Metal Diborürler

Metal diborürler üstün malzeme özellikleri ile pek çok kullanım alanı bulmaktadır. Metal diborürleri ileri teknoloji seramik malzemeler, diğer adıyla ileri seramikler sınıfına alabiliriz. İleri seramikler oksit ve oksit olmayan seramikler olarak iki gruba ayrılır: Oksit olmayan seramikler karbürler, nitrürler, sülfürler, silisitler ve borürlerden oluşmaktadır. Geleneksel seramiklerden farklı olarak saflaştırılmış, iç yapıları son derece iyi denetlenmiş, üretim prosesleri hatasız mikro yapılar elde edilecek türde özelleştirilmiş tür seramikleri içermektedir.

Borürler, bor elementinin metal ve ametaller ile oluşturduğu bileşiklere verilen genel isimdir. Borürler genelde diborür formunda olup iki adet bor elementi içermektedir. Diborürlerin çoğu geçis metallerinin(Ti, Zr, Hf) bileşikleridir. 4B grubu Geçiş metallerinin (Ti, Zr, Hf), bor ile oluşturduğu bileşiklerinin yüksek sertlik, yüksek termal iletkenlik, yüksek elektriksel iletkenlik, düşük yoğunluk ve yüksek kimyasal kararlılık gibi üstün özellikleri ve özellikle yüksek ergime noktası ileri teknoloji alanlarında kullanım yeri bulmalarına neden olmaktadır.Şaşırtıcı olan ise ticari borürlerin uygulamalarının kısıtlı olmasıdır. Katalitik, Manyetik ve Termal özellikleri, Sertlik, İletkenlik (iletken, yalıtkan, süper iletken) özelliklerine göre farklı kullanımları vardır. Metal diborürlerin en çok kullanılanları titanyum diborür (TiB2), Magnezyum diborür (MgB2) ve Zirkonyum diborür (ZrB2)’dür.

Titanyum diborür (TiB2):

TiB2, en önemli sert refrakter malzemelerden bir tanesidir.TiB2; yüksek ergime sıcaklığı, sertlik, termal ve elektrik iletkenliği, iyi aşınma, termal şok, oksidasyon ve korozyon direnci gibi özelliklere sahip bir malzemedir. Bu üstün özellikleri TiB2’yi 1970’lerden beri hem elektrik hem de yapısal uygulamalarda kullanılabilen ve en çok dikkat çeken mühendislik seramiklerinden biri haline getirmiştir. TiB2’nin ergimiş alüminyum ve kriyolite karsı inert olmasının yanı sıra yüksek elektrik iletkenliğine sahip olması, bu malzemenin alüminyum metalurjisinde katot, elektrod ve termo çift kılıfı olarak kullanılmasını sağlamaktadır. TiB2 ayrıca alüminyumun vakum altında buharlaştırılması için kullanılan sıcak preslenmiş TiB2-AlN-BN kompozitinden yapılan kayıkçıkların hammaddesidir. Bunların dışında TiB2, balistik zırh ile metal ve seramik matriks kompozitlerde dispersan olarak uygulama alanı bulmaktadır.

Titanyum diborür esaslı seramikler, hipersonik uçaklar, yeniden kullanılabilir fırlatma araçları veya roket motorları için olası malzeme olmaya ve 1800ºC’nin üzerindeki hipersonik yeniden giriş alanı araçlarındaki ön kenar parçaları için termik koruma yapıları olmaya öncü bir adaydır. Ayrıca nötron absorblama özelliği bulunduğundan, yüksek sıcaklık nükleer reaktörlerde kontrol çubuk malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Magnezyum diborür (MgB2):

Metal borürler, üstün özellikleri sayesinde elementel bor ya da metal yakıtlara bir alternatif olarak ortaya çıkan önemli bileşiklerdir. Magnezyum diborür (MgB2) ve bazı metal diborürler (AlB2, AlB12, ve LiB2) roket yakıtı olarak kullanılabilmektedir. Ayrıca, bor elementine göre daha iyi yanma özellikleri göstermektedir.

MgB2 1950’lilerden beri bilinen bir bileşiktir ancak süperiletken özelliği 2001’de keşfedilmiştir. Keşfi ilan edildikten sonra hızla ilgi odağı haline gelmiş birkaç ay içinde bor elementiyle elde edilebilecek hemen hemen bütün alternatif bileşik kombinasyonları araştırılmıştır ayrıca bu intermetalik süperiletkenin özellikleri anlaşılmaya çalışılmıştır.

