Bài giảng vật liệu vô cơ

VẬT LIỆU VÔ CƠ GV: TS LÊ Tiến Khoa L/O/G/O CHƯƠNG LOGO GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GV: TS LÊ Tiến Khoa HISTORICAL PERSPECTIVE Roles of materials  Materials exist everywhere → transportation, housing, recreation, food production HISTORICAL PERSPECTIVE Prehistoric materials  Flint and bone tools made by mankind marks the beginning of the Paleolithic • Flint: hard stone most used by prehistoric men Make two-sided flints, to make them very sharp and give them multiple uses:  Drill - engrave - cut - slice - scratch HISTORICAL PERSPECTIVE Clay – the first art of fire  For the long time: discover that the heat of the fire can harden the clay and transform it into a brittle material but almost as hard as stone • Easy shaping in water medium • Remain the shape during long time in dried medium Allow to carry liquids and develop food preservation techniques Principal invention: ceramics HISTORICAL PERSPECTIVE Clay – the first art of fire  Since 1900 B.C., Egyptians have known how to make pottery with furnace HISTORICAL PERSPECTIVE Natural metals  Since 1900 B.C., Egyptians have known how to produce gold HISTORICAL PERSPECTIVE Developpement of materials MATERIAL SCIENCE & ENGINEERING Definition of materials What is a material?  Any substance used for the construction of objects, machines, buildings etc • Any material of natural or artificial origin intended to be used (entering a production) becomes a material • A material is a solid that mankind finds in his natural state or mankind makes from other materials What is an inorganic material?  Any material originated from inorganic elements and compounds MATERIAL SCIENCE & ENGINEERING Differences between material science and engineeering  Material science: • Investigate the relationships that exist between the structures and properties of materials Materials scientists: to develop or synthesize new materials  Material engineering: • Designe or engineer the structure of a material to produce a predetermined set of properties Materials engineer: create new products or systems using existing materials, and/or to develop techniques for processing materials Trained to be both materials scientists and materials engineers III XÂM NHẬP PHA LỎNG KHÁC Phƣơng pháp bùn xâm nhập (SIP)  Nguyên tắc: • Bùn chứa hạt ceramic dẫn qua sợi (băng, dây kéo, dây thừng) • Quấn sợi có bùn xâm nhập trống → phơi khơ • Tạo hình sợi theo hình dạng mong muốn • Hóa rắn cách ép nhiệt độ cao (800 – 925oC) www.themegallery.com III XÂM NHẬP PHA LỎNG KHÁC PP chất nóng chảy hoạt tính xâm nhập (RMI)  Ban đầu dùng để chế tạo composite SiC • Si nóng chảy xâm nhập vào phơi chứa C (lực mao quản) • C phơi nhúng phản ứng với Si lỏng → SiC Hình thành SiC (bán dẫn) vài Si dƣ  Có thể dùng để chế tạo composite Al-Al2O3 • Al lỏng dùng để xâm nhập vào phơi khí oxi hóa → Al-Al2O3 hình thành  Đặc điểm: • Nhanh, rẻ • VL composite độ xốp thấp, có độ dẫn nhiệt điện cao www.themegallery.com PHẦN CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN KIM LOẠI I TỔNG QUAN VỀ MMC Composite nhôm (AMC)  MMC: chứa KL kết hợp với pha phân tán KL (Pb, W, Mo) ceramic (oxide,, carbur)  Composite Al (AMC): dạng phổ biến nhất, dựa hợp kim Al-Si • AMC gia cường  Al2O3 SiC (dạng hạt): 15 – 70% V  Sợi liên tục Al2O3, SiC, graphite  Sợi gián đoạn Al2O3 • AMC chế tạo phương pháp:  Luyện kim bột (thiêu kết)  Đúc khuấy  Xâm nhập www.themegallery.com I TỔNG QUAN VỀ MMC Tổng quan composite kim loại (MMC)  Composite Al (AMC): dạng phổ biến nhất, dựa hợp kim Al-Si • Tính chất chung AMC:  Độ bền lý cao nhiệt độ cao  Độ cứng cao  Mật độ thấp  Dẫn nhiệt tốt  Chịu mài mòn tốt www.themegallery.com Dùng để chế tạo phận xe (piston, thắng), rotor thắng cho tàu lửa, cao tốc, xe đạp I TỔNG QUAN VỀ MMC