Sol-jel yöntemi ile polimerik öncülerden nükleer kalite bor karbür tozların düşük sıcaklıkta üretimi ve radyasyon kalkanı olarak polimer nanokompozitlerde kullanımı

Abstract

Enerji, elektronik, savunma uzay ve havacılık alanlarında kullanılabilir, ileri fonksiyonel malzemelerin yerli üretimine olan ilgi giderek artmaktadır. En değerli yer altı kaynaklarımızdan biri olan bor mineralinin ülkemizde işlenerek katma değeri yüksek ileri teknoloji bor ürünlerinin geliştirilmesi ve ülke sanayine kazandırılması çok önemlidir. Bor karbür üstün özellikleri nedeni ile savunma ve nükleer sanayi gibi stratejik sektörlerde kullanılan bir malzemedir. Bu tez çalışmasının ilk amacı; kontrollü morfoloji ve tane boyutuna sahip nükleer kalite bor karbür tozun düşük sıcaklıkta yerli üretimi için ekonomik ve seri üretime uygun bir yöntem geliştirmektir. Bir diğer amacı ise nükleer tıp ve moleküler görüntüleme merkezlerinde radyasyondan korunma paneli ya da kişisel koruyucu giysilerde kullanılabilecek hafif, esnek ve uygun maliyetli bor karbür takviyeli polimer matris nanokompozit plakaların imalatının gerçekleştirilmesidir. Bu amaçlar doğrultusunda, tez çalışmasında bor karbür tozun üretimi için özgün bir yöntem geliştirilmiştir. Tasarlanan yöntemde bilimsel literatürde ilk defa bor karbür sentezi için polimerik jel molce %5-50 oranında elementel nano bor partikülleri ile modifiye edilmiş ve bor oksidin daha düşük sıcaklıkta indirgenerek bor karbüre dönüşmesi sağlanmıştır. Tez çalışmasında elementel nano bor katkısının yanı sıra farklı başlangıç ham maddelerinin ve sentez koşullarının bor karbür dönüşümü ve morfolojisi üzerine etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar başlangıç kompozisyonu ve süreç parametrelerinin optimizasyonu ile %99 saflıkta ve yüksek kristaliniteye sahip bor karbür tozların elde edildiğini göstermiştir. Sentezlenen bor karbür tozların morfolojisinin genel olarak eş eksenli-çok yüzlü olduğu, ortalama partikül boyutunun ~0.5-0.7µm aralığında değiştiği, 10nm’den daha düşük boyuta sahip birincil partikülleri içerdiği tespit edilmiştir. Tez çalışmasında 1300-1500°C sıcaklıkta sentezlenmiş bor karbür tozların nükleer kalite bor karbür toz standardına (ASTM C750-9) uygun olduğu gösterilmiştir. Ayrıca bu tez çalışmasında yine ilk defa polimerik öncülerden bor karbür toz üretiminde morfoloji kontrolü sağlanmıştır. Eş-eksenli ve çok yüzlü bor karbür partiküllerin yanı sıra yüksek oranda mikron, mikron altı ve nano boyutlarda bor karbür plaka, kayış ve fiberlerin sentezi için özgün bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde yakma işlemi esnasında öncü madde yüzeyi borik asit kristalleri ile yerinde (in-situ) dekore edilerek anizotropik partiküllerin büyümesi sağlanmıştır. Farklı sürelerde (2-12 sa.) yakma işlemi uygulanmış öncü maddelerden sentezlenen bor karbür partiküllerin oluşma ve büyüme mekanizmaları araştırılmış ve elde edilen deneysel veriler ışığında tartışılmıştır. Bunun yanı sıra, literatürde bor karbür sentezi sırasında sıklıkla karşılaşılan morfolojik çeşitliliğin nedenleri ele alınmış ve çeşitliliği engelleyecek stratejiler geliştirilmiştir. Son olarak sentezlenen nükleer kalite bor karbür tozlar yüzey modifikasyon işlemi ile fonksiyonelleştirilerek, hafif ve esnek bor karbür takviyeli düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) matris nanokompozitlerin üretiminde kullanılmıştır. Ağırlıkça %0,6-10 oranında bor karbür takviyesi içeren LDPE matris nanokompozitlerin mekanik özellikleri ve nötron kalkanlama performansı incelenmiştir. Sonuçlar ağırlıkça %10 bor karbür toz takviyesi ile %80 oranında nötron soğuran nano kompozit plakaların üretildiğini göstermiştir.