ReB2 and Re7B3 : Synthesis, characterization and theoretical calculations

Endüstriyel uygulama alanları nedeniyle son yıllarda aşırı sert malzemelerle ilgili çalışmalar büyük ilgi toplamıştır. Şimdiye kadar bilinen en sert ve sıkıştırılmaya karşı en dayanıklı malzeme elmastır. Birçok bilim adamı en az elmas kadar sert bir malzeme bulmak için çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmalar sonucunda, renyum diborür (ReB2) en umut vaat edici bileşik olarak belirlenmiştir. ReB2'e ek olarak, Re7B3 kuantum kimyasal hesaplamaları sonucunda olası sert bir bileşik olarak değerlendirilmiştir. Bu tez çalışması iki projeden oluşmaktadır. Birincisi, ark eritme yöntemi ile sentezlenen ReB2'ün mekanik özelliklerinin içerisindeki bor miktarına göre incelenmesi; ikincisi ise, Re7B3 için yeni üretim metotlarının geliştirilmesi ve kapsamlı karakterizasyon çalışmasıdır. ReB2'ün Vickers sertlik aralığı, teorisyenler ve deneysel çalışanlar tarafından net bir biçimde belirlenememiştir. Tam belirlenemeyen ve 20 ile 48 GPa arası çeşitlilik gösteren sertlik aralığı yüzünden, ReB2'ün aşırı sert olup olmadığı tartışmaya açık hale gelmiştir. Bu belirsizliği gidermek ve gerçek sertlik değerini saptamak için, ReB22ün mekanik özelliği üzerine çalışıldı ve bunu sentez sonrasında yapı içerisinde kalan fazla borun mekanik özelliği nasıl etkilediği incelendi. Ark eritme metodu ile ReB2'ü sentezlemek ancak reaksiyona fazla bor ile başlayarak mümkün olmaktadır. Ancak sentez için ne kadar fazla bor kullanmak gerektiği şimdiye kadar net bir biçimde belirtilmemiştir. Son ürünün yapısında kalan bor fazlalığının ReB2'ün mekanik özelliklere etkisini araştırmak için iki farklı kimyasal mol oranı kullanılmıştır, Re:B=1:4 ve Re:B=1:7. İstanbul Teknik Üniversitesi'nde yapılan Vickers mikro indentasyon test tekniği ile, ilk defa ReB2 yapısındaki bor fazlalığının ReB2'ün sertlik değerlerini düşürdüğü saptanmıştır. Bu saptamanın üzerine, çeşitli deney metotları ile yapıdaki bor fazlalığı uzaklaştırılmaya çalışılmıştır. Nitrik asit uygulaması ve kırıp yeniden sentezleme metodu başarılı sonuçlar vermiştir. Bunlara ek olarak, amorf bor ile senteze başlamak yerine daha stabil kristal bor ile reaksiyon tekrarlanmış ve aradaki farklılık gözlemlenmiştir. ReB2 projesinde, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellik incelemeleri XRD, ICP-OES, EDXS, SEM, Vickers sertlik cihazı ve aşınma cihazları ile yapılmıştır. Re-B sistemleri arasında; Re7B3, ReB2 kadar kapsamlı bir biçimde çalışılmadı. 2003 senesinde, sürpriz bir biçimde Re7B3'ün süper iletkenliği kesfedildi.1 Bunun dışında, Örmeci tarafından yapılan teorik FPLO paket hesaplama çalışmalarında Re7B3 için iki ayrı sertlik değeri hesaplandı. Bu iki ayrı sonucun sebebi Re7B3 yapısındaki B-B etkileşiminin bağ olarak değerlendirilip değerlendirilmeme durumundan kaynaklanmaktadır.2 Re7B3'ün sertliğini net bir biçimde anlayabilmek ve saf bir biçimde sentezlenip fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini kapsamlı olarak raporlamak bu projenin başlıca amacıdır. Re7B3 şimdiye kadar saf bir biçimde tek faz olarak sentezlenemedi. Genellikle, ReB2 ve Re3B impüriteleri ile gözlemlendi. Re-B faz diyagramında Re7B3'ün dar bir alanda yer alıyor olmasının yanı sıra üretim esnasında kullanılacak bor fazlalığının hesaplanamaması Re7B3'ün tek bir fazla üretilmesini zorlaştıran başlıca sebeplerdir. Biz bu projesinde, üç farklı üretim şekli ile Re7B3'ün saf bir biçimde sentezlenmesi üzerine çalıştık. Birincisi yüksek sıcaklık altında elementlerin karışım metodu, ikincisi metal eriğiyi ile sentezleme metodu, üçüncüsü ise ark eritme tekniğidir. Yapılan çalışmalarda, Re3B impürite olarak görülmesine rağmen, Re7B3 ilk defa kurşun eriğiyi içinde sentezlenmiştir. Ark eritme tekniği ile daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir. %95 saflık değerinde Re7B3 başarı ile sentezlenmiştir. Takibinde ise, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikler XRD, ICP-OES, EDXS, SEM, Vickers sertlik testi, aşınma testi, manyetik duyarlılık ölçümü ve özgül ısı kapasitesi ölçümleri ile raporlanmıştır.