LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và
không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả và số liệu trình bày
trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu của luận án chưa từng được công
bố trên bất kỳ công trình nào khác ngoài công trình của tác giả.
Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm
2019
TM tập thể hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh
PGS. TS. Trần Văn Dũng
Nguyễn Đức Duy
i
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS Trần Văn
Dũng, người đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, giúp đỡ, động viên và cho những lời
khuyên hết sức bổ ích trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Đặng Thủy đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng
góp những ý kiến xác thực trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn chỉnh luận án của mình.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa
học và Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Cao đẳng Cơ khí Luyện kim đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu giúp tôi hoàn
thành bản luận án này.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy giáo, các
phòng thí nghiệm, cơ sở thực nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã dành thời gian đọc phản
biện, đóng góp ý kiến và trao đổi các nội dung chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực
tiễn để tôi hoàn thành luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu trong
tương lai.
Tác giả xin chân thành ghi nhớ và gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người
thân, bạn bè và đồng nghiệp những người đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên tinh thần trong
suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Đức Duy
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Mở đầu
1. Lý do lựa chọn đề tài
1
2. Mục đích nghiên cứu
1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2
4. Phương pháp nghiên cứu
2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
2
6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
3
7. Bố cục của luận án
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu) BỀN
5
NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO
1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp
5
1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp
5
1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp
5
1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại
6
1.2.1 Thành phần cấu tạo
7
1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt
7
1.3 Vật liệu tổ hợp nền Đồng (Cu) cốt hạt phân tán
1.3.1 Đồng (Cu) - kim loại có điện dẫn cao
8
9
1.3.2 Lý thuyết hóa bền phân tán
15
1.3.3 Vật liệu tổ hợp cốt hạt
18
1.4 Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ lý tính của vật liệu tiếp điểm
21
1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao
22
1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện
22
cao trên thế giới
1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện
23
cao tại Việt Nam
1.6 Kết luận chương 1
26
iii
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ
27
2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hoá
27
2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trong luyện kim bột
27
2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trong luyện kim bột
27
2.1.3 Quá trình nghiền cơ - hóa tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
34
2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp
35
2.2.1 Ép tạo hình hỗn hợp bột vật liệu tổ hợp
35
2.2.2 Quá trình thiêu kết
36
2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt Al2O3 phân tán bằng phương pháp
38
cơ - hoá kết hợp
2.3.1 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu
38
cốt hạt Al2O3 phân tán
2.3.2 Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ
39
- hóa
2.4 Kết luận chương 2
41
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP 42 TỔ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HỢP Cu - Al2O3 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CƠ - HOÁ
3.1 Vật liệu thí nghiệm
3.2 Thiết bị thí nghiệm
42
42
3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân
46
tán nano Al2O3
3.3.1 Công đoạn nghiền cơ – hoá
47
3.3.2 Công đoạn ép tạo hình
49
3.3.3 Công đoạn thiêu kết
50
3.3.4 Xác định một số tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
50
3.4 Kết luận chương 3
52
CHƯƠNG 4.
