BORÜRLER-Emre AVCI

BORÜRLER
NECMETTİN ERBAKAN ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
İleri Teknoloji Seramikler Dersi
NECMETTİN ERBAKAN ÜNİVERSİTESİ 17010111003 EMRE AVCI 29 ARA 2020

BOR NEDİR?
(What’s Boron?)
• Elmastan sonra en sert madendir.
• Ergime sıcaklığı: 2076-3000
°C’dir.
• Buharlaşma sıcaklığı :3927 °C’dir.
• Sertlik (Vickers) : 5000 HV
• Bor 2.33 gr/cm3 yoğunluklu kristal
ve 2.3 gr/cm3 yoğunluklu amorf
olmak üzere iki şekilde bulunur.
2/43

BOR NEDİR?
• Doğada yaklaşık 230 çeşit Bor minerali vardır.
• Ticari değere sahip 7 bor minerali vardır.
Boraks (Tinkal) Kernit (Razorit) Kolemanit Uleksit
Propertit Pandermit Borik Asit
3/43NECMETTİN ERBAKAN ÜNİVERSİTESİ 17010111003 EMRE AVCI 29 ARA 2020

(Borik Asit -H3BO3)
(Boric Acid)
• Bor’un oda sıcaklığında elektrik iletkenliği
zayıftır fakat yüksek sıcaklıklarda çok
yüksektir.
• Bor kimyasal olarak ametaldir.
• Bor, normal sıcaklıklarda hava, su ve
HCl/HF ile soy davranış gösterir.
• Sadece yüksek konsantrasyonlu nitrik asit ile
sıcak ortamda borik asite dönüşebilmektedir.
4/43

• Borürler, bor ve daha az elektronegatif
elementlerden oluşan bileşiklerdir.
• Çoğu borür, genel formülü MnBm olan ve
borun negatif yüklü olduğu metal
bileşiklerdir.
• Metal-bor oranına bağlı olarak, sonuç bor
açısından çok zengin olabilir.
5/43
BORÜR NEDİR?
(What’s Boride?)

• Alkali metaller gibi elektropozitif metaller,
bor açısından zengin, örneğin MB2 gibi
bileşikler oluşturur.
• Demir gibi daha az elektropozitif olan
metaller, M2B metalleri açısından zengin
borürler oluşturur.
6/43
BORÜR NEDİR?
(What’s Boride?)
Fe(II)Boride
Al Diboride

7/43
BORÜR NEDİR?
Fe(II) Borür ve Al Diborür:
(Fe(II) Boride and Al Diboride)

• Yüksek sıcaklıklarda saf oksijen ile
reaksiyona girerek bor oksit (B2Oj)
oluşturur.
Bor Trioksit (B2O3)
8/43
Bor Oksit (B2Oj)
(Boron Oxide)

• Aynı koşullarda nitrojen ile bor nitrat (BN)
ve titanyum diyorit (TiBj) gibi endüstride
kullanılan bileşikler oluşabilmektedir.
• Bor elementinin kimyasal özellikleri
morfolojisine ve tane büyüklüğüne
bağlıdır.
• Mikron ebadındaki amorf bor kolaylıkla ve
bazen şiddetli olarak reaksiyona girerken,
kristalin bor kolay reaksiyona girmez.
9/43
Bor Nitrat (BN)- Titanyum Diyorit (TiBj)
(Boron Nitrate-Titanium Diorite)
Bor Nitrat (BN)

• Titanyum diborür, bir geçiş metali borürü olup, Ti-B sistemine ait ağırlıkça % 31,1 bor içeren bir
metal borürdür. Hegzagonal yapıdadır.
Titanyum Diborür (TiB2)
(Titanium Diboride)
10/43

• Yüksek sertlik,
• Yüksek ergime noktası (3.230 °C),
• Yüksek elastik modülü,
• Yüksek sürtünme katsayısı,
• Mükemmel aşınma ve korozyon direnci,
• İyi termal ve elektriksel iletkenlik,
• 1700 °C’ye kadar kimyasal ve ısıl kararlılık,
• Ergimiş metallere, HCl ve HF’e karşı dayanıklılık.
• TiB2 1000°C nin üstünde hava ile oksidasyona karşı
dirençlidir.
Üstün Özellikleri:
(High Properties)
11/43

