Search

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2011, Bu çalışmada optik, medikal ve balistik amaçlı kullanımlara uygun saydam Al2O3 seramiklerinin Spark Plazma Sinterleme yöntemiyle eldesinde ısıtma hızı, kademeli ısıtma yöntemi, sinteleme basıncı, çeşitli sinterleme dopantlarının tekli ve çoklu ilaveleri parametreleri incelenmiştir. Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile yapılan deneylerde iki farklı Al2O3 toz kullanılmıştır (Inframat Advanced Materials ve TM-DAR). Birinci grup deneyler Inframat Advanced Materials marka Al2O3 toz kullanılarak 1150-1350 °C’de, 80 MPa basınçta 35-200 ºC/dk ısıtma hızı ile, 5-20 dk sürede gerçekleştirilirken, ikinci grup deneyler TM-DAR marka Al2O3 toz kullanılarak 1150-1300 °C’de, 80 MPa basınçta, 5 ila 100 ºC/dk ısıtma hızı, 5-20 dk sürede gerçekleştirilmiştir. Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile elde edilen Al2O3 seramiklerden ulaşılan en yüksek rölatif yoğunluk değeri birinci grup deneyler için % 99,7 olup % 0,1 MgO doplanmış aluminanın 1300 °C’ de, 80 MPa basınçta, 5 dk süre ile sinterlenmesi ile elde edilmiştir. İkinci grup deneylerde birçok numunede teorik yoğunluk elde edilmiştir. En yüksek sertlik değerine Al2O3 + % 0,4 MgO toz karışımının 1340 °C’de, 80 MPa basınçta, 100 ºC/dk ısıtma hızı ile 5 dk sure ile sinterlenmesi ile, 20,4 GPa olarak ulaşılmıştır. İkinci grup deneylerde ise bu değer 24,2 GPa olarak 1175°C’de, 80 MPa basınçta, 20 dk sürede sinterlenen 150 ppm MgO ve 150 ppm CaO içeren numunede ölçülmüştür. İki farklı Al2O3 toz ile elde edilen numuneler kıyaslandığında, ikinci grup deneylerde saydamlık elde edilmiştir. Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile saydam Al2O3 seramiklerin eldesinde ısıtma hızının azaltılması ile doğrusal ışık geçirgenliği önemli ölçüde artmıştır., In this study, the transparent Al2O3 ceramics that are suitable for optical, medical and ballistic uses were manufactured by SPS and the effects of parameters such as heating rate, gradual heating methods, sintering pressure, various sintering dopants were analyzed. Two different Al2O3 powders (Inframat Advanced Materials and TM-DAR) were used in spark plasma sintering experiments. Wheras first group of experiments were carried out with Inframat Advanced Materials branded powders at 1150-1350 °C under 80 MPa pressure with 35-200 ºC/min heating rates for 5 – 20 minutes, second group experiments were held with using TM-DAR alumina powders at 1150-1300 °C under 80 MPa pressure with 5-100 ºC/min heating rates for 5 – 20 minutes. The highest relative density value reached in Al2O3 ceramics obtained with spark plasma sintering is 99.7 % in the sample which contains 0.1 % MgO sintered at 1300 °C under 80 MPa pressure for 5 minutes. Theoritical density in few of the second group of experiments is obtained. The highest hardness value as 20,4 GPa is achieved in the alumina sample with 0.4 % MgO which is sintered at 1340 °C under 80 MPA pressure with 100 ºC/min heating ratefro 5 minutes. This value is measured as 24,2 GPa in second group experiments in the sample doped with 150 ppm MgO and 150 ppm CaO sintered at 1175°C under 80 MPa applied pressure for 20 minutes. When two different branded Al2O3 powders were compared, transparency is obtained in the second group experiments. In line transmittance is improved significantly with decreasing heating rate of spark plasma sintering of alumina ceramics., Yüksek Lisans, M.Sc.

Ergime sıcaklığı 3000°C üzerinde olan seramik malzemeler ultra yüksek sıcaklık seramikleri (UHTCs) olarak sınıflandırılır. Son yıllarda 3000°C üzerinde ergime sıcaklığına sahip olan çeşitli metal geçiş borürleri, yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanım göstermesi gereken havacılık uygulamalarında ve farklı teknolojik uygulamalarda kullanılmak üzere ilgi çekici bir alan haline gelmiştir.Yakın zamanda TiB2 temelli malzemeler; mekanik, termofiziksel ve kimyasal özelliklerinin üstün uyumu sebebiyle umut vadaden ultra yüksek sıcaklık seramikleri arasındadır. Düşük yoğunluğu ve düşük termal genleşme katsayısı, ağırlıkça hafif ve yüksek mekanik özellik gerektiren uygulamalarda önemli avantaj sağlar.TiB2'nin sahip olduğu kovalent bağ yapısı bu malzemenin birçok zorlu koşulda mukavim olmasına katkı sağlar. Ancak; kovalent bağ yapısı bu malzemelerin bazı dezavantajlara sahip olmasına neden olur. TiB2, sahip olduğu mükemmel mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklere rağmen sinterlenebilirliği oldukça zordur ve düşük kırılma tokluğu değerine sahiptir.Yakın zamanda yapılan araştırmalarda TiB2'nin yüksek sinterleme sıcaklığına odak noktası olmuştur. Metalik ve seramik sinterleme katkıları ve ileri sinterleme teknikleri ile TiB2 seramiklerinin üretimi araştırılmaktadır. Metalik ve seramik sinterleme katkılarının TiB2 seramiklerinin mekanik özelliklerini ve densifikasyonunu olumlu yönde etkileyebileceği yapılan çalışmalarda tespit edilmiştir.Bu çalışmada, TiB2 seramiklerinin sinterlenebilirliğini arttırmak ve buna bağlı olarak da densifikasyonunu ve mekanik özelliklerini arttırmak amaçlanmıştır. Katkısız ve ağırlıkça %3, %5 ve %7 Ti katkılı TiB2 seramikleri spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile değişken parametrelerde sinterlenmiştir.Monolitik TiB2 seramikleri öğütme yapılmaksızın ve 24 saat öğütme yapılarak hazırlanan tozlardan hareketle SPS yöntemi ile üretilmiştir. Öğütme yapılmaksızın hazırlanan tozlardan üretilen monolitik TiB2 seramiklerinin nispi yoğunluğu %90'ın altında kalmıştır. Bu numunelerin mekanik ölçümleri bu sebeple yapılamamıştır. 24 saat öğütülerek hazırlanan tozlardan üretilen monolitik TiB2 seramikleri 1800°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 5 dk sinterlenmiştir. Nispi yoğunluk değeri %97,02 olarak hesaplanmıştır. Bu numunenin Vickers sertliği 31,32 GPa'dır ve kırılma tokluğu değeri 5,4 MPa.m1/2'dir.Ağırlıkça %3 Ti katkılı TiB2 seramikleri 1 saat ve 24 saat öğütme yapılarak hazırlanan tozlardan hareketle farklı SPS koşullarında üretilmiştir. 1 saat öğütme yapılarak hazırlanan tozların üretimi 100°C/dk ısıtma hızı kullanılarak 5 dk sinterlenerek gerçekleştirilmiştir. Ilk deney 1550°C'de 40 MPa basınç altında gerçekleştirilmiştir.Nispi yoğunluk değeri %84,67 olarak hesaplanmıştır. Bu sebeple sonraki deneylerde hem sıcaklık hem basınç arttırılmıştır. 60 MPa basınç altında 1700°C ve 1800°C'de gerçekleştirilen deneylerde nispi yoğunluk değerleri %89,52 ve %90,53 olarak hesaplanmıştır. Bu numunelerin yoğunlaşması gerçekleşmediği için sertlik ve kırılma tokluğu değerleri belirlenememiştir.Monolitik; ağ.%3; 5 ve 7 Ti katkılı TiB2 seramikleri 24 saat öğütülerek hazırlanan tozlardan hareketle 1800°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 5 dk süreyle SPS ile üretilmiştir. Katkısız, %3 Ti katkılı, %5 Ti katkılı ve %7 katkılı TiB2 seramiklerinin nispi yoğunluk değerleri sırasıyla %97,02; %98,03; %98,54 ve %99,47 olarak hesaplanmıştır. Titanyum katkısı sıvı faz oluşturarak sinterleme sırasında difüzyonu arttırmıştır ve yoğunlaşmaya önemli oranda katkı sağlamıştır.Sinterleme süresinin ve sinterleme sıcaklığının etkisini incelemek amacıyla ağ.%3 Ti katkılı numunelerin SPS ile üretimi gerçekleştirilmiştir. 1800°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 7 dk süre ile sinterlenen numunenin nispi yoğunluğu %98,69 olarak ölçülmüştür. 1850°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 5 dk sinterlenen numunenin yoğunluğu %99,10 olarak belirlenmiştir. Sinterleme sıcaklığındaki artışının sinterleme süresine göre yoğunlaşmaya daha çok katkı sağladığı belirlenmiştir.Vickers sertliği ve kırılma tokluğu ölçümleri yoğunluk değeri %95 üzerinde olan numuneler için yapılmıştır. 1800°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 5 dk sinterleme süresi ile elde edilen monolitik, ağ. %3; 5 ve 7 Ti katkılı TiB2 seramiklerinin Vickers sertlik ölçümleri sırasıyla 31,32 GPa; 28,91 GPa; 27,62 GPa ve 24,14 GPa'dır. Titanyum metalik bir katkı olduğu için düşük sertlik değerine sahiptir. Bu yüzden katkı oranının artışı ile birlikte sertlik değerinde düşüş gözlenmiştir. Aynı numunelerin kırılma tokluğu değerli ise sırasıyla 5,40 MPa.m1/2; 6,38 MPa.m1/2; 5,99 MPa.m1/2; ve 5,91 MPa.m1/2'dır. Titanyum ilaveli seramiklerin monolitik seramiklere göre daha yüksek kırılma tokluğuna sahip olduğu belirlenmiştir. Titanyum metalik malzeme olduğu için kırılma tokluğunu arttırması beklenen bir sonuçtur. Ancak titanyum oranının artışı ile birlikte kırılma tokluğunda azalma görülmüştür.1800°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 7 dk süre ile sinterlenen numunenin Vickers sertlik değeri 28,94'tür. Kırılma tokluğu değeri 6,46 MPa.m1/2'dir. 1850°C'de 60 MPa basınç altında 100°C/dk ısıtma hızı ile 5 dk süre ile sinterlenen numunenin Vickers sertlik değeri 29,52'dir. Kırılma tokluğu değeri 6,7 MPa.m1/2'dir. Sıcaklık artışı yoğunlaşmaya daha çok katkı sağladığı için daha yüksek sertlik değerine de ulaşılmıştır.