Geri Dön

Elektrik kontak malzemeler için grafen oksit takviyeli kompozit malzemeler

Go-reinforced composite materials for electrical contact applications

PDF İndir

  1. Tez No: 987972
  2. Yazar: GÜLDEN ATALAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HATEM AKBULUT, DOÇ. DR. MEHMET UYSAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Son yıllarda elektronik sistemler, enerji depolama teknolojileri ve ulaşım sektörlerinde yaşanan hızlı gelişmeler, çok işlevli, yüksek performanslı ve sürdürülebilir mühendislik malzemelerine olan ihtiyacı büyük ölçüde artırmıştır. Özellikle elektrik kontak malzemeleri, bir sistemin güvenilirliği, verimliliği ve uzun ömürlülüğü açısından kritik bileşenler arasında yer almaktadır. Bu tür malzemelerde hem yüksek elektriksel iletkenlik hem de yüksek mekanik dayanımın bir arada bulunması beklenmektedir. Gümüş ve altın, mükemmel iletkenlik özellikleri göstermelerine rağmen yüksek maliyetleri nedeniyle endüstriyel uygulamalarda sınırlı kullanılmaktadır. Buna karşın, bakır ekonomik oluşu, kolay işlenebilirliği ve yüksek iletkenliği sayesinde tercih edilen en yaygın metalik iletkenlerden biridir. Ancak saf bakır, düşük sertlik ve sınırlı korozyon direnci nedeniyle yüksek akım altında oksitlenme, aşınma ve yüzey deformasyonu gibi problemlere maruz kalmaktadır. Bu sorunlar, özellikle uzun süreli çalışma koşullarında sistem performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu çalışmada, söz konusu dezavantajların giderilmesi amacıyla grafen oksit (GO) takviyesi ile güçlendirilmiş bakır kompozit kaplamalar (Cu-GO) akımlı kaplama yöntemiyle üretilmiştir. GO, geniş yüzey alanı, yüksek mekanik dayanım, kimyasal kararlılık ve katı yağlayıcı özellikleri sayesinde metal matris kompozitlerde dikkat çekici bir takviye fazı olarak öne çıkmaktadır. Bu özellikleri sayesinde GO, bakır matris içerisinde homojen olarak dağılmış, böylece kaplamanın mikro yapısal bütünlüğünü güçlendirmiş ve yüzey özelliklerini iyileştirmiştir. Üretilen Cu-GO kaplamaların FESEM görüntüleri, GO ilavesiyle birlikte tane incelmesinin meydana geldiğini, yüzeyin daha yoğun ve düzgün bir morfoloji kazandığını göstermiştir. XRD analizleri, grafen oksidin kristal yapı içinde tane büyümesini engelleyici etki gösterdiğini, bu sayede kristalit boyutunun küçüldüğünü ve iç gerilmelerin azaldığını ortaya koymuştur. Williamson-Hall analizi sonucunda en düşük mikrogerinim değerinin 0,5 A akım yoğunluğunda üretilen CuGO2 numunesinde elde edildiği belirlenmiştir. Nanoindentasyon testleri, aynı numunenin 2,53 GPa sertlik ve 282 GPa elastik modül ile en iyi mekanik performansı gösterdiğini doğrulamıştır. EIS (Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi) test sonuçları, GO takviyesinin kaplama yapısında koruyucu bir bariyer tabakası oluşturarak elektrokimyasal reaksiyonları yavaşlattığını ve korozyon direncini artırdığını ortaya koymuştur. Ayrıca tribolojik testlerde, GO takviyesiyle birlikte sürtünme katsayısının (COF) 0,26'ya, aşınma hızının ise 2,82×10⁻⁵ mm³/N·m seviyesine kadar düştüğü tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, GO'nun tabakalı yapısı sayesinde yüzeyde katı yağlayıcı bir film oluşturduğunu ve temas yüzeyindeki sürtünmeyi azalttığını göstermektedir. Özet olarak, GO takviyeli Cu kompozit kaplamalar; yüksek iletkenlik, gelişmiş mekanik dayanım, düşük aşınma oranı ve üstün korozyon direnciyle, elektrik kontak malzemeleri için yüksek performanslı ve ekonomik bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışma, mikroelektronik, otomotiv, savunma ve enerji sektörlerinde kullanılabilecek, çevresel açıdan sürdürülebilir yeni nesil Cu-GO kompozit kaplama teknolojilerine önemli bir katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

