Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Biến tính vật liệu CNTs
3.3.2. Phân tích hình thái bề mặt của lớp mạ
a/ Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Để kiểm tra sự có mặt của CNTs trong lớp mạ crôm chúng tôi tiến hành chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên máy FE-SEM, Hitachi, phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu.
Hình 39: Ảnh chụp SEM bề mặt mẫu mạ Cr/CNTs- C6H4NH2 trên đế đồng.
Hình 38 và hình 39 là ảnh chụp SEM bề mặt của lớp mạ Cr thường và lớp mạ composit Cr với CNTs- C6H4NH2, chúng ta có thể nhận thấy rằng trên bề mặt lớp mạ composit có ít vết nứt hơn lớp mạ Cr thường. Đồng thời chúng ta cũng có thể nhận thấy một số lượng khá lớn CNTs được phân bố đồng đều trên bề mặt của lớp mạ composit này.
Qua quá trình quan sát ảnh SEM các lớp mạ chúng tôi nhận thấy việc quan sát các mẫu mạ trên đế đồng dễ dàng hơn nhiều so với các mẫu mạ trên đế thép. Nguyên nhân chính dẫn tới hiện tượng này là do đế thép có từ tính mạnh nên gây ảnh hưởng rất lớn đến các chùm tia điện tử tới mẫu cũng như phản xạ từ mẫu đến detector vì vậy mà ảnh hiển thị khó quan sát hơn. Trong khi đó đế đồng không có từ tính, đồng thời lại dẫn điện rất tốt nên việc quan sát được tiến hành rất thuận lợi.
Hình 40 và hình 41 là ảnh chụp SEM bề mặt của hai lớp mạ composit Cr với CNTs-C6H4NH2 được mạ ở chế độ liên tục và chế độ xung, chúng ta có thể nhận thấy lớp mạ composit được tạo thành từ chế độ mạ xung (hình 41) có mật độ CNTs trên bề mặt lớn hơn rất nhiều mẫu mạ composit được tạo thành từ chế độ mạ liên tục (hình 40). Kỹ thuật mạ xung là một kỹ thuật rất đắc lực để khắc phục sự khó khăn của quá trình đồng kết tủa của các hạt gia cường vào trong lòng lớp mạ, đặc biệt là lớp mạ crôm. Chúng ta sẽ cùng làm rõ vấn đề này bằng cách phân tích ảnh hưởng của dòng xung lên bề mặt lớp mạ và quá trình đồng kết tủa các hạt gia cường vào lớp mạ composit. Một chu kỳ mạ bằng xung mà chúng tôi tiến hành bao gồm ba quá trình nhỏ. Quá trình thứ nhất là quá trình sử dụng dòng xung dương ( quan sát trên hình 21) đây là quá trình điện phân bình thường để kết tủa kim loại mạ lên bề mặt điện cực âm
(catôt hay chính là vật cần mạ), đồng thời trong quá trình này cũng xảy ra sự điện phân nước trong dung dịch mạ và làm thoát khí hiđrô mãnh liệt trên bề mặt catôt. Chính sự thoát khí này làm ngăn cản sự tiếp xúc của các hạt cường với bề mặt điện cực, vì vậy mà quá trình đồng kết tủa CNTs lên lớp mạ rất khó xảy ra trong quá trình này. Quá trình thứ hai là quá trình sử dụng dòng xung âm, quá trình này chính là quá trình ăn mòn điện hoá, lớp mạ vừa được tạo ra từ quá trình trước bị ăn mòn một phần (trong thời gian rất ngắn). Quá trình ăn mòn điện hoá này tạo ra trên bề mặt lớp mạ vô vàn các vi lô và vi rãnh. Quá trình thứ ba là quá trình sử dụng dòng xung không, đây chính là quá trình nghỉ, dòng điện cũng như hiệu điện thế bằng không. Quá trình này tạo điều kiện để các tiểu phân gia cường di chuyển tới bề mặt catôt và chui vào trong các vi lỗ vi rãnh (được hỗ trợ bởi sự khuấy trộn dung dịch) mà quá trình thứ hai đã tạo ra. Các tiểu phân gia cường gần như là bị giam hãm trong các vi lỗ vi rãnh đó, vì thế cho dù vẫn có sự giải phóng khí hiđrô trong quá trình xung dương tuần hoàn tiếp theo thì các tiểu phân này vẫn không bị đẩy ra khỏi bề mặt điện cực. Cứ như vậy, mỗi một chu kỳ kết thúc thì lại có một lượng đáng kể các hạt gia cường được phân tán vào lòng lớp mạ. Như vậy chúng ta có thể thấy ưu điểm của kỹ thuật mạ xung để gia cường các tiểu phân vào lớp mạ nói chung và lớp mạ crôm nói riêng với hàm lượng các hạt gia cường đạt giá trị cao. Tuy nhiên có một nhược điểm nhỏ của quá trình mạ xung mà chúng ta có thể nhận thấy đó là thời gian mạ sẽ lâu hơn (khoảng 10%) so với mạ ở chế độ liên tục.
