Chế tạo vật liệu nanocompozit nền cu cốt hạt phân tán al2o3 bằng phương pháp cơ hóa kết hợp

Vật liệu tổ hợp compozit 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

-

NGUYỄN ĐỨC DUY

ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN CU CỐT

HẠT PHÂN TÁN Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các

số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn:

Nguyễn Đức Duy

Phần mở đầu 10

1.2 Vật liệu compozit nền kim loại 14

1.2.1 Thành phần cấu tạo 141.2.1.1 Vật liệu nền 141.2.1.2 Vật liệu cốt 151.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt 151.2.2.1 Liên kết cơ học 15

1.2.2.3 Liên kết hỗn hợp 16

1.3 Vật liệu compozit cốt hạt 16

1.3.1.2 Một số compozit hạt thô thông dụng 17

3

1.3.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu compozit cốt hạt 25

1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu compozit nền kim loại

trong và ngoài nước 41

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hóa 45

2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trộn cơ học 45

2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trộn cơ học 46

2.1.2.1 Sự va chạm trong quá trình nghiền 46

2.1.2.4 Các thông số cơ bản của quá trình nghiền 50

2.2 Lý thuyết quá trình Ép - Thiêu kết 56

4

-2.2.1 Ép tạo hình kim loại bột - Ép sơ bộ 572.2.2 Quá trình thiêu kết 582.2.2.1 Cơ sở hóa lý của quá trình thiêu kết 582.2.2.2 Phân loại các dạng thiêu kết 602.2.2.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến quá trình thiêu kết 61

2.3 Qui trình công nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Al 2 O 3 bằng phương pháp cơ - hóa kết hợp 62

2.3.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp công nghệ 62

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU

3.1 Công đoạn nghiền trộn cơ học 67

3.1.2 Phương pháp thực nghiệm 673.1.2.1 Thiết bị 673.1.2.2 Tính toán phối liệu 683.1.2.3 Chế độ nghiền 703.1.2.4 Các giai đoạn trong quá trình nghiền 70

3.2 Công đoạn ép tạo hình sơ bộ 80

5

-3.3.4 Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết 83

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU QUÁ TRÌNH

4.1 Xác định độ xốp của vật liệu 86

4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp 86

4.2 Xác định độ cứng của vật liệu Cu-Al 2 O 3 89 4.3 Tổ chức tế vi của vật liệu Cu-Al 2 O 3 91 4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al 2 O 3 94

4.4.2 Mô hình nghiên cứu 954.4.2.1 Các bước thực hiện bài toán qui hoạch thực nghiệm 95

6

-DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tựa bảng Trang

dạng [19]

35

pháp phối hợp nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và

4.1 Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu

4.2 Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ: nhiệt độ

1.10 Ảnh TEM cấu trúc tế vi hợp kim Cu-Ni-Ti sau 1 giờ nung ở (a)

1.13 Một số chi tiết chế tạo từ vật liệu tổ hợp hợp kim Al (A356)-SiC

2.1 Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình

2.5 Một số thiết bị thông dụng dùng để nghiền trộn cơ học 522.6 Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy 53

2.8 Bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp vật liệu bột trước (a) và sau thiêu kết

(b) 59

3.2 Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy 68

8

3.6 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 753.7 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền 763.8 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền 773.9 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền 78

3.12 Khuôn và chày ép sơ bộ 81

9

-PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung, khoa học công nghệ vật liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ Bởi lẽ, vật liệu bao giờ cũng là một yếu tố thiết yếu quyết định sự phát triển của nền công nghiệp đối với mọi quốc gia Nền công nghiệp càng phát triển thì yêu cầu về chất lượng vật liệu ngày càng cao, trình

độ công nghệ sản xuất vật liệu phải càng hiện đại Vì vậy, khoa học công nghệ cần phải có sự đổi mới, tiếp thu, sáng tạo các phương pháp công nghệ mới tiên tiến, hiện đại và công nghệ cao một cách kịp thời, nhằm góp phần tích cực, có hiệu quả vào công cuộc “công nghiệp hoá - hiện đại hoá” đất nước, đồng thời tiến tới hội nhập từng bước vào cộng đồng các nước trong khu vực và trên thế giới Sự đổi mới công nghệ, trong đó có sự cấp thiết phát triển Công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Việt Nam

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 chế tạo 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 Như một quy luật tất yếu, nhiều loại vật liệu mới đã ra đời Vật liệu tổ hợp (compozit) 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, điện nguyên tử, đóng tàu, chế tạo máy, xây dựng …

Vật liệu compozit 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 với các tính năng đặc biệt 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 Vì vậy, vật liệu compozit ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân hiện nay

Ở nước ta, việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nói chung, đặc biệt là vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong vài năm 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

