Báo cáo thực tập thực tế nghiên cứu chế tạo lớp mạ Điện hợp kim kẽm niken gia cường vật liệu cnts

Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các anh chị đang công tác tại Trungtâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu đã quan tâmgiúp đỡ, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

BÁO CÁO THỰC TẬP THỰC TẾ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP MẠ ĐIỆN HỢP KIM KẼM-NIKEN

GIA CƯỜNG VẬT LIỆU CNTs

Họ và tên: Trần Tiến Đạt

Mã sinh viên: 20000632

Lớp: K65 Vật lý chuẩn

Số điện thoại: 0973376918

Cán bộ hướng dẫn: TS Bùi Hùng Thắng và TS Nguyễn Ngọc Đỉnh

Cơ quan/Doanh nghiệp: Trung tâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ Viện Khoa học Vật Liệu

-Thời gian thực tập: 24/07/2023 – 24/08/2023

HÀ NỘI, 2023

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới các cô, chú, anh, chị Viện Khoa họcvật liệu đã chào đón và cho em có cơ hội thực tập tại môi trường chuyênnghiệp Những bài học trong thời gian thực tập ở đây đã giúp em hiểu rõ hơn

về quy trình nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực khoa học vật liệu

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Ngọc Đỉnh và TS BùiHùng Thắng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho emtrong suốt quá trình nghiên cứu để em hoàn thành đợt thực tập

Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các anh chị đang công tác tại Trungtâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu đã quan tâmgiúp đỡ, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực tế giúp em có cơ hội mở rộngthêm rất nhiều kiến thức có trong cả về nghiên cứu và đời sống

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc các thầy cô trong KhoaVật lý đã không ngừng truyền đạt kiến thức và hỗ trợ em về kỹ năng và tạođiều kiện thực tập và tiếp thu kiến thức thực tế tại Viện khoa học vật liệu

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 17 tháng 8 năm 2023

Sinh viên

Trần Tiến Đạt

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan vấn đề thực tập 2

1.2 Tổng quan địa điểm thực tập 2

1.2.1 Quá trình hình thành và phát triển của Viện Khoa học vật liệu 2

1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của Viện Khoa học vật liệu 3

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, HOẠT ĐỘNG TIẾN HÀNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC TẬP 5

2.1 Phương pháp áp dụng 5

2.2 Phương pháp tiến hành 11

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC TẬP 19

3.1 Kết quả thu được 19

3.2 Nhận xét và đánh giá kết quả thu được 19

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 20

MỞ ĐẦU

Hiện nay công nghệ mạ điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiềungành, nhiều lĩnh vực để tạo ra lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại khỏi tác độngcủa các yếu tố bên ngoài như hiện tượng mài mòn do ma sát, hiện tượng ănmòn kim loại, các hiện tượng đã góp phần gây ra những tổn thất rất lớn vềkinh tế Thông thường, các chi tiết máy luôn hoạt động liên tục trong các điềukiện làm việc khắc nghiệt ở nhiệt độ cao hoặc trong các khu công côngnghiệp đầy bụi bẩn và hóa chất, điều này dẫn đến tuổi thọ của động cơ và chitiết máy giảm đi đáng kể do các hiện tượng bị ăn mòn hoặc bị mài mòn do masát Các thiệt hại sẽ không thể phục hồi hoặc có thể phục hồi với chi phí bảodưỡng, thay thế linh kiện cao nhưng hiệu suất giảm so với ban đầu Điều nàycho thấy vấn đề bảo vệ bề mặt kim loại khỏi các tác động ăn mòn do môitrường hoặc các tác động mài mòn do ma sát đóng vai trò quan trọng tronglĩnh vực công nghệ mạ điện Sử dụng hợp lý những công nghệ mạ điện có thểngăn chặn hoặc ít nhất là làm chậm lại quá trình ăn mòn và mài mòn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề thực tập

Lớp phủ hợp kim Zn-Ni được tăng cường CNTs đã đạt được sự cảithiện đáng kể về tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn với lượngCNTs bổ sung Quá trình này có rất nhiều ưu điểm tối ưu, đơn giản, hiệu quả,lặp lại tốt, tiết kiệm, có khả năng sản xuất quy mô lớn và có tiềm năng ứngdụng sẽ được áp dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp cơ khí, điện tử

và quốc phòng

1.2 Tổng quan địa điểm thực tập

1.2.1 Quá trình hình thành và phát triển của Viện Khoa học vật liệu

Viện Khoa học vật liệu là một đơn vị trực thuộc Viện Hàn lâm Khoahọc và Công nghệ Việt Nam, được thành lập ngày 11/6/1993 Với nhiệm vụnghiên cứu khoa học công nghệ, tích cực tham gia đào tạo nguồn nhân lựctrình độ cao trong lĩnh vực khoa học và công nghệ vật liệu mới và phát huy

có hiệu quả hợp tác quốc tế trong hướng nghiên cứu trọng điểm về khoa học

và công nghệ vật liệu qua các giai đoạn:

Giai đoạn 1993-1997: Xây dựng và phát triển các phòng chuyên môn,các đơn vị nghiên cứu ở các Phân Viện vừa hình thành Đi kèm với nghiêncứu cơ bản, nghiên cứu phát triển công nghệ và triển khai ứng dụng rất đượcchú ý trong giai đoạn này

Giai đoạn phát triển 1998-2008: Trang thiết bị được tăng cường chocác hướng nghiên cứu, trong đó có dự án ODA CHLB Đức tài trợ xây dựngTrung tâm “Đánh giá hư hỏng vật liệu” và đặc biệt là Dự án Phòng thí nghiệptrọng điểm Quốc gia về Vật liệu và linh kiện điện tử Phát triển công nghệ vàtriển khai ứng dụng một số loại vật liệu như ống cácbon nano, thiết bị đohuỳnh quang tia X,…

Giai đoạn hiện đại hóa và hội nhập quốc tế từ 2009 đến nay: Giai đoạnnày, Viện xác định được cùng với xu thế toàn cầu hóa, các hoạt động khoa

học công nghệ chắc chắn cần hội nhập và phải đạt tiêu chuẩn quốc tế, ViệnKhoa học vật liệu đã đẩy mạnh các hoạt động ở tầm quốc tế không chỉ trongnghiên cứu cơ bản và đào tạo mà cả trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ vậtliệu và triển khai ứng dụng Đẩy mạnh hợp tác với các đối tác nước ngoàikhác Viện Khoa học vật liệu đã nhận được nhiều giải thưởng khác nhau nổibật như: Huân chương Lao động hạng Ba (năm 2003), hạng Nhì (năm 2008)

và hạng Nhất (năm 2013); Cờ Thi đua của Thủ tướng Chính phủ năm 2020,Huân chương Độc lập hạng ba (2023), Bằng khen của Thủ tướng Chính phủnăm 2007 và năm 2018, nhiều Bằng khen và Cờ thi đua của Viện Hàn lâm

1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của Viện Khoa học vật liệu

Viện Khoa học vật liệu là đơn vị trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học vàCông nghệ Việt Nam Chức năng, nhiệm vụ của Viện được quy định như sau:Chức năng nghiên cứu cơ bản, điều tra cơ bản, phát triển công nghệ vàđào tạo nguồn nhân lực có trình độ cao trong lĩnh vực khoa học công nghệ vậtliệu và các lĩnh vực khác có liên quan theo quy định của pháp luật

Với 8 nhiệm vụ chính:

1 Nghiên cứu cơ bản, điều tra cơ bản các vấn đề khoa học, công nghệ thuộc các lĩnh vực sau:

a) Vật liệu và linh kiện điện tử, điện từ;

b) Vật liệu, linh kiện quang, quang điện tử và quang tử;

c) Vật liệu và công nghệ nanô;

d) Vật liệu kim loại, đất hiếm và vật liệu tổ hợp;

đ) Vật liệu có tính năng đặc biệt (siêu cứng, chịu mài mòn, chịu nhiệt

độ cao…);

e) Vật liệu xúc tác, vật liệu bảo vệ chống ăn mòn;

g) Vật liệu y, sinh, dược và mỹ phẩm;

h) Vật liệu năng lượng mới;

i) Nguyên liệu khoáng, vật liệu thân thiện môi trường, môi sinh;

k) Thiết bị khoa học và thiết bị công nghệ vật liệu

2 Triển khai, ứng dụng và chuyển giao các kết quả nghiên cứu khoa học và công nghệ trong lĩnh vực khoa học vật liệu và các lĩnh vực khoa học khác có liên quan

3 Dịch vụ khoa học và công nghệ vật liệu (tư vấn lập dự án thiết kế kỹ thuật; phân tích đánh giá, thử nghiệm vật liệu; lập dự án khả thi trong công nghệ chế biến khoáng sản - luyện kim; phân tích, đánh giá và tư vấn xử lý môi trường) và các lĩnh vực khoa học khác có liên quan

4 Đào tạo nguồn nhân lực khoa học và công nghệ có trình độ cao trong lĩnh vực khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác có liên quan

