Yüksek Teknolojili Seramik Malzemeler için Elektrik Alanla Desteklenmiş Yeni Bir Teknik Geliştirildi
Araştırmacıların yeni projesi seramik malzemeleri askeri ve ticari malzemeler geliştirebilmek için sinterleme işleminde elektrik alandan faydalanmak.Sinterleme seramik malzemelerin üretiminde hammaddelerin erime noktasına çok yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılma işlemidir.Peki bu işlem için elektrik alan neden gerekli ?
Seramik malzemeden askeri bir materyal üretmek çok pahalı çünkü bu malzemeleri geleneksel yöntemlerle üretebilmek için toz malzemelerin bir araya getirilip bir yapı oluşturulması gerekiyor ve bu da 1500°C ye ihtiyaç duyan ve birkaç saat alan bir süreç.
Araştırmacıların çalışması ise üretim maliyetini düşürürken üretim sürecini çok daha hızlı hale getirecek yeni bir teknik. Araştırmacıların projesi Elektrik alanla desteklemiş bir fırınlama tekniği kısaca FAST diye isimlendirilen bu yöntem aynı zamanda parlak sinterleme olarak da özetlenebilir. Bu metotta üretim sadece birkaç saniyede ve sıcaklığı yarı yarıya düşürerek sadece 800 °C de gerçekleşiyor.
Purdue Üniversitesi Malzeme Mühendisliğinde Profesör olan Haiyan Wang araştırmalarını çok uzun zaman ve sıcaklık isteyen bir üretimin nasıl sadece birkaç saniyede ve düşük sıcaklıklarda gerçekleştirebileceğini üzerine kurduklarını ve bu parlak sinterlemenin bazı parametreleri düşürmesine rağmen atomik düzeyde kolay anlaşılamadığını ifade etti.
FAST tekniğinin arkasında seramik malzemelerin ticari üretimlerde özellikle sinterleme işlemlerine hız kazandırmak bulunuyor. Aynı mekanizma Li-iyon pillerde ve yakıt hücrelerinde pilleri şarj etmek için tercih ediliyor.
Wang’ın yürüttüğü projeye Birleşik Devletler Denizcilik Araştırmaları tarafından 3 Milyon $’lık bir bütçe ayrılmış aynı zamanda Purdue Üniversitesine hem Kaliforniya hem de Rutgers Üniversitesi yardım etmiş.
Wang, Elektrikle desteklenmiş malzemeleri seramik üretiminde kullanabilmek için gerekli ekipmanların modellenmesinde, kurulumunda ve kullanma kılavuzunun oluşturulmasında kapsamlı bir bilimsel çalışmaya gereksinim duyduklarını belirtti.
Purdue Üniversitesinde araştırma için çok önemli bir rol oynayan ekipmanlar Yerleştirilmiş Elektron Taşıma Mikroskop’u ve Elektron Tarama Mikroskop’u olarak adlandırılmış. Bu teknik sinterleme sürecinde seramik malzemelerde nasıl bir kristal yapının oluştuğunun izlenebilmesine fırsat veriyor. Oysaki katılaşma sürecinde kristallerin 100 nm çapındaki tanecik yapıları nasıl oluşturduğu ise sadece Elektron mikroskopunda gözlemlenebiliyor.
Wang,tekniği Makroskopik düzeye tanımlamanın mümkün olduğunu ama mikro ve nano düzeyde hala tam olarak anlaşılamadığı ifade etti.
Seramik malzemeler yalıtkan bir yapıya sahip ne var ki yüklü atomları ve iyonları iletiyor. Bu iyonların sisteme gönderilmesi ise normal bir proseste ihtiyaç duyulan sıcaklığın düşmesini sağlıyor. İyonlar seramiğin kristal yapısının boşluklarında zıplayarak ilerliyor. Eğer yapıdaki bir yerden bir oksijen atomu uzaklaştırılırsa bu alanda pozitif bir yük oluşturuluyor ve negatif yüklü iyonlarla etkileşime geçiyor.
Araştırmacılar kendi tekniklerini Zirkonyum oksit üzerine konumlandırılmış itriyum oksit ve kendi kristal yapısında oksijen boşluğuna sahip diğer iki seramik malzemede gerçekleştirdi.
Wang , bu zıplama için çok yüksek bir enerjiye ihtiyaç duyulduğunu ama ilginç bir şekilde seramik malzemelerin benzersiz zıplama kanallarına sahip olduğunu ifade etti.
Araştırma ekibi bu tek çalışmada üç şeyin peşinde; Üretim koşullarında malzemelerin elektrik alandan nasıl etkilendiği, bu etkileşimin hem bilimsel hem de mühendislik alanından bir yazılımla desteklenmesi ve üretim için bir kılavuz geliştirip üretim kurallarını belirlemek.Ek olarak Mühendisler yararlanabilsin diye üretilecek seramik için doğru malzemenin tespit edilmesi, çıkarılması ve öğrenilmesi için bir tablo oluşturmak. Araştırma elektronik malzemelerin performansını etkileyen elektron göçünü aydınlatacak gibi gözüküyor.
Kaynak : phys.org
