LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn các thày giáo, cô giáo Viện Khoa học và
Kỹ thuật vật liệu, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi, động viên khuyến khích và giúp đỡ tác giả trong quá trình học
tập cũng như thực hiện công trình nghiên cứu này.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các Thày giáo hướng dẫn khoa học
PGS. TS Trần Quốc Lập, TS Phạm Thảo - Bộ môn Vật liệu kim loại màu & Compozit
đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập và thời gian thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn sâu sắc tới các Thày giáo, Cô giáo trong Bộ môn Vật liệu
kim loại màu & Compozit đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ, động viên tác giả trong
suốt thời gian qua.
Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè đồng nghiệp, sự động
viên, tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần của gia đình và người thân.
Tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó!
Tác giả
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kêt
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án.
Tác giả
Vũ Lai Hoàng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Phần I: TỔNG QUAN ...................................................................................................4
CHƢƠNG I: COMPOZIT NỀN KIM LOẠI - KHOA HỌC VÀ CÔNG
NGHỆ ............................................................................................................................. 4
1.1. Khái niệm về compozit nền kim loại (MMCs) .....................................................4
1.2. Tính chất của MMCs ............................................................................................ 6
1.2.1. Tính chất cơ của MMCs .................................................................................6
1.2.2. Tính chất kiểm soát nhiệt ...............................................................................9
1.2.3. Đặc tính cho các thiết bị chính xác cao ........................................................11
1.2.4. Đặc tính chịu mài mòn .................................................................................13
1.3. Công nghệ chế tạo MMCs ..................................................................................14
1.3.1. Thành phần cấu tạo ......................................................................................14
1.3.1.1. Vật liệu nền ........................................................................................... 14
1.3.1.2. Vật liệu cốt ............................................................................................ 15
1.3.2. Phương pháp chế tạo ....................................................................................16
1.3.2.1. Phương pháp chế tạo ở pha rắn ............................................................ 16
1.3.2.2. Phương pháp chế tạo có sự tham gia của pha lỏng ............................... 17
1.4.2.3. Phương pháp lắng đọng .........................................................................19
1.4.2.4. Phương pháp in-situ ..............................................................................20
1.4. Ứng dụng vật liệu MMCs trong chế tạo tiếp điểm điện .....................................20
1.4.1. Điều kiện làm việc của tiếp điểm điện .........................................................20
1.4.2. Công nghệ chế tạo vật liệu tiếp điểm điện ...................................................21
1.4.3. Các phương pháp chế tạo tiếp điểm điện tiên tiến .......................................26
1.5. Các vấn đề trong tương lai ..................................................................................27
CHƢƠNG II: VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN KIM LOẠI .......................... 29
2.1. Vật liệu nanocompozit nền kim loại (NMMCs) .................................................29
2.2. Nguyên lý hóa bền của NMMCs cốt hạt ........................................................... 30
2.3. Công nghệ chế tạo NMMCs ...............................................................................38
2.3.1. Tạo hình vật liệu bột kích thước mịn và siêu mịn .......................................39
2.3.2. Nguyên lý quá trình thiêu kết .......................................................................42
2.3.2.1. Khái niệm cơ bản về thiêu kết ............................................................... 42
2.3.2.2. Động lực và các quá trình xảy ra khi thiêu kết ......................................42
2.3.2.3. Thiêu kết vật liệu siêu mịn và nano tinh thể .........................................43
2.4. Tình hình nghiên cứu NMMCs trên thế giới và Việt Nam .................................46
2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ............................................................. 46
2.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ............................................................... 49
Phần II: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ................................................................ 51
CHƢƠNG III: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................51
3.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 51
3.2. Quy trình và phương pháp nghiên cứu ............................................................... 51
3.2.1. Quy trình nghiên cứu ...................................................................................51
3.2.2. Nguyên vật liệu ............................................................................................ 52
3.3. Các bước tiến hành ............................................................................................. 58
3.3.1. Quá trình ép tạo hình và thiêu kết sơ bộ ......................................................58
3.3.2. Quá trình ép đùn ........................................................................................... 60
3.4. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu ...................................................................61
3.4.1. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................61
3.4.2. Thiết bị nghiên cứu ......................................................................................63
3.4.2.1. Máy nghiền hành tinh ............................................................................63