Hafniyum diborür (HfB2):

Hafniyum diborür, hafniyum ve bor metallerinden sentezlenmiş ultra-yüksek sıcaklık seramiğidir. Bu borür çok yüksek ergime noktasına sahip olmasının yanı sıra çok iyi derecede aşınma direnci gösterir. Bu özellikleri sayesinde HfB2 aşınma direnci kaplamalarında kullanılır. Ayrıca SiC ile yüksek sıcaklık içeren uygulamalarda kullanılmak üzere kompozit malzeme imalatında da tercih edilen bir seramiktir. Sahip olduğu mukavemet ve termal özelliklerinden ötürü yüksek hızlı araçlarında ICBM ısı kalkanı veya aerodinamik ana kenarlık olarak kullanılmaktadır. Ayrıca günümüzde bu borür nükleer reaktör kontrol çubuklarında yeni bir malzeme olarak kullanılmaktadır.HfB2 ince film kaplamaları, ultraviyole ışınları filtrelemek için kullanılırlar. Bu özelliğinden, uzay teleskoplarının lenslerinde faydalanılır.

Zirkonyum diborür (ZrB2):

Ultra yüksek sıcaklık seramiği (UHTC) olan ZrB2 üstün özelliklerinden dolayı son yıllarda endüstriyel uygulamalarda takviyeli kompozit malzeme üretiminde tercih edilmektedir. Bu amaçla hem tokluk hem de sertlik değeri açısından otomotiv sektörünün ihtiyaçlarına cevap verebilecek seramik kompozit malzemeler çalışılmaktadır. Bu kompozit malzemeler otomotiv sektöründe sürtünmenin ve sıcaklığın fazla olduğu parçaların yapımı veya kaplanması gibi endüstriyel uygulamalarda kullanılabilir.

ZrB2, ergimiş alüminyuma karşı inert olması ve yüksek elektrik iletkenliği göstermesi nedeniyle alüminyumun elektrokimyasal proses (Hall-Heroult proses) ile üretiminde katot olarak kullanılmaktadır ayrıca alüminyum metalurjisinde termoçift kılıfı olarak kullanılabilmektedir. Nötron yakalama özelliğinin düşük olması ve korozyona dayanıklılığı nedeniyle nükleer reaktörlerin yapı malzemesi olarak uygulama alanı bulmaktadır. ZrB2, yüksek ısı kapasitesi ve yüksek termal iletkenlik gibi özelliklere sahip olması nedeniyle hipersonik hava sahası uygulamalarında, uçak ön kenar ve uç kısımlarında yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Zr ve B elementlerinin düşük difüzyon katsayısına sahip olmaları nedeniyle yarı iletkenlerde difüzyon bariyeri olarak uygulama alanı bulmaktadır. Bunların yanında balistik zırh, ergitme potası, kesme takımlarında kaplama malzemesi ve nozul malzemesi olarak da kullanılmaktadır.

Kaynaklar

[1] Akkurt, F., Kalender, E. & Yörükoğlu, A., 2019, Üstün özelliklere sahip ileri teknoloji seramiği: Titanyum diborür. Journal of Boron, 4 (4), 203-208

[2]Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu, İleri teknolojik seramiklere giriş ve Sınıflandırılması, Yapısal Seramik Malzeme Teknolojisi, MTM 545 –

[3]Habashi, F., 1997, Boron, in Handbook of extractive metallurgy, Vol. 4 pp.1985-2028, Wiley-VCH

[4] Balcı, Ö., Ağaoğulları, D., 2012. Çeşitli Metal Borürlerin Mekanokimyasal Sentezleme ve Mekanik Alaşımlama Yöntemleri ile Üretimi, Metalurji, cilt.160, ss.26-30

[5] Kurtoğlu, K., 2007,Titanyum Diborürün Karbotermik redüksiyon Yöntemi ile Üretimi, Yüksek Lisans, Fen Bilimleri Enstitüsü, İTÜ

[6] Canöz, B., 2017, Mekanokimyasal Yöntem ile Enerjik Madde Olarak Kullanılabilen Magnezyum Diborür (MgB2) Sentezi,Yüksek Lisans, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırıkkale Üniversitesi

[7] Erkuş, S.,2019, Mekanik Alaşımlama Yöntemi ile Süperiletken Magnezyum Diborür (MgB2) Üretimi, Doktora, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi

[8] Önal, İ.,2019, Otomotiv Sanayisi İçin Alümina ile Toklaştırılmış Zirkonya-Zirkonyum Diborür (ATZ-ZrB2) Seramik Kompozitlerinin Üretilmesi,Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Alanya Alaaddin Keykubat Üniversitesi

[9]Akkaş, B.,2010. Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile zirkonyum diborür tozu üretimi, Yüksek lisans, Fen bilimleri enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi

[10] Aynibal, F.,2009. IVB Grubu Metal Borürlerin ve Lantan Hekzaborürün Mekanokimyasal Reaksiyon Ortamında Sentezlenmesi, Yüksek lisans, Fen bilimleri enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi

[11]Kaya, Ş.,2019, Kendiliğinden İlerleyen Yüksek Sıcaklık Sentezi Yöntemi ile Magnezyum Bor Bileşiklerinin Üretim Olanaklarının Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Dokuz Eylül Üniversitesi