Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình hình thành lớp mạ hóa học đồng

Qua quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch đến quá trình hình thành lớp mạ hóa học đồng trên composite ΑГ-4в có thể rút ra kết luận rằng, nhiệt độ tối ưu từ 25 ÷ 30oC; Thời gian mạ ngắn nhất là 450 phút để đạt độ dẫn điện của lớp mạ ≥ 1,6.105 S/cm, chiều dày lớp mạ ≥ 6 μm; Tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch tối ưu nằm trong khoảng 2,5/1 ÷ 3/1 (dm2 /L).

Hóa học Kỹ thuật mơi trường ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN Q TRÌNH HÌNH THÀNH LỚP MẠ HÓA HỌC ĐỒNG Đinh Văn Long*, Nguyễn Nhật Huy, Đoàn Tuấn Anh, Phạm Tuấn Anh, Lê Viết Bình, Mai Văn Phước, Ngơ Minh Tiến Tóm tắt: Qua trình nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch đến q trình hình thành lớp mạ hóa học đồng composite ΑГ-4в rút kết luận rằng, nhiệt độ tối ưu từ 25 ÷ 30oC; Thời gian mạ ngắn 450 phút để đạt độ dẫn điện lớp mạ ≥ 1,6.105 S/cm, chiều dày lớp mạ ≥ μm; Tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch tối ưu nằm khoảng 2,5/1 ÷ 3/1 (dm2/L) Từ khóa: Mạ hóa học đồng; Composite AГ-4в MỞ ĐẦU Vật liệu composite số vật liệu tiên tiến ứng dụng phổ biến để chế tạo vũ khí Tiêu biểu phải kể đến loại tên lửa cỡ nhỏ tên lửa chống tăng B72 Hiện nay, loại tên lửa Việt Nam cải tiến, nâng cấp nên tiêu diệt loại xe tăng hệ mới, kể loại xe tăng có giáp phản ứng nổ Vỏ tên lửa B72 chế tạo sở composite nhựa phenolic cốt sợi thủy tinh mác ΑГ-4в Vật liệu có ưu điểm độ bền cao, nhẹ, thuận lợi cho cách đánh quân đội Việt Nam nhược điểm không dẫn điện Vấn đề khắc phục giải pháp phủ nhiều lớp kim loại dẫn điện lên bề mặt composite Cụ thể tên lửa B72, bề mặt phía thân vỏ đầu nổ mạ lớp kim loại dẫn điện, có vai trị phận dẫn để điểm hỏa cho tên lửa Để đảm bảo độ tin cậy chiều dày lớp mạ phải ≥ μm, độ dẫn điện phải ≥ 1,6.105 S/cm a b Hình a) Tên lửa chống tăng B72 cải tiến; b) Thân vỏ đầu nổ tên lửa B72 Hiện tại, mạ hóa học phương pháp phổ biến để tạo lớp kim loại bề mặt composite nhựa Đối với chức dẫn điện, composite thường mạ hóa học đồng, sau mạ điện hóa thêm lớp Ag Ag-Sb để tăng khả dẫn, tránh tượng phóng điện Trong sở nghiên cứu hay sản xuất Bộ Quốc phịng, việc nghiên cứu cơng nghệ mạ hóa học nói chung hay mạ hóa học đồng nói riêng cịn chưa phổ biến Tuy nhiên, gần đây, việc phát triển nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm số loại tên lửa cỡ nhỏ cần thiết phải sử dụng công nghệ mạ hóa học để chế tạo số chi tiết quan trọng Vì vậy, mạ hóa học quan tâm nghiên cứu nhiều Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch đến hình thành lớp mạ hóa học đồng composite ΑГ-4в khảo sát THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị, vật tư nghiên cứu Các thiết bị sử dụng gồm: tủ sấy 300oC Trung Quốc, máy cắt mẫu Struers tốc 124 Đ V Long, …, N M Tiến, “Ảnh hưởng số thơng số … mạ hóa học đồng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ độ cắt từ 100-400 rpm Đan Mạch, máy khuấy từ gia nhiệt Trung Quốc Hóa chất dùng thí nghiệm: Na3PO4.12H2O (PA, Đức), Na2CO3 (PA, Đức), Na2SiO3 (PA, Đức), SnCl2.2H2O (PA, Trung Quốc), KMnO4 (PA, Đức), H2C2O4 (PA, Đức), Sn (PA, Trung Quốc), HCl (37%, d=1,1 g/cm3) (PA, Trung Quốc), PdCl2.6H2O (PA, SIGMA-ALDRICH Singapore), NaOH (PA, Đức), CuSO4.5H2O (PA, Đức), HCHO (37 41%) (PA, Đức), KNaC4H4O6.4H2O (PA, Đức), nước