Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile zirkonyum diborür tozu üretimi
Production of zirconium diboride powder by self propagating high temperature synthesis
Yazar: BURCU AKKAŞ
Danışman: PROF. DR. ONURALP YÜCEL ; YRD. DOÇ. DR. BORA DERİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında, ileri teknolojileri seramiklerinden biri olan zirkonyum diborür tozunun kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi (Self-propagating High-temperature Synthesis: SHS) ile üretiminin koşulları araştırılmıştır. Deneyler SHS ve asitte çözümlendirme deneyleri olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir.Çalışmanın ilk aşamasında, borik asidin kalsinasyonu ile elde edilen bor oksit (B2O3) ile teknik kalite zirkonyum oksit (ZrO2) tozları redükleyici magnezyum (Mg) tozu yardımıyla SHS yöntemi kullanılarak ZrB2 yapısı oluşturulmaya çalışılmıştır. SHS deneyleri sonucunda oluşan ZrB2, MgO ve Mg3B2O6, Mg2B2O5 ağırlıklı ürün HCl ile çözümlendirilerek MgO, Mg3B2O6 ve Mg2B2O5 içeriğinden arındırılması amaçlanmıştır.SHS deneyleri sırasında Mg ve B2O3 başlangıç mol oranlarının reaksiyon ürünlerine etkisi, çözümlendirme deneylerinde ise sıcaklık, süre, katı/sıvı oranı ve asit konsantrasyonunun çözümlendirmeye etkisi incelenmiştir.SHS deneyleri argon atmosferi altında şamot potada gerçekleştirilmiştir. Deneylerin sonucunda süngerimsi sinterleşmiş siyah renkte ürünler elde edilmiştir. Magnezyum miktarının arttırılması reaksiyonunun adyabatik sıcaklık değerini arttırarak aşırı ısınmadan dolayı magnezyumun buharlaşmasına yol açmıştır. Bor oksit miktarının arttırılması, SHS ürününde oluşan magnezyum borat yapılarının artmasına ve saçılmaların olmadığı daha kontrollü deneylerin gerçekleşmesine neden olmuştur.X-ışını difraksiyonu analizi sonuçları, SHS ürünlerinde ZrB2 ve MgO ana fazlarının yanı sıra, ZrO2, (Zr, Mg)O2, Zr3O, Mg3B2O6 ve Mg2B2O5 yapılarının oluştuğunu göstermektedir. Çözümlendirme ile yapıdan uzaklaştırılamayan zirkonyum oksit ve zirkonyum magnezyum oksit gibi fazları içermeyen 1/3/6 (ZrO2/B2O3/Mg) başlangıç mol oranının kullanıldığı deney optimum koşul olarak tespit edilmiş ve çözümlendirme deneylerinde bu parametrelerin uygulandığı SHS ürünleri kullanılmıştır.Çalışmanın ikinci aşamasında, çözümlendirme ile giderilemeyen fazların bulunmadığı SHS ürünleri HCl asit ile MgO, Mg3B2O6 ve Mg2B2O5 bileşiklerini gidermek amacıyla çözümlendirilmiştir.Çözümlendirme işleminde, SHS ürünlerinin asit çözeltisine ilave edilmesiyle çözelti sıcaklıklarında artışların başladığı gözlenmiştir. Bu sıcaklık artışı, gerçekleşen reaksiyonların ekzotermik olduğunu göstermektedir. Deneylerde safsızlıkların giderilmesi ile filtre kekinin rengi değişmemiştir.Katı/sıvı oranının 1/10 olarak kullanıldığı deneylerde, MgCl2(H2O)6 jel oluşumu nedeniyle filtrasyon işlemi gerçekleştirilememiştir.Asit konsantrasyonu artışı ile Mg, Zr ve B'un çözeltiye geçme eğilimi artmış olup artan asit konsantrasyonu aynı koşullarda daha fazla MgO ve magnezyum boratların çözümlendirilmesini sağlamıştır.Deneyler sonucunda oluşan çözeltilere uygulanan kimyasal analizler, çözeltide Mg içeriğinin 2,70?3,05 g/L, B içeriğinin 0,90?1,05 g/L ve Zr içeriğinin 0,5?0,9 g/L olduğunu göstermektedir.Deneysel çalışmaların sonucunda, SHS ve çözümlendirme prosesleri ile ticari kalite üretilen ZrB2 tozlarına benzer özelliklere sahip ürünler üretilmiştir.

Abstract:
In this study, production conditions of zirconium diboride powder, one of the advanced ceramics, by self propagating high temperature synthesis (SHS) method were investigated. Experiments were conducted in two stages including SHS synthesis and acidic leaching.In the first stage of the experiment, the formation of ZrB2 was tried to practiced by SHS method using technical grade zirconium oxide (ZrO2), boron oxide (B2O3) which was obtained from calcination of domestic product of boric acid (H3BO3) with the addition of reductive magnesium (Mg) powder, and obtained powder mixture containing ZrB2, MgO, Mg3B2O6 and Mg2B2O5 was leached with HCl to remove MgO, Mg3B2O6 and Mg2B2O5.The effects of the initial molar ratios of Mg and B2O3 on the SHS experiments and the effects of temperature, duration, solid / liquid ratio and acid concentration on leaching experiments was investigated, respectively.SHS experiments were realized in a metallothermic crucible in argon atmosphere. Sponge like sintered black product was obtained at the end of experiments. Increasing in the quantity of magnesium resulted in the evaporation of magnesium due to overheat that was generated by the increase in specific heat value of reduction reaction. The increasing in the addition of boron oxide resulted in the increase in magnesium boride formations.X-ray diffraction analysis showed that SHS products contained ZrB2and MgO as main phases together with ZrO2, (Zr, Mg)O2, Zr3O, Mg3B2O6 and Mg2B2O5.The experiment with the 1/3/6 (ZrO2/B2O3/Mg) of initial molar ratio was determined as the optimum SHS condition. The SHS products obtained by this condition were utilized in the leaching experiments.The powder mixture without including any phases (zirconium oxide, zirconium magnesium oxide) that unleached by acid solution, were used in the leaching experiments by using HCl acid solution to remove the impurities like MgO, Mg3B2O6 and Mg2B2O5.The temperature of the leaching solution was increased after the addition of SHS powders due to the exothermic reaction. There wasn?t any changing in the color of powder was observed after the removal of impurities.In the experiments with 1/10 of solid/liquid ratio, the filtration process wasn?t accomplished due to the gel formation of MgCl2(H2O)6 phase.The dissolution rates of Zr, Mg and B increased with the increase of the acid concentration. After the chemical analysis, performed on solutions that wereobtained in the experimental stage, Mg content was measured as 2,70?3,05 g/L, B content was measured as 0,90?1,05 g/L and Zr content was measured as 0,5?0,9 g/L.Consequently, the production of zirconium boride powder has been successfully carried out by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) followed by HCl leaching.