MİKRODALGA SİNTERLEME YÖNTEMİ

Transkript

1 MİKRODALGA SİNTERLEME YÖNTEMİ 1

2 Malzeme proseslerinde mikrodalga enerji kullanımı malzemelerin çok hızlı ısınmasının sonucu olarak sayısız avantajları olan oldukça yeni bir gelişmedir. Mikrodalga enerji; ısıtma, kurutma, liç işlemi, kavurma, ergitme, oksitli minerallerin karbotermik redüksiyonu, atık yönetimi ve sinterleme gibi metalurjik proseslerde potansiyele sahiptir. 2

3 Mikrodalga enerjisi, 300 MHz ile 300 GHz aralığında frekansa sahip iyonize olmamış elektromanyetik radyasyondur. Elektromanyetik radyasyon, boşlukta ya da maddesel ortamda elektrik ve manyetik bileşenleri ile kendiliğinden yayılan dalgaların genel adıdır. Mikrodalgalar, molekül ya da iyonların hareketlenmesine yol açar. Yansıtılabilir, iletilebilir, absorblanabilir ve absorblandığı malzeme içerisinde ısı üretimine yol açar. 3

4 4

5 Mikrodalga enerji belli bir frekansta yüzdelik bir dönüşüm verimiyle elektrik enerjisinden elde edilir. Mikrodalgalar; görünür, ultraviyole gibi elektromanyetik enerji şekillerinden daha yüksek dalga boylarına ve daha düşük enerji miktarına sahiptirler. Mikrodalganın başlangıçta gıda, kimya ve kağıt sanayisine yönelik araştırma ve uygulamaları söz konusuyken daha sonraları cevher hazırlama ve metalurji sanayinde de kullanılmaya başlanmıştır. 5

6 Mikrodalga ile ısıtma, numunenin derinliklerine nüfuz edebilen elektromanyetik enerji formunda olduğu için klasik ısıtmadan farklıdır. Klasik ısıtma sistemleri taşınım (konveksiyon), iletim (kondüksiyon) ve yayılma gibi standart ısı transfer mekanizmasından geçerek numuneyi dışarıdan ısıtırken, mikrodalga ile ısıtma seçimli ve matristeki bazı fazların diğerlerinden çok daha hızlı ısınabilmesi avantajına sahiptir. Bu avantajlar ise mikrodalga enerjinin metalurji/malzeme endüstrisinde kullanımını teşvik etmektedir. 6

7 MİKRODALGA ISITMANIN PRENSİBİ 1. Mikrodalga Prensipleri Mikrodalgalar iyonik parçacıkların göçü veya dipolar parçacıkların rotasyonu ile moleküler harekete neden olurlar. Metaller saydam olmadıkları için mikrodalgalar yüzeyden yansıma yaparlar. Bu nedenle metalleri mikrodalga ile ısıtamayız. Genelde metaller yüksek iletkenliğe sahiptir ve iyi yansıtıcılardır. 7

8 Dielektrik özelliğe sahip olan seramik malzemelerden mikrodalgalar geçirimli olarak geçer. Bu nedenle seramikler yalıtkandırlar ve mikrodalga fırında malzemenin ısıtılmasını desteklemek için kullanılırlar. Malzemeler mikrodalgayı yansıtıcı, absorblayıcı ve geçirici olarak sınıflandırılabilir. 8

9 geçirici yansıtıcı absorblayıcı

10 Mikrodalga ısıtma sistemi dört temel bileşenden oluşmaktadır. Bunlar; 1- Güç uygulayıcı, 2-Güç kaynağı [mikrodalga üreten (elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüştüren) vakum tüpü, magnetron], 3- Jeneratörden gelen mikrodalgaları aplikatöre ileten, dalga-rehberi 4- Hedef malzemenin ısıtılmasını sağlayan rezonans boşluk, (örneğin fırın) 10

11 Mikrodalga ile ısıtmanın şematik gösterimi 11

12 12

13 Mikrodalga radyasyon malzemenin içine nüfuz eder ve orada ısıya dönüşür. Bu yüzden malzemenin dışı içinden daha soğuktur. Mikrodalga işlem görmüş ferronikel silikat laterit cevheri briketinin resmi. İç erimeler görülmektedir. 13

