Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Biến tính vật liệu CNTs
3.4. Xác định hàm lƣợng của CNTs trong lớp mạ composit
Để xác định thành phần phần trăm của CNTs trong lớp mạ composit chúng tôi đã tiến hành phân tích phổ EDX của mẫu mạ composit và mẫu mạ Cr đối chứng. Hình 44 và hình 45 là phổ EDX và thành phần nguyên tố của mẫu mạ Cr đối chứng và mẫu mạ Cr/CNTs-C6H4NH2 được tạo thành từ chế độ mạ xung. Đồng thời thành phần phần trăm về khối lượng cũng như về số lượng nguyên tử của các lớp mạ được thể hiện chi tiết trong bảng 11 và bảng 12. Qua phép phân tích EDX này chúng ta đã xác định được hàm lượng của CNTs trong lớp mạ Cr composit là 1,72% về khối lượng (thể hiện ở thành phần của nguyên tố cacbon), trong khi đó hàm lượng cacbon trong lớp mạ Cr thường là 0% .
Bảng 11: Thành phần về khối lượng và thành phần về nguyên tử của lớp mạ crôm thường.
Element Weight% Atomic%
O K 8.38 22.98
Cr K 87.23 73.65
Mn K 3.08 2.46
Cu K 1.32 0.91
Hình 44: Phổ EDX và thành phần các nguyên tố trong lớp mạ Cr thường.
Bảng 12: Thành phần về khối lượng và thành phần về nguyên tử của lớp mạ crôm thường.
Element Weight % Atomic %
C K 1.72 6.45 O K 4.23 11.95 Ca K 0.18 0.21 Cr K 90.17 78.34 Mn K 3.70 3.04 Totals 100.00 100.00
Để nghiên cứu các tính chất cơ lý của lớp mạ composit của crôm và CNTs chúng tôi tiếp tục thực hiện phép đo độ cứng tế vi và độ bền mài mòn của các lớp mạ. Độ cứng tế vi và độ bền mài mòn là hai thông số có ý nghĩa rất quan trọng để đánh giá chất lượng của một lớp mạ, nếu lớp mạ nào có hai thông số này cao thì đó là lớp mạ tốt và ngược lại.
3.5. Phƣơng pháp đo độ cứng của lớp mạ
Độ cứng tế vi của lớp mạ được đánh giá thông qua phép đo độ cứng Vickers. Các mẫu mạ crôm thường và các mẫu mạ crôm có gia cường bằng CNTs (CNTs thường, CNTs - COOH, CNTs - C6H4NH2) được đo độ cứng tế vi bằng máy đo độ cứng Vickers tại trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu – COMFA (hình 25), Viện Khoa Học Vật Liệu (máy AVK - Co (Mitutoyo), tiêu chuẩn JISB - 7725). Các mẫu mạ trong bảng 8 được tiến hành trong cùng một chế độ mạ như nhau nên có độ dày lớp mạ được đánh giá là giống nhau, vì vậy các kết quả từ việc kiểm tra độ cứng hầu như là không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch về độ dày lớp mạ. Tất cả các phép đo được tiến hành tại nhiệt độ 220C. Kết quả kiểm tra độ cứng được trình bày trong bảng 13.
Qua kết quả kiểm tra độ cứng trong bảng 13 và đồ thị sự phụ thuộc giữa độ cứng của các lớp mạ vào nồng độ các loại CNTs trên hình 46, chúng ta có thể nhận thấy khi gia cường bằng CNTs độ cứng của lớp mạ tăng. Khi nồng độ của các loại CNTs tăng thì độ cứng của lớp mạ composit cũng tăng theo. Đặc biệt lớp mạ crôm có gia cường vật liệu ống nanô cacbon sau quá trình biến tính bằng diazo (CNTs - C6H4NH2) có độ cứng cao hơn hẳn so với độ cứng của lớp mạ crôm gia cường CNTs thường và CNTs - COOH ở cùng nồng độ CNTs và các tham số mạ (thành phần, nhiệt đô, mật độ dòng, ...). Khi nồng độ của CNTs - C6H4NH2 là 12 g/l thì độ cứng của lớp mạ composit tăng khoảng hai lần so với lớp mạ crôm thường. Trong trường hợp của lớp mạ crôm có gia cường bằng CNTs - COOH thì độ cứng tăng không đáng kể khi nồng độ CNTs - COOH trong dung dịch tăng và độ cứng này cũng không lớn hơn nhiều so với độ cứng của lớp mạ crôm thường.
Bảng 13: Độ cứng của lớp mạ crôm và lớp mạ crôm có gia cường bằng các loại CNTs ở nồng độ khác nhau.
Tên mẫu Độ cứng Vickers (HV) Loại CNTs
M1 690 Không có CNTs M2 851,7 CNTs thường M3 903,3 M4 1011,7 M5 1183,7 M6 1144 M7 980 CNTs - COOH M8 1010 M9 1027 CNTs - C6H4NH2 M10 1234 M11 1259 M12 1390
Hình 46: Đồ thị sự phụ thuộc giữa độ cứng của lớp mạ crôm composit và nồng độ các loại CNTs.
Những kết quả trên đây có thể được giải thích theo sự tích điện của các loại CNTs trong dung dịch mạ. CNTs - COOH trong dung dịch tồn tại ở dạng CNTs - COO- , tức là CNTs sẽ được tích điện âm, chính vì điều này mà quá trình khuếch tán CNTs - COO- đến bề mặt điện cực âm - catôt (mẫu cần mạ) bị cản trở do điện trường. Ngược lại, CNTs - C6H4NH2 (có chứa gốc amin nên có tính bazơ) tồn tại trong dung dịch mạ ở dạng CNTs - C6H4NH3+ (do có tính bazơ nên nó dễ dàng nhân H+ của axít crômic), tức là CNTs sẽ được tích điện dương vì vậy mà quá trình khuếch tán CNTs đến bề mặt điện cực âm - catôt (mẫu cần mạ) sẽ được tăng cường nhờ tác dụng của điện trường. Tuy nhiên tác dụng của điện trường chỉ là một trong các yếu tố ảnh hưởng lên sự đồng kết tủa của CNTs vào lớp mạ, yếu tố khuếch tán theo cơ chế ngẫu nhiên cũng đóng vai trò quan trọng, chính vì vậy mà dù là CNTs thường hay CNTs - COO-
cũng vẫn có thể được kết tủa vào lớp mạ. Và một điều rõ ràng là hàm lượng CNTs đi vào lớp mạ càng nhiều thì độ cứng lớp mạ càng cao, từ cơ chế tích điện thì nều cùng nồng độ các loại CNTs trong dung dịch mạ ban đầu thì CNTs - C6H4NH2 sẽ kết tủa vào lớp mạ nhiều nhất sau đó đến CNTs thường và cuối cùng là CNTs - COOH, tương ứng là độ cứng của lớp mạ có gia cường CNTs - C6H4NH2 sẽ lớn nhất sau đó đến lớp mạ có gia cường CNTs thường cuối cùng là lớp mạ có gia cường CNTs - COOH.
3.6. Phƣơng pháp đo độ bền mài mòn
Phép đo độ bền mài mòn được tiến hành trên máy APGI - G13.01 của Đức, (hình 26) tại phòng đo lường, trung tâm công nghệ, Tổng cục đo lường quân đội. Độ bền mài mòn của một vật liệu được đánh giá thông qua khả năng chống chịu mài mòn trong điều kiện làm việc có ma sát cao. Độ bền mài mòn thì tỷ lệ nghịch với độ mài mòn, tức là nếu lớp mạ có độ bền mài mòn cao thì sẽ có độ mài mòn thấp. Phương pháp đo độ bền mài mòn dựa trên sự so sánh độ mài mòn (theo khối lượng bị hao hụt sau quá trình đo) của các mẫu ở cùng các điều kiện chuẩn theo quy định của thiết bị. Các mẫu mạ đo độ mài mòn được chế tạo trong cùng một chế độ nhiệt độ, mật độ dòng và thời gian mạ. Kết quả đo độ mài mòn được trình bày trong bảng 14.
