Chế tạo vật liệu nanocompozit nền cu cốt hạt phân tán al2o3 bằng phương pháp cơ hóa kết hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC DUY ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN CU CỐT HẠT PHÂN TÁN Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HÓA KẾT HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐẶNG THỦY HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn khoa học Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu trước Tác giả luận văn: Nguyễn Đức Duy MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Phần mở đầu 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI 12 1.1 Vật liệu compozit 12 1.1.1 Khái niệm vật liệu compozit 12 1.1.2 Phân loại vật liệu compozit 13 1.2 Vật liệu compozit kim loại 14 1.2.1 Thành phần cấu tạo 14 1.2.1.1 Vật liệu 14 1.2.1.2 Vật liệu cốt 15 1.2.2 Các dạng liên kết - cốt 15 1.2.2.1 Liên kết học 15 1.2.2.2 Liên kết có tạo pha trung gian 16 1.2.2.3 Liên kết hỗn hợp 16 1.3 Vật liệu compozit cốt hạt 16 1.3.1 Compozit hạt thô 17 1.3.1.1 Đặc điểm vật liệu compozit hạt thô 17 1.3.1.2 Một số compozit hạt thô thông dụng 17 1.3.2 Compozit hạt mịn (phân tán) 18 1.3.2.1 Đặc điểm vật liệu compozit hóa bền phân tán 18 1.3.2.2 Một số compozit hóa bền phân tán 19 1.3.3 Lý thuyết hóa bền phân tán 20 -2- 1.3.3.1 Đường lệch bị uốn cong hạt phân tán 23 1.3.3.2 Đường lệch cắt hạt phân tán 24 1.3.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu compozit cốt hạt 25 1.3.4.1 Phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột compozit hạt 25 1.3.4.2 Phương pháp khuếch tán 26 1.3.4.3 Một số phương pháp khác 26 1.4 Tổng quan vật liệu kỹ thuật điện sở Cu - vật liệu compozit Cu 26 1.4.1 Vật liệu kỹ thuật điện yêu cầu vật liệu kỹ thuật điện 26 1.4.2 Đồng - Vật liệu kim loại có điện dẫn cao sử dụng rộng rãi 28 1.4.2.1 Đồng (Cu) tính chất Cu 28 1.4.2.2 Sự hóa bền cách làm nhỏ hạt 31 1.4.2.3 Sự hóa bền dung dịch rắn (hợp kim hóa) 31 1.4.2.4 Sự hóa bền hạt gốm phân tán (compozit) 34 1.5 Vật liệu compozit Cu-Al2O3 40 1.6 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu compozit kim loại nước 41 1.7 Kết luận chương 44 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT Cu-Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HÓA KẾT HỢP 2.1 Cơ sở lý thuyết q trình nghiền - hóa 45 45 2.1.1 Sự phát triển phương pháp nghiền trộn học 45 2.1.2 Cơ chế trình nghiền trộn học 46 2.1.2.1 Sự va chạm trình nghiền 46 2.1.2.2 Sự hàn nguội 47 2.1.2.3 Các giai đoạn trình nghiền trộn học 49 2.1.2.4 Các thơng số q trình nghiền 50 2.2 Lý thuyết trình Ép - Thiêu kết -3- 56 2.2.1 Ép tạo hình kim loại bột - Ép sơ 57 2.2.2 Quá trình thiêu kết 58 2.2.2.1 Cơ sở hóa lý q trình thiêu kết 58 2.2.2.2 Phân loại dạng thiêu kết 60 2.2.2.3 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến q trình thiêu kết 61 2.3 Qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3 phương pháp - hóa kết hợp 62 2.3.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp cơng nghệ 62 2.3.2 Đề xuất qui trình công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 64 2.4 Kết luận chương 65 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT Cu-Al2O3 3.1 Công đoạn nghiền trộn học 66 67 3.1.1 Mục đích trình nghiền bi 67 3.1.2 Phương pháp thực nghiệm 67 3.1.2.1 Thiết bị 67 3.1.2.2 Tính tốn phối liệu 68 3.1.2.3 Chế độ nghiền 70 3.1.2.4 Các giai đoạn q trình nghiền 70 3.2 Cơng đoạn ép tạo hình sơ 80 3.2.1 Mục đích 80 3.2.2 Áp lực ép 80 3.2.3 Phương pháp ép 80 3.2.4 Thiết bị ép 81 3.3 Công đoạn thiêu kết 82 3.3.1 Mục đích 82 3.3.2 Chế độ thiêu kết 82 3.3.3 Thiết bị thiêu kết 82 -4- 3.3.4 Kết trình hoàn nguyên - thiêu kết 3.4 Kết luận chương 83 85 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU Q TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT Cu-Al2O3 4.1 Xác định độ xốp vật liệu 86 86 4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp 86 4.1.2 Kết đo độ xốp vật liệu Cu-Al2O3 88 4.2 Xác định độ cứng vật liệu Cu-Al2O3 89 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu Cu-Al2O3 91 4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 94 4.4.1 Giới thiệu phương pháp 94 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu 95 4.4.2.1 Các bước thực toán qui hoạch thực nghiệm 95 4.4.2.