Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu cu tic bằng phương pháp nghiền cơ học và thiêu kết xung điện plasma

Khái niệm về compozit nền kim loại Compozit nền kim loại là loại vật liệu mà trong đó một kim loại được kết hợp với vật liệu khác, thông thường không phải là kim loại, để cho ta vật liệ

Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật vật liệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THỊ HOÀNG OANH

Hà Nội – 2013

ii

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, ngày 26 tháng 9 năm 2013

Tác giả

Vũ Hữu Cường

iii

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, khuyến khích và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập cũng như thực hiện công trình nghiên cứu này

Em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến người hướng dẫn khoa học

TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh – PTN Công nghệ Vật liệu Kim loại, TS Nguyễn Hoàng Việt- Bộmôn Kỹ thuật Gang thép đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và thời gian thực hiện luận án

Em cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè đồng nghiệp, sự động viên, tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần của gia đình và người thân

Em xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó!

Hà Nội, ngày 26 tháng 9 năm 2013

Tác giả

Vũ Hữu Cường

iv

MỤC LỤC

Lời cam đoan………ii

Lời cảm ơn iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Lý do lựa chọn đề tài 1

1.2 Mục đích của luận văn 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Khái niệm về compozit nền kim loại 3

2.2 Khái niệm về nanocompozit nền kim loại 8

2.2.1 Nguyên lý hóa bền của NMMCs cốt hạt 10

2.3 Phương pháp nghiền cơ học 19

2.3.1 Các thông số công nghệ 20

2.3.2 L i ích của nghiền cơ học MM 24

2.3.3 Sự phá i n của c u c nano ng MM 25

2.5 Độ cứng và chống mài m n 27

2.6 Tính dẫn điện 33

2.7 Phương pháp hiêu kế xung điện plasma 34

2.7.1 Đặc điểm của phương pháp SPS 36

2.7.2 Cơ chế thiêu kết 36

2.7.3 Hệ thống SPS 38

2.7.4 Cơ chế phương pháp hiêu kế xung điện plasma 38

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 41

v

3.1 Quy ình và phương pháp nghiên cứu 41

3.2 Nguyên vật liệu 42

3.3 Các chế độ nghiền 42

3.5 Các thiết bị phân tích 45

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

4.1 Nghiền cơ học mức năng lư ng th p 48

4.1.1 Phân tích ảnh SEM 48

4.1.2 Kết quả phân tích EDX 49

4.1.3 Một số chỉ tiêu phân tích khác 51

4.1.4 So sánh độ cứng 53

4.2 Nghiền cơ học mức năng lư ng cao 53

4.2.1 Phân tích ảnh SEM 54

4.2.2 Phân tích XRD 54

4.2.3 Phân tích mẫu sau thiêu kết 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh đặc tính của phương pháp thiêu kết và ép nóng 35

Bảng 3.1 Thành phần hóa học bột Cu 42

Bảng 3.2 Tỷ trọng và độ dẫn điện 42

Bảng 3.3 Các chế độ nghiền tổng hợp nano compozit Cu-TiC 43

Bảng 3.4.Các thông số thiêu kết xung điện Plasma 45

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Sự phân bố tối ưu đối với một số tính chất của compozit kim

loại/ceramic 9 Hình 2.2 Sự phụ thuộc ứng suất bên trong tạo thành xung quanh cốt hạt vào

khoảng cách 11 Hình 2.3 Sự tạo thành mặt phẳng mới trên ranh giới hạt-nền và bề mặt ranh

giới pha ngược (đường -) khi lệch cắt qua các hạt có cấu trúc ổn định 12 Hình 2.4 Các giai đoạn khác nhau theo thời gian của cơ chế Orovan khi

chuyển động lệch từ trái qua phải 13 Hình 2.5 Sự tạo thành các vòng khuyến lăng trụ do kết quả của hai sự trượt

qua (a - h) của vòng khuyến lêch xuất hiện, tương ứng với cơ chế Orovan (đối với lệch biên) 14 Hình 2.6 Sự uốn của các hạt khi trượt qua trong quá trình tạo thành 14 Hình 2.7 Sự thay đổi ứng suất dịch chuyển khi cắt đứt (s ) với sự tạo thành

bộ đôi lệch (p ) và khi đi vòng (o ) phụ thuộc vào đường kính hạt

d 15 Hình 2.8 Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ 3 [1] 16 Hình 2.9 Đường độ bền kéo nhận được từ mẫu tinh thể Cu nano và Cu hạt thô

với tốc độ kéo 10 -3 s -1 (Tham khảo từ Guduru et al., 2007) 28 Hình 2.10 Độ cứng vi mô trung bình của mẫu thiêu kết composit nội sinh và

ngoại sinh theo thời gian nghiền (Tham khảo từ Zuhailawai et la., 2009) 29 Hình 2.11 Độ cứng Vickers của composit cơ sở Cu tăng theo hàm lượng SiC 30 Hình 2.12 Sự thay đổi tỷ lệ mòn của compozit Cu-TiB 2 theo sự thay đổi hàm

lượng TiB 2 31 Hình 2.13 Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến độ cứng tế vi của mẫu khối 32 Hình 2.14 Phân loại các công nghệ thiêu kết 35 Hình 2.15 Đóng-mở dòng xung 37

viii

Hình 2.16 Dòng điện trong vật liệu của quá trình thiêu kết 37

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống SPS 39

Hình 2.18 Cơ chế cơ bản của sự hình thành cổ thắt bởi dòng plasma 40

Hình 2.19 Tác động của nguồn cấp xung điện ĐÓNG-MỞ 40

Hình 3.1 Tổng hợp vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 41

Hình 3.2 Hệ thống thiêu kết xung điện Plasma (SPS-515S) 44

Hình 3.3 Kích thước khuôn graphit 44

Hình 3.4 Thiết bị nhiễu xạ tia X - Rigaku, Ultima IV 45

Hình 3.5 Kính hiển vi phát xạ trường - JSM-6500F 46

Hình 3.6 Thiết bị đo độ cứng Vicker – Mitutoyo MVK-H 47

Hình 3.7 Cân tỷ trọng SD-120L 47

Hình 4.1 Ảnh SEM của mẫu 5% nano TiC 48

Hình 4.2 Ảnh SEM nghiền ở 400 rpm – 5h với độ phóng đại 200x và 1000x 49 Hình 4.3 Kết quả phân tích EDX mẫu 5% nano TiC 50

Hình 4.4 Kết quả phân tích EDX mẫu 10% nano TiC 50

Hình 4.5 Kết quả phân tích EDX mẫu 15% nano TiC 51

Hình 4.6 Biểu đồ so sánh độ cứng sau thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau 52