10

-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, đầy triển vọng Với những tiềm năng to lớn của vật liệu tổ hợp nền kim loại Tác giả đã lựa

phương pháp cơ - hóa kết hợp” để nghiên cứu Đây là đề tài mang tính ứng dụng

cao trong thực tế hiện nay và khá mới mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới Việc nghiên cứu đề tài này, mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu

khả năng ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như vật liệu điện cực, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu dụng cụ cắt

Bản luận văn được trình bày thành 4 chương Chương 1, trình bày tổng quan

về vật liệu compozit nền kim loại Sau khi trình bày những vấn đề về cơ sở lý

học Bách khoa Hà Nội Chương 4, xác định một số tính chất và tối ưu hóa quá trình

số kiến nghị cho hướng đi tiếp theo của công trình nghiên cứu

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đặng Thủy, người đã tận tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên cứu

và hoàn thành luận văn này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS TS Trần Văn Dũng, người đã đóng góp những ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim, Thái Nguyên, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn

Cơ học vật liệu và Cán kim loại, phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này

Xin chân thành ghi nhớ những chân tình, sự giúp đỡ của các thành viên trong nhóm nghiên cứu Kỹ thuật vật liệu cấu trúc nano nền kim loại, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

11

-CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI

1.1 VẬT LIỆU COMPOZIT

1.1.1 Khái niệm về vật liệu compozit

Vật liệu compozit 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 compozit 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 sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu compozit 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 compozit

Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một kiến trúc 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 compozit đáp ứng nhu cầu đa dạng của công nghệ hiện đại

Trong vật liệu compozit tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước

12

-Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu compozit Tuy nhiên, tính chất của compozit 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, vật liệu compozit cao hơn đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết

1.1.2 Phân loại vật liệu compozit

Phân loại vật liệu compozit thường dựa vào các điểm đặc trưng của chúng:

™ Theo bản chất của nền, vật liệu compozit được phân thành:

- Compozit nền chất dẻo;

- Compozit nền kim loại;

- Compozit nền gốm (ceramic);

- Compozit nền là hỗn hợp nhiều pha

™ Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại compozit thành ba nhóm (hình 1.1):

- Vật liệu compozit cốt hạt;

- Vật liệu compozit cốt sợi;

- Vật liệu compozit cấu trúc

Vật liệu compozit

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại vật liệu compozit theo hình dạng cốt

13

-1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI

Vật liệu compozit nền kim loại 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 vật liệu compozit nền kim loại là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao

1.2.1 Thành phần cấu tạo

Compozit 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

1.2.1.1 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 oxi hóa

Compozit trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trong nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston Compozit 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 …

Compozit 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 compozit 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, compozit trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt …

14

-1.2.1.2 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 compozit nền kim loại 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

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

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

1.2.2.1 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 lực 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

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 độ biến dạng lớn

1.2.2.2 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 vật liệu compozit nền kim loại 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

1.2.2.3 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 COMPOZIT CỐT HẠT

Vật liệu compozit cốt hạt là loại vật liệu mà tổ chức của chúng tồn tại trên nền

cơ sở có gắn pha thứ hai không có định hướng ưu tiên rõ rệt Tính chất của vật liệu này là đẳng hướng Thông thường là các hạt có độ cứng và độ bền cao phân bố trên

16

-nền mềm hơn Cũng có thể cốt hạt là các pha mềm, có độ bền cắt nhỏ như graphit, mica , đó là các compozit chống ma sát Các chất điểm cứng (chất điểm phân tán, pha thứ hai) hoàn toàn không hoà tan vào nền và không phản ứng với nền Những chất điểm mịn phân tán bền vững có thể là các ôxit, cacbít, nitrit, borid, silicát Các pha hạt (chất điểm) rắn có các đặc điểm sau:

- Độ hạt nhỏ (tuỳ yêu cầu);

- Khoảng cách giữa các chất điểm nhỏ (tuỳ yêu cầu);

- Không hoà tan vào nền;

- Độ cứng cao

Mục đích của việc phân tán các hạt cứng này là tăng độ bền của nền, cản trở chuyển động của lệch

1.3.1 Compozit hạt thô

1.3.1.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hạt thô

Khái niệm “thô” được dùng để chỉ tương tác giữa nền - cốt không xảy ra ở mức độ nguyên tử hoặc phân tử Cơ chế hóa bền trong compozit này là sự cản trở biến dạng của nền ở vùng lân cận hạt cốt do sự chèn ép theo quan điểm cơ học môi trường liên tục Đặc điểm của loại vật liệu compozit này là các hạt gia cố có kích thước lớn hơn 1µm với thành phần phân tán lớn hơn 25%

