Tài liệu Công nghệ chế tạo compozit nền cu – cốt hạt nano tic. (tt)

A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Lý do lựa chọn đề tài Đồng (Cu) là kim loại có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Nó được ứng dụng rộng rãi trong vật liệu kỹ thuật điện. Tuy nhiên, do độ bền, độ cứng và khả năng chịu mài mòn không cao làm hạn chế khả năng sử dụng của chúng. Vấn đề nâng cao cơ tính của đồng đã được nhiều nhà nghiên cứu về vật liệu trong và ngoài nước quan tâm theo hướng hợp kim hóa hoặc làm nền để chế tạo compozit. Cacbit titan (TiC) là một trong những cacbit có cơ tính cao, chịu nhiệt tốt và bền trong môi trường ăn mòn. Khả năng hóa bền nền Cu bằng các hạt nano TiC là một hướng nghiên cứu rất có triển vọng. Trong những năm gần đây, đã hình thành hướng chế tạo các nanocompozit nền kim loại (NMMCs) siêu nhẹ, siêu bền, siêu cứng đáp ứng nhu cầu ngày càng phong phú của vật liệu. Về mặt công nghệ, tính chất của NMMCs còn phụ thuộc mạnh vào sự phân bố, liên kết giữa nền - cốt. Với compozit cốt hạt phương pháp thích hợp nhất để đảm bảo các tính chất trên là phương pháp luyện kim bột. Tuy nhiên, phương này cho sản phẩm với mật độ chưa cao (độ xốp còn khoảng 5÷10%) nên phương pháp ép đùn sản phẩm sau thiêu kết được chọn để khắc phục hạn chế đó. Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu, với mong muốn làm sáng tỏ một số cơ sở lý thuyết của công nghệ, vấn đề “Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC” là đề tài được lựa chọn giải quyết trong bản luận án này. 2. Mục đích của luận án Mục đích của bản luận án là xác định (bước đầu) quy trình công nghệ chế tạo, khảo sát một số tính chất của vật liệu nhận được. Để đạt được mục đích đó, chúng tôi tiến hành các bước cụ thể như sau:  Tổng quan về compozit nền kim loại (MMCs) và compozit cốt hạt nano.  Ứng dụng công nghệ tổng hợp TiC từ TiO2 và cacbon.  Tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng công nghệ luyện kim bột.  Nghiên cứu cơ chế hóa bền (thiêu kết và biến dạng) nền Cu bằng nano TiC.  Khảo sát tính chất cơ - lý của vật liệu nhận được. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Chế tạo bột TiC kích thước nano bằng phương pháp cơ - nhiệt.  Nghiên cứu chế tạo compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện kim bột (quá trình tạo hình và thiêu kết)  Nghiên cứu sự ảnh hưởng của ép đùn nguội đến cơ lý tính của compozit [1]  Xác định phạm vi ứng dụng của vật liệu 4. Phƣơng pháp nghiên cứu  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: căn cứ vào các tài liệu đã công bố trên thế giới về vấn đề quan tâm và các tài liệu, luận án đã được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Luyện kim bột về vấn đề tổng hợp NMMCs.  Nghiên cứu thực nghiệm  Chế tạo nano TiC từ công nghệ đã được xác định tại Phòng thí nghiệm Luyện kim bột - Bộ môn Vật liệu kim loại màu & compozit.  Tạo hình và thiêu kết compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.  Nghiên cứu sự biến dạng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.  Phương pháp kế hoạch hoá toán học.  Các phương pháp phân tích, kiểm tra.  Sử dụng và so sánh các dữ liệu đối chứng 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Nghiên cứu công nghệ chế tạo nanocompozit nền kim loại là hướng nghiên cứu tiếp cận với các công nghệ sản xuất vật liệu tiên tiến trên thế giới và có tiềm năng ứng dụng trong thực tế.  Loại vật liệu này cụ thể là compozit nền Cu cốt hạt nano TiC dùng cho ngành kỹ thuật điện chưa được đề cập tới trong nước và đang được quan tâm nhiều ở các nước có nền công nghiệp phát triển.  Có khả năng triển khai trong thực tiễn sản xuất các loại vật liệu có đồng thời hai tính chất: cơ tính và tính dẫn điện.  