Nghiên cứu sử dụng anôt sắt silic trong bảo vệ catôt bằng dòng ngoài

Nhiều biện pháp chống ăn mòn đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụngtrong thực tế như: ngăn cách môi trường ăn mòn với kim loại bằng cách sơn phủ,thay đổi môi trường ăn mòn nếu có thể như

Nhiều biện pháp chống ăn mòn đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụngtrong thực tế như: ngăn cách môi trường ăn mòn với kim loại bằng cách sơn phủ,thay đổi môi trường ăn mòn nếu có thể như dùng chất ức chế, các phương phápđiện hóa như bảo vệ anôt, bảo vệ catôt Bảo vệ catôt là một trong những phươngpháp chống ăn mòn rất hữu hiệu cho các công trình thiết bị đặt ngầm trong đấtnhư hệ thống đường ống dẫn, bồn và bể chứa xăng dầu Trong bảo vệ catôtngười ta chia ra làm hai phương pháp: bảo vệ catôt bằng anôt hy sinh và bảo vệcatôt bằng dòng điện ngoài Hiệu quả của phương pháp bảo vệ catôt bằng dòngngoài phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: thiết kế lắp đặt anôt, mật độ dòng áp đặt vàvật liệu dùng làm anôt Bất kì một vật liệu nào có khả năng dẫn điện đều có thểđược sử dụng làm anôt trơ cho hệ bảo vệ catôt dùng dòng ngoài[1] Tuy nhiên đểđạt được hiệu quả bảo vệ, vật liệu dùng làm anôt trơ phải đáp ứng được một sốyêu cầu cơ bản sau: dẫn điện tốt, tốc độ ăn mòn thấp trong môi trường sử dụng,

có độ bền cơ học, chịu được ứng suất sinh ra trong quá trình lắp đặt và vận hành,giá thành thấp, chịu được dòng tải lớn Sắt hợp kim silic cao có khả năng chịu ăn

khả năng chống ăn mòn cho sắt hợp kim silic một số oxit dẫn được đưa thêm vàosắt hợp kim bằng phương pháp phân hủy nhiệt Luận văn “Nghiên cứu sử dụnganôt sắt silic trong bảo vệ catôt bằng dòng ngoài ” được thực hiện với mong

cho thép cacbon bằng dòng ngoài, trong môi trường đất

Trong luận văn này, ngoài phần mở đầu và kết luận chung nội dung gồm 3chương chính:

Chương I Tổng quan

Chương II Điều kiện và các phương pháp thực nghiệm

Chương III Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG I-TỔNG QUANI.1 Định nghĩa và phân loại

I.1.1 Định nghĩa [2]

Ăn mòn kim loại là một quá trình tự phá hủy kim loại do tác động hóa học,điện hóa học của môi trường xung quanh (môi trường xâm thực) để chuyển sangdạng bền nhiệt động lực của các hợp chất như oxit, hiđroxit, muối

I.1.2 Phân loại [3, 4, 5]

- Dựa vào cơ chế phá hủy kim loại, người ta chia ăn mòn thành hai dạngchính:

+ Ăn mòn hóa học: là sự ăn mòn gây nên bởi những phản ứng hóa học xảy

ra trực tiếp giữa kim loại với môi trường xung quanh

Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa khử, trong đó cácelectron của kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng

+ Ăn mòn điện hóa: là sự ăn mòn gây nên bởi những phản ứng điện hóahọc xảy ra giữa kim loại với môi trường xung quanh

Bản chất của ăn mòn điện hóa là quá trình oxi hóa- khử xảy ra trên bề mặtcác điện cực Lúc này trên bề mặt kim loại tạo thành những cặp pin và sinh ranhững dòng điện cục bộ Cực âm xảy ra quá trình oxi hóa kim loại, ở cực dươngxảy ra quá trình khử các ion của dung dịch điện li

Phản ứng anôt (kim loại hòa tan):

M - ze → Mz+

Phản ứng catôt:

- Dựa vào điều kiện của quá trình ăn mòn, ta chia thành các dạng:

+ Ăn mòn khí quyển

+ Ăn mòn trong môi trường nước biển.

