Dinamik / termokimyasal yöntemle bor karbür (B4c) seramik tozu üretimi

Abstract

İleri teknoloji seramikleri arasında yer alan bor karbür`ün (B4C) toz formunda üretimi için birçok yöntem mevcuttur ve her yöntem, üretilen malzemenin karakteristiği bakımından ve yöntemin maliyeti yönünden farklılıklar içerir. B4C tozlarının endüstriyel ölçekte üretim yönteminin temeli karbotermal indirgeme (KTİ) sürecine dayanır. Bu teknik daha sonra geliştirilmiş ve tekniğe etkinlik kazandıran ve elde edilen ürünün / tozların kalitesini de arttıran yeni bir metot, dinamik KTİ (DKTİ) metodu ortaya konulmuştur (Patent no: TR 2011 02804 B). Söz konusu yenilikçi metot ile nitrür esaslı teknik seramik tozlarının üretimi araştırılmış ancak karbür esaslı seramik toz elde edilebilirliği ile ilgili sistematik bir çalışma henüz ortaya konulmamıştır. Bu tez çalışması ile söz konusu yenilikçi toz üretim metodunun (DKTİ metodunun) B4C tozunun sentezi açısından etkinliği araştırılmıştır. Çalışmada başlangıç hammaddeleri olarak bor oksit (B2O3), karbon karası ve bazı minör katkı ilaveleri kullanılmıştır. Uygun stokiometride hammaddelerden karışımlar hazırlanmış ve DKTİ süreci ile B4C`e dönüşümleri incelenmiştir. Katkı ilavesi olarak silisyum karbür (SiC), silisyum dioksit (SiO2) ve kalsiyum karbonat (CaCO3) kullanılarak nihai ürün (toz) özelliklerine ve DKTİ sürecine olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca başlangıç hammaddelerinin içerisine çekirdekleştirici olarak küçük miktarlarda B4C tozları da ilave edilmiştir. Kullanılan hammaddeler / tozlar manuel veya cihazla karıştırılarak granül haline getirilmiştir. Hazırlanan granüller DKTİ sisteminde argon gazı atmosferi altında reaksiyona tabi tutulmuş ve elde edilen ürünlerin analizleri yapılmıştır. Başlangıç bor oksit toz boyutu, katkı ilaveleri ve miktarları, karışım reçetesi, granül hazırlama aşamasında granülatörün hızı gibi ön işlemler ile DKTİ sürecinde reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, sistemin statikliği ve dinamikliği ile ısıtma rejimi test parametrelerinin elde edilen ürün niteliklerine olan etkileri incelenmiştir. Bu çalışmada tane boyutu ortalama 160 µm olan B2O3 başlangıç tozları mekanik öğütme ile yaklaşık 8 – 10 µm boyuta getirilmiş ve 0,03 mol ticari B4C tozu ilavesi ile C/B2O3 mol oranı 2 olacak şekilde karbon karası kullanılarak 4000 dv/dk dönme hızında karıştırılıp milimetrik boyutta granüller üretilmiştir. Sonrasında bu granüller 1500oC`de 1 saat süre ile 4 dv/dk'lık reaktör dönme hızında ve 1 L/dk Ar-gazı akışı altında DKTİ işlemine tabi tutulmuş ve mikron ve mikronaltı boyutlarda B4C tozları elde edilmiştir. Elde edilen ürün %98`in üzerinde B4C olup dönüşüm verimi ise %90`ın üzerinde bulunmuştur. Bu değerler literatürde bir ilk olup sistemin patent müracaatı yapılmıştır (Patent başvuru no: 2019-GE-596299).

There are many methods for the production of boron carbide (B4C) in powder form. Each method contains differences in terms of the characteristics of the material produced and the cost of the method. Commercially, carbothermal reduction (CR) has been the method preferably used for the B4C powder production. Dynamic Carbothermal Reduction (DCR) is a new method, patented as "Advanced Technical Ceramics' Powder Synthesis via Rotating Tube Furnace in a Controlled Atmosphere" (Patent No: TR 2011 02804 B, 2011). This method was deemed successful in synthesizing nitride based ceramic powders, nevertheless, a study which investigate its efficiency in obtaining carbide based ceramic powders has not been carried out yet. Therefore, this thesis focuses on the optimization of DCR method with the possibility of synthesising B4C powders. In the study, boron oxide (B2O3), carbon black and some minor additives were used as starting raw materials. Mixtures from raw materials were prepared in appropriate stoichiometry and their conversion to B4C by DCR process was examined. As an additive, silicon carbide (SiC), silicon dioxide (SiO2) and calcium carbonate (CaCO3) were used and their effects on final product (powder) properties and on the DCR process were investigated. In addition, small amounts of B4C powders were added to the starting materials as nucleates. The raw materials / powders used were mixed and granulated manually or using a device. The prepared granules were reacted under argon gas atmosphere in the DCR system and the products obtained were analysed. The effects of pretreatments (such as initial boron oxide powder size, additives and their quantities, recipes used, and the speed of the granulator in the granule preparation) and DCR processes (such as reaction duration and temperature, static or dynamic of the system and the heating regime) on the obtained product properties were examined. In this study, B2O3 starting powders having average grain size of 160 µm have been brought to about 8 - 10 µm in size by mechanical grinding. With the addition of 0.03 mol commercial B4C powder in the mixture of carbon and boron oxide (with C / B2O3 mole ratio of 2) was mixed with a rotational speed of 4000 rpm and millimeter size granules were produced. Afterwards, these granules were subjected to DCR process at 1500oC for 1 hour at a reactor rotation speed of 4 rpm under 1 L/min Ar-gas flow yielding B4C powders in micron and submicron size range. The product obtained is over 98% B4C and its conversion efficiency was over 90%. These values are the first in the literature and patent application of the system has been made (Patent application nu: 2019-GE-596299).