Việc tạo hình và thiêu kết vật liệu có kích thước nano chưa được nghiên cứu kỹ. Các kết luận và lý giải của luận án về quá trình này là đóng góp cơ sở lý thuyết cho quá trình thiêu kết.  Biến dạng bằng phương pháp ép đùn và phân bố biến dạng khi ép đùn bước đầu được đề cập tới. 6. Những kết quả đạt đƣợc và những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu công nghệ tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt TiC kích thước nano là hướng nghiên cứu hiện đại, lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam và mới có một vài công bố trên thế giới. Chế tạo được TiC kích thước nano bằng phương pháp nghiền năng lượng cao - nhiệt. Việc giảm kích thước hạt bột bằng phương pháp nghiền làm tăng khả năng hóa bền nền kim loại nâng cao cơ lý tính của sản phẩm. Ứng dụng công nghệ ép đùn nguội làm tăng mật độ, nâng cao cơ lý tính của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Ảnh hưởng của quá trình biến dạng lên lớp bề [2] mặt vật liệu dẫn đến các tinh thể Cu được kéo dài, định hướng còn các hạt TiC được mịn hóa làm tăng tính dẫn điện của vât liệu. Làm rõ quá trình thiêu kết và ảnh hưởng của nano TiC đến cơ lý tính của compozit góp phần làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán khi thiêu kết loại vật liệu này. B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƢƠNG I. COMPOZIT NỀN KIM LOẠI - KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 1.1. Khái niệm về compozit nền kim loại (MMCs) Compozit nền kim loại là loại vật liệu mà trong đó một kim loại được kết hợp với vật liệu khác, thông thường không phải là kim loại, để cho ta vật liệu mới có những đặc tính kỹ thuật hấp dẫn riêng của nó. Compozit nền đồng, compozit dạng lớp, compozit dẫn điện tốt, compozit kích thước nano, kim loại xốp vi mô và compozit sinh học đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng rộng rãi. 1.2. Tính chất của MMCs Tính chất cơ, tính chất kiểm soát nhiệt, đặc tính cho các thiết bị chính xác cao và đặc tính chịu mài mòn của MMCs. Đặc biệt khả năng tập hợp nhiều tính chất cùng một vật liệu làm mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. 1.3. Công nghệ chế tạo MMCs Quy trình công nghệ chế Vật liệu nền Kết hợp Vật liệu cốt tạo MMCs thực hiện theo sơ đồ hình 1.9. Xử lí nhiệt Tùy thuộc vào trạng thái kết hợp nền-cốt mà có các Gia công cơ phương pháp chế tạo khác nhau:  Phương pháp chế tạo ở pha rắn. Sản phẩm  Phương pháp chế tạo pha lỏng.  Phương pháp lắng đọng. Hình 1.9: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo vật  Phương pháp In-situ. liệu MMCs Phương pháp luyện kim bột là một phương pháp chế tạo ở pha rắn tương đối đơn giản và được sử dụng rộng rãi, hơn 60% sản phẩm MMCs được sản xuất bằng phương pháp này, nên tác giả đã sử dụng phương pháp luyện kim bột để ứng dụng trong quá trình nghiên cứu. 1.4. Ứng dụng vật liệu MMCs trong chế tạo tiếp điểm điện Vật liệu tiếp điểm điện để chế tạo các chi tiết thiết bị điện, có tác dụng cho dòng điện đi qua trong một thời gian ngắn và cắt mạch, nó có ý nghĩa điều khiển vận hành các thiết bị sử dụng điện năng. [3] Tiếp điểm điện làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt: tải trọng lớn, chịu dòng điện lớn, nhiệt độ hồ quang cao,… Ngoài ra, nó còn tiếp xúc với môi trường không khí nên dễ bị ăn mòn và tạo ra một lớp sản phẩm ăn mòn bao phủ trên bề mặt của tiếp điểm, làm giảm tính dẫn điện và điện trở tiếp xúc tăng lên. Ngoài ra, tiếp điểm còn chịu sự xói mòn do tia lửa điện xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc khi đóng ngắt mạch điện. Vật liệu đòi hỏi nhiều tính chất đồng thời như vậy chỉ có khả năng là vật liệu compozit. CHƢƠNG II. VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN KIM LOẠI 2.1. Vật liệu nanocompozit nền kim loại (NMMCs) Sự phát triển của bột kích thước nano và vật liệu cấu trúc nano được hiểu là hạt có kích thước (ít nhất