Patent Adı: Düşük Sıcaklıkta Bor Karbür Üretimi İçin Bir Yöntem
FMH Durumu: Türkiye, ABD ve Güney Kore'de tescilli patent.
Teknoloji Alanı: Bor Karbür / İleri Seramikler / Nanomalzemeler / Radyasyon Kalkanlama Malzemeleri
TRL: TRL 4
Bu teknoloji, bor karbürün nano ve alt mikron boyutlu, yüksek kristallikte parçacıklar halinde yaklaşık 1250–1550 °C sıcaklık aralığında üretilmesini sağlayan sıvı faz ve jel oluşumuna dayalı bir prosestir. Daha düşük sıcaklık ihtiyacı, kontrollü parçacık morfolojisi ve öğütme gereksiniminin azaltılması; ileri seramik, kompozit ve radyasyon kalkanlama uygulamaları için önemli üretim avantajları sunmaktadır.
Teknolojiye Genel Bakış
Teknoloji, nano ve alt mikron boyutlu bor karbür (B₄C) parçacıklarının daha düşük sıcaklıklarda üretimine yönelik bir malzeme sentez yöntemidir. Prosesin başlangıcında elementel bor, gliserin ve bir veya daha fazla karboksilik asit türevi içeren akışkan bir karışım hazırlanır. Bu sıvı ortam, bor ve karbon kaynaklarının moleküler ölçekte daha etkin etkileşimine olanak sağlayarak klasik katı-hal üretim yöntemlerinde karşılaşılan difüzyon sınırlamalarının azaltılmasına katkı sağlar.
Karışımın kontrollü biçimde ısıtılmasıyla B-O-C borat ester bağları içeren jel yapısında bir ara ürün oluşturulur. Jel daha sonra katı bir ara ürüne dönüştürülür ve son aşamada sinterlenerek bor karbür parçacıkları elde edilir. Bor ve karbon kaynaklarının akışkan ortamda daha homojen biçimde bir araya getirilmesi, reaksiyon kinetiğini desteklerken yüksek kristallikte bor karbür oluşumunu da kolaylaştırmaktadır.
Prosesin temel farklılaştırıcı özelliklerinden biri, nihai sinterleme aşamasının yaklaşık 1250–1550 °C aralığında gerçekleştirilebilmesidir. Geleneksel bor karbür üretim proseslerinde indirgeme ve karbürizasyon sıcaklıkları yaklaşık 1900 °C ve üzerine çıkabilmektedir. Daha düşük işlem sıcaklığı, üretimin enerji ihtiyacını azaltma ve yüksek sıcaklığa bağlı proses yükünü sınırlama potansiyeli sunmaktadır.
Geleneksel yüksek sıcaklıklı proseslerde oluşabilen aşırı aglomerasyon, nihai ürünün öğütülmesini gerektirebilir. Öğütme hem ek enerji tüketimine hem de metalik veya seramik öğütme ekipmanından kaynaklanabilecek kimyasal kontaminasyona yol açabilir. Bu yöntem, bor karbürün nano ve alt mikron boyutlu parçacıklar halinde doğrudan üretilebilmesini sağlayarak ek öğütme ihtiyacını azaltmaya ve ürün saflığını korumaya yönelik bir yaklaşım sunmaktadır.
Proses koşullarının kontrolüyle parçacık boyutu ve morfolojisi ayarlanabilir; yüksek kristallikte nano veya alt mikron boyutlu tozlar, platelet, whisker veya rod benzeri yapılar elde edilebilir. Laboratuvar çalışmalarında çekirdekleştirici kullanımıyla 20 nm'nin altında yüksek saflıkta ve yüksek kristallikte bor karbür üretimi üzerinde çalışılmıştır. Elde edilen malzeme ileri seramiklerde, kompozitlerde ve radyasyon kalkanlama sistemlerinde fonksiyonel bileşen olarak değerlendirilebilir.
Problem / Pazar İhtiyacı
Bor karbür; yüksek sertliği, düşük yoğunluğu ve bor içeriği sayesinde ileri seramikler, aşınmaya dayanıklı malzemeler, kompozitler ve radyasyon kalkanlama sistemleri açısından önemli bir mühendislik malzemesidir. Ancak geleneksel üretim süreçlerinin çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyması, enerji tüketimini ve üretim maliyetini artırabilir.
Yüksek sıcaklık aynı zamanda parçacıkların aglomerasyonuna neden olarak istenen ince parçacık boyutunun korunmasını zorlaştırabilir. Bu durumda üretim sonrasında öğütme gerekebilir; öğütme ise ek enerji tüketiminin yanı sıra saflık ve parçacık kalitesi açısından yeni proses riskleri yaratabilir.
Bu teknoloji, bor ve karbon kaynaklarını akışkan ve jel temelli bir reaksiyon ortamında bir araya getirerek bor karbürün daha düşük sıcaklıkta, kontrollü parçacık boyutu ve yüksek kristallikle üretilmesine yönelik alternatif bir üretim rotası sunmaktadır.
