Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm nghiên cứu khảo sát một số 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)...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu của luận án chưa từng được công bố trên bất kỳ công trình nào khác ngoài công trình của tác giả. Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019 TM tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Trần Văn Dũng Nguyễn Đức Duy i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS Trần Văn Dũng, người đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, giúp đỡ, động viên và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Đặng Thủy đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp những ý kiến xác thực trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn chỉnh luận án của mình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy giáo, các phòng thí nghiệm, cơ sở thực nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã dành thời gian đọc phản biện, đóng góp ý kiến và trao đổi các nội dung chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tiễn để tôi hoàn thành luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tác giả xin chân thành ghi nhớ và gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp những người đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Duy ii
MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ và đồ thị Mở đầu 1. Lý do lựa chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2 6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án 3 7. Bố cục của luận án 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu) BỀN 5 NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO 1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp 5 1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp 5 1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp 5 1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại 6 1.2.1 Thành phần cấu tạo 7 1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt 7 1.3 Vật liệu tổ hợp nền Đồng (Cu) cốt hạt phân tán 8 1.3.1 Đồng (Cu) - kim loại có điện dẫn cao 9 1.3.2 Lý thuyết hóa bền phân tán 15 1.3.3 Vật liệu tổ hợp cốt hạt 18 1.4 Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ lý tính của vật liệu tiếp điểm 21 1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao 22 1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện 22 cao trên thế giới 1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện 23 cao tại Việt Nam 1.6 Kết luận chương 1 26 iii
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG 27 PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ 2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hoá 27 2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trong luyện kim bột 27 2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trong luyện kim bột 27 2.1.3 Quá trình nghiền cơ - hóa tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 34 2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp 35 2.2.1 Ép tạo hình hỗn hợp bột vật liệu tổ hợp 35 2.2.2 Quá trình thiêu kết 36 2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt Al2O3 phân tán bằng phương pháp 38 cơ - hoá kết hợp 2.3.1 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu 38 cốt hạt Al2O3 phân tán 2.3.2 Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ 39 - hóa 2.4 Kết luận chương 2 41 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP 42 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ 3.1 Vật liệu thí nghiệm 42 3.2 Thiết bị thí nghiệm 42 3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân 46 tán nano Al2O3 3.3.1 Công đoạn nghiền cơ – hoá 47 3.3.2 Công đoạn ép tạo hình 49 3.3.3 Công đoạn thiêu kết 50 3.3.4 Xác định một số tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 50 3.4 Kết luận chương 3 52 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN 53 TÍNH CHẤT VÀ TỔ CHỨC TẾ VI CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 4.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 53 4.1.1 Giới thiệu phương pháp 53 4.1.2 Phương án tổ chức thực nghiệm 54 4.1.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và tính chất 55 iv
của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số tính chất của vật liệu tổ hợp 63 Cu - Al2O3 4.2.1 Kết quả thực nghiệm xác định tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 63 4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu - 64 5vol.%Al2O3 4.2.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 67 5vol.%Al2O3 4.2.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ dẫn điện của vật liệu tổ hợp 70 Cu - 5vol.%Al2O3 4.3 Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 74 4.3.1 Sự hình thành pha nano Al2O3 phân tán trong nền Cu 74 4.3.2 Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết của vật liệu tổ hợp Cu - 81 5vol.%Al2O3 4.3.3. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 83 4.4 Kết luận chương 4 84 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU 86 TỔ HỢP Cu - Al2O3 5.1 Khái quát về vật liệu chế tạo điện cực hàn 87 5.1.1 Một số loại vật liệu thường dùng chế tạo điện cực hàn 87 5.1.2 Yêu cầu đối với vật liệu điện cực hàn điểm 87 5.2 Nghiên cứu khảo sát thiết bị sử dụng điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 87 5.3 Chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 89 5.3.1 Phương án thiết kế chế tạo điện cực hàn 89 5.3.2 Chế tạo điện cực hàn điểm 91 5.4 Kết luận chương 5 92 Kết luận chung của luận án 93 Tài liệu tham khảo 94 Danh mục các công trình đã công bố 98 Phụ lục: Xác nhận chất lượng thử nghiệm điện cực hàn 99 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MMC Metal Matrix Composite Vật liệu composite nền kim loại XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét EDS Energy Dispersive Spectrometry Phổ tán xạ năng lượng IACS International Annealed Copper Standard Độ dẫn điện tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế HV Vickers Hardness Độ cứng tế vi HRB Rockwell Hardness, Scale B Độ cứng Rockwell, thang B vol.