Hình 4.7 Biểu đồ so sánh tỷ trọng sau thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau 52

Hình 4.8 Biểu đồ so sánh độ cứng mẫu sau thiêu kết ở 700 o C 53

Hình 4.9 Hình thái của compozit Cu-25%TiC sau khi nghiền 54

Hình 4.10 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của bột Cu-nano TiC sau MA và MA+Mixing 55

Hình 4.11 Đường cong thiêu kết xung plasma của compozit Cu-25%TiC 56

Hình 4.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng -Vickers của compozit Cu-Ti 57

đề nâng cao cơ tính của đồng đã được nhiều nhà nghiên cứu về vật liệu trong và ngoài nước quan tâm theo xu hướng hợp kim hóa hoặc làm nền để chế tạo vật liệu tổ hợp compozit

Trong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano nói chung và vật liệu nano kim loại nói riêng phát triển mạnh mẽ, đã hình thành hướng chế tạo các nanocompozit nền kim loại (NMMCs) siêu nhẹ, siêu bền, siêu cứng đáp ứng nhu cầu ngày càng phong phú đối với vật liệu Chúng không chỉ cải thiện đáng kể tính chất cơ học (độ bền, độ cứng, độ chịu mài m n …), tính chất vật lí (độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt …) mà c n mang lại cho vật liệu các thuộc tính mới

ưu việt hơn nhiều so với vật liệu kim loại truyền thống (độ bền riêng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt riêng …) Cacbit titan (TiC) là một trong những cacbit có cơ tính cao, chịu nhiệt tốt và bền trong môi trường ăn m n Khả năng hóa bền nền

Cu bằng các hạt nano TiC là một hướng nghiên cứu rất có triển vọng Về mặt phương pháp công nghệ, tính chất của NMMCs còn phụ thuộc mạnh vào sự phân bố, liên kết giữa nền - cốt Với compozit cốt hạt phương pháp thích hợp nhất để đảm bảo các tính chất trên là phương pháp luyện kim bột Đó cũng là phương pháp chúng tôi lựa chọn để tổng hợp NMMCs nền Cu cốt nano TiC Tuy nhiên, phương pháp luyện kim bột truyền thống cho sản phẩm với tỷ trọng chưa cao (độ xốp còn khoảng 5÷10%) Điều này hạn chế tính chất cơ học và tính dẫn điện của vật liệu Để cải thiện tính chất của vật liệu, phương pháp công nghệ được chọn để chế tạo compozit Cu-TiC là phương pháp nghiền cơ học So với các phương pháp khác như:luyện kim bột, thấm, đúc bán rắn hay tổng hợp tự lan

2

truyền nhiệt độ cao, thì phương pháp này có ưu điểm: chế tạo bột hợp kim mịn, đồng đều ở nhiệt độ thường, rẻ tiền, đơn giản và có khả năng áp dụng qui mô sản xuất lớn Kết hợp với phương pháp thiêu kết xung điện plasma ta có quy trình tối ưu cho công nghệ sản xuất vật liệu compozit nền kim loại Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu, với mong muốn làm sáng tỏ một số cơ sở lý

thuyết của công nghệ, vấn đề “Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu Cu-TiC bằng phương pháp nghiền cơ học và thiêu kết xung điện plasma” là đề tài được lựa

chọn giải quyết trong bản luận án này

1.2 Mục đích của luận văn

Mục đích của bản luận văn là xác định quy trình công nghệ chế tạo vật liệu compozit Cu-TiC thông qua nồng độ pha tạp nano TiC và công nghệ chế tạo nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của compozit nền Cu Để đạt được mục đích

đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu như sau:

 Tổng quan về compozit nền kim loại (MMCs) và compozit cốt kích thước nano

 Nghiên cứu chế độ nghiền cơ học tối ưu để tạo cấu trúc compozit TiC phân bố đồng đều trên nền Cu

 Nghiên cứu tính chất và tổ chức của nano-compozit Cu-TiC dạng bột

 Nghiên cứu chế độ thiêu kết: nhiệt độ thiêu kết, thời gian giữ nhiệt, tốc

độ nâng nhiệt, lực ép

 Khảo sát tính chất cơ - lý của vật liệu compozit dạng khối

3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm về compozit nền kim loại

Compozit nền kim loại là loại vật liệu mà trong đó một kim loại được kết hợp với vật liệu khác, thông thường không phải là kim loại, để cho ta vật liệu mới có những đặc tính kỹ thuật hấp dẫn riêng của nó Đây là đề tài quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, trong số công trình công bố đã tăng lên đáng kể Compozit nền đồng, compozit dạng lớp, compozit dẫn điện tốt, compozit kích thước nano, kim loại xốp vi mô và compozit sinh học đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng rộng rãi Chúng chủ yếu bao gồm sợi gốm hoặc cốt hạt với nền là kim loại nhẹ Một số vật lệu kỹ thuật đã được công nhận, như gốm kim loại WC-Co có tính chất cắt gọt cao hơn hẳn so với vật liệu cắt gọt truyền thống [5]

Các dạng thường gặp hơn cả của MMCs bao gồm các vật liệu như hợp kim cùng tinh kết tinh định hướng, hợp kim hóa bền phân tán bằng oxit, hợp kim đúc cùng tinh Al-Si, đôi khi cả thép peclit và hợp kim xếp lớp 2 pha như TiAl gamma Đặc điểm nổi bật của chúng là tính tăng bền vẫn được duy trì trong suốt quá trình gia công [6] và ngay cả khi nhiệt độ cao

Như vậy, có thể định nghĩa compozit nền kim loại (MMCs) là vật liệu tổ hợp giữa hai hoặc một vài cấu tử, trong đó ít nhất một cấu tử là kim loại hoặc hợp kim Sự kết hợp đó theo một sơ đồ được thiết kế Các cấu tử ít hoặc không hòa tan vào nhau

MMCs nổi lên như một công nghệ đặc biệt đã cải thiện hiệu suất các vũ khí, trang bị quân sự tiên tiến tạo ra động lực phát triển nguyên vật liệu Trong quá trình phát triển này, tính kinh tế được cải thiện và khả năng thương mại hóa

mở rộng hơn là kết quả được kế thừa từ những kinh nghiệm đạt được trong sản xuất, kỹ thuật và các ứng dụng ban đầu phục vụ cho quân sự [7]

Tại sao con người lại chi phí thêm thời gian, năng lượng, nguyên liệu để thiết kế vật liệu MMCs Đó là do các lý do sau:

4

- Đầu tiên đó là compozit sử dụng cách thiết kế vật liệu để có thể mở rộng ranh giới các thuộc tính cơ bản của nhóm vật liệu chính Một ví dụ là môđun đàn hồi riêng của kim loại được xác định bởi môđun đàn hồi E chia cho tỉ trọng ρ (E/ρ) Thông số này là một phép đo về hiệu năng sử dụng, trong các ứng dụng kết cấu giới hạn - biến dạng tới hạn - trọng lượng của các thành phần tuyến tính đàn hồi bị nén đơn trục Hiện nay, các vật liệu kim loại kỹ thuật và hợp kim chính có giá trị gần giống nhau (E/ρ ≈ 26 MJkg-1) Do đó, cách duy nhất để vượt qua giới hạn này trong vật liệu kim loại là thay thế một phần bằng các pha được hình thành từ những nguyên tử kim loại, với các nguyên tử của các nguyên

tố ở trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev có liên kết chặt chẽ với nhau Ví

dụ là các gốm như Al2O3, B4O, SiC hoặc các dạng thù hình của cacbon (ví dụ như sợi cacbon môđun lớn hoặc kim cương) [4]

- Lý do thứ hai, công nghệ tạo ra compozit đạt được một lượng thể tích oxit hoặc cacbit thêm vào một số kim loại quan trọng Sắt là một vật liệu nền thường thấy và dễ kết hợp với rất nhiều các cacbit, nitrit hoặc (hiếm hơn) oxit bởi cacbon, khí nitơ và khí oxy hòa tan trong kim loại lỏng Còn nhôm lỏng, mangan và đồng thì ngược lại không hòa tan cacbon Do đó, cách duy nhất để thêm cacbit vào những kim loại này là tạo thành compozit; điều này xảy ra tương tự cho nhôm với các oxit hoặc nitrit Hay nói cách khác, công nghệ MMCs nắm vai tr chìa khóa để nhôm, mangan hoặc đồng có khả năng tạo ra những cấu trúc và tính chất phong phú tương tự như cấu trúc và tính chất của hợp kim sắt [4]

- Lý do thứ ba là một số đặc điểm thấy ở MMCs mà hầu như có rất ít ở kim loại: một số pha, một số gốm đặc biệt, có những tính chất tốt hơn khi ở dạng mịn hoặc siêu mịn Có thể thấy rằng, gốm sợi kích thước micro bền hơn dạng khối Thêm vào đó, hạt gốm đơn tinh thể có đặc tính dẫn nhiệt rất tốt Cacbon cũng vậy, ở dạng mịn nó rất bền, cứng và dẫn nhiệt rất tốt (như kim cương) Mang những ưu điểm này vào các pha không kim loại dạng mịn (như sợi, dạng tấm, màng hoặc hạt) trong vật liệu compozit, làm tăng các ưu điểm của nền

Trong hai thập kỷ qua MMCs được ứng dụng nhiều và đã thương mại hóa Những ứng dụng quan trọng của MMCs vào hệ thống giao thông đường bộ (ôtô và tàu hỏa), vật liệu nhiệt, ngành hàng không vũ trụ, các ngành công nghiệp sản xuất, giải trí và cơ sở hạ tầng, đã thể hiện nhiều đặc tính quý như khả năng kết cấu cao, chịu mài mòn tốt, tính dẫn nhiệt và điện tốt Nhiều vấn đề thách thức về mặt kỹ thuật đã được khắc phục, như khả năng liên kết nền - cốt, điều chỉnh và phân bố thành phần nền cốt, phương pháp thiết kế chế tạo, đặc tính bền hóa học và xử lý bề mặt Hiện nay, MMCs là một khoa học công nghệ vật liệu mới, mặt khác nó còn là ngành công nghiệp quan trọng đang được phát triển cả

vê chiều sâu và bề rộng [7]

Vật liệu MMCs được chế 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

có nhiệt độnóng chảy cao như vonfram, crom và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các hợp chất trên cơ sở sắt làm vật liệu nền vì nó có độ bền riêng nhỏ và dễ

bị ôxi hóa

Rất nhiều các ứng dụng của vật liệu MMCs đã được tìm hiểu và nghiên cứu trên thế giới được thể hiện qua việc sử dụng lượng lớn các vật liệu nền kim loại và vật liệu được hóa bền Các vật liệu nền Ag, Al, Be, Co, Cu, Fe, Mg, Ni

và Ti đã được sản xuất và sử dụng rộng rãi

Compozit trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nó có ưu điểm là tỷ trọng nhỏ, chống ăn m n 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, mô đun đàn hồi lớn (80÷100 GPa), chống ăn m n, chịu mài mòn tốt nên được sử dụng nhiều trong động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén

Các loại nền trên cơ sở bột thép được gia cường bằng các hạt cacbit để đạt được tính chất trung gian giữa hợp kim cứng Thép gió cũng được quan tâm nghiên cứu và đưa vào sản xuất (hãng ASEA-STORA) đã cho hiệu quả kinh tế

và mở rộng tính năng cắt gọt của thép gió cổ điển

Hiên nay, DRA chiếm tổng khối lượng lớn nhất trong thị trường (chiếm 69% tổng khối lượng sản phẩm của MMCs) MMCs nền đồng chiếm 25% tổng sản phẩm trên thị trường và một khối lượng đáng kể được sản xuất trên nền sắt

và titan [8]

Compozit nền đồng và hợp kim đồng do có khả năng dẫn nhiệt tốt nên được sửdụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt Nhưng compozit

có các ứng dụng cho MMCs với graphite sợi, SiC và sợi Al2O3

Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao, tỷ trọng nhỏ, độ cứng cao Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn m n và chịu mài mòn tốt, có tính bán dẫn, nhiệt độ nóng chảy cao; γ = 3,2 g/cm3 SiC, Al2O3 là vật liệu quan trọng nhất trong chế tạo gốm công nghiệp

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 Cốt sợi thường sử dụng là các loại sợi, râu của các nguyên tử hay các chất có nhiệt độ nóng chảy cao như Bo, C, SiC, W, WC… Sợi có thể liên tục hay gián đoạn với đường kính chỉ vài micromet Tỷ lệ của cốt sợi dài có thể đạt 90% thể tích, do cốt sợi dài có thể sắp xếp được còn với cốt sợi ngắn tỷ lệ thể tích chỉ chiếm tối đa là 30% Tính chất của vật liệu compozit phụ thuộc vào sự phân bố và cách sắp xếp của cốt

Sợi Bo có độ bền, độ cứng cao, chịu được nhiệt độ cao, sợi được chế tạo bằng phân huỷ cloruabo và lắng kết vào sợi dây W Sợi C có mô đun đàn hồi, độ bền riêng lớn nhưng dễ bị ôxy hoá ở 450oC Sợi SiC phổ biến vì cơ tính cao, chịu nhiệt độ cao, được chế tạo bằng cách cácbít hoá với xúc tác H2 ở 1800oC