3.4.2.2. Thiết bị thiêu kết....................................................................................64
3.4.3. Các phương pháp phân tích, kiểm tra .......................................................... 65
3.4.3.1. Phương pháp cầu đơn (cầu Wheatstone) ...............................................65
3.4.2.2. Phương pháp cầu kép (Cầu Kelvin) ......................................................66
3.4.2.3. Phương pháp hiệu ứng Hall ...................................................................68
CHƢƠNG IV: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT
NANO TiC ....................................................................................................................71
4.1. Quy hoạch thực nghiệm ......................................................................................71
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC, nhiệt độ thiêu kết đến
độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC...................................................................79
4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ dẫn điện của
compozit nền Cu cốt hạt TiC .....................................................................................81
4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng của
compozit nền Cu cốt hạt TiC .....................................................................................82
4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền kéo của
compozit nền Cu cốt hạt TiC .....................................................................................84
4.6. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền nén của
compozit nền Cu cốt hạt TiC .....................................................................................85
Kết luận chương IV....................................................................................................87
CHƢƠNG V: THIÊU KẾT NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT NANO TiC ................88
5.1. Sự thay đổi thành phần hóa học của các pha sau thiêu kết .................................88
5.1.1. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 850 oC .....................................................88
5.1.2. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 900 oC .....................................................90
5.1.3. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 950 oC .....................................................94
5.2. Sự thay đổi trạng thái thiêu kết ...........................................................................98
Kết luận chương V .....................................................................................................99
CHƢƠNG VI: BIẾN DẠNG NMMCs NỀN Cu CỐT HẠT TiC ..........................100
6.1. Mô hình biến dạng bằng phương pháp ép đùn nguội .......................................100
6.2. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC ...101
6.3. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ dẫn điện của compozit nền Cu cốt hạt
TiC ...........................................................................................................................102
6.4. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt
TiC ...........................................................................................................................104
6.5. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt
TiC ...........................................................................................................................105
6.6. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ mài mòn của compozit nền Cu cốt hạt
TiC ...........................................................................................................................106
6.7. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt
TiC ...........................................................................................................................107
Kết luận chương VI..................................................................................................109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................111
I. Kết luận.................................................................................................................111
II. Kiến nghị .............................................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................118
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1. Các kí hiệu
b:
Véctơ Bugger
d:
Đường kính của hạt
dB:
Kích thước phần tử phân tán
dff:
Đường kính hiệu dụng
dk:
Đường kính tới hạn
dth:
Kích thước tới hạn của pha cốt
E:
Môđun đàn hồi
E/ρ:
Môđun đàn hồi riêng
G:
Môđun trượt,
GM:
Môđun trượt của nền
L:
Khoảng cách giữa các phần tử
r:
Bán kính lỗ xốp
∆T:
Độ quá nguội
:
Hệ số giãn nở nhiệt
:
Hệ số dẫn nhiệt
/:
Hệ số dẫn nhiệt riêng
:
Sức căng bề mặt của lỗ xốp giữa các hạt bột
:
Động lực kết khối
σ:
Độ bền phá hủy
σo:
Ứng suất cần thiết để lệch chuyển động trong đơn tinh thể (khi d→∞)
ρ:
Tỉ trọng (mật độ)
ν:
Hệ số Poisson
τkt:
Ứng suất trượt tới hạn
VB :
Thể tích của cốt
2. Chữ viết tắt
CTE:
Hệ số giãn nở nhiệt (Coefficient of Thermal Expansion)
DTA:
Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
DRA:
Hợp kim cốt sợi Al không liên tục
DRTi:
Hợp kim cốt sợi Ti không liên tục
EDX:
Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray spectroscopy)
HIP:
Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing)
HP:
Ép nóng (Hot Pressing)
IGBT:
Tranzito lưỡng cực có cổng cách điện
MA:
Hợp kim hóa cơ học (Mechanical Alloying )
MMCs:
Compozit nền kim loại (Metal Matrix Composite)
NMMCs:
Nanocompozit nền kim loại (Nano Metal Matrix Composite)
PCB:
Bảng mạch điện tử
Q/I:
Đẳng hướng (quasi-isotropic)
TMCs:
Compozit cốt sợi Ti
SPS:
Thiêu kết sung plasma (Spark Plasma Sintering)
Tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao
SHS:
(Self-propagating High-temperature Synthesis)
SEM:
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
RF:
Thiết bị thu phát tần số vô tuyến
XRD:
Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffaction)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột Cu ...................................................................52
Bảng 4.1: Bảng kết quả thí nghiệm...............................................................................72
