3.1. Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu trong quá trình làm thí nghiệm là TiC, SiC và Nhôm
3.1.1. Nhôm
3.1.1.1. Xuất xứ
Nhôm sạch: Nguyên liệu nhôm lựa chọn cho quá trình thấm là loại nhôm có
độ sạch cao dùng trong sản xuất dây điện, qua kết quả phân tích hàm lượng Al là 99,8%.
3.1.1.2. Tính chất của Al
Nhôm (tiếng Latinh: alumen, alum) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13.
Hình 3.1: Một số hình ảnh của Al trong đời sống kỹ thuật
-33- Khối lượng riêng: 2,698 g/cm3 Nhiệt độ chảy lỏng: 660,24 0C Nhiệt độ sôi: 2520 0C Đường kính nguyên tử: 0,286 nm Ẩn nhiệt nóng chảy: 389,37 kJ/kg Nhiệt hóa hơi: 10885 kJ/kg Tỷ nhiệt ở 200C: 961,7 J/(kg.K) Độ dẫn nhiệt ở 200C: 221,5 W/(m.K) Hệ số dãn nở nhiệt ở 250C: 23,3 10-6.K-1 Điện trở suất ở 200C: 0,02767 Ωmm2/m Môdun đàn hồi E: 70,6 GPa
- Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải...).
- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ.
Để tăng tính chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ô xít nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anot hoá.
- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng (kim loại), nhưng do nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn...
- Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt .
- Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi
đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300-400 độ C.
-34-
Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố nhưđồng, kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia công cơ - nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.
3.1.1.3. Một sốứng dụng của Al trong đời sống khoa học kỹ thuật
- Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.
- Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả
ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị. Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương.
- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.)
- Xử lý nước
- Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v..v; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.)
- Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v)
- Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của
đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn) - Chế tạo máy móc.
- Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980%-99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD.
-35-
- Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ khi khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.
- Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử
dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng.
Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao
3.1.2. TiC
3.1.2.1. Xuất xứ
Bột TiC được tổng hợp bằng phương pháp nghiền năng lượng cao trong máy nghiền hành tinh. Máy nghiền hành tinh được lắp đặt tại phòng thí nghiệm Luyện kim bột, Bộ môn Vật liệu kim loại màu & Compozit trưòng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tang nghiền được chế tạo từ thép hợp kim crôm và được phủ bên trong bằng hợp kim cứng chứa WC. Bột TiO2 được sử dụng trong phòng thí nghiệm là Titanium(IV) oxit có khíc thước nhỏ hơn 200µm và độ sạch trên 99% được sản xuất bởi Trung Quốc có bán rộng rãi trên thị trường. Hàm lượng tạp chất có trong bột TiO2được chỉ ra trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1: Thành phần bột TiO2
% Fe % Pb % As % muối gốc SO4 % muối gốc PO4 %TiO2
0,005 0,005 0,0005 0,02 0,005 99,9645 Cácbon được sử dụng trong nghiên cứu này là muội than có khích thước hạt nhỏ hơn 200µm được xác định là vô định hình. Hỗn hợp bột trộn đều được nghiền trong môi trường cồn 900 do công ty cổ phần dược phẩm Văn Lang sản xuất.
Tính toán tỷ lệ thành phần hỗn hợp bột ban đầu để phối liệu trong thực nghiệm căn cứ vào phản ứng xảy ra hoàn toàn tổng hợp TiC từ TiO2 và C sau đây:
-36-
Từ đây thành phần khối lượng bột ban đầu để nghiền với lượng cácbon dư được tính toán trong thực nghiệm với tỷ lệ sau:
- Khối lượng bột TiO2: 68% - Khối lượng muội than: 32% -Lượng cồn phủ hoàn toàn hỗn hợp bột. Chếđộ nghiền:
- Tốc độ nghiền: 300 vòng/phút. - Tỷ lệ khối lượng bi:bột 10:1
Chất lượng TiC sản xuất theo phương pháp này đã được chứng minh ở các luận án thạc sĩ, tiến sĩ trước đây và đã được công bố trên một số tạp chí khoa học.