8

Sợi Al2O3 có nhiều kiểu mạng, kiểu mạng lục giác xếp chặt được dùng làm vật liệu compozit Sợi có cấu trúc đa tinh thể và được tạo ra bằng việc ôxy hoá các râu tinh thể Al Sợi râu đơn tinh thểcó chiều dài bằng 20 lần chiều rộng, có tính hoàn thiện cao hơn dẫn đến cơ tính cao

2.2 Khái niệm về nanocompozit nền kim loại

Sự phát triển của bột kích thước nano và vật liệu cấu trúc nano với định nghĩa làhạt có kích thước (ít nhất một chiều) dưới 100 nm đã mở ra xu hướng mới - xu hướngphát triển của vật liệu nanocompozit Nanocompozit nền kim loại (NMMCs) là vật liệu chất vôcơ NMMCs khác so với các compozit nền kim loại truyền thống do các pha nano trong vật liệu tạo sự tương tác mạnh quanh biên giới hạt Năng lượng và hoạt tính hoá học trong liên kết nền - cốt của nanocompozit mạnh hơn nhiều so với vật liệu compozit cùng thành phần [9, 10]

Trong các hạt nano và khối tinh thể nano, tỷ lệ biên hạt trên đơn vị thể tích cao hơn rất nhiều so với vật liệu có kích thước micro (có thể cao hơn 20% ở vật liệu có kích thước 20 nm) Các nguyên tử ở biên hạt không trung hoà điện tích và có hoạt tính hoá học cao gây ra một số hành vi điện từ đặc biệt Điều đó

có thể dẫn đến sự phụthuộc không tuân theo quy luật hòa trộn và theo quy luật riêng của sản phẩm Trong trường hợp này, sự tương tác của biên giới hạt đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ bền Nhiều nanocompozit đã được tìm thấy bằng thực nghiệm sự phụ thuộc không tuyến tính của tính chất theo tỷ phần thể tích rất đa dạng ở các hệ khác nhau như các tính chất cơ, tính chất điện từ và tính bán dẫn của vật liệu Mối quan tâm lớn nhất của các nhà khoa học trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào sáu tính chất chính, đứng đầu là cơ tính, tiếp theo là tính chất từ, tính chất quang, tính chất điện, điểm đen lượng tử

và xúc tác [11]

Nanocompozit nền kim loại có các tính chất cơ học và từ tính vượt trội so vớicác compozit truyền thống [11]

Hình 2.1.Sự phân bố tối ưu đối với một số tính chất của compozit kim

loại/ceramic

Triển vọng tăng độ bền là mục đích chính của vật liệu nanocompozit Sự tăng độ bền có thể khác nhau từ một vài phần trăm đến vài ba lần so với vật liệu nguyên khối cùng thành phần Cơ chế hoá bền có thể do một hoặc một vài nguyên nhân phụthuộc vào thành phần hoặc cấu trúc vi mô: kích thước hạt, sự giảm vết nứt, sự tạo thành hạt thay thếvà ứng suất dư tích tụ [11]

10

2.2.1 Nguyên lý hóa bền của NMMCs cốt hạt

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tăng độ bền của vật liệu bằng cách giảm kích thước của hạt bột hóa bền cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán là cần thiết Như chúng ta đã biết nguyên tắc chung của việc hóa bền chính là sự cản trở của lệch Sự có mặt của pha phân tán ở trong nền làm tăng khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu, đó chính là mục đích của hóa bền bằng pha phân tán trong vật liệu Ta cần phân biệt rõ hóa bền phân tán và biến cứng phân tán (hay còn gọi là sự hóa già) Khi hóa già các hạt phân tán sẽ dược tiết ra từ dung dịch rắn và phụ thuộc nhiệt độ Hợp kim hóa già ở trạng thái cân bằng giả ổn định, khi nhiệt độ tăng lên pha giả ổn định sẽ chuyển sang một cấu trúc khác, chuyển hóa thành pha cân bằng hơn và cuốicùng hòa tan vào trong nền tạo thành dung dịch rắn Đối với hợp kim hóa bền bằng pha phân tán, pha phân tán không tương tác với nền và tồn tại trong nền cả ở nhiệt độcao Tính tương hợp hoàn toàn của pha phân tán cùng với nền đạt được trong trường hợp kim loại nền có oxít khó nóng chảy hoặc kim loại thứ hai không hòa tan Ví dụnhư Ni trong Ag ở hợp kim hệ Ag-Ni Trường hợp hóa bền phân tán đối với hai pha không hòa tan vào nhau, sự phân bố pha phân tán trong nền ngay cả khi nhiệt độ tăng cao cũng sẽ không thay đổi, lý do này có thể 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 lên chúng có thể lớn lên tích tụ lại khi nâng cao nhiệt độ bằng quá trình khuyếch tán

Tính ổn định nhiệt động học của các hạt phân tán không giống nhau nhờ

đó mà cho phép sử dụng chúng để hóa bền vật liệu Độ bền của hợp kim hóa già chỉ ở nhiệt độ dưới 0,5Tnc Trong khi hợp kim hoá bền phân tán có thể làm việc

ở nhiệt độ cao hơn do việc thải bền không đáng kể ở nhiệt độ cao

Khi xuất hiện trường ứng suất xung quanh hạt có thể xem như đường kính

d của hạt tăng lên đến đường kính hiệu dụng dff Ở các hạt rắn phân tán giá trị G.b (G - môđun trượt, b - véctơ Bugger) lớn hơn so với nền Để các lệch có thể chuyển động trong mạng tinh thể của hạt, ứng suất đặt vào cần phải bổ xung đến giá trị số σj’’-σj’ Sự phân chia bề mặt của hạt và nền tăng lên trong quá trình trượt, nếu các hạt có cấu trúc trật tự thì bên trong nó bề mặt phân chia pha ngược được tạo thành Năng lượng mà nó cần cho cả hai trường hợp để sự xuất hiện biên giới phân chia được đưa vào từ bên ngoài do cấu trúc hạt trật tự Sự dịch

sẽ kích thích ở mức độ nhỏ hơn từ hệ trượt của hạt Ứng suất riêng của lệch cần phải lớn hơn ứng suất dịch chuyển tới hạn Khi đó lệch của nền có thể bị hấp thụ, sau đó sẽ xuất hiện một lần nữa nhưng theo một phía khác của hạt Trong chừng mực ấy đối với quá trình giả cắt (cũng như vậy), và nó chỉ đặc trưng cho những hạt không kết hợp rất bé so với đường kính 10-6 mm

