Thiết kế, chế tạo thiết bị chức năng nhúng phủ

Sản phẩm cuối cùng của đề tài này là một hệ thống phủ nhúng hoàn chỉnh, baogồm thiết bị phủ và chương trình điều khiển có giao diện thân thiện với người dùng.Những nghiên cứu này sẽ phục

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành vật liệu và công nghệ hóa học,việc nghiên cứu và chế tạo các màng mỏng có vai trò quan trọng Những ứng dụng củamàng mỏng lan tỏa khắp các lĩnh vực như điện tử, quang học, năng lượng mới, y sinh,

và nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, để đạt được những tiến bộ trong nghiên cứu và pháttriển các màng mỏng, cần có những thiết bị chuyên dụng, hiện đại và linh hoạt

Nhận thức được tầm quan trọng này, chúng em dưới sự hướng dẫn của Thầy đã

xây dựng một hệ thống phủ nhúng tiên tiến, nhằm tạo ra một nền tảng vững chắc choviệc học tập, nghiên cứu và phát triển các loại màng mỏng bằng phương pháp phủnhúng Hệ thống này được thiết kế dựa trên cơ chế trục vít hiện đại, cho phép đế dịchchuyển lên xuống một cách tịnh tiến với tốc độ điều chỉnh linh hoạt Điều này mở ra khảnăng thực hiện phủ nhiều loại màng khác nhau trong các hoạt động học tập và nghiêncứu

Ngoài ra, hệ thống được tích hợp một hệ quay nghiêng đặc biệt, giúp điều chỉnhgóc nghiêng của đế trong quá trình phủ màng Tính năng này đóng vai trò quan trọngtrong việc tăng cường độ đồng đều của lớp màng, đảm bảo chất lượng và tính ổn địnhcủa sản phẩm Các thông số then chốt như tốc độ nhúng, số lần nhúng và góc nhúngđược kiểm soát một cách chính xác bằng phần mềm điều khiển chạy trên máy vi tính,cho phép người dùng dễ dàng tối ưu hóa quá trình phủ màng

Sản phẩm cuối cùng của đề tài này là một hệ thống phủ nhúng hoàn chỉnh, baogồm thiết bị phủ và chương trình điều khiển có giao diện thân thiện với người dùng.Những nghiên cứu này sẽ phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau như vật liệu học, côngnghệ hóa học và vật lý quang học, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các ngành khoahọc và công nghệ tiên tiến tại Việt Nam

Bên cạnh đó, với khả năng vận hành linh hoạt và hiệu quả, hệ thống sẽ cung cấpmột môi trường thực hành và nghiên cứu chuyên sâu, giúp nâng cao chất lượng đào tạo

và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực này Sự kết hợp giữa thiết bịhiện đại và phần mềm thân thiện sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên trong việc tiếpcận, thực hành và làm chủ công nghệ phủ nhúng một cách toàn diện