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu 99 4.5 Kết luận chương 101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 -5- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 3.1 4.1 4.2 Tựa bảng Cơ tính hợp kim Cu - 5%Al Cơ tính hợp kim Cu - 7%Al Q trình sản xuất hợp kim Cu [32] Tính chất MZC Cu-Ni-Ti [32] Tính chất vật liệu compozit Cu-1,6%(thể tích)WC trước sau biến dạng [19] Tính chất vật liệu Cu-4,5%(thể tích)TiB2 chế tạo phương pháp phối hợp nghiền trộn học với phản ứng tự sinh nhiệt thiêu kết xung plasma [3] Tính chất số vật liệu compozit Cu-TiB2 sau thiêu kết xung plasma [3] Trang 30 30 32 33 35 39 39 So sánh tính chất vật liêu Cu-4,5%(thể tích)TiB2 số vật liệu điện cực [3] Thành phần (theo khối lượng) hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 40 69 Sự phụ thuộc độ xốp vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) 89 Sự phụ thuộc độ cứng vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) 4.3 Điều kiện thí nghiệm chọn 90 96 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm 97 -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 Tựa hình Sơ đồ phân loại vật liệu compozit theo hình dạng cốt Hình dạng hạt cốt WC Ảnh SEM hạt vật liệu bột Ag Cu Trình tự chuyển động lệch mạng Qui trình cơng nghệ chế tạo sản phẩm bột compozit phương pháp biến dạng tạo hình Một số phương pháp sản xuất vật liệu compozit cốt hạt khác Ảnh hưởng nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện Cu Cơ tính tính dẫn điện Cu nguyên chất [15] Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến độ cứng MZC Cu-Ni-Ti Ảnh TEM cấu trúc tế vi hợp kim Cu-Ni-Ti sau nung (a) 10050K (b) 12270K làm nguội không khí đến nhiệt độ phịng [32] Độ cứng hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC [20] Ảnh TEM hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC ép chảy [20] Một số chi tiết chế tạo từ vật liệu tổ hợp hợp kim Al (A356)-SiC dùng chế tạo máy Sự va chạm bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trình nghiền trộn học Mối quan hệ độ bền liên kết sức căng biến dạng [15] Các giai đoạn trình nghiền trộn học vật liệu dẻo - dẻo Các giai đoạn trình nghiền trộn học vật liệu dẻo - dịn Một số thiết bị thơng dụng dùng để nghiền trộn học Sơ đồ nguyên lý nghiền bi máy nghiền cánh khuấy Kích thước khuôn ép sơ Bề mặt tiếp xúc hỗn hợp vật liệu bột trước (a) sau thiêu kết (b) Sơ đồ qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy Một số chi tiết máy nghiền cánh khuấy -7- Trang 13 20 20 24 25 26 30 31 33 34 36 36 43 47 48 50 50 52 53 58 59 64 68 68 Hình Tựa hình 3.3 3.4 -4 Cân điện tử, độ xác 10 g Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-CuO-Al (a) sau nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph thời gian 16h (b) 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 4.1 4.2 Mẫu bị nứt tách lớp ép sơ với áp lực ép 400 MPa Khuôn chày ép sơ Máy ép thủy lực 100 T Giản đồ thiêu kết mẫu Cu-Al2O3 Lò thiêu kết Linn 1300 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Cu-Al2O3 sau thiêu kết Mơ hình xác định độ xốp vật liệu Cu-Al2O3 Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h, X200 (a), X500 (b) Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X30.000) 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Giản đồ nhiễu xạ rơnghen mẫu hỗn hợp vật liệu bột Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X50.000) Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X80.000) Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm -8- Trang 70 72 72 75 76 77 78 79 80 81 81 82 83 84 87 91 92 92 93 93 95 PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ nói chung, khoa học cơng nghệ vật liệu có phát triển mạnh mẽ Bởi lẽ, vật liệu yếu tố thiết yếu định phát triển công nghiệp quốc gia Nền công nghiệp phát triển yêu cầu chất lượng vật liệu ngày cao, trình độ cơng nghệ sản xuất vật liệu phải đại Vì vậy, khoa học cơng nghệ cần phải có đổi mới, tiếp thu, sáng tạo phương pháp công nghệ tiên tiến, đại công nghệ cao cách kịp thời, nhằm góp phần tích cực, có hiệu vào cơng “cơng nghiệp hố - đại hố” đất nước, đồng thời tiến tới hội nhập bước vào cộng đồng nước khu vực giới Sự đổi cơng nghệ, có cấp thiết phát triển Cơng nghệ vật liệu, địi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội Việt Nam Trước thực tế đó, lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh công nghệ truyền thống cần phải phát triển công nghệ nhằm chế tạo vật liệu có tính chất đặc biệt, có khả đảm bảo tính ổn định cho thiết bị máy móc đại làm việc điều kiện khắc nghiệt Như quy luật tất yếu, nhiều loại vật liệu đời Vật liệu tổ hợp (compozit) đời xu hướng phát triển ngày có vị trí xứng đáng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp kinh tế quốc dân quốc phòng hàng khơng - vũ trụ, điện ngun tử, đóng tàu, chế tạo máy, xây dựng … Vật liệu compozit kết hợp nhiều tính chất ưu việt loại vật liệu khác tạo tính chất hồn tồn có khả thỏa mãn nhu cầu, đa dạng phong phú công nghiệp phát triển tương lai với tính đặc biệt như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu làm việc điều kiện áp suất nhiệt độ cao số tính khác mà vật liệu truyền thống khơng có Vì vậy, vật liệu compozit ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, nhà sản xuất ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân Ở nước ta, việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nói chung, đặc biệt vật liệu tổ hợp kim loại nói riêng cịn hạn chế bắt đầu vài năm gần Việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp kim loại, phát triển theo hai hướng chính, là: nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nghiên cứu -9- 4.3 TỔ CHỨC TẾ VI CỦA VẬT LIỆU Cu-Al2O3 Mẫu sản phẩm vật liệu nanocompozit Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau đo độ xốp độ cứng, dùng để chụp ảnh tổ chức tế vi, kính hiển vi quang học phịng thí nghiệm Kim loại học Nhiệt luyện, Khoa Khoa học Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800, Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam a) b) Hình 4.2 Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h, X200 (a) X500 (b) Trên hình 4.2, ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu bột gia cơng - hóa với chế độ nghiền 620 vg/ph, thời gian 16h, máy nghiền bi kiểu cánh khuấy Sau ép sơ với áp lực ép 300 MPa thiêu kết 7000C 3h Kết cho thấy, bề mặt mẫu sau tẩm thực với độ phóng đại thấp, hạt vật liệu tổ hợp với kích thước tương đối lớn, khoảng 40 µm, xen đường biên hạt lỗ xốp có kớch c khong ữ5 àm Pha mu trng lỗ xốp dung dịch tẩm thực bột mài khơng làm hết q trình chuẩn bị mẫu Vì vậy, để quan sát xác định cách xác tồn pha nano Al2O3 mức độ phân bố Cu, cần phải soi chụp tổ chức tế vi mẫu vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 với độ phân giải lớn kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (hình 4.3) - 90 - Hình 4.3 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 