14 2. MİKRODALGA ISITMANIN AVANTAJLARI Mikrodalga, enerjisini madde yüzeyine bırakmaz, frekansına ve geliş açısına göre madde içinde belli bir nüfuziyet derinliği vardır. Mikrodalga malzemeleri içten ısıtmaya başladığından yüzeyde yanma oluşmaz. Cisimlerin iç bölgelerinde istenilen nokta hedeflenerek ısıtma yapılabilir. 14

15 Enerji dönüşüm verimi yüksektir. Doğrudan doğruya hedeflenen malzeme ısıtılabilir. Heterojen malzemelerde bazı bileşenler ısıtılıp, bazıları ısıtılmayabilir. Fırının duvarları, taşıyıcı bantlar ve içindeki havanın ısıtılmasına gerek yoktur. 15

16 Fırının kendisi ısınmadığından, ayrıca soğutma ekipmanlarına ve izolasyona gerek yoktur. Isıtma hızla kontrol altına alınabilmektedir ve daha hızlı proses kontrolü sağlar. Isıtmanın başlaması ve kesilmesi çok hızlıdır. Cihazların kapladıkları alan ve hacim çok küçüktür. Mevcut tesislere kolaylıkla adapte edilebilir ve montajı kolaydır. 16

17 3. MİKRODALGA ISITMANIN DEZAVANTAJLARI MD ısıtma ile bazı ürünler zarar görebilir (derin ısı uygun dağıtılmazsa). Ani ısıtma sonucu oluşan basınçla üründe patlama, kabarma ve dağılmalar olabilir. Giriş voltajındaki değişimler cihazda ve üründe problem oluşturabilir. Sabit yatırımları yüksektir. 17

18 4. MİKRODALGA SİNTERLEME VE KULLANIM ALANLARI Mikrodalga enerji çeşitli alanlarda yaklaşık 50 yıldan beri kullanılmaktadır. Bu kullanım alanlarından bazıları haberleşme, radar sistemleri ve yiyeceklerin işlenmesidir. Mikrodalga enerji seramiklerin sinterleme süreçlerinde efektif ve yaygın olarak kullanılabilmektedir. 18

19 5. SERAMİK MALZEMELERİN MİKRODALGA İLE SİNTERLENMESİ MD ile sinterleme yöntemi en çok seramiklerin sinterlenmesinde kullanılmaktadır. Elektromagnetik dalga çok yüksek frekans üretmektedir. Ev tipi mikrodalga fırınlarından daha yüksek güce sahip mikrodalga cihazlarla seramik malzemeler sinterlenebilir. 19

20 Aşağıdaki slaytta görülen mikrodalga cihazı 9 kw güce ve 2,45 GHz frekansa sahiptir. Cihaz hem konvensiyonel hem de mikrodalga sinterleme yapabilmektedir. Malzemenin yüksek mikrodalga frekansı çekmesi için altlık kullanılır. Ayrıca ısının fırında dağılmaması için malzeme kutunun içinde sinterlenir. 20

21 21

22 22

23 The Microwave processing System is a models MCR 200, manufactured by Wavemat, Inc. The unit is powered with a 2.45 GHz microwave generator with 300 to 3000 watts forward power. Maximum sample size is 15 mm dia. x 15 mm length. This microwave system can be operated with a tunable, single mode or controlled multi-mode microwave cavity. The atmosphere can be controlled (N 2, Ar, H 2, or other gases) at pressures from one atmosphere to 2.0x10-2 torr. Microwave heating offers many advantages over conventional heating. Microwave sintering has a rapid processing time, two to fifty times faster than conventional heating. There is also an acceleration of sintering and diffusion in the material because of high electrical fields; thus densification can occur at lower temperature. 23

24 Mikrodalga ile malzemelerin atomlarının hareketlendirilmesi sayesinde ısınma meydana gelir. Isınma, malzemenin üstüne direkt olarak mikrodalga ile temasına ve malzemelerin dielektrik davranışına bağlı olarak değişir. Isınma malzemelerin üzerinde meydana gelir. 24

25 25

26 Mikrodalga sinterleme ve ısıtma temelde konvansiyonel sinterlemeden farklıdır. Mikrodalga ısıtma ve sinterleme ışıma / direnç prensibine dayanarak ısıtmayı takiben termal enerjinin kondüksiyonla işlem gören parçanın içerisine iletilmesidir. Mikrodalga ısıtma elektromanyetik enerjinin termal enerjiye çevrilmesiyle hacimsel bir ısıtma şeklidir. Bu ısıtma şekli bütün hacimde ani, hızlı ve yüksek verimlidir. 26