Üretilen numunelerin XRD analizleri gerçekleştirilmiş ve ikincil fazların oluşumu incelenmiştir.En yüksek densifikasyona sahip olan monolitik, ağırlıkça %3, %5 ve %7 Ti katkılı TiB2 seramiklerinin parlak yüzey ve kırık yüzey SEM görüntüleri incelenerek mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. Ceramics having melting point of over 3000°C are classified as ultra-high temperature ceramics (UHTCs). In recent years, various metal transition borides that possess melting temperature of beyond 3000°C have become an attractive in range of technological applications involving extreme environment aerospace applications that atmospheric reentry vehicles, hypersonic vehicles and rocket propulsion.Recently, TiB2 –based materials belong the promising ultra-high temperature ceramics (UHTCs), due to the fact that these materials have the superior harmony of their mechanical, thermophysical and chemical properties. Thanks to low density and low thermal expansion coefficient of TiB2, it provides significant advantages in applications requiring light weight and high mechanical properties.The covalent bond structure of TiB2 contributes to the durability of this material in extreme harsh conditions. Nonetheless; the covalent bonding structure causes some disadvantages. Although TiB2 has excellent mechanical, physical and chemical properties, it is difficult to densify owing to its low self-diffusion coefficient and posseses low fracture toughness.In recent researches has focused on the high sintering temperature of TiB2. Sintering additives and advanced sintering techniques are investigated the production of TiB2 ceramics. It has been determined in studies that metallic and ceramic sintering additives can affect the mechanical properties and densification of TiB2 ceramics positively.In this study, it is aimed to enhance the densification of TiB2 ceramics and increase fracture toughness. TiB2 ceramics synthesized by spark plasma sintering with different amount of Ti addition (3%, 5% and 7%) and monolithic.Monolithic TiB2 ceramics were produced by using SPS method from grinding powders prepared without grinding and grinding for 24 hours. The relative density of monolithic TiB2 ceramics produced from the powders prepared without grinding remained below 90%. Therefore; hardness and fracture toughness measurements couldn't be done. Monolithic TiB2 ceramics produced from powders prepared by grinding for 24 hours were sintered at 1800°C under a pressure of 60 MPa with a heating rate of 100°C/min for 5 minutes via SPS method. The relative density of that sample is 97,02%. The Vickers hardness and fracture toughness of that sample are 31,32 GPa and 5,4 MPa.m1/2.TiB2 ceramics with 3 wt.% Ti added are produced under different SPS conditions from the powders prepared by grinding for 1 hour and 24 hours. The production of powders prepared by grinding for 1 hour was carried out by sintering for 5 minutes using a heating rate of 100°C/min. The first experiment was carried out under a pressure of 40 MPa at 1550°C. The relative density value was calculated as 84.67%. For this reason, both temperature and pressure were increased in subsequent experiments. In the experiments carried out at 1700°C and 1800°C under 60 MPa pressure, the relative density values were calculated as 89.52% and 90.53%. Hardness and fracture toughness values could not be determined because the condensation of these samples did not occur completely.Monolithic; wt. 3%; 5 and 7 Ti doped TiB2 ceramics were produced with SPS for 5 minutes at a temperature of 100°C/min under a pressure of 60 MPa at 1800°C starting from powders prepared by grinding for 24 hours. The relative density values of TiB2 ceramics with no additives, 3; 5 and 7% added were 97.02%; 98.03%; 98.54% and 99.47%. The titanium additive formed the liquid phase during SPS process. This contributed to diffusion during sintering. The relative density was increased by titanium addition.In order to investigate the effect of sintering time and sintering temperature, 3 wt.% Ti added samples were produced by SPS. The relative density of the sintered sample was measured as 98.69% for 7 min with a heating rate of 100°C/min under a pressure of 60 MPa at 1800°C. The density of the sample sintered at 1850°C under a pressure of 60 MPa at a heating rate of 100°C/min for 5 minutes was 99.10%. It was determined that the increase in sintering temperature contributed more to the condensation than the sintering time.Vickers hardness and fracture toughness measurements were made for samples with density values above 95%. Vickers hardnesses of monolithic; 3; 5 and 7 wt.% TiB2 ceramics that produced at 1800°C under 60 MPa pressure with a heating rate of 100/min and for 5 minutes are 31.32 GPa, 28.91 GPa, 27.62 GPa ve 24.14 GPa. Since, titanium is a metallic additive it has a low hardness value. Therefore, a decrease in hardness value was observed with increasing additive rate. fracture toughness values of the same samples are 5.40 MPa.m1/2, 6.38 MPa.m1/2, 5.99 MPa.m1/2, ve 5.91 MPa.m1/2. Titanium added ceramics have higher fracture toughness than monolithic ceramics. Since titanium is a metallic material, it is expected to increase fracture toughness. However; with increasing titanium content, fracture toughness decreased.The Vickers hardness value of the sample sintered at 1800°C under a pressure of 60 MPa for 7 minutes with a heating rate of 100°C/min is 28.94. The fracture toughness value is 6.46 MPa.m1/2. Vickers hardness value of the sample sintered at 1850°C under 60 MPa pressure and 100°C/min heating rate for 5 minutes is 29.52. The fracture toughness value is 6.7 MPa.m1/2 .Since the increase in temperature contributes more to the condensation, higher hardness value and fracture toughness are also reached.XRD analyzes of the produced samples were performed and the formation of secondary phases was investigated. XRD analysis of TiB2 ceramic with 7 wt.% that produced at 1800°C under the 60 MPa pressure shows that Ti1,87B50 phase is formedThe microstructure of the highest densification of the monolithic, 3 wt.%, 5 wt.% and 7 wt.% Ti addition of TiB2 ceramics analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The concordance of the SEM images with the results that densification, hardness and fracture toughness was analysed.In this study, TiB2 ceramics with various amounts of Ti (3, 5, 7 wt.%) as a sintering aid were produced with spark plasma sintering (SPS) method in the temperature range between 1550°C-1850°C. The effect of titanium addition on densification, microstructure and mechanical properties of as-sintered samples were be examined. 96

Elmas ve kübik bor nitrürden sonra bilinen en yüksek sertlik değerine sahip bor karbür (B4C) sentetik seramikleri, ultra-sertlik özelliğinin yanı sıra yüksek ergime sıcaklığı, düşük yoğunluk, yüksek aşınma direnci, dikkat çekici kimyasal kararlılık ve yüksek nötron absorblama kapasitesi özellikleri ile öne çıkan önemli bir malzemedir. Nükleer uygulamalar yanında uzun yıllardır, özellikle hafif malzeme olma avantajından dolayı balistik uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat B4C seramikleri, yüksek kovalent bağ karakteri, çok yüksek ergime sıcaklığı ve düşük self difüzivite özelliklerinden dolayı sinterlenebilmesi çok zor bir malzemedir. Yüksek rölatif yoğunluklara sinterlenmesi hedeflenen bir B4C seramiği, sinterleme esnasında yüksek sıcalık ve basınç değerlerine ihtiyaç duyar. Ayrıca, başarılı bir sinterleme sürecinin ardından bile B4C seramiklerinin kırılma tokluğu çok düşük seviyelerde kalmaktadır. Bu doktora çalışmasının nihai hedefi balistik kullanıma uygun boyutlarda, hekzagonal geometriye sahip B4C zırh plakalar üretmektir. Hekzagonal geometriye sahip zırh malzemeleri, mozaik gibi döşendiği takdirde çoklu atışlarda daha yüksek dayanım sağlamaktadır. Bunun için, özellikle kovalent bağlı seramiklerin yüksek yoğunluğa sinterlenmesinde başarısını kanıtlamış spark plazma sistemi kullanılmış olup, son ürüne uygun boyutlarda B4C zırh malzemeleri üretilebilmiştir. Literatürde genellikle bu sinterleme sistemi çok küçük boyutlu numuneler için kullanılmakta olup, bu çalışmada son ürün boyutlarının elde edilmesi bir ilktir. Spark plazma sinterleme sistemi ile üretilen seramik ve seramik kompozitler, daha sonra çeşitli karakterizasyon işlemlerine tabi tutularak balistik kullanıma uygunlukları belirlenmiştir.B4C seramikleri, özellikle düşük yoğunluklarından dolayı hafif beden zırhları olarak veya araç koruma zırhları olarak kullanıma uygundur. Fakat balistik performansı yüksek bir malzeme üretmenin ön koşulu, yüksek sertlik yanında yüksek kırılma tokluğudur. Yüksek sertlik, B4C'ün doğasında olup, B4C'de iyi sinterlenebilirlik sağlandığı takdirde elde edilebilmesi kolay bir özelliktir. Fakat kırılma tokluğu için aynı durum söz konusu değildir. Literatürde B4C'ün kırılma tokluğu, yapıya katılan çeşitli ilavelerle artırılmaya çalışılmıştır. Bunlardan en yaygın ve en etkili olduğu düşünülen katkı malzemeleri, bu tez çalışması kapsamında, hem bor karbürün kırılma tokluğunu hem de balistik performansını artırmak için yapıya katılmıştır. Bu katkılar karbon karası, karbon nanotüp (CNT), alüminyum (Al), silisyum (Si), titanyum (Ti) ve titanyum oksit (TiO2) olarak seçilmiştir. Bu katkıların seçilmesinde göz önüne alınan bir diğer faktör, katkıların düşük yoğunluklu olması ve son ürünün ağırlığını belirgin şekilde artırmamasıdır. B4C'ün 2,52 g/cm3 olan düşük yoğunluğu yapıya katılan katkılar ile korunmaya çalışılmıştır. C ve CNT 2.20 g/cm3; Al 2.70 g/cm3; Si 2.33 g/cm3; Ti 4.50 g/cm3; TiO2 4.23 g/cm3 yoğunluğa sahiptir. Üretilmesi hedeflenen seramik ve seramik kompozitler uygun kompozisyonlarda, etanol ortamında 24 saat süre ile bilyalı değirmen kullanılarak karıştırılmıştır. Etüvde etanolü uzaklaştırılan karışımlar elekten geçirilerek granüle edilmiştir. Herhangi bir ön-işlem veya bağlayıcı, yağlayıcı kullanımı gerekmeksizin B4C seramiklerinin ve seramik kompozitlerinin üretimi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Spark Plazma Sinterleme laboratuvarında SPS 7.40 MKVII, SPS Syntex Inc. cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında iki farklı boyut ve geometride ürün eldesi gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada gerçekleştirilen deneyler, toz karakteristiğini anlamak ve hekzagonal geometri için bir ön çalışma olması amacı ile her zaman kullanılan dairesel kesitli kalıplar kullanılarak yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda 50 mm çapında 5 mm kalınlığında silindir geometride B4C seramik ve seramik kompoztileri üretilmiştir. İkinci aşamada ise 62 mm köşegen, 31,5 mm kenar uzunluğuna sahip 10 mm kalınlığında hekzagonal seramik ve seramik kompozit malzemeler üretilmiştir. Bu boyutlarda bir numunenin, söz konusu geometride spark plazma sinterleme sistemi kullanılarak ilk defa üretimi gerçekleştirilmiştir. Spark plazma sinterlenmiş numunelerin yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu, mikroyapı ve balistik özellikleri karakterize edilmiş olup, yapısında bulundurduğu fazlar XRD yöntemi ile belirlenmiştir. Spark plazma sinterleme sisteminde kullanılan grafit kalıplardan çıkarılan B4C numunelerinin yüzeyleri, kumlama işlemi ile grafitinden arındırılmış ve fiziksel ve mekanik karakterizasyon işlemlerine tabi tutulabilmek için uygun boyutlara elmas disk yardımıyla kesilmiştir. Yoğunluk, sertlik ve kırılma tokluğu özellikleri için numunelerin her bir köşe ve merkez bölgeleri incelenmiş olup, her malzeme için köşe özelliklerinin ortalamaları hesaplanmış ve birbirleri ile kıyaslanmıştır. Numunelerin yoğunluğu Archimed prensibi kullanılarak ölçülmüştür. Numuneler, çeşitli elmas çözeltiler kullanılarak dikkatlice zımparalanmış ve parlatılmış sertlik ve kırılma toklukları Vickers indentasyon tekniği ile ölçülmüştür. Tüm numunelerde faz dönüşümü, X-ışınları difraktometresi ile takip edilmiştir. Mikro yapı çalışmalarında alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu kullanılmıştır.Elde edilen numunelerin balistik testleri ROKETSAN A.