Tổ chức tế vi hạt mẫu sản phẩm vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 chụp độ phân giải cao (hình 4.4) kính hiển vi điện tử qt cho thấy, có pha phân tán Al2O3 với kích cỡ mịn khoảng 50 ÷ 100 nm, hạt vùng giàu Al2O3 với kích cỡ nhỏ 1µm nằm phân bố Cu Điều cho thấy, tiếp tục tăng lượng nghiền trộn hàm lượng hạt nano Al2O3 phân bố nhiều vào Cu Kết phân tích quan sát tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phân giải cao, lần khẳng định hình thành hạt nano Al2O3 phân tán Cu Al2O3 Cu Vùng giàuAl2O3 Hình 4.4 Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X30.000) - 91 - Al2O3 Hình 4.5 Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X50.000) Hình 4.6 Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau thiêu kết 7000C 3h (X80.000) - 92 - 4.4 XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU TỐI ƯU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU Cu-Al2O3 Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu tổng hợp chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-10%(khối lượng)Al2O3 phương pháp - hóa kết hợp máy nghiền bi cánh khuấy Các kết phân tích, chứng tỏ phương pháp tổng hợp thành công vật liệu nanocompozit Cu cốt hạt Al2O3 phân tán có kích cỡ mịn khoảng 50 ÷ 100 nm, hạt vùng giàu Al2O3 với kích cỡ nhỏ µm Qua đó, khẳng định tính đắn việc lựa chọn phương pháp tổng hợp qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3, bước đầu cho thấy hình thành pha nano Al2O3 với kích cỡ nanomét, pha nano Al2O3 phân tán hóa bền Cu cách hiệu … Vì vậy, tác giả tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa q trình cơng nghệ ép thiêu kết chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-10%(khối lượng)Al2O3 4.4.1 Giới thiệu phương pháp Để nghiên cứu tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3, sử dụng số phương pháp: - Phương pháp biểu đồ; - Phương pháp giải tích; - Phương pháp thống kê; - Phương pháp qui hoạch hóa thực nghiêm Ba phương pháp có ưu điểm xác Tuy nhiên, để xây dựng mơ hình biểu diễn mối quan hệ chất lượng sản phẩm điều kiện thí nghiệm ta phải tìm qui luật thay đổi Có nghĩa tiến hành thí nghiệm bắt buộc có thay đổi vài biến định Như số thí nghiệm lớn, điều kiện thí nghiệm phải khắt khe, xác Điều khơng phải làm được, điều kiện thí nghiệm Mặt khác, chất lượng sản phẩm không phụ thuộc vào yếu tố xét, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên ta biết trước xác, yếu tố làm giảm độ tin cậy kết đo - 93 - Với phương pháp qui hoạch thực nghiệm, có ưu điểm chủ động bố trí thí nghiệm, cho: số thí nghiệm ít, tính tốn gọn, đơn giản mà đảm bảo độ xác định Vì vậy, với mục đích nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3 tổng hợp từ vật liệu ban đầu bột Cu; bột CuO bột Al phương pháp - hóa kết hợp như: độ xốp, độ cứng Tác giả lựa chọn phương pháp nhằm tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-10%(khối lượng)Al2O3 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu X1 X2 X3 Z1 Z2 Z3 Đối tượng nghiên cứu Y1 Y2 Hình 4.7: Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm Trong đó: Xi (i = ÷ 3): yếu tố ngẫu nhiên (không xét) Zi (i = ÷ 3): yếu tố ảnh hưởng (điều khiển được) Yi (i = ÷ 2): yếu tố khảo sát (hàm mục tiêu) 4.4.2.1 Các bước thực toán qui hoạch thực nghiệm ™ Chọn yếu tố ảnh hưởng: Z1: Nhiệt độ thiêu kết, oC Z2: Thời gian thiêu kết, Z3: Áp lực ép, MPa ™ Chọn hàm mục tiêu: Y1: Độ xốp, % ; Y2: Độ cứng, HV Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y1 = f(Z1, Z2, Z3) ; Y2 = f(Z1, Z2, Z3) - 94 - (4.5) ™ Chọn miền khảo sát: Theo nghiên cứu phân tích, miền khảo sát yếu tố sau: + Nhiệt độ thiêu kết: T = 700 ÷ 900 oC + Thời gian thiêu kết: τ = ÷ + Áp lực ép sơ bộ: P = 100 ÷ 300 MPa