Bảng 4.2: Giá trị khảo sát của các nhân tố ảnh hưởng .................................................72
Bảng 4.3: Mã hóa và kế hoạch thực nghiệm.................................................................74
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm đầy đủ ...........................................................................75
Bảng 4.5: Các hệ số ......................................................................................................76
Bảng 4.6: Các thí nghiệm tại tâm .................................................................................76
Bảng 4.7: Độ lệch chuẩn ............................................................................................... 77
Bảng 4.8: Chuẩn số Student .......................................................................................... 77
Bảng 4.9: Giá trị tính theo phương trình hồi quy thực nghiệm ....................................78
Bảng 4.10: Chuẩn số Fisher .......................................................................................... 79
Bảng 5.1: Thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC .......................................................................................89
Bảng 5.2: Thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC .......................................................................................90
Bảng 5.3: Thành phần hóa học vùng 001 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC .......................................................................................91
Bảng 5.4: Thành phần hóa học vùng 002 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC .......................................................................................92
Bảng 5.5: Thành phần hóa học vùng 3 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt
hạt TiC thiêu kết ở 900 oC ............................................................................................. 93
Bảng 5.6: Thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC .......................................................................................93
Bảng 5.6: Thành phần hóa học điểm 007 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC .......................................................................................95
Bảng 5.7: Thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC .......................................................................................95
Bảng 5.8: Thành phần hóa học điểm 006 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC .......................................................................................96
Bảng 5.9: Thành phần hóa học vùng 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC .......................................................................................97
Bảng 6.1: Sự ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ xốp của vật liệu compozit
nền Cu cốt hạt nano TiC sau ép-thiêu kết và sau ép đùn nguội ..................................101
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Độ cứng riêng và độ bền riêng của vật liệu kết cấu .......................................7
Hình 1.2: Mặt cắt thể hiện sự gia cường chọn lọc ống lót xilanh của khối xilanh
nhôm đúc trong Honda Prelude 2.0 l.. .............................................................................8
Hình 1.3: Các chi tiết siêu cứng và chịu mài mòn được chế tạo từ MMCs Fe/TiC .......9
Hình 1.4: So sánh các tính chất cơ bản của vật liệu nhiệt ............................................10
Hình 1.5: Các tấm đế điện tản nhiệt giữ vai trò dẫn điện và làm mát .......................... 10
Hình 1.6: Cơ tính và nhiệt biến dạng của một số vật liệu làm dụng cụ chính xác .......12
Hình 1.7: Ảnh minh họa lượng các vật liệu sử dụng để chế tạo máy bay Boeing
787 .................................................................................................................................12
Hình 1.8: Compozit nền nhôm 3M’s đẳng hướng Nextel 610TM với sợi nhôm
ôxit tinh thể nano, cốt nguyên chất ................................................................................13
Hình 1.9: Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu MMCs .....................................................14
Hình 1.10: Quy trình công nghệ luyện kim bột ............................................................ 17
Hình 1.11: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc khuấy .................................................18
Hình 1.12: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc thẩm thấu ...........................................19
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc thẩm thấu ............................................20
Hình 1.14: Sơ đồ mối quan hệ tương hỗ của tính chất vật liệu và tiếp điểm ...............22
Hình 1.15: Sự phụ thuộc nồng độ ăn mòn với tiếp điểm W-Cu, W-Ag chế tạo
bằng phương pháp thấm kim loại nóng chảy ................................................................ 23
Hình 1.16:. Các cấu tử tiếp điểm từ vật liệu W-Cu ......................................................24
Hình 1.17: Công ăn mòn anot và catot (VA + K) trong mỗi lần đóng phụ thuộc .........24
vào dòng cao điểm I. Vật liệu 80%W-20%Cu trong dầu nhận được. ........................... 24
Hình 1.18: Các phương pháp chế tạo tiếp điểm hệ Ag-MeO .......................................25
Hình 1.19: Điện trở của compozit than phụ thuộc vào hàm lượng Cu. ........................26
Hình 2.1: Sự phân bố tối ưu đối với một số tính chất của compozit kim
loại/ceramic ...................................................................................................................30
Hình 2.2: Sự phụ thuộc ứng suất bên trong tạo thành ..................................................31
xung quanh cốt hạt vào khoảng cách .............................................................................31
Hình 2.3: Sự tạo thành mặt phẳng mới trên gianh giới hạt - nền và bề mặt gianh .......32
giới pha ngược ( đường ----) khi lệch cắt qua các hạt có cấu trúc ổn định ...................32
Hình 2.4: Các giai đoạn khác nhau theo thời gian của cơ chế Orovan ........................33
khi chuyển động lệch từ trái sang phải. .........................................................................33