Hình 41: Ảnh chụp SEM bề mặt lớp mạ Cr/CNTs- C6H4NH2 ở chế độ mạ xung.
Hình 42: Ảnh chụp SEM lớp mạ Cr/CNTs- C6H4NH2 ở chế độ mạ xung sau khi được ăn mòn bằng axít HCl.
Để đánh giá sự phân bố của CNTs bên trong lòng lớp mạ composit Cr với CNTs-C6H4NH2, chúng tôi đã tiến hành ăn mòn lớp mạ composit này trong dung dịch axít HCl (20% về khối lượng). Hình 42 là ảnh SEM chụp bề mặt lớp mạ composit sau khi ăn mòn, chúng ta có thể quan sát thấy mật độ khá cao CNTs đã được đồng kết tủa vào lớp mạ composit. Điều này khẳng định rằng CNTs không chỉ phân bố trên bề mặt lớp mạ composit mà nó còn được đồng kết tủa vào sâu trong lòng lớp mạ, hình thành lên cấu trúc composit giữa CNTs và lớp mạ crôm nền. Chính nhờ cấu trúc này mà lớp mạ crôm được gia cường hiệu quả và được biểu hiện bằng giá trị cao về độ cứng và độ bền mài mòn mà chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau.
b/ Chụp ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM)
(a) (b)
(c) (d)
Hình 43: Ảnh AFM của (a)- đế thép sau khi đánh bóng; (b)- mẫu mạ crôm thường – (M1); (c), (b)- mẫu mạ gia cường CNTs - C6H4NH2 ( M12).
Độ nhám bề mặt của các lớp mạ được đánh giá sơ bộ thông qua ảnh hiển vi lực nguyên tử - AFM (phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu) và được so sánh với độ nhám của đế thép trước khi mạ.
Hình 43b là ảnh chụp AFM lớp mạ crôm thường (M1), chúng ta có thể nhận thấy lớp mạ có bề mặt mịn hơn nhiều so với đế thép đã được đánh bóng ở hình 43a, điều này được biểu hiện bởi độ sáng bóng cao của lớp mạ crôm thường. Tuy nhiên cũng có thể nhận thấy trên bề mặt của lớp mạ crôm thường này có các vết nứt mà trên thực tế quá trình mạ crôm vẫn thường gặp. Trái lại trên hình 43c (mẫu mạ crôm có gia cường CNTs - C6H4NH2 với nồng độ ban đầu là 12 g/l - M12) mặc dù kích thước hạt to hơn kích thước hạt của lớp mạ crôm thường (biểu hiện là độ bóng kém hơn) tuy nhiên trên bề mặt không hề quan sát thấy vết nứt. Điều này được dự đoán là lớp mạ crôm gia cường bằng CNTs sẽ có tác dụng chống chịu tốt với điều kiện môi trường ôxi hoá. Ngoài ra trên hình 43d chúng ta cũng có thể ghi nhận sự xuất hiện của các sợi CNTs trên bề mặt lớp mạ composit. Các sợi CNTs nằm trên bề mặt làm giảm đáng kể độ bóng sáng của lớp mạ cũng như làm tăng hệ số ma sát của vật liệu, điều này là không có lợi cho các chi tiết chống ma sát (vòng bi, piston,…) nếu chúng ta sử dụng ngay. Chúng ta có thể khắc phục bằng một cách rất đơn giản là trước khi sử dụng các chi tiết được mạ bằng lớp mạ composit này phải được đem đi đánh bóng cơ học.