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI 1

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Mục đích của đề tài 9

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài 9

4 Tóm tắt nội dung của đề tài 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương 1 11

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NHÚNG PHỦ 11

1.1 Khái niệm về phương pháp nhúng phủ 11

1.1.1 Khái niệm chung 11

1.1.2 Phương pháp nhúng phủ sol-gel trong chế tạo màng mỏng 11

1) Lịch sử phát triển 11

2) Các khái niệm mở đầu 11

3) Các quá trình chính xảy ra trong sol-gel 12

4) Phản ứng thủy phân 13

5) Phản ứng ngưng tụ 13

6) Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình gel hóa 14

7) Ưu điểm và nhược điểm của quá trình sol-gel 15

1.2 Các ứng dụng hiện nay 16

1.3 Phân loại và cấu trúc chung một thiết bị nhúng phủ 18

1.3.1 Phủ nhúng 18

1.3.2 Phủ chảy dòng 20

1.3.3 Phủ quay 20

1.3.4 Phủ phun 22

1.4 Các thiết bị nhúng phủ 22

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỨC NĂNG NHÚNG PHỦ 26

2.1 Yêu cầu của đề tài 26

2.2 Thiết kế, tính toán lựa chọn thiết bị 26

2.2.1 Loại mẫu sử dụng thí nghiệm 26

2.2.2 Thiết kế, tính toán và lựa chọn cơ cấu thực hiện truyền động 26

1) Giới thiệu về động cơ step 26

a) Phân loại 27

b) Cấu tạo 27

c) Nguyên lý hoạt động 28

d) Ưu điểm 28

e) Nhược điểm 28

f) Ứng dụng 29

2) Giới thiệu driver TB6600 29

2.2.3 Thiết kế, tính toán và lựa chọn giá giữ mẫu, khung, kẹp mẫu 32

1) Lựa chọn cơ cấu chuyển động 32

2.2.4 Thiết kế, tính toán và lựa chọn điều khiển truyền động 33

2.2.5 Thiết kế bộ phận gia nhiệt 40

2.2.6 Thiết kế, lựa chọn khối hiển thị và giám sát 40

1) Thiết bị hiển thị 40

2) Thiết bị theo dõi 42

a)Kích thước cảm biến Pt100 43

b) Dạng Pt100 máy dây 43

c) Dãy đo của cảm biến Pt100 44

1) Tính chọn SSR 45

2) Lựa chọn aptomat 46

3) Lựa chọn nút nhấn 47

2.2.8 Sơ đồ mạch điện 47

Chương 3 47

KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 47

3.1 Kết quả thực tế 47

3.2 Hướng phát triển của đề tài 47

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tựđộng hóa sản xuất Nó cho phép nâng cao độ chính xác gia công, đồng thời cũng rútngắn được thời gian sản xuất, giảm sức lao động, tăng cao năng suất và an toàn laođộng, mang lại hiệu quả kinh tế Chính vì vậy ở nước ta hiện nay và nhiều nước trên thếgiới đã và đang ứng dụng rộng rãi các dây chuyền sản xuất tự động vào hầu hết các lĩnhvực sản xuất Để đáp ứng yêu cầu của xã hội cần có nhiều kỹ sư có chuyên môn về điện

tử công suất, nhiều trường học đã và đang giảng dạy điện tử công suất và truyền độngđiện cho sinh viên ngành kỹ thuật

Một thực tế hiện nay là trong khi các doanh nghiệp trên thị trường sử dụng kháphổ biến các thiết bị, máy móc tự động vào sản xuất công nghiệp để nâng cao năng suấtcũng như chất lương sản phẩm Nhưng tại khoa Điện – Điện Tử của trường Đại Học SưPhạm Kỹ Thuật Hưng Yên lại chưa có mô hình các mô đun thực tập thiết bị nhúng phủ

tự động

Xuất phát từ những nhu cầu như vậy, nhóm em dưới sự hướng dẫn của thầy

……… đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bịnhúng phủ tự động”

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

+ Nghiên cứu chế tạo ra mô hình nhúng phủ tự động

+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Thay đổi thời gian nhúng cũng như hành trình nhúng.

4 Tóm tắt nội dung của đề tài

- Mở đầu: GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI

- Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NHÚNG PHỦ

- Chương 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỨC NĂNG NHÚNG PHỦ

- Chương 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, KHẢO SÁT VÀĐÁNH GIÁ

- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

5 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành nội dung đồ án nhóm nghiên cứu đã áp dụng những phương phápsau:

- Khảo sát đánh giá thiết bị hiện có

- Tìm và phân tích tài liệu

- Sử dụng phương pháp thực nghiệm

- Trao đổi kinh nghiệm và kiến thức với các thầy cô và các bạn sinh viên khác

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NHÚNG PHỦ

1.1 Khái niệm về phương pháp nhúng phủ

1.1.1 Khái niệm chung

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hóa học ướt để tổng hợp các vật liệu từ cácphần tử huyền phù dạng keo rắn (precursor) trong chất lỏng (sol), để hình thành mộtnguyên liệu (gel) lưỡng pha của bộ khung chất rắn chứa đầy dung môi