3.1.2.2. Tính chất của TiC
Cacbit Titan với những tính chất độc đáo như nhiệt độ nóng chảy rất cao (Tnóng chảy = 31600C ), độ cứng cao, điện trở thấp, độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao, bền trong các môi trường xâm thực mạnh và khả năng chịu mài mòn tốt. Chính vì vậy cácbit titan là vật liệu quý có thể thay thế hoặc kết hợp với vonfram tạo ra các hợp kim có độ cứng và độ bền nhiệt cao dùng làm các cánh tuốc bin khí, rôto, các linh kiện cho các thiết bị thử nghiệm nhiệt độ cao như hợp kim hệ WC –TiC- Co, WC – TiC-TaC-Co, WZ trên cơ sở TiC (35-75%) liên kết với Ni-Co-Cr. Một lượng lớn cácbit titan được sử dụng để làm thép cácbit để tăng tính cứng và độ bền chống mài mòn của vật liệu, làm thép gió... Thép cácbit có hệ số ma sát rất thấp so với các vật liệu chống mài mòn khác. Khoảng 95% cácbit titan sản xuất được sử dụng làm hợp kim cứng và vật liệu chịu nhiệt. Bột cácbit titan còn được sử dụng để phun phủ lên các lớp bề mặt vật liệu là tăng tuổi thọ và tiết kiệm nguyên vật liệu nhất là trong các lĩnh vực công nghiệp hàng không, vũ trụ, trong lĩnh vực tựđộng hoá và năng lượng nguyên tử. Ngoài ra cácbit titan còn được ứng dụng để làm vật liệu bột mài, làm
-37-
chất xúc tác, làm điện cực thay thế graphit chịu được nhiệt độ cao, chống mài mòn,
điện trở cao, dẫn nhiệt tốt.
Cacbit Titan được sử dụng làm vật liệu cốt dưới dạng cốt hạt. Do kích thước của cacbit nhỏ nên chúng dễ phân tán đều trên nền nhôm, cản trở chuyển động của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền cho composite.
Trọng lương riêng ở 20oC : 4,93 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy : 3160 oC
Độ cứng ở nhiệt độ phòng : 30-40 MPa
TiC có độ bền, độ cứng cao, điện trở thấp, độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao, bền trong môi trường xâm thực mạnh và khả năng chịu mài mòn tốt.
Hệ TiC là một hệ hòa tan hữu hạn, chúng tạo thành 3 hợp chất trung gian với nhau là TiC3, TiC0,5 và TiC. Mỗi hợp chất có một kiểu mạng đặc trưng và tồn tại ở
những vùng có nhiệt độ và thành phần nhất định.
TiC3 là dung dịch rắn của cacbon trong titan. Nó được tạo thành trong vùng nhiệt độ từ 1000oC đến 2000oC và có mức hòa tan tối đa của C vào trong Ti là 0,02%. Kiểu mạng của dung dịch này là lập phương tâm khối.
TiC0,5 là dung dịch rắn của Ti hòa tan tối đa 0,025% C trong nó. Dung dịch này được hình thành ở nhiệt độ từ 50oC đến 1000oC và có kiểu mạng là sáu phương
đơn giản.
TiC được tạo ra trong vùng nhiệt độ từ 2000oC đến 3200oC với mức độ hòa tan tối đa C vào trong nó là 0,35 đến 0,5%. Kiểu mạng của TiC là lập phương tâm mặt.
3.1.3. SiC
3.1.3.1. Xuất xứ
Nguyên liệu ban đầu để sản xuất SiC là vật liệu chứa SiO2 và chứa C. Ngoài ra còn một số phụ gia khác như mùn cưa và muối ăn (NaCl). Nguyên liệu SiO2
thường là cát quartz, quartzite có hàm lượng SiO2 trên 98,5%. Vật liệu chứa cacbon phải là antraxit có tro xỉ < 3,5%; S < 1,5%; chất bốc < 3,5%. mùn cưa làm tăng độ
-38-
thông khí của phối liệu. Muối ăn chứa NaCl 97-98% có tác dụng loại trừ tạp chất sắt nhôm dưới dạng clorua bay ra ngoài.
Thông thường phối liệu được chuẩn bị như sau:
Nguyên liệu SiO2 44,5-59%, nguyên liệu carbon 34-44%, mùn cưa 3-11%, muối ăn từ 0-8%. Ngoài ra còn có phối liệu hồi lưu từ những mẻ nung trước. Phối liệu này được đưa vào lò điện với dòng điện đi qua và nhiệt độ sẽ nâng lên 2200- 25000C và SiC được tạo ra từ phản ứng tổng quát như sau:
SiO2 + 2C = SiCOk + CO SiCOk + C = SiC + CO SiO2 + 2C = Sik + 2CO Sik + C = SiC
SiO2 + C = SiOk + CO SiO2 + Si = 2SiOk 2SiO2 + SiC = 3SiOk + CO SiOk + C = Sik + CO
Tuỳ thuộc vào công suất và kích thước lò mà mỗi mẻ kéo dài từ 22 đến 40 giờ nhưng đa số trường hợp là 26 đến 36 giờ. Sau khi kết thúc mẻ lò, để lò nguội khoảng 24giờ rồi dùng nước tưới. Block sản phẩm thu được có màu xanh hoặc đen tuỳ theo loại phối liệu, loại xanh tương đối tinh khiết hơn dùng cho đá mài còn loại
đen có lẫn cacbon dùng cho vật liệu chịu lửa.