Ứng suất chống lại sự trượt là rất lớn khi các hạt kết hợp xảy ra Khi các phần tử kết hợp với trường ứng suất lớn hoặc khi các hạt không kết hợp có chiều hướng không cắt ngang mà lại đi v ng qua hạt tăng bền sẽ cản trở dịch chuyển lệch của nền Phù hợp với cơ chế Oroval, các đường lệch ôm vòng các hạt không bị cắt và bị uốncong ở giữa cho tới khi các phần lân cận của lệch không

bị lôi kéo và không bị hủy Điều này được minh họa ở hình 2.4 dưới đây:

13

Hình 2.4.Các giai đoạn khác nhau theo thời gian của cơ chế Orovan khi

chuyển động lệch từ trái qua phải

Lệch đi v ng qua trở ngại c n lưu lại lưới lệch Việc tăng ứng suất tối đa

có thể biểu thị qua mối quan hệ sau:

Trong đó:GM môđun trượt của nền

Mô hình Oroval mô tả một cách gần đúng sự tăng ứng suất Sự tăng ứng suất chỉ ở giai đoạn đầu của biến dạng dẻo (vùng dẻo tế vi) Sự hóa bền khi biến dạng lớn là do việc xuất hiện các vòng lệch lăng trụ hoặc tạo thành lệch bổ sung

Ở nhiệt độthấp với các hạt tương hợp nhau bao quanh chúng là trường ứng suất mạnh Ban đầu là hình thành các lưới lệch Oroval, chúng dịch chuyển đến khi xuất hiện cân bằng tĩnh, điều này mô tả ở hình 2.5 Sau đó các phần tử xoắn trượt qua theo chiều ngang của trường ứng suất để khi kéo lưới lệch di dời trong mặt trượt ngang và cuối cùng bị đứt tạo thành hai v ng lăng trụ

Trong trường hợp khi các hạt phân tán không gây ra sự xuất hiện ở trong nền của trường ứng suất biến dạng, có thể có một cơ chế khác của lệch đi v ng qua các hạt phân tán với sự trượt ngang cục bộ trên các lệch trượt, những cấu tử

14

xoắn được tạo thành mà chúng bị uốn cong khi gặp nhau bị hút và bị đẩy tạo nên các lưới hình lăng trụ được mô tả ở hình 2.6

Hình 2.5.Sự tạo thành các vòng khuyến lăng trụ do kết quả của hai sự trượt

qua (a - h) của vòng khuyến lêch xuất hiện, tương ứng với cơ chế Orovan (đối

với lệch biên)

Hình 2.6.Sự uốn của các hạt khi trượt qua trong quá trình tạo thành

a, vòng khuyến lăng trụ của lệch và trượt

b, vỏng khuyến của hai lưng kính

Cũng cần chú ý rằng các biên giới của pha có thể là nguồn phát ra lệch, ngay cả khi biến dạng nhỏ khi quá trình hóa bền xảy ra ở nhiệt độ thấp Việc khảo sát các quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp bằng phương pháp hiển vi điện tử

15

xuyên cho phép tìm được giá trị giới hạn phù hợp với đường kính dk: những hạt

có đường kính lớn hơn dk thì chúng đi v ng qua được lệch, còn với các hạt có đường kính nhỏ hơn dk thì sẽ bị lệch cắt (hình 2.7)

Hình 2.7 Sự thay đổi ứng suất dịch chuyển khi cắt đứt (s ) với sự tạo thành

bộ đôi lệch (p ) và khi đi vòng (o ) phụ thuộc vào đường kính hạt d

Trong cả hai trường hợp nêu trên quá trình xảy ra với năng lượng tiêu hao

là nhỏ nhất Đường kính tới hạn của hạt được tính theo công thức sau:

Trong đó: GM - Môđun trượt của nền

τ kt - Ứng suất trượt tới hạn

b - Véc tơ Bugger

Qua công thức trên đường kính tới hạn dk tỉ lệ nghịch với ứng suất tới hạn τkt và phụ thuộc vào cấu trúc của pha hóa bền, dạng liên kết và ứng suất ở biên giới pha giữa pha hóa bền và nền Với một số ôxit, cacbit kim loại và hạt không

16

kết hợp, giá trị dk không vượt quá 10-6 mm, ít khi đạt đến 10-5 mm còn thông thường là 10-4 mm Các kết quả này khi áp dụng cho các hợp kim thiêu kết ta thấy nó phù hợp với các giá trị thực nghiệm

Hình 2.8 Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ 3 [1]

Trong vật liệu nanocompozit, các phần tử cốt hóa bền trong nền kim loại dẻo bị bao bọc bởi lệch và trở thành các khối biến dạng trong các nền Khi trên mặt trượt của mình lệch gặp phần tử hoá bền, nó có thể vượt qua trở ngại bằng cách cắt hạt hoặc đi v ng qua hạt Lệch có thể vượt qua được các phần tử hóa bền bằng cách cắt ngang theo hình 2.8 Mặt phẳng lệch trong nền và hạt thường không trùng nhau, do vậy sự dịch chuyển của lệch qua hạt gây nên sự biến dạng lớn trong mạng Khi cắt qua hạt xuất hiện các bước chuyển và sự tích tụ của các mặt năng lượng phụ Do vậy sự cắt qua các hạt bởi các lệch cần một năng lượng lớn, điều đó dẫn đến sự hóa bền đáng kể cho vật liệu Cắt hạt xảy ra khi lệch không linh động: hạt dạng cầu, nhỏ, liền mạng, mềm Hóa bền trong vật liệu phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phần tử L, đường kính của hạt d và tỷ phần thể tích của cốt VB:

(2.3) Trường hợp đi v ng xảy ra khi lệch không thể xâm nhập vào hạt (liền mạng, lớn mà không hoặc ít liền mạng, nhỏ mà cứng và lệch linh động hơn) Khi