1.3.1.2 Một số compozit hạt thô thông dụng

Compozit hạt thô nền polyme: Mục đích đưa các hạt cốt với vai trò là chất độn

vào polyme để cải thiện độ bền kéo, nén, chống mài mòn, độ dai, khả năng ổn định

sét … nghiền nhỏ với kích thước khác nhau tùy yêu cầu Vai trò của cốt trong trường hợp này là tác nhân tăng bền, tạo compozit có các tính chất mới Mặt khác,

là chất độn thuần túy nhằm tiết kiệm polyme

Compozit hạt thô nền kim loại: Các compozit có thành phần là những phần tử

cứng như WC, TiC, …là một dạng compozit hạt thô nền kim loại được sử dụng phổ biến làm dụng cụ cắt gọt trong gia công cơ khí Ngoài ra, các giả hợp kim chế tạo bằng phương pháp Luyện kim bột như W-Cu; W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag … cứng là

17

-các compozit hạt thô được sử dụng trong kỹ thuật điện làm tiếp điểm, vừa có điện trỏ tiếp xúc nhỏ vừa có tuổi thọ cao

- Compozit hạt thô nền gốm: Bêtông là compozit hạt thô nền gốm được sử

dụng rộng rãi nhất Trong compozit - bêtông, cốt chính là tập hợp các hạt rắn (đá hoặc sỏi) được liên kết lại bởi nền là xi măng

1.3.2 Compozit hạt mịn (phân tán)

Compozit hạt mịn - còn gọi là compozit hóa bền phân tán, thường là các vật liệu bền nóng và ổn định nhiệt Do vậy, chúng thường được dùng để thay thế các vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng hoặc kéo dài tuổi thọ thiết

bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tương đương

1.3.2.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hóa bền phân tán

Nền các compozit này thường là các kim loại hoặc hợp kim Đặc điểm của loại compozit này là cấu trúc tế vi gồm có pha nền chủ yếu mà bên trong nó được bố trí phân tán bởi các hạt cốt sạch một cách đồng đều Các phần tử cốt có kích thước nhỏ

thường là các vật liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao, ví dụ như các ôxit, nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại …

Tương tác cốt - nền trong loại compozit này xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên tử hoặc phân tử Dưới tác dụng của lực, trong mẫu compozit, nền sẽ hứng chịu hầu như toàn bộ tải trọng, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng bền và cứng của vật liệu Vì vậy, độ bền phụ thuộc cả vào tổ chức lệch hình thành trong quá trình biến dạng dẻo khi chế tạo chi tiết từ vật liệu compozit Hiệu ứng hóa bền phân tán đạt được trong compozit hạt mịn không lớn lắm nhưng rất ổn định ở nhiệt độ cao Sở dĩ như vậy vì các phần tử cốt được chọn từ những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào nền khi nhiệt độ tăng cao Ngoài ra, các hạt cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp, khi tạo nên tổ chức với sự không đồng trục rất lớn của các hạt (dạng thớ) Tổ chức này tạo thành khi kết hợp biến dạng dẻo với ủ, lúc này các hạt cốt phân tán sẽ cản trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình kết tinh lại

18

-1.3.2.2 Một số compozit hóa bền phân tán

Compozit hạt mịn hóa bền phần tán đang là đối tượng được chú ý nghiên cứu

và có nhiều triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao Những kết quả đạt được đã cho phép triển khai ứng dụng ở qui mô công nghiệp một số compozit loại này, ví dụ SAP (Sintered Aluminium Powder) và TD - Niken (Thoria - Dispersed Niken)

SAP được chế tạo và xuất xưởng ở dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây …

SAP được sử dụng để chế tạo chi tiết cần độ bền riêng lớn, làm việc ở vùng nhiệt độ

cánh quạt gió và tuabin trong công nghiệp hóa chất và hóa dầu, bình ngưng tụ, lõi quấn biến thế trong kỹ thuật điện) Tổ chức của SAP gồm nền Al với các phần tử

cứng, độ bền nóng của SAP và sự giảm độ dẻo dai của nó Độ bền cao của SAP

phần tử của pha này Tính không hòa tan trong Al và không kết tụ các phần tử

TD - Niken có nền là Ni và cốt là các phần tử ôxit thori ThO2 Hàm lượng cốt

Vật liệu compozit TD - Niken do có độ ổn định nóng cao, không nhạy cảm với

ăn mòn biên giới pha nên được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hàng không, vũ trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn và các bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của môi trường ăn mòn

19

-Hình 1.2 -Hình dạng các hạt cốt WC

Hình 1.3 Ảnh SEM các hạt vật liệu bột Ag và Cu

1.3.3 Lý thuyết hóa bền phân tán

Vấn đề mà đề tài nghiên cứu là tăng độ bền của vật liệu bằng cách giảm kích thước của hạt phân tán (hóa bền), cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán

là cần thiết

Như ta đã biết, nguyên tắc chung của hóa bền chính là sự cản trở chuyển động của lệch Trong hóa bền phân tán người ta đưa vào vật liệu nền những pha phân tán không hòa tan (có thể là nguyên tố đơn chất, có thể là hợp chất hóa học của các nguyên) Việc này thường được thực hiện bằng phương pháp biến dạng tạo hình, trong đó các thành phần cấu thành đều ở dạng bột được phối trộn lẫn với nhau rồi