The continuous advancement of modern technology, particularly in electronics, energy systems, and electrical engineering, has increased the need for materials that combine high electrical conductivity, mechanical robustness, and environmental stability. Electrical contact materials play a crucial role in determining the reliability, performance, and lifetime of electromechanical systems, as they must endure severe operating conditions such as high current density, elevated temperature, and corrosive atmospheres. Copper is one of the most commonly used metals in this field owing to its outstanding electrical and thermal conductivity, excellent formability, and relatively low cost compared with noble metals such as silver and gold. However, the inherent softness and chemical reactivity of pure copper significantly limit its long-term functionality. Under conditions of high current flow and temperature, copper tends to oxidize rapidly, which leads to an increase in electrical resistance, surface degradation, and contact failure. This issue has motivated intensive research into copper-based composite coatings that can retain the electrical advantages of copper while improving its mechanical and corrosion performance. In this study, graphene oxide (GO), a two-dimensional carbon nanomaterial derived from the oxidation of graphite, was incorporated into a copper matrix to form Cu–GO composite coatings using an electrochemical (current-assisted) deposition method. GO exhibits a unique combination of large surface area, excellent chemical stability, high mechanical strength, and the presence of oxygen-containing functional groups that promote good dispersibility in aqueous electrolytes and strong interfacial bonding with metallic matrices. By integrating GO within copper coatings, it was anticipated that the mechanical and tribological performance of the copper surface could be significantly improved through mechanisms such as grain refinement, dislocation pinning, and solid lubrication, while the oxygen barrier effect of GO could enhance corrosion resistance. The coatings were fabricated via pulse electroplating under different current densities (0.25, 0.5, and 1 A/cm²) using an electrolyte containing CuSO₄·5H₂O, H₂SO₄, and sodium dodecyl sulfate as a surfactant, with a GO concentration of 0.15 g/L. Prior to deposition, the GO particles were dispersed in the electrolyte by mechanical stirring followed by ultrasonication to minimize agglomeration. Steel substrates (St37) served as cathodes and copper plates as anodes. The coatings were designated as CuGO0 (pure Cu), CuGO1 (GO-reinforced at 0.25 A/cm²), CuGO2 (GO-reinforced at 0.5 A/cm²), and CuGO3 (GO-reinforced at 1 A/cm²). The structural, microstructural, and mechanical features of the coatings were systematically characterized using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM), Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), and X-ray Diffraction (XRD). Mechanical and tribological tests were performed via nanoindentation and ball-on-disc wear testing, respectively, while Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was employed to evaluate corrosion behavior in 3.5 wt% NaCl solution. FESEM analysis revealed that GO incorporation substantially modified the surface morphology and grain structure of the electrodeposited coatings. The pure copper coating exhibited a relatively coarse and nodular surface with irregular grain boundaries, whereas the addition of GO resulted in the formation of finer grains due to the creation of additional heterogeneous nucleation sites on the cathode surface. At an optimum current density of 0.5 A/cm² (CuGO2), the coating displayed a compact, uniform, and defect-free microstructure with the most homogeneous GO distribution. Conversely, increasing the current density to 1 A/cm² (CuGO3) led to local GO agglomerations and irregular grain growth due to excessive deposition rates. XRD patterns confirmed the face-centered cubic (fcc) structure of copper, with dominant reflections from (111), (200), and (220) planes. The incorporation of GO caused a reduction in peak intensity and an increase in the full width at half maximum (FWHM), implying lattice strain and crystallite size refinement. The Williamson–Hall analysis indicated that internal microstrain reached its minimum value at 0.5 A/cm², correlating with the finest crystallite size (~50 nm). These structural changes confirmed that GO effectively restricted excessive crystal growth by hindering dislocation movement and promoting a dense, refined grain structure. Mechanical characterization by nanoindentation demonstrated a remarkable enhancement in hardness and elastic modulus with GO reinforcement. The hardness increased from 1.4 GPa for pure Cu (CuGO0) to 2.53 GPa for CuGO2, while the elastic modulus improved from 212 GPa to 282 GPa. The enhancement was attributed to the synergistic effects of grain refinement and load transfer between the copper matrix and the well-dispersed GO sheets. However, further increasing the current density to 1 A/cm² resulted in a slight reduction in hardness (2.1 GPa) and modulus (256 GPa) due to the appearance of microvoids and structural defects caused by rapid metal ion deposition. Electrochemical analysis revealed that the addition of GO dramatically enhanced corrosion resistance. The EIS spectra exhibited larger capacitive loops and higher charge transfer resistance (Rct) for the GO-containing coatings compared to pure copper, confirming that GO acts as an efficient physical barrier that restricts the diffusion of chloride ions and retards electrochemical reactions. Among the tested samples, CuGO2 demonstrated the best corrosion resistance due to its uniform microstructure and well-dispersed GO network, which effectively reduced electrolyte penetration through the coating. Tribological tests performed under a 2 N load and a sliding speed of 0.1 m/s revealed that GO incorporation substantially reduced both the coefficient of friction (COF) and the wear rate. The COF decreased from 0.51 for CuGO0 to 0.26 for CuGO2, while the wear rate was reduced from 4.1 × 10⁻⁵ mm³/N·m to 2.82 × 10⁻⁵ mm³/N·m. These results were attributed to the formation of a continuous GO-based tribofilm on the surface, which acted as a solid lubricant minimizing adhesive and abrasive wear. Furthermore, the increase in hardness and structural compactness contributed to reduced material removal during sliding. The highest current density (1 A/cm²) again led to slight deterioration due to non-uniform GO distribution and localized surface roughness. The overall results indicated that the synergistic interaction between copper and GO generated coatings with enhanced microstructural integrity, mechanical strength, and corrosion protection without compromising electrical conductivity. The optimum coating, CuGO2, combined the advantages of a refined microstructure, high hardness and modulus, low friction coefficient, and superior electrochemical stability. The study also highlighted the importance of controlling deposition parameters such as current density, duty cycle, and GO dispersion to achieve consistent coating quality. In summary, the incorporation of graphene oxide into electrodeposited copper coatings significantly improved their tribological and electrochemical behavior. GO not only functioned as a strengthening and lubricating phase but also acted as a barrier layer that prevented corrosion initiation and propagation. The findings confirm that GO-reinforced Cu coatings can serve as promising, cost-effective, and environmentally sustainable alternatives to traditional copper coatings in electrical contact applications. Such coatings can extend the service life of components operating in aggressive environments while maintaining excellent electrical performance. The present research provides valuable insight into the design of multifunctional metal–carbon nanocomposite coatings, offering potential applications across a wide range of industries including microelectronics, energy transmission, automotive systems, and defense technologies. By combining superior conductivity, wear resistance, and corrosion protection, the developed Cu–GO coatings represent a significant advancement toward next-generation functional materials for sustainable engineering systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    664597