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
53
TÍNH CHẤT VÀ TỔ CHỨC TẾ VI CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3
4.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
53
4.1.1 Giới thiệu phương pháp
53
4.1.2 Phương án tổ chức thực nghiệm
54
4.1.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và tính chất
55
iv
của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số tính chất của vật liệu tổ hợp
63
Cu - Al2O3
4.2.1 Kết quả thực nghiệm xác định tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
63
4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu -
64
5vol.%Al2O3
4.2.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu -
67
5vol.%Al2O3
4.2.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ dẫn điện của vật liệu tổ hợp
70
Cu - 5vol.%Al2O3
4.3 Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
74
4.3.1 Sự hình thành pha nano Al2O3 phân tán trong nền Cu
74
4.3.2 Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết của vật liệu tổ hợp Cu -
81
5vol.%Al2O3
4.3.3. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
83
4.4 Kết luận chương 4
84
CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU
86
TỔ HỢP Cu - Al2O3
5.1 Khái quát về vật liệu chế tạo điện cực hàn
87
5.1.1 Một số loại vật liệu thường dùng chế tạo điện cực hàn
87
5.1.2 Yêu cầu đối với vật liệu điện cực hàn điểm
87
5.2 Nghiên cứu khảo sát thiết bị sử dụng điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
87
5.3 Chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
89
5.3.1 Phương án thiết kế chế tạo điện cực hàn
89
5.3.2 Chế tạo điện cực hàn điểm
91
5.4 Kết luận chương 5
92
Kết luận chung của luận án
93
Tài liệu tham khảo
94
Danh mục các công trình đã công bố
98
Phụ lục: Xác nhận chất lượng thử nghiệm điện cực hàn
99
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MMC
XRD
Metal Matrix Composite
X-Ray Diffraction
Vật liệu composite nền kim loại
Nhiễu xạ tia X
SEM
Scanning Electron Microscopy
Hiển vi điện tử quét
EDS
Energy Dispersive Spectrometry
Phổ tán xạ năng lượng
IACS
International Annealed Copper Standard Độ dẫn điện tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế
HV
Vickers Hardness
Độ cứng tế vi
HRB
Rockwell Hardness, Scale B
Độ cứng Rockwell, thang B
vol.%
Volume percent
Phần trăm thể tích
wt.%
Weight percent
Phần trăm khối lượng
HVĐT
Hiển vi điện tử
VLTH
Vật liệu tổ hợp
NXB
Nhà xuất bản
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6% WC trước và sau biến dạng [49]
Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
12
13
Bảng 1.3 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-4,5% TiB2 chế tạo bằng phương pháp phối hợp
nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [9]
Bảng 1.4 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu- TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
14
Bảng 1.5 So sánh một số tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu và một số vật liệu điện
cực khác [8]
Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
15
Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm được chọn
55
Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tổng hợp chế tạo vật
liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
56
Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
59
Bảng 4.4 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ cứng của
vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
60
Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
62
Bảng 4.6 Tính chất của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 phụ thuộc vào các thông số
công nghệ ép - thiêu kết
64
vii
14
47
DAMH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt
Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu
Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32]
Hình 1.4 Độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC [36]
Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC ép chảy [36]
Hình 1.6 Trình tự chuyển động của lệch
Hình 1.7 Ảnh SEM của vật liệu sau khi Cu tan thành bột VLTH Cu-5% Al2O3 và sự
0
0
0
6
10
10
12
12
17
20
0
hình thành Al2O3 khi xử lý nhiệt: a- 850 C; b- 1100 C; c- 850 C; d- 1100 C [16]
Hình 1.8 Độ cứng (HRB) và độ dẫn điện (% IACS) của vật liệu chế tạo với % Al2O3
thay đổi [16]
Hình 1.9 Sơ đồcông nghê ̣nấu luyện vâtliêụ
̣ điên ̣ cưc ̣ han trong lo hơ [2]
̀
̀
̉
Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn bằng phương pháp nhiệt
nhôm và nhiệt magiê [7]
Hình 2.1 Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình hợp kim
20
24
25
29
hóa cơ học
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [13]
Hình 2.3 Các giai đoạn quá trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dẻo [13]
Hình 2.4 Các giai đoạn qúa trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dòn [13]
Hình 2.5 Một số thiết bị thông dụng dùng để hợp kim hóa cơ học
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy nghiền cánh khuấy
Hình 2.7 Kích thước của khuôn ép tạo hình sơ bộ
Hình 2.8 Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 bằng phương
29
31
31
32
33
36
40
pháp cơ - hóa kết hợp
Hình 3.1 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Cu-CuO-Al
42
Hình 3.2 Máy nghiền kiểu cánh khuấy
Hình 3.3 Máy nghiền bi kiểu tang trống
Hình 3.4 Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy
Hình 3.5 Thiết bị ép tạo hình
Hình 3.6 Lò Linn – 1300
Hình 3.7 Máy đo độ cứng HPO-250
Hình 3.8 Cân điện tử (độ chính xác 10 )
43
43
44
44
44
45
45
