0987 nghiên cứu công nghệ mạ hoá học tạo lớp phủ compozit nihạt phân tán (al2o3ptfe) luận văn tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÀ MẠNH CHIẾN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ HÓA HỌC TẠO LỚP PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al2O3, PTFE ) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC HÀ NỘI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÀ MẠNH CHIẾN NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ MẠ HĨA HỌC TẠO LỚP PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al2O3, PTFE ) Chuyên ngành: Kỹ thuật hố học Mãsố: 62520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ HÓA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI THANH TÙNG HÀ NỘI - LỜI CẢM Lời xin cám ơn thầy giáo PGS TS Mai Thanh Tùng hướng dẫn tơi tận tình q trình hoàn thành luận án Sự giúp đỡ thầy niềm động viên lớn để tơi có thêm nghị lực q trình làm luận án Tơi xin cảm ơn thầy mơn CN Điện hóa Bảo vệ kim loại không quản ngại mặt thời gian, công sức giúp thuận lợi q trình thực hành, trao đổi chun mơn tư vấn q trình viết luận án Tơi xin cảm ơn Trường Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực luận án LỜI CAM Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nghiên cứu, kết trình bày luận án trung thực, thu từ thực nghiệm, không chép chưa công bố cơng trình khác Người làm cam đoan MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………… DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ…………………………………… MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… CHƯƠNG 1– TỔNG QUAN………………………………………………… 1.1 MẠ HOÁ HỌC NIP……………………………………………………… 1.1.1 PHẢN ỨNG MẠ HOÁ HỌC NIP…………………………………… 1.1.2 Quá trình kết tinh tạo màng NiP …………………………………… 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình mạ hóa học NiP………………… 1.1.4 Cấu trúc tính chất lớp mạ 1.2 Mạ Hoá học compozit …………………………………………………… 1.2.1 Giới thiệu chung……………………………………………………… 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình hình thành lớp mạ compozit 1.2.2.1 Ảnh hưởng tính chất hạt phân tán 1.2.2.2 Ảnh hưởng thành phần dung dịch………………………… 1.2.2.3 Ảnh hưởng điều kiện mạ………………………………… 1.2.3 Cấu trúc tính chất lớp mạ hóa học Niken compozit……… 1.2.3.1 Cấu trúc………………………………………………………… 1.2.3.2 Độ cứng……………………………………………………… 1.2.3.3 Khả chống mài mòn…………………………………… 1.2.3.4 Hệ số ma sát…………………………………………………… 1.2.3.5 Độ nhám bề mặt……………………………………………… 1.2.3.6 Khả chống ăn mòn lớp mạ………………………… 1.3 Mạ Hoá học compozit NiP-PTFE NiP-Al2O3………………………… 1.3.1 Mạ hoá học NiP-PTFE……………………………………………… 1.3.1.1 Thành phần dung dịch mạ……………………………………… 1.3.1.2 Chất hoạt động bề mặt………………………………………… 1.