Akademik Veri Yönetim Sistemi
Yükseköğretim Kurumları Destekli Proje, 2005 - 2008
Bu projenin amacı, yüksek erime noktasına sahip materyallerin plazma tekniği ile işlenmesi ve yüzey kaplama teknolojisini geliştirmektir. Bu proje sonucunda karbon (3550°C) ve Tungsten (3407°C) gibi yüksek erime noktalı materyaller, istenilen yüzeye istenilen oranda kaplanabilecektir. Geliştirilmesi düşünülen teknoloji, Yüksek Sıcaklıklı Materyal Termiyonik Vakum Ark (YSM-TVA); yüksek vakum şartlarında çalışacak ve kaplama içerisinde safsızlık atomları bulunmayacaktır. Dolayısı ile yüksek erime noktasına sahip materyallerin, saf kaplamaları gerçekleştirilecektir. Bu sistemde son derece yeni bir teknoloji olan dolaylı olarak ısıtılan elektron tabancası kullanılacaktır. Bu tabanca tümüyle yüksek erime sıcaklığına sahip olan Molibdenden yapılacaktır. Bu elektron tabancası içinde sargılı tungsten filament bulunacaktır. Filamentin ön kısmında 5–8 mm çapında toryumlanmış tungsten den yapılmış bir plaka bulunacaktır. Tungsten sargılı filamentten yayınlanan elektronlar bu levhaya çarparak bu levhanın ısınmasına neden olacak ve dolaylı olarak elektron yayınlayacaktır. Bizim yapacağımız YSM-TVA sisteminde bu dolaylı elektron tabancasından yayınlanan elektronlarla karbon veya tungsten buharları üretilerek bu buharlarda plazma üretilecektir. Buhar fazından plazma fazına materyali geçirmek için elektron tabancası ile materyalin konduğu pota arasına yüksek voltaj uygulanacaktır. Bu nedenle bu yeni teknoloji YSM-TVA sisteminde özel güç kaynakları kullanılacaktır. Ayrıca bu sistem de çok yüksek erime noktalı materyallerle çalışılacağından vakum odası içinde yüksek güçlerde çalışacaktır. Bu nedenle vakum odası çeperlerinde ısınma problemi yaşanmaması için su soğutmalı özel dizayn vakum odası yapılacaktır. Bu yeni teknik iyon bombardımanı ile kaplama yaptığı için son derece yüksek kalitede kaplamalar elde edilecektir. Bu nedenle üretilen karbon ve tungsten kaplamaların bazı fiziksel ve yapısal özellikleri analiz edilecektir. Karbon depolamalarda nano-yapıda ve elmas yapıda karbon depolamalar elde edilmeye çalışılacaktır. Bu projenin sonucunda, Karbon ve Tungsten’in yüzey kaplama için kullanılması ve işlenmesi üzerinde geliştirilen araştırmalara gerçek bir katkı sağlanacaktır. Termiyonik Vakum Ark (TVA) elektrotlarının düzenlenişi bakımından anot metali buharlarında plazma üreten diğer tekniklerden farklı ve yeni bir tekniktir. TVA doğrudan ve dolaylı olarak ısıtılan termiyonik katot ile içine buharlaştırılarak plazması yapılacak materyalin yerleştirildiği anot arasında meydana gelmektedir. TVA’nın farklı iki konumdaki elektrotlarının şematik gösterimi Şekil’de verilmiştir. Termiyonik Vakum Ark sisteminin elektrotlarından katot; tungsten filamenttir. Katot filamenti bir Wehnelt silindiri içine yerleştirilmektedir. Bu şekli ile katot elektron tabancası olarak isimlendirilmektedir. Anot ise içine buharlaştırılarak plazması oluşturulacak materyalin konduğu kaşık şeklinde tungsten potadır. Bu elektrotlar bir tabla üzerine konularak son vakum değeri mekanik ve difüzyon pompası ile 10-5 mbar’ın altına getirilen vakum odasının içine yerleştirilir. Elektrotlara güç uygulayan güç kaynağı pano sistemi, basınçölçer, vakum ölçer, kalınlık ölçer gibi cihazlardan oluşan düşük erime sıcaklığına sahip materyaller için üretilmiş TVA sisteminin fotoğrafı Şekil ’de verilmiştir.