Ş.'nin Balistik Koruma Merkezi Test Laboratuvarlarında NIJ Standart 0101.06 Seviye IV standartlarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Testlerde 7,62 mm çaplı zırh delici mermiler kullanılmıştır. Bu standarda göre merminin numuneye temas ettiği sırada 868 ± 15 m/s hıza sahip olması gerekliliği test süresince dikkate alınmış, kovanlar bu hızı sağlayacak miktarda barut kullanılarak hazırlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan katkıların B4C seramiğine olan etkilerinin daha iyi incelenebilmesi için altlık malzemesi olarak RHA çeliği ya da normal çelik levhalara kıyasla daha sünek bir malzeme olan 5083 alüminyum alaşımı seçilmiştir. Sert altlık malzemelerinin kullanımı daha küçük derinliklerde penetrasyon izlerinin oluşumuna neden olacağı için, katkı malzemesinin etkisinin net olarak anlaşılamayacağı, farkların küçük olacağı ve sonuçların net olmayacağı düşünülerek daha sünek bir altlık malzemesi kullanılmıştır. Silindirik numune üretimi hedeflenerek yapılan çalışmalarda, monolitik bor karbür malzemesi ve C-karası ve CNT ilaveli bor karbür numuneleri 1650 ve 1725 °C gibi, sıcak pres veya basınçsız preslemeye oranla düşük fakat spark plazma sinterleme sistemi için yüksek olan sıcaklıklarda sinterlenmiştir. Deneylerin sonucunda hacimce % 2 CNT içeren numunede % 98,80 yoğunluk elde edilmiştir. Bu numunelerin sertlik değeri 36,30 GPa iken kırılma tokluğu değeri 4,50 MPa·m½ mertebesine ulaşmıştır. Mikroyapıları da incelenen numunelerin, C-karası ve CNT eklentisi ile densifikasyonlarının belirgin derecede arttığı belirlenmiştir. Hegzagonal monolitik bor karbür seramikleri ise 100 °C/dk ısıtma hızı ile ısıtılarak 1550 °C'de 4 dakika süre ile 40 MPa basınç altında vakum atmosferinde spark plazma sistemi ile sinterlenmiş olup, merkez bölgede % 95,34 yoğunluğa ulaşmıştır. Sertlik değeri merkezde 28,71 GPa olarak ölçülen monolitik bor karbür seramiğinin kırılma tokluğu değeri 3,23 MPa·m½ olarak hesaplanmıştır. Mikroyapıları kıyaslanan bor karbür seramiklerinin, köşe bölgelerde merkez bölgeye kıyasla daha yüksek oranda poroziteli bir yapı oluşturduğu görülmüştür. Balistik teste tabi tutulan B4C seramiğinin Al yüzeyinde bıraktığı iz derinliği 3,87 mm olarak ölçülmüş olup, balistik etki faktörü 4,88 olarak bulunmuştur.Yapıya eklenen hacimce % 2 C-karası veya CNT sonrası bor karbür malzemesi yine yukarıda belirtilen şartlarda spark plazma sinterleme sistemi ile üretilmiştir. Deneyler sonucu C- karası ilaveli bor karbürün rölatif yoğunluk değerleri merkezde % 96,75 iken ortalama kenar yoğunluğu % 95.89 olarak saptanmıştır. CNT ilavesi ise C- karasına göre daha etkin bir sinterlemeye neden olarak, merkez bölgede % 97.26, kenarda ise ortalama % 96.17 yoğunluk elde edilmesini sağlamıştır. Sertlikler kıyaslandığında ise, B4C seramiklerine C-karası ilavesinin yine merkez bölgede 32,81 GPa, CNT ilavesinin ise 33,66 GPa sertlik özelliği göstermesine neden olduğu belirlenmiştir. Kırılma toklukları da yine sırası ile 3,69 ve 4,46 MPa·m½ değerine yükselmiştir. Balistik testler sonucunda ise C- karası, aynı oranda CNT ilavesine kıyasla daha efektif bir balistik koruma sağlamıştır. C-karası eklentili numunede 6,86 mm iz derinliği elde edilirken, CNT ilaveli bor karbürde iz derinliği 9.50 mm olarak ölçülmüştür. Her iki katkı da monolitik bor karbüre kıyasla daha düşük balistik dirençli malzeme oluşmasına neden olmuştur.Alüminyumun hacimce % 5 oranında B4C yapısına ilavesi ile spark plazma sinterleme sıcaklığı 1450 °C'ye düşürülmüş olup, diğer proses parametreleri aynı bırakılmıştır. Deneyler sonucunda, düşük ergime sıcaklığı sebebi ile B4C yapısında sıvı faz sinterlemesine neden olan Al, merkez bölgede yoğunluğun % 98,16'ya yükselmesine neden olmuştur. Yine merkez bölgede 31,96 GPa sertlik elde edilmiş olup, kırılma tokluğu değeri 5,87 MPa·m½ değerine yükselmiştir. Yapılan balistik test sonucunda, monolitik bor karbüre kıyasla, Al ilaveli B4C zırh kompoziti iz derinliğinin 3,10 mm'ye düşmesine neden olmuş, balistik etki faktörü ise Al katkısı ile artan ortalama malzeme yoğunluğuna rağmen 4,93 değerine yükselmiştir.% 5 Si ilavesi ile gerçekleştirilen çalışmalarda, B4C'ye kıyasla daha düşük ergime noktasına sahip olan Si, spark plazma sinterleme sıcaklığının 1500 °C'ye düşmesine neden olmuştur. Bu sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda sinterleme yapıldığı durumda ise numunelerin kalıba ciddi şekilde yapışarak, tek parça çıkarılamaması söz konusu olmuştur. Spark plazma sinterleme deneyleri sonucunda elde edilen Si ilaveli bor karbür numunelerin yoğunlukları düşük kalmış, sinterleme sıcaklığı artırılamadığı için bir diğer sinterleme artırıcı mekanizma olan basınç artırımı gerçekleştirilmiştir. 60 MPa'a yükseltilen basınçla yapılan deneyler sonucu merkez bölgede % 97,54 yoğunluk elde edilmiştir. Numunenin aynı bölgesindeki sertlik değeri 32,32 GPa iken kırılma tokluğu 5,41 MPa·m½ değerindedir. XRD ve EDS çalışmaları uygulanan numunede, yapıdaki tüm Si'un B4C ve proses esnasında kullanılan grafit kalıplardan C alarak, SiC' e dönüştüğü görülmüştür. Balistik test sonucu 8,52 mm iz derinliği elde edilen hacimce % 5 Si içeren numunede, balistik etki faktörü 4,43 olarak hesaplanmıştır. Ti ilaveli B4C çalışamlarında iki farklı toz boyutuna sahip Ti tozları kullanılmıştır. İlk grup deneylerde 26,46 µm ortalama tane boyutlu kaba taneli Ti tozu kullanılırken, ikinci grup deneylerde 5,12 µm ortalama tane boyutlu Ti tozları kullanılmıştır. Kaba taneli Ti tozu ile yapılan deneyler, karışımda hacimce % 5, 10, 15 ve 20 Ti içerecek şekilde hazırlanmış, ince taneli tozlarda ise sadece hacimce % 5 ve 10 Ti ilavesi gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda Ti ilavesinin B4C yapısında yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu ve balistik performans açısından çok efektif bir katkı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Hacimce % 20 kaba taneli Ti ilavesi içeren bor karbürün hem merkez hem de köşe bölgelerinden birinde teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. Ayrıca, % 5 ince taneli Ti ilaveli bor karbürün 1550 °C'de 6 dakika süre ile 40 MPa basınç altında spark plazma sinterlenmesi sonucu da yine hem bir köşe hem de merkez bölgede teorik yoğunluk elde edilmiştir. Yapıya katılan Ti'nin ilave miktarından bağımsız olarak, her durumda TiB2'e dönüştüğü görülmüştür. Mikroyapılar incelendiğinde, bor karbür matrisi içerisinde düzensiz olarak dağılmış merkezinde C içeren TiB2 aglomereleri elde edilmiştir. Balistik test sonucunda, hacimce % 5, 10, 15 veya 20 Ti içeren tüm bor karbür numunelerinin balistik performansının belirgin bir şekilde arttığı görülmüş ve 0,80 gibi çok düşük iz derinlik değerleri elde edilmiştir. Hacimce % 5 kaba taneli Ti içeren bor karbür numunesinin balistik etki faktörü 5,00 olarak hesaplanmıştır. Ti katkısının B4C matriste TiB2'e dönüşerek hem mekanik özelliklerin iyileşmesine hem de efektif balistik artışa sebep olmaları nedeni ile B4C içerisinde TiB2 oluşumuna sebep olacak TiO2 katkısının özelliklere etkisi de ayrıca incelenmiştir. Hacimce % 5 ve 10 oranında yapılan TiO2 ilavesi sonucu yapıda bulunan tüm TiO2'nin B4C ile reaksiyona girerek TiB2 ve CO2 oluşumuna neden olduğu görülmüştür. Bu mikroyapılar incelendiğinde Ti ilavesinde elde edildiği gibi aglomereler yerine, homojen disperse olmuş küçük TiB2 taneleri elde edilmiştir. Fakat Ti ile kıyaslandığında TiO2 ilavesi sinterlemeye daha az katkı sağlamış olup, son ürünün merkez yoğunluğu en yüksek % 98,25 değeri ile 1550°C'de 6 dakika süre ile 40 MPa basınç altında üretilen ve hacimce % 5 TiO2 içeren bor karbür numunesinde görülmüştür. Aynı numunenin merkez sertlik değeri 30,98 GPa ölçülürken, kırılma tokluğu değeri ise 6.07 MPa·m½ olarak hesaplanmıştır. Boron carbide (B4C) synthetic ceramics with the highest known hardness after diamond and cubic boron nitride are characterized by their ultra-hardness properties, high melting point, low density, high wear resistance, remarkable chemical stability and high neutron absorbing capacity. Besides nuclear applications, it has been widely used in ballistic applications for many years, especially due to the advantage of being lightweight material. However, because of its high covalent bond character, very high melting temperature and low self-diffusing properties, sinterability of B4C is very difficult. B4C ceramics intended to be sintered