Hình 2.5: Sự tạo thành các vòng khuyến lăng trụ do kết quả của hai sự trượt qua
(a - h) của vòng khuyến lệch xuất hiện, tương ứng với cơ chế Orovan (đối với
lệch biên) .......................................................................................................................34
Hình 2.6: Sự uốn của các hạt khi trượt qua trong quá trình tạo thành .........................34
Hình 2.7: Sự thay đổi ứng suất dịch chuyển khi cắt đứt (S) với sự tạo thành bộ
đôi lệch (P) và khi đi vòng (o) phụ thuộc vào đường kính hạt d. ........................... 35
Hình 2.8: Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ 3 ................................................................ 35
Hình 2.9: Sơ đồ tối giản của bột kết tụ .........................................................................39
Hình 2.10: Mối quan hệ giữa sự phân bố kích thước lỗ xốp (r) và tổng thể tích lỗ
xốp trên một đơn vị thể tích vật ép (Dv(r)) của bột có kết khối và bột không kết
khối ................................................................................................................................ 40
Hình 2.11: Trình bày kết quả tỷ trọng sau khi tạo hình của bột ZnO2-3%Y2O3
với các kích thước ở lực ép khác nhau ..........................................................................40
Hình 2.12: Mối quan hệ giữa mật độ tươi và thời gian nghiền ở áp lực ép 500
MPa ................................................................................................................................ 41
Hình 2.13: Miêu tả lực tháo của mẫu bột với kích thước khác nhau khi được tạo
hình với cùng lực ép ......................................................................................................41
Hình 2.14: Các hiện tượng xảy ra khi thiêu kết. ........................................................... 43
Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ tổng hợp vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC .......52
Hình 3.2: Ảnh SEM của bột Cu ....................................................................................53
Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của bột Cu .........................................................53
Hình 3.4: Sự giảm kích thước hạt theo thời gian nghiền ..............................................54
Hình 3.5: Phân bố kích thước hạt .................................................................................54
Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp TiO2 và muội than sau khi tổng
hợp .................................................................................................................................55
Hình 3.7: Ảnh SEM mẫu TiC qua các thời gian nghiền khác nhau ............................. 56
Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp bột Cu-TiC sau trộn ............................ 57
Hình 3.9: Ảnh SEM của hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau trộn ..........................................57
Hình 3.10: Ảnh tổ chức tế vi của hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau tạo hình......................58
Hình 3.11: Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ......59
Hình 3.12: Bộ khuôn tạo hình và sản phẩm trước thiêu kết .........................................59
Hình 3.13: Chế độ thiêu kết của compozit nền Cu cốt hạt TiC trong môi trường
C rắn .............................................................................................................................. 60
Hình 3.14: Mô hình nguyên lý quá trình ép đùn nguội ................................................60
Hình 3.15: Bộ khuôn ép đùn và sản phẩm sau quá trình ép .........................................61
Hình 3.16: Sơ đồ mô hình thuật toán quy hoạch thực nghiệm .....................................63
Hình 3.17: Máy nghiền hành tinh Pulverisette ............................................................. 64
Hình 3.18: Thiết bị thiêu kết Linn 1300 .......................................................................64
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý cầu đơn ............................................................................65
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý cầu kép.............................................................................66
Hình 3.21: Cầu điện trở cân bằng .................................................................................67
Hình 3.22: Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall ...........................................69
Hình 3.23: Hình dạng mẫu đo được sử dụng trong nghiên cứu ...................................69
Hình 3.24: Máy đo hiệu ứng Hall (Hall Measurement system 7600 Series) ...............70
Hình 4.1: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu .........................................................................71
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 .........................................................................80
Hình 4.3: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ xốp của ..........80
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ................................................................................80
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 .........................................................................81
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 .........................................................................82
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 .........................................................................83
Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ cứng của ........83
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ................................................................................83
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 .........................................................................84
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 .........................................................................85
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 .........................................................................86
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 .........................................................................86
