Công nghệ chế tạo vật liệu comzit nền nhôm cốt hạt phi kim loại docx

Vật liện Compozit, tạo thành từ ít nhất hai vật liệu thành phần trở lên, kết hợp và phát huy được đồng thời các ưu điểm của các vật liệu thành phần nhờ sự định lượng và kiến trúc hợp lý

BO KHOA HOC VA MOI TRUONG - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜN GDẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BAQ CAO TONG KET DE TAI CAP BO:

DANH SÁCH CÁN BỘ

THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 PGS.PTS Nguyễn Kắc Xương Chủ tri dé tai 2.PGS.TS Nguyễn Văn Thái

3 Kỹsư Nguyễn ái Xá

4.Kỹsư Trần văn Mạnh

5 K¥ su Bùi Hồ lộc

Phần 1: TỔNG QUAN

Vật liệu Compozit-Đối tương nghiên cứu hấp dân,

nhiều tiềm năng, đang cập nhật ở Việt nam Khái niệm về vật liệu cômpozit

Mỗi loại vật liệu riêng rẽ, bên cạnh ưu điểm, bao giờ cũng lộ ra những nhược

điểm Ví dụ, thép- vật liệu thông dụng nhất- có độ bền, dẻo khá cao, những chống ăn

mòn kém trọng lượng riêng lớn Còn chất dẻo, chống ăn mòn nói chung tốt trọng

lượng riêng nhỏ nhưng độ bén hạn chế, chịu nhiệt kém và dễ cháy vv

Vật liện Compozit, tạo thành từ ít nhất hai vật liệu thành phần trở lên, kết hợp

và phát huy được đồng thời các ưu điểm của các vật liệu thành phần nhờ sự định lượng và kiến trúc hợp lý, theo các tính toán thiết kế tối ưu

Trong những vật liệu thực tế, nguyên lý kết hợp thể hiên khá phổ biến Các nha luyện kim ai cũng biết, sở dĩ thép cùng tích vừa bền vừa khá dẻo, vì đó là sự kết

hợp được độ dẻo cao của Ferit vơi độ bên lớn của Xementit khi hai pha này sắp xếp

tân lượt xen kẽ nhau Ngay trong gỗ, tre -vật liệu tự nhiên rất thông dụng và phổ biến ta cũng thấy sự kết hợp của sợi xenlulô khá bên với chất gỗ lignin tương đổi deo

Theo quy ước người ta coi vật liệu Compozit là vật liệu nhiều pha, các pha

nay khác nhau về:

e Ban chat Hoa hoc

® Hinh dạng hình học

e Dac diém tinh chat

hấu như không tan vào nhau, phân cách nhau bằng mặt ranh giới, kết hợp lại nhờ sự

can thiệp kỹ thuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước

Do tính phổ biến của nó quy luật kết hợp, trong tay các nhà công nghệ vật

liệu, trở thành một công cụ vạn nắng, cho phép, về nguyên lắc có thể tạo ra mọi vật liệu theo ý muốn Điều này có nghĩa là vật liệu Compozit sẽ có-mật trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như đời sống văn hoá của xã hội con người Mức độ hiện điện

cũng như vai trò của nó sẽ tăng đẩn, phụ thuộc vào sự phát triển của trình độ công

nghệ Chính vị lẽ đó gàn đây người ta thường nói: Thế kỷ 21 sẽ là thời dai van minh Compozit

ỞƠ Việt nam ta vật liệu Compozit đã và đang được mở rộng lĩnh vực ứng

dụng Trong ngành giao thông đường thuỷ: tầu tuần tra trên biển, trong ngành bảo

hiểm: tầu thuyển cứn hộ, trong lĩnh vực thể thao: ván lướt, trong ngành hàng không: vom che chắn bảo vệ máy bay, trong nông nghiệp: mái che nhà trơng cây, trong quân sự, bảo vệ: khiên chống bạo động, trong ngành CTM: vật liên chịu ma sắt chống mài mòn v.v Các công trình nhiên cứu ứng dụng vật liện Compozit nên

chất dẻo đang có chiều hướng phát triển và khởi sắc Nghiên cứu Compozit nén kim

loai cũng có những động thái ban đầu tạo đà cho một tương lai phát triển manh mé

Mội số định nghĩa,khái niệm

Người ta phân vật liên Compozit thành 2 loại:

e Compozit cấu trúc và Compozit tạo hình

Compozit tạo hình, khi sĩ dụng bao giờ cũng được trải qua các nguyên công tao hình: Đúc ép, gia công áp lực gia công cất gọt vv Cấu trắc Compozit này gồm 2

phần: cốt và nền

Cốt phân bố không liên tục trong Compozit, là bộ phận mang tại chính đôi

với Compozit kết cấn

Theo bản chất vật liệu nên, Compozit được phân thành:

¢ Compozit nén chat déo

e Compozit nén kim loai

e Compozit nén vô co (ceramic) Căn cứ vào đặc điểm hình học cốt người ta phân ra:

¢ Compozit cot soi ( Compozit sợi)

¢ Compozit cot hat ( Compozit hat)

© Compozit cdt tim ( Compozit tim)

® - Compozit cốt khung ( Compozit khung)

Phổ biến và thông dụng hơn cả là Compozit nên chất dẻo cốt sợi hoặc côt

hat Xu thé img dung chat déo va Compozit thay thế thép và các vât liện truyền

thống khác thể hiện rất rõ rét & nhimg nuéc c6 nén k¥ nghé phat trién ( bang 1) 1 ]

Bang 1: Mitc phan bo vat liéu sit dung 1988 6 L-X va M§

liện đầy triển vọng của các lĩnh vực công nghệ cao

So với Compozlt nên chất đếo Compozit nên kim loại thể hiện um việt ở những điểm chính sa:

1-Đ€o và các chỉ tiên cơ tính cao 2-Độ bên nóng cao hơn

3-Có tính dẫn điện dẫn nhiệt

4-Có tính hàn thuận lợi cho lắp ráp

Trong thuc t@ Compozit nén kim loai duge sit dung ca 6 nhiét độ thấp, nhiệt

độ cao và siêu cao trong các môi trường hoạt tính ăn mòn dưới tác dụng của các loại

tải trọng: tải trọng tĩnh tải trọng đổi dấu, tải trọng va đập, tãi trọng rung

Hiệu quả cao nhất sử dụng vật liện này vào nơi mà điều kiện làm việc nặng

nề không cho phép áp dụng các vật liệu truyền thông

Ngày nay, cùng với lĩnh vực ứng dụng nêu trên, người ta còn thường dùng Compozit kết cấu nên kim loại để cải thiện tính chất, mở rộng, nâng cao thông số làm

việc của kết cấu trước đó được chế tạo từ kim loại nền

Tính năng va ứng dụng Compozit là loại vật liệu chất lượng cao So với vật liệu kim loại truyền thông Compozit có những nét nổi bật sau [ 5 ]:

Độ bền riêng( tỷ số giữa giới hạn bền kéo Và khối lượng riêng) so với thép và nhôm lớn hơn từ 4-6 lần

Môdun đần hồi riêng lớn hơn thép và nhôm từ 3-5 lần Giới hạn bên mỏi lớn đạt khoảng 60% giới hạn bén kéo (Dối với thép và nhôm giá trị này khá thấp)

Trọng lượng riêng của kết cất có nhiệm vụ chức nắng tương đương từ Compozit cốt sợi các bon hoặc aramit nhẹ hơn so với từ hợp kim nhom

khoảng 25 đến 45%

Giá trị độ dai va đập của Compozit cao hon so voi hop kim nhom hàng không

Khả năng giảm chân giảm ồn tốt truyền rung động thấp hơn kim loại ( rất tốt

trong công nghệ ôtô, máy bay

Khả năng chống mài mòn, hệ số ma sát nhỏ tương đương thép ( khi không bôi trơn)

Vật liện Compozit da năng tiện lợi hơn so với vật liệu kim loại, đặc biệt khi

dùng trong chế tạo thân, đuôi máy bay

Khả năng chống ăn mòn và các tính chất tốt khác sẽ dẫn tị tớigiäm giá thành tính trên một chu kỹ phục vụ của chỉ tiết

Ưu thế của Compozit trong các áp dụng riêng biệt còn thể Shien ở những nét sau:

Do tính cứng vững riêng và bền riêng cao nên cho phép chỉ tiết từ Compozit quay nhanh hơn với quán tính nhỏ hơn từ thép

Tính cứng vững riêng cao khi nén và uốn cho phép giảm bới các ổ đỡ, giảm bớt giá thành

®Truyyền rung động kém.tiên tốn năng lượng nhỏ, điền đó cho phép vợt Tenit từ

Compozit đạt được gia tốc ban đầu lớn

Chịu nhiệt cao

Dẫn nhiệt toả nhiệt tốt

Do công nghệ chế tạo ở nhiệt độ thấp Compozit nên polyme hiện nay được dùng phổ biển hơn Compozit nên kim loại

Các kim loại và hợp kim đùng làm nền vật liệu Compozit rất đa đạng, phong

phú, phụ thuộc vào yên cầu đặt ra

Để chế tạo vật liện Compozit kết cấu thông dụng, người ta sử đụng các kim loại và hợp kim nhẹ như HK nhôm, II magie [ 6,7 }