to high relative densities requires high temperature and pressure values during sintering. Moreover, even after a successful sintering process, fracture toughness of B4C ceramics remains at very low levels.The ultimate goal of this doctoral work is to produce B4C armor prototypes with hexagonal geometry, with appropriate dimensions. Armor materials with hexagonal geometry have a higher ballistic strength in multiple shots if laid like mosaics. To this end, the spark plasma sintering system, which has proven its success in the sintering of highly covalent bonded ceramics to high densities, has been used. B4C armor materials have been produced in sizes suitable for the final product. In the literature, this sintering system is generally used for very small size specimens, and in this work this can be regarded as an advantage to obtain final product dimensions. The ceramics and ceramic composites produced by spark plasma sintering system were subjected to various characterization processes to determine ballistic usability.B4C ceramics are particularly suitable for use as lightweight body armor or vehicle protection armor due to their low density. However, high fracture toughness as well as a high hardness, is a must for high ballistic performance. High hardness is inherent in B4C and is an easy feature to achieve, if good sinterability is achieved. But the same is not the case for fracture toughness. In the literature, fracture toughness of B4C has been tried to be increased by various additions to the structure. In this thesis, the most common and most effective additive materials have been added to the boron carbide to increase its fracture toughness and ballistic performance. These additives were selected as carbon black, carbon nanotube (CNT), aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti) and titanium oxide (TiO2). Another factor in selecting these additives is that low density, in order to keep the weight of final product low.The ceramic and ceramic composites with desired compositions were mixed using ball milling for 24 hours in ethanol medium. In order to remove the ethanol, the mixtures were dried and sieved for granulation. B4C ceramics and ceramic composites, without any pretreatment or binder or lubricant use, are directly sintered at SPS 7.40 MKVII, SPS Syntex Inc. apparatus in Spark Plasma Sintering Laboratory, Istanbul Technical University, Metallurgical and Materials Engineering Department. In this thesis study, two product lines with different geometry and sizes have been realized. In the first stage, the experiments have been carried out using molds which are always used with the aim of being a preliminary study for understanding the character of the powder. As a result of these experiments, B4C ceramics and ceramic composites of 50 mm in diameter and 5 mm in thickness were produced. In the second stage, hexagonal ceramic and ceramic composite materials with a 62 mm diagonal and 31.5 mm a side length and 10 mm thickness were produced. A sample with these dimensions and geometry is first used by spark plasma sintering system. The density, hardness, fracture toughness, microstructure and ballistic properties of spark plasma sintered specimens were characterized and their phases were determined by XRD method. The graphite on the surfaces of the B4C specimens removed by sand blasting and cut to the appropriate dimensions with a diamond disk to be subjected to physical and mechanical characterization processes. For the density, hardness and fracture toughness characteristics, each edge and center areas of the samples were examined and the average of the edge properties for each material was calculated and compared with each other. The density of the samples was measured using the Archimedes principle. The samples were carefully polished using various diamond solutions and the hardness and fracture toughness were measured by the Vickers indentation technique. Phase transformation in all samples was followed by X-ray diffractometry. Field-emission SEM was used for microstructure studies.The ballistics tests of the samples were carried out in accordance with NIJ Standard 0101.06 Level IV in ROKETSAN Inc. Ballistic Protection Center Test Laboratories. Armor penetrating bullets with a diameter of 7,62 mm were used in the tests. According to this standard, the necessity of having a rate of 868 ± 15 m/s at the time of contact of the sample with the sample was taken into account during the test, and the hives were prepared using gunpowder to provide this rate. In order to investigate the effects of additives used in this project on B4C ceramics, instead of RHA steel or 5083 aluminum alloy, a more ductile material was chosen as the backing material. Since the use of hard materials will lead to the formation of smaller penetration marks and the effect of the additive material can not be clearly understood. Accordingly, a more ductile backing material has been used.Monolithic boron carbide materials and boron carbide samples with C-black and CNT were sintered at temperatures of 1650 and 1725 ° C, which were low compared to hot pressing or non-pressurized pressing but high for the spark plasma sintering system in studies on cylindrical sample production. As a result of the experiments, a density of 98.80 % was obtained in the center of the sample containing 2 vol. % CNT and the fracture toughness value reached to 4.50 MPa·m½ while the hardness value was 36.30 GPa. It has been determined that the microstructures of the examined specimens increased densification significantly with C-black and CNT addition.Hexagonal monolithic boron carbide ceramics were sintered by a spark plasma sintering at 1550 ° C for 4 minutes under 40 MPa pressure in vacuum and reached a density of 95.34 % in the centre of the sample. The hardness value of the monolithic boron carbide ceramic measured to be 28.71 GPa and the fracture toughness was calculated to be 3.23 MPa · m½. When the center and edge microstructures are compared, higher porosity is sees in edges. The depth of penetration (DOP) left on the Al surface after B4C ceramics subjected to the ballistic test was measured as 3.87 mm and the ballistic efficiency factor was found as 4.88.2 vol. % C-black or CNT added B4C were produced with the spark plasma sintering system under the same conditions as mentioned above. The relative density values of the C-added boron carbide were found out to be 96.75 % in the center and 95.89 % in the average edge. CNT addition resulted in a more efficient sintering, resulting in a density of 97.26 % in the central region and 96.17 % in the edge. The addition of C-black to B4C results in 32.81 GPa and CNT addition results in 33.66 GPa hardness. The fracture toughness increased to 3.69 and 4.46 MPa·m½, respectively. Ballistic tests showed that C- black provided a more effective ballistic protection. The depth of 6.86 mm was obtained in the C added sample, whereas the depth increased to 9.50 mm in CNT containing sample. With the addition of 5 vol. % Al to the B4C structure, the spark plasma sintering temperature was reduced to 1450 °C and the other process parameters remained the same. As a result of the experiments, Al, which caused the liquid phase sintering at the B4C structure due to the low melting temperature, caused the density in the central region to increase to 98.16%. The hardness of 31.96 GPa was obtained at the central zone and the fracture toughness value increased to 5.87 MPa·m½. After the ballistic test, Al-added B4C armor composites caused the trace depth to decrease to 3.10 mm. The ballistic effect factor increased to 4.93 despite the average material weight is increased with the Al addition.5 vol. % Si addition was performed on the structure and Si, which has a lower melting point than B4C, reduced the spark plasma sintering temperature to 1500 °C. When sintering is carried out at higher temperatures, a serious sticking problem occured. As a result of the spark plasma sintering experiments, the density of Si-added boron carbide samples was found to be low, so another sintering enhancing mechanism, pressure increment was realized. The experiments carried out with increasing pressure to 60 MPa resulted in a density of 97.54 % in the centre of the sample. The hardness value in the same zone of the sample is 32.32 GPa and the fracture toughness is 5.41 MPa·m½. XRD and EDS studies have shown that all the Si in the structure is converted to SiC by taking C from the B4C and the graphite molds used during the process. The Ti addition to the B4C material was made in two different powder sizes. The experiments with coarse Ti powder have been carried out with 5, 10,15 and 20 vol. % Ti and only 5 and 10 vol. %Ti in the fine powder. It is discovered that Ti addition is a very effective additive to B4C structure in terms of density, hardness and fracture toughness as well as ballistic performance. B4C containing 20 vol.% Ti-LP and 5 vol. % Ti-SP addition have reached the theoretical density at center and one of the edge. Regardless of the amount of Ti added to the structure, it has been found to be converted to TiB2 in all cases. When the microstructures were examined, TiB2 agglomerates were formed in the center of the boron carbide matrix, irregularly distributed in the center. The ballistic effect factor of the boron carbide sample containing 5 vol % Ti-LP is calculated to be 5.00. The effect of TiO2 addition on the boron carbide material was also investigated, and it was found that TiO2, which was added in 5 and 10 vol. % resulted in TiB2 and CO2 formation. However, when microstructures were examined, homogeneously dispersed small TiB2 grains, were obtained instead of agglomerates, as obtained in Ti addition. However, TiO2 addition, when compared to Ti, contributed less to sintering. The highest density as 98.25 % is attained in the sample with 5 vol. % TiO2. The center hardness value of the same specimen was measured as 30.98 GPa, while the fracture toughness value was calculated as 6.07 MPa·m½. 252