• HF’e ve HCl’e karşı dirençli olsa da HNO3 ve H2SO4 ile etkileşir.
• Alkaliler ile kolay bir şekilde etkileşir.
12/43
Zayıf Özellikleri:
(Negative Properties)
HNO3 - Nitrik Asit H2SO4 - Sülfürik Asit

• Sinterlemeye karşı dirençleri yüksektir. (1600-1700°C)
• Genellikle izostatik presleme veya sıcak press ile yoğunlaştırılır.
• TiB2’nin yüksek saflıkta elde edilmesi için basınçsız sinterleme yöntemi kullanılır.
• Yüksek sertliğinden dolayı pek çok sanayi alanında tercih edilir.
• Şekil vermedeki işlenebilirliğini zorlaştırdığı için TiB2’nin tek başına kullanılmasından
ziyade kompozit olarak kullanılmaya itmektedir.
13/43
Presleme-Sinterleme:
(Pressing-Sintering)
İzostatik Pres

14/43
Titanyum Diborür (TiB2) vs Zirkonyum Diborür (ZrB2)
(Titanium Diboride (TiB2) vs Zirconium Diboride (ZrB2))
Titanyum Diborür;
• Yoğunluk: (g.cm-3) 4.52
• Ergime Noktası: (°C) ~ 3230
• Eğilme Mukavemeti: (MPa) 338-376
• Sertlik (GPa): 25-27
• Elastik modül (GPa): 510 – 575
• Isıl iletkenlik (20 °C) (W / m.K): 96
Zirkonyum Diborür;
• Yoğunluk: (g.cm-3) 6.085
• Ergime Noktası: (°C) ~ 3246
• Eğilme Mukavemeti: (MPa) 335-400
• Sertlik (GPa): 13.0-14.4
• Elastik modül (GPa): 490 – 510
• Isıl iletkenlik (20 °C) (W / m.K): 80

Çok çeşitli üretim yöntemleri vardır;
• Titanyum ve Borun katı hal reaksiyonu,
• Karbotermik indirgeme,
• Metalotermik indirgeme,
• Ergimiş tuz elektrolizi,
• Aerosol prosesi,
• Ve PVD yöntemleridir.
Üretimi: (Production)
15/43

• Üretim yöntemleri arasında en direkt olanıdır.
• Bu yöntemle titanyum diborür üretimi toz formda
ve yüksek saflıkta ürün elde edilmesine olanak
tanıdığı gibi kompozisyon kontrolü de
mümkündür.
Bu yöntemin avantajları olduğu gibi
dezavantajları da vardır;
• Titanyum (Ti) ve bor (B) tozları oksijen ile çok
reaktiftirler.
• Bu yüzden yüzeylerinde oksit tabakaları oluşabilir.
• Ayrıca güçlü ekzotermik reaksiyonlar sonucu
tehlikelere sebep olabilirler.
Titanyum ve Borun Katı Hal Reaksiyonu ile Üretimi:
(Production by Solid State Reaction of Titanium and Boron)
Ti + 2B=TiB2
TiB2 üretimi için elementel Titanyum ve
Bor kullanımı yerine oksitleri
tercih edilmektedir.
16/43

• Ucuz hammaddelerden dolayı yaygın
kullanılan basit bir yöntemdir.
• Karbotermal indirgeme karbür, borür veya
nitrür seramik tozlarının üretiminde kullanılan
bir yöntemdir.
• Borürlerin sentezi için metal oksit ve karbonun
yanı sıra bor kaynağı olarak elementel bor
veya bor içeren bir karbon kaynağı
kullanılması gereklidir.
Karbotermal Yöntem ile Üretimi: (Production by Carbotermal Method)
17/43

• Bu yöntemle titanyum diborür üretimi,
çok enerji gerektiren bir prosestir.
• Özellikle hammaddelerin reaksiyona
girmesi için ısıtılıp daha sonra da
reaksiyonun gerçekleşmesi için büyük
miktarda enerji harcanır.
• Bu yolla hazırlanan tozlar nispeten
büyük tanecik boyutuna sahip
olmaktadır.
18/43