Hình 5.1: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC ..................89
Hình 5.2: Giản đồ thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC ...........................................................................89
Hình 5.3: Giản đồ thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850 oC ...........................................................................90
Hình 5.4: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC .................91
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 ...........................................................................91
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 ...........................................................................92
Hình 5.7: Giản đồ thành phần hóa học vùng 3 trong ảnh SEM của compozit nền
Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900 oC .................................................................................92
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 ...........................................................................93
Hình 5.9: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950 oC ..................94
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 ...........................................................................94
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 ...........................................................................95
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 ...........................................................................96
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 ...........................................................................97
Hình 5.14: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ở nhiệt độ thiêu kết
khác nhau .......................................................................................................................98
Hình 5.15: Giản đồ trạng thái Cu-Ti.............................................................................99
Hình 6.1: Mô hình tác dụng lực trong quá trình ép đùn nguội ...................................100
Hình 6.2: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ xốp của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ..............................................................................102
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 ..............................................................................103
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 ..............................................................................103
Hình 6.5: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ bền kéo của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ..............................................................................104
Hình 6.6: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ bền nén của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ..............................................................................105
Hình 6.7: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ mài mòn của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ..............................................................................106
Hình 6.8: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ cứng của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ..............................................................................107
Hình 6.9: Ảnh tổ chức tế vi của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC sau ép đùn
nguội ............................................................................................................................108
Hình 6.10: Ảnh hưởng tổ chức tế vi lớp biến dạng của compozit nền Cu cốt hạt
nano TiC ......................................................................................................................109
MỞ ĐẦU
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. Vì vậy, vấn đề nâng cao cơ
tính của đồng đã được nhiều nhà nghiên cứu về vật liệu trong và ngoài nước quan tâm
theo xu hướng hợp kim hóa hoặc làm nền để chế tạo vật liệu compozit.
Trong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano nói chung và vật liệu
nano kim loại nói riêng phát triển mạnh mẽ, 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 đối với vật liệu. Chúng không chỉ cải thiện đáng kể tính chất cơ
học (độ bền, độ cứng, độ chịu mài mòn …), tính chất vật lí (độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt
…) mà còn mang lại cho vật liệu các thuộc tính mới ưu việt hơn nhiều so với vật liệu
kim loại truyền thống (độ bền riêng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt riêng …).
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.
Về mặt phương pháp 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. Đó cũng là phương
pháp chúng tôi lựa chọn để tổng hợp NMMCs nền Cu cốt nano TiC. Tuy nhiên,
phương pháp luyện kim bột truyền thống cho sản phẩm với mật độ chưa cao (độ xốp
còn khoảng 5÷10%). Điều này hạn chế tính chất cơ học và tính dẫn điện của vật liệu.
Để cải thiện tính chất của vật liệu, 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
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC, 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:
1
Tổng quan về compozit nền kim loại (MMCs) và compozit cốt kích thước 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
truyền thống
Nghiên cứu cơ chế hóa bền nền Cu bằng nano TiC.
Cơ chế thiêu kết MMCs nền Cu côt hạt nano TiC
Cơ chế biến dạng MMCs nền Cu côt hạt 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 có kích thước nano bằng phương pháp nghiền năng lượng cao nhiệt.
Nghiên cứu chế tạo compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện
kim bột truyền thống.
Nghiên cứu quá trình tạo hình compozit nền Cu cốt hạt nano TiC
Nghiên cứu quá trình thiêu kết compozit nền Cu cốt hạt nano TiC
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của ép đùn nguội đến cơ lý tính của compozit nền Cu
cốt hạt nano TiC.
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 compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.
Nghiên cứu quá trình thiêu kết compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.
Nghiên cứu sự biến dạng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.