Seramik malzemeler, sahip oldukları yüksek sertlik, yüksek eğme mukavemeti ve düşük yoğunluk sayesinde havacılık/uzay, savunma, otomotiv ve aşındırıcı sektörleri başta olmak üzere pek çok uygulamada ön plana çıkmaktadırlar. İleri teknolojik bir seramik malzeme olan bor karbür (B4C), elmas ve kübik bor nitrürden (c-BN) sonra bilinen en sert üçüncü malzemedir. Diğer pek çok seramik malzemeden daha yüksek sertlik (≈29,1 GPa) ve düşük yoğunluk (2,52 g/cm3), yüksek elastik modül (≈448 GPa) değerlerine sahip olması, ve yüksek kimyasal ve ısıl dayanım özellikleri sayesinde; başta hafif zırhlar olmak üzere balistik uygulamalar, aşındırıcı uygulamalar, ve sahip olduğu çok yüksek nötron absorblama kesit alanı (≈600 barn) sayesinde radyasyon zırhlama/absorplama uygulamaları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak oldukça gevrek yapısı ile düşük kırılma tokluğu (≈2,7-3,7 MPa·m1/2) kullanımdaki en büyük dezavantajıdır.Pek çok seramik malzeme kovalent bağ yapısına sahip olduğu için söz konusu seramik malzemelerin ergime sıcaklıkları oldukça yüksektir, bu nedenle döküm gibi konvansiyonel yöntemler ile üretimleri oldukça kısıtlıdır. Seramik malzemeler genellikle toz hammaddelerin sinterlenmesi ile üretilmektedirler. Daha önce yapılmış çalışmalar incelendiğinde B4C'ün sinterlenmesi için genellikle katkılı (metalik, oksit, veya oksit olmayan malzemeler) veya katkısız (monolitik B4C) olmak üzere basınçsız sinterleme, sıcak pres (HP) ve spark plazma sinterleme (SPS) gibi sinterleme yöntemlerinin kullanıldığı görülmüştür. Bu çalışmada B4C numuneleri sinterlemek için nispeten yeni bir yöntem olan spark plazma sinterleme yöntemi kullanılmıştır. SPS yöntemi, diğer sinterleme yöntemlerine göre pek çok avantaja sahiptir. Bu avantajlar; çok yüksek sinterleme hızı, diğer yöntemlere göre daha düşük sinterleme sıcaklığı, tane büyümesinin engellenmesi ve buna bağlı olarak malzeme özellikleri üzerinde pozitif etkiler oluşması olmak üzere örneklendirilebilir. Çalışma kapsamındaki numunelerin üretilmesi için İstanbul Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü'nde bulunan 20.000 A kapasiteli SPS 7.40 MKVII, SPS Syntex Inc. cihazı kullanılmıştır.Deneysel çalışmalarda B4C, hacimce %5, 10, ve 15 metalik tungsten (W) katkısı ile, kare kesit alanında (50x50x5 mm) spark plazma sinterleme yöntemi ile ilk defa üretilmiştir. Üretilen B4C-W esaslı kompozitlerin, Archimed yöntemi ile yoğunlaşma davranışları, indentasyon yöntemi ile Vickers mikrosertlik ve kırılma tokluğu değerleri, ultrasonik yontem ile elastik ve kayma modülleri, 3-nokta eğme testi ile eğme mukavemeti değerleri, X-ışınları difraksiyonu yöntemi (XRD) ile sinterleme sonrası faz dönüşümü davranışları, taramalı elektron mikroskobisi (SEM) ile mikroyapıları, ve gama transmisyon tekniği ile gama radyasyonu zayıflatma özellikleri değerlendirilmiştir. Numune üretimi öncesi FactSage programı ile proses esnasında gerçekleşmesi olası reaksiyonlar ve buna bağlı olarak oluşan fazlar incelenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları Anadolu Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarında, radyasyon zayıflatma deneyleri İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsünde gerçekleştirilmiştir. Üretilen numuneler için ticari HS kalite B4C tozu (H.Starck 0.7 µm ortalama tane boyutu, %99.5 saflık) ve metalik tungsten tozu (Alfa Aesar, 60 µm ortalama tane boyutu, %99.8 saflık) kullanılmıştır. Metalik W hacimce %5, 10 ve 15 oranlarında kullanılmıştır. B4C-W numunelerin üretimi için SPS sisteminde 100°C/dak ısıtma hızı, 40 MPa basınç, 4 dakika sinterleme süresi ve değişen sinterleme sıcaklıkları (1500, 1550, ve 1600°C) kullanılmıştır.Kompozit malzemeler iki ya da daha fazla malzemenin istenilen özelliklerini tek malzemede elde eden malzemelerdir. Bu çalışmada, metalik tungstenin, B4C seramiklerine katkısı ile üretilen kompozitlerin, monolitik B4C'ün sahip olduğu düşük kırılma tokluğu performansını iyileştirmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın diğer amacı da, B4C'ün radyasyon zayıflatma özelliklerini iyileştirmektir. B4C nötron zırhlama özelliği çok yüksek olan bir malzemedir, ancak bu çalışma ile B4C'e metalik W katılarak gama radyasyonu zayıflatma özelliğinin de geliştirilmesi amaçlanmıştır.Deneysel çalışmalar sonucunda sinterleme sıcaklığı artışının porozite miktarını azalttığı dolayısıyla relatif yoğunluk değerini yükselttiği gözlenmiştir. Hacimce %5 metalik W içeren numunelerde, en düşük relatif yoğunluk değeri %90.73 ile 1500°C sıcaklıkta sinterlenen numunede görülürken en yüksek relatif yoğunluk %95.94 ile 1600°C sıcaklıkta sinterlenen numunede; hacimce %10 metalik W içeren numunelerde, en düşük relatif yoğunluk değeri %92.92 ile 1500°C sıcaklıkta sinterlenen numunede görülürken en yüksek relatif yoğunluk %97.10 ile 1600°C sıcaklıkta sinterlenen numunede; hacimce %15 metalik W içeren numunelerde, en düşük relatif yoğunluk değeri %96.77 ile 1500°C sıcaklıkta sinterlenen numunede görülürken 1550°C ve 1600°C sıcaklıkta sinterlenen numunelerde teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. B4C-W esaslı kompozitlerde, sinterleme sıcaklığı artışının, yoğunlaşma davranışı ile orantılı olarak sertlik değerlerini yükselttiği, hacimce W miktarı artışının ise B4C'e göre daha az sert bir faz olan W2B5 miktarının artışına sebep olması nedeni ile sertlik değerlerini düşürdüğü gözlenmiştir. Hacimce %5 metalik W içeren numunelerde en yüksek sertlik değeri 33.16 GPa, en düşük sertlik değeri 30.47 GPa, hacimce %10 metalik W içeren numunelerde en yüksek sertlik değeri 31.20 GPa, en düşük sertlik değeri 29.18 GPa, hacimce %15 metalik W içeren numunelerde en yüksek sertlik değeri 29.18 GPa, en düşük sertlik değeri 27.61 GPa olarak ölçülmüştür. Kırılma tokluğu değerleri sinterleme sıcaklığı artışı ile yükselmekte, ancak hacimce W miktarı artışı ile düşmektedir. Bu düşüşün sebebi B4C-W arasında spark plazma sinterleme esnasında gerçekleşen reaksiyonlar sonucu açığa çıkan grafit nedeni ile olduğu düşünülmektedir. En yüksek kırılma tokluğu değeri hacimce %5 metalik W içeren numunelerde 7.16 MPa·m1/2 iken en düşük kırılma tokluğu 5.36 MPa·m1/2, hacimce %10 metalik W içeren numunelerde en yüksek kırılma tokluğu değeri 6.78 MPa·m1/2 iken en düşük kırılma tokluğu 4.57 MPa·m1/2 hacimce %15 metalik W içeren numunelerde en yüksek kırılma tokluğu değeri 5.15 MPa·m1/2 iken en düşük kırılma tokluğu 5.00 MPa·m1/2 olarak ölçülmüştür. Ultrasonik yöntem ile elastik modül değerleri hacimce %5 metalik W içeren numunelerde ortalama 404.134 GPa, hacimce %10 metalik W içeren numunelerde ortalama 411.395 GPa, hacimce %15 metalik W içeren numunelerde ortalama 307.173 GPa olarak ölçülmüştür. Her bileşim için en yüksek yoğunluğa sahip numunelerin 3-nokta eğme testi ile eğme mukavemetleri ölçülmüştür. %5, 10, ve 15 metalik W içeren numuneler için eğme mukavemetleri sırasıyla 185.31 MPa, 167.18 MPa, ve 143.88 MPa ölçülmüştür.X-ışını difraksiyonu ve taramalı elektron mikroskobu incelemeleri ile elde edilen gözlemler birlikte ele alındığında, bünyeye katılan metalik W'in B4C ile spark plazma sinterleme sırasında reaksiyona girerek W2B5 ve grafit fazlarını oluşturduğu görülmüştür. Bu gözlemi, literatürde bulunan W-B-C üçlü denge ve W-B4C ikili denge diyagramları ile gerçekleştirilen FactSage çalışmaları desteklenmektedir. Spark plazma sinterleme sonrası bünyede oluşan grafit fazı, %5 metalik W içeren numunelerde çok düşük miktarlarda olduğu için X-ışınları difraksiyonu ile ve taramalı elektron mikroskobu geri yansıyan elektron (BSE) görüntülerinde tespit edilememiş, In Lens görüntüleri çekilerek bünye içinde bulunduğu görülmüştür.Gama transmisyon testleri sonucunda metalik W katkısının, B4C'ün gama zayıflatma özelliklerini oldukça geliştirdiği görülmüştür. Cs137 izotopuna karşı B4C'ün lineer zayıflatma katsayısı 0.156 iken B4C-%5 W bileşiminde 0.284, B4C-%10 W bileşiminde 0.386, B4C-%15 W bileşiminde 0.470 olarak hesaplanmıştır. Co60 izotopuna karşı ise B4C'ün lineer zayıflatma katsayısı 0.118, hacimce %5, 10, ve 15 metalik W içeren bileşimlerin ise sırasıyla; 0.218, 0.249, ve 0.274 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlara göre, sahip olduğu B10 izotopu sayesinde nötron zırhlama kabiliyeti çok yüksek olan B4C'den, metalik tungsten ilavesi ile hem nötron hem gama radyasyonu zırhlayabilen bir malzeme elde edilmiştir. Ceramic materials are extensively used in aeronautics/aerospace, military/defense, automotive and abrasive appliacations due to their unique properties, which are; high hardness, high bending strength and low density. Boron carbide (B4C), being a technical ceramic material, is the third hardest material known to us, after diamond and cubic boron nitride (c-BN). B4C has higher hardness values (≈29.1 GPa), higher elastic modulus (≈448 GPa) and lower density values (2.52 g/cm3) than most of the other ceramic materials as well as having great chemical and thermal resistance properties. Thanks to these attributes, B4C is axtensively used in balistic applications (mostly as light weight armor), abrasive applications (since its very cheaper than diamond), and radiation shielding applications due to its very high neutron absorption coefficient (≈600 barn). Unfortunately being a brittle material with very low fracture toughness (≈2.7-3.7 Mpa·m1/2) being its most disadvantageous property, limiting B4C's applications.Manufacturing ceramic materials is very hard with conventional manufacturing techniques such as casting, since most of the ceramic materials have