+ Ăn mòn trong môi trường đất

+ Ăn mòn kim loại nóng chảy

- Dựa vào dạng ăn mòn, vào đặc trưng của sự phá hủy kim loại do bị ănmòn người ta phân thành hai dạng sau:

+ Ăn mòn đều: Xảy ra trên toàn bộ bề mặt kim loại Loại ăn mòn này ítnguy hiểm vì ta có thể dự đoán trước khi thiết kế thiết bị

+ Ăn mòn cục bộ: Dạng ăn mòn này tập chung ở các vùng riêng biệt của bềmặt, tùy theo vị trí và hình thể ăn mòn mà phân ra các dạng ăn mòn cục bộ sau:

kim nhôm

I.2 Giới thiệu về sắt silic [3, 6, 7]

Hợp kim sắt silic cao chịu ăn mòn được ứng dụng rộng rãi trong việc chếtạo anôt áp dụng để bảo vệ catôt bằng dòng ngoài Hợp kim sắt silic hay còn gọi

là sắt chứa nhiều silic, cũng có người gọi là sắt chịu axit Thành phần hóa họcchủ yếu của nó gồm có: cacbon từ 0,4-0,8%, mangan thường ít hơn 1%, silic từ14-16% còn hàm lượng của lưu huỳnh và photpho như trong các hợp kim sắtthường khác Một số loại sắt silic dùng trong chế tạo máy biến thế có thành phầnsilic khoảng từ 3- 5%

Hợp kim sắt silic là một loại vật liệu có khả năng chống ăn mòn rất cao

được tạo thành và phủ trên bề mặt Những môi trường có khả năng oxy hóa như

axit nitric, axit sunphuric, cromic…có tác dụng làm cho lớp SiO2 tăng lên Do đótăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim Nhưng trong axit clohiđric, axitoxalic, axit fomic thì khả năng chống ăn mòn của hợp kim sắt silic không tốtlắm Trong dung dịch xút ăn da, dung dịch axit flohyđric nó không còn khả năngchống ăn mòn nữa Hợp kim sắt silic có khả năng chống ăn mòn trong axitphotphoric thuần khiết nhưng trong môi trường axit dùng cho công nghệ có lẫnnhững tạp chất flo và hợp chất của nó thì sắt silic lại không bền vững Đối vớihợp kim sắt silic để nâng cao khả năng chống ăn mòn cho thêm 3-4% molyđen.Sắt silic chứa molyđen có độ bền vững cao đối với axit clohiđric.

Vì hợp kim sắt silic có khả năng chống ăn mòn tốt nên thường được dùng

để làm các thiết bị hóa chất như bơm axit, đường ống, những phụ tùng ống và

này nhưng tính năng cơ học của sắt silic kém, độ cứng lớn nhưng lại giòn vàkhông cán mỏng được Do đó tất cả các sản phẩm bằng hợp kim sắt silic đềuphải chế tạo bằng phương pháp đúc khuôn Về mặt gia công cơ học nói chungloại hợp kim này chỉ có thể được mài nhẵn Trong nước đã có một số nhà máynghiên cứu thay đổi chút ít về thành phần Kết hợp với việc cải tiến góc độ lắpdao của các công cụ cắt gọt nhờ đó chúng ta đã có thể gia công hợp kim sắt silictrên máy cắt gọt Tính năng dẫn nhiệt của hợp kim sắt silic kém Nó rất nhạycảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ cũng như khi cục bộ bị nóng lên.Ngoài ra nó đông đặc rất nhanh và khi đông đặc thể tích của nó co lại khá nhiều,phạm vi nhiệt đông đặc cũng khá nhỏ Vì khả năng co lại lớn, độ dẫn nhiệt lạikém nên vật đúc bằng hợp kim sắt silic sẽ sinh ra ứng lực bên trong khá lớn Do

đó khi thao tác, thậm chí có thể ngay cả trong khi chuyên chở hoặc lúc bảo quảnđều có thể bị vỡ nứt Vì thế cho nên khi đúc phải đặc biệt chú ý Ví dụ như phảixét đến kết cấu của vật đúc sao cho hợp lí, các đế làm khuôn phải tương đối

điều kiện khác đều cần được chú ý Có như thế mới nâng cao được chất lượngvật đúc Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp nhiệt luyện để khử ứng lực bêntrong và tránh tình trạng bị vỡ nứt của các vật đúc bằng hợp kim sắt silic.