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình hình thành lớp mạ NiP- PTFE…………………………………………………… 1.3.2 Mạ hoá học NiP-Al2O3……………………………………………… 1.3.2.1 Thành phần dung dịch hạt………………………………… 1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình mạ NiP-Al2O3…………… 1.3.2.3 Cấu trúc tính chất lớp mạ…………………………………… 1.3.3 Lực tương tác bề mặt lớp mạ hoá học compozit ………………… 1.3.4 Cơ chế hình thành lớp mạ hóa học compozit số tác giả xây dựng giới……………………………………………………… 9 10 12 14 17 17 19 19 20 22 22 22 23 23 23 24 25 26 26 26 26 29 30 30 30 31 32 36 CHƯƠNG – THỰC NGHIỆM 2.1 Chuẩn bị mẫu dung dịch 2.1.1 Mạ hoá học NiP 2.1.2 Chuẩn bị mẫu 2.1.3 Mạ hóa học compozit NiP-PTFE NiP-Al2O3 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Các phương pháp điện hoá 2.2.2 Phương pháp phân tích SEM, EDS TEM………………………… 2.2.3 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD)……………… 2.2.4 Phương pháp đo độ cứng tế vi 2.2.5 Phương pháp đo góc thấm ướt (phương pháp Wilhelmy plate) 2.2.6 Phương pháp đo khả chịu mài mòn 2.2.7 Phương pháp đo Zeta 2.2.8 Phương pháp kiểm tra độ bám dính lớp mạ với CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu lớp mạ NiP 3.1.1 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ tới tốc độ thành phần lớp mạ 3.1.2 Phân tích cấu trúc lớp mạ NiP 3.1.3 Tính chất lớp mạ NiP 3.2 Nghiên cứu mạ hoá học compozit NiP/PTFE 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ chất khử NaH2PO2 tới hàm lượng hạt PTFE có lớp mạ 3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng hạt PTFE dung dịch tới hàm lượng hạt PTFE lớp mạ khả chống bám dính lớp mạ 3.2.3 Ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt tới trình đồng kết tủa 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ chất hoạt động CTAB dung dịch tới hàm lượng hạt PTFE có lớp mạ 3.2.5 Nghiên cứu tính chất lớp mạ compozit NiP-PTFE 3.2.5.1 Khả chống ăn mòn 3.2.5.2 Khả chống mài mòn 3.3 Nghiên cứu mạ hoá học compozit NiP/Al2O3 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ hạt Al2O3 dung dịch tới hàm lượng P NiP hàm lượng hạt Al2O3 lớp mạ 3.3.2 Ảnh hưởng chế độ dòng chảy tới phân bố hạt Al2O3 lớp mạ 3.3.3 Nghiên cứu tính chất lớp mạ compozit NiP-Al2O3 3.3.3.1 Cấu trúc lớp mạ NiP-Al2O3 3.3.3.2 Khả chống ăn mòn 3.3.3.3 Độ cứng lớp mạ NiP-Al2O3……………………………… 3.3.3.4 Chiều dày lớp mạ NiP-Al2O3………………………………… 3.3.3.5 Khả chịu mài mòn……………………………………… 41 41 41 41 44 45 45 46 48 48 49 50 50 51 52 52 52 53 56 61 61 66 69 76 83 83 85 87 87 90 92 92 93 95 96 98 3.4 Cơ chế hình thành lớp mạ NiP compozit KÊT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100 105 106 113 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V: Năng lượng A: Hằng số Hamaker CB : Nồng độ chất B Eam: Điện ăn mòn iam: Mật độ dòng ăn mòn Rcp: Điện trở phân cực 0 : Hằng số điện môi chân không  r : Hằng số điện môi dung dịch SDS: Chất hoạt động bề mặt Đođexyl natri sulfat CTAB: Chất hoạt động bề mặt cetyl trimethyl ammonium bromide EN: Lớp mạ hóa học NiP PTFE: Polytetrafluoroethylene BN: Bo nitrua ASTM: Tiêu chuẩn Mỹ (American Society for Testing and Materials) SEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) EDS: Phương pháp phân tích phổ tán xạ lượng (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) TEM: Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) XRD: Phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia Rơnghen DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Chú thích bảng Trang Bảng 1.1 Khả chịu mài mòn số lớp phủ 15 Bảng 1.2 Tóm tắt tính chất lớp mạ hoá học NiP 16 Bảng 1.3 So sánh hệ số ma sát lớp mạ compozit so với lớp mạ thông 24 thường Bảng 1.4 So sánh độ nhám lớp mạ compozit lớp mạ thông thường 24 Bảng 1.5 Quan hệ Zeta ổn định dung dịch 34 Bảng 2.1 Quy trình mạ hoá học NiP Sắt 42 Bảng 2.2 Quy trình mạ hố học NiP Đồng 43 Bảng 3.1 Số lần bẻ gập đến gãy ảnh chụp lớp mạ hàm lượng P thay đổi 57 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nồng độ NaH2PO2 nhiệt độ tới Eăm, iăm 59 Bảng 3.3 Chế độ mạ thay đổi theo nồng độ NaH2PO2 tốc độ phản ứng 61 thu Bảng 3.4 Kết phân tích EDS lớp mạ NiP tổng hợp nồng độ 63 NaH2PO2 khác Bảng 3.5 Ảnh hưởng hàm lượng hạt PTFE 12 µm dung dịch tới 66 hàm lượng hạt PTFE lớp mạ góc thấm ướt lớp mạ Bảng 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng hạt PTFE 0,5 µm dung dịch tới hàm lượng hạt PTFE lớp mạ góc thấm ướt lớp mạ 66 Bảng 3.7 Tổng hợp kết đo Zeta lớp mạ NiP hạt PTFE 71 Bảng 3.8 Thành phần lớp mạ NiP- PTFE thay đổi nồng độ CTAB 78 dung dịch Bảng 3.9 Kết tính dịng ăn mịn theo phương pháp Tafel 84 Bảng 3.10 Ảnh hưởng hàm lượng PTFE 12 µm lớp mạ tới khả 86 chống mài mòn lớp mạ Bảng 3.11 Kết phân tích EDS lớp mạ NiP-Al2O3 có hàm lượng 88 Al2O3 dung dịch thay đổi Bảng 3.12 Kết tính dịng ăn mịn theo phương pháp Tafel 93 Bảng 3.13 Kết đo độ cứng lớp mạ 95 Bảng 3.14 Kết tính chiều dày lớp mạ với mẫu khác 96 Bảng 3.15 Khả chịu mài mòn lớp mạ (lực ép 12 N) 98 Bảng 3.16 Khả chịu mài mòn lớp mạ (lực ép 20 N) 99 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Số hình Chú thích hình Trang Hình 1.1 Hình mơ tả giai đoạn trình động học 10 Hình 1.2 Sơ đồ mơ tả chế kết tinh mạ hố học: (a) hình thành lớp 11 mạ, (b) hình thành lớp mạ qua mặt cắt ngang, (c) hình thành lớp mạ qua hình chiếu đứng Hình 1.3 Ảnh TEM mơ phát triển lớp mạ hố học Ni, ký 12 hiệu 0, 1, 2, số thứ tự lớp mạ: (a) Lớp mạ có hai lớp, (b) Lớp mạ có lớp Hình 1.4 (a) Giản đồ pha hợp kim NiP, (b) Cấu trúc pha lớp mạ 14 hóa học NiP Hình 1.5 Tỷ lệ phần trăm ứng dụng lớp mạ NiP compozit giới 18 Hình 1.6 Lớp mạ hố học NiP có hạt phân tán kỵ nước BN 19 a, hạt không xử lý bề mặt; b,hạt có xử lý bề mặt Hình 1.7 Ảnh hưởng hàm lượng hạt phân tán dung dịch tới hàm 21 lượng hạt phân tán lớp mạ hoá học NiP Hình 1.8 Sự phát triển lớp mạ có hạt phân tán dẫn điện khơng 21 dẫn điện Hình 1.9 Cấu tạo lớp điện tích kép, 1/k chiều dày lớp điện tích kép 33 Hình 1.10 Tổng hợp lượng tương tác theo khoảng cách sử dụng thuyết DLVO: (a) bề mặt đẩy mạnh, hạt nhỏ không trạng thái kết tụ, (b) Các hạt kết tụ điểm secondary minimum,(c) hạt kết tụ điểm secondary minimum, tốc độ kết tụ chậm,(d) hàng rào lượng < 0, kết tụ nhanh chóng, (e) khơng có hàng rào lượng, kết tụ nhanh chóng Cơ chế mạ hố học compozit Ngơ Khánh Lợi 35 Hình mơ tả chế mạ hố học compozit Ming-Der Ger, 37 Hình 1.11 Hình 1.12 36 Bing Joe Hwang Hình 1.13 Hình mơ tả chế mạ hoá học compozit Heung-Kil Park đồng 37