Synthesis and optimization of the transition metal boride nanoparticles and their possible magnetic/hybrid composite applications

Bu çalışmanın temel amacı, geçiş metali borürlerin nanoparçacıklarını sentezlemek ve düşük sıcaklık yöntemini kullanarak manyetik ve hibrit takviye özelliklerini hem bilimsel hem de endüstriyel alanlarda hedeflenen uygulama alanlarına doğru araştırmak ve optimize etmektir. Bu kapsamda, kristalin kobalt-metal-bor (Co-M-B (M = Fe, Ti)) esaslı borür sistemleri incelenmiştir. Tez kapsamında inorganik ergimiş tuz tekniği ve otojenik basınçta redüksiyon tekniği ile sentez çalışmaları susuz/sulu metal klorür ve sodyumborhidrür karışımları kullanımı ile gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarının yanı sıra bu malzemeler ile yapılabilecek olası uygulamalar her bölüm içerisinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. İkinci bölüm, optimize edilmiş düşük sıcaklık yöntemini, metal klorürleri ve öncü olarak NaBH4'ü kullanan ve inorganik ergimiş tuz ortamı içeren yeni bir yaklaşımla Co-Fe-B kristalin nanopartiküllerin yerinde sentezine odaklanmaktadır. Reaksiyon sistemlerinin ve sentez koşullarının, elde edilen örneklerin faz oluşumu, mikro yapısı, saflığı ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İnorganik ergimiş tuz ortamının kullanılmasının, öncü maddelerin ergime noktasının azaltılmasına yardımcı olduğu gözlemlenmiştir. CoCl2, FeCl3 ve NaBH4'ün 850 °C'de kapalı paslanmaz çelik borularda reaksiyonunu takiben CoB ve Fe3B fazları ayrı olarak elde edilmiştir. Ar akışı altında gerçekleşen reaksiyondan sonra ise, (CoFe)B2 katı çözelti nano tozları ortalama 60 nm boyutunda 850°C'de tek adımda sentezlenmiştir. Aynı tozların 1100 °C'deki tavlama işleminden sonra, 1: 1 Co: Fe mol oranına sahip kararlı ve oldukça kristalin (CoFe)B2 katı çözelti fazı elde edilmiştir. Sentezlenen parçacıkların ferromanyetik özellik sergilediği ve elde edilen yumuşak manyetik malzemelerin karakteristik dar bir histerezis eğrisine sahip olduğu gözlemlenmiştir. 650 - 850 °C arasındaki reaksiyon sıcaklığı aralığında sentezlenen tozların manyetik ölçümleri, doyma magnetizasyonunda önemli bir azalma olmadan 500 Oe'ye kadar koersivite artışı sağlandığını göstermiştir. Öte yandan, tavlama işlemi ardından elde edilen faz ve kimyasal değişimden sonra, kristalin (CoFe)B2 parçacıkların süperparamanyetik özellik sergilediği tespit edilmiştir. Üçüncü bölüm, sulu metal klorürler ve NaBH4 kullanarak kristalin ve nano boyuttaki kobalt-demir metal borür tozlarının kimyasal sentezi üzerinde yapılan araştırmaları açıklamakta ve ayrıca reaksiyon sistemlerine ve sentez koşullarına optimizasyon adımlarının uygulanmasının etkisini ortaya koymaktadır. Başlangıç malzeme konsantrasyonunun ve optimize edilmiş sentez koşullarının faz oluşumu, mikroyapı ve manyetik özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 850 °C'de CoCl2 · 6H2O - FeCl3 · 6H2O - NaBH4 arası reaksiyon uygulandıktan sonra, uygulanan farklı sentez koşullarından (CoFe)B2, (CoFe)B, Co2B, Fe3B ve Fe0.91B0.09 borür fazları elde edilmiştir. Otojenik basınçta oluşan oksiklorür empüritelerinin, azaltılmış manyetizasyon değerlerinin sebebi olduğu; öte yandan aktif Ar akışı altında sentez gerçekleştiğinde üçlü katı çözelti fazının oluştuğu ortaya çıkmıştır. 183 emu/g ile en yüksek doygunluk manyetizasyonu, (CoFe)B2 ve (CoFe)B saf fazlarını içeren nanoparçacıklarda elde edilmiştir. Bir önceki bölümdeki deneyimlerimizden elde edilen optimizasyon adımlarını uyguladıktan sonra, numunelerin elde edilen doygunluk manyetizasyonu 9 kat arttırılmıştır. Bu da tozların saflığının önemini ve oksijenin rolünü vurgulamaktadır. Yüksek sıcaklık manyetik ölçümleri, sentezlenmiş tozların 795 K'ye kadar yumuşak manyetik malzemeler olarak kararlı olduğuna işaret ederken, elde edilen fazlar için Tc değerine ulaşılmamıştır. Dördüncü bölümün odağı, takviye maddesi olarak kullanılmak üzere sentezlenen nanoparçacıklara doğru kaymaktadır. Bu bölümde, kobalt-titanyum-bor bazlı kristal tozların sentezi için yeni düşük sıcaklık yaklaşımı benimsenmiştir. Yöntem, otojenik basınç altında kapalı bir reaktör içinde CoCl2(s), TiCl4(1) ve NaBH4(s) in tek aşamalı doğrudan reaksiyonuna dayanmaktadır. Öncüllerin 850 °C'de reaksiyonundan sonra, metal klorürlerin 1:3 olarak NaBH4'e molar oranları ile CoB ve TiB2 fazları yerinde sentez yöntemi ile oluşturulmuştur. 1100 °C'de müteakip tavlama işlemi, metal klorürlerin CoB-TiB2 kompozit yapılara tam bir dönüşümünü sağlamıştır. Borürlerin ikili formlarının, farklı morfolojilerle SEM/EDS analizlerinde gösterilen ayrı fazlar oluşturma eğiliminde olduğu sonucuna varılmıştır. Amorf bor tabakası, ortalama partikül boyutu 60 nm olan TiB2 partiküllerini kuşatırken, CoB partikülleri ortalama 450 nm'lik bir boyutta aglomeratlar oluşturmuştur. Sentezlenen tozların metal matrislerde takviye elemanı olarak kullanımı, Ti6Al4V yığın numunelerinde yükseltilmiş sertlik (506 Hv) ve basınç mukavemeti (1682 MPa) değerleri ile sonuçlanmıştır.