ép - thiêu kết Vì các pha phân tán không hòa tan hoặc chỉ hòa tan rất ít trong kim loại nền nên các vật liệu hóa bền phân tán có thể làm việc ở nhiệt độ rất cao Cơ chế tăng độ bền, độ cứng ở đây cũng dựa trên sự cản trở chuyển động của lệch bởi các

Đối với các hợp kim hóa bền phân tán, pha phân tán không tương tác với nền Tính tương hợp hoàn toàn của pha phân tán cùng với nền đạt được trong trường hợp khi ở kim loại nền có ôxit khó nóng chảy hoặc hợp kim thứ hai không hòa tán Một

khi hai pha của hợp kim hóa bền phân tán không hòa tan lẫn nhau, sự phân bố pha phân tán trong nền ngay cả khi nhiệt độ tăng lên cao cũng sẽ không thay đổi, điều này có thể được giải thích như sau: các pha phân tán không khuếch tán vào pha nền,

do đó không có sự vận chuyển chất để dẫn đến tích tụ pha phân tán, ngược lại các hạt tiết ra trong hợp kim hóa già khi nhiệt độ tăng cao chúng có thể lớn lên, tích tụ lại khi nâng cao nhiệt độ bằng quá trình khuếch tán

Tính ổn định nhiệt động học của các hạt phân tán không giống nhau, nhờ đó cho phép sử dụng chúng để hóa bền các vật liệu Độ bền của hợp kim hóa già đạt

không đáng kể ở nhiệt độ cao nên cho phép vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao hơn Giá trị độ bền đạt được phụ thuộc vào hàm lượng thể tích của cốt hạt, mức độ phân bố đồng đều, độ phân tán và khoảng cách giữa các hạt cốt Sự biến đổi của tầm quan trọng trong việc quyết định ảnh hưởng của pha phân tán là quãng đường

21

-) V (1 3V

i

_ m

2τ

b G

D

b G

vành đai lệch mạng có thể lớn lên mà không cần tiếp tục tăng ứng suất

Giới hạn dưới của khoảng cách giữa các hạt được dự đoán khi sử dụng ứng suất chảy của nền sạch như ứng suất cần thiết để phát triển vành đai dịch chuyển

cho độ lớn của vectơ Burger, khoảng cách giữa các hạt thay đổi trong khoảng 0,01

÷ 0,03 µm Bỏ qua sự tăng ứng suất và tính chống dão, đó là mong muốn giữ được nhiều các tính chất của vật liệu nền đến mức có thể Công thức (1.3) sử dụng cho các loại hạt khác nhau, nó có thể tìm thấy từ một đường cong trong đó bán kính hạt

22

-phải nhỏ hơn 0,1 µm để giữ khoảng cách quãng đường tự do trong khoảng mong muốn 0,01 ÷ 0,3 µm và để giữ hàm lượng hợp lý nhỏ hơn 15% Dãy tiêu biểu của các thông số cho trong công thức (1.1) là:

D

b G

, sự dịch chuyển của đường lệch mạng hình các cung tăng lên bao quanh các hạt phân tán cho đến khi nó có thể vượt qua các hạt mà không cần tăng ứng suất Bởi vì đường lệch mạng không thể đạt giá trị bán kính bằng không, một đường bao của vùng lệch mạng có tác dụng giảm khoảng

lệch mạng thứ hai qua các hạt phân tán Nó có tác dụng làm tăng hiệu quả hóa bền trong vật liệu hóa bền phân tán

Các hạt phân tán trong vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán là các ôxit, cacbit, borit trong nền kim loại Vật liệu tổ hợp (compozit) hóa bền phân tán có độ cứng cao và độ chống dão trong khoảng thay đổi nhiệt độ lớn

1.3.3.1 Đường lệch bị uốn cong giữa các hạt phân tán

Khi khoảng cách giữa các hạt của pha thứ hai l khá lớn so với bán kính R của đường lệch (l >> R) thì lệch sẽ bị uốn cong giữa các hạt (hình 1.4) Ứng suất cần đẩy lệch giữa hai hạt cách nhau l là:

l

G.b

xung quanh nó vòng lệch, rồi tiếp tục trượt theo phương ban đầu Mỗi hạt mới đi qua các hạt lại tạo quanh chúng một vòng lệch Cứ như vậy chiều dài và năng lượng tổng cộng của lệch tăng lên Số vòng lệch qua mỗi hạt tăng tạo ra trường ứng suất đàn hồi, cản trở lệch vượt qua hạt phân tán