Vì sức bền cơ học của hợp kim sắt silic kém lại giòn cho nên khi chuyênchở cũng như lúc sử dụng đều phải hết sức cẩn thận, tránh gây chấn động và vachạm mạnh, tránh sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ, và tránh sử dụng trong nhữngmôi trường mà nhiệt độ thay đổi đột ngột

Hợp kim sắt silic tuy có một số nhược điểm như nói trên nhưng nó vẫn làmột loại vật liệu có khả năng chống ăn mòn tốt, nguyên liệu lại có sẵn, việc nungchảy, đúc, gia công cũng không phức tạp lắm Chỉ cần khi sản xuất và lúc sửdụng chú ý thì hợp kim này cần được khuyến cáo khi sử dụng

Trong luận văn này em sử dụng hợp kim sắt silic với hàm lượng silickhoảng 5% Sau đó tiến hành tẩm thực hợp kim này trong hỗn hợp axit HF 2%

bằng phương pháp phân huỷ nhiệt

I.3 Các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại

Dựa vào cách thức bảo vệ kim loại mà chúng ta có thể phân chia ra 2nhóm chính: bảo vệ chủ động và bảo vệ thụ động

I.3.1 Bảo vệ chủ động

Bảo vệ chủ động là phương pháp bảo vệ kim loại bằng cách chế tạo cáchợp kim có độ bền ăn mòn cao và các kim loại có độ tinh khiết cao, ngăn cáchtác động của môi trường với kim loại và cải tạo môi trường bên ngoài để giảmtối đa sự xâm thực

Trước khi kim loại được đưa vào sử dụng, người ta tiến hành các phươngpháp bảo vệ chủ động như sau: chế tạo hợp kim bền ăn mòn, thiết kế hợp lí hoặccải tạo môi trường

I.3.2 Bảo vệ thụ động

Các phương pháp bảo vệ thụ động được thực hiện chủ yếu sau khi kimloại được đưa vào sử dụng khi đã có tác động xâm thực của môi trường Cácphương pháp bảo vệ thụ động bao gồm: phương pháp lớp phủ bảo vệ, cácphương pháp điện hóa (bảo vệ catôt bằng anôt hi sinh và dùng dòng ngoài, bảo

vệ anôt) và các phương pháp xử lý bề mặt Dưới đây em xin giới thiệu chi tiết vềphương pháp bảo vệ catôt

I.3.2.1 Bảo vệ catôt

Tại catôt xảy ra quá trình khử :

Trong môi trường axit :

2H+ + 2e → H2 (2)Trong môi trường kiềm :

O2 + 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (3)Trong nước có sự hòa tan của oxy:

O2 + 2H2O +4e → 4OH- (4)Quá trình này làm giải phóng khí hidro và tạo sự kiềm hóa trên bề mặtkim loại

Ta có thể làm thay đổi tốc độ của phản ứng tại anôt và catôt bằng cáchthêm hoặc bớt electron Hệ điện hoá sẽ tự điều chỉnh theo hướng chống lại sựthay đổi đó

Hình 1.1 Cơ chế phản ứng tại các vùng anôt và catôt trên bề mặt kim loại đặt

trong môi trường đất

Vì thế nếu làm giảm lượng electron trên thanh kim loại thì phản ứng tạianôt sẽ tăng, do đó sự hòa tan kim loại vào dung dịch điện ly tăng Nếu thêmelectron từ ngoài vào thanh kim loại, tốc độ phản ứng tại anôt giảm, từ đó làmgiảm quá trình ăn mòn kim loại và làm tăng phản ứng tại catôt Quá trình nàyđược áp dụng cho bảo vệ catôt Do đó muốn hạn chế ăn mòn kim loại, ta cần đưamột dòng electron từ ngoài tới bề mặt kim loại nhằm cung cấp electron cho phảnứng catôt Cần lưu ý quá trình anôt và catôt là hai quá trình không thể tách rờinên khi giảm tốc độ phản ứng tại anôt sẽ làm tăng tốc độ phản ứng tại catôt