Từ xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 4.3 Bảng 4.3: Điều kiện thí nghiệm chọn Các mức Mức (+1) Mức sở (0) Mức (-1) Khoảng biến thiên o Z 1, C 900 800 700 100 Các yếu tố ảnh hưởng Z2, 1 Z3, MPa 300 200 100 100 ™ Chọn phương án qui hoạch trực giao cấp I (TYT2k): thực nghiệm yếu tố toàn phần mức, k yếu tố ảnh hưởng Số thí nghiệm 11 theo điều kiện chọn bảng 4.3 Trong đó, số thí nghiệm phương án N = 2k = (k = 3), số thí nghiệm lặp tâm Chọn mơ tả tốn học: Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b23x2x3 + b13x1x3 + b123x1x2x3 Trong đó: (4.6) b0: hệ số tự b1, b2, b3: hệ số tuyến tính b12, b23, b13: hệ số tương tác đôi b123: hệ số tương tác ba Dựa vào lý thuyết trực giao cấp I, ta chuyển biến thực Zi biến thay Xi (mã hóa biến): Z +Z Z − Z0 Z −Z i(max) i(min) Xi = i i , với Zi0 = ; ∆Zi = i(max) i(min) 2 ∆Z i - 95 - (4.7) Trong hệ tọa độ không thứ nguyên, tọa độ mức +1 mức -1, tâm trùng với gốc hệ tọa độ Kế hoạch tiến hành thí nghiệm (ma trận kế hoạch) cho bảng 4.4 Bảng 4.4: Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm Biến mã TT Số thí nghiệm phương án 2k Số thí nghiệm tâm 10 11 x0 + + + + + + + + + + + x1 + + + + 0 Biến thực x2 + + + + 0 x3 + + + + 0 Z1 700 900 700 900 700 900 700 900 800 800 800 Z2 1 3 1 3 2 Z3 100 100 100 100 300 300 300 300 200 200 200 Giá trị hàm mục tiêu Y1, % Y2, HV 34,70 73 40,40 117 36,69 84 39,98 118 24,03 176 29,12 85 21,78 164 34,05 120 26,82 123 27,82 105 31,37 138 ™ Tính hệ số (b): bj = b ju = N ∑ X ji Yi N i =1 ; với i = ÷ j = ÷ N ∑ X ji X ui Yi ; với j, u = ÷ 3; j ≠ u N i =1 (4.8) (4.9) ™ Kiểm tra phù hợp hệ số phương trình: Tính phương sai tái sinh: S 2ts = m (Ya0 − Y ) ∑ m − a =1 Trong đó: Ya0 - giá trị thí nghiệm thứ a tâm kế hoạch m- số thí nghiệm lặp lại tâm kế hoạch, m = - 96 - (4.10) Y - giá trị trung bình thí nghiệm lặp tâm m ∑ Ya m a =1 Y0 = (4.11) Độ lệch chuẩn hệ số b xác định theo công thức: S2ts N Sb = (4.12) Kiểm tra phù hợp hệ số: Sau tính hệ số b, ta phải kiểm tra tính có nghĩa chúng theo tiêu chuẩn Student: tb = b Sb < t pf (4.13) Trong đó: t pf - tiêu chuẩn Student mức có nghĩa p bậc tự lặp f2 Sb- độ lệch phân bố b Kiểm tra tương hợp phương trình: Sự tương hợp mơ tả thống kê (phương trình) với tranh thực nghiệm kiểm chứng theo tiêu chuẩn Fisher nhờ điều kiện: F= Sdu < Fpf 2f1 S2ts (4.14) Trong đó: Fpf 2f1 - tiêu chuẩn Fisher mức có nghĩa p, bậc tự lặp f2 = m -1; bậc tự dư f1 = N - l; l- số hệ số có nghĩa mơ tả thống kê; - phương sai dư, tính theo cơng thức: Sdu S du = ∧ N (Yi − Y i ) ∑ N − l i =1 ∧ (4.15) Với Y i - kết thực nghiệm thực (được tính theo phương trình hồi qui loại bỏ hệ số khơng có nghĩa) - 97 - 4.4.2.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu ™ Hàm mục tiêu độ xốp vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 Tính hệ số b: Theo cơng thức (4.8), (4.9) dựa vào kết thí nghiệm (bảng 4.4), tính hệ số phương trình (4.6): b0 = 32,59; b1 = 3,30; b2 = 0,53; b3 = - 5,35 b12 = 0,60; b23 = 0,14; b13 = 1,04; b123 = 1,20 Phương trình hồi qui lý thuyết có dạng: Y1 = 32,59 + 3,30x1 + 0,53x2 - 5,35x3 + 0,60x1x2 + 0,14x2x3 + 1,04x1x3 + 1,20x1x2x3 Tính phương sai tái sinh: Theo cơng thức (4.10), (4.11) ta tính được: S2ts = 5,72 Theo cơng thức (4.12), ta tính Sb = 0,84 Kiểm tra phù hợp hệ số: Để đánh giá tính có nghĩa hệ số b, cần phải tính giá trị chuẩn số Student cho chúng Theo cơng thức (4.13), ta tính được: t0 = 38,79; t1 = 3,93; t2 = 0,63; t3 = 6,37; t12 = 0,71; t23 = 0,17; t13 = 1,24; t123 = 1,43 Với mức có nghĩa p = 0,05; bậc tự lặp f2 = - = Tra bảng phụ lục [26], ta có: t0,05; = 4,303 So sánh giá trị theo công thức (4.13) có hệ số b0, b1, b3 có nghĩa Sau loại bỏ hệ số khơng có nghĩa, phương trình hồi qui