2
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 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 được quá trình thiêu kết vật liệu và ảnh hưởng của nano TiC đến cơ lý
tính compozit góp phần làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán khi thiêu kết loại vật liệu này.
3
Phần I: TỔNG QUAN
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. Đây là đề tài quan tâm của rất nhiều nhà
nghiên cứu trong những thập niên 1980 và 1990, nhóm vật liệu này, trong thập kỉ
trước đã tăng lên đáng kể về chủng loại. 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. Chúng chủ yếu bao gồm sợi gốm
hoặc cốt hạt với nền là kim loại nhẹ. Một số vật liệu kỹ thuật đã được công nhận, như
gốm kim loại WC-Co có tính chất cắt gọt cao hơn hẳn so với vật liệu cắt gọt truyền
thống [18].
Về mặt phương pháp tại thời điểm này, nghiên cứu về vật liệu compozit được
hỗ trợ kỹ thuật mới như mô phỏng phần tử hữu hạn 3D hoặc phân tích nhiễu xạ
Rơnghen, tin học hóa đó là những phương tiện hữu ích để giải thích cơ chế tương phản
hai pha của vật liệu đàn hổi dẻo, với nhiều ứng dụng vượt ra khỏi phạm vi của
compozit nền kim loại. Đồng thời các phương pháp đó cho phép nhà nghiên cứu thiết
kế, dự báo tính chất của các vật liệu compozit mới trước khi đưa vào sản xuất [18].
Các dạng thường gặp hơn cả của MMCs bao gồm các vật liệu như hợp kim
cùng tinh kết tinh định hướng (directionally solidified eutectic alloys), hợp kim hóa
bền phân tán bằng oxit (oxide dispersion strengthened alloys), hợp kim đúc cùng tinh
Al-Si, đôi khi cả thép peclit và hợp kim xếp lớp 2 pha như TiAl gamma. Đặc điểm nổi
bật của chúng là tính tăng bền vẫn được duy trì trong suốt quá trình gia công [30] và
ngay cả khi nhiệt độ cao.
Như vậy, có thể định nghĩa compozit nền kim loại (MMCs) là vật liệu tổ hợp
giữa hai hoặc một vài cấu tử, trong đó ít nhất một cấu tử là kim loại hoặc hợp kim. Sự
kết hợp đó theo một sơ đồ được thiết kế. Các cấu tử ít hoặc không hòa tan vào nhau.
Hơn 2 thập kỷ vừa qua, cùng với các công bố khoa học và công nghệ compozit
nói chung - compozit nền kim loại đã chuyển từ một chủ đề mang tính khoa học thành
loại vật liệu có ý nghĩa công nghệ và thương mại rộng lớn. Từ năm 1999 thị trường
4
MMCs trên thế giới ước tính tiêu thụ 2500 tấn trị giá khoảng hơn 100 triệu đô la Mỹ.
Những ứng dụng quan trọng của MMCs vào hệ thống giao thông đường bộ (ôtô và tàu
hỏa), vật liệu nhiệt, ngành hàng không vũ trụ, các ngành công nghiệp sản xuất, giải trí
và cơ sở hạ tầng, đã thể hiện nhiều đặc tính quý như khả năng kết cấu cao, chịu mài
mòn tốt, tính dẫn nhiệt và điện tốt. Nhiều vấn đề thách thức về mặt kỹ thuật đã được
khắc phục, như các phương pháp thiết kế chế tạo vật liệu, các phương pháp gia công,
nâng cao tính chất hóa học và xử lý bề mặt của MMCs [43].
MMCs nổi lên như một công nghệ đặc biệt đã cải thiện hiệu suất các vũ khí,
trang bị quân sự tiên tiến tạo ra động lực phát triển nguyên vật liệu. Trong quá trình
phát triển này, tính kinh tế được cải thiện và khả năng thương mại hóa mở rộng hơn là
kết quả được kế thừa từ những kinh nghiệm đạt được trong sản xuất, kỹ thuật và các
ứng dụng ban đầu phục vụ cho quân sự [43].
