đồ án tốt nghiệp- mạ composit hoá học

Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 LỜI CẢM ƠN Sau ba tháng làm đồ án tốt nghiệp, tới nay em đã hoàn thành bản đồ án này. Ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân, em còn nhận được sự giúp đỡ tận tình của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, em xin trân trọng cảm ơn đến thầy giáo TS. Mai Thanh Tùng, người đã quan tâm và trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án này. Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn Điện hoá đã chỉ bảo và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho em có thể thực hiện bài đồ án của mình một cách tốt nhất. Nhân dịp này, em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân, bạn bè đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình làm đồ án. Đây là bản đồ án với hướng nghiên cứu mới, thêm vào đó trong quá trình thí nghiệm, do hạn chế về mặt thời gian nên không tránh khỏi sai sót, em kính mong được các thầy cô chỉ bảo để em hoàn thiện hơn nữa kiến thức của mình. Em mong với nỗ lực của bản thân tuy nhỏ nhưng qua bản đồ án này sẽ góp phần vào sự phát triển ngành mạ nói riêng cũng như góp phần vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật Việt Nam nói chung. Hà nội, ngày 24 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Bùi Thu Hà ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 1 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ĐẦU 4 Phần 1 6 TỔNG QUAN 6 1.1 Lý thuyết chung về mạ hoá học 6 1.1.1 Khái niệm chung 6 1.1.2 Cơ chế phản ứng mạ hoá học 8 1.1.3 Vai trò của nhạy hoá và hoạt hoá 11 1.1.4 Những đặc điểm và ứng dụng của lớp mạ hoá học: 12 1.2 Lớp mạ Nickel hoá học – electroless Nickel (EN) 15 1.2.1 Cơ chế mạ EN 15 1.2.2 Các tính chất của lớp mạ EN 17 1.2.2.1 Các tính chất vật lý 17 1.2.2.2 Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ EN 20 1.2.2.3 Ứng suất nội của lớp phủ EN 22 1.2.2.4 Các tính chất cơ của lớp phủ EN 24 1.2.2.5 Khả năng chống mài mòn của lớp phủ EN 28 1.2.3 Những ứng dụng của lớp mạ Ni hoá học: 28 1.2.4 Đặc điểm vận hành của mạ Nickel hoá học 34 1.2.4.1 Vận hành bể mạ 34 1.2.4.2 Hiện tượng tự phân huỷ 34 1.2.4.3 Ảnh hưởng của các thông số đến tốc độ mạ Nickel hoá học 34 b. pH 36 c. Chất tạo phức 38 d. Chất ổn định 40 1.3 Lớp phủ Nickel composit hoá học 47 1.3.1 Giới thiệu chung về lớp phủ hoá học composit 47 1.3.2 Tính chất chống mài mòn của lớp phủ 48 1.3.3 Hệ số ma sát (Friction Coefficient) 53 1.3.4 Độ nhám 55 1.3.5 Sự tác động lẫn nhau giữa hạt và dung dịch 58 Phần 2 62 THỰC NGHIỆM 62 2.1 Chuẩn bị các mẫu và dung dịch 62 2.1.1 Dung dịch mạ hoá học 62 2.1.2 Chuẩn bị mẫu 63 2.1.3 Dung dịch nhạy hoá và hoạt hóa 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 2 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 2.2 Các phép đo 65 2.2.1 Đo cơ tính (đo độ cứng) 65 2.2.2 Xem hình thái bề mặt lớp mạ 65 2.2.3 Các phép đo điện hoá 67 2.2.4 Xem cấu trúc lớp mạ 71 Phần 3 74 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 74 3.1 Kết quả đo độ cứng 74 3.2 Chụp ảnh SEM 74 3.3 Các phép đo điện hoá 77 3.3.1 Phép đo E – t 77 3.3.2 Phép đo ăn mòn 78 3.3.3 Phép đo phổ tổng trở 80 3.3.4 Phân tích cấu trúc lớp phủ XRD 81 Phần IV 83 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 3 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 LỜI NÓI ĐẦU Có nhiều phương pháp khác nhau tạo màng phủ, trong đó mạ điện là phương pháp