đó đường lệch sẽ uốn cong giữa các hạt với bán kính (L-d)/2 rồi vượt qua sau để

17

lại các vòng lệch bao quanh hạt Đó là cơ chế Orowan Ứng suất cần thiết để lệch uốn quanh hạt phụ thuộc vào bản chất, số lượng, hình dáng, kích thước Lấy giới hạn dưới của ứng suất cần thiết để mở rộng nút mạng, giới hạn chảy của nền là GM/1000, giới hạn trên sẽ là GM/30 Thay vào công thức và cho véc tơ Bruger b=2Å, ta được hóa bền hiệu quả khi khoảng cách của các phần tử nằm trong khoảng L=10÷300 nm Khi đó VB= 0,15÷0,01 và kích thước phần tử phân tán dB≤100 nm Trên thực tế sẽ có điểm chuyển tiếp giữa hai cơ chế tương ứng với kích thước tới hạn của pha cốt dth Do vậy, sự lựa chọn sẽ do độ lớn của d quyết định và với d>dth, sẽ uốn, còn d<dth sẽ cắt Như vậy trong các vật liệu nanocompozit sự hóa bền xảy ra do biến dạng lệch, khi đó trong nền các phần tử phân tán có kích thước không lớn hơn 100 nm chiếm từ 1÷15% thể tích của vật liệu [13] Hiệu ứng hoá bền phân tán đạt được trong nanocompozit ổn định ở nhiệt độ cao có thể nhận được bằng các phương pháp sau:

a Hóa bền từ sự giảm kích thước hạt

Độ bền của vật liệu ceramic phụ thuộc vào kích thước hạt của các pha thành phần Biểu thức Hall-Petch chỉ ra mối quan hệ đơn giản giữa độ bền phá huỷ và kích thước hạt trong trường hợp các yếu tố khác không thay đổi [36]:

Trong đó:

σ - Độ bền phá hủy của nanocompozit

σo - Ứng suất cần thiết để lệch chuyển động trong đơn tinh thể (khi d→∞)

d - Kích thước hạt hóa bền

K - Hằng số biểu thị cấu trúc của biên hạt

Từ biểu thức trên, sự giảm kích thước hạt hóa bền (d) có thể làm tăng độ bền của vật liệu NMMCs về phương diện toán học, nếu đưa thêm các hạt nano

18

làm giảm kích thước hạt xuống một nửa so với đơn tinh thể, độ bền có thể tăng khoảng 40 %

b Tăng độ bền từ việc giảm kích thước vết nứt

Sự tăng độ dai phá huỷ K và sự giảm kích thước vết nứt có thể dẫn đến sự tăng độ bền thể hiện bằng mối quan hệ giữa độ bền phá huỷ (σ) với vật liệu ceramic và vết nứt tới hạn:

(2.5)

Trong đó: K - là trở kháng nứt vốn có của vật liệu

(thường được gọi là độ dai phá huỷ cho các vật liệu giòn )

Y - là yếu tố cấu trúc hình học (xấp xỉ bằng 1)

A - là độ dài của vết nứt

Kích thước tới hạn của vết nứt trong các vật liệu tỷ lệ với kích thước của hạt ceramic Sự tinh mịn của hạt dẫn đến sự giảm kích thước của vết nứt và vì vậy làm tăng độ cứng so với vật liệu đơn tinh thể tương đương Điều đó có nghĩa là pha nano trong vật liệu làm tăng độ dai và đồng thời cũng làm tăng thêm độ cứng của vật liệu

c Hoá cứng từ các hạt phụ

Hạt rất nhỏ có thể bị bao bọc thành các hạt lớn trong quá trình thiêu kết Các hạt nhỏ này sau đó cũng chia nền ra thành các hạt phụ do quá trình không cùng giãn nởnhiệt do vậy cũng làm tăng độ bền

d Tăng độ bền bằng cách phân bố lại ứng suất dư

Pha thứ hai đưa vào nền tạo ra trường ứng suất trong nền Trong quá trình chế tạo, compozit nền kim loại được làm nguội từ nhiệt độ thiêu kết Ts, chênh lệch hệ sốgiãn nở nhiệt (∆α=α1-α2) làm tăng ứng suất tĩnh ở cả nền và cốt (pha thứ 2) Độ lớn của ứng suất dư P được tính như sau:

19

(2.6)

Trong đó: ∆T là độ quá nguội

ν 1 , ν 2 và E 1 , E 2 là hệ số Poisson và môđun Young của nền và hạt một cách tương ứng (Fantozzi)

Độ lớn của ứng suất dư cũng phụ thuộc vào khoảng cách x từ điểm trong nền đến các hạt và bán kính của hạt, r theo mối quan hệ: Pα|r3/x3|

Rõ ràng rằng hệ compozit với các hạt lớn sẽ có ứng suất dư lớn Ứng suất

dư dự trữ đủ lớn trong nền sẽ hấp phụ năng lượng đàn hồi và làm tăng năng lượng phá huỷ

Tuy nhiên, ứng suất dư quá lớn sẽ dẫn đến sự nứt vi mô dẫn đến giảm độ bền Kích thước tới hạn của pha thứ hai không gây phá huỷ vi mô trong nền theo Davidge và Greene [36] được biểu diễn dưới dạng:

(2.7) Biểu thức này có nghĩa là kích thước tới hạn của pha thứ hai gây nên sự phá huỷ vi mô phụ thuộc vào năng lượng bề mặt γs của nền, của môđun biến dạng E1; E2 và áp suất làm việc (P) Pha thứ 2 nhỏ hơn kích thước tới hạn cũng

có thể hấp phụ thêm năng lượng bên ngoài làm tăng độ bền

2.3 Phương pháp nghiền cơ học

Có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng để tổng hợp vật liệu cấu trúc nano bao gồm (1) nguội nhanh, (2) điện phân, (3) phún xạ, (4) lắng đọng trong khí trơ, (5) tinh thể hoá pha vô định hình và (6) quá trình hoá học (7) Va đập cơ học bằng nghiền bi, phương pháp này tạo ra biến dạng lớn tuần hoàn cho bột, là công nghệ được sử dụng rộng rãi trong điều chế vật liệu cấu trúc nano và có thể chế tạo với lượng lớn

20

Hợp kim hoá cơ học (MA) là một công nghệ gia công bột ở trạng thái rắn với sự tham gia lặp đi lặp lại của các tiến trình hàn nguội, phá huỷ, và hàn lại của hạt bột trong máy nghiền năng lượng cao Từ rất sớm, phương pháp MA đã phát triển trong những năm 70 thế kỷ trước để sản xuất trong siêu hợp kim cơ sở nikel được phân tán ThO2 (TD Nickel) MA có khả năng tổng hợp những pha giả bền từ hỗn hợp bột kim loại thành bột tiền hợp kim theo các dạng tổ hợp của vật liệu dẻo-dẻo hoặc dẻo-gi n hoặc gi n-gi n