Tại sao con người lại chi phí thêm thời gian, năng lượng, nguyên liệu để thiết
kế vật liệu MMCs. Đó là do các lý do sau:
- Đầu tiên đó là compozit sử dụng cách thiết kế vật liệu để có thể mở rộng ranh
giới các thuộc tính cơ bản của nhóm vật liệu chính. Một ví dụ là môđun đàn hồi riêng
của kim loại được xác định bởi môđun đàn hồi E chia cho tỉ trọng ρ (E/ρ). Thông số
này là một phép đo về hiệu năng sử dụng, trong các ứng dụng kết cấu giới hạn - biến
dạng tới hạn - trọng lượng của các thành phần tuyến tính đàn hồi bị nén đơn trục. Hiện
nay, các vật liệu kim loại kỹ thuật và hợp kim chính có giá trị gần giống nhau (E/ρ ≈
26 MJkg-1). Do đó, cách duy nhất để vượt qua giới hạn này trong vật liệu kim loại là
thay thế một phần bằng các pha được hình thành từ những nguyên tử kim loại, với các
nguyên tử của các nguyên tố ở trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev có liên kết
chặt chẽ với nhau. Ví dụ là các gốm như Al2O3, B4O, SiC hoặc các dạng thù hình của
cacbon (ví dụ như sợi cacbon môđun lớn hoặc kim cương) [18].
- Lý do thứ hai, công nghệ tạo ra compozit đạt được một lượng thể tích oxit
hoặc cacbit thêm vào một số kim loại quan trọng. Sắt là một vật liệu nền thường thấy
và dễ kết hợp với rất nhiều các cacbit, nitrit hoặc (hiếm hơn) oxit bởi cacbon, khí nito
và khí oxy hòa tan trong kim loại lỏng. Còn nhôm lỏng, mangan và đồng thì ngược lại
không hòa tan cacbon. Do đó, cách duy nhất để thêm cacbit vào những kim loại này là
tạo thành compozit; điều này xảy ra tương tự cho nhôm với các oxit hoặc nitrit. Hay
nói cách khác, công nghệ MMCs nắm vai trò chìa khóa để nhôm, mangan hoặc đồng
có khả năng tạo ra những cấu trúc và tính chất phong phú tương tự như cấu trúc và tính
chất của hợp kim sắt [18].
5
- Lý do thứ ba là một số đặc điểm thấy ở MMCs mà hầu như có rất ít ở kim
loại: một số pha, một số gốm đặc biệt, có những tính chất tốt hơn khi ở dạng mịn hoặc
siêu mịn. Có thể thấy rằng, gốm sợi kích thước micro bền hơn dạng khối. Thêm vào
đó, hạt gốm đơn tinh thể có đặc tính dẫn nhiệt rất tốt. Cacbon cũng vậy, ở dạng mịn nó
rất bền, cứng và dẫn nhiệt rất tốt (như kim cương). Mang những ưu điểm này vào các
pha không kim loại dạng mịn (như sợi, dạng tấm, màng hoặc hạt) trong vật liệu
compozit, làm tăng các ưu điểm của nền. Thật vậy, kim loại dẫn điện tốt hơn, cứng,
bền hơn và chống chịu với môi trường tốt hơn và tất nhiên cũng dẻo dai hơn gốm [18].
MMCs thể hiện sự kết hợp tốt giữa tính chất cơ học và tính chất vật lí của vật
liệu. So với hợp kim cùng thành phần, MMCs cho tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao, khả
năng chống mài mòn tốt dưới những tác động khắc nghiệt của môi trường, tính chống
va đập và chống ăn mòn cao, đồng thời độ bền mỏi và khả năng chống nứt vỡ tốt.
Ngoài ra, MMCs còn có độ bền và độ cứng cao hơn so với hợp kim và hệ số giãn nở
nhiệt (CTE) thấp. Ví dụ MMCs được tăng bền bởi B4C có thể giúp tăng cao khả năng
hấp thụ neutron trong phản ứng hạt nhân. Do nền kim loại và chất tăng bền (điển hình
bằng vật liệu gốm sứ) có tính chất cơ học, điện, nhiệt và vật lý khác nhau rất lớn, nên
tính chất của MMCs có thể thay đổi trong dải rộng giữa kim loại và vật liệu gốm sứ.