TVA deşarjın oluşturulması için ilk olarak katot filamenti, AC düşük voltaj güç kaynağı ile istenilen ısıtma akımında ısıtılır ve böylece katottan termoelektron emisyonu sağlanır. Burada katotun bir ucu, düşük voltaj güç kaynağına bağlı iken diğer ucu elektrotların monte edildiği tablaya dolayısıyla vakum odasının üzerine bağlanmıştır. Böylece vakum odasının kendisi toprak olarak kullanılmıştır. Katotun içine yerleştirildiği Wehnelt silindiri de negatif potansiyele bağlanmıştır. Katot filamentinden elektron emisyonu sağlandıktan sonra anot ile katot arasına yüksek voltaj uygulanılır. Bu, güç kaynakları panosundan yüksek voltaj güç kaynağı varyağının yavaş yavaş arttırılması ile olur. Vakum odasının kendisi toprak olarak kullanıldığı için katot ve anotun elektrik bağlantıları yapılırken, bu bağlantıların vakum odasına temas etmemesi gerekir. Bu nedenle anot ve katotun elektrik bağlantıları, vakum odası üzerinden seramik silindirlerle ve özel vakum tutucu yapıştırıcılarla (torr seal) izole edilmiştir. Anot ile katot arasına yüksek voltajın uygulanması ile katottan yayınlanan elektronlar anot üzerine hızlandırıldığı gibi anot üzerine odaklanmış da olmaktadır. Bu, katot filamentinin içine yerleştirildiği Wehnelt silindirinin negatif potansiyelde tutulması nedeniyledir. Bu TVA sistemini, diğer anot metali buharı plazması üreten tekniklerden ayıran en önemli özelliktir. Elektronlar bir elektromanyetik bobin yardımıyla değil elektrostatik mercek görevi yapan Wehnelt silindiri ile anot üzerine odaklanmıştır. Bu özellik TVA sistemini daha basit ve ucuz teknoloji haline getirmektedir. Ayrıca elektrostatik mercek ile katot yani elektron emisyonu kaynağı birleşik olduğu için elektrotların birbirine göre pozisyonunu değiştirebilmek mümkün olmaktadır. Hızlandırılarak anot üzerine odaklanan elektron bombardımanı nedeniyle anot içindeki materyal üzerine enerji aktarılır ve bu enerji ile anot materyali ilk olarak ısınır. Uygulanan voltajın arttırılmaya devam edilmesi ile anot içindeki materyalinin erimesi ve daha sonra kaynayarak buharlaşması sağlanır. Elektrotlar arasına uygulanan voltaj arttırılmaya devam edilirse, elektrotlar arası uzayda anot metali atomlarının belirli bir yoğunluğunda ve uygulanan voltajın uygun değerinde, katottan yayınlanan elektron emisyonunun devam etmesi sebebiyle anot metali buharlarında parlak bir deşarj oluşur. Deşarj oluştuğu anda elektrotlar arasındaki voltaj birden azalır, akım ise aniden yükselir. Deşarjın oluştuğu vakum odasının kendisi toprak olarak kullanıldığı için oluşan anot metali buharı plazması, anot üzerinden sürekli bir şekilde vakum çeperlerine doğru yayılır. Bu nedenle TVA’da oluşan plazmanın iyonları, ayrıca bir iyon hızlandırıcı kaynak olmadan yönlendirilmiş ve hızlandırılmış olmaktadır. Bu, TVA sistemini iyon-destekli kaplama yapan tekniklerden ayıran önemli bir avantajdır. İyonlarla bombardıman edilerek yapılan kaplamaların son derece düz ve sıkı yapılar olduğu bilinmektedir. Ancak şimdiye kadar kullanılan sistemlerde iyon üretim kaynağına, iyonları hızlandırıcı kaynak da eklenmektedir. Bu sistemi hem komplike yapmaktadır hem de maliyeti arttırmaktadır. TVA sistemi ile şimdiye kadar bakır, gümüş, alüminyum gibi erime sıcaklığı 1600oC’nin altındaki düşük erime sıcaklıklı tüm materyaller için ince filmler üretilmiştir. Üretilen filmlerin
1. Yüksek saflıkta olduğu, 2. Yüksek tutunmaya sahip olduğu, 3. Düşük stressde olduğu, 4. Düşük pürüzlülükte olduğu, 5. Son derece sıkı yapıda olduğu, gözlenmiştir. Bununla birlikte, TVA sistemi ile plastikler üzerine dahi kaplamalar yapılmıştır ve son derece yüksek tutunmaya sahip olduğu gözlenmiştir.
