2 3

Proje Grubu: MİSAG Sayfa Sayısı: 60 Proje No: MİSAG-217 Proje Bitiş Tarihi: 01.09.2005 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 29-07-2022

Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi

Öz:
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.
Anahtar Kelime:

Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi

Öz:
Due to its excellent mechanical, thermal, chemical and electrical properties superior to many refractory materials boron carbide (B4C) finds a vast industrial demand at the present and will find many new uses in the future. The main uses are in the nuclear industry as neutron absorber, in production of armours with its high impact resistance, in metal coatings with its low surface friction properties. Recently, B4C gained importance in making composits with Al and Ni due to its high melting point, low density and resistance to chemicals. Titanium/Aluminum composits made using boron fibers coated with boron carbide have high tensile strength. Boron carbide could be produced at high temperatures (2000-2400°C) with low mechanical and chemical properties previously [1]. It is possible to produce good quality B4C at lower temperatures, and at a lower cost with chemical vapor deposition (CVD). Therefore CVD is an attractive method to produce B4C [2]. In production of B4C with CVD, thermodynamic equilibrium models are not sufficient to model the deposition process [2]. To understand the deposition mechanism the process has to be analyzed with respect to mass transfer and kinetics steps. In this study, boron carbide was produced by CVD method from a CH4-H2-BCI3 gas mixture on tungsten substrates. In this process, the effect of mass transport on reaction kinetics was minimised by using a dual impinging-jet reactor configuration to get a detailed kinetic information on reaction kinetics and deposition mechanism. An FTIR spectrophotometer was connected at the reactor outlet stream to make both qualitative and quantitative analysis of the reactor exit gases. After such analyses, the formation of dichloroborane (BHCI2) in a gas phase reaction was proved in addition to the boron carbide formation reaction on the substrate surface. The experimental parameters are the temperature of the substrate, and the molar fractions of methane and borontrichloride at the reactor inlet. The effects of those parameters on the reaction rates, conversions and selectivities were analysed and such analysis were used in mechanism determination studies. Many reaction models were proposed, and the models were checked by statistically fitting the experimental rate values to the model expressions. At the end, among the many of the proposed models, a model that fits the experimental data best, was postulated to be the satisfactory model. In this model, boron trichloride is adsorbed on the surface non-dissociatively, whereas hydrogen and methane are adsorbed dissociatively. BC is formed on the solid surface through the reaction of adsorbed boron trichloride with adsorbed methane in the form of CH3. Produced BC is reacted in successive series reactions including adsorbed boron trichloride and gaseous hydrogen to produce boron carbide in the end. In the proposed mechanism, dichloroborane is produced only through the gas phase reaction between boron trichloride and hydrogen. Collective experimental rate data was also fit into an Arrhenius type of a model equation. Using non-linear regression analysis, the activation energy of the boron carbide formation reaction was found as 55,5 kjoule/mol. The boron carbide formation reaction was found to be proportional with the 0,35 power of the initial boron trichloride concentration and 0,64 power of the initial methane concentration. The phase and composition analyses of the produced deposits were done by XRD and XPS methods, respectively.
Anahtar Kelime:

Erişim Türü: Erişime Açık
APA ÖZBELGE H, Karaman M (2005). Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. , 1 - 60.
Chicago ÖZBELGE H. Önder,Karaman Mustafa Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. (2005): 1 - 60.
MLA ÖZBELGE H. Önder,Karaman Mustafa Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. , 2005, ss.1 - 60.
AMA ÖZBELGE H,Karaman M Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. . 2005; 1 - 60.
Vancouver ÖZBELGE H,Karaman M Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. . 2005; 1 - 60.
IEEE ÖZBELGE H,Karaman M "Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi." , ss.1 - 60, 2005.
ISNAD ÖZBELGE, H. Önder - Karaman, Mustafa. "Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi". (2005), 1-60.
APA ÖZBELGE H, Karaman M (2005). Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. , 1 - 60.
Chicago ÖZBELGE H. Önder,Karaman Mustafa Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. (2005): 1 - 60.
MLA ÖZBELGE H. Önder,Karaman Mustafa Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. , 2005, ss.1 - 60.
AMA ÖZBELGE H,Karaman M Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. . 2005; 1 - 60.
Vancouver ÖZBELGE H,Karaman M Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi. . 2005; 1 - 60.
IEEE ÖZBELGE H,Karaman M "Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi." , ss.1 - 60, 2005.
ISNAD ÖZBELGE, H. Önder - Karaman, Mustafa. "Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile bor karbür üretimi". (2005), 1-60.