1.1.2 Phương pháp nhúng phủ sol-gel trong chế tạo màng mỏng

1) Lịch sử phát triển

Vào khoảng giữa năm 1800, có những quan tâm về phương pháp sol-gel để tạogốm sứ và kính, được bắt đầu với Ebelman và Graham khi nghiên cứu về gel Silic.Trong những năm từ 1950 đến 1960, Roy và các cộng tác đã sử dụng phương pháp sol-gel để tạo ra gốm sứ mới với thành phần là các đồng chất hóa học, bao gồm: Si, Al, Zr,

… mà không sử dụng phương pháp gốm truyền thống Bột, sợi, màng và thấu kínhquang học thì được tạo bởi phương pháp sol-gel

2) Các khái niệm mở đầu

Một hệ sol là một sự phân tán của các hạt rắn có kích thước khoảng từ 1nm đến1000nm trong một chất lỏng, trong đó:

- Chỉ có chuyển động Brown làm lơ lửng các hạt

- Lực tương tác giữa các hạt là lực Val der Waals

- Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông tụ cáchạt keo

Một hệ gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đó mộtmạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng

Precursor là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol) Nó được tạo

Các precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại, với công thức chung làM(OR)x, với M là kim loại, R là nhóm alkyl có công thức là CnH2n+1.

Những chất hữu cơ kim loại được sử dụng phổ biến nhất là các alkoxysilans, như

là Tetramethoxysilan-TMOS (Si(OCH3)4),Tetraethoxysilan- TEOS Si(OC2H5)4 Dĩ nhiên,những alkoxy khác như là các Aluminate, Titanate và Borat cũng được sử dụng phổ biếntrong các quá trình sol-gel, thường là trộn với TEOS

3) Các quá trình chính xảy ra trong sol-gel

Trong quá trình chuyển tiếp sol-gel, các phần tử trung tâm trải qua hai phản ứnghóa học cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ để hình thành một mạng lướitrong toàn dung dịch; vì hai phản ứng này có bản chất của một phản ứng axit-bazơ nên

có thể điều chỉnh tốc độ của quá trình thủy phân, quá trình ngưng tụ với xúc tác axithoặc bazơ

Các giai đoạn trong phương pháp sol-gel:

- Tạo dung dịch sol: alkoxide kim loại bị thủy phân và ngưng tụ, tạo thành dungdịch sol gồm những hạt oxyt kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán trong dung dịch sol Dungdịch có thể được dùng phủ màng bằng các phương pháp như: phủ nhúng, phủ quay,…

- Gel hóa (gelation): giữa các hạt sol hình thành liên kết Độ nhớt của dung dịchtiến ra vô hạn do có sự hình thành mạng lưới oxyt kim loại (M-O-M) ba chiều trongdung dịch

- Định hình (aging): chủ yếu làm thay đổi gel có dạng cluster-cluster và chi phốibởi hiệu ứng “Ostwald Ripening”

- Sấy (drying): làm bay hơi dung môi thoát ra khỏi các ống mao dẫn của bộkhung rắn, là giai đoạn gây ra các ứng suất bên trong vật liệu và gây nứt

- Thiêu kết (sintering): đây là quá trình kết chặt khối mạng, được điều khiển bởinăng lượng phân giới Thông qua quá trình này gel sẽ chuyển từ pha vô định hình sangpha tinh thể dưới tác dụng của nhiệt độ cao

Trong toàn bộ quá trình, hai phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là hai phản ứng quyếtđịnh cấu trúc và tính chất của sản phẩm sau cùng Do đó, việc kiểm soát tốc độ phảnứng thuỷ phân-ngưng tụ trong phương pháp sol-gel là rất quan trọng

Hình 1.2 Phản ứng ngưng tụ.

6) Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình gel hóa

Sol chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian Đến một thời điểm nhất định thì cáchạt hút lẫn nhau để trở thành những phần tử lớn hơn Các phần tử này tiếp tục phát triểnđến kích thước cỡ 1nm thì tùy theo xúc tác có mặt trong dung dịch mà phát triển theonhững hướng khác nhau

Hình 1.3 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác axit.