Điều này đòi hỏi việc chế tạo đặc biệt và cho phép ứng dụng vật liệu đó ở một phạm vi
rộng. Ví dụ tính chất nhiệt và điện có thể thay đổi từ phạm vi kim loại sang phạm vi
ceramic bằng cách điều chỉnh thành phần theo thể tích chất tăng bền, thù hình và sự
phân bố một cách hợp lý [43].
Trong hai thập kỷ qua MMCs được ứng dụng nhiều và đã thương mại hóa.
Những ứng dụng quan trọng của MMCs vào hệ thống giao thông đường bộ (ôtô và tàu
hỏa), vật liệu nhiệt, ngành hàng không vũ trụ, các ngành công nghiệp sản xuất, giải trí
và cơ sở hạ tầng, đã thể hiện nhiều đặc tính quý như khả năng kết cấu cao, chịu mài
mòn tốt, tính dẫn nhiệt và điện tốt. Nhiều vấn đề thách thức về mặt kỹ thuật đã được
khắc phục, như khả năng liên kết nền - cốt, điều chỉnh và phân bố thành phần nền cốt,
phương pháp thiết kế chế tạo, đặc tính bền hóa học và xử lý bề mặt. Hiện nay, MMCs
là một khoa học công nghệ vật liệu mới, mặt khác nó còn là ngành công nghiệp quan
trọng đang được phát triển cả vê chiều sâu và bề rộng [43].
1.2. Tính chất của MMCs
1.2.1. Tính chất cơ của MMCs
Độ bền và độ cứng là hai tính chất quan trọng đối với vật liệu kết cấu. Độ cứng
riêng và độ bền riêng của compozit cốt sợi Al và Ti (compozit cốt sợi Ti viết tắt là
6
TMCs), cốt sợi Al không liên tục (DRA), cốt sợi Ti không liên tục (DRTi), các kim
Độ bền riêng E/
(GPa/(Mg/m3))
loại truyền thống và compozit graphite/epoxy (*) thể hiện trong hình 1.1.
Vật liệu
vô định hình
Độ cứng riêng (MPa/(Mg/m3))
Hình 1.1: Độ cứng riêng và độ bền riêng của vật liệu kết cấu [42]
Compozit graphite/epoxy có độ cứng riêng và độ bền kéo riêng tốt nhất. Cốt sợi
Ti và Al liên tục đang tiến đến giới hạn dưới của những vật liệu này, trong khi
graphite/epoxy đã xuất hiện từ lâu và kinh tế hơn MMCs cốt liên tục. Trong hình 1.1
có thể thấy compozit nền hữu cơ trong công nghiệp hàng không là graphite/epoxy (Gr)
hoặc PAN/epoxy (P), có cấu trúc dọc trục 0, ngang 90 và gần như đẳng hướng (Q/I)
(quasi-isotropic). Tính chất theo phương dọc và phương ngang của cốt sợi Al và cốt
sợi Ti cũng được thể hiện trên hình. Những vật liệu truyền thống của công nghiệp hàng
không như Al, Mg, Ti, Ni và hợp kim thép cũng được thể hiện. Ngoài ra cũng thể hiện
một vài kim loại đặc biệt như -Ti và thép có độ bền rất cao [42].
Vật liệu graphite/epoxy mang đến độ bền và độ cứng tốt nhất theo phương dọc
trục và kém hơn theo phương ngang. Thường thì vật liệu kết cấu phải chịu được lực
theo nhiều hướng nên những loại compozit dị hướng như vậy sẽ có những hạn chế
nhất định. Tính chất đẳng hướng Q/I được tạo ra bằng các kết cấu đan chéo, được ứng
dụng rộng rãi trong compozit graphite/epoxy với nhiều mức độ cứng và độ bền riêng
khác nhau (hình 1.1). Đó là vùng mà độ cứng và độ bền riêng của MMCs có giá trị tốt
nhất. Ngoài ra, vật liệu kết cấu (tùy môi trường làm việc) còn có các yêu cầu khác,
những yêu cầu này bao gồm sức chịu tải liên kết cao, khả năng chống lại những tác
động khắc nghiệt của môi trường (hóa học, môi trường đông lạnh, chất lỏng hữu cơ,
(*) Ở đây chúng tôi đưa ra tính chất của loại vật liệu này - đặc trưng và phổ biến nhất của
compozit nền polymer nhằm có sự so sánh với compozit nền kim loại
7
- Xem thêm -