23

Hình 1.4 Trình tự chuyển động của lệch mạng

1.3.3.2 Đường lệch cắt hạt phân tán

tán dễ dàng hơn cả bằng cách cắt đứt chúng Nguyên nhân hãm lệch ở đây là:

- Do sự khác nhau về cấu trúc mạng giữa nền kim loại chính (pha cơ bản) và hạt tiết ra (pha thứ hai), khi trượt trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân tán, lệch gây ra xô lệch trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân chia có năng lượng cao trong hạt phân tán;

- Sau khi bị lệch cắt trên mặt ngoài của hạt phân tán xuất hiện bậc nhỏ, vì thế

bề mặt phân chia giữa nền pha cơ bản và hạt tăng lên

Lệch sẽ uốn cong và đi qua hạt phân tán sau khi để lại vòng lệch quanh chúng hoặc lệch cắt ngang phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thông thường những hạt nhỏ, gần nhau, lệch có thể cắt ngang Hạt càng bền và môđun đàn hồi càng lớn càng khó cắt ngang Những hạt phân tán lớn và cách xa nhau thường uốn cong lệch và cho đi qua sau khi tạo thành vòng lệch xung quanh hạt

24

-1.3.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu compozit cốt hạt

1.3.4.1 Phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit hạt

Phương pháp biến dạng tạo hình kim loại bột và compozit hạt là tương đối đơn giản, do đó nó được sử dụng rộng rãi, hơn 60% sản phẩm compozit được sản xuất bằng phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit

Ưu điểm của phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit: điều khiển chính xác được thành phần, kích thước của sản phẩm, tiết kiệm được nguyên vật liệu Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm: sử dụng thiết bị phức tạp, khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp, phải sản xuất với số lượng lớn mới đạt hiệu quả kinh tế

Qui trình công nghệ của phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit được thể hiện như trên hình 1.5

Tạo bột từ các nguyên liệu

ban đầu Kiểm tra

Xử lý Trộn theo tỷ lệ

Ép tạo hình Thiêu kết Kiểm tra chất lượng Gia công hiệu chuẩn Sản phẩm

Hình 1.5 Qui trình công nghệ chế tạo sản phẩm bột và compozit

bằng phương pháp biến dạng tạo hình

25

-1.3.4.2 Phương pháp khuếch tán

Đây là phương pháp tương đối đơn giản và kinh tế Trong phương pháp này

xảy ra phản ứng hóa học (ôxi hóa, nitơ hóa, cacbua hóa, bo hóa) của một nguyên tố

khuếch tán với một hoặc nhiều thành phần hợp kim ở trạng thái rắn Phương pháp

đơn giản nhất là ôxi hóa bên trong mà sự xuất hiện của nó phụ thuộc vào các điều

kiện sau:

- Tốc độ khuếch tán của các nguyên tử nguyên tố hợp kim phải nhỏ hơn tốc độ

- Hàm lượng của các nguyên tố hợp kim hòa tan không được vượt quá giá trị

giới hạn nhất định nếu không một sự quá độ từ ôxi hóa bên trong trở thành ôxi hóa

bền ngoài sẽ xảy ra

1.3.4.3 Một số phương pháp khác

Ngoài hai phương pháp trên, còn có rất nhiều phương pháp chế tạo vật liệu

compozit cốt hạt khác như phương pháp hàn đắp, phương pháp phun phủ, phương

pháp lắng đọng, phương pháp đúc khuấy … Các phương pháp này được ứng dụng

trong các điều kiện nhất định về công nghệ và thiết bị

Hình 1.6 Một số phương pháp sản xuất vật liệu compozit cốt hạt khác

1.4 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN TRÊN CƠ SỎ Cu - VẬT

LIỆU COMPOZIT NỀN ĐỒNG

1.4.1 Vật liệu kỹ thuật điện và những yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện

Vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện để chế tạo dây dẫn điện, cáp điện, tiếp

điểm điện, điện cực hàn … chủ yếu là các kim loại sạch và hợp kim của chúng, nhất

26

-là từ đồng (Cu) và các hợp kim của đồng Thời gian gần đây, trước yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, độ tin cậy, các vật liệu truyền thống được dùng trong kỹ thuật điện tỏ ra không đáp ứng được các yêu cầu của thực tế đề ra Nhu cầu cần đến các loại vật liệu mới bền nhiệt, có điện dẫn cao như các vật liệu nano, vật liệu tổ hợp (compozit) càng phát triển

Phân tích quá trình làm việc của điện cực hàn, tiếp điểm điện và vật liệu hiện đang sử dụng cho thấy:

Tiếp điểm điện làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt: tải trọng lớn,

chịu dòng điện lớn, nhiệt độ cao … Ngoài ra, tiếp điểm điện còn tiếp xúc với môi trường không khí do đó dễ bị ăn mòn và tạo ra một lớp sản phẩm ăn mòn bao phủ trên bề mặt của tiếp điểm, làm xấu đi tính dẫn điện do điện trở tiếp xúc tăng lên Ngoài sự ăn mòn trong không khí, tiếp điểm điện còn chịu sự sói mòn do tia lửa điện xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc khi đóng ngắt mạch điện Hiện tượng ăn mòn sẽ xảy ra mạnh hơn với các tiếp điểm điện chế tạo bằng hai kim loại khác nhau, do tạo ra một cặp pin gây ra sự ăn mòn điện hóa Khi điện trở tăng lên, tiếp điểm bị nung nóng làm nóng chảy cục bộ vật liệu trên một vùng tiếp điểm (nhất là với các điện cực hàn thì điều này xảy ra rất mãnh liệt) Do đó các yêu cầu đối vật liệu chế tạo tiếp điểm là:

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt;

- Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa hơi cao;

Cho đến nay, chưa có một lý thuyết rõ ràng nào về hành vi của các vật liệu tiếp điểm đóng ngắt Ví dụ như ta chưa biết ảnh hưởng của cấu trúc phân tán đến đặc tính hồ quang điện và cũng như lượng cháy hao của vật liệu trong quá trình chuyển mạch Các vật liệu trong môi trường ăn mòn có thể tạo thành một lớp phủ và ảnh của lớp phủ biểu hiện qua việc thay đổi các thông số cơ học và điện còn chưa được

27

-nghiên cứu đầy đủ Chính vì vậy, ta cần -nghiên cứu một cách khoa học đối với vật liệu tiếp điểm điện

Điện cực hàn, ở các nước công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam các

loại máy hàn điện tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, đóng tàu, chế tạo ô tô, xe máy, đầu máy và toa

xe lửa, thiết bị và máy móc nông nghiệp, sản xuất bàn ghế, đồ dân dụng …

Công nghệ hàn tiếp xúc là công nghệ hàn không cần sử dụng que hàn để tạo các mối hàn Các mối hàn được tạo ra do sự nóng chảy cục bộ của chính vật hàn Điện cực hàn có nhiệm vụ nén ép các chi tiết cần hàn, dẫn điện qua mối hàn, thoát nhiệt khỏi mối hàn Ngoài ra, điện cực hàn còn làm việc trong điều kiện mỏi

các yêu cầu đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn là:

- Có độ dẫn điện tốt, cho phép dòng điện cường độ cao đi qua mà không bị nóng;

- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống lại sự mài mòn

và biến dạng điện cực ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao;

- Không bị chảy và tạo thành các liên kết với vật liệu của sản phẩm cần hàn

1.4.2 Đồng - Vật liệu kim loại có điện dẫn cao sử dụng rộng rãi nhất

- Độ bền cơ học tương đối cao;

- 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

bị ăn mòn không đáng kể;

28

Tính chất nổi bật trong các tính chất của Cu nguyên chất là khả năng gia công áp lực ở trạng thái nóng và cả trạng thái nguội Điều đó cho phép Cu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Đồng có thể được cán thành tấm mỏng hoặc kéo thành sợi mảnh đến vài phần nghìn milimét;

- Hàn và gắn đồng tương đối dễ dàng

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 đột ngột 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

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:

: HB = 35 ÷ 45 (sau ủ)

Hình 1.7 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của 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;

30

Cu nguyên chất được hóa bền bằng dung dịch rắn;

- Cu được hóa bền bằng các hạt gốm tạo nên vật liệu compozit nền Cu

1.4.2.2 Sự hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt

Trong công bố của Lu [15] 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

Theo kết quả 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 1.8

Hình 1.8 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [15]

Trong thí nghiệm này, Cu được lắng đọng bao gồm các hạt có hình dạng không đồng đều (tuy nhiên phần lớn trong số đó kích thước lớn theo cả ba chiều) với sự định hướng tùy ý Kích thước hạt Cu và mật độ lớn của sự phát triển các song tinh được cho là cải thiện cơ tính của vật liệu Tuy nhiên, khi ứng dụng ở nhiệt

độ cao, chẳng hạn như nhiệt độ trên bề mặt của các điện cực hoặc các công tắc trong suốt quá trình làm việc, hạt Cu sẽ lớn lên và trở lên mềm

1.4.2.3 Sự hóa bền bằng dung dịch rắn (hợp kim hóa)

Cu hóa bền bằng phương pháp hợp kim hóa, ví dụ như Cu-Cr, Cu-Zr,

Cu-Cr-Zr, Cu-Mg-Cr-Cu-Cr-Zr, Cu-Ti-Ni, Cu-Nb [32]

31

-Lee [32] đã nghiên cứu các tính chất của hợp kim

Cu-0,06%Mg-0,63%Cr-0,13%Zr (MZC) và Cu-4,94%Ni-2,4%Ti được sản xuất theo qui trình như trên bảng

