Er2O3 ve CeO2 katkılı borosilikat camların üretilmesi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi / Er2O3 and CeO2 doped borosilicate glass production and investigation of mechanical properties

Abstract

Bu çalışmada; borosilikat (BS) camlara nadir toprak metal oksit bileşikleri CeO2 ve Er2O3 farklı oranlarda katılarak, radyasyon zırhlamaya yönelik camlar üretilmiş ve bu camların mekanik özellikleri incelenmiştir. BS cam tozuna (100-x)B2O3-SiO2-Na2O-Al2O3 ağ.% x=0.5, 1, 3, 5, 10 ve 20 oranlarında CeO2 ve Er2O3 katkı yapılarak manuel hidrolik pres yardımıyla pellet şeklinde preslenmiştir ve ardından numuneler cam kompozisyonuna bağlı olarak fırında 1400-1450º C sıcaklık aralığında 1 saat süreyle ergitilmiştir. Ardından camsı yapı oluşturmak için numuneler açık havada hızlı bir şekilde soğutulmuştur. Camlaşan CeO2 ve Er2O3 katkılı BS numunelerin sertlikleri, Mikro-Vickers yöntemiyle ölçülmüştür. Örneklerin kırılma toklukları ve gevreklikleri ise formüller yardımıyla hesaplanmıştır. CeO2 ve Er2O3 katkılı BS numunelerin sertliklerinin %0−10 katkı aralığında arttığı ve %20 katkı miktarında ise azaldığı bulunmuştur. CeO2 katkılı örneklerin kırılma toklukları %3 katkı oranına kadar artmış ve sonra %3'den yüksek katkı oranlarında ise biraz azalma meydana gelmiştir. Er2O3 katkılı örneklerin kırılma toklukları ise %5 katkı oranına kadar azaldığı ve %5'den daha yüksek katkı oranlarında ise tekrar arttığı bulunmuştur. Elastisite modülü, hacim modülü, kesme modülü ve Poisson oranı ultrasonik ölçüm yöntemiyle tahribatsız şekilde belirlenmiştir. Elastisite modülleri, hacim modülleri ve kesme modülleri bütün CeO2 ve Er2O3 katkılı numunelerde katkısız BS'den daha yüksek bulunmuştur. Poisson oranı ise benzer bir şekilde net bir eğilim göstermemiştir. Numunelerin XRD analizleri yapılarak camlaşma eğilimleri belirlenmiştir. Her iki katkı grubunda da ağ.% 0–10 aralığında herhangi bir kristal pikine rastlanılmamıştır. Fakat ağ.%20 oranında CeO2 ve Er2O3 katkılı numunelerinde ise bazı kristal fazları tespit edilmiştir. Numunelerin köprülü oksijen sayıları ve atomik paketlenme yoğunlukları hesaplanmış ve katkı miktarıyla nasıl değiştikleri belirlenmiştir. CeO2 ve Er2O3 katkı miktarı arttıkça BS camların köprülü oksijen sayısının ve atomik paketlenme yoğunluğunun arttığı bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar CeO2 ve Er2O3 katkılı BS cam numunelerin mekanik özellikler bakımından iyi özellikler gösterdiğini ortaya koymuştur. Dolayısıyla bu camların radyasyon zırhlamasında kullanılabilmesi için mekanik yönden herhangi bir engelin söz konusu olmadığı ispatlanmıştır. In this study; rare earth metal oxide compounds Er2O3 and CeO2 were added to borosilicate (BS) glasses at different amounts to produce glass for radiation shielding and the mechanical properties of these glasses were investigated. Er2O3 and CeO2 were added to the BS glass powder (100-x)B2O3-SiO2-Na2O-Al2O3 in amount of wt.% x = 0.5, 1, 3, 5, 10 and 20 and then pressed in the form of pellet with a manual hydraulic press, melted at 1400−1450ºC for 1h. Samples were then cooled quickly in the open air to form glassy structure. The hardness of samples was measured by Mikro-Vickers method. Fracture toughness and brittleness of the samples were calculated by means of formulas. It was found that the hardness of the Er2O3 and CeO2 doped BS samples increased at 0−10 wt% amounts, and then decreased at 20 wt% amount. The fracture toughness of the CeO2 added samples increased up to 3 wt% amount and then decreased slightly at higher than 3 wt% amount. The fracture toughness of the Er2O3 added samples decreased by 5% wt% amount and increased again at higher amounts than 5 wt%. Elasticity modulus, bulk modulus, shear modulus and Poisson ratio were determined non-destructively by ultrasonic measurement method. Elasticity, bulk and shear modulus were found higher than pure BS sample in all Er2O3 and CeO2 doped samples. Poisson rate did not show similarly a clear trend. XRD analysis of the samples were performed to determine the tendency of vitrification. No peak was found in the range of 0-10% in both Er2O3 and CeO2 additive groups. However, some crystal phases were detected in the samples 20 wt% Er2O3 and CeO2 doped BS samples. The bridging oxygen numbers and atomic packing densities of the samples were calculated and determined how they changed with the amount of the additives. It was observed that the bridging oxygen number and atomic packing density increased as amount of Er2O3 and CeO2 increased. The obtained results show that the Er2O3 and CeO2 added glass samples have good mechanical properties. So, it has proved that there is no a mechanically obstacle to use these glasses for radiation shielding material.