Hide/Show Apps

Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi

Download
2005
Özbelge, Önder H.
Karaman, Mustafa
Mekanik, ısıl, kimyasal ve elektriksel özellikleri ile bor karbür (B4C) diğer birçok refrakter malzemeden üstün özelliklerde olduğundan endüstride geniş bir uygulama alanı bulmaktadır, gelecekte de yeni kullanım alanları bulacaktır. Bu uygulamaların başlıcaları, nükleer endüstrisinde nötron absorplayıcısı olarak, yüksek çarpma direnci (impact resistance) nedeniyle zırh yapmada ve sürtünme direnci nedeniyle metal kaplamalardadır. Yakın zamanlarda bor karbür yüksek ergime noktası, düşük yoğunluğu ve kimyasallara olan direnci nedeniyle Al ve Ni ile kompozit yapmadaki uygunluğu ile dikkati çekmektedir. Bor karbürle yapılan ince kaplamalar aşınmaya dirençli olmaktadır. Bor karbürle kaplanmış bor fiberleri kullanılarak üretilen titanyum/alüminyum bor kompozitlerinin gerilme direnci yüksek olmaktadır. Bor karbür 1980 li yıllara kadar çok yüksek sıcaklıklarda (2000-2400°C) düşük mekanik ve kimyasal özelliklerde üretilebilmiştir [1]. Kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemi ile kolayca ve ekonomik olarak, düşük sıcaklıklarda, iyi niteliklerde ürün üretmek mümkün olduğundan bu yöntem bor karbür üretimi için en uygun yöntem olarak öne çıkmaktadır [2]. KBB ile bor karbür üretmede termodinamik denge modelleri biriktirme sürecini modellemede yeterli değildir [2]. Biriktirme mekanizmasının anlaşılması için sürecin kütle transferi ve kimyasal kinetik adımları açısından incelenmesi gerekir. Bu çalışmada, bor karbür CH4-H2-BCI3 gaz karışımı kullanılarak tungsten folyo yüzeyinde KBB yöntemi ile üretilmiştir. Bu süreçteki kütle transfer adımının önemi kullanılan çift taraflı çarpan-jet reaktör konfigürasyonu ile en aza indirilerek, elde edilen deneysel veriler ışığında reaksiyon kinetiği ve biriktirme mekanizması hakkında değerli bilgilere ulaşılmıştır. Reaktör çıkışına bağlanan FTIR spektrofotometresi yardımı ile, reaktör çıkış gazlarının nitel ve nicel analizleri yapılmıştır. Bu analizler sonucunda yüzeyde bor karbürü oluşturan reaksiyona ek olarak; gaz fazmdaki bir başka reaksiyon sonucunda diklorobor (BHCyun oluştuğu kanıtlanmıştır. Deneysel parametreler folyo sıcaklığı ile reaktör girişindeki metan ve bor triklorürün molar oranları olup, bu parametrelerin iki ana reaksiyonun hızlarına, dönüşümlerine ve seçiciliklerine etkileri irdelenmiş ve bu veriler mekanizma önerme çalışmalarında kullanılmıştır. Bir çok reaksiyon mekanizması modellenmiş ve bu modellerin deneyler sonucunda gözlenen hız verilerine uyumluluğu istatistiksel olarak test edilmiştir. Sonuçta önerilen modeller arasında deneysel verilere tatminkar düzeyde uyumlu bir mekanizma açığa çıkarılmıştır. Bu modelde, ayrışmasız olarak yüzeyde tutunmuş olan bor triklorür, yine yüzeyde metanın ayrışması sonucu oluşmuş olan CH3 ile tepkimeye girerek, yüzeyde BCs ara bileşiğini oluşturur. Bu ara bileşik, yüzeyde tutunmuş bor triklorür ve gaz fazmdaki hidrojen ile bir kısım seri reaksiyonlar sonucunda bor karbürü oluşturur. Önerilen mekanizmada diklorobor gazının sadece gaz fazmdaki reaksiyon ile oluştuğu var sayılmıştır. Bütün deneysel veriler, ayrıca Arrhenius tipi bir hız denklemiyle de ifade edilmiştir. "Non-lineer curve fitting" yöntemi uygulanarak, bor karbür oluşum reaksiyonunun aktivasyon enerjisi 55.5 kjoule/mol olarak bulunmuştur. Bor karbür oluşum reaksiyonu, reaktör girişindeki bor triklorürün mol oranının 0.35, metanın mol oranının ile 0.64'üncü kuvvetleri ile orantılıdır. Kaplanan ürünlerin faz ve kompozüsyon belirleme işlemlerinde XRD ve XPS metodları kullanılmıştır.