Hình 3.9 Máy phân tích XRD D5005 – SIEMENS
Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800
Hình 3.11 Thiết bị đo độ dẫn điện MICROHMMETER DO5000
Hình 3.12 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-20% Al2O3 sau khi nghiền 16h
45
46
46
48
-4
trong máy nghiền cánh khuấy
viii
Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-5% Al2O3 sau khi nghiền trộn
3h trong máy nghiền tang trống
Hình 3.14 Mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bị nứt tách lớp khi áp lực ép tạo
49
49
hình sơ bộ quá lớn
Hình 3.15 Giản đồ chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
50
Hình 4.1 Mô hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm
54
Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép
65
không đổi
Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ
thiêu kết không đổi
Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu kết
không đổi
Hình 4.5 Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết khi tổng
hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.6 Quan hệ giữa mật độ của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông số
công nghệ ép - thiêu kết
Hình 4.7 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép
không đổi
Hình 4.8 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ
thiêu kết không đổi
Hình 4.9 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và nhiệt độ thiêu kết, thời gian
thiêu kết không đổi
Hình 4.10 Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết khi
tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.11 Quan hệ giữa độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông
số công nghệ ép - thiêu kết
Hình 4.12 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực
ép không đổi
Hình 4.13 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt
độ thiêu kết không đổi
ix
65
66
66
67
68
68
69
69
70
71
72
Hình 4.14 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu
kết không đổi
Hình 4.15 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết
khi tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.16 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-CuO-Al (a) và sau khi
nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph trong thời gian 16h (b)
Hình 4.17 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền
Hình 4.18 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền
Hình 4.19 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền
Hình 4.20 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu hỗn hợp vật liệu bột
Hình 4.21 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau khi nghiền trộn trong
máy nghiền tang trống
Hình 4.22 SEM-EDS của mẫu bột vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
72
73
75
77
78
79
80
80
81
0
Hình 4.23 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu Cu - Al2O3 sau khi thiêu kết (800 C, 2h)
82
Hình 4.24 Ảnh SEM (a- X200.000; b- X100.000) mẫu vật liệu tổ hợp Cu 0
5vol.%Al2O3 thiêu kết ở 800 C sau 2h
83
Hình 4.25 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
0
Hình 4.26 SEM-EDS của mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau thiêu kết (800 C,
83
84
2h)
Hình 5.1 Điện cực hàn điểm ứng dụng trong công nghiệp ô tô
86
Hình 5.2 Khảo sát máy hàn điểm tại cơ sở sản xuất
Hình 5.3 Hình dạng điện cực hàn tại Công ty VINA TAIYO SPRING CO,.LTD
Hình 5.4 Hình dạng điện cực và hao mòn điện cực hàn tại Công ty TNHH MTV
Diesel
Hình 5.5 Thiết kế chế tạo điện cực hàn điểm (Đầu - Cán)
Hình 5.6 Phương án chế tạo điện cực hàn
Hình 5.7 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và
chỏm cầu côn)
Hình 5.8 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và
chỏm cầu côn)
Hình 5.9 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng đầu bằng và chỏm
nhọn)
Hình 5.10 Hình dạng và kích thước đầu điện cực hàn (Phương án chọn để chế tạo)
Hình 5.11 Hình dạng và kích thước khuôn ép đầu điện cực hàn
Hình 5.12 Ép tạo hình đầu điện cực hàn điểm
Hình 5.13 Điện cực hàn dạng đầu - cán [(Vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3) - Hợp
kim Cu]
x
88
88
88
89
89
90
90
90
91
91
91
92
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khoa học công nghệ vật liệu
trong những thập niên gần đây có sự phát triển mạnh mẽ. Sự đổi mới công nghệ, trong đó
có sự phát triển công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của
nền kinh tế - xã hội, sự phát triển công nghiệp của một quốc gia.
Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ truyền
thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm tạo ra các vật liệu có những tính chất
đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc hiện đại làm việc
trong điều kiện khắc nghiệt. Vật liệu tổ hợp ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó và
ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân
và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, chế tạo máy, xây dựng …
Vật liệu tổ hợp đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác
nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu rất đa
dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai, như:
vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và
nhiệt độ cao và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có được. Do đó, vật
liệu tổ hợp nói chung và vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng ngày càng thu hút được sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi để thay thế
dần vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân hiện nay.
Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp, đặc biệt là vật liệu tổ hợp nền
kim loại còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong khoảng thập niên gần đây. Việc nghiên
cứu vật liệu tổ hợp nền kim loại, được phát triển theo hai hướng chính, đó là: nghiên cứu
các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các
chi tiết, sản phẩm từ vật liệu tổ hợp nền kim loại. Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu
vật liệu mới tiềm năng và có nhiều triển vọng. Các công trình nghiên cứu đã cho thấy việc
sử dụng cốt hạt phân tán như Al2O3, TiB2, TiC, ... đã cải thiện đáng kể một số tính chất của
hệ vật liệu tổ hợp nền Cu. Tuy nhiên, cần nghiên cứu một cách hệ thống và nâng cao khả
năng ứng dụng trong thực tiễn đối với hệ vật liệu tổ hợp nền Cu nói chung và vật liệu tổ
hợp nền Cu cốt hạt phân tán Al 2O3 nói riêng. Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp
nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn” mang tính ứng dụng cao
trong thực tế và mới trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu mới. Kết quả của đề tài mở
ra triển vọng lớn trong việc nghiên cứu hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và cần thiết để
góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ vật liệu tổ hợp này.
2.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng
phương pháp cơ - hoá.
-
1
Nghiên cứu khảo sát một số tính chất đặc trưng và cấu trúc vật liệu tổ hợp nền Cu
cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét
(SEM, SEM-EDS) ...
-
Nghiên cứu chế tạo thử phôi điện cực hàn điểm từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt
phân tán nano Al2O3.
-
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano
Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp cơ - hoá.
Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây:
Tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp
cơ - hoá trong máy nghiền cánh khuấy.
-
Xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và một số tính
chất cơ bản của vật liệu làm cơ sở tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt
phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn.
-
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng cấu trúc và
tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
-
Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
trong chế tạo điện cực hàn điểm.
-
4.
Phương pháp nghiên cứu
-
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp phân tích, kiểm tra vật liệu bằng nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện
tử quét (SEM, SEM-EDS), đo độ xốp, đo độ cứng, đo độ dẫn điện …
-
Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xây dựng mối quan hệ và đánh giá ảnh hưởng
của các thông số công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3
bằng phương pháp cơ - hoá.
-
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp
nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 và so sánh các dữ liệu đối chứng, đánh giá khả năng
đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn.
-
5.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán
nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các
tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3 chế
tạo phôi điện cực hàn.
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3 được nghiên cứu chế tạo có
những tính chất công nghệ đặc trưng, ưu việt đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện
-
2
hiện đại (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) có thế được ứng dụng để chế tạo thay thế các chi tiết
nhập ngoại, giảm giá thành sản phẩm.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho việc triển khai áp dụng
trong thực tiễn chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện
cực hàn tại Việt Nam.
6.
Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu các công nghệ tiên tiến đã công bố trong và ngoài
nước để xác định công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
- Xây dựng, lựa chọn được hệ thống thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra và
đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu phù hợp với điều kiện thực tiễn để tiến hành
quá trình công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
- Kết quả thực nghiệm công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán
nano Al2O3 có thể ứng dụng chế tạo vật liệu kỹ thuật điện hiện đại từ hệ vật liệu tổ hợp nền
Cu có độ bền nhiệt, độ dẫn điện cao.
- Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp được vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al 2O3
bằng phương pháp cơ - hoá ưu việt hơn so với các phương pháp khác như nấu hợp kim,
nghiền trộn cơ học, ...
- Đề xuất phương pháp và chế tạo được điện cực hàn điểm từ phôi vật liệu tổ hợp
Cu - 5vol.%Al2O3 bước đầu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu chế tạo điện
cực hàn điểm, có thể triển khai trong thực tiễn sản xuất vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân
tán nano Al2O3 để chế tạo điện cực hàn.
Những đóng góp mới của luận án:
- Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano
Al2O3 là hướng nghiên cứu hiện đại, phù hợp với xu hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ
hợp trên cơ sở nền Cu và lần đầu tiên ở Việt Nam đề xuất, thiết lập được quy trình công
nghệ tổng hợp và chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3
bằng phương pháp cơ - hoá.
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3 được nghiên cứu chế tạo
thành công, có những tính chất công nghệ cơ bản đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật
điện (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) thay thế các vật liệu truyền thống đã mở ra bước đột phá
mới trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu kỹ thuật điện.
- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính
chất công nghệ đặc trưng của vật liệu làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa quá trình công nghệ
chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn.
-
7.
Bố cục của luận án
Luận án được trình bày với các nội dung sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) bền nhiệt, độ dẫn điện cao.
3
Chương 2. Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ hoá.
Chương 3. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu
tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá.
Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất và tổ
chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3.
Chương 5. Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3.
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
4
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu)
BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO
1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp
1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp
Vật liệu tổ hợp là loại vật liệu dị chất (không đồng chất), nó được tạo nên bởi hai
hoặc nhiều thành phần liên kết bền chặt với nhau trong đó có ít nhất một thành phần trội
hơn về mặt thể tích (khối lượng) là một kim loại, hợp kim hoặc phi kim loại.
Vật liệu tổ hợp là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên thường rất khác nhau về bản
chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại bằng sự
can thiệp kỹ thuật của con người theo những quy trình công nghệ thiết kế trước, nhằm tận
dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu tổ hợp cần chế tạo. Pha
liên tục trong toàn khối vật liệu được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được nền bao
bọc gọi là pha cốt.
Sự kết hợp các tính chất trong vật liệu nhiều pha là hiện tượng phổ biến. Ví dụ, giới
hạn bền cao và độ dẻo thích hợp của thép cùng tích peclit là kết quả của sự kết hợp độ dẻo,
độ dai lớn của các tấm ferit với tính cứng vững của các tấm xementit khi chúng sắp xếp
xen kẽ nhau; gỗ, tre cứng vững và bền dai chính là nhờ kết hợp được tính bền dai của sợi
xenluylo phân bố theo hướng xác định với độ cứng vững cao của chất gỗ (lignin) bao bọc
xung quanh. Qui luật kết hợp thể hiện trong các ví dụ này là cơ sở khoa học của công nghệ
vật liệu tổ hợp.
Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một thiết kế
định trước, đảm bảo tạo nên một tổ hợp nhất định các tính chất, con người đã sản xuất ra
khá nhiều chủng loại vật liệu tổ hợp đáp ứng nhu cầu đa dạng của công nghệ hiện đại.
Trong vật liệu tổ hợp tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và
cốt tuân theo các qui định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để
tạo nên tính chất chung của vật liệu tổ hợp. Tuy nhiên, tính chất của vật liệu tổ hợp tạo ra
không bao hàm tất cả các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa
chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. Xét về các chỉ tiêu độ bền riêng, mô
đun đàn hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như nhiều tính chất khác thì vật liệu tổ
hợp có ưu thế đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết.
1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp
Phân loại vật liệu tổ hợp thường dựa vào các đặc điểm mang những tính chất đặc
trưng của chúng:
Theo bản chất của nền, vật liệu tổ hợp được phân thành:
- Vật liệu tổ hợp nền chất dẻo
- Vật liệu tổ hợp nền kim loại
- Vật liệu tổ hợp nền gốm (ceramic)
- Vật liệu tổ hợp nền là hỗn hợp nhiều pha.
5
Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại vật liệu tổ hợp
thành ba nhóm (hình 1.1):
- Vật liệu tổ hợp cốt hạt;
- Vật liệu tổ hợp cốt sợi;
- Vật liệu tổ hợp cấu trúc.