27 27

28 Alfred üniversitesi nin New York taki Nano malzeme geliştirme merkezinde; Nikel-Çinko ferritlerin sinterlenme süresinin 9 saatten 4 saate düşürüldüğü ve %70 daha az enerji kullanıldığını belirtilmektedir. Alüminanın sinterleme süresi ise saatten 6 saate düşmüş ve %65 daha az enerji tüketilmiştir. Saf Al 2 O 3 numunesinin 60 GHz radyasyon kullanarak oda sıcaklığından 1700 o C ye MD sinterlenmesi ile %95.7 yoğunluğa 6 saatte ulaşılmıştır. Aynı numunelerin %95.7 yoğunluğa erişebilmesi için geleneksel sinterleme işleminde 1600 o C de 20 saat sinterlenmesi gerektiği saptanmıştır. 28

29 Geleneksel işlemde seramik malzeme ısıtılmasında dıştan ısıtma kaynağı kullanılır. Oysa mikrodalga işleminde seramik malzemenin iç kısmından mikrodalganın geçip etkileşmesiyle ısınmaya başlar. İçsel ve hacimsel ısınmanın sonucu olarak mikrodalga işlemindeki malzemelerde ısıtmanın akımı ve termal grandyentleri geleneksel ısıtma işleminin tersidir. 29

30 30

31 31

32 Mikrodalga ısıtmanın konvansiyonel ısıtmadan üstün olan tarafları şunlardır; Zaman ve enerji tasarrufu sağlar, Isıtma hızlı olur, İşlem zamanı ve sıcaklık daha düşüktür, Daha ince taneli mikroyapılar ve buna bağlı olarak daha iyi mekanik özellikler ve daha üstün ürün performansı sağlanır, Çevreye karşı zararı daha azdır. 32

33 SERAMİK MALZEMELERDE MİKRODALGA İŞLEMLERİNİN ÖNEMİ Seramik malzemelerde mikrodalga enerjisinin kullanılmasının temel nedenleri; 1. Kısa işlem süresi ve enerji korunumu nedeniyle ürün maliyetinin yeteri derecede azalması 2. Ürün verme ve üniform olarak ürünün gelişmesi 3. Mükemmel mikroyapı ve özelliklerin gelişmesi 4. Yeni malzemelerin sentezinin sağlanmasıdır. 33

34 Mikrodalga enerji seramiklerin sinterleme süreçlerinde efektif ve yaygın olarak kullanılabilmektedir. Son yıllarda Mikrodalga sinterleme sadece oksit seramiklerde ve metal benzeri karbür ve nitrürlerde de kullanılmıştır. Fakat günümüzde yapılan araştırmalara göre toz halindeki hemen hemen bütün metaller, alaşımlar ve intermetaliklerde Mikrodalga etkili bir şekilde kullanılmıştır. Bu yöntemle gözeneksiz gerçek yoğunluğa yakın toz malzemeler oldukça hızlı bir şekilde dak ısıtılarak sahip oldukları formları bozulmadan üretilebilmektedir. Üretilen malzemeler arasında küçük silindir çubuklar, dişliler ve otomotiv parçaları sayılabilir. Sinterlenmiş yapılarda malzemelerin ham şekillendirilmiş durumdan daha yüksek mukavemetli yapılar gözlemlenmiştir. 34

35 35 Some typical bulk metals before and after melting in microwave

36 Geleneksel ve Mikrodalga (28GHz) ile Sinterlenmiş Al 2 O 3 nın sıcaklıkla Yoğunluk değişimi 36

37 Mikrodalga ve Geleneksel İşlemler İle Sinterlenmiş Al 2 O 3 için Aktivasyon Enerjileri 37

38 Sonuç olarak; mikrodalga işlemi, çok hızlı ve üniform olarak ısıtmanın yapılması, kalınlık seçimiyle etkili olan uçucu kimyasal maddeleri (bağlayıcılar, nem...vs.) ortadan kaldırılması ve işlem sırasında çatlamanın nedeni olan termal gerilmelerin azalması için mümkün olabilecek şartları sağlar. 38

39