Không giống những phương pháp ở trên, phương pháp nghiền cơ học này tạo ra cấu trúc nano không theo cách tạo đám mà bằng sự phân huỷ cấu trúc hạt thô hơn do biến dạng dẻo mãnh liệt Đây là phương pháp phổ biến để tạo ra vật liệu cấu trúc tinh thể nano thao tác đơn giản, không cần những thiết bị đắt tiền

và khả năng áp dụng trên tất cả các nhóm vật liệu Tuy nhiên, những vấn đề tồn tại của phương pháp trên là (i) sự nhiễm tạp từ công cụ nghiền và /hoặc môi trường nghiền; Thao tác cẩn thận có thể giảm/loại trừ vấn đề này, và (ii) cần có quá trình kết khối bột (cho ứng dụng kết cấu)

Hợp kim hoá cơ học (MA) [12] là một trong những phương pháp thành công được sử dụng để chế tạo compozit đồng với sự phân bố đồng thể của hạt pha thứ 2 có kích thước nano So sánh với những phương pháp khác, tổng hợp của nanocomposit cơ sở kim loại bằng MA cho ta những lợi ích như nhiều dạng phân bố chất tăng cường và hạt mịn hơn, dẫn đến vật liệu bền hơn và khả năng chịu nhiệt cao hơn Khả năng hoà tan chất rắn giới hạn của nguyên tố hợp kim hoá có thể được tăng cường bằng MA (e.g Cr in Cu matrix) Vì vậy, nó được kì vọng có thể cải thiện những tính chất tồn tại của nanocomposit cơ sở đồng được phát triển bằng MA dưới đây bằng sự đông đặc cho những ứng dụng cần độ bền

và độ dẫn điện cao Biểu hiện của những vật liệu này được kì vọng được tăng cường nếu hạt nano được giữ trong khối thành phần đông đặc

2.3.1 Các thông số công nghệ

21

Hợp kim hoá cơ học là quá trình phức tạp và do đó sự tối ưu hoá có sự tham gia của một số thông số công nghệ để đạt được pha hoặc/và cấu trúc vi mô mong muốn Một số thông số quan trọng có tác động lên sản phẩm cuối cùng của bột là:

 Loại máy nghiền

 Buồng nghiền

 Tốc độ nghiền

 Thời gian nghiền

 Loại, kích thước và phân bố kích thước của công cụ nghiền

 Tỷ lệ khối lượng của bi-bột

 Mức độ điền đầy của buồng nghiền

 Môi trường nghiền

 Chất trợ nghiền (PCA)

 Nhiệt độ trong quá trình nghiền

Tất cả những tham số công nghệ không hoàn toàn độc lập Ví dụ, thời gian nghiền tối ưu phụ thuộc vào loại máy nghiền, kích thước của công cụ nghiền, nhiệt độ nghiền, và tỷ lệ bi-bột,…

Loại máy nghiền

Có nhiều loại nghiền khác nhau để tiến hành quá trình MA Tùy thuộc vào yêu cầu, loại sản phẩm được sản xuất, số lượng sản phẩm và thiết bị có s n, sẽ

sử dụng máy nghiền khác nhau Tuy nhiên, máy nghiền lắc SPEX được sử dụng cho các mục đích sang hợp kim Máy nghiền bi kiểu nghiền hành tinh Fritsch Pulverisette hay nghiền rung động được sử dụng để sản xuất bột nghiền với số lượng lớn Các máy nghiền thiết kế đặc biệtđược sử dụng cho những ứng dụng

cụ thể

Tang nghiền

Thường làm bằng các vật liệu như: thép cứng, thép công cụ, thép crom cứng, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép WC-Co, thép được dát WC và thép bạc trục Mặt khác, nếu hai vật liệu làm phương tiện nghiền và tang nghiền giống nhau, từ đó qua trình hoá học có thể diễn ra luân phiên trừ khi có sự đề

là có lợi trong một số trường hợp khi mà sự khuếch tán cần thiết để tăng cường

sự đồng nhất hóa và/hoặc hợp kim hoá bột Nhưng trong một số trường hợp, sự tăng nhiệt độ này lại có hại vì làm tăng tốc độ của quá trình chuyển pha và kết quả là sự phân huỷ của dung dịch rắn quá bão hoà hoặc những pha giả bền khác được sinh ra trong quá trình nghiền Tuy nhiên với thiết bị có hệ thống làm mát bằng nước có thể sử dụng ở tốc độ nghiền cao

Thời gian nghiền

Thời gian nghiền là tham số quan trọng nhất Thường được chọn để đạt được một trạng thái bền duy trì giữa hai trạng thái vỡ và hàn nguội của hạt bột Mức độ nhiễm tạp sẽ tăng tỷ lệ với thời gian nghiền và một số pha không mong muốn có thể sẽ hình thành

Dụng cụ nghiền

Làm bằng các loại vật liệu như: thép cứng, thép công cụ, thép cứng crom, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép WC-Co, và thép chịu lực là các loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng cho công cụ nghiền Buồng nghiền và dụng cụ nghiền thường làm từ cùng một vật liệu để tránh nhiễm tạp chất Thép không gỉ được sử dụng làm dụng cụ nghiền cho các nghiên cứu này trong quá trình nghiền cơ học.Kích thước của các phương tiện nghiền cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả nghiền

23

dụng trong khi nghiền bột dung lượng nhỏ, chẳng hạn như máy nghiền SPEX Tuy nhiên, khi nghiền được thực hiện trong máy nghiền dung lượng lớn, như máy nghiền rung, BPR cao hơn lên đến 50:1 hoặc thậm chí 100:1 Tỷ số BRP 20:01 được sử dụng nghiên cứu này

Mức độ điền đầy uồng nghiền

Vì sự hợp kim hoá giữa các hạt bột xảy ra do các lực va chạm tác dụng lên chúng, nên điều cần thiết là có đủ không gian cho bi nghiền và các hạt bột để

di chuyển tự do trong các buồng nghiền Vì vậy, mức độ điền vào các bình bằng bột và bi nghiền là quan trọng Vì vậy, chú ý không được nạp tràn bình; thông thường khoảng 50% của không gian bình được để trống

M i ường nghiền

Môi trường khác nhau được sử dụng trong quá trình nghiền cho các mục đích cụ thể Môi trường nitơ hoặc ammonia được sử dụng để sản xuất nitrua Môi trường hydro được sử dụng để sản xuất hiđrua Sự hiện diện của không khí trong bình để sản xuất oxit và nitrua ở dạng bột, đặc biệt là nếu bột phản ứng trong tự nhiên Vì vậy, chú ý để sử dụng môi trường khí trơ trong quá trình nghiền

Ch t tr nghiền

Chất trợ nghiền (PCA) được thêm vào hỗn hợp bột trong quá trình nghiền

để giảm hiệu ứng hàn nguội Bản chất và số lượng PCA được sử dụng và loại bột nghiền sẽ xác định kích thước, hình dạng, và độ tinh khiết cuối cùng của các hạt bột Sử dụng một số lượng lớn hơn của PCA thường làm giảm kích thước hạt