truyền thống. Nhưng trước những yêu cầu ngày càng cao về màng phủ, đòi hỏi phải hội tụ được nhiều tính chất trong cùng một màng phủ có thể ứng dụng được trong nhiều trường hợp đặc biệt thì phương pháp mạ điện còn hạn chế. Mạ hoá học ra đời đã góp phần giải quyết được yêu cầu này. Mạ hoá học tuy ra đời khá muộn nhưng đã nhanh chóng khẳng định được vai trò của nó trong công nghệ tạo màng phủ. Trong mạ hoá học thì mạ Nickel hoá học là quan trọng nhất, được quan tâm nhiều nhất và cũng có ứng dụng nhiều nhất. Mạ Nickel hoá học thực chất là tạo màng phủ hợp kim Ni-P hoá học. Nó vừa là lớp mạ trang sức vừa là lớp mạ bảo vệ. Thực tế đã khẳng định được mạ hoá học có nhiều ưu điểm hơn so với mạ điện. Ngày nay trên thế giới, mạ hoá học nói chung và mạ Nickel hoá học nói riêng đang rất phát triển. Được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng, đặc biệt nó tỏ ra có hiệu quả trong những ngành công nghệ cao như điện tử viễn thông, ôtô, không gian, đòi hỏi độ chính xác cao… Ở Việt Nam, mạ hoá học là ngành còn mới mẻ, hiện nay chưa có một công ty nào sản xuất màng phủ bằng phương pháp hoá học. Các trung tâm - viện nghiên cứu ít quan tâm đến mạ hoá học do còn nhiều nguyên nhân khác nhau. Tài liệu và những hiểu biết về mạ hoá học còn ít và hạn chế. Đặc biệt, hiện nay lớp mạ Nickel hoá học đã phát triển sang loại lớp mạ Nickel hoá học composit là hướng nghiên cứu rất mới, với những tính chất mới có thể cải thiện cả những tính chất lớp phủ Nickel hoá học hiện còn chưa đạt tới như làm tăng độ cứng, nâng cao tính chất chịu mài mòn và chịu ma sát… Hy vọng trong tương lai nó sẽ thu hút được sự quan tâm của cả người nghiên cứu và người sử dụng. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 4 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Do đó, nhiệm vụ làm tốt nghiệp của tôi là nghiên cứu lớp mạ Nickel hoá học composit cụ thể là: Nghiên cứu công nghệ mạ hoá học hợp kim Nickel có cơ tính cao. Hy vọng bản đồ án này góp phần cung cấp thêm về mạ Nickel hoá học nói chung và mạ Nickel hóa học composit. Chắc chắn trong một tương lai gần, mạ hoá học nói chung và mạ Nickel hoá học nói riêng cùng với mạ Nickel hoá học composit sẽ phát triển ở Việt Nam để có thể khai thác những ưu điểm của nó. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 5 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Phần 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết chung về mạ hoá học 1.1.1 Khái niệm chung Quá trình kết tủa lớp kim loại hay hợp kim lên bề mặt vật rắn nhờ các phản ứng hoá học mà không cần đến dòng điện ngoài gọi là quá trình mạ hoá học hay còn gọi là mạ không điện. Mạ hoá học có thể chia làm ba loại khác nhau • Mạ tiếp xúc Đặc điểm: Nhúng vật cần mạ là kim loại M 1 vào dung dịch của một muối kim loại M n+ thì sẽ xảy ra phản ứng đẩy: M n+ + M 1 = M + M 1 n+ (1.1) Như vậy, M kết tủa thành lớp mạ hoá học lên M 1 , đồng thời bề mặt kim loại M 1 bị tan ra. Động lực của phản ứng này là hiệu số điện thế giữa hai kim loại ấy. Quá trình mạ chậm dần và ngừng hẳn khi bề mặt nền M 1 bị che lấp và phủ kín bởi M, khiến cho nền không tan được nữa. Cách này cho lớp mạ mỏng (<10 μm), xốp, bám kém. Ví dụ: Nhúng thép vào dung dịch CuSO 4 sẽ được lớp Cu trên thép Fe + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu (1.2) • Nội điện phân Đặc điểm: Nhúng vật cần mạ kim loại M 1 vào dung dịch của muối kim loại M n+ sẽ không xảy ra kết tủa như trên với φ o MM n / + < φ 1 / 1 o MM m + . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 6 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Muốn có lớp mạ M trên M 1 phải nhúng thêm thanh kim loại M vào dung dịch và nối ngắn mạch nó với nền M 1 . Khi đó thanh M sẽ tan ra và kết tủa trên nền M 1 : * anôt trên thanh M: M – ne = M n+ (1.3) * catôt trên nền M 1 : M n+ + ne = M (1.4) Động lực thúc đẩy quá trình này là hiệu số điện thế giữa hai kim loại và kim loại âm hơn phải có cơ hội tan ra được. Khi bề mặt nền bị phủ kín cũng là lúc quá trình mạ kết thúc. Lớp mạ mỏng (<10μm), xốp, bám kém. Ví dụ: Nhúng thép vào dung dịch ZnSO 4 phải nối thêm thanh Zn kim loại với thép mới thu được lớp mạ Zn trên thép. • Tự xúc tác Đặc điểm: Quá trình mạ này dựa vào phản ứng oxi hoá-khử, trong đó chất khử R là một hoá chất nằm trong thành phần của dung dịch mạ và kim loại kết tủa M phải có tác dụng xúc tác cho phản ứng ấy. Động lực của quá trình này là khả năng xúc tác của kim loại kết tủa M đối với phản ứng oxi hoá chất khử: R – ne = O. Cách này cho lớp mạ dày từ 1 đến 100 μm. Ví dụ: Mạ Ni hoá học: Khử: Ni 2+ + 2e = Ni φ o Ni 2+ /Ni = - 0,25V (1.5) Oxi hoá: H 3 PO 2 + H 2 O = H 3 PO 3 + 2H + + 2e φ 2 / 333 o POHPOH = - 0,5 V (1.6) Phản ứng tổng: Ni 2+ + H 3 PO 2 + H 2 O = Ni + H 3 PO 3 + 2H + (1.7) E o = φ o Ni 2+ /Ni - φ 2 / 333 o POHPOH = 0,25 V Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu quá trình mạ hoá học tự xúc tác. Còn mạ tiếp xúc hay mạ nội điện phân là công nghệ thu được lớp mạ nhờ phản ứng trao đổi. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 7 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Đặc điểm của lớp mạ này là công nghệ đơn giản, lớp mạ mỏng, chỉ dùng cho trường hợp không cần độ dày lớp mạ hoặc lớp mạ lót trước khi mạ. Mạ hoá học theo kiểu tự xúc tác thì có những đặc điểm và yêu cầu sau:  Điện thế bị oxi hoá chất khử trong dung dịch cần nhỏ hơn điện thế bị khử ion kim loại, làm cho kim loại có thể kết tủa trên nền.  Phản ứng chỉ được tiến hành trên bề mặt chi tiết do tác dụng xúc tác, trong dung dịch phản ứng không được sinh ra để tránh sự phân huỷ tự nhiên của dung dịch.  Điều chỉnh nhiệt độ, pH dung dịch có thể khống chế tốc độ khử kim loại, tức là điều chỉnh tốc độ mạ.  Kim loại bị khử tách ra, có tác dụng xúc tác, như vậy lớp mạ mới tăng độ dày.  Chất sinh ra trong phản ứng không cản trở quá trình mạ, tức là dung dịch có tuổi thọ sử dụng phù hợp. 1.1.2 Cơ chế phản ứng mạ hoá học • Thuyết thế hỗn hợp Khi quá trình mạ hoá học được tiến hành thì ion phức kim loại ML m n+ sẽ khử thành nguyên tử kim loại M, đồng thời chất khử R bị oxi hoá thành dạng O n+ . Các phản ứng này có bản chất giống như phản ứng điện hoá, nó gồm các phản ứng catot, và các phản ứng anot riêng biệt, xảy ra đồng thời trên cùng một bề mặt nền: Phản ứng catot: ML m n+ + ne = M + mL (1.8) Phản ứng anot: R - ne = O n+ (1.9) Phản ứng tổng: ML m n+ + R = M + mL + O n+ (1.10) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 8 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Hai phản ứng (1.8) và (1.9) xác lập nên thế mạ hoá học, được gọi là thế hỗn hợp. Hình 1.1 thể hiện khái niệm thế hỗn hợp dùng để mô tả nguyên tắc phản ứng mạ hoá học. Theo cách hiểu này thì phản ứng tổng được xem là một tổ hợp đơn giản các hành vi điện hoá của hai phản ứng riêng phân (được xác định một cách độc lập ) lại mà thành. Thực ra quá trình mạ hoá học xảy ra phức tạp hơn nhiều so với những điều vừa trình bày ở trên. Bởi vì các phản ứng riêng phần không xảy ra một cách độc lập mà còn có sự tương tác và phụ thuộc lẫn nhau, ngoài ra còn có các phản ứng phụ xảy ra đồng thời. Do đó, các đường sẽ biến dạng và trở nên phức tạp hơn nhiều so với đường ghép đơn giản từ hai phản ứng độc lập lại với nhau như ở hình 1.1. Mặc dù có những giới hạn như vậy, thuyết thế hỗn hợp vẫn có ích trong việc nghiên cứu tìm hiểu về tính chất của từng phản ứng riêng phần trong quá trình mạ hoá học. • Cơ chế tổng quát: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 9 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Quá trình mạ hoá học xảy ra rất phức tạp, đa dạng vì nó còn phụ thuộc vào đặc điểm của từng hệ mạ và từng loại chất khử khác nhau. Tuy nhiên, chúng vẫn có một số điểm chung là: - Quá trình mạ hoá học nào cũng luôn kèm theo sự thoát khí hydro. - Các kim loại có khả năng mạ hoá học được đều có tác dụng xúc tác nhận – tách hydro. - Các chất làm ngộ độc phản ứng nhận, tách hydro như tioure, mercaptobenzotiazol… đồng thời cũng có khả năng làm ổn định dung dịch mạ hoá học. Các phản ứng kết tủa hoá học thường được kích hoạt khi tăng pH. Từ các đặc điểm đó, người ta xây dựng thành một cơ chế tổng quát chung cho mọi quá trình mạ hoá học như sau: Anot: Tách hydro : RH → R + H (1.11) Oxi hoá : R + OH → ROH + e (1.12) Kết hợp : H + H → H 2 (1.13) Oxi hoá : H + OH → H 2 O + e (1.14) Catot: Kết tủa kim loại : M n+ + ne → M (1.15) Thoát hydro : 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH (1.16) Trong đó: RH - chất khử, chúng hấp phụ lên bề mặt kim loại mạ, phân ly thành gốc R và nguyên tử hydro theo phản ứng (1.11) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 10 [...]... của lớp mạ Ni hoá học: Mạ hoá học hiện nay thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Đã có nhiều hệ mạ hoá học ra đời trong đó hệ mạ hoá học Ni là quan trọng nhất nhờ những ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 28 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 tính chất nổi bật như đã được nêu Do vậy ứng dụng của lớp mạ Ni hoá học cũng rất phong phú và đa dạng (Hình 1.5) Hình 1.5: Biểu đồ ứng dụng lớp mạ EN... ứng dụng của lớp mạ hoá học: • Ưu điểm lớp mạ hoá học: Lớp mạ hoá học có những tính chất nổi bật mà lớp mạ điện hoá không có được, đó là: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 12 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48  Khả năng phân bố rất tốt, hơn hẳn mạ điện, được thể hiện ở sự đồng nhất của lớp mạ trên cùng bề mặt nền ngay cả những vùng khuất-hốc-kín nên rất thuận tiện cho trường hợp cần mạ trong lòng ống,... dung dịch ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 14 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Do đó mà vấn đề thường gặp trong mạ hoá học là sự lão hoá dung dịch và sự lãng phí dung dịch Sự lão hoá dung dịch cũng ảnh hưởng không tốt đến tính chất của lớp mạ Tuổi thọ của dung dịch không cao  Mặt khác, mạ hoá học thực hiện ở nhiệt độ tương đối cao nên dung dịch mạ hoá học cũng đắt hơn so với dung dịch mạ điện Do... vậy giá thành mạ hoá học cũng cao hơn mạ điện Vì vậy, để đảm bảo chất lượng lớp mạ hoá học cần phải có sự kiểm tra, điều chỉnh kịp thời thành phần bể mạ hoá học Để tăng tính cạnh tranh với những lớp phủ khác, cần phải tiếp tục nghiên cứu cả về công nghệ và chế độ mạ hoá học có thể được ở nhiệt độ trung bình, kéo dài thời