có dạng: Y1 = 32,59 + 3,30x1 - 5,35x3 (4.16) Kiểm tra phù hợp phương trình (Y1): Theo cơng thức (4.15), ta tính phương sai dư: Sdu = 5,10 Theo điều kiện (4.14), tính chuẩn số Fisher: F = 0,89 Giá trị tra bảng chuẩn số Fisher mức có nghĩa p = 0,05 f1 = 6; f2 = (phụ lục [26]) là: F0,05; 6; = 19,3 Nghĩa là: F = 0,89 < F0,05; 6; = 19,3 Kết luận: Phương trình hồi qui tuyến tính (4.16) phù hợp với thực nghiệm - 98 - ™ Hàm mục tiêu độ cứng vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 Tính tốn tương tự trên, tác giả xây dựng hàm mục tiêu độ cứng vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau: Y2 = 117,13 - 7,13x1 + 4,38x2 + 19,13x3 + 4,63x1x2 + 1,38x2x3 - 2,63x1x3 + 3,13x1x2x3 (4.17) Sau tính tốn kiểm tra phù hợp phương trình hồi qui với thực nghiệm, thu phương trình hồi qui tuyến tính dạng: Y2 = 117,13 - 7,13x1 + 19,13x3 (4.18) Như vậy, phương pháp qui hoạch tuyến tính để tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 phương pháp - hóa kết hợp, tác giả nhận hai phương trình đặc trưng (4.16) (4.18) Hai phương trình lượng hóa thể tác động yếu tố công nghệ đến độ xốp độ cứng vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 Theo (4.7), chuyển biến mã (xi) biến thực (Zi) ta được: Hàm độ xốp: Y1 = 16,89 + 0,033.Z1 - 0,054.Z3 Hàm độ cứng: Y2 = 135,91 - 0,0713.Z1 + 0,1913.Z3 Từ hai hàm mục tiêu, ta nhận thấy: Áp lực ép ảnh hưởng mạnh đến việc làm giảm độ xốp tăng tỷ trọng, độ cứng vật liệu tăng lên mạnh tăng áp lực ép Trong tăng nhiệt độ thời gian thiêu kết dài, dẫn đến độ xốp tăng lên tạo phồng lên vết nứt tế vi bề mặt tiếp giáp Cu Al2O3 Đó nguyên nhân làm giảm độ cứng Điều hồn tồn phù hợp với phân tích trình thực nghiệm Pha nano Al2O3 phân tán Cu q trình gia cơng - hóa làm giảm mạnh tính khả ép khả thiêu vật liệu Kết khảo sát cho thấy, tăng áp lực ép đến 400 MPa, xuất hiện tượng nứt phân lớp khối Mặt khác, pha nano Al2O3 phân tán Cu, khoảng thiêu kết thu hẹp lại đáng kể, với mẫu thiêu kết nhiệt độ 9000C thời gian ÷ 3h xuất vết nứt, kéo theo việc tăng lên độ xốp Hiện tượng thường xuyên - 99 - xảy chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt kim loại (Cu) ceramic (Al2O3) nhiệt độ cao, trở nhiệt độ thường để lại vết nứt lỗ trống bề mặt tiếp giáp Kết là, độ cứng vật liệu giảm mạnh Khoảng nhiệt độ thời gian thiêu kết ổn định xác định từ 700 ÷ 8000C, thời gian từ ÷ 3h 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương 4, tác giả tiến hành nghiên cứu, phân tích xác đinh đầy đủ số tính chất cơng nghệ vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 Đồng thời sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 Qua kết phân tích cho thấy: - Độ cứng vật liệu Cu-Al2O3 tăng lên cao (so với Cu nguyên chất) Cu gia cố hóa bền pha nano Al2O3 phân tán (khoảng 200 HV so với khoảng 50HV) Điều khẳng định hiệu hóa bền pha nano Al2O3 Cu Tuy nhiên, với có mặt pha nano Al2O3 làm giảm mạnh mẽ đến tính khả ép khả thiêu vật liệu - Kết phân tích tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét (SEM), lần khẳng định hình thành hạt nano Al2O3 phân tán Cu Pha nano Al2O3 phân tán với kích cỡ mịn khoảng 50 ÷ 100 nm - Sự tác động thông số công nghệ q trình ép - thiêu kết đến tính chát mẫu sản phẩm vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 lượng hóa hai hàm mục tiêu độ xốp độ cứng Qua cho thấy, chế độ cơng nghệ ổn định xác định là: áp lực ép sơ 300 MPa, khoảng nhiệt độ thời gian thiêu kết từ 700 ÷ 8000C từ ÷ 3h - Khi áp lực ép tăng nhìn chung độ xốp vật liệu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 giảm, độ xốp vật liệu nằm khoảng 20 ÷ 40%, đặc biệt với mẫu thiêu kết nhiệt độ cao thời gian dài, độ xốp cao Đây chưa phải kết mong muốn, cần nghiên cứu áp dụng phương