Bi tabanlı süperiletken ailesinin kristal yapısına itriyum katkısı ile termal, mekanik ve morfolojik özelliklerin değişimi
Change of thermal, mechanical and morphological properties with yttrium addition to the crystal structure of the Bi-based superconducting parents
Yazar: TOLGAHAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. GÜRCAN YILDIRIM ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ MERCAN
Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Standart katı-hal yöntemi ile üretilen Bi2.0Sr2.0Ca1.1Cu2.0Oy (Bi-2212) kristal yapısında farklı mol oranlarında itriyum/bizmut yer değiştirmesiyle yeni oluşan matrislerin temel mekanik performans parametrelerinin, dayanıklı tetragonal fazın, yüzey morfoloji görünümlerin ve mekanik karakteristik özelliklerindeki değişimler Vickers sertlik (Hv) ve taramalı elektron mikroskop (SEM) ölçümleri ile belirlenmiştir. Enerji-ayırımlı X-ray (EDX) spektrometresi sonuçları itriyum iyonlarının sisteme istenildiği stokiyometrik oranlarda başarılı bir şekilde katkılandığını göstermiştir. Elde edilen sonuçlara göre, tartışılan tüm özellikler itriyum (Y) katkı oranın x=0,01'e kadar artması ile iyileşirken bu değerin üstünde parametrelerde azalma bulunmuştur. Böylece, Bi-2212 seramik sistemde optimum Y iyonları bulunması durumunda, kristal yapıda yeni kimyasal/iyonik bağların, yüzey bası artık gerilme bölgelerin ve kafes gerilme alanların oluştuğu belirlenmiştir. Yine, optimum Y katkısı Bi-2212 seramik malzemenin tetragonal fazını stabilize ederek kristal örgüdeki çatlak büyüme hızını kontrol altına alır. Böylece, kristal örgüsü x=0,01 itriyum katkılı numune uygulanan kuvvete karşı daha az hassasiyet gösterdiğini gösterir. Benzer olarak, SEM fotorğrafları aynı malzemenin en homojen yoğun (az gözenekli ve pürüzsüz) yüzeye ve en iyi kristal yapıya sahip olduğunu gösterdi. Ayrıyeten, SEM analizlerinden Bi-2212 genel morfoloji görüntüsü olan istiflenmiş katmanlar daha büyük kristal büyüklükleriyle oluşmuş ve bu katmaların çok daha sağlam bağlantıya ve daha doğru yönelimde olduğu görülmüştür. Ayrıyeten, örgü optimum itriyum kakılama durumunda, Bi-2212 seramik sistemin kristallenme mekanizmasında, düşük aktivasyon enerjisine bağlı çekirdeklenme sıcaklığında artış tespit edilmiştir. Bu durumda, bu malzemenin en yüksek termodinamik kararsızlığa sahip olduğu bulunmuştur. Tüm bu özelliklerdeki iyileşmeler, EDX ölçüm sonuçlarına bakıldığında kristal örgüde Cu element dağılımı ile açıklanabileceği vurgulanmıştır. Son olarak, plato sınır bölgesinde yükten bağımsız mikrosertlik değerleri yarı-deneysel mekanik modeller ile incelenmiş ve güvenilir sonuçlar elde edilmiştir. Modeller arasında en başarılı çentik kaynaklı çatlak oluşum (IIC) metodu sergilemiştir.

Abstract:
In the crystal structure of Bi2.0Sr2.0Ca1.1Cu2.0Oy (Bi-2212) produced by the standard solid-state method, the basic mechanical performance parameters, durable tetragonal phase, surface morphology appearances and mechanical characteristics of the newly formed matrices by substituting yttrium/bismuth at different mole ratios were determined. The changes were determined by Vickers hardness (Hv) and scanning electron microscope (SEM) measurements. Energy-dispersive X-ray (EDX) spectrometry results showed that yttrium ions were successfully added to the system at the desired stoichiometric ratios. According to the results obtained, all the discussed properties improved with the increase of yttrium (Y) doping ratio up to x = 0.01, while a decrease was found in the parameters above this value. Thus, it has been determined that if optimum Y ions are present in the Bi-2212 ceramic system, new chemical/ionic bonds, surface compressive residual stress regions and lattice stress fields are formed in the crystal structure. Again, the optimum Y additive stabilizes the tetragonal phase of the Bi-2212 ceramic material and controls the crack growth rate in the crystal lattice. Thus, the crystal lattice x = 0.01 indicates that the yttrium-doped sample is less sensitive to the applied force. Similarly, SEM photographs showed that the same material had the most homogeneous dense (less porous and smooth) surface and the best crystal structure. In addition, from SEM analysis, stacked layers, which are the general morphology image of Bi-2212, were formed with larger crystal sizes and it was observed that these layers had much stronger connections and more correct orientation. In addition, in the case of optimum yttrium doping of the lattice, an increase in the nucleation temperature due to low activation energy was detected in the crystallization mechanism of the Bi-2212 ceramic system. In this case, this material was found to have the highest thermodynamic unstability. It is emphasized that the improvements in all these properties can be explained by the Cu element distribution in the crystal lattice when looking at the EDX measurement results. Finally, load-independent microhardness values in the plateau boundary region were examined with semi-empirical mechanical models and reliable results were obtained. The most successful mechanical approach among the models was the notch-induced crack formation (IIC) method.