gian phục vụ có ích của dung dịch mạ hoá học 1.2 Lớp mạ Nickel hoá học – electroless... độ kháng từ tương đối thấp được dùng co việc khử từ Tính kháng từ của nó thay đổi từ 0 kháng từ của lớp mạ Ni điện hoá thay đổi từ 40 ÷ 80 oe, còn độ ÷ 120 oe Hầu hết các lớp phủ Ni-B có tính từ yếu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 19 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Lớp phủ EN không có từ tính sẽ trở nên có từ tính yếu sau khi được xử lý nhiệt từ 300 đến 400oC do có sự tinh thể hoá Tính kháng... được cấu trúc lớp mạ, thành phần pha một cách đơn giản nhờ xử lý nhiệt khâu hoàn thiện lớp mạ hay thay đổi thành phần dung dịch và qua đó tạo nên vật liệu mới  Có thể mạ hoá học composit như Ni-P-kim cương, Ni-P-SiC, Ni-P-Graphit… đặc biệt là Ni-PTFE (polytetrafloroetylen) có tính tự bôi trơn tốt, ma sát thấp, chống ăn mòn cao… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 13 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48... khác Theo tài liệu đánh giá về giá trị thương mại của lớp phủ EN dùng cho chức năng tạo đĩa ghi từ nhôm: Năm 1995 – 230 triệu đĩa Năm 1996 – 288 triệu đĩa Năm 1997 – 354 triệu đĩa Năm 1998 – 435 triệu đĩa Trên kết quả thống kê năm 1993, giá trị thương mại của lớp EN là 200 triệu USD so với lớp mạ đồng hoá học là 80 triệu USD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 29 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Đĩa... phần mạ có thể làm chậm quá trình từ hoá, cải tiến công nghệ mạ góp phần đưa lớp mạ EN trở thành hoàn hảo hơn cho đĩa ghi từ nhôm Công nghiệp điện tử: Lớp mạ hoá học Ni-P được dùng nhiều trong công nghiệp điện tử để : Tăng tính dễ hàn Làm đế không từ tính trong các bộ phận mang từ Chế tạo các vật liệu có độ dẫn thích hợp theo yêu cầu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 30 Bùi Thu Hà - Điện Hoá. .. dẫn hướng sóng rada… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 33 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 - Công nghiệp dệt: các đầu kim dệt, máy kéo sợi… 1.2.4 Đặc điểm vận hành của mạ Nickel hoá học 1.2.4.1 Vận hành bể mạ Hàm lượng P phụ thuộc rất nhiều vào pH, nhiệt độ và tỷ lệ các ion trong dung dịch Trong quá trình mạ, nồng độ các cấu tử, pH và nhiệt độ cũng thay đổi mạnh trên bề mặt vật mạ và tại các vị trí... chống ăn mòn tốt nên được dùng cho mạ xylanh, piston, bộ phận hãm để chống mài mòn Hình 1.9: mạ hoá học Ni để nâng cao khâu hoàn thiện bề mặt của piston Ngành hàng không: Các chi tiết trên máy bay như cánh quạt phải làm bằng nhôm để giữ cho trọng lượng luôn là nhỏ nhất, để bảo vệ các chi tiết như vậy thì thường không sử dụng được ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 32 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 . phần mạ EN. 1.1.4 Những đặc điểm và ứng dụng của lớp mạ hoá học: • Ưu điểm lớp mạ hoá học: Lớp mạ hoá học có những tính chất nổi bật mà lớp mạ điện hoá không có được, đó là: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ. hoá học nói chung và mạ Nickel hoá học nói riêng cùng với mạ Nickel hoá học composit sẽ phát triển ở Việt Nam để có thể khai thác những ưu điểm của nó. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 5 Bùi. phản ứng riêng phần trong quá trình mạ hoá học. • Cơ chế tổng quát: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOÁ HỌC 9 Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48 Quá trình mạ hoá học xảy ra rất phức tạp, đa dạng