một chiều) dưới 100 nm đã mở ra xu hướng mới - xu hướng phát triển của vật liệu nanocompozit. NMMCs khác với compozit nền kim loại truyền thống do các pha nano trong vật liệu tạo sự tương tác mạnh quanh biên giới hạt. NMMCs có cơ tính và từ tính vượt trội so với các compozit truyền thống. - Tăng độ cứng, độ bền và tính siêu dẻo. - Nhiệt độ nóng chảy thấp - Tăng điện trở nhờ sự mất trật tự các hạt bề mặt - Tăng khả năng trộn lẫn của các thành phần không cân bằng. 2.2. Nguyên lý hóa bền của NMMCs cốt hạt Mục đích nghiên cứu của đề tài là tăng độ bền của vật liệu bằng cách giảm kích thước của hạt bột hóa bền cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán là cần thiết. Nguyên tắc chung của việc hóa bền chính là sự cản trở của lệch. Cốt hạt với kích thước nano tạo ra trong nền xung quanh nó một trường ứng suất dư, phân bố đồng đều làm hiệu quả ngăn chuyển động của lệch được phát huy cao độ. 2.3. Công nghệ chế tạo NMMCs NMMCs nhận được từ các hạt hóa bền phân tán có kích thước nano và các hạt kim loại (hợp kim) đóng vai trò pha nền, liên kết các hạt hóa bền đó. Công nghệ luyện kim bột được sử dụng chủ yếu với hai công đoạn chính là tạo hình và thiêu kết với các đặc trưng khác biệt. Bột kim loại dưới 100 nm có bề mặt riêng lớn. Bên cạnh đó, với kích thước nhỏ mịn nội năng của bột cũng tăng lên làm xuất hiện hiện tượng kết tụ tự nhiên giữa các hạt bột. Các điều đó vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa ngăn trở quá trình tạo hình vật liệu này. Thiêu kết là quá trình liên kết các hạt bột thành khối cấu trúc rắn nhờ năng lượng nhiệt. Các quá trình xảy ra khi thiêu kết: [4] - Liên kết các hạt bột và phát triển miền tiếp xúc - Quá trình co và đóng các lỗ xốp Cầu hóa lỗ xốp Xít chặt và co các lỗ xốp Phát triển hạt và lỗ xốp CHƢƠNG III. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện kim bột (tạo hình - thiêu kết). - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của ép đùn nguội đến cơ lý tính của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. 3.2. Quy trình và phƣơng pháp nghiên cứu 3.3. Nguyên vật liệu Bột Cu Bột TiC Trộn Tạo hình, thiêu kết Ép đùn Kiểm tra vật liệu Hình 3.2: Ảnh SEM của bột Cu Hình 3.1: Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột Cu Nguyên tố Cu Fe Ag Sn, Sb P khác Hàm lượng ,% 99.9 0.01 0.005 0.01 0.005 còn lại Bột TiC được tổng hợp từ TiO2 và muội than bằng phương pháp cơ - nhiệt theo nguyên lý sau: MA TiO2 + C 1200 ÷ 1400 oC TiOxCy [5] TiC + CO VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau TiC - I2-ML d=2.1628 800 700 500 d=2.4979 400 d=1.5284 Lin (Cps) 600 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Hoang-DHBK-TiC-I2-ML.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 08/09/11 17:34:40 32-1383 (*) - Khamrabaevite, syn - TiC - Y: 67.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.4: Sự giảm kích thước hạt theo thời gian nghiền Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp TiO2 và muội than sau khi tổng hợp 10 giờ 20 giờ 30 giờ Hình 3.7: Ảnh SEM mẫu TiC qua các thời gian nghiền khác nhau [6] 70 Intensity (a.u.) Cu 5% TiC 4% TiC 3% TiC 2% TiC 1% TiC 20 30 40 50 60 70 80 10 m 2 (deg) Hình 3.9: Ảnh SEM của hỗn hợp bột Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn Cu-3% TiC sau trộn hợp bột Cu-TiC sau trộn 3.3. Quá trình ép tạo hình và thiêu kết sơ bộ Ép trụ ngang Thiêu kết Sản phẩm Kích thước Φ ≤ 9 Ép đùn Kích thước Φ < 7 Sản phẩm Hình 3.11: Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Kết luận chƣơng III - Trong chương này đã trình bày quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện kim bột truyền thống và kết hợp với phương pháp ép đùn nguội. - Đã chế tạo nano TiC phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế tạo. - Trình bày các phép đo nghiên cứu tính