Trong hoàn canh thực tế nước ta, việc lựa chọn Cornpozit nền nhom làm đổi tượng nghiên cứu xuất phát từ những căn cứ san:

e

Nhôm là tài nguyên dồi đào ở nước ta

Hợp kim nhôm đang phát triển cả vẻ sẵn lượng cũng như chủng loại mật

hàng thương phẩm trên thế giới ( hiện nay nhom được xép thứ 2 san thép vẻ mức độ phổ biến trong ứng dụng)

Nhiệt độ chây của nhôm thấp, do vậy giãm bớt phần nào khó khăn trong quy

trình công nghệ chế tạo Compozit

Nhiệt ẩn chảy lỏng của nhôm lớn do vậy tạo thuận lợi cho quá trình xử lý

pha lỏng

Nhôm có khối lượng riêng nhỏ có các tính chất vật lý quý như độ dẫn điện,

dẫn nhiệt khá cao thiết điện ngang hấp thụ nơtron nhiệt khá nhỏ

Tính chống án mòn trong khí quyển và một số môi trường tương dỡi tối, Nghiên cứu các công nghệ hợp lý tạo ra các vật liện Compozit nên nhóm có chất lượng , giá thành chấp nhận dược để thay thể các vật liệu kim loại truyền thông là hướng đi hợp lí và chắc chấn mang lại hiện quả KT cao trong hoàn cảnh cụ thể của

nifớc 1a

Phần 2: LỰA CHỌN CỎNG NGHỆ, THIẾT DỊ

2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo Compøzit để nghiên cứu

Chế tạo Compozit nền kim loại vẻ cơ bản có bốn phương pháp sau:

Phương pháp bột[ 8 ] phương pháp này sĩ dụng phố biến để chế tạo các Compozit nén Kim loại cốt hạt

Phương pháp đíc, ép [ 9 ], phương pháp này sí dụng thuận tiện cho

Compozit cốt sợi ngắn, cốt hạt

Phương pháp tẩm kim loại lỏng Cách này sử dụng cho lọai Compozit cấu

trúc dạng tổ ong [ 10 ], dang soi [11]

Phương pháp kết tình định hướng { 12 ] Phương pháp này dùng cho

Coinpozit ứng với hợp kim cùng tính

Hiện nay đôi với các Compozit nên là cac kim loại nhẹ có nhiệt độ chảythâp, phương pháp bán lỏng( semisolid) đang được chí ý nghiên cứn và ứng dụng{13.14 ]

Để tài này nghiên cứu ứng dụng phương pháp dòng xoáy để đưa Gr vào trực

tiếp trong nhôm lỏng [ 15]

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOZIT CỐT HẠT

Xử lý kích thước

Chế tạo chi tid

2.2 Thiết bị chế tạo Compozit bằng phương pháp giòng xoáy và bán lỗng

Thiế bị chế tạo Compozit bần

hiết kế chế tạo tại khoa máy lạnh thiết bị nhiệt theo sơ đồ hình 1 -

ø phương pháp gìong xoáy và bán lỏng được

5 Động cơ đụng đã quny nỗi lo

6 Động cơ dùng khuấy 7 GIA do động, cơ

+ ` + , -

Ê, Cơ câu diéu khién 5c nghìâ ng < ˆ

9 Thanh do va dan hones động co

1 Ce cau dụng điều chỉnh lin xning déng coG

Về tính năng, thiết bị có 2 chế độ vận hành Chế độ I: tạo giòng xoáy ở thể lỏng để đưa các phần tữ rắn vào

Chế độ 2 của thiết bị là để chế tạo Compozit & trang thai ban long.Trong phạm ví để tài này chỉ khai thác thiết bị theo tinh nang 1

Đã nghiên cứu xác định các thông số vận hành thiết bị để tạo giòng xoáy thích

hợp cho quá trình đưa các phần tử Gr vào

e Cánh quạt dạng số 8 góc vát nghiêng mỗi cánh 40-45°

e Góc nghiêng cần quạt so với phương thẳng đứng 20-25°

® Dộ ngập sâu của cánh quạt dưới mặt thoáng KL lỏng 3-4 cm

e Tốc độ quay của động cơ khuấy thay đổi vô cấp

® Nhiệt độ hệ thống được khống chế bằng rơle và cập nhiệt XA

Thiết bị xứ lý Gr

Graphit được xử lí theo 2 phương pháp:

e© Mạ phủ đồng ( CMị ) Thiết bị là các loại cốc thuỷ tỉnh định lượng và máy khuấy,

e Xứ lý nhiệt Tiến hành xữ lý nhiệt Gr trong thiết bị lò điện trở

Gá đưa Ốt vào gìong xoáy

Để đảm bao khống chế tốc độ đưa Gr vào Kim loại lỏng và đưa Gr vào trắng giòng xoáy đã chế tạo gá đạng phên có van điều tiết hình 2

