H-BN nanostructures; synthesis and applications

Abstract

Malzeme biliminde bor nitrür (BN) yapılarının araştırılması gelişen teknoloji için büyük bir potansiyel taşımaktadır. BN nano/mikroyapıları, güçlü kimyasal ve termal stabilite ile mükemmel mekanik, termal, termomekanik ve elektronik özellikler sağlayan sp2 ve sp3 hibridizasyonuna sahip sıralı B ve N atomlarından oluşur. Son zamanlarda, BN nanotüpler (BNNT), BN mikrofiberler (BN-MF) ve BN nano/mikropartiküller (BN-NP, BN-MP) gibi BN nano/mikroyapılarına özel önem verilmiştir. BN nano/mikro yapıların yukarıda bahsedilen özelliklerinin polimerler ve/veya diğer seramiklerle birleştirilmesi, güçlü yapısal kompozitler, dielektrik yalıtım malzemeleri vb. üretimine olanak sağlayacktır.Ancak, BN nano/mikroyapılarının sentezinin zorluğu ve BN'nin kompozit matrisi içerisinde zor dağılıyor olması ayrıntılı bir araştırmanın yapılmasını zorlaştırmıştır. Bu tez çalışmasında, BN nano/mikroyapılarının iki olası uygulamasını ve bor nitrür nanotüplerinin sentezi için yeni, düşük maliyetli bir sentez yöntemini gösterdik. SiC fiber yüzeylerinin `bulanık fiber` BNNT'lerle süslenmesinin, daha iyi mekanik özelliklere sahip kompozitlerle sonuçlanabilecek artan arayüzey kesme mukavemetine (IFSS) yol açabileceğini bulduk. Ayrıca, BN/Reçine kompozitlerinin dielektrik performansını değerlendirdik ve kompozitlerin hem dielektrik sabitinin hem de dielektrik kaybının önemli ölçüde düştüğünü, buna karşın kompozitlerin camsı geçiş sıcaklığının arttığını gösterdik. Son olarak, BNNT sentezi için bor öncüsü olarak kolemanit ve Fe2O3 katalizörünün katalitik aktivitesini arttırmak için kükürt molekülleri kullanan modifiye edilmiş bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi önerdik. Sonuçlarımız, tiyofen ilavesiyle BNNT sentezinin 1050 °C'de elde edilebileceğini gösterdi. Çalışmalarımız, BN nano/mikro yapıların CMC'lerden dielektrik yalıtkanlara kadar geniş bir uygulama alanına sahip olduğunu ve BNNT'lerin sentezinin düşük maliyetli, çevre dostu bir sistemde gerçekleştirilebileceğini göstermiştir.

Exploring boron nitride (BN) structures at materials science carries a great potential for evolving technology. BN nano/microstructures consist of alternating B and N atoms with sp2 and sp3 hybridization that provides excellent mechanical, thermal, thermomechanical, and electrical properties with strong chemical and thermal stability. Lately, special attention has been given to BN nano/microstructures such as BN nanotubes (BNNT), BN microfibers (BN-MF), and BN nano/microparticles (BN-NP, BN-MP). Incorporating the properties as mentioned earlier BN nano/microstructures with polymers and/or other ceramics can provide strong structural composites, dielectric insulating materials, etc. However, due to difficulties in the synthesis of the BN nano/microstructures and challenges encountered during the dispersion of the BN inside the composite matrix inhibit the comprehensive research. Herein, we show two possible applications of the BN nano/microstructures as well as a novel, low-cost synthesis method for the synthesis of boron nitride nanotubes BNNT. We found that decoration of SiC fiber surfaces with `fuzzy fiber` BNNTs can lead to increased interfacial shear strength (IFSS) that can result in composites with better mechanical properties. Moreover, we have evaluated the dielectric performance of the BN/Resin composites and showed that both the dielectric constant and the dielectric loss of the composites lower significantly whereas the glass transition temperature of the composites increased. Finally, we have proposed a modified chemical vapor deposition (CVD) method that utilizes colemanite as boron precursor and sulfur-molecules to increase the catalytic activity of the Fe2O3 catalyst. Our results showed that, with the addition of thiophene, BNNT synthesis is achievable at 1050 °C. Our works have shown that BN nano/microstructures have a wide range of applications from CMCs to dielectric insulators and synthesis of BNNTs can be accomplished in a low-cost, environmentally friendly system.