chất của vật liệu và các thiết bị có độ tin cậy cao sẽ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Các kết quả thực nghiệm sẽ được phân tích và bàn luận trong các chương tiếp theo. [7] CHƢƠNG IV. CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT NANO TiC 4.1. Quy hoạch thực nghiệm Các yếu tố ảnh hƣởng: Z1 Z1: Hàm lượng TiC (%); Z2: Thời gian nghiền TiC (giờ); Z3: Nhiệt độ thiêu kết (oC). Z2 Z3 Các nhân tố khảo sát: Tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Hình 4.1: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu Y1: Độ xốp (%); Y2: Điện trở suất (10-5cm); Y3: Độ cứng (HV); Y4: Độ bền kéo (MPa); Y5: Độ bền nén (MPa). Vùng khảo sát: - Hàm lượng TiC: - Thời gian nghiền TiC: - Nhiệt độ thiêu kết: 2÷4% 10÷30 giờ 850÷950 oC. Phƣơng trình hồi quy thực nghiệm Ŷ1 = 8,61 + 2,38.x1 - 0,456.x2 - 0,0625.x3 + 0,506.x12 Ŷ2 = 5,9 + 1,6313.x1 - 0,312.x2 - 0,127.x3 + 0,346.x12 Ŷ3 = 50,6 + 3,83.6x1 + 0,782.x2 + 0,548.x3 - 2,75.x12 Ŷ4 = 149,64 - 46,22.x1 + 3,33.x2 + 1,65.x3 + 0,175.x1x2 + 4,975,x22 + 5.x32 Ŷ5 = 289,22 - 0,987.x1 + 3,84.x2 + 1,42.x3 - 20,95.x12 - 2,873.x22 - 1,89.x32 4.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng và thời gian nghiền TiC, nhiệt độ thiêu kết đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC. Trong khoảng khảo sát, khi tăng nhiệt độ thiêu kết và thời gian nghiền thì độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC giảm (hình 4.2). Trong phương trình thực nghiệm, độ xốp có quan hệ bậc 2 với hàm lượng TiC và hệ số của hàm lượng TiC lớn nhất nên ảnh hưởng của nó đến độ xốp là lớn nhất. Tức là hàm lượng TiC càng tăng thì độ xốp càng lớn điều này hoàn toàn đúng với lý thuyết luyện kim bột khi hàm lượng cốt hạt cứng tăng thì mật độ sẽ giảm. Hình 4.3 cho thấy, thời gian nghiền TiC tăng làm kích thước hạt giảm do đó độ xốp giảm. Do TiC là pha cứng nên khó đạt được mật độ cao khi ép, hơn nữa trong quá trình thiêu kết các hạt TiC nhỏ mịn và phân tán cản trở sự khuếch tán giữa các hạt đồng, giảm co ngót và làm tăng độ xốp. [8] Hình 4.2: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Hình 4.3: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 4.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ dẫn điện của compozit nền Cu cốt hạt TiC Khi hàm lượng TiC tăng thì điện trở suất tăng (độ dẫn điện giảm) là do độ xốp tăng và thể tích cốt hạt TiC lớn. Điện trở suất tăng mạnh khi hàm lượng TiC lớn hơn 2%. Thời gian nghiền TiC tăng làm giảm điện trở suất. Nhiệt độ thiêu kết tăng cũng làm giảm điện trở suất tuy nhiên nó ảnh hưởng nhỏ nhất đến độ dẫn điện của vật liệu. Hình 4.4: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết điện trở suất của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC [9] Hình 4.5: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến điện trở suất của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 4.4. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt TiC Phương trình hồi quy thực nghiệm của độ cứng cũng cho thấy, sự ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết nhỏ hơn so với hàm lượng TiC. Từ phương trình cho thấy, độ cứng đồng biến với thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết, với cùng hàm lượng TiC khi tăng nhiệt độ thiêu kết và thời gian nghiền TiC trong miền khảo sát thì độ cứng tăng. Nhưng sự ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết nhỏ nên biểu đồ gần như 1 mặt phẳng nằm ngang trong miền khảo sát. Hệ số của hàm lượng TiC lớn hơn rất nhiều so với các hệ số kia và có quan hệ bậc 2 với độ cứng. Do đó trong miền khảo sát hàm lượng TiC ảnh hưởng rất lớn đến độ cứng của vật liệu, điều này có nghĩa là khi hàm lượng TiC tăng thì độ cứng tăng. Từ phương trình tìm được điểm cực đại đối với x1 tại giá trị x1ct = 0,7 tương ứng với hàm lượng TiC là 3,7%. Hình 4.6: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 4.5. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt TiC Qua phương trình tương đối trên nhận thấy Ŷ4 là hàm nghịch biến với x1 (hàm lượng TiC). Do đó trong vùng khảo sát khi x1 (hàm lượng TiC) càng tăng thì Ŷ4 (độ bền kéo) càng giảm. Ở đây chúng tôi sử dụng phương pháp tìm cực trị của hàm 2 biến và đã tìm được điểm cực tiểu địa phương tại tọa độ (1; -0,165; -0,335), Ŷ4ct = 152 MPa. [10] Hình 4.8: Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Hình 4.9: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Với mục đích khảo sát của nghiên cứu là tìm điểm cực đại nên điểm cực trị trên không có ý nghĩa về mặt công nghệ đối với việc chế tạo vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Vì vậy để tăng độ bền kéo cần giảm hàm lượng TiC xuống 2% và tăng nhiệt độ thiêu kết cũng như thời gian nghiền TiC đến cận trên của vùng khảo sát. 4.6. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt TiC Hình 4.10: Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC [11] Hình 4.11: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Từ phương trình trên cả 3 yếu tố đều có quan hệ bậc 2 với độ bền nén nhưng hệ số của x1 (hàm lượng TiC) lớn hơn rất nhiều so với các hệ số còn lại, do vậy hàm lượng TiC ảnh hưởng đến độ bền nén lớn nhất trong 3 yếu tố. Để xác định điểm tối ưu thì đạo hàm riêng của từng biến bằng 0. Ŷ5’(x1)= - 0.987 - 41.9x1 = 0  x1(cđ) =- 0.0236 Ŷ5’(x2) = 3.84 - 5.746x2 = 0  x2(ct)=0.668, vậy x2 > x2(ct) hàm Ŷ5 sẽ đồng biến với x2 Ŷ5’(x3) = 1.42 - 3.78x3=0  x3(ct)=0.376, vậy x3 > x3(ct) hàm Ŷ5 sẽ đồng biến với x3 Từ số liệu tính toán trên cho thấy trong vùng khảo sát độ bền nén sẽ đạt được cực đại tại tọa độ (-0.0236; 1; 1) hay độ bền nén lớn nhất (có giá trị theo tính toán Ŷ5= 289,7 MPa) đạt được trong vùng thực nghiệm với các yếu tố công nghệ: hàm lượng TiC 3%, nhiệt độ thiêu kết 950 oC và thời gian nghiền 30 giờ. Kết luận chƣơng IV - Tổng hợp thành công vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện kim bột. Thiết kế khuôn ép thích hợp để chế tạo mẫu dài phục vụ cho quá trình nghiên cứu. - Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để giải bài toán tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Đã xây dựng được các phương trình hồi quy của tính chất của vật liệu phụ thuộc vào các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu và tìm được các điểm cực trị đối với từng nhân tố khảo sát. - Từ kết quả nghiên cứu và tính toán cho thấy thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng nhỏ hơn so với ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến tính chất của vật liệu. - Xác định được chế độ công nghệ tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện kim bột: + Nhiệt độ thiêu kết: 900 oC + Thời gian giữ nhiệt: 2 giờ + Việc lựa chọn hàm lượng và thời gian nghiền TiC thích hợp phụ thuộc vào mục đích sử dụng của vật liệu. CHƢƠNG V. THIÊU KẾT NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT NANO TiC 5.1. Sự thay đổi thành phần hóa học của các pha sau thiêu kết Động lực chi phối quá trình thiêu kết là hiện tượng khuếch tán. Ở nhiệt độ thiêu kết, hệ số khuếch tán thay đổi theo định luật Arrhenius: [12] D  Do .e Trong đó: mạng tinh thể.  Q RT (5.1) Do là thừa số phụ thuộc vào lực liên kết giữa các nguyên tử của Q là năng lượng hoạt hóa của quá trình khuếch tán R là hàng số khí 5.1.1. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 850 oC Hình 5.1: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC 004 1000 CuKa SrLa ZnKb ZnKa TiKsum CuKb OKa TiKa SrLl TiKb 200 SrLsum ZnKb ZnKa TiKsum SrLsum 300 TiKesc Counts 500 400 TiKesc SiKa CuLsum 600 CuKb SrLa SiKa AlKa OKa ZnLa 400 200 SrLl 500 CKa Counts 600 TiKa 700 TiKb 700 800 AlKa CuKa ZnLl CuLa 800 CuLl ZnLl CuLa ZnLa 900 900 300 005 CKa 1000 100 100 0 0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV keV Hình 5.3: Giản đồ thành phần hóa học Hình 5.2: Giản đồ thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC hạt TiC thiêu kết ở 850 oC Kết quả phân tích EDX tại điểm 004 trên hình 5.1 được trình bày ở hình 5.2. Từ kết quả đó cho thấy đã có một hàm lượng nhất định Ti, C đã hòa tan vào Cu. Còn ở vùng 005 trên hình 5.1 kết quả phân tích EDX được trình bày ở hình 5.3 chứng tỏ đây là nền Cu. [13] 5.1.2. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 900 oC Hình 5.4: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC 001 1000 700 800 700 300 CuLsum 400 200 100 CuKb 500 OKa Counts TiKsum CuKb TiKa 200 TiKb 100 0 0 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 keV 8.00 9.00 10.00 TiKb TiKa ClKa FeKesc 450 WMsum 600 ClKb TiKesc 750 WMz AlKa CuLsum SiKa WMa WMb WMr ClLl TiLl OKa CKa CuLa Counts WLb2 WLb TiKsum CuKb CuKa WLa FeKb CaKsum WLl MnKa 300 004 CuLl TiKa TiKb FeKesc WMsum MnKb FeKa 600 900 CaKa CaKb 900 1200 1050 TiKesc 1200 1350 AlKa CuLsum WMb SiKa WMa WMr Counts 1500 1500 WMz 1800 003 TiLl OKa CKa FeLl FeLa CuLl CuLa 2100 7.00 Hình 5.6: Giản đồ thành phần hóa học vùng 002 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC FeLl FeLa Hình 5.5: Giản đồ thành phần hóa học vùng 001 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC 2400 6.00 keV 300 WLb2 5.00 WLb 4.00 TiKsum CuKb 3.00 CuKa 2.00 WLa 1.00 FeKa 0.00 FeKb WLl 300 CKa 400 CuLsum 500 TiKesc 600 OKa TiLl Counts 600 CuKa CuKa 800 CuLa CuLl 900 CuLa CuLl 900 002 CKa 1000 150 0 0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 5.7: Giản đồ thành phần hóa học vùng 003 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC Hình 5.8: Giản đồ thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC Từ kết quả phân tích đó cho thấy tại vùng 001 và 002 thành phần chính là nền Cu, ở vùng 001 có một lượng Ti, C không đáng kể hòa tan vào. Tại vùng 003 [14] thành phần chủ yếu là Ti, C và có hàm lượng Cu nhất định đã hòa tan vào đó. Còn tại điểm biên giới giữa nền Cu và cốt hạt TiC (điểm 004) cho thấy hàm lượng Ti, C và Cu hòa tan vào nhau với hàm lượng khá đồng đều. 5.1.3. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 950 oC Hình 5.9: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC 007 600 600 200 CuKb CuLsum CKa NKa 300 CuKa 700 500 400 CuLa 800 500 CuKb 700 005 900 Counts 800 CuKa 900 400 300 200 100 100 0 0 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 keV Hình 5.10: Giản đồ thành phần hóa học điểm 007 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC 200 100 9.00 10.00 TiKa TiKb SnLb2 SnLr2, SnLr 300 SnLl SnLa SnLb 400 SrLsum 500 SnM3-m TiKsum CuKb CoKa CoKb CuKa Counts 600 BiMa BiMb BiMr TiKb 700 SrLl AlKa SrLa BiMz NbLa NbLb TiKa 800 CoKesc 200 SrLsum 300 ClKb TiKesc 400 ClKa 500 AlKa SrLl SrLa CuLsum Counts 600 NKa OKa SnMz 900 ClLl NKa OKa TiLl NKsum CoLl CoLa CuLl CuLa 700 8.00 004 TiKesc 1000 CuLa 006 900 800 7.00 Hình 5.11: Giản đồ thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC NKsum 1000 6.00 keV TiKsum CuKb BiLl 1.00 CuKa 0.00 SnLsum Counts 1000 NKsum CuLa CuLl 1000 100 0 0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 5.12: Giản đồ thành phần hóa học điểm 006 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC [15] Hình 5.13: Giản đồ thành phần hóa học vùng 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC Hình 5.9 là ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC khi thiêu kết ở nhiệt độ 950 oC với độ phóng đại khác nhau. Kết quả phân tích EDX tại vùng 004; 005 và điểm 006; 007 được trình bày ở các hình (5.10; 5.11; 5.12; 5.13). Từ kết quả phân tích đó cho thấy tại điểm 007 có một lượng nhỏ Ti hòa tan vào nền Cu, còn vùng 005 