cất, nước máy 2.2 Chuẩn bị mẫu Các mẫu compozit AГ-4в gia cơng khí đạt kích thước 100  20  2,5 mm chuẩn bị bề mặt trước mạ hóa học theo trình tự bước sau [1, 2]: Bước công nghệ Thành phần Điều kiện Tẩy dầu mỡ NaOH 15g/L, Na2CO3 20g/L, 60 oC, 15 ÷ 20 phút Na3PO4.12H2O 20g/L, Na2SiO3 10g/L Tẩm thực KMnO4 130 g/L, NaOH 55 g/L 70 oC, 10 phút Trung hòa H2C2O4 45 g/L 40 oC, 11 phút Nhạy hóa SnCl2.2H2O 50 g/L, HCl 65 ml/L, Sn 25oC, 10 phút 1÷ g/L Hoạt hóa PdCl2.2H2O g/L, HCl ml/L 25oC, phút 2.3 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu khảo sát tính chất lớp mạ gồm: phương pháp cân khối lượng cân phân tích điện tử PA214 (Hoa Kỳ) Viện Hóa học- Vật liệu; phương pháp đo độ dẫn điện thiết bị DLRO-10 (Anh) theo ASTM B193-16 Học viện KTQS; phương pháp hiển vi quang học thiết bị hiển vi quang học Axio Image A2M (Đức) theo ASTM E3-11 Học viện KTQS; phương pháp hiển vi điện tử quét SEM thiết bị JMS 6610LV-JED2300, JEOL, Nhật Bản Viện Hóa học - Vật liệu; phương pháp thử bền sốc nhiệt thiết bị tủ âm sâu Operon (Hàn Quốc) tủ sấy (Trung Quốc) Viện Tên lửa/Viện KH-CN quân để kiểm tra tính chất lớp mạ Chu trình thử nghiệm sốc nhiệt mẫu composite AГ-4в có lớp mạ đồng thực theo điều kiện kỹ thuật nghiệm thu Liên bang Nga 9П516.00.00.000TY để kiểm tra khả ứng dụng cho chế tạo tên lửa (chu kỳ nhiệt độ môi trường từ -(50 ± 3)oC đến +(50 ± 3) 03 chu kỳ, nhiệt độ giữ thời gian 04 giờ) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến lớp mạ hóa học đồng bề mặt composite AГ-4в Tiến hành khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian đến tốc độ mạ thời gian sử dụng dung dịch (từ bắt đầu mạ đến bắt đầu xảy tượng tự phân hủy) Cố định thành phần dung dịch sau: CuSO4.5H2O 10g/L; KNaC4H4O6.4H2O 50 g/L; NaOH 10 g/L; HCHO (37%) 10 ml/L; pH = 11,5 ÷ 13 Nhiệt độ mạ tiến hành chế độ 25oC, 30oC, 35oC, 40oC, 45oC Ứng với chế độ nhiệt độ, tiến hành khảo sát chiều dày, độ dẫn điện lớp mạ tốc độ mạ thời điểm khác sau mạ 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 180 phút, 300 phút, 450 phút Kết thể bảng Đối với trình mạ tiến hành nhiệt độ 25 ÷ 30oC, không thấy tượng tự phân hủy xảy bổ sung dung dịch để tiến hành mạ thời gian dài Sau thời gian mạ 450 phút (7,5 h), mạ chế độ 25oC đạt chiều dày 6,15 μm, độ dẫn điện đạt 2,3.105 S/cm; mạ chế độ 30oC sau 180 phút đạt độ dẫn điện ≥ 1,6.105 S/cm chiều dày lớp mạ chưa đạt μm, mạ đủ thời gian 450 phút đạt chiều dày 7,25 μm, độ dẫn điện đạt 2,31.105 S/cm Điều chứng tỏ dung dịch mạ ổn định mạ vùng nhiệt Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 125 Hóa học Kỹ thuật mơi trường độ 25 ÷ 30oC, chiều dày lớp mạ ≥ μm, độ dẫn điện ≥ 1,6.105 S/cm, đảm bảo yêu cầu tiêu kỹ thuật Khi mạ nhiệt độ 35oC, dung dịch mạ ổn định khoảng 180 phút đầu bổ sung dung dịch mạ để tiến hành mạ thời gian dài sau khoảng 300 phút (5h) dung dịch mạ xảy tượng tự phân hủy Còn nâng nhiệt độ mạ lên 40oC, 45oC sau thời gian mạ 120 phút, 90 phút, dung dịch mạ xảy tượng tự phân hủy Chiều dày độ dẫn điện lớp mạ trường hợp mạ nhiệt độ ≥ 35oC không đảm bảo ≥ μm ≥ 1,6.105 S/cm Bảng Tốc độ mạ T (μm/h), độ dẫn điện Đ (S/cm), chiều dày lớp mạ C (μm) thời điểm khác ứng với nhiệt độ mạ khác Thời gian 30 phút 60 phút 90 phút 120 phút 180 phút 300 phút 450 phút Nhiệt độ T 1,304 1,240 1,201 1,140 1,020 0,892 0,820 25oC Đ 0,58.105 0,94.105 1,03.105 1,472.105 1,96.105 2,13.105 2,30.105 C 0,652 1,24 1,802 2,280 3,06 4,46 6,15 T 1,726 1,595 1,470 1,422 1,293 1,124 0,966 30oC Đ 0,64.105 1,01.105 1,46.105 1,82.105 2,04.105 2,14.105 2,31.105 C 0,863 1,595 2,205 2,845 3,88 5,62 7,25 T 1,994 1,903 1,792 1,704 1,507 35oC Đ 0,81.105 1,1.105 1,72.105 1,97.105 2,11.105 Phân hủy C 0,997 1,903 2,689 3,408 4,522 T 2,828 2,477 2,280 5 o 40 C Đ 0,98.10 1,63.10 1,96.105 Phân hủy C 1,414 2,477 3,42 T 3,788 3,137 45oC Đ 1,05.105 1,98.105 Phân hủy C 1,894 3,137 Như vậy, thấy rằng, tăng nhiệt độ mạ tốc độ mạ tăng tăng đến 35oC xảy tượng tự phân hủy dung dịch tiến hành mạ thời gian dài Trong giai đoạn đầu, tốc độ mạ xảy nhanh sau tốc độ giảm dần Ảnh SEM bề mặt mẫu mạ nhiệt độ 25oC 30oC sau 450 phút (7,5h) hình Quan sát ảnh SEM nhận thấy bề mặt lớp mạ hai chế độ 25oC 30oC mịn tương đồng Chế độ nhiệt độ sử dụng khảo sát a b Hình Ảnh SEM bề mặt mẫu mạ hóa học đồng 25 oC (a) 30oC (b) sau 450 phút (7,5h) 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch đến lớp mạ hóa học đồng Thơng thường q trình mạ, tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch (dm2/lít) lớn hiệu suất mạ cao Tuy nhiên, khơng thể nâng cao thơng số q 126 Đ V Long, …, N M Tiến, “Ảnh hưởng số thơng số … mạ hóa học đồng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ trình phân hủy dễ dàng xảy Để xác định thông số tối ưu tiến hành khảo sát trình mạ với chế độ sau: Tartrat = 50 g/L; HCHO (37 ÷ 41%) = 10 ml/L; CuSO4.5H2O = 10 g/L; NaOH = 10 g/L; nhiệt độ mạ 25oC; tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch khảo sát mức 2/1; 2,5/1; 3/1; 3,5/1; 4/1 Tốc độ mạ bảng Theo kết bảng 2, tăng tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch từ 2/1 đến 3/1 tốc độ mạ tăng, tỷ lệ lên 3,5/1 tốc độ mạ lại giảm, dung dịch bị phân hủy sau 90 phút hoạt động Khi tỷ lệ lớn 3,5/1, mạ hóa học đồng thường nhanh xảy tượng tự phân hủy khí H2 mãnh liệt tồn khối dung dịch Như vậy, không nên lựa chọn tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch ≥ 3,5/1 Bảng Ảnh hưởng tỷ lệ diện tích mạ (dm2)/thể tích dung dịch (lít) đến tốc độ mạ (μm/h) khoảng thời gian khác Tỷ lệ 2/1 2,5/1 3/1 3,5/1 4/1 Thời gian 1,288 1,304 1,312 1,291 1,183 30 phút 1,236 1,240 1,244 1,204 Phân hủy 60 phút 1,201 1,201 1,203 Phân hủy 90 phút Chiều dày độ dẫn điện lớp mạ sau thời gian 450 phút ứng với tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch khác bảng Bảng Chiều dày C (μm) độ dẫn điện Đ (S/cm) lớp mạ đồng ứng với tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch khác Tỷ lệ 2/1 2,5/1 3/1 Thời gian 6,22 6,15 6,19 C 450 phút 2,17.105 2,3.105 2,24.105 Đ Tiến hành thử sốc nhiệt cho mẫu mạ với tỷ lệ 2/1; 2,5/1; 3/1 theo chế độ ứng dụng cho chế tạo tên lửa Sau thử nghiệm nhận thấy bề mặt lớp mạ không bị bong tróc vị trí Điều chứng tỏ vùng tỷ lệ 2/1 ÷ 3/1, với thời gian mạ hóa học đồng 7,5h, lớp mạ đồng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chiều dày (≥ μm) độ dẫn điện (≥ 1,6.105 S/cm) Hình Ảnh tế vi mặt cắt ngang lớp mạ đồng sau thời gian mạ 23h vật liệu composite AГ-4в, độ phóng đại x500 Mẫu composite mạ với chế độ 3/1 tiếp tục tăng thời gian mạ để khảo sát Khi tăng thời gian mạ đến 23h, chiều dày lớp mạ đồng lớn đạt theo chế độ mạ tối ưu 18,03 μm (hình 3) Độ dẫn điện lớp mạ bảng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 127 Hóa học Kỹ thuật mơi trường TT Độ dẫn điện (S/cm) Bảng Độ dẫn điện lớp mạ hóa học đồng với thời gian mạ 23h Lần Lần Lần Trung bình 2,404.105 2,326.105 2,317.105 2,349.105 Theo kết bảng 4, tăng thời gian mạ lên 23 giờ, độ dẫn điện có tăng lên 2,349.105S/cm mức độ tăng không đáng kể so với mẫu mạ 7,5 (2,24.105S/cm) Điều chứng tỏ với chiều dày > μm, lớp mạ hóa học đồng đảm bảo độ dẫn điện ổn định đồng So với độ dẫn điện kim loại đồng nguyên khối (5,96.105 S/cm) độ dẫn điện lớp mạ hóa học đồng nghiên cứu đạt khoảng 38,7 ÷ 40,33% Xét khía cạnh kinh tế, việc tăng tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch tăng số lượng sản phẩm Vì vậy, điều kiện sản xuất, tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch tối ưu nên nằm khoảng 2,5/1 ÷ 3/1 KẾT LUẬN Các yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch có ảnh hưởng trực tiếp đến hình thành lớp mạ Nhiệt độ phù hợp cho mạ hóa học đồng nằm khoảng 25 ÷ 30oC Thời gian mạ 7,5h đảm bảo chiều dày lớp mạ ≥ μm độ dẫn điện ≥ 1,6.105 S/cm Tỷ lệ diện tích mạ/thể tích dung dịch tối ưu nằm khoảng 2,5/1 ÷ 3/1 Qua thử nghiệm sốc nhiệt theo chế độ ứng dụng cho chế tạo tên lửa Liên Bang Nga nhận thấy bề mặt lớp mạ khơng bị bong tróc vị trí so với thời điểm trước thử nghiệm Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí đề tài “Nghiên cứu cơng nghệ tạo lớp mạ điện hóa hóa học số loại vật liệu đặc biệt ứng dụng để chế tạo chi tiết vũ khí, khí tài quân sự” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mai Thanh Tùng, “Kỹ thuật mạ lên nhựa”, NXB Bách khoa, Hà Nội, 2008 [2] Đinh Văn Long cộng sự, “Mạ hóa học niken, đồng cho số chi tiết tên lửa vật liệu composite polyamide AГ-4в”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 64, 2019, p.120-125 [3] Yong Wang, Cheng Bian, Xinli Jing, “Adhesion improvement of electroless copper plating on phenolic resin matrix composite through a tin-free sensitization”, Applied Surface Science 271, Department of Applied Chemistry, School of Science, Xi’an Jiaotong University, 2013 ABSTRACT EFFECTS OF SOME TECHNICAL PARAMETERS TO THE PROCESS OF FORMULATING COPPER CHEMICAL PLATING By studying the effect of temperature, time and the ratio of plating area / volume of solution to the formation of copper plating on ΑГ-4в composite, it is possible to draw the conclusion that the optimal temperature is 25oC to 30oC; The shortest plating time is 450 minutes to achieve conductivity ≥ 1.6.105 S/cm, coating thickness ≥ μm; The optimal ratio of plating area/volume of solution is within 2.5/1 ÷ 3/1 (dm2/L) Keyworks: Copper chemical plating; AГ-4в composite Nhận ngày 09 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: dinhvanlong2808@gmail.com 128 Đ V Long, …, N M Tiến, “Ảnh hưởng số thơng số … mạ hóa học đồng.” ... thơng số q 126 Đ V Long, …, N M Tiến, ? ?Ảnh hưởng số thơng số … mạ hóa học đồng. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ trình phân hủy dễ dàng xảy Để xác định thông số tối ưu tiến hành khảo sát trình mạ. .. mạ/ thể tích dung dịch có ảnh hưởng trực tiếp đến hình thành lớp mạ Nhiệt độ phù hợp cho mạ hóa học đồng nằm khoảng 25 ÷ 30oC Thời gian mạ 7,5h đảm bảo chiều dày lớp mạ ≥ μm độ dẫn điện ≥ 1,6.105... 3/1, với thời gian mạ hóa học đồng 7,5h, lớp mạ đồng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chiều dày (≥ μm) độ dẫn điện (≥ 1,6.105 S/cm) Hình Ảnh tế vi mặt cắt ngang lớp mạ đồng sau thời gian mạ 23h vật liệu