đi đến 2-3 cấp độ Số lượng của PCA là phụ thuộc vào (a) đặc tính hàn nguội của các hạt bột, (b) độ bền hóa học và nhiệt của PCA, và (c) lượng bột và công

cụ nghiền được sử dụng Những PCA quan trọng nhất bao gồm axit stearic, hexane, Toluene, methanol, và ethanol Axit stearic được sử dụng như một tác nhân điều khiển quá trình của thí nghiệm này

Nhiệ độ nghiền

24

Người ta đã báo cáo rằng mâu thuẫn nhau về sự hình thành của pha vô định hình như hàm của nhiệt độ của nghiền Vô định hình hoá trong MA liên quan đến việc hình thành các cặp vi khuếch tán của bột thành phần theo một phản ứng vô định hình hoá trạng thái rắn Nhiệt độ nghiền thấp hơn được dự kiến sẽ tăng cường sự vô định hình hóa thuận lợi Trong nghiên cứu này nghiền được thực hiện ở nhiệt độ phòng

2.3.2 L i ích của nghiền cơ học MM

MM là một quá trình đơn giản và khả thi về mặt kinh tế với những lợi ích

• Mở rộng khả năng hoà tan trong dung dịch rắn được đạt tới bằng MM trong một số hệ hợp kim Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra các phản ứng chuyển hóa chất dạng bột hỗn hợp ở nhiệt độ phòng hoặc

ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với yêu cầu bình thường tổng hợp các kim loại tinh khiết

• MM có thể được sử dụng để làm mịn của nền cấu trúc micro xuống phạm vi nano Những cấu trúc nano thu được không phải bằng cách kết

2.3.3 Sự phá i n của c u c nano ng MM

Thông thường, vật liệu tinh thể nano có chứa những khuyết tật, ví dụ như

rỗ và liên kết yếu giữa các hạt [13] Cơ tính và tính dẫn điện của nanocomposit

cơ sở đồng có thể được cải thiện bằng cách loại bỏ nhân tạo bằng cách sử dụng công nghệ kết khối thích hợp của sản phẩm nghiền Nhưng, đây là nhiệm vụ khó khăn để nhận được tỷ trọng lý thuyết hoàn toàn (full dense density) của vật liệu khối có cấu trúc nano bằng MM và kết hợp phương pháp thiêu kết thông thường Điều này làm cho có sự khó khăn trong việc đánh giá chính xác cơ tính của những vật liệu cho những ứng dụng kỹ thuật Phương pháp kết khối thông thường của bột tinh thể nano hay vô định hình có thể dẫn đến sự phát triển hạt một cách đáng kể Sự tổng hợp của bột tinh thể nano và/hoặc vô định hình cơ sở đồng bằng MM và kết khối sau đó bằng kĩ thuật tiên tiến, gọi là: xoắn áp suất cao, ép qua kênh gấp khúc tiết diện không đổi (ECAP), thiêu kết xung điện plasma (SPS) có thể được sử dụng để đạt đến gần với tỷ trọng lý thuyết của vật liệu khối có đặc tính cấu trúc nano Nhưng, rất ít tài liệu có s n trong việc nghiên cứu chế tạo nanocomposit cơ sở đồng bằng MA kết hợp với quá trình kết khối

2.4 Những iến bộ trong chế tạo h p kim và ho c h n h p cơ sở Cu-Cr

Hiện nay, đối với các thiết bị ngắt d ng điện thế trung bình, hỗn hợp

Cu-Cr được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột thông thường được sử dụng như vật liệu siêu việt khi so sánh với những vật liệu đã biết chủ yếu cho trường

26

hợp chuyển mạch [17] Hiệu năng của những vật liệu này được hi vọng sẽ tăng cường nếu hạt nano được duy trì trong chi tiết khối sau kết khối

Composit nội sinh hợp kim Cu-Cr là một kiểu vật liệu cáp tiếp xúc mới có

độ bền cao và độ dẫn điện tốt ở nhiệt độ ph ng khi so sánh với những loại cáp tiếp xúc khác Peng et al [18] đã điều chế hợp kim nội sinh Cu-Cr, được sử dụng cho cáp tiếp xúc ở nhiệt độ cao Sự phân tán của hạt Cr mịn trong Cu tạo ra

sự phân tán đồng đều của Cr trong hạt tinh thể Cu, điều này có thể giảm được rất lớn sự thiên tích Kết quả là nó làm giảm hiệu ứng gi n của tiếp điểm điện Composit nền kim loại với hạt ceramic gia cường có thể sử dụng làm vật liệu kết cấu trong công nghiệp mài m n do độ dai siêu và chống mài m n siêu việt Theo Akhtar [19] trình bày về bổ sung những nguyên tố hợp kim hoá trong Cu làm tăng tỷ trọng thiêu kết và tính chất và tăng cường của hạt cacbit có thể tăng độ bền ở nhiệt độ cao, cải thiện độ cứng và chịu mài m n Gautam et al [20] đã nghiên cứu composit nội sinh Cu-Cr-SiCp từ sự hợp kim hoá với Cr và hạt gia cường SiC có thể tạo ra hành vi mài m n và ma sát của (Cu-4%Cr)–4% SiCp Sauvage et al [21] tạo composit Cu-Cr chứa 43% khối lượng Cr bằng biến dạng dẻo mãnh liệt Độ tan tối đa của Cu trong Cr bcc thực tế là nhỏ hơn 0,2% khối lượng nguyên tử và độ tan tối đa của Cr trong Cu fcc là 0,89% khối lượng nguyên tử ở 1350k Các biên giới liên pha đóng một vai tr quan trọng trong cơ chế giảm kích thước hạt Trong quá trình SPD, một phần Cu khuếch tán trong hạt Cr bcc điều này thực sự dẫn đến dung dịch rắn siêu bão hoà được báo cáo bởi Sauvage et al Những vật liệu kích thước nano thường được chế tạo bằng sự kết khối của bột nano Những vật liệu tinh thể nano bền nhiệt có thể đạt được bằng sự phân tán của hạt ceramic nano trong nền kim loại Như vậy nano composit thường được chế tạo bằng sự kết khối của bột composit nền kim loại kích thước nano tương ứng Có nhiều phương pháp được sử dụng để chế tạo bột nano-compozit ví dụ kết cuả hợp kim hoá cơ học trong phá hủy và sự phân bố lại của hạt ceramic trong nền kim loại, đồng phún xạ kim loại và, sự hoàn nguyên chọn lọc của hỗn hợp oxit và muối nhiệt Trong tất cả những cách tiếp