very high melting temperatures due their covalently bonded structures. Ceramic materials are generally produced by the sintering of their raw materials. It could be seen in previously done researchs in literature that the sintering of boron carbide powders were managed by pressureless sintering, hot-pressing (HP), and spark plasma sintering (SPS) with additives (metallic, oxide, or non-oxide materials) or without additives. In this work, spark plasma sintering, a relatively new method is used for sintering B4C specimens. SPS method have many advantages over other sintering methods. These advantages may be expressed as; very fast sintering rate, lower sintering temperatures than the other sintering methods, prevention of grain coarsening, and positive affects to the properties of the material according to these. In this study, SPS 7.40 MKVII, SPS Syntex Inc. spark plasma sintering system with 20.000 A capacity located at Istanbul Technical University Department of Metallurgical and Materials Engineering is used for production of the samples.In experimental studies, B4C with 5, 10, and 15 volume % metallic tungsten (W) additive in square cross-section (50x50x5 mm) was produced by spark plasma sintering technique for the first time in literature. Characterizations of densification behaviour by the Archimedes method, Vickers microhardness and fracture toughness by the indentation method, elastic and shear stress by ultrasonic testing, bending strength by 3-point bending test, phase behaviour after sintering by X-ray diffraction method (XRD), microstructural properties by scanning electron microscopy (SEM), and gamma radiation shielding properties by gamma transmission technique were accomplished for said B4C-W based composites. Before producing samples, possible reactions that may occur during the process and phases were studied with FactSage thermochemical simulation program. Characterization studies were done at Anadolu University Department of Materials Science and Engineering Laboratories, and radiation studies were done at Istanbul Technical University Energy Institute. Commercial HS grade B4C powder (H.Starck 0.7 µm mean grain size, %99.5 purity) and metallic tungsten powder (Alfa Aesar, 60 µm mean grain size, %99.8 purity) were used for the production of said samples. Metallic W was added to the B4C matrix as 5, 10, and 15 volumetric %. 100°C/minute heating rate, 40 MPa uniaxial pressure, 4 minute sintering time and differing sintering temperatures starting from 1500°C were used as process parameters for the production of B4C-W based composite samples by spark plasma sintering technique.Composite materials are materials which have the desired properties of two or more materials without losing said properties of both or more materials. In this study, it was aimed to use metallic tungsten as an additive to B4C in order to produce B4C-metallic tungsten based composite materials with better fracture toughness performance than monolithic B4C without losing high hardess value of B4C. The other purpose of the study is improvement of radiation shielding properties of B4C. B4C is a material with great neutron shielding properties, and it is used extensively in nuclear applications. It was aimed to improve gamma radiation shielding properties of B4C by the addition of metallic tungsten to B4C with this study.It was seen that increasing sintering temperature deacreased the quantity of porosities within the matrix, thus increasing relative density values of samples. The lowest relative density was found to be 90.73% for the sample sintered at 1500°C sintering temperature, and the highest relative density found to be 95.94% for the sample sintered at 1600°C sintering temperature for 5 vol. % metallic W containing samples, whereas the lowest relative density was found to be 92.92 % for the sample sintered at 1500°C sintering temperature, and the highest relative density found to be 97.10% for the sample sintered at 1600°C sintering temperature for 10 vol. % metallic W containing samples. Last of all, the lowest relative density was found to be 96.77% for the sample sintered at 1500°C sintering temperature, and theoretical density were reached for the sample sintered at both 1550 and 1600°C sintering temperatures for 15 vol. % metallic W containing samples.It was observed that increasing sintering temperature increased hardness values due to better relative density values of the samples, but increasing metallic W content of the composition decreases said hardness values because of the increase in the quantity of W2B5 phase in the spark plasma sintered composite bodies. For the samples containing 5 vol. % metallic W, the highest hardness value found to be 33.16 GPa for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest hardness value found to be 30.47 GPa for the sample sintered at 1500°C sintering temperature, for the samples containing 10 vol. % metallic W, the highest hardness value found to be 31.20 GPa for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest hardness value found to be 29.18 GPa for the sample sintered at 1500°C sintering temperature, for the samples containing 15 vol. % metallic W, the highest hardness value found to be 29.18 GPa for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest hardness value found to be 27.61 GPa for the sample sintered at 1500°C sintering temperature. Fracture toughness properties behave the same way as the hardness, increasing sintering temperature increased fracture toughness due to better relative density values of the samples, and decrease with increased metallic W content. It is believed that graphite occurance due to the reactions between B4C-W suring spark plasma sintering causes the decrease in fracture toughness values. The highest fracture toughness value found to be 7.16 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest fracture toughness found to be 5.36 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1500°C sintering temperature with 5 vol. % metallic W. The highest fracture toughness value found to be 6.78 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest fracture toughness found to be 4.57 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1500°C sintering temperature with 10 vol. % metallic W. The highest fracture toughness value found to be 5.15 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1600°C sintering temperature, and the lowest fracture toughness found to be 5.00 MPa·m1/2 for the sample sintered at 1500°C sintering temperature with 15 vol. % metallic W. Fracture toughness values of all the B4C-metallic tungsten based composite samples are higher than monolithic B4C observed in the literature. It may be said that, adding metallic W to B4C matrix increases fracture toughness values greatly whilst decreasing hardness values. It was measured by ultrasonic testing that the samples with 5 vol. % metallic W have 404.134 GPa elastic modulus and 144.965 GPa shear modulus, the samples with 10 vol. % metallic W have 411.395 GPa elastic modulus and 142.848 GPa shear modulus, and the samples with 15 vol. % metallic W have 307.173 GPa elastic modulus and 109.191 GPa shear modulus. Bending strength values of the samples with the highest relative densities for each composition were measured with 3-point bending test. Bending strength of the sample with highest relative densities were found to be 185.31 MPa for 5 vol.% metallic W containing sample spark plasma sintered at 1600°C, 167.18 MPa for 10 vol.% metallic W containing sample spark plasma sintered at 1600°C, and 143.88 MPa for 15 vol.% metallic W containing sample spark plasma sintered at 1600°C.It was observed with X-ray diffraction and scanning electron microscopy investigations that metallic W reacts with B4C in spark plasma sintering process to produce W2B5 and graphite. This observation was supported by W-B-C ternary phase diagrams, W-B4C binary phase diagrams found in the literature and FactSage outputs. Since the graphite phase produced during spark plasma sintering process is very low quantitevely in the samples containing 5 vol.% metallic W, it could not be observed by X-ray diffraction and back scattering electron (BSE) images with scanning electron microscopy, In Lense imaging was employed.It was observed with gamma transmission tests that adding metallic tungsten to B4C greatly increases gama attenuation behaviour of B4C. Linear attenuation coefficint of B4C-%5 W composition was calculated as 0.284, B4C-%10 W composition was calculated as 0.386, and B4C-%15 W composition was calculated as 0.470, whereas monolithic B4C has 0.156 against Cs137 isotope. Linear attenuation coefficint of B4C-%5 W composition was calculated as 0.218, B4C-%10 W composition was calculated as 0.249, and B4C-%15 W composition was calculated as 0.274, whereas monolithic B4C has 0.118 against Cs137 isotope. It was concluded that adding metallic tungsten to B4C, which is a material with great neutron shielding behavior thanks to the B10 isotope, produces a material which has both neutron and gamma radiation shielding capacity, according to these results. 112

Bu çalışmada optik, medikal ve balistik amaçlı kullanımlara uygun saydam MgAl2O4 seramiklerinin MgO ve Al2O3 karışımlarından hareketle Spark Plazma Sinterleme yöntemiyle eldesinde sinterleme sıcaklığı, kalıp içi eleman olarak kullanılan molibden kaplı grafit folyonun ve SiC disklerin saydamlığa etkisi, ve B2O3 katkısının malzeme üzerindeki etkisi incelenmiştir.Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile yapılan deneylerde başlangıç spinel tozu eldesi için MgOve Al2O3 tozu kullanılmıştır. Birinci grup deneyler katkısız MgO + Al2O3 tozlarıyla 1200 – 1400 °C arasında iki basamaklı basınç profili (oda sıc – 1000 °C arasında 40MPa, 1000 °C – sinterleme sıc. arasında 80 MPa) uygulanarak 20 dk bekleme süresiyle gerçekleştirilmiştir. Mo kaplı grafit folyo ve SiC disk ile yapılan deneyler ise karbon kirlenmesinin malzeme üzerindeki etkisini belirleyebilmek için aynı spark plazma sinterleme parametreleri ile gerçekleştirilmiştir.Katkılı deneylerde B2O3, MgO + Al2O3 karışımına ağırlıkça % 0,15 oranında H3BO3 asidik formunda katılmıştır. Bu grup deneyler 1250 – 1400 °C arasında gerçekleştirilmiştir.Tüm deneyler karşılaştırıldığında en yüksek rölatif yoğunluk değeri 1350 °C'de sinterlenmiş katkılı numuneye ait olup % 99,7 olarak ölçülmüştür. Bu numune aynı zamanda 550nm dalga boyunda % 65 ışık geçirgenliği ile en yüksek ışık geçirgenliğine sahiptir. Yapılan deneylerde ışık geçirgenliğinin sıcaklığa bağlı olarak arttığı ancak 1300 °C'nin üzerinde tane boyutunun irileşmesi nedeniyle azalmaya başladığı belirlenmiştir.En yüksek sertlik değeri 1200 °C'de sinterlenen katkısız magnezyum alüminat spinel numunesinden 15,74 GPa olarak ölçülmüştür. Sıcaklık arttıkça tane büyümesiyle sertlik değerlerinde de azalma gözlenmiştir. In this study, magnesium aluminate spinel ceramics (MgAl2O3) that are suitable for optical, medical and ballistic uses were manufactured by spark plasma sintering. Besides the effect of sintering temperature, novel precautions against to carbon contamination were examined and sintering dopant was analyzed.Transparent spinel was demonstrated already in the late 1960's and by the end of the 1980's high transmission parts were obtained in small numbers. In present, research and development efforts continue. One of the main goals of this researchs is the developing of satisfactory spinel fabrication technologies. A satisfactory technology means one able to generate commercially aviable transparent spinel parts, ones which both exhibit good performance, the desired size and shape, and are available in sufficient amounts at a reasonable price [2-4]. Other research topic is the development of transparent spinel exhibiting an optimal balance between the transmittance and the mechanical properties. In fact, obtainment of fine grained that is a need for good mechanical properties transparent spinel was tried early. Specimens exhibiting an average grains size of just 1 μm have been obtained, using a special incremental hot pressing schedule, but the level of transparency attained was modest. In the following decades sintering at high temperatures was used by most research teams, in order to improve optical transmission. The large grains size (50–300 μm) thus generated had a harmful effect on mechanical properties; hardness values reported were limited to around 12 GPa. More recent research, in which new, better processing approaches were developed, succeeded in dramatically reducing the grain size while keeping transmittance close to the theoretical level; as a result hardness was raised toward the 15 GPa level. Further improvements of the balance between transparency and mechanical properties are one of the main goals of current efforts [3,4].In this study, spark plasma sintering method was choosed against hot press and hot isostatic press. Because spark plasma sintering has important advantages to other pressure sintering method. For instance, sintering period of SPS significantly short and leads to reach high tempreratures in short time. Besides, SPS provides homogeneous heating, because of direct current which is applied directly on the graphite mold. Magnesium aluminate spinel attracts a great deal of attention,because of its properties such as high melting point (2135 °C), high hardness (16 GPa), high mechanical strength both at room (135–216 MPa) as well as at elevated temperatures (120–205 MPa at 1300 °C), high resistance against chemical attack, wide band gap energy, high electrical resistivity, relatively low thermal expansion coefficient (9x10-6 °C-1 between 30 and 1400 °C), high thermal shock resistance, low dielectric constant (ε=7.5), low loss tangent (tan δ=4x10-4) and low density (3.58g cm-3) [34].Spinel is transparent to electromagnetic radiation from the ultraviolet through the mid-infrared (0.2 - 5.5 μm). Spinel has a distinct transmission advantage over sapphire and AlON from 4.5 to 5.5 μm, a region of particular importance for seeker and electro-optic imaging systems. The combination of unique optical and mechanical properties makes spinel one of the most outstanding optically transparent ceramics. Given its high strength and excellent transmittance properties up to the mid-IR wavelength, spinel is a very attractive material to manufacture high performance optical components, such as lenses, IR windows and domes. Very good UV-vis and medium wavelength IR transparency coupled with high hardness and high resistance to erosion makes spinel an excellent material for protective windows for aircraft, ship and submarine IR sensors, as well as missile domes. Spinel is also very promising for applications as windows or windshields for military vehicles such as large and bullet-proof windows, due to its mechanical and ballistic properties [2].MgAl2O3 spinel powder as starting raw material was synthesized from MgO and Al2O3 powders. Experiments were carried out between 1200 – 1400 °C and under two step pressure profile which are 40 MPa pre-load and 80 MPa final load with 20 min. holding time. Wheras first group of experiments were made without dope, second group experiments were carried out with molibdenium graphite foil, third group experiments were obtained with SiC discs and fourth group experiments made with B2O3 (wt. 0,15%) dope. Relative densities were measured and calculated by Archimedes method and results were between 95,2 – 99,7 %. It was observed that relative density increased with increasing temperature from 1200 °C to 1400 °C with same holding time and sintering pressure. The highest relative density was obtained from sintered magnesium aluminate spinel with B2O3 dope. This sample was sintered at 1350 °C under 40 MPa pre-load and 80 MPa final load with 20 min. holding time. Mechanical properties that are hardness and fracture toughness were investigated. Hardness was measured via Vickers hardness method and fracture was measured with Anstis calculation. Hardness values were between 12,44 – 15,74 MPa and fracture toughness were changed between 1,23 – 1,98 MPa·m1/2 . Magnesium aluminate spinel without dope that was sintered at 1200 °C under 40 MPa pre-load and 80 MPa final load with 20 min. holding time had the highest hardness value (15,74 MPa) and it is obsereved that hardness values was dicreased with increasing temperature. Additionally, the highest fracture toughness (1,98 MPa·m1/2) value achieved in the magnesium aluminate spinel sample without dope which was sintered at 1400 °C with the same sintering parameters. Microstructure of the samples were analyzed with scanning electron microscope from polished and thermallyy etched surface. The linear intercept method was used for average grain size measurement from scanning electron micrographs. It was showned that average grain size changed from 0,75 μm to 69 μm. This huge difference of grain sizes is explained by neck transformation during sintering. Grain growth causes improvment of optical properties but effect mechanical properties negatively. The most challenging subject is keeping grains small when improving tranparency to produce transparent ceramics.High performance means for transparent seramics is a combination of high in-line optical transmission (ILT) with good mechanicalproperties.Various features of the structure, at the atomic or nano/micro scales, determine the performance controlling properties. In-line transprency of the samples was measured by UV-spectrophotometre from mirror like polished surface. Best result was obtaine in the sample with 0,15% B2O3 dope. It was measured 70% at 680 nm wavelength and 65% at 550nm wavelength. Grain growth causes improvment of optical properties but effect mechanical properties negatively. The most challenging subject is keeping grains small when improving tranparency to produce transparent ceramics. 103

Bu çalışmada farklı hacim yüzdelerinde silisyum katkısı içeren tabakalı yapıdaki fonksiyonel dereceli kompozitler spark plazma sinterleme metoduyla 1300-1725°C sıcaklıkları arasında, vakum ortamında, 40 MPa basınç altında üretilmiştir. Saf bor karbür taban üzerine hacimce %5, %10, %15 oranlarında silisyum metal tozu katkılı bor karbür tabakası eklenerek, yüksek yoğunluk ve mekanik özelliklere sahip fonksiyonel dereceli kompozitlerin hangi sinterleme parametrelerinde elde edildiği gözlemlenmiştir. Elde edilen numunelerin yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu ölçümleri yapılıp, oluşan fazlar ve mikroyapılar X-ışınları analizi ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak incelenmiş, katkı maddesi ve sıcaklığın sinterleme davranışları üzerine etkisi araştırılmıştır. In this study, B4C/B4C-Si functional graded composites heve been produced by adding different volume amount of silicon powder to boron carbide powder on a pure B4C substrate by spark plasma sintering technique. It is preferred to sinter boron carbide with spark plasma system cause of advantages of this system such as sintering at lower temperatures, at lower pressure and accomplishment on materials which are hard to be densified due to their chemical properties. SPS process is basically a modification of hot pressing and the fundamental difference is that high electric current passes directly through the pressing mould and powder compact, whereas a powder compact in a diepunch assembly is heated by external heating source in hot. Typically, the die-punch assembly in hot pressing is heated by external heating with the heating coils being placed around the inner wall of the vacuum chamber. On the contrary, the sample and die in the SPS process are heated by Joule's heating with the current passing partly through die and rest through the powder compact, depending on temperature and thermophysical properties of the powder compact. As far as the characteristics of the starting powders are concerned, conducting powders are heated by Joule effect and by heat transfer from the die-punch, while the nonconductive powders are heated only through the heat transfer from the die-punch. The SPS process utilizes pulsed high DC along with uniaxial pressure to enhance consolidation of powders. During the process, the combination of a low-voltage, high intensity pulsed DC and uniaxial pressure are simultaneously applied, which in turn offers the possibilities of using rapid heating rates and very short holding times to obtain highly dense samples. 84

Yapılan çalışmada, bor karbür tozuna titanyum ilavesi yapılarak, spark plazma sinterleme yöntemiyle bor karbür-titanyum kompozitlerinin üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır.Deneysel çalışmalarda toz halindeki B4C yapısına farklı miktarlarda titanyum tozu ilave edilmiş, hazırlanan karışım 1500-1700°C arasında değişen sıcaklıklarda, Argon ve vakum atmosferlerinde, 40 ve 60 MPa basınçlar altında 100°C/dk ısıtma hızıyla spark plazma sinterleme yöntemiyle sinterlenmiştir. Elde edilen numunelerin yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu, sürtünme katsayısı ölçümleri yapılıp, oluşan fazlar ve mikroyapılar X-ışınları analizi ve taramalı electron mikroskobu kullanarak incelenmiştir. In this study, the samples containing with 5, 10 and 15 vol. % Ti were produced from the reaction between boron carbide and titanium with 100°C/min heating rates by spark plasma sintering method. The density, hardness, and fracture toughness of the samples were measured. The phases and microstructures of the composites were observed by using X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) analysis. 89

Bu çalışmada optik ve balistik amaçlı kullanımlara uygun AlON seramiklerinin Reaktif Spark Plazma Sinterleme (SPS) yöntemiyle eldesinde SPS sıcaklığı, bekleme süresi, ısıtma hızı ve çeşitli sinterleme dopantları gibi sinterleme parametrelerinin AlON fazı oluşumuna ve bu parametrelerin AlON seramiklerin transparanlığına etkisi incelenmiştir.% 35,7 ve 30 mol AlN, iki farklı Al2O3 (Inframat Advanced Materials ve TM-DAR) ve çeşitli katkılar (MgO, La2O3, Y2O3, MgO+ La2O3, MgO+ La2O3+ Y2O3) ile hazırlanan toz karışımından hareketle iki grupta reaktif SPS deneyleri yapılmıştır. İlk grup deneylerde % 35,7 mol AlN ve Inframat Advanced Materials Al2O3 kullanılarak farklı SPS sinterleme sıcaklıkları (1400-1650 °C), ısıtma hızları (15°C/dak-30°C/dak.), bekleme sürelerinde (15-30-45 °C) % 100 AlON fazına sahip AlON seramikleri elde edilmiştir. İkinci grup deneylerde ise % 30 mol AlN, TM-DAR Al2O3 ve MgO, La2O3, Y2O3, MgO+ La2O3, MgO+ La2O3+ Y2O3 katkılarının eklendiği toz karışımının reaktif SPS tekniği sinterlenmesi ile saydam AlON seramikleri elde edilmiştir.Birinci grup deneylerde, 1650 °C' de 50 °C/ dk ısıtma hızında, 40 MPa basınç altında, azot atmosferi altında 30 dk bekleme süresi ile SPS ile % 100 AlON fazınıın elde edilmiştir. Bu numune için ölçülen yoğunluk değeri 3,66 g/cm3 olup, sertiği 16,7 ± 0,7 GPa, kırılma tokluğu değeri ise 4,0 ± 0,3 MPa.m1/2 olarak bulunmuştur. İkinci grup deneylerde ise en yüksek ışık geçirgenliği değerine sahip numune, % 0,5 MgO katkısı ile 1650 °C' de 50 °C/ dk ısıtma hızında, 40 MPa basınç altında, azot atmosferi altında 30 dk bekleme süresi ile sinterlenen numunedir. Bu numune için ölçülen yoğunluk değeri 3,63 g/cm3 olup, sertiği 16,1 ± 0,3 GPa, kırılma tokluğu değeri ise 4,9 ± 0,4 MPa.m1/2 olarak bulunmuştur.Katkılı ve katkısız numuneler kıyaslandığında, katkılı numunelerden % 0,5 MgO içeren numunede, 600 nm dalgaboyunda % 33,9 doğrusal ışık geçirgenliği değeri elde edilmiştir. Reaktif SPS yöntemi ile saydam AlON seramiklerin eldesinde MgO katkısı, SPS sıcaklığının ve bekleme süresinin arttırılması, ısıtma hızının azaltılması ile doğrusal ışık geçirgenliği önemli ölçüde artmıştır. In this study, AlON ceramics that are suitable for optical and ballistic uses were manufactured by reactive SPS and the effects of sintering parameters such as SPS temperature, holding time, heating rate and various sintering dopants on formation of AlON phase and the effects of this sintering parameters on transparancy of AlON ceramics were analyzed.35.7 and 30 mol % AlN, two different Al2O3 (Inframat Advanced Materials and TM-DAR) and various additives (MgO, La2O3, Y2O3, MgO+ La2O3, MgO+ La2O3+ Y2O3) were used in reactive spark plasma sintering experiments. In the first group of experiments, AlON ceramics were produced with % 100 AlON phase from 35,7 mol % AlN and Inframat Advanced Materials Al2O3 powder mixtures with different SPS temperature (1400-1650 °C), heating rate (15 °C/min-30 °C/min) and holding time (15-30-45 min). In the second group of experiments, transparent AlON ceramics were obtained by reactive SPS with the powder mixture of 30 mol % AlN, TM-DAR Al2O3 and MgO, La2O3, Y2O3, MgO+ La2O3, MgO+ La2O3+ Y2O3 additives.In the first group of experiments, AlON ceramics with % 100 AlON phase were obtained at 1650 °C with a heating rate of 50 °C/min under 40 MPa pressure under nitrogen gas for 30 min holding time by reactive SPS. For this sample, measured density value was 3.66 g/cm3, hardness value was 16.7 ± 0.7 GPa and fracture toughness value was 4,0 ± 0,3 MPa.m1/2. In the second group of experiments, sample that has the highest inline transmission was sintered at 1650 °C with a heating rate of 50 °C/min under 40 MPa pressure under nitrogen gas for 30 min holding time with 0.5 % wt MgO. For this sample, the density value was measued as 3.63 g/cm3, hardness value was measured 16.1 ± 0.3 GPa, and fracture toughness value was calculated as 4.9 ± 0.4 MPa.m1/2.When samples with and without addives were compared, at 600 nm wavelength % 33.9 inline transmission value is obtained from the sample with 0.5 % wt MgO additive. In line transmittance is improved significantly with MgO additive, increasing SPS temperature and holding time, decreasing heating rate of reactive spark plasma sintering of AlON ceramics. 97

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2010, Bu çalışmanın amacı çeşitli oksit katkı malzemelerinin kullanılması ile yüksek yoğunlukta, yüksek mekanik özelliklere sahip bor karbür seramiklerinin üretilmesidir. İki farklı kalitedeki bor karbür tozu karakterize edilmiş ve spark plazma yöntemiyle sinterlenmiştir. Başlangıç tozlarına ağırlıkça %5 Y2O3, %5 Al2O3, %5 SiO2 ve %5 Y2O3+%5 Al2O3 eklenilerek bilyalı olarak karıştırılmıştır. Sinterleme aşamasında, tozlar spark plasma sinterleme metodu ile yuvarlık şekilli grafit kalıplarda 50 MPa basınç altında 5 dakika süre ile 1700-1800oC aralığında sinterlenmiştir. Karakterizasyon işlemlerinde ise sinterlenmiş numunelerin mikroyapıları ve bileşimleri SEM ve XRD analizleriyle elde edilmiştir. Sertlik değerleri 1 kg yük uygulanarak ölçülürken, yoğunluk değerleri Archimed metodu ile hesaplanmıştır. Aynı zamanda kırılma tokluğu testleri de yapılmıştır., The aim of this study was to produce dense and mechanically strong boron carbide ceramics with the help of different oxide additives. Physical properties of two different grades of pure boron carbide powders were analysed and sintered by Spark Plasma Sintering method. Starting powders were prepared by ball milling with the addition of 5 wt. % Y2O3, Al2O3, SiO2 and Y2O3 + Al2O3. In the sintering step, powder mixtures were sintered by SPS method in round-shaped graphite dies under 50 MPa for 5 minutes in the range of 1700-1800oC. In the characterization step, sintered sample compositions and microstructures were characterized by XRD and SEM analysis respectively. The hardness values were measured under 1000 g load and the density values were measured with Archimedes principle. The fracture toughness analysis were also carried out., Yüksek Lisans, M.Sc.

Bu çalışma, Reaktif Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile B4C, SiC ve C tozları karışımından farklı oranlarda SiC içeren (%5, %10, %15 ve %20) B4C/SiC kompozitleri üretilmiştir. Toz karışımları SiC bilyalar yardımıyla etanol içerisinde 5 saat boyunca mikserde karıştırılmıştır. Ardından toz karışımları fırında kurutulmuş ve içersindeki ethanol giderilmiştir.150 ? altına elenen tozlar, 50 mm çapındaki grafit kalıplara konulduktan sonra 1700 ºC, 1750 ºC ve 1670 ºC'lerde 40 MPa basınç altında vakum atmosferinde Dr. Sinter marka sinter cihazı kullanılarak sinterlenmiştir. Sinterleme aşamasından sonra X-ışınları difraktometresiyle faz oluşumları ölçülmüştür. Yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu, eğme mukavemeti ve mikroyapıdaki değişimler araştırılmıştır. In this study, B4C/SiC composites containing different amounts of SiC (%5, %10, %15, and % 20) were produced by reactive spark plasma sintering of B4C, SiO2 and C powder mixture. B4C, SiO2 and C powder mixtures were prepared in mixer by milling with SiC balls in ethanol for 5 hours. Then, powder mixture has been dried in an oven and ethanol has been removed. After dried powder screened under 150 ?m, it was put in to the graphite molds with 50mm inner diameter. Sintering process was carried out at 1700 ºC,1750 ºC,1670 ºC temperatures and under 40 MPa pressure in a vacuum atmosphere by using Dr. Sinter SPS. After sintering process, the phase formation in the samples was measured by an X-ray difractometer. The variation in density, hardness, fracture toughness, flextural stregth and microstructure of samples were investigated. 86