19/43
 Karbotermal yolla titanyum diborür üretimi için önerilen iki ayrı tepkime vardır;
• Kimyasal sistem olarak iki reaksiyon birbirine
çok benzer, fakat Tepkime (1) sonucu oluşan
CO miktarı daha azdır ve (2). Tepkimeye göre
daha az sıcaklık ve enerji gerektirir.
• Genellikle tepkime (1), TiB2 üretiminde daha
çok tercih edilen reaksiyondur.
TiO2 + 1/2B4C + 3/2C = TiB2 + 2CO (1) (1173°C’un üzerinde)
TiO2 + B2O3 + 5C = TiB2 + 5CO (2) ( 1430 °C civarı)

• Titanyum oksit (TiO2) ve borik asitin (B2O3)
uygun bir redükleyici ajan ile indirgenmesi ile
gerçekleştirilmektedir.
• Metalotermik indirgeme, bir metal oksit veya
metal halojenür ile diğer bir metal arasında
meydana gelen bir yer değiştirme
reaksiyonudur.
20/43
Metalotermik Yöntem ile Üretimi:
(Production by Metallothermic Reduction Method)
Meı X + Meıı= Meı + Meıı X (A)
(X=oksijen, halojen)

• Termodinamik olarak tepkime (A)’nın gerçekleşmesi için reaksiyonun Gibbs serbest
enerjisinin negatif olması gereklidir, bu da Meıı ’nin oksijene veya halojenürlere olan
ilgisinin Meı ’e göre daha fazla olmasını gerektirmektedir.
• Metalotermik indirgemede kullanılan indirgeyiciler silisyum (Si), alüminyum (Al),
magnezyum (Mg) ve kalsiyumdur (Ca).
21/43
Meı X + Meıı= Meı + Meıı X (A) ΔG= ΔH-T ΔS<0

• Titanyum oksit termodinamik olarak silisyum ile
indirgenemediği için silisyum, titanyum diborür
üretimi için uygun bir indirgeyici değildir.
• Alüminyum, magnezyum ve kalsiyum hem titanyum
oksiti hem de borik asidi indirgeyebildiği için,
titanyum diborür üretimi için kullanılan
indirgeyicilerdir.
22/43
TiO2 + B2O3 + 5Mg = TiB2 + 5MgO (B)
∆H298 = 3949,59 J/1 g ürün
TiO2 + B2O3 + 5Ca = TiB2 + 5CaO (C)
∆H298 = 3538,98 J / 1 g ürün
3TiO2 + 3B2O3 + 10Al = 3TiB2 + 5Al2O3 (D)
∆H298 = 3572,91 J / 1 g ürün

• Magnezyum, alüminyuma göre tercih edilmektedir.
Çünkü;
(B) Reaksiyonu sonucunda oluşan Magnezyum Oksit HCl ile liç edilerek
uzaklaştırılabilir ve yüksek saflıkta Titanyum Diborür elde edilebilir.
TiO2 + B2O3 + 5Mg = TiB2 + 5MgO (B) ∆H298 = 3949,59 J/1 g ürün
23/43

• Titanyum diborür, ZrB2 , TaB2 , YbB6 , SrB6
gibi çeşitli borür bileşiklerinin ergimiş tuz
elektrolizi ile elektrokimyasal olarak
sentezlenmesi mümkündür.
24/43
Ergimiş Tuz Elektrolizi Yöntemi ile Üretimi:
(Production by Melted Salt Electrolysis Method)
Ergimiş Tuz Elektrolizi Yöntemi Şematik Gösterimi

• Aerosol prosesleri, gaz fazında gerçekleşen reaksiyonlar vasıtası ile toz üretimini amaçlayan
proseslerdir.
• Hammaddenin gaz veya parçacık (katı veya sıvı) olmasına göre iki ana gruba ayrılmaktadır.
• Bu prosesler, tek aşamalı üretime yönelik, fazla reaksiyon kademesi içermeyen ve katı
hammaddeler ile gerçekleştirilen işlemlere göre daha kısa süreler gerektiren süreçlerdir.
• Aerosol prosesleri yüksek saflıkta ürünlerin yüksek verimlerle üretilebilmesini sağlayabilen
yöntemlerdir.
25/43
Aerosol Prosesi ile TiB2 Tozu Sentezi:
(TiB2 Powder Synthesis by Aerosol Process)

• PVD çeşitli refrakter malzemeleri
ergime sıcaklıklarının altındaki
sıcaklıklarda kaplama olarak
kullanmaya izin veren bir yöntemdir.
• Bu teknik ile süreye bağlı olmak üzere,
kalınlığı bir mikronla birkaç milimetre
arasında değişen kaplamalar yapmak
mümkündür.
26/43
PVD Yöntemi:
(PVD Method)

• Titanyum diborür 1000-1300°C arasında, 1 atm basınçta titanyum tetraklorür ve bor
tetraklorürün hidrojen ile indirgenmesi ile üretilmektedir. (E)
TiCl4 + 2BCl3 + 5H2 = TiB2 + 10HCl (E)
• Bu reaksiyon güçlü bir ekzotermik reaksiyondur.
• Reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklıklarda hızla tane büyümesi olduğundan bu yöntemle küçük
tane boyutlu titanyum diborür üretimi imkânsızdır.
• Bu sorunun çözümü için alternatif olarak Tepkime (F)’deki reaksiyon kullanılmaktadır.
10TiCl3(g) + 2BCl3(g) +TiB2(L) + 9TiCl4(g) (F)
• Bu yöntem ile mikron altı titanyum diborür üretimi mümkündür.
27/43
PVD Yöntemi:
(PVD Method)

• Titanyum diborür esaslı malzemelerin sertlik, termal ve elektriksel özelliklerinin
kombinasyonu bu malzemeyi birçok mühendislik uygulaması için cazip hale getirmektedir.
28/43
Kullanım Alanları:
(Application Areas)

• Kumlama ve sert partiküllerin püskürtüldüğü nozullarda kullanılır.
29/43
(Application Areas)

• Titanyum diborür ergimiş alüminyum ve
kriyolite karşı inert olmanın yanı sıra yüksek
elektrik iletkenliğine sahip olması, bu
malzemenin alüminyum metalurjisinde
katot, elektrot ve termoçift kılıfı olarak
kullanılmasını sağlamaktadır.
• Monolitik titanyum diborür, Hall Héroult
hücrelerinde alüminyum elektrolizinde
kullanılmaktadır.
30/43
(Application Areas)

31/43
(Application Areas)
• Askeri uygulamalarda seramik zırh olarak kullanılır.
• Amerika Birleşik Devletleri TiB2 kompozitlerini balistik zırh olarak silahlı kuvvetlerinin
envanterinde bulunan zırhlı araçların bazılarında kullanmaktadır.

• Yüksek sıcaklığa maruz kalan
kısımlarda kaplama veya parça olarak
(örneğin; motor parçalarında, roket
motor parçalarında, metal ergitme
nozülleri ve jet motoru parçalarında)
kullanılmaktadır.
32/43
(Application Areas)

• Fiber optik kabloların koruma altlığı olarak kullanılır.
33/43
(Application Areas)

• Kimyasal kararlılığıyla aşınmaya dayanıklı kısımlar ve kesici takım uçlarının üretiminde kullanılır.
34/43
(Application Areas)

35/43
Lantanyum Hekzaborür (LaB6)
(Lanthanum Hexaboride)
• İnorganik bir kimyasaldır.
• 2210°C erime noktasına sahip, suda ve
hidroklorik asitte çözünmeyen refrakter
seramik malzemedir.
• Düşük bir çalışma fonksiyonuna ve bilinen
en yüksek elektron emisyonlarından birine
sahiptir ve vakumda stabildir.

36/43
• Yoğunluk: 4,72 g/cm³
• Erime Noktası: 2.210 °C
• Molar Kütle: 203,78 g/mol
• Kristal Yapısı: Kübik kristal yapı
• Suda Çözünürlük: insoluble
Genel Özellikler:
(General Properties)

37/43
(Application Areas)
• Lantan hekzaborürün temel kullanımı, tek bir
kristal olarak veya fiziksel buhar biriktirme ile
çökeltilen bir kaplama olarak sıcak katotlarda
kullanılır.
• Lantan hekzaborür (LaB6) ve seryum hekzaborür
(CeB6) gibi hekzaborürler, 2,5 eV civarında
düşük çalışma fonksiyonlarına sahiptir.
• Ayrıca LaB6 katot zehirlenmesine karşı
dirençlidir.
Lantanyum Hekzaborür (LaB6) Filamentler / Katotlar

• Hekzaborür katotlar, tungsten katotlardan yaklaşık
on kat daha parlaktır ve 10-15 kat daha uzun
ömürlüdür.
Heksaborür katotların kullanıldığı cihazlar ve
teknikler arasında;
• Elektron mikroskopları,
• Mikrodalga tüpleri,
• Elektron litografisi,
• Elektron ışını kaynağı,
• X-ışını tüpleri ve
• Serbest elektron lazerleri bulunur.
38/43
(Application Areas)

39/43
(Application Areas)
• LaB6 Tabancalarının tungsten
tabancalarından daha yüksek bir vakum
altında kullanılması gerektiğini ve LaB6
tabancalarının daha yüksek parlaklık, daha
küçük elektron kaynağı ve daha az enerji
yayılımı sağladığını göstermektedir.
• Bu nedenle, LaB6 tabancaları, analitik
elektron mikroskopları için tungsten
tabancalarından daha uygundur.

Solar Enerji Uygulamaları için Lantanyum Hekzaborür
(Lanthanum Hexaboride for Solar Energy Applications)
• Konsantre Güneş Enerjisi (CSP) sistemlerinde
katı soğurucular için olası adaylar olarak LaB6
bazlı malzemelerin optik özelliklerini
araştırılmıştır.
• Dökme LaB6 malzemeleri, ticari tozlardan
başlayarak sıcak presleme ile termal olarak
birleştirilmiştir.
• Güneş soğurma ve spektral seçicilik
özelliklerini değerlendirmek için, farklı
bileşimler, gözeneklilikler ve yüzey pürüzlülüğü
göz önünde bulundurularak ultraviyole ile orta
kızılötesi arasında oda sıcaklığı yarı küresel
yansıma spektrumları ölçülmüştür. (1100 °K)
40/43

• LaB6 , Silikon Karbür gibi gerçek
tesislerdeki en gelişmiş güneş emici
malzemeyle karşılaştırılabilir bir güneş
emiciliğine sahiptir.
• LaB6 Aynı zamanda hem doğrudan yüksek
sıcaklıkta güneş emici hem de elektron
kaynağı olarak hareket edebilmesi için
termiyonik bir malzeme olmak için çekici
özelliklere sahiptir.
• Gelecekte yoğunlaşan güneş termiyonik
sistemlerinde, sistem karmaşıklığını önemli
ölçüde azaltacaktır.
41/43
Solar Enerji Uygulamaları için Lantanyum Hekzaborür
(Lanthanum Hexaboride for Solar Energy Applications)

Referanslar;
• https://malzemebilimi.net/
• https://tr.wikipedia.org/
• https://tr.qaz.wiki/
• https://docplayer.biz.tr/
• https://bortec.de/en/blog/boron-and-borides/
• http://www.funcmater.com/iron-ii-boride-fe2b-powder.html
• https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/284295
• https://www.densen-store.com/products/detail.php?product_id=3663
• https://www.harveyperformance.com/in-the-loupe/tib2-coating/
• https://www.3m.com/3M/en_US/company-us/all-3m-products/?N=5002385+8745513+8710684+8711017+8719596+3294857497&rt=r3
• https://www.lokmanbas.net/lokmanbas/bir-bor-bilesigi-titanyum-diborurun-tib2-kullanim-alanlari
• https://www.researchgate.net/publication/334747950_Boric_acid_H3BO3_as_flux_agent_of_clay
based_ceramics_B2O3_effect_in_clay_thermal_behavior_and_resultant_ceramics_properties
• https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1179/174328006X102529?journalCode=yimr20
42/43

Referanslar;
• https://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=492
• https://www.researchgate.net/publication/262926224_Zirconium_Diboride_with_High_Thermal_Conductivity
• https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/105/5/j55mun.pdf
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509316306621#:~:text=the%20graphite%20die.-
,Flexure%20strength%20ranged%20from%20335%20to%20400%20MPa%2C%20elastic%20modulus,%2C%20where%20were%20~250%
20MPa.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium_diboride
• https://www.nature.com/articles/s41598-017-00749-w
• https://www.globalsino.com/EM/page3930.html
43/43

BORÜRLER-Emre AVCI

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

BORÜRLER-Emre AVCI