1.3 Độ bền cơ học cao được giữ nguyên nhưng tính chất dẫn điện chỉ còn lần lượt

là 30,1 và 30,8%IACS

Bảng 1.3: Quá trình sản xuất hợp kim Cu [32]

MZC Cu-Ni-Ti Thành phần

và Cu (còn lại)

4,94%Ni, 2,4%Ti và Cu (còn lại)

thỏi có đường kính 55,58 cm;

2 Cắt thành các miếng mỏng 2,54 ÷ 3,81 cm;

3 Sau đó cắt thành dải có chiều dày 5,08cm (lớn nhất);

4 Cán nóng ở nhiệt độ

cm

1 Đúc bán liên tục thành phôi thỏi có đường kính 20,32 cm;

2 Cắt thành các miếng mỏng 2,54 ÷ 3,81 cm;

3 Sau đó cắt thành dải có chiều dày 5,08cm (lớn nhất);

2 Kéo nguội giảm 76%

diện tích tiết diện ngang;

vòng 1 giờ

Kích thước

Độ dãn dài, %

Sự giảm tiết diện,

Ở một số sản phẩm khác, cơ tính của hợp kim Cu đã được cải thiện và vẫn giữ được độ dẫn điện cao Ví dụ như hợp kim Cu-Ag, nhưng giá thành cao đã hạn chế đến khả năng ứng dụng của các hợp kim dạng này

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng của MZC và Cu-Ni-Ti [32]

▲- Cu-Ni-Ti (phôi đúc) làm nguội bằng nước;

∆- Cu-Ni-Ti (phôi đúc) làm nguội bằng không khí;

o- MZC làm nguội bằng không khí

33

1.4.2.4 Sự hóa bền bằng các hạt gốm phân tán (compozit)

Gần đây, việc hóa bền Cu bằng các hạt phân tán đã thu hút được khá nhiều sự chú ý Bằng việc đưa vào biên hạt nền Cu hạt thứ hai, vật liệu compozit đã đạt được

độ bền cao hơn, thậm chí cả ở nhiệt độ cao, độ dẫn điện giảm không đáng kể mà các phương pháp hóa bền đã nói ở trên không thể so sánh được bởi sự mâu thuẫn của độ bền với tính dẫn điện

Theo công bố của Wang [19], Cu đã được hóa bền phân tán bởi các hạt WC phân tán được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học tiếp theo đó tiến hành theo công nghệ luyện kim bột truyền thống Chúng bao gồm: khi tăng hàm lượng

WC thì tỷ trọng và độ dẫn điện giảm đồng thời với kết quả rất rõ nét, trong khi đó

độ cứng tăng lên ở ngay từ giai đoạn đầu đến một giá trị cực đại, sau đó giảm xuống bởi sự lớn lên của các hạt (các hạt kết tụ lại với nhau) Hóa bền phân tán Cu bởi 1,6%(thể tích)WC đã chỉ ra sự phân bố đồng đều các hạt và có vật liệu tính chất tổng hợp tốt nhất Sự biến dạng đã giúp cho sự sắp xếp lại phân bố các hạt, từ đó ảnh hưởng rất nhiều đến độ cứng của vật liệu Vật liệu bị biến dạng đã cho thấy nó

có tỷ trọng cao hơn, độ bền cao hơn, độ cứng tế vi cao hơn chỉ với sự giảm một sự giảm không đáng kể trong khả năng giãn dài Tổ chức tế vi của nó có dạng thớ đặc trưng trong quá trình biến dạng nóng vật liệu Sự nung nóng ở nhiệt độ cao là nguyên nhân khả năng hồi phục lại của vật liệu, nhưng không có sự kết tinh lại

34

-được quan sát thấy Hạt WC có bề mặt phân định rõ ràng với nền Nền Cu -được hóa bền phân tán giữ được phần lớn cơ tính tổng hợp với sự giãn dài được cải thiện tốt Vật liệu chứng tỏ có độ bền nhiệt tốt ở nhiệt độ cao, nhiệt độ biến mềm ở khoảng

trình bày trên bảng 1.5

Bảng 1.5:

Tính chất vật liệu compozit Cu-1,6%(thể tích)WC trước và sau biến dạng [19]

Tính chất Giai đoạn

Tổ chức tế vi của hỗn hợp Cu-TiC ép chảy được chỉ ra trên hình 1.11 Phân tích EDS cho thấy các hạt mầu sẫm được nhìn thấy trên ảnh phù hợp với TiC thể phân tán, kích thước hạt thay đổi trong khoảng 5 ÷ 15 nm Chú ý rằng TiC không chỉ được tập trung ở vùng lệch, mà nó có vẻ một phần nào phân bố đồng đều trong toàn

bộ nền Cu Các hạt gốm phân tán giới hạn sự chuyển động của các hạt và biên giới hạt và của lệch Trong trường hợp đặc biệt, các hạt phân tán với các pha dính kết, chẳng hạn như TiC là nhân tố chính hạn chế tính di động của biên giới hạt

