Chế tạo vật liệu composite Y2Ti2O7/SiC giao diện lồi lõm với các đặc tính cơ học ưu việt hơn bằng phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ

Bài viết Chế tạo vật liệu composite Y2Ti2O7/SiC giao diện lồi lõm với các đặc tính cơ học ưu việt hơn bằng phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ giới thiệu một phương pháp mới để chế tạo composite Y2Ti2O7/SiC với giao diện lồi-lõm giữa hai lớp. Các sợi nano SiC được phủ các hạt nano Ni bằng phương pháp dung dịch hóa học, sau đó các sợi nano Ni-SiC được phân tán vào trong bùn Y2Ti2O7.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 71 CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE Y2Ti2O7/SiC GIAO DIỆN LỒI-LÕM VỚI CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC ƯU VIỆT HƠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRƯỢT CĨ TỪ TÍNH HỖ TRỢ FABRICATION OF CONVEX-CONCAVE Y2Ti2O7/SiC COMPOSITES WITH ENHANCED MECHANICAL PROPERTIES BY MAGNETICALLY ASSISTED SLIP CASTING Nguyễn Thanh Sơn1,2*, Nguyễn Thị Thanh Xuân3, Trần Thị Trà Vinh4, Thân Hồng Phúc4 Viện Công nghệ Quốc gia - Cao đẳng Kushiro Viện Khoa học Công nghệ Tiên tiến - Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông Việt-Hàn - Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: son@kushiro-ct.ac.jp (Nhận bài: 27/4/2022; Chấp nhận đăng: 01/8/2022) Tóm tắt - Trong báo này, nhóm tác giả giới thiệu phương pháp để chế tạo composite Y2Ti2O7/SiC với giao diện lồi-lõm hai lớp Các sợi nano SiC phủ hạt nano Ni phương pháp dung dịch hóa học, sau sợi nano Ni-SiC phân tán vào bùn Y 2Ti2O7 Tiếp theo, bùn Y2Ti2O7 rót vào khn Polyetylen đặt từ trường Sau đuổi dung môi, mẫu ceramic thiêu kết khơng áp khí argon Phương pháp đơn giản tiết kiệm chi phí, hiệu việc chế tạo vật liệu phân lớp chức năng, có tiềm Ngồi ra, khơng có vết nứt bề mặt giao diện SiC Y2Ti2O7, độ bền đứt gãy vùng giao diện vật liệu tổng hợp, cho thấy cấu trúc có khả chống tách lớp hiệu Abstract - In this paper, a novel method to fabricate Y2Ti2O7/SiC composite with the convex-concave interface between the two layers was introduced SiC nanofibers were coated with Ni nanoparticles using solution chemistry method, then the Ni-SiC nanofibers were dispersed into Y2Ti2O7 slurry The slurry was then cast into a polyethylene mold and subjected to a magnetic field After consolidation, the green body was pressure-less sintered in argon atmosphere The processing method is simple and cost saving, but very effective in fabricating functionally graded materials, thus is highly potential In addition, the fact that there was no crack in the interface between SiC and Y2Ti2O7 layers, and the fracture toughness at the interface region of the composites indicates that this structure has superior delamination resistance Từ khóa - SiC; Y2Ti2O7; đúc trượt; giao diện lồi-lõm; độ bền đứt gãy Key words - SiC; Y2Ti2O7; slip casting; convex-concave interface; fracture toughness Đặt vấn đề Silic cacbua (SiC) với