Vật liệu tổ hợp
Cốt hạt
Thô
Mịn
Cốt sợi
Liên tục
Cấu trúc
Gián đoạn
Có hướng
Tấm
Tấm ba lớp
Tổ ong
Ngẫu nhiên
Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt
1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại
Vật liệu tổ hợp nền kim loại (Metal matrix composites - MMCs) được ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp như ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô ... Vật
liệu tổ hợp nền kim loại (MMCs) 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 tạo thành vật liệu mới có những
đặc tính kỹ thuật, tính chất đặc trưng của riêng nó. Hiện nay, vật liệu vật liệu tổ hợp nói
chung và vật liệu vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng được ứng dụng rộng rãi do chúng
có nhiều ưu điểm nổi trội như: có những tính chất đặc trưng, độ bền và độ ổn định nhiệt
cao, ... cho thấy tiềm năng ứng dụng là rất lớn. Đã có những công trình trong và ngoài
nước nghiên cứu, chế tạo nhằm nâng cao độ bền của vật liệu tổ hợp nền kim loại nhằm đáp
ứng những đòi hỏi, yêu cầu về vật liệu ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt như
chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn, chống ăn mòn ... và bước đầu một số loại vật liệu tổ hợp
nền kim loại đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như: kỹ thuật điện – điện
tử, hàng không vũ trụ, cơ khí chế tạo, ...
Vật liệu tổ hợp nói chung, MMCs nói riêng đang được ứng dụng và đóng góp to lớn
trong ngành công nghiệp vật liệu để thay thế các loại vật liệu truyền thống. Việc sử dụng
rộng rãi các MMCs trong ngành công nghiệp ô tô, cũng như các ngành công nghiệp khác
đã dần được khẳng định trong những năm qua.
MMCs có nền thường là các loại kim loại và hợp kim có độ dẻo dai cao, tỷ trọng
riêng nhỏ, độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn. Khi đưa thêm các phần tử cốt vào pha nền sẽ
tạo ra một loại vật liệu mới có các tính chất ưu việt hơn hẳn các pha thành phần hợp thành
nên nó. Các đặc tính đặc trưng của MMCs là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả
năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao.
6
1.2.1 Thành phần cấu tạo
Vật liệu tổ hợp được cấu tạo từ hai cấu tử chính, đó là nền và cốt. Mỗi cấu tử có
một vai trò và tính chất đặc trưng, chúng liên kết với nhau để tạo ra một vật liệu có tính
chất tổng hợp, kết hợp các tính chất ưu việt của các cấu tử thành phần.
a. Vật liệu nền
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà có loại vật liệu nền khác nhau. Để chế tạo vật
liệu kết cấu, cấu tử nền thường là các vật liệu có độ bền riêng cao, tỷ trọng nhỏ như titan,
nhôm, magie và các hợp kim của chúng. Để đáp ứng yêu cầu về vật liệu bền nóng, vật liệu
chịu mài mòn thường sử dụng vật liệu nền là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như
vonfram, crôm và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các hợp chất trên cơ sở sắt vì nó
có độ bền riêng nhỏ và dễ bị ôxi hóa.
Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trọng
nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston.
Vật liệu tổ hợp nền titan và hợp kim titan: do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng, môđun
đàn hồi lớn (80 100 GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt nên được sử dụng nhiều trong
động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén …
Vật liệu tổ hợp nền đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị trao
đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhưng chủ yếu vật liệu tổ hợp này vẫn
được dùng trong vật liệu kỹ thuật điện như chổi than, tiếp điểm điện do có khả năng dẫn
điện tốt. Bên cạnh đó, vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu
chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt …
b. Vật liệu cốt
Tùy theo kích thước, hình dáng và cách sắp xếp của cốt vào nền mà cốt được chia
làm ba loại: Cốt sợi, cốt hạt, cốt cấu trúc. Vật liệu cốt thường là các hợp chất vô cơ có độ
bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và môđun đàn hồi lớn.
Trong thực tế, thường sử dụng MMCs cốt hạt. Cốt hạt thường là các phần tử có
kích thước nhỏ, môđun đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy lớn, tỷ trọng nhỏ và ít tương tác
với nền. Khi các phần tử cốt này được đưa vào trong nền, chúng sẽ cản trở chuyển động
của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền vật liệu. Các loại cốt hạt thường gặp là Al 2O3, TiC,
TiB2, SiC …
0
Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 2000 C), tỷ trọng nhỏ, độ cứng cao.
Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn tốt.
Cốt TiC có độ cứng, độ bền cao nên thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ cắt và
các chi tiết trong hàng không - vũ trụ.
