Karbon nanotüp (KNT) ve grafen takviyeli bakır matrisli nanohibrit kompozitlerin üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Kompozit malzemelerin endüstriyel ürünlerde kullanımının yaygınlaşmasıyla bağlantılı olarak nanokompozit kullanımı da artmıştır. Günümüzde artan sanayileşme ile birlikte elektrik uygulamalarında en uygun verim arayışı her zaman araştırma konusu olmuş ve bu bağlamda elektrik uygulamalarında da üstün elektriksel özellikler sergileyen kompozit malzemeler bilim insanlarının dikkati çekmiştir. Elektrik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan kontaktörlerin uzun kullanım ömrüne sahip olması istenmektedir. 3000 A ve tipik olarak 380V şartlarında mekanik olarak 1 milyon kez açıp kapanan kontaktörlerin üstün elektrik ve mekanik özellikler göstermesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında nanokompozitler için en önemli takviye elemanları olarak kabul edilen, karbon nanotüp (KNT) ve grafen takviyeli malzemelerin üretimi ve özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla, % 1, %2, %10 hacimsel oranlardaki karbon nanotüp ve grafen konsantrasyonlarına sahip bakır matrisli nanohibrit kompozitler toz metalürjisi metodu ile üretilmiştir. KNT ve grafen takviye elemanı olarak kullanılmıştır. Karbon nanotüplerin elde edilebilmesi için kimyasal buhar çöktürme (CVD) yönteminden yararlanılmıştır. Grafenin üretimi için sıvı faz eksfolasyon yöntemi kullanılmıştır. Bunun için başlangıç malzemesi olarak hegzagonal grafit tercih edilmiştir. Hegzagonal grafit bir solvent içerisinde sonike edilmiştir. Sonikasyon işlemi sonunda üst üste istiflenmiş grafen tabakaları birbirlerinden ayrılması sağlanmıştır. Üretilen tozlar bakır tozları ile beraber yüksek enerjili değirmenle homojen olarak karıştırılmıştır. Elde edilen karışım tozları daha sonra yüksek bir gerilme altında kompaklanarak ve daha sonra ise 950 °C gibi yüksek bir sıcaklıkta inert gaz atmosferinde sinterlenmiştir. Üretilen Nanohibrit kompozitlerin aşınma, sertlik, elektrik iletkenliği ve kontak davranışları incelenmiştir. Üretilen numunelerin içyapıları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Bu analizlerinin sonucunda değişen karbon nanotüp ve grafen miktarına göre kompozit malzemedeki mekanik, elektriksel özelliklerin nasıl değiştiği ortaya koyulmuştur.

The use of nanocomposites has increased in associate with the widespread use of composite materials in industrial products. Nowadays, with the increasing industrialization, the search for the most appropriate efficiency in electrical applications has always been the research object. And in this context, composite materials exhibiting superior electrical properties in electrical applications have attracted the attention of scientists. It is desirable to have a long service life of contactors commonly used in electrical applications. Contactors that switch on/off 1 million times mechanically under 3000 A and typically 380V conditions must exhibit superior electrical and mechanical properties.However, in this study, the production and properties of carbon nanotube and graphene reinforced materials, which are considered as the most important reinforcing elements for nanocomposites, are examined. In this connection copper matrix nanohybrid composites having % 1, %2, %10 volume fraction of nanotube and graphene concentrations were produced by using powder metallurgy method. KNT and Graphene were used as reinforcements materials. Carbon nanotubes were produced by Chemical Vapor Deposition, and Graphene was produced by Liquid Phase Exfoliation Process. Hexagonal graphite was preferred as the starting material for this purpose. Hexagonal graphite was sonicated in a solvent. At the end of sonication process, stacked graphene layers were separated from each other. The produced powders were grained homogeneously with copper powders with high energy milling. After that the powders were compacted under high pressure and sintered in an atmosphere of inert gas at a temperature of 950 ° C. Abrasion, hardness, electrical conductivity and contact behavior of the produced Nano Hybrid composites were investigated. Internal structures of the samples were examined by Scanning Electron Microscopy (SEM). As a result of these analyzes, conclusions were made about how the amount of carbon nanotube and graphene change the mechanical and electrical properties of composite meterials.