Dưới điều kiện xúc tác axit hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫunhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau

Hình 1.4 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác bazơ.

Dưới điều kiện xúc tác baz các hạt phát triển thành các cluster phân nhánh ở mức

độ cao nhiều hơn, không xen vào nhau trước khi tạo thành Gel, chúng thể hiện nhưnhững cluster riêng biệt

Như vậy, với các loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển của hạt sol cũng

có phần khác biệt

Sự phát triển của các hạt trong dung dịch là sự ngưng tụ, làm tăng số liên kếtKim loại-Oxide-Kim loại tạo thành một mạng lưới trong khắp dung dịch

Hình 1.5 Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol-gel.

7) Ưu điểm và nhược điểm của quá trình sol-gel

a) Ưu điểm

- Tạo ra màng phủ liên kết rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng

- Tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn

- Dễ dàng tạo hình các vật liệu có hình dạng phức tạp

- Sản suất những sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp, thường là 2000C – 6000C

- Có thể điều khiển các cấu trúc vật liệu

- Tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn

- Độ khuếch tán đồng đều cao

- Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ

- Vì màng được chế tạo đơn giản ở nhiệt độ thấp nên mang lại hiệu quả kinh tếcao

- Ưu điểm nổi trội nhất của phương pháp sol-gel là khả năng chế tạo được nhữngvật liệu mới có cấu trúc xốp đồng đều

b) Nhược điểm

- Tiêu hao nhiều nguyên liệu trong quá trình tạo màng

- Giá nguyên liệu khá cao

- Liên kết trong màng yếu

- Vì vật liệu xốp nên có độ thẩm thấu cao

gel khối SiO2 (silica) và sau đó mở rộng chế tạo các oxyt kim loại chuyển tiếp khác nhưTiO2 (titania), ZrO2 (zirconia),… Hiện nay, phương pháp sol-gel đã thành công trongviệc chế tạo vật liệu oxyt đa thành phần (multicomponent oxyt: SiO2-TiO2,TiO2:SnO2…) và chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô cơ (hybrid materials).

Hình 1.6 Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel.

Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel, được mô tả trong hình 1.6,bao gồm:

- Màng mỏng: Chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụngtrong quang học, điện tử, pin mặt trời,…

- Gel khối: Được sử dụng để chế tạo các oxyt đa kim loại các dụng cụ quang học:gương nóng (hot mirror), gương lạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beamsplitter),…

- Gel khí: Thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel) Gel khí có ứngdụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác(alumina (Al2O3) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silicaaerogel),…

- Hạt nano: Đơn thành phần và đa thành phần có kích thước đồng đều có thể thuđược bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tụ

- Sợi ceramic: Sợi quang chất lượng cao và sợi ceramic cách nhiệt

1.3 Phân loại và cấu trúc chung một thiết bị nhúng phủ

1.3.1 Phủ nhúng

Phương pháp phủ nhúng là một cách nhúng đế hoàn toàn vào trong dung dịchphủ và sau đó được kéo lên với một tốc độ thích hợp trong điều kiện nhiệt độ và áp suấtkhông đổi

Quá trình phủ nhúng gồm năm giai đoạn chính, xem hình 1.7:

- Giai đoạn 1: Đế được nhúng vào dung dịch với tốc độ nhúng không đổi Giaiđoạn 2: Đế được nhúng vào dung dịch và để trong một lúc

- Giai đoạn 3: Đế được kéo lên với tốc độ kéo không đổi, đồng thời hình thànhlớp phủ ướt trên bề mặt đế

- Giai đoạn 4: Trong khi kéo đế ra khỏi dung dịch với tốc độ kéo không đổi, dungdịch dư thừa sẽ chảy ra khỏi bề mặt đế

- Giai đoạn 5: Sự bay hơi dung môi dẫn đến sự gel hóa của dung dịch sol trên bềmặt đế và lớp màng được hình thành

Hình 1.7 Năm giai đoạn trong quá trình phủ nhúng.