thành phần chủ yếu là Cu không có sự hòa tan. Từ kết quả phân tích EDX của điểm 006 và vùng 004 của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC cho thấy Cu đã hòa tan một lượng từ 3,6÷6,8% vào Ti, C lớn hơn khi thiêu kết ở 900 oC . Như vậy có thể đưa ra các nhận xét sau: - Nhiệt độ thiêu kết càng cao sự xuất hiện của Ti và C ở trong nền Cu càng lớn. Điều này có thể làm tăng quá trình hợp kim hóa cho nền của NMMCs, góp phần làm thay đổi tính chất cơ của nền. - Đồng thời với sự thay đổi thành phần của nền, có sự xuất hiện của Cu ở trong hạt TiC. Điều này có thể giải thích tính “liền mạng” giữa nền-cốt, làm thay đổi liên kết giữa chúng đảm bảo tính bền vững của mối liên kết này trong quá trình làm việc. 5.2. Sự thay đổi trạng thái thiêu kết Trong công đoạn thiêu kết vật liệu bột, trạng thái xuất hiện pha lỏng là trạng thái mong muốn do nó thúc đẩy quá trình co ngót và khuếch tán khi thiêu kết. Khi thiêu kết NMMCs nền Cu cốt hạt nano TiC ở các nhiệt độ khác nhau có nhận thấy sự xuất hiện pha lỏng ở biên giới hạt TiC và nền Cu. Điều này được chỉ ra ở hình 5.14 với các nhiệt độ thiêu kết khác nhau. Hình 5.14: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ở các nhiệt độ thiêu kết a. 850 oC b. 900 oC c. 950 oC Theo giản đồ trạng thái Cu-Ti ở 920 oC đã xuất hiện cùng tinh Cu-Ti, điều này có thể giải thích sự xuất hiện của pha lỏng ở biên giới giáp ranh nền-cốt của vật liệu. Giả thiết này cũng cần được nghiên cứu sâu hơn nữa để khẳng định nó. [16] Kết luận chƣơng V Thiêu kết NMMCs có nhiều khác biệt so với thiêu kết MMCs do hoạt tính của nền và cốt tăng lên rất nhiều. Từ đó thuận lợi cho quá trình thiêu kết, bước đầu có thể khẳng định một số nhận xét sau: - Có sự khuếch tán của Ti, C vào nền Cu và ngược lại. Từ đó cải thiện đáng kể liên kết nền-cốt. - Có sự xuất hiện pha lỏng khi thiêu kết mặc dù nhiệt độ thiêu kết thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của Cu. CHƢƠNG VI. BIẾN DẠNG NMMCs NỀN Cu CỐT HẠT TiC 6.2. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC Từ hình 6.2 cho thấy ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Khi hàm lượng TiC tăng thì độ xốp vật liệu tăng. Do TiC là pha cứng nên khó đạt được mật độ cao khi ép, hơn nữa trong quá trình thiêu kết các hạt TiC nhỏ mịn và phân tán cản trở sự khuếch tán giữa các hạt đồng, giảm co ngót và làm tăng độ xốp. Hình 6.2: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Với 3% TiC, trước ép đùn độ xốp của compozitkhoảng 10%, sau khi ép đùn độ xốp của vật liệu giảm xuống dưới 7%. Điều này chứng tỏ ép đùn nguội làm mật độ của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC tăng lên đáng kể. 6.3. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ dẫn điện của compozit nền Cu cốt hạt TiC Từ hình 6.3 cho thấy, khi hàm lượng TiC tăng thì điện trở suất tăng là do độ xốp tăng. Điện trở suất tăng mạnh khi hàm lượng TiC nhỏ hơn 2% điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Mặt khác, sau khi ép đùn nguội thì điện trở suất của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC giảm đáng kể so với trước ép, tức là độ dẫn điện của vật liệu tăng. Điều này chứng tỏ, sau ép đùn nguội mật độ tăng đáng kể dẫn đến độ dẫn điện của compozit tăng. [17] Hình 6.3: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến điện trở suất của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Hình 6.4: Điện trở suất của lớp bị biến dạng (bề mặt) và không bị biến dạng (lõi) compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến điện trở suất của lớp bị biến dạng (bề mặt) và không bị biến dạng (lõi) (bằng phương pháp đo hiệu ứng Hall) được thể hiện ở hình 6.4. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến điện trở suất của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC cũng có kết quả theo quy luật như của sau ép đùn nguội. Điện trở suất tại lõi lớn hơn tại bề mặt, điều này chứng tỏ sự biến dạng làm tăng khả năng dẫn điện của compozit. Mặt khác, điện trở suất ở lõi nhỏ hơn so với mẫu sau ép và thiêu kết, do sau ép đùn nguội độ xốp giảm làm tăng độ dẫn điện của compzit. Ở lớp bị biến dạng khi hàm lượng dưới 3% TiC điện trở suất nhỏ hơn so với compozit sau ép đùn nguội, nhưng khi hàm lượng TiC lớn hơn 3% thì điện trở suất lại lớn hơn. Điều này chứng tỏ khi hàm lượng hạt TiC cao khi biến dạng đã xảy ra hiện tượng nứt tế vi làm giảm tính dẫn điện. 6.4. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt TiC Hình 6.5 cho thấy ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến giới hạn bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Trước ép đùn nguội, giới hạn bền kéo đạt cực đại khi hàm lượng TiC là 1%, sau đó giảm do thể tích pha cốt của compozit nhiều, dẫn tới làm giảm liên kết trong nền đồng. [18] Sau ép đùn nguội thì giới hạn bền kéo đạt cực đại khi hàm lượng TiC là 2%, do biến dạng làm mật độ của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC tăng. Khi vượt quá 2% TiC thì giới hạn bền kéo lại giảm có thể do thể tích các hạt TiC nhiều nên độ xốp tăng. Như vậy ép đùn nguội làm tăng đáng kể độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt nano Hình 6.5: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC. TiC đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 6.5. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt TiC Hình 6.6 cho thấy ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến giới hạn bền nén của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC Trước ép đùn, khi hàm lượng TiC tăng đến 3% thì giới hạn bền nén tăng, điều này chứng tỏ nền Cu đã được hóa bền bởi các hạt TiC phân tán. Khi quá 3% TiC thì giới bền nén giảm là do thể tích của pha cốt nhiều dẫn tới làm giảm tính khả ép và khả thiêu của compozit tức độ xốp tăng. Ép đùn nguội làm tăng độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC đáng kể. Sau ép đùn nguội thì giới hạn bền nén đạt giá trị lớn nhất khi Hình 6.6: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm TiC là 4% do tăng mật độ, lượng TiC đến độ bền nén của compozit nền Cu nhưng vượt quá 4% TiC thì giới cốt hạt nano TiC hạn bền nén lại giảm do mật độ của compozit giảm. [19] 6.6. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ mài mòn của compozit nền Cu cốt hạt TiC Khi cho thêm 1% TiC vào nền đồng thì khả năng chịu mài mòn của compozit tăng mạnh so với đồng nguyên chất. Khi tăng tiếp tục lượng TiC khả năng chịu mài mòn của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC tăng không đáng kể. Rõ ràng các hạt TiC cứng trong nền Cu đã làm chậm quá trình mài mòn của compozit. Mặt khác, độ mài mòn của compozit sau ép đùn nhỏ hơn sau ép và thiêu kết do sau ép đùn làm tăng Hình 6.7: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm mật độ và khả năng liên kết giữa nền lượng TiC đến độ mài mòn của compozit nền Cu - cốt hạt TiC nên khi kiểm tra độ Cu cốt hạt nano TiC mài mòn thì các hạt TiC khó bị bong chóc hơn so với compozit sau ép và thiêu kết làm tăng khả năng chống mài mòn của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. 6.7. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt TiC Từ hình 6.8 cho thấy ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Khi hàm lượng TiC tăng thì độ cứng tăng, điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Mặt khác, độ cứng sau ép và thiêu kết đạt giá trị cực đại khi hàm lượng TiC là 3,7% nhưng sau ép đùn nguội làm giảm đáng kể độ xốp và khả năng liên kết nền-cốt tốt hơn dẫn đến độ cứng có giá trị cực đại lớn hơn. Hay là sau ép đùn độ cứng của vật liệu compozit tăng. Hình 6.8: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC [20]