35

Hình 1.11 Độ cứng của hỗn hợp Cu-5%(thể tích) TiC [20]

- Cu-5%(thể tích)TiC, nghiền cánh khuấy;

▲- Cu-5%(thể tích), nghiền mài;

♦- Các hạt Cu lớn

Hình 1.12 Ảnh TEM hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC ép chảy [20]

(các hạt TiC cỡ nano được nhìn thấy rõ trên hạt và trên vùng lệch)

36

ép, phản ứng khi nghiền, sinh ra khi phun, phương pháp in-situ …

Một phương pháp đơn giản, dùng ép nóng và cán nguội hỗn hợp của Cu và

được cao hơn 70%IACS Giới hạn chảy và độ cứng đạt được cao hơn 120MPa và

tính chất khác thì không được công bố

Yuasa [ ] nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tế vi của Ti, Ti-2B và

tăng thời gian nghiền Cấu trúc đó bao gồm các hạt cực nhỏ trong phạm vi nanomét được sinh ra trong quá trình hợp kim hóa sau khi kéo dài quá trình nghiền Sự hoàn thiện của cấu trúc trong hỗn hợp bột Cu-TiC tăng nhanh lên khi sự thêm bột B và

bột Cu-Ti-B bằng phản ứng ở thể rắn giữa Ti và B suốt thời gian nghiền

Như trong công trình của Dong [ ], kết quả công bố rằng hỗn hợp bột Cu, Ti, B trải qua sự biến dạng dẻo mãnh liệt, sự hàn nguội và chỗ gãy là do sự va chạm nhau của bi nghiền trong suốt quá trình hợp kim hóa Quá trình nghiền bi kéo dài đưa đến một sự biến dạng bên trong rất lớn trong các hạt Cu cực nhỏ Tính hòa tan của B và

Ti trong nền Cu được tăng lên rất cao suốt quá trình hợp kim hóa, điều này dẫn đến

nở mạng Cu, và do đó, sự biến dạng bên trong, được gây ra bởi sự hòa tan của B và

37

nghiền Tuy nhiên, họ không đưa ra kết quả về tính chất của khối vật liệu compozit Theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [3], vật liệu tổ hợp

giảm kích thước từ 16 µm xuống 3 µm và được phân bố đồng đều trong nền Cu

không để tránh bị ôxi hóa Kết quả cho thấy sau khi thiêu kết, độ cứng của vật liệu

độ cao 78%IACS, còn các chỉ tiêu khác về cơ tính đều vượt yêu cầu đối với vật liệu

kỹ thuật điện (tiếp điểm điện, điện cực hàn)

Cũng theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [4], vật liệu

phương pháp phối hợp nghiền cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma Vật liệu này được ứng dụng để sản xuất thử các điện cực hàn Theo kết quả

từ báo cáo, cấu trúc của mẫu vật liệu bột sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao

nhiệt ở nhiệt độ cao được thực hiện bằng phương pháp nghiền trộn cơ học, độ đồng đều của vật liệu đạt đến trạng thái tới hạn tại tốc độ nghiền 300 vg/ph với thời gian nghiền trộn 60 ph Mẫu khối đạt tỷ trọng trên tương đối 98% sau khi thiêu kết xung

nguyên nhân chính làm tăng cơ tính của vật liệu Các tính chất của hệ vật liệu này cũng được so sánh với một số hệ vật liệu compozit mới được phát triển gần đây trên

cơ sở nền Cu

38

-Bảng 1.6:

nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [3]

Các ký hiệu mẫu thí nghiệm:

39

-Bảng 1.8: So sánh các tính chất của vật liêu Cu-4,5%(thể tích)TiB 2 và một số vật

liệu điện cực mới [3]

1.5 VẬT LIỆU COMPOZIT Cu-Al 2 O 3

Trong những năm gần đây, ở một số nước tiên tiến đã tiến hành nghiên cứu

phương pháp ôxi hóa bên trong kết hợp biến dạng tạo hình vật liệu bột Ở Việt Nam

việc nghiên cứu đầy đủ về loại vật liệu mới này mới chỉ được bắt đầu Ưu điểm cơ

như W, Re, Mo …để ứng dụng trong kỹ thuật điện (tiếp điểm điện, điện cực hàn)

mà vẫn giữ được các tính chất cần thiết như độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt của Cu

mịn phân tán trong nền Cu Hơn nữa, khi dùng Cu nguyên chất thay thế cho Ag thì

có thể giảm được đáng kể giá thành chế tạo, vẫn đáp ứng được yêu cầu của vật liệu

tiếp điểm, điện cực hàn mà độ dẫn điện thì không giảm đi nhiều