Kapsam
Proje sonunda yüksek erime noktasına sahip olan
materyallerin yüzey kaplamalarını yapabilecek Termiyonik Vakum Ark Sistemi
Osmangazi Üniversitesinde bulunan cihazlar ve aletler kullanılarak
yapılacaktır. Özellikle Karbon ve Tungsten materyallerinin kaplamaları
yapılabilecektir. Kullanacağımız bu sistem, ayrıca diğer erime sıcaklıkları
yüksek olan Renyum, Molibden gibi materyallerin ince film kaplamalarını
yapabilecektir. Bu sistem şuan
ROMANYA’da ve Japonya’da birer tane bulunmaktadır ve üçüncüsü ise Osmangazi
Üniversitesine kurulacaktır. Bu sistem
kurulurken daha önce elde bulunan sistemlerle entegrasyonu gerçekleştirilecek
böylece aşırı maliyetten kaçınılacaktır. Kurulan yeni sistem ile üretilen
kaplamalarının fiziksel karakterizasyonu yapılacak ve ayrıca çeşitli
uygulamalar için kaplamaların özellikleri belirlenecektir. Bu proje aşağıdaki aşamalarla
gerçekleştirilecektir.
I. Aşama: Çalışmanın ilk bölümünde Yüksek Erime sıcaklığına sahip olan materyallerin yüzey kaplamalarını gerçekleştirmek için yeni bir TVA vakum odasının yapılması için çalışmalar yürütülecektir. TVA Sistemi için Vakum Odası, 2 Adet 5 kV D.C. Güç Kaynağı, 2 Adet Emiter Isıtma Sistemi (3 kV D.C.), 2 Adet 100 A, 2 Adet 200 A, 2 Adet 400 A çıkışlı yüksek akımlı güç kaynağı, 2 Adet Kalınlık Ölçüm Sistemi, 4 Adet Yüksek Voltaj Voltmetresi, 4 Adet Düşük Akım Ampermetresi, Mekanik Pompa, Difüzyon Pompası ve Vakum Kontrol Üniteleri gerekmektedir. Bu proje kapsamında, yapılan vakum odasının Osmangazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Plazma Fiziği Laboratuarında bulunan cihazlar ile entegrasyonu gerçekleştirilecektir. Projenin ilk aşamasında bu yeni vakum odasının yapımı gerçekleştirilecektir. Yaptırılması düşünülen Vakum Odası Paslanmaz Çelik’ten imal edilecek olup uzun süreli kullanımı sağlanabilecektir.
II. Aşama: İkinci aşama da ise çeşitli TVA deşarj parametreleri ( Elektrotlar arası uzaklık, Anot potası şekli, Bombardıman akımı, Filament akımı, Isıtma akımı gibi) değiştirilerek farklı özelliklerde yüzey kaplamaları üretilecektir.
III. Aşama: Elde edilen yüzey kaplamalarının fiziksel ve mekanik özellikleri (SEM, WDS, XRD, XRF, Mikrosertlik, Sürtünme, Raman, HR-TEM) belirlenecek ve özellikleri ortaya çıkartılacaktır. Böylece yeni geliştirilecek olan bu teknoloji ile üretilen yüzey kaplamalarının kalitesi ortaya konacaktır.