Mẫu thử được chế tạo từ các phôi đức trong khuôn kim loại.Dể đúc mẫu đưới áp

Mẫu Compozit được nghiên cứu xác định các chỉ tiêu :

Độ cứng- Xác dinh theo TCVN 256-85 trén may TS2

Độ bên kéo- Xác định theo TCVN 197-66 trên máy thử kéo, nén 10T

Độ chống mài mòn- Xác đỉnh trên máy mài với gá tự tạo

Hệ số ma sắt- xác định tại phòng TN ma sat trường DHBK Ha nội

Hệ số dãn nở nhiệt- Xác định tại phòng TN Viện VL Bộ Xây dựng

Phân 3: KẾT QUÁ THỰC NGHIỆM

3.1 Nghiên cứu quy tring phd đồng lên Gr

Nguyên lý phủ đồng lên bẻ mật Gr dựa trên phản ứng thay thế giải phóng Cu

ở đạng nguyên tử hoạt tính Các nguyên tử Cu hoạt tính này sẽ hấp thụ lên bê mặt

Gr:

Cu SO, + Zn -» Cu + ZnSO,

L

Bé mat Gr

Nguyên liệu được dùng:

Sun fat đồng ngậm nước Cu SO, SH)O

Kém hat Nước

10

Để biểu diễn quy luật phụ thuộc các tham số công nghệ mạ phủ vào các chỉ

tiêu của quá trình phủ, đồn

hoạch thí nghiệm trực giao 2“° Trong bang 2 *

đổi của các tham số hệ thống

Bảng:2 ác cơ bẩn và chặng biên đổi của các tham số hệ thống

g thời tiết kiệm thời gian và hoá chat da sit dung quy

cho giá trị bậc cơ bản và chặng biến

Tham số CuSO, | Hàmlượng |CH;COOH | Thời gian | Thời gian | Nhiệt độ

(%) Zn (%) (%) phi (Ph) | say (Ph) |sấy CQ)

bién déi

Ma trận thí nghiệm cho trong bảng3

Gia công số liệu thí nghiệm thu được các model toán học tương hợp sau:

Để thuận tiện và phù hợp với sản xuất ta giữ các điều kiện sau:

100% Gr được phủ Thời gian xữ lí nhiệt Gr : 60 phút Nhiệt độ xử lí nhiệt Gr : 450 °C

Lượng CH;COOH dùng trong mẻ phủ: 2.5%

Chiếu dày lớp phủ 8-10 tưn Ưng với chiểu dày này sẽ đảm bảo trọng lượng riêng của các phần tử Gr đường kính 50-120tưn đã phủ Cu bằng của nhôm lỏng 2,6- 2,7 g/Cm’

Khi hiệu chỉnh 2 tham số X; va X) theo hệ phương trình sau:

ta có thể hoàn toàn nhận được chất lượng phủ Cu lên Gr theo ÿ muốn

Ví dụ: Để đảm bảo 100% Gr được mạ phủ khi chọn hầm lượng Cn SO,.5H;O

ở giới hạn dưới (52%) cần thời gian mạ phủ X¿> 2.0068 tức Z= 60.068 phút Trong khi đó để đâm bảo chiếu dày lớp phủ bằng 8iim, thời gian quá trình phủ chỉ cẩn 38.66 phút ứng với nồng độ 52% Cu SO,.SH;O Như vậy để đấm bảo đồng thời ca

2 điển kiện các thông số của quá trình công nghệ sẽ là:

13

Trên hình 5 là ảnh tổ chức tế vi của Gr mạ Cu đầm bão cả 2 thông số đề ra,

Hình 5 Ảnh lớp phủ Cu lên Gr x 400

3.2 Nghiên cứu xử lý nhiệt Gr,

Vi Gr rất xốp, nên bề mặt của nó có nhiều rỗ và hấp thụ khí cũng như các vật

chất khác Diễn đó gây ảnh hưởng mạnh đến góc dính ướt Gr/Alag

Bằng phương pháp xữ lý nhiệt hợp lý, người ta sẽ khử khí và phân huỷ các

tạp chất bẩn hấp thự trên mật Gr do vậy làm giảm góc dính ướt Gr/A lan, xuống

Để xác định ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ( TŒh)) đến góc dính ướt

Gr/Aling đã tiến hành thí nghiém sau:

-Thời gian giữ nhiệt ở mỗi nhiệt độ : 60 phút

-Nhiệt độ sấy lần lượt tại: 300°C, 350°C, 400°C 450°C 480°C 500°C, 600°C

Chế độ xứ lý nhiệt hợp lí là chế độ đảm bảo góc dính ướt Gr/Al¿a¿ nhỏ những

lượng mất mát Gr không được quá lớn

Trên hình 6 là đồ thị biểu điển sự biến đổi trọng lượng Gr sau khi giữ 60 phút