Composite magnesium  Composite Mg • Được gia cường hạt SiC • Tính chất đặc trưng:  Mật độ thấp  Độ cứng cao (môđun đàn hồi lớn)  Chịu mài mòn tốt  Độ bền lý tốt nhiệt độ cao  Chống rão tốt Chế tạo thành phần cho xe đua, hệ thống thắng cho xe nhẹ, vài phận máy bay: gearbox, engine… www.themegallery.com I TỔNG QUAN VỀ MMC Composite titanium  Composite Ti • Được gia cường sợi SiC monofilament liên tục hạt TiB2 TiC • Chế tạo phương pháp thiêu kết luyện kim bột • Tính chất đặc trưng:  Độ bền lớn  Môđun đàn hồi cao  Chống rão tốt  Độ bền nhiệt cao  Chịu mài mòn tốt Chế tạo thành phần hạ cánh máy bay phản lực F-16, thành phần động turbin (cánh quạt, piston truyền động, trục, dĩa…) www.themegallery.com I TỔNG QUAN VỀ MMC Composite đồng  Composite Cu • Được gia cường sợi liên tục C, SiC, W, thép khơng gĩ 304 • Chế tạo phương pháp thiêu kết luyện kim bột pp xâm nhập • Tính chất đặc trưng:  Độ giãn nở nhiệt thấp  Môđun đàn hồi cao  Độ dẫn điện tốt  Độ dẫn nhiệt cao  Chống mài mịn tốt Chế tạo mơdun hybride, rờ le điện tử, lo xo dẫn điện www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Tổng quan  Chế tạo composite KL pha lỏng dựa gắn kết pha phân tán vào KL nóng chảy → q trình đóng rắn  Để có tính chất lý tốt, VL cần có liên kết liên mặt (thấm ướt) tốt pha phân tán • Tăng độ thấm ướt: phủ lên pha phân tán (sợi hay hạt) lớp phủ phù hợp để giảm lượng bề mặt ngăn chặn tương tác hóa học pha phân tán  Các pp chế tạo MMC pha lỏng: • Đúc khuấy • Squeeze casting infiltration • Xâm nhập • Pressure Die infiltration • Xâm nhập kèm áp suất khí www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp đúc khuấy  PP chế tạo composite pha lỏng, pha phân tán (hạt ceramic, sợi ngắn) trộn với KL nóng chảy thiết bị trộn học PP đơn giản rẻ  VL composite lỏng đúc pp đúc truyền thống gia cơng kỹ thuật tạo hình kim loại truyền thống www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp đúc khuấy  Ứng dụng: sản xuất composite Al, cốt hạt Al2O3…  Đặc điểm phương pháp: • Thích hợp chế tạo VL có hàm lượng cốt lên đến 30%  Ưu điểm: • Hệ thống đơn giản → ứng dụng cho quy mơ sản xuất lớn • Giá thành thấp  Nhược điểm: • Phân bố khơng đồng cốt hạt • Độ thấm ướt thấp hạt cốt • Độ xốp VL • Có thể xảy phản ứng hạt www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp đúc khuấy  PP khắc phục: • Xử lý nhiệt hạt trước hịa vào kim loại nóng chảy → loại bỏ lớp khí xung quanh hạt → tăng khả thấm ướt → tăng mức độ phân tán đồng thể • Nếu hạt khơng phân tán → khuynh hướng kết tụ tạo cluster → bơm hạt với khí trơ (Ar) vào lịng KL nóng chảy để tăng độ phân tán www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp xâm nhập  Nguyên tắc: pha phân tán dạng phôi (hạt, sợi ceramic) ngâm KL nóng chảy → lấp đầy khoảng trống pha phân tán  Lực dẫn pp lực mao quản áp suất áp lên pha lỏng Một phƣơng pháp dể chế tạo composite Cu–W www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp xâm nhập  Các bước để chế tạo composite Cu-W • Tổng hợp bột W với kích thước hạt TB = – mm (có thể phủ bột với Ni – hàm lượng khoảng 0,04%) • Trộn bột W với chất kết dính polymer • Nén bột = pp vào khn (khn bơm KL, die pressing, isotatic pressing), nén đầm để tạo độ xốp (mật độ) xác định trước cho cấu trúc W • Làm kết dính dung mơi • Thiêu kết hỗn hợp “green” 1204 – 1315oC H2 • Đặt phần thiêu kết đồng lị xâm nhập/thiêu kết • Cho Cu xâm nhập vào cấu trúc xương xốp W thiêu kết 1100 – 1260oC H2/chân không www.themegallery.com II CHẾ TẠO TRONG PHA LỎNG Phƣơng pháp xâm nhập có nén khí  PP xâm nhập với pha lỏng, dùng khí nén để tạo áp lực lên kim loại nóng chảy → ép kim loại nóng chảy xâm nhập vào phơi pha phân tán  PP dùng để chế tạo phận composite lớn  Ưu điểm: • Cho phép dùng sợi khơng phủ thời gian tiếp xúc sợi KL nóng chảy ngắn • Ít hủy hại sợi gia cường www.themegallery.com