% Volume percent Phần trăm thể tích wt.% Weight percent Phần trăm khối lượng HVĐT Hiển vi điện tử VLTH Vật liệu tổ hợp NXB Nhà xuất bản vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6% WC trước và sau biến dạng [49] 12 Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9] 13 Bảng 1.3 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-4,5% TiB2 chế tạo bằng phương pháp phối hợp 14 nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [9] Bảng 1.4 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu- TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9] 14 Bảng 1.5 So sánh một số tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu và một số vật liệu điện 15 cực khác [8] Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 47 Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm được chọn 55 Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tổng hợp chế tạo vật 56 liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ xốp của vật 59 liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 Bảng 4.4 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ cứng của 60 vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ dẫn điện của 62 vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 Bảng 4.6 Tính chất của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 phụ thuộc vào các thông số 64 công nghệ ép - thiêu kết vii
DAMH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt 6 Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu 10 Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32] 10 Hình 1.4 Độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC [36] 12 Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC ép chảy [36] 12 Hình 1.6 Trình tự chuyển động của lệch 17 Hình 1.7 Ảnh SEM của vật liệu sau khi Cu tan thành bột VLTH Cu-5% Al2O3 và sự 20 hình thành Al2O3 khi xử lý nhiệt: a- 8500C; b- 11000C; c- 8500C; d- 11000 C [16] Hình 1.8 Độ cứng (HRB) và độ dẫn điện (% IACS) của vật liệu chế tạo với % Al2O3 20 thay đổi [16] Hình 1.9 Sơ đồ công nghê ̣ nấu luyện vâ ̣t liê ̣u điê ̣n cực hàn trong lò hở [2] 24 Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn bằng phương pháp nhiệt 25 nhôm và nhiệt magiê [7] Hình 2.1 Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình hợp kim 29 hóa cơ học Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [13] 29 Hình 2.3 Các giai đoạn quá trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dẻo [13] 31 Hình 2.4 Các giai đoạn qúa trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dòn [13] 31 Hình 2.5 Một số thiết bị thông dụng dùng để hợp kim hóa cơ học 32 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy nghiền cánh khuấy 33 Hình 2.7 Kích thước của khuôn ép tạo hình sơ bộ 36 Hình 2.8 Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 bằng phương 40 pháp cơ - hóa kết hợp Hình 3.1 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Cu-CuO-Al 42 Hình 3.2 Máy nghiền kiểu cánh khuấy 43 Hình 3.3 Máy nghiền bi kiểu tang trống 43 Hình 3.4 Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy 44 Hình 3.5 Thiết bị ép tạo hình 44 Hình 3.6 Lò Linn – 1300 44 Hình 3.7 Máy đo độ cứng HPO-250 45 Hình 3.8 Cân điện tử (độ chính xác 10-4) 45 Hình 3.9 Máy phân tích XRD D5005 – SIEMENS 45 Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 46 Hình 3.11 Thiết bị đo độ dẫn điện MICROHMMETER DO5000 46 Hình 3.12 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-20% Al2O3 sau khi nghiền 16h 48 trong máy nghiền cánh khuấy viii
Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-5% Al2O3 sau khi nghiền trộn 49 3h trong máy nghiền tang trống Hình 3.14 Mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bị nứt tách lớp khi áp lực ép tạo 49 hình sơ bộ quá lớn Hình 3.15 Giản đồ chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 50 Hình 4.1 Mô hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm 54 Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật 65 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ 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 65 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật 66 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ 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 66 hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 Hình 4.6 Quan hệ giữa mật độ của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông số 67 công nghệ ép - thiêu kết Hình 4.7 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật 68 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép không đổi Hình 4.8 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật 68 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi Hình 4.9 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật 69 liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết không đổi Hình 4.10 Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết khi 69 tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 Hình 4.11 Quan hệ giữa độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông 70 số công nghệ ép - thiêu kết Hình 4.12 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của 71 vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép không đổi Hình 4.13 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của 72 vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi ix
Hình 4.14 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của 72 vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu kết không đổi Hình 4.15 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết 73 khi tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 Hình 4.16 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-CuO-Al (a) và sau khi 75 nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph trong thời gian 16h (b) Hình 4.17 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền 77 Hình 4.18 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền 78 Hình 4.19 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền 79 Hình 4.20 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu hỗn hợp vật liệu bột 80 Hình 4.21 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau khi nghiền trộn trong 80 máy nghiền tang trống Hình 4.22 SEM-EDS của mẫu bột vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 81 Hình 4.23 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu Cu - Al2O3 sau khi thiêu kết (8000C, 2h) 82 Hình 4.24 Ảnh SEM (a- X200.000; b- X100.000) mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 83 5vol.%Al2O3 thiêu kết ở 8000C sau 2h Hình 4.25 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 83 Hình 4.26 SEM-EDS của mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau thiêu kết (8000C, 84 2h) Hình 5.1 Điện cực hàn điểm ứng dụng trong công nghiệp ô tô 86 Hình 5.2 Khảo sát máy hàn điểm tại cơ sở sản xuất 88 Hình 5.3 Hình dạng điện cực hàn tại Công ty VINA TAIYO SPRING CO,.LTD 88 Hình 5.4 Hình dạng điện cực và hao mòn điện cực hàn tại Công ty TNHH MTV 88 Diesel Hình 5.5 Thiết kế chế tạo điện cực hàn điểm (Đầu - Cán) 89 Hình 5.6 Phương án chế tạo điện cực hàn 89 Hình 5.7 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và 90 chỏm cầu côn) Hình 5.8 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và 90 chỏm cầu côn) Hình 5.9 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng đầu bằng và chỏm 90 nhọn) Hình 5.10 Hình dạng và kích thước đầu điện cực hàn (Phương án chọn để chế tạo) 91 Hình 5.11 Hình dạng và kích thước khuôn ép đầu điện cực hàn 91 Hình 5.12 Ép tạo hình đầu điện cực hàn điểm 91 Hình 5.13 Điện cực hàn dạng đầu - cán [(Vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3) - Hợp 92 kim Cu] x
MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khoa học công nghệ vật liệu trong những thập niên gần đây có sự phát triển mạnh mẽ. Sự đổi mới công nghệ, trong đó có sự phát triển công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội, sự phát triển công nghiệp của một quốc gia. 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 tạo ra 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. Vật liệu tổ hợp 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, chế tạo máy, xây dựng … Vật liệu tổ hợp 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, 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. Do đó, vật liệu tổ hợp nói chung và vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi để thay thế dần vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân hiện nay. Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp, đặc biệt là vật liệu tổ hợp nền kim loại còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong khoảng thập niên 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 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 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 Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn” mang tính ứng dụng cao trong thực tế và mới trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu mới. Kết quả của đề tài 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. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá. 1
- Nghiên cứu khảo sát một số 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. 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. 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. - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng cấu trúc và tính chất 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 2
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 tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3. - 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 vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3. - Kết quả thực nghiệm công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 có thể ứng dụng chế tạo vật liệu kỹ thuật điện hiện đại từ hệ vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền nhiệt, độ dẫn điện cao. - Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp 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 Al 2O3 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. 7. Bố cục của luận án Luận án được trình bày với các nội dung sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) bền nhiệt, độ dẫn điện cao. 3
Chương 2. Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá. Chương 3. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá. 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 - Al2O3. Chương 5. Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3. Kết luận chung Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình đã công bố của luận án 4
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 1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp Vật liệu tổ hợp 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 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 bằng ranh giới pha, kết hợp lại bằng sự can thiệp kỹ thuật của con người theo những quy trình công nghệ 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 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 tổ hợp. Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một thiết kế 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 tổ hợp đáp ứng nhu cầu đa dạng của công nghệ hiện đại. Trong vật liệu tổ hợp tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu tổ hợp. Tuy nhiên, tính chất của vật liệu tổ hợp 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 thì vật liệu tổ hợp có ưu thế đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết. 1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp Phân loại vật liệu tổ hợp thường dựa vào các đặc điểm mang những tính chất đặc trưng của chúng: Theo bản chất của nền, vật liệu tổ hợp được phân thành: - Vật liệu tổ hợp nền chất dẻo - Vật liệu tổ hợp nền kim loại - Vật liệu tổ hợp nền gốm (ceramic) - Vật liệu tổ hợp nền là hỗn hợp nhiều pha. 5
Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại vật liệu tổ hợp thành ba nhóm (hình 1.1): - Vật liệu tổ hợp cốt hạt; - Vật liệu tổ hợp cốt sợi; - Vật liệu tổ hợp cấu trúc. Vật liệu tổ hợp Cốt hạt Cốt sợi Cấu trúc Thô Mịn Liên tục Gián đoạn Tấm Tấm ba lớp Tổ ong Có hướng Ngẫu nhiên Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt 1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại Vật liệu tổ hợp nền kim loại (Metal matrix composites - MMCs) được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô ... Vật liệu tổ hợp nền kim loại (MMCs) 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 tạo thành vật liệu mới có những đặc tính kỹ thuật, tính chất đặc trưng của riêng nó. Hiện nay, vật liệu vật liệu tổ hợp nói chung và vật liệu 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. Đã có những công trình trong và ngoài nước nghiên cứu, chế tạo nhằm nâng cao độ bền của vật liệu tổ hợp nền kim loại nhằm đáp ứng những đòi hỏi, yêu cầu về vật liệu ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn, chống ăn mòn ... và bước đầu một số loại vật liệu tổ hợp nền kim loại đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như: kỹ thuật điện – điện tử, hàng không vũ trụ, cơ khí chế tạo, ... Vật liệu tổ hợp nói chung, MMCs nói riêng đang được ứng dụng và đóng góp to lớn trong ngành công nghiệp vật liệu để thay thế các loại vật liệu truyền thống. Việc sử dụng rộng rãi các MMCs trong ngành công nghiệp ô tô, cũng như các ngành công nghiệp khác đã dần được khẳng định trong những năm qua. MMCs 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 MMCs là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao. 6
1.2.1 Thành phần cấu tạo Vật liệu tổ hợp 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. a. 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 ôxi hóa. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trọng nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston. Vật liệu tổ hợp 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 … Vật liệu tổ hợp 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 vật liệu tổ hợp 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, vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt … b. 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 MMCs 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 cốt hạt thường gặp là Al 2O3, TiC, TiB2, SiC … Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 20000C), tỷ trọng nhỏ, độ cứng 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. 7
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. a. 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 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. Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và mật độ vết nứt của vật liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Khi mức độ biến dạng nhỏ thì mật độ vết nứt ít phụ thuộc vào độ nhám bề mặt giữa nền và cốt. Khi mức độ biến dạng lớn thì mật độ vết nứt ở cốt có bề mặt bóng không tăng nữa, tức là không xuất hiện thêm vết nứt. Nguyên nhân là do liên kết cơ học giữa nền và cốt bị phá vỡ, không 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 mức độ biến dạng đủ lớn. b. 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 MMCs 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. c. 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 tổ hợp nền đồng (Cu) cốt hạt mịn phân tán Vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền cao, độ dẫn điện cao được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp. Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu nhằm chế tạo ra MMCs nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu nói riêng [16, 21, 25, 26, 35, 39, 46] , có thể kể đến như là “in - situ” và “ex - situ”. Trong đó, phương pháp “in - situ” [24, 47, 48] là phương pháp có nhiều tiềm năng trong chế tạo MMCs cốt hạt kích thước nano phân tán. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là phản ứng sinh nhiệt giữa các nguyên tố hoặc giữa các nguyên tố và các hợp chất liên kim với nền. 8
1.3.1 Đồng (Cu) - vật liệu kim loại có điện dẫn cao Đồng có những tính chất đặc trưng tiêu biểu của kim loại, được sử dụng rộng rãi làm vật dẫn điện, vì: - Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Điện trở suất của Cu nhỏ (trong tất cả các kim loại chỉ có bạc (Ag) có điện trở suất nhỏ hơn Cu) - Chống ăn mòn khá tốt trong môi trường khí quyển, nước, nước biển hay kiểm, axit hữu cơ. 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 đỏ bị ôxi hóa tạo ra màng Cu2O và trở thành lớp bảo vệ tốt. Trong nước biển, đồng bị ăn mòn không đáng kể. - Nổi bật trong các tính chất của Cu nguyên chất là khả năng gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng. - Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên, ưu điểm này giảm đi rõ rệt. 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 mạnh 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 làm giảm tính dẫn điện và mài mòn của Cu, O2 gây cản trở trong quá trình hàn của 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 [1]: - Khối lượng nguyên tử : 63,54 g/mol - Khối lượng riêng : γ = 8,94 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy : 10830C - Hệ số dãn nở nhiệt (20  1000C) :  = 16,6.10-6 m/0C - Điện trở suất (ở trạng thái ủ, ở 200C) :  = 1,7241 .cm - Độ dẫn nhiệt (ở trạng thái ủ, ở 20 C) 0 : 385 W/m.0K - Ở trạng thái ủ : Giới hạn bền σb = 220 MPa : Giới hạn đàn hồi σđh = 70 MPa - Ở trạng thái sau biến dạng (ε = 60%) : Giới hạn bền σb = 425 MPa : Giới hạn đàn hồi σđh = 375 MPa 9
Hàm lượng tạp chất có hại Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu a. Các phương pháp hóa bền 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 - Cu nguyên chất được hóa bền bằng dung dịch rắn - Cu được hóa bền bằng các hạt gốm tạo nên vật liệu tổ hợp nền Cu. b. Hóa bền Cu bằng cách làm nhỏ hạt Trong công bố của Lu [32] 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 hạt qua một kỹ thuật xung lắng đọng điện tích từ một dung dịch điện phân CuSO4. Theo công bố 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 1.3. Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32] 10