khả chịu ăn mòn cao, độ bền mỏi (fatigue resistance), độ dẫn nhiệt tốt, ổn định nhiệt độ cao [1, 2], SiC xem vật liệu cấu trúc lý tưởng cho ứng dụng nhiệt độ cao thời gian dài thiết bị bán dẫn, hệ thống phanh ô tô, vỏ lò phản ứng hạt nhân v.v., đặc biệt lưỡi động tuabin khí dạng composite ma trận gốm SiC sợi SiC gia cường (SiCf/SiCm) [1, 3, 4] Vật liệu composite đa lớp (multilayer composite material) với nhiều ưu điểm bao gồm độ bền cao, khả chịu nhiệt tốt, đặc tính linh hoạt… ngày quan tâm Một ứng dụng tiêu biểu chúng làm lớp phủ cách nhiệt (thermal barrier coating: TBC) cho lưỡi tuabin động [3] Tuy nhiên, hệ số giãn nở nhiệt (Coefficient of Thermal Expansion: CTE) không tương đồng lớp (lớp liên kết Si bond coat, lớp mullite, lớp ceramic top coat) tạo ứng suất mặt phân cách (giao diện) chúng dẫn đến xuất vết nứt [5] Hậu trực tiếp phân tách (delamination), thách thức vật liệu composite đa lớp Hiện tượng phân tách xảy hệ thống nhiều lớp, lớp bên bị bong khỏi lớp bên (lớp nền, lớp liên kết, v.v.) vết nứt mở rộng mặt phân cách hai lớp Giải pháp truyền thống để tránh tượng thêm nhiều lớp trung gian hơn, có giá trị CTE thay đổi dần để giảm bớt sai biệt [6] Tuy nhiên, việc bổ sung lớp dẫn đến gia tăng khối lượng vật liệu composite, phức tạp hóa khâu chế tạo Ngoài ra, tách lớp vẫn xảy không tương đồng CTE tránh khỏi hoàn toàn cấu trúc đa lớp tồn Tuy nhiên, khả chống phân tách cải thiện giao diện kết dính hai lớp tăng cường Một giao diện lồi-lõm có khả chống tách lớp tốt giao diện phẳng Hình đề xuất cấu trúc lồi-lõm vật liệu composite cải thiện độ kết dính giao diện hai lớp, kiểm chứng máy đo độ cứng Vickers Để ý vết nứt phương ngang composite có giao diện lồi-lõm (hình phải) ngắn vết nứt composite cấu trúc đa lớp thơng thường (hình trái) Y2Ti2O7 thành viên nổi tiếng tổng hợp họ vật liệu A2B2O7 (với A3+ B4+ cation kim loại chuyển tiếp) có cấu trúc National Institute of Technology-Kushiro College (Nguyen Thanh Son) The University of Danang - Advanced Institute of Science and Technology (Nguyen Thanh Son) The University of Danang - University of Science and Technology (Nguyen Thi Thanh Xuan) The University of Danang - Vietnam-Korea University of Information and Communication Technology (Tran Thi Tra Vinh, Than Hong Phuc) 72 Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Trần Thị Trà Vinh, Thân Hồng Phúc pyrochlore Năm 1978, nhóm nghiên cứu Uematsu khảo sát báo cáo độ dẫn điện Y2Ti2O7 lần [7] Kể từ có nhiều nghiên cứu tính chất nhiệt học [8, 9] học [10] oxit gốm Ngồi ra, Y2Ti2O7 chứng minh có độ chống ăn mòn cực tốt nhiệt độ cao [11], có độ dẫn nhiệt tương đối thấp [12], hai tính chất quan trọng lớp phủ cách nhiệt động tuabin khí Vì vậy, Y2Ti2O7/SiC xem vật liệu hứa hẹn làm TBC cho lưỡi tua bin động máy bay, rocket… [12] muối nicken nitrat Ni(NO3)2 6H2O (tương ứng với 15 vol% Ni sản phẩm cuối cùng) vào dung dịch ethanol tinh khiết (99,5%) trộn với sợi nano SiC bi nghiền 24 Sau đuổi dung môi qua đêm 80°C, hỗn hợp bột khô tán nhỏ cối chày trước nung khơng khí 400°C để khử muối thành xít, sau xít lại khử thành Ni kim loại hỗn hợp khí 97% Ar + 3% H2 800°C Kết bề mặt sợi SiC đính hạt Ni có kích thước nano Hình Phương pháp kiểm tra, so sánh khả chống tách lớp composite cấu trúc đa lớp thơng thường (hình trái) composite giao diện lồi-lõm (hình phải) Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả phát triển quy trình đơn giản để chế tạo vật liệu composite có giao diện lồi-lõm, dựa phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ (magnetically assisted slip casting) [13] Về nguyên tắc, vật liệu có thành phần phân bố gradient, tức nồng độ thành phần thay đổi dần theo hướng (ví dụ từ-trên-xuống từ-dưới-lên…) gọi vật liệu phân lớp chức (functionally graded material) Trong thiết kế giao diện lồi-lõm composite Y2Ti2O7/SiC, phân bố hai vật liệu khu vực giao diện có phân bố gradient, nên tởng thể xem composite có giao diện lồi-lõm vật liệu phân lớp chức Bài báo chủ yếu đề cập đến trường hợp đặc biệt vật liệu composite phân lớp chức Phương pháp thí nghiệm 2.1 Chuẩn bị bùn đặt từ trường Dung dịch Y2Ti2O7 có hàm lượng chất rắn 20% điều chế cách nghiền bi ướt 150 vòng/phút Nước khử ion (de-ionized: DI), ethanol, 2-propanol (IPA) sử dụng làm dung mơi Polyethylenimine (PEI) (khối lượng phân tử trung bình khoảng 10000) (Wako Pure Chemical Industries) bi ZrO2 (1 mm) sử dụng làm chất phân tán phương tiện nghiền Nồng độ chất phân tán 0~2% khối lượng Y2Ti2O7 rắn Bùn có độ nhớt thấp ổn định (chất lưu Newton) gạn để chuẩn bị cho trình đúc Vì SiC vật liệu thuận từ, chúng tự xếp (phối hướng) từ trường Do đó, nghiên cứu này, bề mặt sợi nano SiC (Sigma Aldrich) phủ lớp nano Ni phương pháp dung dịch hóa học (solution chemistry route) mơ tả chi tiết nghiên cứu Sekino cộng [14] Đầu tiên, cho lượng Hình Minh họa thí nghiệm đúc trượt composite Y2Ti2O7/SiC với SiC phối hướng từ trường Các sợi nano SiC đính Ni (Ni-SiCnf) cho vào bùn gạn (hàm lượng SiC chiếm 10 vol%) Hỗn hợp sau khuấy sóng siêu âm 15 phút để sợi nano Ni-SiCnf phân tán cách đồng Sau đó, bùn đở vào khn polyetylen hình trụ (Ø = 25 mm), đ̉i dung mơi cách gia nhiệt lò ủ, trở thành mẫu ceramic chưa thiêu kết Trong trình bùn khô dần, từ trường đặt lên khuôn (0,1 T 0,44 T) tạo xếp sợi Ni-SiCnf Ngồi ra, để so sánh, bùn đở vào khuôn khác đuổi dung môi lị ủ mà khơng có tác dụng từ trường Sau đó, mẫu ceramic chưa thiêu kết lấy khỏi khuôn gia áp 150 MPa phút phương pháp ép lạnh đẳng áp (cold isostatic pressing - CIP) Cuối cùng, mẫu ceramic thiêu kết 1340°C trong khí Ar Hình minh họa thí nghiệm đúc trượt từ trường 2.2 Phân tích đánh giá đặc trưng sản phẩm Độ nhớt bùn chuẩn bị đo nhiệt độ phòng máy đo lưu biến (Physica MCR301; Anton-Paar GmbH) Tốc độ trượt thay đổi khoảng 10-1 đến 102 s-1 Vật liệu tổng hợp chế tạo cắt thành mẫu nhỏ để quan sát Các sợi nano SiC giao diện lồilõm Y2Ti2O7 SiC quan sát kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope - TEM) Thành phần lớp khảo sát phổ tán sắc lượng tia X (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy – EDS) Các mẫu thử thụt vào máy đo độ cứng Vickers (MVK-H3, Akashi) với tải trọng 50 200 gf vị trí khác để đánh giá khả chống tách lớp vật liệu tổng hợp ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 Kết thảo luận Ảnh chụp SEM TEM trình bày Hình 3a 3b cho thấy sợi nano có tỷ lệ L/D lớn đường kính khoảng 0,5~2 μm Kết phân tích XRD (Hình 3c) giúp xác định sợi nano β-SiC (3C, cấu trúc lập phương) Sau xử lý, sợi SiC được phủ hạt nhỏ màu trắng (Ni-SiCnf), thể Hình Phân tích EDS cho thấy, vùng khơng phủ Ni có tỷ lệ phần trăm nguyên tử (at%) Ni thấp (khoảng 0,6%), vùng phủ thể tỷ lệ Ni cao nhiều (khoảng 11%) Những kết xác nhận việc phủ hạt nano Ni lên SiC thành cơng 73 Như Hình 5, sau nghiền bi, kích thước hạt Y2Ti2O7 giảm đáng kể có kết tụ Y2Ti2O7 Hình Ảnh SEM bột Y2Ti2O7 (cột trái) không (cột phải) nghiền bi, ở độ phóng đại khác (hàng trên: scale bar = 30 µm; hàng dưới: scale bar = 10 µm) Trong nghiên cứu này, bùn Y2Ti2O7 điều chế với nước DI, ethanol, IPA, dung môi phổ biến kỹ thuật đúc trượt Trong trường hợp bùn pha chế nước DI, q trình đơng tụ (coagulation) sớm xảy ra, 30 phút sau kết thúc nghiền bi (Hình 6), có nghĩa nước DI khơng thích hợp làm dung môi phân tán Y2Ti2O7 Mặt khác, hai dung môi IPA ethanol cho thấy, khả phân tán tốt Y2Ti2O7 tượng đơng tụ khơng xảy Tuy nhiên, chất rắn Y2Ti2O7 lắng đọng ethanol nhanh IPA Do đó, IPA dung mơi thích hợp cho q trình đúc trượt Y2Ti2O7 Một nghiên cứu khác phương pháp đúc trượt IPA có độ nhớt cao dung mơi khác, giúp phân tán hạt nano ngăn chúng tái kết tụ tốt [15, 16] Hình (a) Ảnh SEM (scale bar: 100 nm); (b) ảnh TEM (scale bar: µm); (c) phân tích XRD sợi nano SiC Hình Tốc độ lắng bùn Y2Ti2O7 chuẩn bị với dung môi khác IPA dung môi ngăn tái kết tụ tốt Hình Ảnh SEM sợi Ni-SiCnf (scale bar: μm) kết phân tích EDS vùng phủ vùng khơng phủ Ni Trong kỹ thuật đúc trượt, lúc đầu cần tối ưu hóa tính lưu động (lưu biến) bùn Việc tối ưu hóa thực cách tăng khối lượng chất phân tán, lựa chọn dung môi, giảm kích thước hạt Q trình nghiền bi thường sử dụng để giảm kích thước hạt bột rắn Ảnh hưởng khối lượng chất rắn, chất phân tán thời gian nghiền bi lên độ nhớt bùn tóm tắt Hình Độ nhớt bùn giảm tăng hàm lượng chất phân tán Việc tăng thời gian nghiền bi (từ phút lên giờ) giảm hàm lượng chất rắn (từ 30 vol% xuống 20 vol%) giúp giảm độ nhớt Hầu hết trường hợp có độ nhớt lớn, khơng ởn định, thể đặc tính cắt mỏng (shear thinning) Chỉ có hai loại bùn chuẩn bị với 20 wt% 74 Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Trần Thị Trà Vinh, Thân Hồng Phúc chất rắn, wt% chất phân tán, nghiền bi thể đặc tính Newton Bùn nghiền bi có độ nhớt thấp nên chọn để đúc Hình Quan hệ độ nhớt (viscosity) tốc độ cắt (shear rate) Hình cho thấy, ảnh SEM mặt cắt vật liệu composite chế tạo, đặt từ trường 0,1 T 0,44 T Vật liệu composite đặt 0,1 T có cột SiC mỏng dài xếp dọc theo hướng từ trường, composite đặt 0,44 T có cột SiC dày ngắn Mật độ từ thông lớn trường hợp 0,44 T xem nguyên nhân việc hình thành cột SiC thẳng dày Hình Ảnh SEM mặt cắt composite, thể cột SiC phối hướng theo chiều dọc từ trường 0,1 T (hình trái) 0,44 T (hình phải) Hình Phân tích EDS tiến hành mặt cắt composite chế tạo Bên phải ảnh SEM phóng đại miền khoanh vùng hình phía bên trái Vùng khoanh tròn đánh dấu khu vực phân tích EDS Phân tích EDS thực để xác định thành phần lớp Trong Hình 9, vùng (1), pha chiếm ưu Y2Ti2O7 (tỉ lệ phần trăm nguyên tử C: Y: Ti: O = 10,2: 13,3: 10: 67,5) Tuy có tín hiệu C khơng có Si, vùng khơng có xuất SiC (tín hiệu C đến từ băng dính cacbon để cố định mẫu) Ở vùng trung tâm (2) có xuất Y2Ti2O7 SiC (Si: C: Y: Ti: O = 3,6: 38,5: 5,6: 4,3: 48) Ở vùng đáy (3) có xuất pha SiC Ni (Ni: Si: C = 1,4: 26: 72,6) Những kết xác nhận rằng, sợi nano SiC xếp để tạo thành cấu trúc lồi lõm (mật độ SiC lớn phía dưới, giảm dần nhỏ phía trên), cần lượng nhỏ hạt nano Ni (10 vol%) đính lên sợi SiC đủ để phối hướng chúng từ trường Mặt cắt ngang vật liệu composite ấn mũi nhọn kim cương máy đo độ cứng Vickers (tại vị trí khác với tải trọng khác nhau), để khảo sát khả chống tách lớp chống nứt chúng Kết trường hợp (A) - tương ứng vùng (1) hình trên, bề mặt bị lõm chịu tải trọng nhỏ 50 gf, có số vết nứt dài xuất (Hình 10) Trong trường hợp (B) - tương ứng vùng (2) - (3) hình trên, bề mặt bị lõm vào nhiều chịu tải trọng lớn 200 gf, vẫn không xuất vết nứt Điều có nghĩa độ bền đứt gãy cải thiện trường hợp (B), nhờ tác dụng cột SiC phối hướng dọc theo từ trường ảnh hiển vi SEM Hình 10 Vết lõm vết nứt gây bởi mũi nhọn Vickers ở vị trí (A) (B) Kết luận Các kết luận sau rút từ kết nghiên cứu thu được: (1) Vật liệu composite có cấu trúc lớp Y2Ti2O7/SiC chế tạo thành cơng phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ Phương pháp coi xếp sợi Ni-SiCnf dọc theo từ trường để tạo thành mặt phân cách lồi-lõm hai lớp Kỹ thuật xử lý dễ thực chứng minh hiệu việc chế tạo vật liệu phân lớp chức năng, tiềm ứng dụng phương pháp cao (2) Khơng có vết nứt mặt phân cách lớp SiC Y2Ti2O7 Điều cho thấy vật liệu có khả chống tách lớp cao Đáng ý cấu trúc phối hướng dường giúp cải thiện đáng kể độ bền đứt gãy vật liệu composite Các nghiên cứu thực đo đạc xác độ bền đứt gãy vật liệu để làm rõ vấn đề ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 8, 2022 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Naslain R, Christin F, "SiC-Matrix Composite Materials for Advanced Jet Engines", MRS Bull, 28(09), 2003, 654–658 [2] Taguchi T, Igawa N, Yamada R, Jitsukawa S, "Effect of thick SiC interphase layers on microstructure, mechanical and thermal properties of reaction-bonded SiC/SiC composites", J Phys Chem Solids, 66, 2005, 576–580 [3] Richards BT, Wadley HNG, "Plasma spray deposition of tri-layer environmental barrier coatings", J Eur Ceram Soc, 34(12), 2014, 3069–3083 [4] Kim WJ, Kim D, Park JY, "Fabrication and material issues for the application of SiC composites to LWR fuel cladding", Nucl Eng Technol, 45(4), 2013, 565–572 [5] Evans AG, Hutchinson JW, "The mechanics of coating delamination in thermal gradients", Surf Coatings Technol, 201(18), 2007, 7905– 7916 [6] Spitsberg I, Steibel J, "Thermal and Environmental Barrier Coatings for SiC/SiC CMCs in Aircraft Engine Applications", Int J Appl Ceram Technol, 1, 2004, 291–301 [7] Uematsu K, Shinozaki K, Sakurai O, Mizutani N, "Electrical Conductivity of the System Y2O3‐TiO2", J Am Ceram Soc, 62, 1979, 219–221 [8] Johnson MB, James DD, Bourque A, Dabkowska HA, Gaulin BD, White MA "Thermal properties of the pyrochlore, Y2Ti2O7", J Solid State Chem, 182, 2009, 725–729 [9] Nguyen ST, Okawa A, Iwasawa H, Nakayama T, Hashimoto H, [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 75 Sekino T, Suematsu H, Niihara K, "Titanium Nitride and Yttrium Titanate Nanocomposites, Endowed with Renewable Self-Healing Ability", Adv Mater Interfaces, 8(22), 2021, 2100979 He LF, Shirahata J, Nakayama T, Suzuki T, Suematsu H, Ihara I, Bao YW, Komatsu T, Niihara K, "Mechanical properties of Y2Ti2O7", Scr Mater, 64, 2011, 548-551 Nguyen ST, Nakayama T, Suematsu H, Suzuki T, Nanko M, Cho H-B, Huynh MTT, Jiang W, Niihara K, "Synthesis of molten-metal corrosion resistant yttria-based refractory by hot-pressing and densification", J Eur Ceram Soc, 35(9), 2015, 2651–2662 Nguyen ST, Nakayama T, Suematsu H, Suzuki T, Takeda M, Niihara K, "Low thermal conductivity Y2Ti2O7 as a candidate material for thermal/environmental barrier coating", Ceram Int, 42(9), 2016, 11314–11323 Le Ferrand H, Bouville F, Niebel TP, Studart AR, "Magnetically assisted slip casting of bioinspired heterogeneous composites", Nat Mater, 14(11), 2015, 1172–1179 Sekino T, Nakajima T, Ueda S, Niihara K, "Reduction and Sintering of a Nickel–Dispersed-Alumina Composite and Its Properties", J Am Ceram Soc, 80(5), 1997, 1139–1148 Hu C, Sakka Y, Tanaka H, Nishimura T, Grasso S, "Fabrication of Textured Nb4AlC3 Ceramic by Slip Casting in a Strong Magnetic Field and Spark Plasma Sintering", J Am Ceram Soc, 94(2), 2011, 410–415 Lee MK, Young RU, Chang KR, Yong BL, "Organic Suspension Behavior of Rutile TiO2 Nanoparticles with High Specific Surface Area", Mater Trans, 51(12), 2010, 2157–2161  ... trình đơn giản để chế tạo vật liệu composite có giao diện lồi- lõm, dựa phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ (magnetically assisted slip casting) [13] Về nguyên tắc, vật liệu có thành phần phân... phương pháp đúc trượt có từ tính hỗ trợ Phương pháp coi xếp sợi Ni-SiCnf dọc theo từ trường để tạo thành mặt phân cách lồi- lõm hai lớp Kỹ thuật xử lý dễ thực chứng minh hiệu việc chế tạo vật liệu. .. thể xem composite có giao diện lồi- lõm vật liệu phân lớp chức Bài báo chủ yếu đề cập đến trường hợp đặc biệt vật liệu composite phân lớp chức Phương pháp thí nghiệm 2.1 Chuẩn bị bùn đặt từ trường