SiC không nóng chảy mà nó thăng hoa không bị phân huỷ hoàn toàn và nó bắt đầu phân huỷ thành Si và graphit ở khoảng 20500C. Nếu trong điều kiện khử
dưới 25000C mức độ phân huỷ rất nhỏ và phân huỷ hoàn toàn chỉ khi nhiệt độ trên 25000C.
Theo một số tài liệu thì hơi Si trên SiC ở 2300-27000C không vượt quá 5- 10%, trên 27500C ỏ-SiC bay hơi đến 90-95%, phần còn lại là 10-5% graphit, do phân huỷ SiC mà hơi này chứa 15-30%Si.
3.1.3.2. Tính chất của SiC
Cacbuasilic có tỷ trọng riêng là 3,2 g/cm3, và có nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 27000C). SiC tinh khiết không có màu và trong suốt. Song do có tạp chất nên màu sắc của SiC sẽ có màu xanh nhạt đến xanh đậm, xanh hung rồi đến đen. SiC có độ dẫn điện cao, nhiệt độ tăng lên độ dẫn điện lại tăng theo nhiệt độ. SiC không bị phân huỷ bởi đa số axit vô cơ trong đó có H2SO4 và HF nhưng lại bị
-39-
H3PO4 mật độ 1,75 g/cm3 phân huỷở 2150C. cacbuasilic bền vững với H2ở nhiệt độ
rất cao nhưng dẽ bị phân huỷ bởi F2 mặc dù nó tương đối bền vững trong ngọn lửa chứa HF ở nhiệt độ 1455-22000C, độ bền này chỉ thua kém một ít so với graphít. Trong dòng khí N2, cacbuasilic bị phân huỷ dễ dàng ở 14000C để thành C và Si3N4.
Đây là phản ứng có giá trị khi chế tạo composit SiC-Si3N4.
Khi tiếp xúc với kim loại hay oxit của Fe, Mn, Al,... cacbuasilic đều bị phân huỷở nhiệt độ trên 12000C để tạo ra ferro silic, mangan silic và Al4C.
Một vấn đề có ý nghĩa thực tế là tác dụng của oxi đối với SiC. Nếu đem hạt 63ỡm nung nóng ở nhiệt độ khác nhau duy trì 8 giờ trong oxi thì mức độ oxi hoá
được ghi nhận nhưở bảng 2.
Phản ứng oxi hoá có thể viết đơn giản SiC + 2O2→ SiO2 + CO2
Sản phẩm oxi hoá là màng SiO2 bao quanh hạt SiC nhờ vậy nó bảo vệ SiC không bị oxi hoá mạnh thêm. Tuy nhiên tạp chất Al2O3, MgO sẽ phá huỷ nhanh chóng màng SiO2 vô định hình trên SiC và SiC lại bị oxi hoá mạnh. Nếu có mặt hơi nước thì càng tăng quá trình oxi hoá của SiC. Mức độ có hại đối với SiC khi oxi hoá có thể xếp như sau: MgO > Fe2O3 > Al2O3. Để bảo vệ SiC có khá nhiều biện pháp khác nhau. Song biện pháp tốt nhất là nguyên liệu SiC phải sạch, ít tạp chất. Tiếp theo là mật độ sản phẩm cao, độ xốp nhỏ, độ thấm khí nhỏ, có ít kim loại Si bám trên mặt, v.v..
Bảng 3.2: Mức độ oxi hoá của cacbuasilic
Mức độ oxi hoá, % tại nhiệt độ
Mức độ oxi hoá 9000C 11000C 13000C 15000C loại xanh loại xám loại đen 0,3 0,2 0,4 1,5 0,8 1,8 3,6 2,8 3,6 5,8 6,7 3,6 3.2. Phương pháp nghiên cứu
Ngày nay, sản phẩm của công nghệ luyện kim bột được áp dụng trong mọi lĩnh vực, sản lượng luyện kim bột hàng năm tăng khoảng 10%. Bằng công nghệ
-40-
Luyện kim bột có thể chế tạo được các sản phẩm mà các phương pháp thông thường không làm được như: Chi tiết có độ chính xác cao, khống chế chính xác được thành phần, khống chế lượng lỗ xốp, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng…