Bor Karbür Nanopartiküllerin Keşfi, Özellikleri ve Uygulama Alanları - Nanografi

Bor karbür nanopartiküller, nanoteknoloji alanındaki ilerlemelerle üretilen önemli malzemelerdir. Yüksek sertlik, düşük yoğunluk ve mükemmel termal iletkenlik özellikleri ile öne çıkarlar. 

Sertliği, nötronlarla benzersiz etkileşimi ve temel özellikleri nedeniyle çeşitli endüstrilerde kullanılır. Başta savunma sanayiinde zırh yapımı ve nükleer enerji uygulamalarında kullanılmakla birlikte, aynı zamanda tıp, elektronik ve havacılık endüstrilerinde potansiyel taşımaktadırlar. Bor karbür nanopartiküllerin çapı yaklaşık 40 nm'dir. Bu makale, bor karbür nanopartiküllerine odaklanarak tarihçesi, özellikleri, üretimi ve farklı sektörlerdeki uygulamaları hakkında detaylı bilgi sağlamayı amaçlamaktadır. Nanografi olarak, size ürünlerimiz hakkında detaylı bilgi sunarken, son teknoloji kullanarak yüksek kaliteli ürünler sunmaya devam ediyoruz.

Giriş

Bor karbür (B4C), genellikle "black diamond" olarak adlandırılır. Elmas kadar sert olan siyah kristalimsi bir katıdır. Bileşik, 1 karbon atomu ve 4 bor atomu içerir. Gri siyah renkte olup genellikle çok sert seramik bir malzemedir. Karbon ve bor, periyodik tabloda birbirine bitişik olarak yer alır ve sırasıyla atom numaraları 6 ve 5'tir.

Boron karbür nanopartikülleri, yüksek dayanıklılık, uzun ömürlülük ve aşınma direnci ile bilinir, bu da onları çeşitli uygulamalar için son derece istenilir kılar. Özellikle özel mekanik özellikleri ve sertliği nedeniyle kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılmak üzere gelişmiş seramiklerin üretiminde tercih edilir.

Ayrıca, bu nanopartiküllerin özel özellikleri nanoteknoloji alanında çeşitli amaçlar için kullanılır. Örneğin, nanoelektronik, nanosenzörler ve belirli kimyasal reaksiyonlar için katalizör olarak kullanılabilirler.

Bor Karbür (B4C) Nanopartiküllerinin Keşfi

Bor Karbür (B4C) nanopartiküllerinin tarihi, bor ve karbon atomlarından oluşan bir bileşiğin keşfiyle başlar. Bu bileşik ilk kez Fransız kimyager Henri Moissan tarafından 1899 yılında sentezlenmiştir. İlk yıllarda yüksek mekanik ve termal özellikleri nedeniyle endüstrilerde kullanım alanı bulmuştur.

Nanoteknolojinin ilerlemesiyle, bor karbür gibi materyallerin nanometre ölçeğinde incelenmesi mümkün hale gelmiş ve bu da bor karbür nanopartikülleri üzerine yapılan araştırmaların artmasına yol açmıştır. Kimyasal buhar biriktirme (CVD), bilyalı öğütme ve lazer ablasyon gibi yöntemler kullanılarak bu nanopartiküller sentezlenmiştir.

Bor karbür nanopartikülleri olağanüstü sertlik, yüksek termal kararlılık ve mükemmel mekanik özelliklere sahiptir, bu da onları kompozit malzemelerde takviye malzemesi, nötron radyasyon kalkanı ve zırh uygulamalarında potansiyel adaylar haline getirir. Bor karbür nanopartikülleri üzerindeki araştırmalar halen devam etmekte olup, bilimsel bilgi sürekli gelişmektedir.

Bor Karbür (B4C) Nanopartiküllerinin 8 Özelliği

Bor Karbür nanopartiküllerinin özellikleri aşağıda detaylı olarak açıklanmıştır:

1. B4C Nanopartiküllerinin Mol Kütlesi:

B4C bileşiğinin mol kütle değeri yaklaşık 55.255 g/mol'dür ve yoğunluğu ise 2.52 g/cm3'tür.

2. B4C Nanopartiküllerinin Kristal Yapısı

Bor karbürün kristal yapısı, kovalent ve iyonik bağların bir kombinasyonu ile karakterize edilir. Bor karbürdeki temel yapı birimi, B11C ikosaedronudur. Bu yapı on iki köşeden (atomdan) oluşur ve ikosaedron şeklinde bir kafes yapısı oluşturur. Bu kafes içinde üç bor atomu ve bir karbon atomu, ikosaedronun köşelerine yerleştirilmiştir.

Şekil 1: Bor karbür nanopartiküllerin yapısı.

3. Parçacık Boyutu Dağılımı ve SSA (Yüzey Alanı) Özelliği

Bor karbür nanopartiküllerinin ince bir parçacık boyutu dağılımı vardır, daha büyük bir yüzey alanına sahiptir ve iyi saflığa sahiptir. Bor karbür nanopartiküllerinin özgül yüzey alanı, 42 m2/g'den daha büyüktür.

4. B4C Nanopartiküllerinin Erime Noktası

Bor karbür nanopartiküllerinin erime noktası yaklaşık 2350 °C'dir.

5. B4C Nanopartiküllerinin Kaynama Noktası

Bor karbür nanopartiküllerinin kaynama noktası yaklaşık 3500 °C'dir ve sertliği 9.3'e kadar ulaşırken, eğilme kuvveti 400 MPa'den büyüktür.

6. B4C Nanopartiküllerinin Tepkime ve Kararlılık Özelliği

Bor karbür nanopartiküllerinin alkali veya asit çözeltilerle reaksiyona girmediği bilinmektedir. Bileşik genellikle yüksek sıcaklıklara karşı dirençlidir ve anti-oksidasyon özelliklerine sahip, yüksek dayanıklılık, yüksek sertlik, yüksek ezme verimliliği, yüksek elastik modül, iyi kendini yağlayabilme özellikleri ve daha büyük aşınma direnci gösterir.

Bor karbür nanopartiküllerinin termal nötron yakalama kesitinin daha yüksek olduğu ve iyi anti-radyasyon performansı ile mükemmel nötron emme özelliklerine sahip olduğu bilinmektedir.

7. B4C Nanopartiküllerinin Rengi

Bor karbür nanopartiküllerinin genellikle siyah renkte olduğu bilinmektedir.

8. Diğer B4C Nanopartikül Özellikleri

Safiyeti %99'a kadar ulaşır.

Bor karbür nanopartiküllerinin boyutu yaklaşık 50 nm'dir.

Bor Karbür Nanopartiküllerinin Üretimi

Bor karbür nanopartikülleri, seramik, nükleer endüstri ve zımparalama gibi çeşitli alanlarda kullanılan yüksek performanslı malzemelerdir. Bor karbür nanopartikülünün üretim süreci genellikle kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve bilyalı değirmenle iki ana yöntem içerir.

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemi: 

CVD, parçacık boyutu ve saflığını kontrol etme yeteneği nedeniyle bor karbür nanopartikülünün üretimi için popüler bir tekniktir. Süreç aşağıdaki adımları içerir:

a. Öncü Hazırlığı: Gaz halindeki bor içeren bir bileşik, örneğin bor triklorür (BCl3), ve metan (CH4) gibi karbon içeren bir gaz öncü olarak seçilir. Bu öncüler genellikle buharlaştırılarak kullanılır.

b. Reaktör Kurulumu: CVD işlemini gerçekleştirmek için bir reaktör odası kullanılır. Odanın genellikle kuvars veya yüksek sıcaklıklara dayanabilen başka uygun bir malzemeden yapılması tercih edilir.

c. Reaksiyon: Buharlaştırılmış bor ve karbon öncüleri, tipik olarak 1200 ila 1600°C arasında yüksek sıcaklıklarda reaktör odasına verilir. Uygun bir katalizörün varlığında veya kontrol edilen koşullar altında kimyasal bir reaksiyon gerçekleşir ve bor karbür nanopartiküllerinin oluşmasına yol açar.

d. Toplanma: Yeni oluşan bor karbür nanopartikülleri, reaktör odasında bir alt tabaka veya filtre üzerinde toplanır.

e. Arıtma ve Karakterizasyon: Toplanan nanopartiküller, herhangi bir kirliliği uzaklaştırmak için daha fazla arıtma adımlarından geçebilir. Taramalı elektron mikroskopu (SEM), X-ışını kırınımı (XRD) ve geçişli elektron mikroskopu (TEM) gibi karakterizasyon teknikleri, üretilen nanopartiküllerin boyutunu ve kalitesini değerlendirmek için kullanılır.

 Şekil 2: Kimyasal buhar biriktirme mekanizması.

Bilyalı Değirmen Yöntemi: 

Bilyalı değirmen, bor karbür nanopartiküllerinin üretiminde kullanılan başka yaygın bir tekniktir. Bu süreç, toplu halde bulunan bor karbür malzemesinin mekanik olarak öğütülmesi ve parçacıkların nanopartiküllere dönüştürülmesini içerir. Aşamalar şunları içerir:

a. Ham Madde Hazırlığı: Bor karbür toplu haldeki formu, başlangıç malzemesi olarak kullanılmak üzere küçük parçacıklara veya toza dönüştürülür.

b. Öğütme: Hazırlanan bor karbür tozu, sertleştirilmiş çelik veya seramik malzemelerden yapılmış bilyeler gibi öğütücü ortama sahip dönen silindirik bir bilyalı değirmene yüklenir.

c. Öğütme Süreci: Bilyalı değirmen, belirli bir süre boyunca ve kontrol edilen bir hızda çalıştırılırken, öğütücü ortamdaki bilyelerin ve bor karbür parçacıklarının çarpışması, parçacıkların nanometre ölçeğine kadar küçülmesine neden olur.

d. Öğütme Sonrası İşlem: Öğütme işleminden sonra, elde edilen nanopartikül, herhangi bir kirliliği veya yüzey kirliliğini gidermek için işlem adımlarından geçebilir.

e. Karakterizasyon: CVD yöntemiyle olduğu gibi, nihai bor karbür nanopartikül, parçacık boyutu, dağılımı ve saflığını doğrulamak için çeşitli teknikler kullanılarak karakterize edilir.

Her iki CVD ve bilyalı değirmen yöntemlerinin kendi avantajları ve sınırlamaları vardır. CVD, parçacık boyutu ve saflığı üzerinde hassas kontrol sağlar, ancak daha karmaşık ve maliyetlidir. Öte yandan, bilyalı değirmen yöntemi nispeten daha basit ve maliyet etkin olabilir, ancak son derece homojen nanopartikül boyutları ve daha yüksek saflık seviyelerini elde etmede sınırlamaları olabilir. Üretim yönteminin seçimi, bor karbür nanopartikülün belirli gereksinimleri ve uygulamaları bağlamında değişir.

 Şekil 3: Bilye ve toz karışımının hareketinin şematik görünümü.

Bor Karbür Nanopartiküllerinin 9 Kullanım Alanları 

• Zırh ve Balistik Koruma: Bor karbür nanopartikülleri, olağanüstü sertlikleri ve düşük yoğunlukları sayesinde tank zırhları ve kurşun geçirmez yeleklerin imalatında yaygın olarak kullanılırlar. Balistik ve projektil tehditlere karşı etkili koruma sağlarlar.
• Nükleer Endüstri: Bor karbür nanopartikülleri, nükleer sektörde önemli uygulamalara sahiptir. Nükleer reaktörlerde kontrol çubukları ve güvenliği sağlamak için kullanılan durdurma paletlerinde kullanılırlar. Nanopartiküllerin nötronları yakalama yetenekleri, nötron tespiti için faydalı olmalarını sağlar. Ayrıca, termal şok direnci ve termal iletkenlikleri, nükleer füzyon reaktörlerinde kullanılmak için uygun hale getirir. Bor karbür nanopartikülleri ayrıca uzun ömürlü radyasyon oluşturmadan nötronları emmeye yardımcı olurlar.
• Kesme ve Taşlama Araçları: Bor karbür nanopartiküllerinin aşırı sertliği, onları kesme ve taşlama araçları için ideal hale getirir. Kararlı yapıları, alkali asit çözücülerle etkileşime girmemelerini sağlar ve çeşitli kesme ve taşlama uygulamaları için dayanıklı ve güvenilir olmalarını sağlar.
• Parlatma ve Laplama: Agresif doğaları ve sertlikleri nedeniyle, Bor karbür nanopartikülleri, özellikle hassas bileşenlerin ve optiklerin imalatında, parlatma ve laplama uygulamalarında kullanılır.
• Kaplama: Bor Karbür nanopartikülleri, bıçak araçları gibi çeşitli malzemeleri kaplamak için kullanılır; böylece aşınma dirençleri artar ve termal şoklara karşı koruma sağlanır. Ayrıca, ultra yüksek yoğunluktaki disk sürücüler gibi yüzeylerde ince filmler oluşturma uygulamalarında da kullanılırlar.

Grafen kaplamanın cam yüzeylerdeki korozyonu önlemesi hakkında bilgi almak için  blog yazımızı ziyaret edin.  

• Gelişmiş Teknoloji Uygulamaları: Bor karbür nanopartikülleri, kişisel kullanım ve ekipman için seramik zırh uygulamalarında önemli bileşenlerdir. Ayrıca, taşlama ve parlatma ortamları için aşındırıcılar, patlama nozulları, seramik yataklar ve dielektrik bariyerler gibi uygulamalarda kullanılırlar.
• Uzay ve Havacılık Endüstrisi: Uzay ve havacılık sektöründe, bor karbür nanopartikülleri, Be (berilyum) alaşımlarının yerini almak için kullanılır. Düşük yoğunlukları, yüksek rijitlikleri ve düşük termal genleşmeleri, havacılık uygulamalarında değerli malzemeler olmalarını sağlar.
• Kompozit Malzemelerde Güçlendirme: Bor karbür nanopartikülleri, mekanik özelliklerini ve genel performanslarını artırmak için plastik matris kompozitlerde güçlendirme malzemeleri olarak kullanılırlar.
• Yüksek Sıcaklık Elektronik Cihazlar: Bor karbür nanopartikülleri, özellikle termoelastik cihazlarda, yüksek sıcaklık elektronik cihazlarda uygulama alanı bulurlar. Ayrıca, yarıiletken uygulamalarda dielektrik bariyerler olarak da kullanılırlar.

Nanopartiküllerin özellikleri ve uygulama alanları hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Sonuç

Bor karbür nanopartikülleri (B4C), zengin bir araştırma ve geliştirme geçmişine sahip olan dikkat çekici malzemelerdir. Bu nanopartiküller olağanüstü sertliğe, düşük yoğunluğa ve mükemmel termal iletkenliğe sahiptir, bu da onları farklı endüstrilerde çeşitli uygulamalar için son derece aranan malzemeler yapar.

Nükleer endüstri, havacılık ve yüksek sıcaklık elektronik cihazlar gibi alanlarda kullanılmaları, bu nanopartiküllerin modern teknolojik ilerlemelerdeki çok yönlülüğünü ve önemini göstermektedir.

Üstün termal iletkenliğe ve yüksek sertliğe sahip bor karbür nanopartiküllere ulaşmak için Nanografi web sitesini ziyaret edin.

Kaynakça

Bor karbür - Vikipedi. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Bor_karb%C3%BCr

Boron Carbide: Structure, Properties, & Preparation. (n.d.). Retrieved March 5, 2024, from https://collegedunia.com/exams/boron-carbide-chemistry-articleid-5812

Carlsson, J. O., & Martin, P. M. (2009). Chemical Vapor Deposition. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings: Science, Applications and Technology, 314–363. https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00007-7

Chemical vapour deposition | Nature Reviews Methods Primers. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://www.nature.com/articles/s43586-020-00005-y

Çoşğun, A., Taşçioğlu, A., Yilmaz, G., Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, B., & Bilimleri Enstitüsü, F. (2021). İnce Film Üretiminde Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi ve Çeşitleri. The Journal of Graduate School of Natural and Applied Sciences of Mehmet Akif Ersoy University, 12(2), 351–363. https://doi.org/10.29048/makufebed.861301

Crystal structure of boron carbide. | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Crystal-structure-of-boron-carbide_fig1_258795976

Grafen İle Camı Korozyona Karşı Önleme - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-ile-cam-korozyona-karsi-onleme/

Marsh, R. A., Vukson, S., Surampudi, S., Ratnakumar, B. V., Smart, M. C., Manzo, M., & Dalton, P. J. (2001). Li ion batteries for aerospace applications. Journal of Power Sources, 97–98, 25–27. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00584-5

Motion of the ball and powder mixture during milling (source: [10]). | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved March 5, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Motion-of-the-ball-and-powder-mixture-during-milling-source-10_fig2_321698733

Schematic view of motion of the ball and powder | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Fig-1-Schematic-view-of-motion-of-the-ball-and-powder_fig1_336685480

Sun, L., Yuan, G., Gao, L., Yang, J., Chhowalla, M., Gharahcheshmeh, M. H., Gleason, K. K., Choi, Y. S., Hong, B. H., & Liu, Z. (2021). Chemical vapour deposition. Nature Reviews Methods Primers 2021 1:1, 1(1), 1–20. https://doi.org/10.1038/s43586-020-00005-y

Schematic view of motion of the ball and powder | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved April 29, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Fig-1-Schematic-view-of-motion-of-the-ball-and-powder_fig1_336685480