1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt
Liên kết nền - cốt là khả năng kết hợp các cấu tử với nhau. Đây là một yếu tố quan
trọng quyết định tính chất của vật liệu, đặc biệt là tính chất cơ học của vật liệu như độ bền,
giới hạn đàn hồi và tính dẻo. Liên kết nền - cốt tốt thì khả năng hóa bền của pha cốt mới
được phát huy.
7
Tùy thuộc vào bản chất của pha nền và pha cốt mà có thể hình thành các loại liên
kết khác nhau giữa chúng. Thường có ba kiểu liên kết nền - cốt, đó là: liên kết cơ học, liên
kết có tạo pha trung gian và liên kết hỗn hợp.
a. Liên kết cơ học
Liên kết cơ học nền - cốt được hình thành khi có tác dụng của ngoại lực, nền và cốt
liên kết lại với nhau thông qua sự mấp mô trên bề mặt của chúng. Đây là kiểu liên kết đặc
trưng của hai pha rắn. Nguyên nhân tạo ra liên kết này là do ma sát giữa nền và cốt. Do đó
khi tăng lực ma sát giữa nền và cốt thì độ bền của vật liệu cũng tăng lên.
Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và mật độ vết nứt của vật
liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Khi mức độ biến dạng nhỏ thì mật độ vết nứt
ít phụ thuộc vào độ nhám bề mặt giữa nền và cốt. Khi mức độ biến dạng lớn thì mật độ vết
nứt ở cốt có bề mặt bóng không tăng nữa, tức là không xuất hiện thêm vết nứt. Nguyên
nhân là do liên kết cơ học giữa nền và cốt bị phá vỡ, không có khả năng truyền lực tác
dụng từ nền vào cốt nữa. Trong khi đó ở cốt có bề mặt nhấp nhô hợp lý vẫn xuất hiện vết
nứt trên bề mặt nền và cốt, tức là liên kết nền và cốt chưa bị phá vỡ, tải trọng vẫn tiếp tục
được truyền từ nền vào cốt cho đến khi mức độ biến dạng đủ lớn.
b. Liên kết có tạo pha trung gian
Liên kết có tạo pha trung gian là loại liên kết có sự hình thành vùng trung gian ở
ranh giới giữa hai cấu tử. Liên kết này chỉ xảy ra với các cấu tử có khả năng khuếch tán
hoặc phản ứng hóa học với nhau.
Phần lớn các hệ MMCs là hệ ở trạng thái không cân bằng về nhiệt động học. Do đó
luôn tồn tại gradient nồng độ giữa nền và cốt. Gradient nồng độ chính là động lực trong
quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học xảy ra khi có các điều kiện nhiệt động học phù
hợp.
Lớp bề mặt tiếp xúc được tạo bởi phản ứng hóa học và khuếch tán thường có tính
chất cơ, lý, hóa khác biệt với tính chất của cấu tử thành phần. Nếu khả năng tạo vùng trung
gian được kiểm soát thì sẽ tạo ra liên kết mạnh giữa nền và cốt. Tuy nhiên, nếu vùng trung
gian quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu.
c. Liên kết hỗn hợp
Là liên kết tổng hợp, bao gồm cả liên kết cơ học và liên kết hóa học. Nghĩa là, nền
và cốt liên kết với nhau vừa thông qua độ nhấp nhô bề mặt, vừa do tạo vùng trung gian
giữa chúng.
1.3 Vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) cốt hạt mịn phân tán
Vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền cao, độ dẫn điện cao được ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực công nghiệp. Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được
nghiên cứu nhằm chế tạo ra MMCs nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu nói riêng [16, 21,
25, 26, 35, 39, 46] , có thể kể đến như là “in - situ” và “ex - situ”. Trong đó, phương pháp
“in - situ” [24, 47, 48] là phương pháp có nhiều tiềm năng trong chế tạo MMCs cốt hạt
kích thước nano phân tán. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là phản ứng sinh nhiệt
giữa các nguyên tố hoặc giữa các nguyên tố và các hợp chất liên kim với nền.