Theo bảng số liệu trong bảng 14 thì lớp mạ crôm có gia cường vật liệu CNTs có độ bền mài mòn tốt hơn lớp mạ crôm thường và tốt hơn hẳn đế thép khi chưa được mạ. Cũng từ bảng 14, ta thấy lớp mạ crôm thông thường có khối lượng hao hụt lớn ~ 2 lần khối lượng hao hụt của lớp mạ crôm có CNTs biến tính bằng diazo. Điều đó chứng tỏ lớp mạ crôm gia cường CNTs biến tính bằng diazo có độ bền mài mòn tốt hơn khoảng hai lần so với lớp mạ crôm thường và cũng cao hơn lớp mạ composit của Cr và các loại CNTs khác. Chứng tỏ lượng CNTs sau biến tính bằng diazo đã được đồng kết tủa nhiều hơn so với CNTs biến tính gốc - COOH và CNTs thường.
Bảng 14: Kết quả kiểm tra độ bền mài mòn của đế thép, lớp mạ Cr, Lớp mạ CNTs/Cr, Lớp mạ CNTs-C6H4NH2/Cr. m là khối lượng mất mát sau quá trình mài mòn.
Mẫu m (mg) Độ bền mài mòn Đế thép 10 kém M20: Lớp mạ Cr 8,6 bình thường M21: Lớp mạ CNTs/Cr (6 g/l) 6,6 tốt M22: Lớp mạ CNTs-COOH/Cr (6g/l) 6,5 tốt M23: Lớp mạ CNTs-C6H4NH2/Cr (6 g/l) 4,5 rất tốt
KẾT LUẬN
1. Đã biến tính thành công vật liệu ống nanô cacbon tạo ra hai loại CNTs biến tính với hai nhóm chức khác nhau là CNTs- COOH và CNTs- C6H4NH2. Hai loại CNTs biến tính này phân tán rất tốt vào nước và dung dịch mạ crôm.
2. Đã khảo sát được các điều kiện của quá trình mạ crôm trên đế thép sử dụng dung dịch sunfat với 3 thành phần chính là CrO3, H2SO4 và Cr3+) và chế tạo thành công lớp mạ crôm gia cường vật liệu ống nanô cacbon (CNTs thường và CNTs sau khi đã gắn gốc - COOH và - C6H4NH2 ).
3. Đã nghiên cứu hình thái bề mặt và cấu trúc pha của các lớp mạ crôm thường cũng như lớp mạ composit chứa các loại CNTs. Các kết quả khẳng định sự phân bố của CNTs trong lớp mạ composit và ảnh hưởng tích cực của nó lên các lớp mạ này.
4. Đã xác định được hàm lượng của CNTs trong lớp mạ composit là 1,72 % về khối lượng.
5. Độ cứng của lớp mạ crôm có gia cường vật liệu CNTs biến tính bằng diazo có độ cứng là 1390 HV khi sử dụng nồng độ CNTs biến tính là 12 g/l, tăng gấp 2 lần so với độ cứng của lớp mạ crôm thông thường với độ cứng là 690 HV. 6. Lớp mạ crôm có gia cường CNTs có độ bền mài mòn tốt hơn ~ 2 lần so với lớp
mạ crôm thông thường, thể hiện qua khối lượng hao hụt sau phép kiểm tra độ mài mòn: khối lượng hao hụt của lớp mạ Cr thường là 8,6 mg trong khi khối lượng hao hụt của lớp mạ Cr - CNTs - C6H4NH2 là 4,5 mg với cùng thời gian và chế độ mài mòn.
Những kết quả này mở ra khả năng ứng dụng của lớp mạ composit Cr - CNTs trong thực tế như mạ các chi tiết máy móc làm việc trong điều kiện mài mòn cao, dụng cụ cắt gọt, mạ lớp vỏ bảo vệ sản phẩm, …