5 Hợp tác quốc tế trong lĩnh vực khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác có liên quan

6 Quản lý về tổ chức bộ máy; quản lý và sử dụng công chức, viên chức của đơn vị theo quy định của đơn vị theo quy điịnh của Nhà nước và của Viện Hàn lâm

7 Quản lý về tài chính, tài sản của đơn vị theo quy điịnh của Nhà nước

và của Viện Hàn lâm

8 Thực hiện các nhiệm vụ khác do Chủ tịch Viện giao.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, HOẠT ĐỘNG TIẾN HÀNH TRONG

QUÁ TRÌNH THỰC TẬP 2.1 Phương pháp áp dụng

2.1.1 Giới thiệu về vật liệu CNTs

Ống nano carbon (CNTs) là các phân tử hình trụ bao gồm các tấmnguyên tử carbon một lớp (graphene) cuộn lại Chúng có thể là vách đơn(SWCNT) có đường kính nhỏ hơn 1 nanomet (nm) hoặc đa vách (MWCNT),bao gồm một số ống nano liên kết đồng tâm với nhau, với đường kính đạt tớihơn 100 nm Chiều dài của chúng có thể đạt tới vài micromet hoặc thậm chímilimét

Hình 1: Cấu trúc của CNTs

Ống nano carbon (CNTs) được tạo thành từ các tấm nguyên tử carbonhình lục giác cuộn lại thành cấu trúc hình ống có độ xoắn khác nhau liềnmạch với các tấm than chì hình trụ; cấu trúc của CNTs bao gồm các liên kết

và mỗi đầu được phủ một nửa phân tử fullerene có liên kết mạnh hơn liên kết

so với kim cương mang lại cho chúng sức mạnh đặc biệt Giống nhưgraphene, CNTs được liên kết hóa học bằng liên kếtsp2, một dạng tương tácphân tử cực kỳ mạnh

Vật liệu CNTs có những tính chất cơ, nhiệt, quang tốt hơn hẳn cácdạng thù hình trước điều này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu đầytiềm năng hứa hẹn trong tương lai

2.1.2 Tính chất của CNTs

2.1.2.1 Tính chất nhiệt

CNT có độ dẫn nhiệt cao: SWCNT lên tới 3500 W/mK và MWCNTtrên 3000 W/mk Mật độ của chúng có thể tăng lên hoặc dưới 1,3 g/cm3 Độdẫn nhiệt tốt của vật liệu CNT đã mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng vậtliệu CNT tản nhiệt trong các linh kiện điện tử công suấtcao như LED,CPU,v.v

2.1.2.3 Tính chất cơ học

CNTs có cường độ cơ học rất cao, được ước tính lên đến hàng trămGpa có thể gấp 400 lần thép, chúng có trọng lượng rất nhẹ và mật độ củachúng bằng 1/6 mật độ của thép Điều này làm cho chúng có khả năng chịutải trọng cơ học rất lớn mà không bị biến dạng hoặc vỡ nát

Độ đàn hồi là một tính chất đặc biệt khác của ống nano cacbon; khichúng tiếp xúc với lực nén dọc trục lớn và dưới lực lớn, CNTs có thể uốncong, xoắn, xoắn và oằn, và chúng sẽ trở lại cấu trúc ban đầu mà vẫn giữnguyên các đặc tính thể hiện hành vi Newton, với điều kiện là lực ép mạnhkhông lớn hơn hơn lực đàn hồi giới hạn của ống nano

2.1.4 Tổng quan về vật liệu Zn, Ni

2.1.4.1 Vật liệu Kẽm

Kẽm (Zn) là kim loại trắng xám, trọng lượng nguyên tử 65,38; đươnglượng điện hóa của Zn2+¿¿1,219; nhiệt độ nóng chảy 419,5oC; giòn ở nhiệt độthường; dẻo ở khoảng nhiệt độ 100-150oC; giòn và dễ tan thành bột ở nhiệt độlớn hơn 250oC Kẽm là kim loại hoạt động, là chất khử mạnh, nhưng bền trongnước trong không khí ẩm vì khi đó chúng được che kín bằng các hợp chất oxy

và cacbonat Điện thế tiêu chuẩn của kẽm là -0,762V nên là lớp mạ đối vớithép, đồng, bền và bảo vệ chúng tốt Mạ kẽm điện phân là quá trình phủ mộtlớp kẽm lên bề mặt kim loại nhằm tạo một lớp bảo vệ cho bề mặt, giúp chốnglại khả năng ăn mòn, hoen gỉ, nâng cao chất lượng và làm tăng thẩm mỹ chosản phẩm

Tốc độ ăn mòn kẽm mỗi năm khoảng 1-1,5 µm ở nông thôn, 1,5-2 µm

ở nhiệt độ ẩm, 6-8 µm ở vùng nhiệt độ công nghiệp, ở vùng biển kẽm bị ănmòn mạnh Vì vậy thường mạ kẽm để bảo vệ sắt thép dùng trong không khídưới đất, trong nước ngọt Khi cần chiều dày lớp mạ hơn 100 µm mới nêndùng phương pháp phún, phún nóng, chỉ khi cần chiều dày nhỏ hơn 100 µmmới nên dùng phương pháp mạ điện Chiều dày lớp mạ điện kẽm được quyđịnh trong các tiêu chuẩn nhà nước hoặc tiêu chuẩn của nhà sản xuất vàthường dao động trong giới hạn sau:

- Làm việc với môi trường ăn mòn rất mạnh cần mạ dày 36-42 µm

- Làm việc với môi trường ăn mòn mạnh cần mạ dày 25-30 µm

- Làm việc với môi trường ăn mòn trung bình cần mạ dày 12-15 µm

- Làm việc với môi trường ăn mòn yếu cần mạ dày 3-5 µm

2.1.4.2 Vật liệu Niken

Niken (Ni) là kim loại nhận được nhiều sự chú ý trong ứng dụng làmlớp mạ điện nhờ vào đặc tính chống ăn mòn và mài mòn tốt so với các kimloại khác Hầu như 12% lượng tiêu thụ Ni trên toàn thế giới được dùng cho

mạ điện lớp phủ Ni Mục đích chính của lớp mạ điện Ni là sử dụng như lớpphủ trang trí, lớp mạ điện Ni giúp tăng cường sức hấp dẫn và nâng cao giá trịcủa sản phẩm đối với người tiêu dùng [22] Trong công nghiệp, lớp mạ điện

Ni được dùng để cải thiện mài mòn và chống ăn mòn, sửa chữa những chi tiếtkim loại bị xói mòn, cải thiện những tính chất từ, chế tạo bề mặt đế cho mục

đích trang trí hay tổng hợp các lớp phủ hữu cơ cũng như trong nhiều mụcđích ứng dụng khác

Lớp mạ niken trên nền thép được ứng dụng trong mạ bảo vệ trang trí,

ví dụ như:

- Các chi tiết đồng hồ (2 micromet)

- Trang trí và tạo khả năng phản xạ (6 micromet)

- Bề mặt ma sát với các vật nặng (12 micromet)

- Các chi tiết máy (18 micromet)

- Mạ niken trên nền đồng được ứng dụng trong một số ví dụ sau đây:

- Mạ bảo vệ trang trí

- Dụng cụ y tế (9-12 micromet)

- Dụng cụ nghề - lắp ráp (18 micromet)

- Các chi tiết của đồng hồ (2 micromet)

- Lò xo, màng, các chi tiết dày 0,5 mm (3-6 micromet)

2.1.5 Tổng quan về mạ điện

Hình 2: Sơ đồ mạ điện

Mạ điện là quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt vật liệu dẫn điện

để cải thiện những tính chất cơ, lý, hóa Mạ điện được dùng trong nhiềungành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kính thước, trang sức,

tăng độ cứng, phản quang và nhiệt, dẫn điện, thấm dầu, dễ hàn, dẫn nhiệt Vềnguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại hoặc có thể là hợp kim, đôi khi còn

là chất polymer, gốm sứ hoặc composit của kim loại – polymer hoặc kim loạigốm

Khi có điện thế đủ lớn giữa catot và anot, quá trình điện phân sẽ xảy ra,ion kim loại Mn+ trong dung dịch đến bề mặt catot (vật mạ) nhận điện tử đểthành kim loại M và kết tủa lên vật mạ:

Mn+ + ne = M (1)Anot thường là kim loại cùng loại với lớp mạ, khi đó phản ứng ứnganot chính là sự hòa tan nó thành ion Mn+ đi vào dung dịch:

- Nguồn điện một chiều

Trong một số trường hợp mạ điện phải dùng anot trơ (không tan), nênion kim loại được định kỳ bổ sung ở dạng muối vào dung dịch, lúc đó phảnứng chính trên anot chính là giải phóng oxi, khối lượng kim loại m kết tủa lêndiện tích S của vật cần mạ có thể tính dựa theo định luật Faraday:

𝑚 𝑆 𝐷𝑐 = 𝑡 ( ) 𝐻 𝐶 𝑔 (3)Trong đó:

- S là diện tích mạ (dm )2

- 𝐷𝑐 là mật độ dòng điện catot (A/dm )2

- 𝑡 là thời gian mạ (h), là hiệu suất dòng điện𝐻

- 𝐶 là đương lượng điện hóa của ion kim loại mạ(g/Ah)

Đây là kỹ thuật phổ biến để tạo ra lớp kim loại hay hợp kim trên bề mặtcủa vật liệu dẫn điện nhằm mục đích bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị ăn mòn,chống mài mòn, chống ma sát, tạo lớp mạ dẫn điện tốt hơn kim loại gấp nhiềulần, lại không gỉ, lớp mạ cho độ cứng cao, chịu được các lực tác dụng màkhông bị bong tróc, tạo lớp mạ bóng sáng, bền nhiệt cao Để tăng độ cứng,tăng tính chất chống ăn mòn, chống mài mòn, tăng độ bám dính cũng như cảithiện nhiều tính chất cơ học khác của lớp mạ, người ta thường sử dụng thêmvật liệu gia cường có kích thước cỡ micronmet Vật liệu gia cường chủ yếuđược lựa chọn là những vật liệu có độ cứng cao, khó nóng chảy, bền vềphương diện hoá học cũng như cơ học.

Sự có mặt của thành phần gia cường bên trong lớp mạ điện kim loại tạo

ra những thay đổi cơ bản về cấu trúc dẫn đến thay đổi về các tính chất cơ-lý.Một số nghiên cứu về vật liệu nano compozite nền kim loại đã chứng minhcác tính chất cơ của vật liệu composte như độ bền uốn, độ cứng, độ bền kéo,

độ bền nén có thể được cải thiện thông qua việc thêm vào kim loại nền cáchạt nano

độ ăn mòn các lớp mạ Zn-Ni giảm khi hàm lượng Ni tăng lên Kết quả về sựđảo cực của các lớp mạ có hàm lượng Ni cao cho thấy có sự hoà tan chọn lọc

Zn Do đó, để bảo vệ tốt cho thép, có thể sử dụng các lớp phủ hợp kim cóhàm lượng Ni nhỏ hơn 15%

2.1.7 Giới thiệu về vật liệu CNTs gia cường vào Zn-Ni

Mạ điện là một quá trình hình thành lớp phủ kim loại hay hợp kim trên

bề mặt của vật liệu dẫn điện nhằm mục đích bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị ănmòn, chống mài mòn, chống ma sát, tạo lớp mạ dẫn điện tốt hơn kim loại gấpnhiều lần, lại không gỉ, lớp mạ cho độ cứng cao, chịu được các lực tác dụng

mà không bị bong tróc, tạo lớp mạ bóng sáng, bền nhiệt cao Để tăng độcứng, tăng tính chất chống ăn mòn, tăng độ bám dính cũng như cải thiệnnhiều tính chất cơ học khác của lớp mạ, người ta thường sử dụng thêm vậtliệu gia cường có kích thước cỡ micronmet Vật liệu gia cường chủ yếu đượclựa chọn là những vật liệu có độ cứng cao, khó nóng chảy, bền về phươngdiện hoá học cũng như cơ học Sự có mặt của thành phần gia cường bên tronglớp mạ điện kim loại tạo ra những thay đổi cơ bản về cấu trúc dẫn đến thayđổi về các tính chất cơ-lý Một số nghiên cứu về vật liệu nano compozite nềnkim loại đã chứng minh các tính chất cơ của vật liệu composte như độ bềnuốn, độ cứng, độ bền kéo, độ bền nén có thể được cải thiện thông qua việcthêm vào kim loại nền các hạt nano

Lớp mạ điện kẽm niken được sử dụng để bảo vệ bề mặt kim loại khỏicác tác động của môi trường hoặc trang trí Để cải thiện hơn nữa các tính chất

cơ lý của lớp mạ như độ cứng, chống mài mòn người ta thường sử dụng thêmvật liệu gia cường Sự có mặt của thành phần gia cường bên trong lớp mạđiện kẽm niken tạo ra những thay đổi cơ bản về cấu trúc dẫn đến thay đổi vềcác tính chất cơ-lý, tính chất chống mài mòn, chống ăn mòn, độ bám dính.Những năm gần đây, nhiều loại vật liệu gia cường cấu trúc nano có độ bền cơhọc cao đã được sử dụng Trong đó, vật liệu CNTs là một đại diện tiêu biểu

có tiềm năng lớn trong ứng dụng làm thành phần gia cường để tăng cườngtính chất bảo vệ cho lớp mạ điện Zn-Ni

2.2 Phương pháp tiến hành

2.2.1 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện ở bảng 1:

Bảng 1 : Hóa chất sử dụng