Mục tiêu của luận án là nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá. Nghiên cứu khảo sát tính chất đặc trưng và cấu trúc vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM, SEM-EDS) ...Nghiên cứu chế tạo thử phôi điện cực hàn điểm từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
Trang 1Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng và có nhiều triển vọng Các công trình nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng cốt hạt phân tán như Al2O3, TiB2, TiC, đã cải thiện đáng kể một số tính chất của hệ vật liệu tổ hợp nền Cu Tuy nhiên, cần nghiên cứu một cách hệ thống và nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tiễn đối với hệ vật liệu tổ hợp nền Cu nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán Al2O3 nói riêng Đề tài “Nghiên cứu tổng
hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2 O 3 chế tạo phôi điện cực hàn” có tính ứng dụng cao trong thực tế và mới trong
lĩnh vực vật liệu mới Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng lớn trong việc nghiên cứu hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và cần thiết để góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ vật liệu tổ hợp này
- Nghiên cứu chế tạo thử phôi điện cực hàn điểm từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp cơ - hoá kết hợp Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây:
- Tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá trong máy nghiền cánh khuấy
- Xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và một số tính chất cơ bản của vật liệu làm cơ sở tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn
Trang 2- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng cấu trúc và tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
- Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 trong chế tạo điện cực hàn điểm
4 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp phân tích, kiểm tra vật liệu bằng nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM, SEM-EDS), đo độ xốp, đo độ cứng, đo độ dẫn điện …
- Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xây dựng mối quan hệ và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo phôi điện cực hàn
từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 và so sánh các
dữ liệu đối chứng, đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền
Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu tổ hợp nền
Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo có những tính chất công nghệ đặc trưng, ưu việt đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện hiện đại (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) có thế được ứng dụng để chế tạo thay thế các chi tiết nhập ngoại, giảm giá thành sản phẩm
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho việc triển khai áp dụng trong thực tiễn chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn tại Việt Nam
6 Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
- Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu các công nghệ tiên tiến đã công bố trong và ngoài nước để xác định công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
Trang 33
- Xây dựng, lựa chọn được hệ thống thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra và đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu phù hợp với điều kiện thực tiễn để tiến hành quá trình công nghệ tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
- Kết quả thực nghiệm công nghệ tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 có thể ứng dụng để chế tạo vật liệu kỹ thuật điện hiện đại hệ vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền nhiệt,
độ dẫn điện cao
- Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp và chế tạo được vật liệu
tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá ưu việt hơn so với các phương pháp khác như nấu hợp kim, nghiền trộn cơ học,
- Đề xuất phương pháp và chế tạo được điện cực hàn điểm từ phôi vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 bước đầu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu chế tạo điện cực hàn điểm, có thể triển khai trong thực tiễn sản xuất vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 để chế tạo điện cực hàn
Những đóng góp mới của luận án:
- Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 là hướng nghiên cứu hiện đại, phù hợp với xu hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và lần đầu tiên ở Việt Nam đề xuất, thiết lập được quy trình công nghệ tổng hợp và chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo thành công, có những tính chất công nghệ cơ bản đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) thay thế các vật liệu truyền thống đã mở ra bước đột phá mới trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu kỹ thuật điện
- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa quá trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền
Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn
B NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu) BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO
1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp
Vật liệu tổ hợp là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau
Trang 4bằng 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 tổ hợp cần chế tạo Pha liên tục trong vật liệu được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là pha cốt Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu tổ hợp
1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại
Hiện nay, vật liệu tổ hợp nói chung và vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng được ứng dụng rộng rãi do chúng có nhiều ưu điểm nổi trội như: có những tính chất đặc trưng, độ bền và độ ổn định nhiệt cao, cho thấy tiềm năng ứng dụng là rất lớn
1.3 Vật liệu tổ hợp nền Đồng (Cu) cốt hạt phân tán
Bằng việc đưa vào nền Cu cốt hạt phân tán, vật liệu tổ hợp nền
Cu 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 khác không thể so sánh được bởi sự mâu thuẫn của độ bền với tính dẫn điện của
nano, vật liệu tổ hợp (compozit) càng phát triển
1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao
Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam, vật liệu bền nhiê ̣t, đô ̣ dẫn điê ̣n cao chủ yếu là đồng và hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi để chế tạo tiếp điểm điện và điện cực hàn Xu hướng chế tạo vật liệu kim loại bền nhiê ̣t, đô ̣ dẫn điê ̣n cao từ vật liệu tổ hợp nền Cu là xu thế mới của thế giới và Việt Nam cho phép tạo ra được hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao
CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu
- Al 2 O 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HÓA
2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hoá
Bằng sự kết hợp quá trình nghiền cơ học và phản ứng ôxy hóa xảy ra trong quá trình nghiền (quá trình nghiền cơ - hóa) để tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Với phương pháp này, hạt Al2O3
Trang 55
hình thành sẽ có kích thước nhỏ mịn phân tán tương đối đồng đều trong nền Cu, đặc biệt với phương pháp này có thể khống chế được hàm lượng Al2O3 theo yêu cầu công nghệ đặt ra
2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp
Thiêu kết là quá trình gia công nhiệt các chi tiết bột đã được biến dạng tạo hình ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại trong hệ đơn nguyên hoặc của kim loại trong hệ đa nguyên:
TTK = (0,7 0,9)Tch (2.5) Thực chất quá trình thiêu kết là quá trình chuyển hóa từ năng lượng tự do cao không ổn định về trạng thái năng lượng tự do thấp,
ổn định hơn của các phần tử bột
2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al 2 O 3 bằng phương pháp cơ - hoá kết hợp
Hình 2.8 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo
vật liệu tổ hợp Cu - Al 2 O 3 bằng phương pháp cơ - hóa
Phối liệu
Nghiền đồng đều thành phần
Bột Cu Bột CuO
Thiêu kết
Bột Al
Ép đóng bánh Nghiền cơ - hóa
Trang 6CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu-Al 2 O 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ
- Máy nghiền trộn kiểu cánh khuấy (hình 3.2a và 3.2b)
- Máy nghiền trộn kiểu tang trống (hình 3.3)
- Thiết bị ép tạo hình (máy ép thủy lực) (hình 3.5)
- Thiết bị đo độ dẫn điện của vật liệu (hình 3.11)
3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu
tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2 O 3
Tổng trọng lượng hỗn hợp bột cho mỗi lần nghiền là 30 gr, tỉ lệ riêng phần của từng loại bột trong hỗn hợp bột ban đầu đã được tính toán theo phản ứng sau:
3CuO + xCu + 2Al → (3 + x)Cu + Al2O3 (3.1)
Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
Khối lượng riêng phần, gr
Trang 7
Hình 3.15 Giản đồ chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al 2 O 3
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN TÍNH CHẤT VÀ TỔ CHỨC
TẾ VI CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al 2 O 3
4.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
4.1.1 Giới thiệu phương pháp
4.1.2 Phương án tổ chức thực nghiệm
Chọn các yếu tố ảnh hưởng:
Z1: Áp lực ép, MPa Z2: Nhiệt độ thiêu kết, oC Z3: Thời gian thiêu kết, h Chọn hàm mục tiêu:
Y1: Độ xốp, % ; Y2: Độ cứng, HV; Y3: Độ dẫn điện, %IACS Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng:
Y1 = f(Z1, Z2, Z3) ; Y2 = f(Z1, Z2, Z3) ; Y3 = f(Z1, Z2, Z3)
Trang 8Chọn miền khảo sát: Theo các nghiên cứu như đã phân tích, miền khảo sát của các yếu tố như sau:
Áp lực ép: P = 200 400 MPa Nhiệt độ thiêu kết: T = 700 900 oC Thời gian thiêu kết: = 1 3 giờ
Để xây dựng mô tả toán học cho quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3, từ nghiên cứu lý thuyết và làm thí nghiệm thăm dò, tác giả chọn qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2, với 3 yếu tố ảnh hưởng (k = 3) và mức các yếu tố (mức cơ sở, mức trên, mức dưới, mức *) Từ đó xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 4.1 dưới đây
Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm được chon
Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b13X1X3 +
Phương trình hồi qui thực nghiệm thu được phản ánh mối quan hệ
và sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Qua đó, ta có thể đánh giá và tối ưu công nghệ quá trình tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa
4.1.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al 2 O 3
Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm
tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3
Y3 (%IACS)
1 1 -1 -1 -1 1 1 1 0,27 0,27 0,27 17,45 96 53,76
2 1 1 -1 -1 -1 -1 1 0,27 0,27 0,27 10,01 120 71,24
3 1 -1 1 -1 -1 1 -1 0,27 0,27 0,27 16,71 99 56,36
Trang 99
Bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm xây dựng được các phương trình hồi qui phản ánh sự phụ thuộc của các thông số công nghệ đến tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
Phương trình hồi qui độ xốp:
Y1 = 13,83 - 3,36X1 + 0,54X2 + 0,50X3 + 0,56X1X2 + 0,85X22 Phương trình hồi qui độ cứng:
Y2 = 108,42 + 13,46X1 - 2,28X2 - 1,75X1X2 + 2,75X1X3 - 2,32X22 Phương trình hồi qui độ dẫn điện:
Y3 = 63,52 + 7,87X1 - 0,84X2 - 1,33X3 - 1,13X1X2 + 0,74X1X3 - 2,66X22
Từ các phương trình hồi qui nhận được, ta thấy: Áp lực ép ảnh hưởng mạnh đến việc làm giảm độ xốp và tăng tỷ trọng, độ cứng và
độ dẫn điện của vật liệu cũng tăng lên mạnh khi tăng áp lực ép Trong khi đó nếu tăng nhiệt độ và thời gian thiêu kết dài, dẫn đến độ xốp sẽ tăng lên do tạo sự phồng lên của các vết nứt tế vi giữa bề mặt tiếp giáp của Cu và Al2O3 Đó cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng và độ dẫn điện Điều này hoàn toàn phù hợp với các phân tích trong quá trình thực nghiệm tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt nano Al2O3 phân tán
4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al 2 O 3
4.2.1 Kết quả thực nghiệm xác định tính chất vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3
Các mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 đã chế tạo với các chế độ công nghệ ép - thiêu kết khác nhau theo điều kiện thí nghiệm được chọn (bảng 4.1) Sau đó các mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 được tiến hành xác định độ xốp, độ cứng và độ
Trang 10dẫn điện Kết quả độ xốp, độ cứng và độ dẫn điện các mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 chế tạo bằng phương pháp cơ - hóa được trình bày trong bảng 4.6
Bảng 4.6 Tính chất của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3 phụ thuộc
vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết
4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3
Theo kết quả trong bảng 4.6, độ xốp của vật liệu Cu-5vol.% Al2O3 dao động trong khoảng (10 20)% Kết quả này cho thấy, áp lực ép ảnh hưởng rất mạnh đến việc làm giảm độ xốp và tăng tỷ trọng, trong khi đó nếu tăng lên nhiệt độ cao và thời gian thiêu kết dài, dẫn đến độ xốp của vật liệu sẽ tăng lên do tạo sự phồng lên của các vết nứt tế vi giữa bề mặt tiếp giáp của Cu và Al2O3 Nhìn chung, khi áp lực ép tăng trong khoảng (200 400) MPa thì độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.% Al2O3 giảm, nghĩa là mật độ của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 tăng lên
Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 (hình 4.2, 4.3, 4.4, 4.5):
Trang 1111
a) Áp lực ép 200 MPa b) Áp lực ép 300 MPa c) Áp lực ép 400 MPa
Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến
độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3 khi thay đổi nhiệt độ thiêu kết và thời gian thiêu kết, áp lực ép không đổi
Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến
độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3 khi thay đổi áp lực ép và
thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi
Trang 12a) Thời gian thiêu kết
Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến
độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3 khi thay đổi nhiệt độ thiêu kết và áp lực ép, thời gian thiêu kết không đổi
Hình 4.5 Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ ép -
thiêu kết khi tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al 2 O 3
a- Quan hệ giữa độ xốp và áp lực ép;
b- Quan hệ giữa độ xốp và nhiệt độ thiêu kết
c- Quan hệ giữa độ xốp và thời gian thiêu kết
Từ đồ thị hình 4.5a, ta nhận thấy rằng, áp lực ép tăng trong khoảng từ (200 ÷ 400) MPa là thông số có ảnh hưởng rất mạnh đến việc làm tăng mật độ (giảm độ xốp) của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3, điều đó có nghĩa là độ xốp của mẫu vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 giảm mạnh Trong khi đó từ hình (4.5b và 4.5c) ta nhận thấy, nếu