    Grafen katkılı CuCr1Zr kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of graphene added CuCr1Zr composite material

    NİDA KURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Metalurji MühendisliğiSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KUL

  2. Tez No

    831726

    Reduced graphene oxide/polyaniline ph sensor based on hybrid microfabrication and flexible electronics processes

    Hibrit mikrofabrikasyon ve esnek elektronik proseslere dayalı indirgenmiş grafen oksit/polianilin ph sensörü

    MARYAM SEPEHRI GOHAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT KAYA YAPICI

  3. Tez No

    575284

    Karbon nanotüp (KNT) ve grafen takviyeli bakır matrisli nanohibrit kompozitlerin üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

    Investigation and comparison of the properties of carbon nano tube and grafen reinforced copper matrix nano-hybrid composites

    HARUN KATMER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER GÜLER

  4. Tez No

    853085

    Exploring the potential of graphene and MoS2/graphene channels with MXene contacts in fet structures

    Fet yapılarında grafen ve MoS2/graphene kanallarının MXene kontakları ıle potansıyelının keşfi

    OZAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FERİDUN AY

  5. Tez No

    633275

    Atomic force microscopy experiments on atomically thinmaterials

    Atomik incelikteki malzemelerde atomik kuvvet mikroskobu deneyleri

    ALİ SHERAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DR. TALİP SERKAN KASIRGA

Geri Dön