Carbon Coating Method of TiC Powders from TiO2 Powders Investigation of Manufacturability

Abstract

In this study, it was aimed to coat oxide powders with carbon by solid-gas carbothermal reaction method and to produce and characterize TiC as a result of this process. This process consists of two steps; Firstly, TiO2 powders are coated with carbon during the cracking of propylene gas (C3H6), which is a hydrocarbon gas, and secondly, TiC powders are produced by sintering. Compared to solid-phase carbon mixture powders used in solid-solid carbothermal methods, TiO2 ensures that the reaction occurs at lower temperatures and produces higher purity powder due to the close contact of the carbon coated on the powder surface and the necessary carbon monoxide (CO) gas release. Scanning electron microscope (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), transmission electron microscope (TEM) and X-ray diffraction (XRD) analyzes were applied for the characterization of the samples after production. From the experimental results, it was determined that the TiO2 powder surface was covered with 22 nm carbon and TiC powders could be produced.

Keywords

• TiO2
• TiC
• Carbon coating
• Carbotermal Reaction

TiO2 Tozlarından TiC Tozlarının Karbon Kaplama Metodu ile Üretilebilirliğinin Araştırılması

Öz

Bu çalışmada oksit tozlarının katı-gaz karbotermal reaksiyon yöntemiyle karbon ile kaplanması ve bu süreç sonucunda TiC üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu süreç iki basamaktan oluşmaktadır; ilk olarak TiO2 tozları hidrokarbon gaz olan propilen gazının (C3H6) parçalanması (cracking) esnasında karbon ile kaplanması ve ikinci olarak da sinterleme yapılarak TiC tozlarının üretilmesidir. Katı-katı karbotermal yöntemlerinde kullanılan katı fazdaki karbon karışım tozlarına göre, TiO2 toz yüzeyine kaplanan karbonun yakın temasından ve gerekli olan karbon monoksit (CO) gaz çıkışının sürekli sağlanmasından dolayı reaksiyonun daha düşük sıcaklıkta gerçekleşmesini ve daha yüksek saflıkta toz üretimini sağlamaktadır. Üretim sonrasında numunelerin karakterizasyon işlemleri için taramalı elektron mikroskopu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA), geçirimli elektron mikroskopu (TEM) ve X-ışını kırınım (XRD) analizleri uygulanmıştır. Deney sonuçlarından TiO2 toz yüzeyinin 22 nm karbon ile kaplandığı ve TiC tozlarının üretilebildiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• TiO2
• TiC
• Karbon Kaplama
• Karbotermal Reaksiyon

Kaynakça

1. [1] Timuçin, Muharrem. İleri teknolojik seramik üretimi elektronik ve mekanik seramikler. 1995.
2. [2] Akkurt, F., Kalender, E., & Yörükoğlu, A., Üstün özelliklere sahip ileri teknoloji seramiği: Titanyum diborür. Journal of Boron. 2019; 4.4: 203-208.
3. [3] Y. G. Gogtsi, R. A. Andrievski, "Materials Science of carbides, nitrides and borides", Proceedings of NATO Advanced Study Institute on Materials Science of carbides, nitrides and borides. 1998; 68: 273
4. [4] Karaduman, B. Titanyum matrisli titanyum karbür takviyeli kompozit üretimi ve karakterizasyonu. 2010.
5. [5] Duman, D. Titanyum talaşından titanyum karbür üretimi ve sert metal üretiminde kullanımı (Yüksek Lisans Tezi). İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. 2010.
6. [6] Özbelge, Ö. H., Katırcıoğlu, B., Atılgan, İ., Özkol, E., Anutgan, T. A., & Anutgan, M. Bor nitrür üretimi. 2008.
7. [7] Ergül, T. Kendiliğinden-İlerleyen Yüksek-Sıcaklık Sentezi (SHS) Yöntemi ile Titanyum Karbür (TiC) Üretimi [Yüksek Lisans Tezi]. Yalova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 2001.
8. [8] Bae, S. T., Shin, H., Jung, H. S. & Hong, K. S. Synthesis of titanium carbide nanoparticles with a high specific surface area from a TiO2 core-sucrose shell precursor. J. Am. Ceram. Soc. 2009; 92: 2512–2516

9. [9] Ye, L. L., & Quan, M. X. Synthesis of nanocrystalline TiC powders by mechanical alloying. Nanostructured materials. 1995; 5.1: 25-31.
10. [10] İpek, M. Kutu sementasyon yöntemiyle çelik yüzeylerin TiC kaplanması. 1996.
11. [11] Wolfe, D. E., Singh, J., & Narasimhan, K. Synthesis of titanium carbide/chromium carbide multilayers by the co-evaporation of multiple ingots by electron beam physical vapor deposition. Surface and Coatings Technology. 2002; 160.2-3: 206-218.
12. [12] Xiang, M., Ding, W., Dong, Q., & Zhu, Q. Synthesis methods and powder quality of titanium monocarbide. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2024; 72: 10-18.
13. [13] Fu, Z., & Koc, R. Synthesis of TiB2 from a carbon‐coated precursors method. Journal of the American Ceramic Society. 2017; 100.6: 2471-2481.
14. [14] Weimer, A.W., Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing, Chapman and Hall, London. 1997; 333.
15. [15] R. KOC and G. GLATZMAIER, US Patent 5417952. 1995.
16. [16] Siddiqui, N., Koc, R., Mawdsley, J., & Carter, D. Synthesis of submicron/nano sized CaB6 from carbon coated precursors. Nanostructured Materials and Nanotechnology V: Ceramic Engineering and Science Proceedings. 2011; 32: 137-149.
17. [17] Kadıoğlu, M. Hidrokarbon Gazlar ile Karbür Tozu Üretim Fırını Tasarım ve Karakterizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Kütahya Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi Anabilim Dalı, Kütahya. 2019.