8
1.3.1 Đồng (Cu) - vật liệu kim loại có điện dẫn cao
Đồng có những tính chất đặc trưng tiêu biểu của kim loại, được sử dụng rộng rãi
làm vật dẫn điện, vì:
- Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Điện trở suất của Cu nhỏ (trong tất cả các kim loại
chỉ có bạc (Ag) có điện trở suất nhỏ hơn Cu)
- Chống ăn mòn khá tốt trong môi trường khí quyển, nước, nước biển hay kiểm,
axit hữu cơ. Trong khí quyển, đồng hầu như không bị ăn mòn. Sở dĩ như vậy bởi vì Cu là
kim loại có thế điện cực dương và ngay ở nhiệt độ thường trong không khí ẩm đổng đỏ bị
ôxi hóa tạo ra màng Cu2O và trở thành lớp bảo vệ tốt. Trong nước biển, đồng bị ăn mòn
không đáng kể.
- Nổi bật trong các tính chất của Cu nguyên chất là khả năng gia công áp lực ở
trạng thái nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng.
- Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên,
ưu điểm này giảm đi rõ rệt.
Mặt khác, Cu là vật liệu kim loại có điện dẫn cao được sử dụng rộng rãi nhất trong
kỹ thuật điện. Song chỉ cần có một lượng tạp chất rất nhỏ cũng làm giảm mạnh tính dẫn
điện và tính công nghệ của Cu. Ví dụ các tạp chất như Bi, Pb, S …ảnh hưởng không đáng
kể đến độ dẫn điện của Cu nhưng làm giảm rõ rệt cơ tính, Fe làm giảm tính dẫn điện và
mài mòn của Cu, O2 gây cản trở trong quá trình hàn của Cu, P làm giảm rõ rệt tính dẫn
điện và tính dẫn nhiệt của Cu ...
Một số tính chất cơ bản của Cu nguyên chất [1]:
- Khối lượng nguyên tử
- Khối lượng riêng
- Nhiệt độ nóng chảy
- Hệ số dãn nở nhiệt (20 1000C)
: 63,54 g/mol
: γ = 8,94 g/cm3
: 10830C
- Điện trở suất (ở trạng thái ủ, ở 200C)
: = 1,7241
- Độ dẫn nhiệt (ở trạng thái ủ, ở 200C)
: 385 W/m.0K
- Ở trạng thái ủ
: Giới hạn bền σb = 220 MPa
: Giới hạn đàn hồi σđh = 70 MPa
: Giới hạn bền σb = 425 MPa
: Giới hạn đàn hồi σđh = 375 MPa
: = 16,6.10-6 m/0C
- Ở trạng thái sau biến dạng (ε = 60%)
9
.cm
Hàm lượng tạp chất có hại
Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu
a. Các phương pháp hóa bền Cu
Hiện nay, Cu và các hợp kim của Cu được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật
điện, nhất là việc dùng để chế tạo các tiếp điểm (công tắc, áp tô mát, điện cực hàn …). Yêu
cầu độ dẫn điện và độ bền cơ học cao, với Cu ở nhiệt độ cao thì độ bền cơ học không đạt
yêu cầu. Vì vậy, nâng cao độ bền cơ học của Cu là cần thiết. Gần đây, việc hóa bền Cu thu
hút được rất nhiều chú ý. Có thể kể ra đây ba phương pháp hóa bền Cu, đó là:
- Cu nguyên chất được hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt
- Cu nguyên chất được hóa bền bằng dung dịch rắn
- Cu được hóa bền bằng các hạt gốm tạo nên vật liệu tổ hợp nền Cu.
b. Hóa bền Cu bằng cách làm nhỏ hạt
Trong công bố của Lu [32] đưa ra một kết quả của sự hóa bền Cu nguyên chất với
sự lớn lên của các song tinh kích thước cỡ nano bằng cách giảm biên giới các hạt qua một
kỹ thuật xung lắng đọng điện tích từ một dung dịch điện phân CuSO 4. Theo công bố này,
độ bền kéo tăng lên khoảng 10 lần so với Cu có kích thước hạt thô thông thường, trong khi
đó vẫn giữ nguyên được độ dẫn điện so với Cu nguyên chất, được thể hiện trên hình 1.3.
Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32]
10
- Xem thêm -