Bor’un Allotropları ve Teknolojideki Uygulamaları

Doğada elementel halde bulunmayan, genellikle oksijene bağlı olarak borik asit, sodyum borat veya kalsiyum borat hâlinde bulunan bor'un ilk kez 1808 yılında elementel olarak elde edilebildiği bilinmektedir. Elementel borun 19 farklı allotropik formu/yapısı rapor edilmiş olsa da bunlardan 5 tânesi kabûl edilebilir kanıtlara dayanmaktadır. Bu yüzden birçok kaynakta bor elementinin 5 farklı allotropik yapısı vardır diye ifâde edilmektedir. Sözü edilen bu yapılardan bir tânesi amorf yapıya sâhipken diğer 4 tânesi kristal yapıya sâhiptir (Şekil 1). 

Şekil 1. Elementel bor ve allotropları

Şekil 1’de gösterilen bor allotropları hep saf olarak kabûl edilmiştir. Fakat α-tetragonal yapısının %100 saf olmadığı, yapısında bulunan karbon, azot gibi elementler sâyesinde kararlılığını koruyabildiği belirlenmişken diğer allotropik yapıların tamâmen saf olduğu bilinmektedir. Ayrıca termodinamik açıdan en kararlı yapı β-rombohedral yapıyken en kararsız olan yapı, amorf bor'dur. Amorf bor yapısı 1200ºC’de β-rombohedral; 1500ºC’de ise α-rombohedral yapısına dönüşmektedir. Tüm allotropik yapıların, ısıtıp soğuttuktan sonra β-rombohedral yapısına dönüştüğü rapor edilmektedir.

Bor elementinin değerlik elektron sayısı, bağ oluşturmak için kullanılabilecek mevcut orbitallerin sayısından daha düşük olduğu için eksik elektron elementi olarak da tanımlanmaktadır. Yâni bor elementinin oktet yapısına sâhip kararlı yapılar oluşturması beklenemez. Kararlı yapıların elde edilmesi husûsunda ise çok merkezli moleküler yapılar oluşturur. Bilhassa bor elementi ve bor bileşikleri katı yapılarda özellikle 12 bor atomu içeren ikozahedral yapıyı tercîh ederler. İkozahedral yapısı platonik cisimler grubunun 5 üyesinden birisidir (Şekil 2). 

Şekil 2. Katı platonik cisimler. 

α-Rombohedral Bor Yapısı

1950 yılında J.S. Kasper ve arkadaşları tarafından yapısı aydınlatılmıştır. İlgili amorf yapıda sâdece ikozahedral bor istiflenmeleri tespit edilmiştir. Her bir ikozahedral yapısı kübik sık istiflenme düzeninde yer almaktadır. İkozahedral yapının her bir köşesinde 12 adet bor elementi bulunmakta olup bu, ikozahedral yapılarda hücre tabanında sık istiflenmiş tabakalar oluşturmaktadır. Tabakada bulunan ikozahedral yapılar üç merkezî bağı oluşturarak çevresinde altı adet diğer ikozahedral yapılar ile küme oluşturmaktadır.

β-Rombohedral Bor Yapısı

Termodinamik açıdan en kararlı bor allotropudur. Yapısı 1960’larda Cornell Üniversitesi'nde bulunan araştırmacılar tarafından aydınlatılmıştır. Fakat ilgili bor yapısı hâlâ araştırmacıların dikkatini çektiği için yapısı hâlen araştırılmakta olup, açıklanan yapıya sonradan ilâve bilgiler de sunulmuştur. Tek kristal X ışınları difraksiyon analizi ile yapısı aydınlatılan β-rombohedral bor, ergimiş amorf bordan elde edilmiştir. Bu bor allotropunda da diğerlerinde olduğu gibi ikozahedral yapısı yapı taşı olarak rol oynamaktadır. α-rombohedral yapıdaki aynı uzay geometrisini kullansa da yapısı karışıktır. Birim hücresinde 105 adet bor atomu bulunan β-rombohedral bor yapısında daha çok B84 ve B10 kümeleri kendini göstermektedir. Özellikle B84 kümesi, merkezde bulunan ikozahedral yapının etrâfında 12 adet yarı ikozahedral yapının yer almasıyla oluşmaktadır.

α-Tetragonal Bor Yapısı

1940’lı yıllarda Laubengayer ve arkadaşları tarafından bu bor yapısı ilk defa tek kristal olarak sentezlenmiştir. Kristallerin sentezi, yüksek sıcaklıklara ısıtılmış tantal filamanlar üzerinde gerçekleşmektedir. 1300 – 1600ºC’ye ısıtılmış filamanların üzerinde bortribromür (BBr3) ve hidrojen gazı (H2) tepkimeye girerek kristal bor elementi elde edilmektedir. İlgili tepkimenin daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmesiyle amorf bor yapısı elde edilmektedir. α-tetragonal bor yapısının birim hücresinde toplamda 50 adet bor atomu bulunmakta olup bunların 48 tânesi ikozahedral yapıdan gelirken 2 tânesi de bor atomunun tek başına bulunmasıyla oluşmaktadır.

β-Tetragonal Bor Yapısı

1960’lı yıllarda Naslain ve arkadaşları tarafından ortaya konulan β-tetragonal bor yapısı, BBr3 ile H2 gazı tantal filamanlar üzerinde tepkimeye sokularak elde edilmektedir. β-tetragonal bor yapısında sekiz adet B12, dört adet B21 ve on adet B atomu bulunmaktadır.

Amorf Bor Yapısı

Amorf bor modifikasyonunda düzenli bir şekilde kendini tekrar eden bir yapı bulunmamaktadır ve ilgili bor atomlarının dağınık bir şekilde durduğu birçok araştırmacı tarafından ortaya konmuştur. Özellikle amorf bor yapısının β-rombohedral yapıya geçişi adım adım incelenmiş olup, 950ºC’de amorf yapının kendini koruduğu anlaşılmıştır. Fakat sıcaklık 1050ºC’ye ulaştığında amorf bor filamanın yüzeyinde kristallerin oluştuğu belirlenmiştir. 30 dakîka boyunca 1050ºC’de tutulan filamanın iç kısımlarında hâlen amorf borun olduğu belirlenmiştir. Yapılan araştırmalar netîcesinde amorf bor yapısının özellikle β-rombohedral yapısına oldukça benzerlik gösterdiği, yapısında çeşitli büyüklüklerde ikozahedral yapının bulunduğu ve bunların da dağınık halde bulunduğu belirlenmiştir.

Yukarıda incelenen bor allotroplarına kimyâcı gözüyle bakıldığında ve elde edilen tecrübeler netîcesinde, elementel borun tepkimeye girme isteğinin, morfolojisine ve tâne büyüklüğüne bağlı olduğu görülmektedir. Genel olarak, kristal halde bulunan bor elementi kolayca tepkimeye girmezken, amorf bor daha kolay bir şekilde tepkimeye girebilmektedir. Oda sıcaklığında ise tüm elementel bor yapılarının tepkimeye girme isteği oldukça zayıftır. Amorf bor yapısı ve bor kristallerine âit bazı tepkime bilgileri Çizelge 1’de verildi. 

Çizelge 1. Kristal ve amorf borun tepkime bilgileri

Kimyâsal

Kristal Bor

Amorf Bor

Hidrojen

-

840ºC’de tepkime gerçekleşir

Oksijen

750ºC’de kararlı

700ºC’de kendiliğinden tepkimeye girer

Klor

550ºC’de tepkimeye girer

400ºC’de tepkimeye girer

Su

100ºC’ye kadar tepkime görülmemektedir

100ºC’de yavaş tepkime gerçekleşir

Seyreltik HNO3

Tepkime yok

Yavaş tepkime

Derişik HNO3

Yavaş Tepkime

Hızlı Tepkime

Laubengayer, elementel borun tepkimeye girme isteğinin çok az olduğunu rapor etmiştir. Yaptığı çalışmalarda elementel borun sıcak HF(sulu) ve HCl(sulu) tarafından etkilenmediği, sıcak nitrik asitle çok yavaş tepkimeye girdiği rapor edilmiştir. Elementel bor, metal ve/veya metal oksitlerle tepkimeye girdiğinde metal borürler, karbon ile bor karbür, azot ile bor nitrür bileşikleri elde edilebilmektedir. Elementel bor kendisi tepkimeye girebileceği gibi bazı durumlarda da ara ajan olarak kullanılabilmektedir. Yapısı gereği çeşitli kimyâsallardan oksijeni çok rahatlıkla çekebilir. Örneğin su buharından 800ºC’de hidrojen ve bor trioksit elde edilebilmekte; karbon monoksitten 1200ºC’de karbon elde edilebilmektedir. 

Bor bileşiklerinin hidrojen ile indirgenmesiyle birlikte yeteri miktarda elementel bor elde edilebilmektedir. Üretim, yüksek sıcaklıklarda uygulanan elektrik artı tüpler ve filamanlar kullanılarak gerçekleşmektedir. Özellikle filamanlar, endüstriyel üretim için oldukça verimli ve uygulanabilirdir. Filaman yöntemi çok eski bir yöntem olup 1911 yılında Weintraub tarafından, 1922 yılında Koref tarafından târif edilmiş günümüzde ise sanâyi ölçeğinde uygulanmaktadır. Söz konusu bu yöntem kimyâsal buhar biriktirme (CVD) yöntemine benzer bir şekildedir. Elementel bor fiberler bu yöntem kullanılarak üretilebilmektedir. Alt tabaka filamanı olarak kullanılan volfram, tantal ve karbon filamanların üzerine bor fiberler oluşmaktadır. Genellikle kalınlığı 12 µm olan volfram filamanlar daha çok tercîh edilmekte olup yerine 25 µm kalınlığında karbon filamanlar da kullanılabilmektedir. Söz konusu bu filamanların kullanılabilmesi için bir takım ön işlemlerden geçirilmesi gerekmektedir. Örneğin volfram filaman kullanılacaksa yaklaşık 1200ºC’de hidrojen ortamında ısıtılarak filaman yüzeyinde bulunan oksit ve diğer maddeler uzaklaştırılır. Karbon filaman kullanımında ise ilgili filaman yaklaşık 1 µm kalınlığında prolitik karbon ile kaplanır. Tepkimenin gerçekleştiği ortamdan belli bir hızda geçen filaman yüzeyinde bor fiberler (Şekil 3) elde edilerek makaraya sarılır. 

Şekil 3.Bor fiberin SEM görüntüsü 

Bu yöntemle yüksek saflıkta ve yüksek miktarda (birkaç ton) bor fiber üretmek mümkündür. Üretilen bor fiberlerin kalınlığı yaklaşık 100–200 µm, yağunluğu ise 2.3–2.6 g/cm3 aralığında olmaktadır. Aynı yöntem kullanılarak amorf bor da elde edilebildiği için bu yöntemde sıcaklık oldukça önemlidir. Bor fiberlerin üretimi için sıcaklığın yaklaşık 1350ºC’de olması gerekmektedir. Bu yöntemle elde edilen bor fiberlerin üstün özellikleri vardır. Önde gelen özellikleri arasında düşük yoğunluğa sâhip olması, yüksek gerilme direncine sâhip olması ve yüksek sertliğe sâhip olmasıdır. Bor fiberlerin sertliği cam elyâfın sertliğinin yaklaşık beş katıdır. Ayrıca bor fiberler kimyâsallara, UV-ışınlarına ve mikroorganizmaya karşı dirence sâhiptir. Yüksek ısı kapasitesine sâhip olması aşırı sıcaklık gerektiren malzeme üretiminde, bu tür uygulamalar için kompozit malzeme üretiminde önemli rol oynar. Bu tür kompozit malzemeler de hava araçları ve uzay gemilerinde kullanılır. Bazı fiberlerin mekanik özellikleri ile bor fiberin mekanik özelliği Çizelge 2’de karşılaştırıldı.

Çizelge 2. Bazı fiberlerin mekanik özellikleri

Fiber

Çapı (µm)

Yoğunluk (g/cm3)

Çekme Dayanımı (GPa)

Çekme (GPa)

Bor

50 – 200

2.60

3.44

407

Cam

8 – 14

2.54

3.45

72

HS Karbon

7

1.76

3.53

230

Polietilen

10 – 12

0.97

2.7

87 

Çizelge 2’de de görüleceği gibi bor fiberlerin üstün özellikleri vardır. Lâkin bu konuda bulunan en büyük dezavantajı mâliyetidir. Çok yüksek mâliyete sâhip olan bor fiber olup, en ucuz üretimi olan ise cam fiberlerdir. Mâliyeti azalmak adına bor fiber kompozit malzemeler üretilmektedir. Örneğin bor fiber–epoksi kompozit malzemesi, bor fiber–karbon fiber ve epoksi kompoziti üretilerek hem mâliyet düşürülmekte hem de istenilen özellikte materyaller üretilebilmektedir. 

Kullanım alanları açısından bakıldığında amorf borun daha çeşitli alanlarda ve yüksek miktarlarda kullanıldığı görülmektedir. Elementel borun öne çıkan ve dikkat çeken kullanım alanları aşağıda verilmiştir:

• Otomobil hava yastıklarında enerji kaynağı olarak,
• Kompozit takviye malzemesi olarak,
• Piroteknik karışımlarda ve roket yakıtlarında,
• Nükleer teknolojide,
• Ferrobor üretiminde. 

