tested from this material. The study established two phases. At the first stage, carbon and boron elements, which 4 different ratio, are produced inert atmosphere with mechanochemical reaction. Products are sintered at 1550°C fort he formation of boron carbide crystals. Products are analysed with FT-IR and XRD respectively for examinating the peak intensities. According to these results B/C ratio are determined. Result of TGA-DTA analysis which occured 20 ml / min nitrogen-argon gas flow, stability of boron carbide at the high temparatures are observed. In addition, there is not observedany degradation at high temparatures. The second phase of experiments, 5 different rates of Al-B4C composites prepared by making a uniform ball mill, pressed into the plate 400 MPa pressure. After composites pressed at 600°C for 1 hour at atmospheric environment, their hardness measurements were made. Composite hardness are increased to %50 reinforced composite but hardness started to decrease more than %50 reinforced composite. After the decision of contribution, the effect of sintering time and sintering atmosphere on the composite hardness were examinated and density of the material were calculated. At the same time in the distribution of matrix particles were examined by SEM and EDS analysis.At the end of the study, the sample which was sintered during 120 min in argon atmosphere, B/C mole ratio is 4/1 and %50 reinforced composite are choosen optimum parameters. Its vickers hardness is 418 Hv and density is 2,48 g/cm3. SEM-EDS analysis shows a uniform distribution also approach nearly %95 to theoretical density shows that the study supplies important contribution to our country.