Theo Landau và Levich[4], độ dày màng phủ được tính như sau:

Hình 1.8 Độ dày màng được xác định khi có sự cân bằng tại điểm chuyển tiếp S

Giữa độ nhớt kéo  v / h, trọng lực  ghvà sức căng bề mặt lỏng-hơi 

LVcủa dung dịch Tuy phương pháp phủ nhúng không phức tạp nhưng phương phápnày có một nhược điểm là độ dày màng không đồng đều, bởi vì lớp dung dịch bên trong

di chuyển lên cùng với đế và lớp bên ngoài có xu hướng trôi xuống Nhược điểm này cóthể được cải thiện bằng cách nhúng đế cần phủ theo một góc nghiêng

1.3.2 Phủ chảy dòng

Hình 1.9 Mô hình của phương pháp phủ chảy dòng.

Độ dày màng phụ thuộc vào góc nghiêng của đế, độ nhớt của dung dịch phủ vàtốc độ bay hơi của dung môi Phương pháp phủ chảy hiện nay chủ yếu được sử dụngphủ các trang thiết bị bằng thủy tinh của xe ôtô

1.3.3 Phủ quay

Phương pháp phủ quay được mô tả trong hình 1.10 Dung dịch sol được nhỏ giọtlên đế và cho đế quay Dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên đế và tạothành màng mỏng

Hình 1.10 Bốn giai đoạn của phương pháp phủ quay.

Quá trình phủ quay gồm bốn giai đoạn chính xảy ra tiếp nối nhau, xem hình 1.10

- Giai đoạn 1: dung dịch được nhỏ giọt lên đế Lượng dung dịch sử dụng thườngnhiều hơn lượng dung dịch cần thiết hình thành màng.

- Giai đoạn 2: đế được gia tốc góc đến một tốc độ quay cần thiết Trong quá trìnhnày, một phần dung dịch bị văng ra khỏi đế

- Giai đoạn 3: đế quay đạt tốc độ không đổi và dung dịch tiếp tục lan chảy trên đếdưới tác dụng của lực ly tâm Trong quá trình này, độ nhớt ảnh hưởng lên đặc tính củamàng Do đó, độ dày màng phụ thuộc vào tốc độ quay của đế và độ nhớt của dung dịch

- Giai đoạn 4: đế tiếp tục quay với tốc độ không đổi cùng với sự bay hơi củadung môi và dòng chảy nhớt giảm đáng kể bởi độ nhớt của dung dịch tăng lên Songsong đó là sự gel hóa dung dịch sol trên bề mặt đế Do đó, độ dày màng còn phụ thuộcvào tốc độ bay hơi của dung môi

Theo Mayerhofer, độ dày màng được tính theo công thức sau:

202\* MERGEFORMAT (.)Trong đó: h là độ dày màng

A, A0là mật độ dung dịch ban đầu, lúc sau

1.3.4 Phủ phun

Phương pháp phủ phun được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sơn dầu Thiết

bị bao gồm một súng phun được gắn với vòi phun áp suất thấp, xem hình 1.5, dung dịchlớp phủ được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế

Hình 1.11 Thiết bị phủ phun cầm tay.

1.4 Các thiết bị nhúng phủ

Bộ thiết bị này của hang Holmarc được thiết kế dựa theo hành trình lên xuốngcủa trục vitme với màn hình hiện thông số và bàn phím nhập để thay đổi kiểu nhúng chophùn hợp với nhiều sản phẩm khác nhau

Hình 1.12 Bộ thiết bị phủ nhúng số hiệu HO-TH-02 của hãng Holmarc[5] Thông số tốc độ nhúng từ 2micron/sec đến 9000micron/sec với sáu mức điều chỉnh tốc độ Hành trình là 150mm.

Hình 1.13 Các thiết bị phủ nhúng của hãng KSV NIMA [6]

Hình 1.14 Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống phủ nhúng một cốc, cung cấp bởi hãng KSV NIMA.