Manyezit atığı–kuars–G. kaolen–alümina seramik sisteminin mikroyapısal özelliklerine Bi2O3 ve TiO2  katkılarının etkisi
The effect of Bi2O3 and TiO2  additives on the micro structural properties of magnezit waste–quartz–kaolin–alumina ceramic system
Yazar: CANSU BAŞARAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÖZKAN TOPLAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Mevcut tez çalışmasında, doğal hammaddelerden ve atık malzemelerden MgO- Al2O3-SiO2 (MAS) esaslı cam seramiklerin üretilmesi ve elde edilen MAS cam-seramiklerine Bi2O3 ilavesi ile mikroyapısal ve yapısal özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada TiO2 çekirdeklendirici olarak kullanılmıştır. Ayrıca ileri teknoloji seramik olan MAS cam-seramiklerinin geri dönüşümün önem kazandığı günlerde atık malzemeden üretilecek olması bu çalışmaya özgünlük kazandırmaktadır. 

Bu amaç doğrultusunda; temel bileşim %20 Kuvars, %35 Magnezit Atığı, %25 Kaolen, %20 Alümina olup; bu hammadde ve atıklara, ağ. %0 , %2,5, %5 ve %10 oranlarında Bi2O3 ve %8 oranında  TiO2 harici eklenerek 4 farklı kompozisyon  reçeteleri hazırlanmıştır. Deneysel kısımda stokiometrik dengeyi veren reçeteler MAS (magnezyum alümina silikat) üçlü denge diyagramından bulunmuştur. Hassas olarak tartımları yapılan karışımlar 1 saat bilyeli değirmende karıştırma, 24 saat 110oC etüvde kurutma, 1500oC'de 2 saat cam ergitme, grafit kalıba döküm ve ardından 600oC'de 1 saat boyunca tavlama işlemine maruz bırakılmıştır. Üretilen MAS esaslı camlara; kırma-öğütme ve eleme işlemleri sonrası faz analizinin yapılması için XRD analizi, termal özelliklerinin belirlenmesi için DTA ve mikroyapısal özelliklerinin belirlenmesi için SEM analizleri uygulanmıştır. Üretilen camlar, 1100 oC, 1150 oC, 1200 oC ve 1250'de 1, 3, 5 ve 10 saat olmak üzere ısıl işlemden geçirilerek MAS cam-seramikler elde edilmiş olup; XRD, SEM, sertlik ve bulk yoğunlukları hesaplanmıştır. İncelenen MAS sisteminde oluşan kordiyerit fazının kristalleşmesi için gerekli olan aktivasyon enerjisini hesaplamak için; farklı ısıtma hızlarında gerçekleştirilen DTA analizlerine tabi tutulan camların kristalleşme mekanizması incelenmiştir. Sonuçlar, bu sistem için baskın kristalizasyon mekanizmasının bulk kristalleşme olduğunu göstermektedir.

Cam matristen kristal fazların oluşumu için ortalama kristallenme ve viskoz akış aktivasyon enerjisi değerlerinin Bi2O3 katkısız için sırasıyla 410 ve 390 kJ mol-1 olduğu ölçülmüştür. Bi2O3'in ilave edilen oranı artıkça kristallenme için gerekli olan aktivasyon enerjisi değerinin düştüğü gözlenmiştir. Kristalizasyon aktivasyon enerjileri %2.5, %5 ve 10% Bi2O3 ilavesi olan bileşimlerde sırası ile; 336 ± 4, 218 ± 1 ve 170 ± 3 kJ mol-1 olarak hesaplanmıştır. Bunun yanı sıra viskoz akış değerlerinin %2.5, %5 ve 10% Bi2O3 ilavesi olan karışımlarda 377 ± 2,  403± 7 ve 407± 21  kJ mol-1 olarak ölçülmüştür.

Anahtar kelimeler: MAS cam-seramikler, Bi2O3, Kristalizasyon kinetiği, Endüstriyel atıklar

Abstract:
In the present study, the aim was using natural raw material and industrial waste materials to obtain MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) glass ceramic. The crystallization kinetics of Bi2O3 influence of on MgO-Al2O3-SiO2-TiO2 glass ceramics system was investigated by microstructural and structural properties. In this study TiO2 was nucleating agent. In addition, the fact that MAS glass-ceramics, which are high-tech ceramics, will be produced from waste materials when recycling is so important in these days. This industrial waste usage gives originality to this thesis study.

In accordance with this purpose; the recipes were prepared by adding wt.%20 quartz, %35 M. Waste, %25 Kaolin, 20% Alumina ; then this raw materials and wastes %0 , %2,5, %5 ve %10 ratios Bi2O3 and %8 TiO2 excess were added and 4 different recipes have been prepared. The prescriptions giving the stoichiometric balance in the experimental part were found from the triple balance diagram of MAS (magnesium alumina silicate). The mixtures weighed precisely were mixed with 1 hour ball mill, 110oC drying during 24 hours, glass melting at 1500 oC, then graphite mould casting, and at the end annealing at 600 ° C for 1 hour. The obtained glass; to the aim for diagnose of phases XRD analysis were examined, for the determination of its thermal properties DTA, SEM analyzes were performed for the determination of microstructural properties. The glasses, at 1100 oC, 1150 oC, 1200 oC and 1250 oC; 1-3-5- and 10-hours heat treatment utilized and obtained the glass-ceramics. XRD, SEM, hardness and bulk density have been measured and calculated. Activation energy was evaluated for the crystallization of the cordierite phase formed in the studied system. The crystallization mechanism was investigated by applying DTA measurement. As a result the dominant crystallization mechanism for this system is bulk crystallization by three-dimensional growth.

The average calculated values of crystallization formation of crystal phases from the glass matrix were measured to be 410 kJ mol-1 and viscous flow for the and 390 for non-added Bi2O3. It was observed that the crystallization value decreased with addition of Bi2O3. At %2.5 , 5 and 10 Bi2O3 addition, the crystallization activation energy was calculated to be 336 ± 4 kJ mol-1 , 218 ± 1 and 170 ± 3 kJ mol-1, and the viscous flow activation energy was measured 377 ± 2 kJ mol-1, 403± 7 and  407± 21  kJ mol-1, respectively.

Keywords: MAS glass-ceramics, Bi2O3, Crystallization kinetics, Industrial waste