Nguyên lý của bảo vệ catôt được biểu diễn một cách định lượng hơn qua

đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế kim loại vào logarit mật độ dòng anôt vàcatôt (hình 1.2) Theo đồ thị này, thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn được xácđịnh từ giao điểm hai đường phản ứng anôt và catôt, nơi có tốc độ phản ứngcatôt và anôt bằng nhau

Hình 1.2 Động học của phản ứng anôt và catôt

Nếu electron được “bơm” tới bề mặt kim loại sẽ làm cho điện thế của kimloại âm hơn và sự hòa tan anôt kim loại vào dung dịch điện ly sẽ giảm xuống đến

hòa tan kim loại vào dung dịch điện ly giảm tới mức thấp nhất Trong trường hợpnày, toàn bộ bề mặt của kim loại được bảo vệ trở thành catôt do đã nhận từ dungdịch dòng điện một chiều để chống lại sự hòa tan vào anôt vào môi trường, vì thế

yêu cầu lúc này trở lên vô nghĩa và lãng phí

Như vậy bảo vệ catôt là tránh hoặc giảm ăn mòn của chúng trong môitrường chất điện ly bằng cách hạ thế điện hóa của chúng đến mức vừa đủ Sự hạthế này được thực hiện bởi việc nối công trình cần được bảo vệ với các anôt hysinh được chế tạo từ một kim loại hoạt động hơn (phương pháp bảo vệ catôt

bằng anôt hy sinh) hoặc nối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn điện mộtchiều (phương pháp bảo vệ catôt dùng dòng ngoài).

b Phương pháp bảo vệ catôt dùng anôt hi sinh [9, 10, 11, 12]

Theo phương pháp này, người ta dùng anôt có điện thế âm hơn cấu trúckim loại cần bảo vệ Dòng điện bảo vệ catôt được sinh ra do sự chênh lệch điệnthế giữa anôt và công trình cần bảo vệ Về mặt lý thuyết, nếu cấu trúc là sắt hoặcthép thì bất kì một kim loại nào hoạt động hơn sắt đều có thể được dùng làm anôt

hi sinh Trong thực tế người ta dùng kẽm hoặc magie Mặc dù nhôm là kim loạihoạt động mạnh hơn sắt nhưng lại không được dùng làm anôt do tạo lớp màngphân cực trên bề mặt trong quá trình ăn mòn, vì vậy không thể sinh ra dòng điệnbảo vệ catôt Trong những năm gần đây một số hợp kim nhôm đã được áp dụngthành công làm anôt cho những cấu trúc trong nước biển và người ta đangnghiên cứu để tiến tới áp dụng rộng rãi cho những công trình khác

Cần chú ý rằng anôt hi sinh tan ra trong quá trình bảo vệ catôt Tốc độ tanphụ thuộc vào độ lớn của dòng sinh ra cũng như vật liệu làm anôt Theo lý thuyếttốc độ tan của kẽm là 10,669 kg/A.năm, còn của magiê là 3,9498kg/A.năm.Trong thực tế, không phải tất cả kim loại tan đều để sinh ra dòng điệnmột phần trong số đó tan là do sự tự ăn mòn Hiệu suất của kẽm vào khoảng90%, còn của magie vào khoảng 50% Vì thế tốc độ tan thực tế của kẽm là11,804 kg/A.năm, và của magie là 7,718 kg/A.năm

Phương pháp bảo vệ catôt dùng anôt hy sinh có nhược điểm là khó thicông lắp đặt đối với các công trình lớn và có hiện tượng quá bảo vệ trong quátrình sử dụng Đặc biệt đối với các công trình ngầm và bán ngầm trong đất,phương pháp bảo vệ catôt bằng dòng ngoài có ưu điểm hơn hẳn so với dùng anôt

hy sinh

c Phương pháp bảo vệ catôt dùng dòng ngoài [9, 10, 11, 12, 13]

Trong phương pháp này anôt trơ được đặt trong dung dịch điện ly và nốivới cực dương của dòng điện một chiều, cấu trúc cần bảo vệ (thí dụ đường ốngdẫn xăng dầu) được nối với cực âm của nguồn điện Đường ống dẫn ngầm nhậnmột dòng điện một chiều thông qua một điện cực phụ chôn ngầm dưới đất.Đường ống dẫn lúc này trở thành catôt và điện cực phụ trở thành anôt