Amorf borun -çoğu insanın bilmediği- en önemli kullanım alanı, otomobil hava yastıklarıdır. Bu hava yastıkları çarpışma ve kazâ anında hızlı bir şekilde şişen emniyet sistemidir. Yastığı şişiren gaz azot gazı olup, azot gazının (N2) üretiminde ise sodyum azit (NaN3) kullanılmaktadır.

Yukarıda sözü edilen tepkimenin gerçekleşmesi için yüksek sıcaklığa ihtiyaç duyulmaktadır. 300ºC’nin üstünde gerçekleşen tepkimenin başlaması için anlaşılacağı üzere yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Bu noktada ise yüksek enerji çıkararak yandığı bilinen amorf bor başlatıcı olarak kullanılmaktadır. Bor ile birlikte nitrat kaynağı da kullanılır. Bir elektrik sinyali ile oluşturulacak kıvılcım ile bor ve nitrat bileşiği tepkimeye girmektedir. Açığa çıkan enerji sodyum azidin bozunarak azot gazının oluşmasını ve hava yastıklarının hızlı bir şekilde şişmesini sağlamaktadır. 

Üretilen bor fiberler, plastik, metal ve seramik matrisleri içeren kompozitlere takviye amaçlı kullanılmaktadır. Genellikle bor içeren kompozit malzemeler yüksek sıcaklık direnci, hafiflik, esneklik, kolay işlenebilirlik gibi üstün özelliklere sâhiptir. Ayrıca ana malzemenin mukāvemet ve sertliği yüksek derecede artmaktadır. Bor filaman takviyeli kompozitlerin en önemli kullanım alanları günümüzde havacılık sanayiidir. Günümüzde F15 savaş uçağının yatay ve dikey stabilizerinde, F14 savaş uçağının yatay stabilizerinde, B1 bombardıman uçağının dorsal lonjeronunda ve space shuttle uzay mekiğinin yapısal tüplerinde bor fiber kompozit malzemelerin kullanıldığı bilinmektedir. 

Nükleer teknoloji alanında elementel bor nötron soğurucu veya nötron zehiri olarak kullanılabilmektedir. Fakat elementel borun mekanik zayıflığı mevcuttur. Bu sorunun üstesinden gelmek için bor içeren çelikler ve bor karbürler tercîh edilmektedir. 

Sonuç olarak, üretimi oldukça mâliyetli olsa da bor, uygulama husûsunda birçok üstün özellik sunmaktadır. Bu bölümde bahsettiğimiz sâdece elementel borun üretimi ve kullanım alanlarıdır. Ama ülkemizde mevcut olan bor’un bizleri şaşırtacak daha birçok kullanımı alanı vardır. Nanobor’un sunduğu özellikler günümüz taleplerini karşılayabilir mi? Bu soruyla birlikte bor nano-teknolojisi ve uygulama alanları aklımıza gelmektedir. Rabbim ilmiyle bizleri nurlandırsın, ülkemize ve ümmete hayırlı vazîfeler yapmamızı nasîp etsin… 

Kaynaklar

Yünlü, K. (2016). Bor: Bileşikleri, Sentez Yöntemleri, Özellikleri, Uygulamaları. Ankara: BOREN.

Schwartz, R. T., & Schwartz, H. S. (1967). Characteristics of boron fibers and boron-fiber-reinforced plastic composites. AIAA Journal, 5(2), 289-295.

Schuerch, H. (1966). Prediction of compressive strength in uniaxial boron fiber-metal matrix composite materials. AIAA journal, 4(1), 102-106.

Görgün, D. E., Kumartaşlı, S., Avinc, O., & Atar, N. (2021). Boron fibers and their applications. Text. Sci. Econ, 56.

Chang, P. Y., Yeh, P. C., & Yang, J. M. (2008). Fatigue crack initiation in hybrid boron/glass/aluminum fiber metal laminates. Materials Science and Engineering: A, 496(1-2), 273-280.

Burningham, N. W., & Rumpel, W. F. (1967). Properties of boron fibers and composites. Polymer Engineering & Science, 7(2), 124-127.

DiCarlo, J. A. (1978, January). Mechanical and physical properties of modern boron fibers. In Intern. Conf. on Composite Mater. (No. NASA-TM-73882).

Temmuz 2024, sayfa no: 66-67-68-69-70-71