Bakır ve çinko iyonları içeren çözeltilerden elektrodepolama yöntemi ile üretilen filmlerin malzeme ve korozyon özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bakır-Çinko (Cu-Zn) alaşımları (pirinç) pek çok alanda kullanıma sahip olan intermetalik malzemelerdir. Bu alaşım sistemi belli kompozisyon ve faz özelliklerini içerdiği durumlarda `şekil hafıza özelliği` sergilemektedir. Şekil hafıza özelliği açısından NiTi alaşımları ve bakır-çinko esaslı alaşımlar iki önemli malzeme grubunu oluşturmaktadır. Bakır-çinko alaşımlarının ince film olarak üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi teknolojik ve sanayi uygulamaları açısından önem taşımaktadır. Şekil hafızalı ince film olarak üretilen malzemeler mikro valf, mikro tutucu gibi çeşitli uygulamalarda, MEMS ve NEMS uygulamalarında kullanım potansiyeline sahiptir. Ayrıca bu malzemelerdeki şekil değişimi fiziksel ve kimyasal özelliklerde değişime neden olduğu için sensör ve akıllı malzemeler olarak kullanılma olanakları vardır. Bu tez çalışmasında bakır-çinko alaşımı filmler pek çok yönden avantajlı bir üretim yöntemi olan elektrodepolama tekniği ile üretilmiştir. Malzeme üretimi ve korozyon deneyleri bilgisayar kontrollü geleneksel üç elektrotlu potansiyostat/galvanostat sistemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elektrodepolama çözeltisi olarak siyanürle üretime alternatif olabilecek sitrat ve pirofosfat (pyrophosphate) bazlı çözeltiler tercih edilmiştir. Farklı elektrodepolama şartları ve çözelti özelliklerinin etkileri incelenmiştir. Çözelti özellikleri dönüşümlü voltametri tekniği ile incelenmiştir. Üretilen filmlerin kristal yapıları, fiziksel ve yüzey özellikleri, element içerikleri uygun karakterizasyon araçları kullanılarak tespit edilmiştir. Ayrıca korozyon özellikleri ile ilgili çalışmalar da yapılmış, filmlerin korozyon özelliklerini tespit edebilmek için açık devre potansiyeli, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve Tafel yöntemleri kullanılmıştır. Üretim şartları optimizasyonu ile özellikle pirofosfat bazlı çözeltilerden altlığa iyi tutunan, yüzey kalitesi iyi düzeyde olan pirinç alaşımı filmler üretilmiştir. Çözelti özelliklerinin ve elektrodepolama şartlarının değiştirilmesi ile film kompozisyonunda, faz yapısında ve renginde değişiklikler sağlanabildiği tespit edilmiştir. Çeşitli değişkenlerin film özellikleri üzerindeki etkileri sistematik olarak açıklanmıştır.

Copper-Zinc (Cu-Zn) alloys (brass) are intermetallic materials which have many applications. This alloy system shows `shape memory property` when formed with certain composition and phase properties. NiTi alloys and copper-zinc based alloys form two important `shape memory alloy` groups. Both from scientific and industrial perspectives, it is important to fabricate and characterize copper-zinc alloys in thin and thick film forms. Shape memory thin films have potential to be utilized in some applications such as micro valve, micro gripper, MEMS and NEMS. Morever, since shape change in these materials are accompanied by changes in physical and chemical properties, they have potential to be used in sensor and smart material applications. In this thesis study, copper-zinc alloy films were fabricated by electrodeposition technique which is a fabrication method with many advantages. Film fabrication and corrosion tests were realized using a computer controlled galvanostat/potentiostat with conventional 3-electrode cell. For electrodeposition, citrate and pyrophosphate based solutions were used. These solutions can be alternative to cyanide based fabrication. Different solution and processing parameters were used for film fabrication and effect of these changes on solution and films were studied. Solution characteristics were revealed using cyclic voltammetry. Crystal structure, physical and surface properties, chemical composition of fabricated films were identified by using appropriate tools. In addition, corrosion studies were conducted. Open circuit potential, electrochemical impedance spectroscoy (EIS) and Tafel plots were utilized for corrosion studies. By optimizing fabrication conditions, brass films with good adherence and surface quality were obtained especially from pyrophosphate solutions. It was concluded that it is possible to obtain changes in film composition, crystal structure and color by altering solution properties and electrodeposition conditions. Effects of various parameters on film properties were explained systematically.