pháp công nghệ để giảm độ xốp vật liệu - 100 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN CHUNG Tổng hợp toàn kết có từ q trình thực nghiệm chế tạo, phân tích cấu trúc vi mơ số tính chất cơng nghệ mẫu sản phẩm vật liệu CuAl2O3 tổng hợp phương pháp - hóa Từ rút kết luận sau: - Qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3 phương pháp - hóa kết hợp thiết lập hoàn toàn hợp lý - Về mặt thực nghiệm hồn tồn tổng hợp pha nano Al2O3 phân tán Cu, với kích cỡ hạt nano Al2O3 siêu mịn khoảng 50 ÷ 100 nm - Độ cứng vật liệu Cu-Al2O3 tăng lên rõ rệt so với vật liệu Cu nguyên chất Khẳng định pha nano Al2O3 hóa bền Cu cách hiệu - Với tham gia pha nano Al2O3 làm giảm mạnh mẽ đến tính khả ép khả thiêu vật liệu compozit Cu-Al2O3 KIẾN NGHỊ Tác giả nhận thấy, đề tài mang tính thực tiễn cao Bước đầu q trình tổng hợp vật liệu Cu-Al2O3 có kết định Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế, hướng phát triển hệ vật liệu cần số nghiên cứu đề xuất sau: Nghiên cứu cụ thể yếu tố công nghệ chế độ ép - thiêu kết để có chất lượng vật liệu Cu-Al2O3 tốt nhất, đáp ứng yêu cầu vật liệu chế tạo điện cực Thực phương pháp ép nóng, phương pháp gia công áp lực (cán, rèn) để làm giảm độ xốp vật liệu Chế tạo mẫu có độ lớn hợp lý với thành phần Al2O3 khác để đánh giá xác phụ thuộc - lý tính vật liệu compozit Cu-Al2O3 vào hàm lượng Al2O3, để nghiên cứu đầy đủ tính chất cơng nghệ hệ vật liệu - 101 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Dũng (2009), Biến dạng tạo hình vật liệu bột compozit hạt, Nhà xuất Bách khoa, Hà Nội [2] Lê Công Dưỡng (chủ biên) (2000), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy (2007), “Cấu trúc tính chất vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán TiB2 chế tạo phương pháp phối hợp nghiền học, phản ứng tự sinh nhiệt nhiệt độ cao thiêu kết xung plasma”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ kim loại, (14), pp 38-42 [4] Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy (2008), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp thiêu kết xung plasma”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ kim loại, (17), pp 44-48 [5] Trần Văn Dũng, Hồ Ký Thanh, Nguyễn Đặng Thủy, Ngô Kiên Cường (2009), “Chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 phương pháp nghiền trộn học kết hợp với ơxi hóa bên trong”, Tạp chí Khoa học Công nghệ kim loại, (21) [6] D.L Zhang, S Raynova, C.C Kock, R.O Scattergood, K.M Youssef (2005), “Consolidation of a Cu-2.5 vol.% Al2O3 powder using high energy mechanical milling”, Materials Science and Engineering A 410-411, pp 375-380 [7] D.L Zhang (2004), “Processing of advanced materials using high-energy mechanical milling”, Progress in Materials Science 49, pp 537-560 [8] E Botcharova, J Freudenberger, L Chultz (2006), J Mat Pro Tech., Vol 54 [9] D.L.Zhang, J.J.Richmond (1999), “Microstructural evolution during combustion reaction between CuO and Al induced by high energy ball milling”, Journal of Materials Science 34, pp 701-106 [10] Luke Fischer (2004), ″Literature Survey Report: Nano - Dispersion Strengthening of Aluminum”, MCEN 5208 Introduction to Research, Colorado University at Boulder - 102 - [11] Randall M German (1994), Powder Metallurgy Science - second edition, Metal Powder Industries Federation, Priceton, New Jersey 08540-6692 U.S.A [12] D.B Miracle (Materials and Manufacturing Directorate, Air Force Research Laboratory, 2230 Tenth Street, Deyton, OH 454336533, USA) (2005), ″Metal Matrix Composites - From Science to technological significance”, SCIENCE DIRECT, Composites Science and Technology 65, 2526 – 2540 [13] Nghiêm Hùng (2007), Vật liệu học sở, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [14] Seung J.Hwang, Jin-hyung Lee (2005), “Mechanochemical synthesis of CuAl2O3 nanocomposites”, Materials Science and Engineering A405, pp 140-146 [15] Lei Lu, Yongfeng Shen, Xianhua Chen, Lihua Qian, K Lu (2004) (Shenyang National Laboratory of Material Science, Instotute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, P.R China), ″Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper”, SCIENCE VOL 304 [16] Karl U Kainer (2006), Metal Matrix Composites Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering, Copyright by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KgaA, Weinheim [17] D.W Lee & B.K Kim (Nano P/M Group, Deparment of Materials Technology Korea Institute of Machinery and Materials, 66, Sangnam, Changwon, Kyungnam, South Korea) (2004), ″Nanostructure Cu - Al2O3 composite produced by thermochemical process for electrode application”, SCIENCE DIRECT, Materials Letters (58), 378 - 383 [18] Bùi Văn Mưu (chủ biên) (1997), Lý thuyết trình luyện kim, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [19] Wang Mengjun, Zhang Liyong and Liu Xinyu (2005), J Mat Pro Tech., Vol 169 [20] Rodrigo H Palma, Aquiles H Sep’ulveda, Rodrigo A Espinoza, Roberto C Montiglio (2005), J Mat Fro Tech., Vol 169 - 103 - [21] V Rajković, O Erić, M Mitkov, E Romhanji (2004), ″Chracterization of Dispersion Strengthened Copper with 3wt% Al2O3 by Mechanical Alloying”, SCIENCE OF SINTERING, Materials Letters (36), 205 - 211 [22] C Suryanarayana; "Mechanical alloying and milling"; Progress in Materials Science 46(2001)1-184 [23] Shuhua Liang, Zhikang Fan, Lei Xu, Liang Fang (2004), “Kinetic analysis on Al2O3/Cu composite prepared by mechanical activation and internal oxidation”, Composites: Part A 35, pp 1441-1446 [24] Nguyễn Đình Thắng (2005), Giáo trình vật liệu điện, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [25] Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [26] Nguyễn Minh Tuyển (2004), Quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [27] Hồ Ký Thanh (2008), Luận văn tốt nghiệp cao học, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội [28] D.Y.Ying, D.L.Zhang (2000), “Processing of Cu-Al2O3 metal matrix nanocomposite materials by using high energy ball milling”, Materials Science and Engineering A286, pp 152-156 [29] V Rajkovic, D Bozic, M Popovic, M T Jovanovic (2009), “The Influence of Powder Particle Size on Properties of Cu-Al2O3 Composites”, Science of Sintering, 41, pp 185-192 [30] T.Venugopal, K.Prasad Rao, B.S.Murty (2005), “Synthesis of copper-alumina nanocomposite by reactive milling”, Materials Science and Engineering A393, pp 382-386 [31] Nguyễn Khắc Xương (2003), Vật liệu kim loại màu, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [32] Arthur K Lee, Nicholas J Grant (1983), Mat Sci Eng A, Vol 60 [33] J S Benjamin (1970), Metallurgical Transaction [34] Ziyuan Shi, Maofang Yan (1998), “The preparation of Al2O3-Cu composite by internal oxidation”, Applied Surface Science 134, pp 103-106 - 104 - ... hạt phân tán Nó có tác dụng làm tăng hiệu hóa bền vật liệu hóa bền phân tán Các hạt phân tán vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán ôxit, cacbit, borit kim loại Vật liệu tổ hợp (compozit) hóa bền phân. .. thiêu kết 61 2.3 Qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu- Al2O3 phương pháp - hóa kết hợp 62 2.3.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp công nghệ 62 2.3.2 Đề xuất qui trình cơng nghệ chế tạo vật. .. Cu- Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HÓA KẾT HỢP Bằng kết hợp q trình nghiền trộn học phản ứng ơxi hóa xảy q trình nghiền (q trình nghiền - hóa) để tổng hợp vật liệu nanocompozit CuAl2O3 Với phương pháp