Endüstriyel Bakır Atıklarından Kristal Dünyasına: Scherrer Hesaplamalarının Anlamı

Endüstriyel üretim hattında bir torna tezgâhından çıkan bakır talaşı, genellikle hurda olarak görülür. Ama bu çalışma, o küçük metal parçalarının içinde saklı atomik düzeni yeniden okuyarak onları yeni bir metal külçeye dönüştürmenin mümkün olduğunu kanıtladı.

YE Benkli, MU Korkmaz – 2025

Bu dönüşümün kalbinde, Scherrer tabanlı XRD analizleri yer aldı.
Amaç yalnızca kristalit boyutlarını ölçmek değil, katı hâl sinterleme süreci boyunca atomların nasıl davrandığını anlamaktı.

Neden Yapıldı?

Klasik toz metalurjisi yöntemleri yüksek basınç, uzun sinterleme süresi ve pahalı yüzey temizleme adımları gerektirir.
Bu çalışmadaysa 7 bar gibi düşük bir basınç ve sadece 5 dakikalık kısa sinterleme süresi kullanılarak, bakır talaşlarından doğrudan külçe üretimi hedeflendi.

Bu kadar kısa sürede atomlar nasıl yeniden düzenleniyor?

İşte burada X-ışını kırınımı (XRD) verileri devreye girdi. Her pik, sinterleme sırasında bakır kristallerinde yaşanan küçük ama anlamlı değişimleri fısıldıyordu.

Nasıl Yapıldı?

Bakır talaşlarından üretilen numunelerin XRD desenleri 43.3°, 50.4°, 74.1°, 89.9° ve 95.1° civarında belirgin beş pike sahipti — bunlar sırasıyla Cu (FCC) yapısına ve az miktarda CuO, Cu₂O ve CuFeO₂ fazlarına karşılık geliyordu.

Her pik, farklı bir atomik düzen düzlemini (hkl) temsil ettiği için, pik genişliği (FWHM) kullanılarak kristalit boyutu hesaplandı.
Veriler, yalnızca temel bakır fazını değil, oksitlenmiş bölgelerin davranışını da ortaya koyacak şekilde modellendi.

Ancak burada dikkat çekici olan, Scherrer hesabının tek başına kullanılmamasıydı.
Burada, pikin şekil özelliklerini daha doğru yansıtmak için Gauss, Lorentz ve Voigt fonksiyonları kullanıldı.
Bu sayede kristal boyutu hesapları yalnızca geometrik değil, aynı zamanda fiziksel gerçekliğe de yakın sonuçlar verdi.

Ne Bulundu?

Voigt modeli, pikin hem genişliğini hem de şeklini birlikte değerlendirdiği için en gerçekçi sonucu verdi.
Bu değerler, kısa süreli sinterleme sırasında difüzyonun etkin olduğunu ama yeniden kristalleşmenin sınırlı kaldığını gösteriyor.

Aynı analiz, 95.14° piki (CuFeO₂ fazı) için yalnızca ~115 nm kristalit boyutu verdi.
Bu fark, oksit fazlarının iç gerilim taşıdığını ve tane sınırlarında difüzyonun daha kısıtlı olduğunu gösteriyor.

Mikrogerinim ve Kusur Yoğunluğu

Kristalit boyutlarıyla birlikte mikrogerinim (ε) değerleri de Voigt modelinden elde edildi.
43.32° piki için ε ≈ 0.0053, 95.14° piki içinse ε ≈ 0.0041 bulundu.

Bu değerler çok düşük – yani sinterleme sonrasında iç gerilmelerin önemli ölçüde azaldığını gösteriyor.
Ayrıca, dislokasyon yoğunluğu hesapları (3×10⁻⁵–8×10⁻⁵ nm⁻² aralığında) kristal içinde kusurların dengeli dağıldığını ispatladı.
Sonuçta ortaya çıkan tablo, mikroyapısal olarak homojen ama tamamen oksitsiz olmayan bir bakır külçeydi — bu da kısa sürede gerçekleşen difüzyon-temelli bağ oluşumunun ispatıydı.

Ne Anlama Geliyor?

Kısa sinterleme süresi boyunca difüzyonun baskın olması, tane sınırlarının etkin şekilde birleşmesini sağladı.
Ancak sürenin kısa olması, tam yoğunlaşmayı engelledi — bu da SEM görüntülerinde %38,7 porozite oranı olarak karşımıza çıktı.

Yine de XRD verilerindeki dar pikler, bu gözeneklerin kristal düzenini bozmadığını, aksine enerji verimliliği yüksek bir sinterleme rejiminin mümkün olduğunu gösterdi.
Voigt yöntemiyle elde edilen 100–180 nm aralığındaki kristalit boyutları, bakırın atomik düzeyde yeniden örgütlenmesinin başarıyla tamamlandığını ortaya koydu.