Temel Avantajlar
- Bor karbürün yaklaşık 1250–1550 °C aralığında üretilebilmesi
- Geleneksel yüksek sıcaklıklı üretim proseslerine kıyasla enerji ihtiyacının azaltılması potansiyeli
- Yüksek kristallikte nano ve alt mikron boyutlu bor karbür parçacıklarının üretilebilmesi
- Proses parametreleriyle parçacık boyutu ve morfolojisinin kontrol edilebilmesi
- Nihai üründe ek öğütme ihtiyacının azaltılması veya ortadan kaldırılması
- Öğütme ekipmanından kaynaklanabilecek kimyasal kontaminasyon riskinin azaltılması
- Daha düşük maliyetli bor kaynaklarının formülasyona dahil edilebilmesi
- İleri seramik, kompozit ve radyasyon kalkanlama malzemelerine entegrasyona uygun bor karbür üretimi
Uygulama Alanları
- Nötron ve gama radyasyonu kalkanlama malzemeleri
- Hafif radyasyon kalkanlama kompozitleri
- İleri bor karbür seramikler
- Aşınmaya dayanıklı seramik ve kompozit yapılar
- Bor karbür takviyeli polimer, seramik ve diğer kompozit sistemler
- İnce fiber ve tekstil tabanlı koruyucu malzemelere entegre edilebilecek bor karbür katkıları
- Savunma ve balistik koruma malzemeleri
- Nükleer teknoloji ve radyasyon koruma uygulamaları
İlgili Sektörler
- İleri Seramikler
- Nanomalzemeler
- Nükleer Teknolojiler
- Radyasyon Koruma
- Savunma Sanayii
- İleri Kompozitler
- Teknik Tekstiller ve Koruyucu Malzemeler
- Endüstriyel Malzeme Üretimi
Teknoloji Hazırlık Seviyesi ve Doğrulama
Teknoloji Hazırlık Seviyesi: TRL 4
Teknoloji laboratuvar ölçeğinde geliştirilmiş ve bor karbür malzemenin üretimi gerçekleştirilmiştir. Mevcut çalışmalar yüksek saflıkta ve yüksek kristallikte nano boyutlu bor karbür üretiminin laboratuvar ortamında doğrulanmasına dayanmaktadır. Teknoloji halen prototip geliştirme aşamasındadır ve üretimin daha yüksek hacimlere taşınmasına yönelik ölçek büyütme çalışmaları gerekmektedir.
Radyasyon kalkanlama performansına yönelik karşılaştırmalı laboratuvar çalışmaları devam etmektedir. Sağlanan test sonuçlarında patentli yöntemle üretilen malzemenin kullanılan test koşullarında 100 birimlik radyasyonun yaklaşık 80 birimini absorbe ettiği, karşılaştırılan ticari bor karbür sisteminde ise yaklaşık 50 birim seviyesinde absorpsiyon ölçüldüğü bildirilmiştir.
Bu değerler belirli laboratuvar test koşullarına aittir. Radyasyon türü, enerji seviyesi, numune kalınlığı ve test geometrisi gibi parametreler kamuya açık doğrulama verisi olarak sağlanmadığından sonuçlar genel veya ürün seviyesinde bir performans garantisi olarak değerlendirilmemelidir.
Teknolojinin ölçek büyütülmesindeki önemli mühendislik ihtiyaçlarından biri, mevcut fırın tasarımlarının prosese uyarlanmasıdır. Daha yüksek üretim hacimlerine geçiş için fırın tasarımı ve proses ekipmanı konusunda endüstriyel geliştirme ortaklıkları önem taşımaktadır.
Teknoloji TÜBİTAK 1003 Programı kapsamında desteklenen çalışmalar sonucunda geliştirilmiştir.
Fikri Mülkiyet
ABD Patenti: US11912578B2
ABD Patent Yayını: US20210246035A1
Uluslararası Patent Yayını: WO2019240692A1
Uluslararası Başvuru No: PCT/TR2018/050310
Güney Kore Patenti: KR102574046B1
Patent Adı: Düşük Sıcaklıkta Bor Karbür Üretimi İçin Bir Yöntem
Rüçhan / Uluslararası Başvuru Tarihi: 13 Haziran 2018
Uluslararası Yayın Tarihi: 19 Aralık 2019
ABD Patent Tescil Tarihi: 27 Şubat 2024
Başvuru Sahipleri: Sabancı Üniversitesi, SUNUM, Yıldız Teknik Üniversitesi
Koruma / Başvuru Kapsamı: Amerika Birleşik Devletleri, Güney Kore, Türkiye
Ticarileşme Durumu
Teknoloji prototip geliştirme aşamasındadır ve lisanslamaya açıktır. Laboratuvar ölçeğinde doğrulanan üretim yaklaşımının daha yüksek üretim hacimlerine taşınması, mevcut geliştirme sürecinin temel adımlarından biridir.
İş Birliği Olanakları
- Lisanslama
- Bilimsel danışmanlık
- Ortak Ar-Ge ve birlikte geliştirme
- Endüstriyel doğrulama ve pilot uygulamalar
- Horizon Europe ve diğer uluslararası Ar-Ge projelerinde ortaklık
Potansiyel iş ortakları arasında bor karbür ve ileri seramik üreticileri, nükleer ve radyasyon kalkanlama malzemesi geliştiricileri, kompozit üreticileri, savunma sanayii şirketleri ve nano ölçekli seramik tozların endüstriyel üretimiyle ilgilenen kuruluşlar yer alabilir.
Özellikle laboratuvar ölçeğindeki sentezin daha yüksek üretim hacimlerine taşınması için fırın ve termal proses ekipmanı üreticileri önemli geliştirme ortaklarıdır. Fırın geometrisinin ve sıcaklık profilinin üretim yöntemine göre uyarlanması, pilot üretim ve ölçek büyütme çalışmalarında öne çıkan mühendislik konularından biridir.
Buluşçular
Buluşçular: Cengiz Kaya, Figen Kaya
İletişim
Bu teknolojiyle ilgili lisanslama, endüstriyel doğrulama, ortak Ar-Ge veya diğer iş birliği olanakları için Sabancı Üniversitesi Teknoloji Transfer Ofisi (SUATT) ile dpe.suatt@sabanciuniv.edu adresi üzerinden iletişime geçebilirsiniz.