Ưu điểm cơ bản nhất của hệ bảo vệ catôt bằng dòng ngoài so với hệ bảo

vệ bằng anôt hi sinh là điện thế bảo vệ không bị giới hạn bởi điện thế ăn mòn củakim loại dùng làm anôt Do đó có thể lựa chọn điện thế bảo vệ thích hợp và điềukhiển điện thế sau khi lắp đặt nên người ta có thể tăng hoặc giảm E tùy theo điềukiện môi trường Cũng từ khả năng điều khiển điện thế nên khi thiết kế ta có thểlựa chọn vị trí đặt anôt sao cho có thể đạt được sự phân bố dòng bảo vệ tốt nhất

và hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của những công trình xung quanh Việcthay đổi điều kiện điện thế bảo vệ cho phép bảo vệ cấu trúc ở những môi trường

có điện trở cao, nơi mà khi dùng anôt hi sinh gặp phải một vài hại chế, đồng thời

Hình 1.3 Sơ đồ bảo vệ catôt bằng dòng ngoài

1.Vật cần được bảo vệ 2 Chất độn dẫn điện

3 Điện cực phụ anôt 4 Nguồn điện một chiều

5 Điện trở điều khiển dòng 6 Môi trường đất

cũng thích hợp với nhiều loại đất có điện trở khác nhau, với các điều kiện khácnhau của anôt, của bề mặt cấu trúc (có hoặc không có lớp phủ).

Bất kì một vật liệu nào dẫn điện đều có thể được dùng làm anôt trơ cho hệthống áp dòng bảo vệ catôt Tuy nhiên để được chọn lựa làm anôt trơ vật liệu đóphải đảm bảo:

- Bề mặt chịu được dòng lớn khi không có lớp oxit bảo vệ

Hiệu quả của phương pháp bảo vệ catôt dùng dòng ngoài phụ thuộc vàonhiều yếu tố: nguồn dòng áp, chất phụ trợ điện cực, vật liệu anôt trơ…Một số vậtliệu anôt trơ đã được sử dụng hiệu quả trong bảo vệ catôt như: Pt, titan, Ti-Pt,Ta-Pt, Nb-Pt, Pb-Ag, cacbon, sắt silic…Trong đó sắt silic là vật liệu dễ chế tạo rẻtiền và tương đối trơ nên nó có khả năng ứng dụng vào thực tế

d.Yêu cầu kỹ thuật của thiết kế bảo vệ catôt [1, 8]

trúc từ một nguồn ngoài Vì thế, hệ thống áp dòng ngoài phải được thiết kế saocho đảm bảo đủ dòng và thế yêu cầu bảo vệ catôt Thêm vào đó điện thế bảo vệphải phù hợp với lớp bảo vệ đường ống để tránh hiện tượng bong tróc lớp phủ

- Điện thế bảo vệ:

Trong thực tế, điện thế từ anôt tới công trình bảo vệ được xác định dựa

Ag/AgCl hoặc điện cực Zn Điện cực so sánh phải đặt gần cấu trúc cần đo điệnthế Đối với sắt đặt trong dung dịch điện li có pH gần trung tính thì điện thế phải

bảo vệ là -850 mV, còn trong môi trường có vi khuẩn khử sunfat thì điện thế bảo

hoà Trong điều kiện thực hiện ngoài hiện trường, điện cực so sánh thường được

- Mật độ dòng bảo vệ:

Mật độ dòng yêu cầu để duy trì điện thế bảo vệ phụ thuộc nhiều vào thông

số môi trường như: hàm lượng oxi hòa tan trong đất, thành phần hóa học, diệntích, cấu trúc và hiện trạng (có hay không có sơn phủ bảo vệ) của kết cấu kimloại bảo vệ Ví dụ, khi tăng hàm lượng của oxi hòa tan trên bề mặt kim loại sẽtăng mật độ dòng bảo vệ ( hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ ảnh hưởng của oxy và nước đến mật độ dòng bảo vệ

Mật độ dòng bảo vệ trong từng môi trường khác nhau có giá trị khác nhau

Bảng 1.1 Giá trị dòng bảo vệ cho thép trong một số môi trường

I.4 Các phương pháp chế tạo màng mỏng

Như chúng ta đã biết tính chất của vật liệu ngoài sự phụ thuộc vào thànhphần, bản chất liên kết, cấu trúc tinh thể còn phụ thuộc vào độ đồng nhất, độ tinhkhiết và kích thước hạt, tức là phụ thuộc vào phương pháp, công nghệ chế tạovật liệu Vì vậy khi tổng hợp vật liệu cần nghiên cứu để quyết định xem nêndùng phương pháp công nghệ nào để thu được sản phẩm như mong muốn.Trongphần này chúng tôi giới thiệu sơ lược một số phương pháp hóa học và vật lý đểtổng hợp oxit như phương pháp lắng đọng điện phân, phương pháp anôt hóa,phương pháp lắng đọng hóa học, phương pháp phân hủy nhiệt, phương phápphún xạ catôt, phương pháp phun bụi dung dịch

I.4.1 Phương pháp hóa học

I.4.1.1 Phương pháp lắng đọng điện phân [14]

Trong phương pháp lắng đọng điện phân, vật chất để tạo thành màng đượcphân ly thành các ion khuếch tán vào trong dung dịch Khi cho hai điện cực anôt

và catôt vào trong dung dịch, dưới tác dụng của lực điện trường, ion dương kimloại sẽ chuyển động về phía catôt Tại catôt, các ion dương nhận điện tử và trởthành phân tử trung hòa và lắng đọng ở catôt Lượng chất lắng đọng tỉ lệ vớilượng ion đến bản cực

Phương pháp lắng đọng điện phân có ưu điểm là tạo được màng có độ dàytheo ý muốn nhưng hạn chế của phương pháp là màng chỉ có thể lắng đọng trên

đế dẫn điện Màng tạo thành có chứa nhiều nước và tạp chất bẩn từ dung dịchđiện phân

I.4.1.2.Phương pháp anôt hóa [15, 16, 17]

Phương pháp anôt hóa về nguyên tắc là sự oxy hóa kim loại trong dungdịch điện phân khi có dòng điện đi qua

Có thể thực hiện phương pháp này theo hai cách:

+ Cách thứ nhất: Oxy hóa anôt bằng dòng một chiều Anôt làm bằng kimloại sẽ bị oxy hóa, catôt làm bằng kim loại có độ trơ lớn hơn Dung dịch điện

khoảng 20-70 V Quá trình điện phân xảy ra trong thời gian hai phút được cụ thểnhư sau: Các ion âm không bị phân ly từ dung dịch điện phân dưới tác dụng điệntrường chuyển động về phía anôt, phản ứng oxy hóa được xảy ra tại anôt Người

ta thường cho thêm điện cực thứ ba (thường làm từ kalisufat) vào giữa hai điệncực anôt và catôt nhằm tạo cho phản ứng oxy hóa anôt được tốt hơn

+ Cách thứ hai: oxy hóa anôt bằng xung điện xảy ra trên 3 điện cực nhưtrên Nhưng thế giữa anôt và catôt là 800 mV, anôt được quét bởi các xung có tần

số cỡ vài chục Hz trong vòng 150 giây Phương pháp anôt hóa có ưu điểm là chomàng có độ đồng đều cao, có diện tích theo ý muốn nhưng phương pháp này cóhạn chế là yêu cầu độ tinh khiết của kim loại làm anôt cao

I.4.1.3 Phương pháp lắng đọng hóa học [18].

Về nguyên tắc phương pháp lắng đọng hóa học là sự thực hiện các phảnứng hóa học trên đế khi đế được nung nóng Có thể thực hiện theo hai cách:

+ Cách 1: Dẫn dòng khí của các chất cần phản ứng với nhau vào thiết bị

để phản ứng và lắng đọng trên đế Đế tạo màng được giữ ở nhiệt độ nhất định

+ Cách 2: Phản ứng hóa học được diễn ra trong pha hơi của các chất trên

cơ sở bằng cách nung nóng khí hợp chất Đồng thời dẫn vào hệ thống thiết bị vàcho chúng lắng đọng trên đế, tạo thành màng

Ưu điểm của phương pháp lắng đọng hóa học là có tính lặp lại cao, màngđược tao thành đồng nhất về độ dày và cấu trúc có khả năng đưa vào sản xuấthàng loạt Nhưng phương pháp này có nhược điểm màng thu được độ tinh khiếtkhông cao do các tạp chất không cần thiết cũng tham gia ngưng kết tạo màng

I.4.1.4 Phương pháp phân hủy nhiệt

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng nhiệt thực hiện phản ứng phânhủy trên đế nung có tẩm dung dịch muối

Khi dung dịch muối được tẩm lên đế và nung nóng, trên đế sẽ xảy ra quátrình chất lỏng bốc bay, chất rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảyra

Ưu điểm của phương pháp này là không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền nhưcác hệ phún xạ, chân không cao, dễ thực hiện, không mất nhiều thời gian

I.4.2 Phương pháp vật lí

I.4.2.1 Phương pháp phún xạ catôt [14]

Đây là phương pháp rất thông dụng do những ưu điểm nổi trội của nó.Phương pháp này có thể dùng để bốc bay các hợp chất Vật liệu được bốc bay do

sự bắn phá của các ion khí trơ tạo thành từ trạng thái plasma giữa anôt và catôt

Vì vậy, các nguyên tử bốc bay có năng lượng rất lớn và do đó có thể bám dínhvào đế tốt Hơn nữa, do các nguyên tử thoát khỏi từ bề mặt với xác xuất nhưnhau nên màng tạo thành rất đúng hợp thức và có độ đồng đều cao Ta có thểphân chia phương pháp phún xạ thành một số loại sau:

+ Phún xạ một chiều: Cơ chế của nó vẫn là bốc bay vật liệu do sự bắn phácủa các ion khí trơ ở trạng thái plasma, nhưng phương pháp này chỉ áp dụng đểchế tạo các vật liệu dẫn điện

+ Phún xạ RF: Trong phương pháp này thế đặt vào hai đầu điện cực là thếxoay chiều với các vật liệu cách điện hay có trở kháng lớn thì phương pháp phún

xạ một chiều không sử dụng được do có sự hình thành thế ngược ngăn dòng vậtliệu bay tới đế Để khắc phục hiện tượng đó ta có phương pháp phún xạ RF(phún xạ xoay chiều dùng dải tần số song radio)

+ Phương pháp phún xạ Magnetron: Để nâng cao hiệu suất bốc cháy trongphún xạ RF người ta đã tác động từ trường vào chuyển động của điện tử làm chohiệu suất tăng, bốc cháy tăng khi không cần phải tăng áp suất khí

Nhìn chung các phương pháp vật lý có thể cho ta các màng mỏng có kíchthước nano với độ sạch cao Tuy nhiên, khi ứng dụng trong thực tế gặp phải khókhăn là giá thành cao, thiết bị quý hiếm, khó triển khai

I.4.2.2 Phương pháp phun bụi dung dịch [18]

Phương pháp phun bụi dung dịch về nguyên tắc là dựa vào các phản ứnghóa học để tạo ra dung dịch tạo màng Sau đó dung dịch được phun vào đế dướidạng sương mù Dưới đây là một số phương pháp phun dung dịch thông dụng:

+ Phương pháp ly tâm: Phương pháp tạo màng được nhỏ giọt trên đĩaquay ly tâm Dưới tác dụng của lực ly tâm, bụi dung dịch văng từ đĩa đến đậpvào đế đã được giữ ở nhiệt độ thích hợp và màng được tạo thành ở đó

+ Phương pháp phun áp suất: Dung dịch tạo màng được nén ở áp suất cao

và phun ra thành bụi dưới đế (được nung nóng ở nhiệt độ nhất định), và màngđược tạo thành

+ Phương pháp phun điện áp cao: Dung dịch tạo màng bị nhiễm điện nhờcực tăng tốc bao quanh kim phun Đế coi như được tích điện dương, lúc nàydưới đế và kim xuất hiện một điện trường Dưới tác dụng của lực điện trường,các hạt nhỏ của dung dịch được tạo thành và trung hòa tại đế tạo thành màng

Phương pháp phun bụi dung dịch có ưu điểm là đơn giản tạo được màngdày có diện tích rộng, nhưng hạn chế của phương pháp là tạo màng có độ đồngđều không cao.

Trong luận văn này em chọn phương pháp phân hủy nhiệt để tổng hợp các

đơn giản, có thể tổng hợp oxit trên diện rộng, giá thành thấp, có khả năng thực hiệntrong thực tế

CHƯƠNG II- ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM II.1 Hóa chất

Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu này đều có độ tinh khiết cao (PA)

- Các hóa chất được dùng để tạo màng: Đecaamoniđihiđro 42

- Thử nghiệm ăn mòn được tiến hành trong môi trường đất

- Các dung dịch đều được chuẩn bị với nước cất

II.2 Chế tạo mẫu

Anôt được sử dụng trong nghiên cứu này là hợp kim sắt silic kích thước2,5 x 8 x 0,1 (cm x cm x cm), với thành phần khối lượng: C 2,67%, Al 1,23%, Si

Mẫu được xử lý bề mặt bằng giấy nhám 100, 240, 600, 800 và 1200 Sau đó rửasạch mẫu bằng nước cất, tráng lại bằng cồn và tiếp tục tẩm thực mẫu trong hỗn

mặt giúp cho quá trình đưa các oxit dẫn vào hợp kim sắt silic dễ dàng hơn Cácmẫu sắt silic sau khi tẩm thực 15 phút trong hỗn hợp hai axit được nhúng vào

nhiệt độ này 4 giờ

II.3 Hệ điện hóa

Các phép đo điện hóa được thực hiện trên thiết bị AUTOLAD 4.9 đặt tạiViện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Trong luận vănnày em đã tiến hành đo các yếu tố điện hóa của điện cực anôt sắt silic trong môitrường đất Các phép đo được tiến hành trong hệ gồm 3 điện cực:

- Điện cực anôt là các mẫu thép silic

- Điện cực catôt là thép cacbon thấp Hệ đo được thiết lập như hình 2.1

Bình điện hóa có kích thước là 10 x 6 x 5 (cm x cm x cm) được nhồi đầyđất Đất có độ ẩm trung bình là 18%, pH= 6,9 [1] Khoảng cách giữa hai điệncực catôt và điện cực anôt là 5 cm.

2 3

1

Hình 2.1 Sơ đồ bình điện hoá trong môi trường đất

Để dễ dàng theo dõi các mẫu nghiên cứu được kí hiệu như sau:

- Mẫu chưa tẩm thực: CTT

- Mẫu tẩm thực chưa ủ: TTCU

- Mẫu tẩm thực ủ: TTU

- Mẫu tẩm thực rồi nhúng trong dung dịch muối của Vanađi: TTU-V

- Mẫu tẩm thực rồi nhúng trong dung dịch muối của Molipđen: TTU-Mo

II 4 Các phương pháp đo

II.4.1 Phương pháp phân tích

II.4.1.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bềmặt vật liệu SEM hoạt động dựa trên nguyên tắc dùng một chùm điện tử hẹp

chiếu quét lên bề mặt mẫu, điện tử sẽ tương tác với bề mặt mẫu đo và phát ra cácbức xạ thứ cấp, từ việc thu các bức xạ thứ cấp này ta sẽ thu được hình ảnh vi cấutrúc tại bề mặt mẫu Độ phóng đại của SEM không nằm chính của vật kính mànằm ở kích thước chùm điện tử SEM hoạt động không đòi hỏi môi trường chânkhông quá cao Do quan sát vi cấu trúc bề mặt nên SEM có thể quan sát trực tiếp

mà không cần phá hủy hay xử lý mẫu Đối với các vật liệu khó quan sát, đôi khingười ta thực hiện các phép xử lý như mài bóng, tẩm thực, ăn mòn hóa học, phủcực…

II.4.1.2 Tán xạ năng lượng tia X (EDXS)

Phổ tán xạ năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học củavật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức

xạ mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử.Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyênsâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên

tử, tương tác này dẫn tới việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với sốnguyên tử Z của nguyên tử theo định luật Mosley:

có nghĩa là tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử có mặt trong mỗi chất.Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóahọc có mặt đồng thời trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần cácnguyên tố này

Các phân tích SEM và tán xạ năng lượng tia X trong nghiên cứu này đượcthực hiện trên máyS-4800 Hatochi High Technologies (Singapore) kết nối với X-ray Horiba của Nhật bản mã số TA-10-09

II.4.1.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X