Trên hình 3.7 là ảnh thực tế mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết. Quan sát ban
đầu mẫu sau khi thiêu kết phải có màu sáng đỏ của đồng. Nếu mẫu dùng phân tích XRD hoặc đo độ bền nén có thể dùng mẫu trực tiếp nếu mẫu đảm bảo hình trụ và có hai mặt phẳng song song. Trong trường hợp quan sát cấu trúc lỗ xốp trên mặt gẫy của mẫu cần tạo vết cắt sau đó bẻ gẫy mẫu. Trong trường hợp đo kích thước lỗ xốp thì mẫu cần được đổ epoxy-chất đóng rắn để hỗn hợp này khuếch tán vào
26 các lỗ xốp và đóng rắn, sau đó mẫu được mài trên máy mài và đánh bóng để có thể
quan sát trên kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử quét.
Hình 3. 7 Hình ảnh mẫu đồng xốp hình trụ sau khi thiêu kết
3.5.2. Đo khối lượng riêng và tính toán độ xốp
Mẫu được đo kích thước, tính toán thể tích và đo khối lượng. Từ đó tính toán được khối lượng riêng và tính toán độ xốp. Để xác định kích thước sử dụng
thước kẹp để đo và cân điện tử để có độ chính xác 0,0001 xác định khối lượng mẫu, hình 3.8.
27
3.5.3. Quan sát cấu trúc trên kính hiển vi điện tử quét
Dùng phương pháp hiển vi điện tử quét sẽ quan sát và đánh giá tương đối
được khả năng liên thông của các lỗ xốp cũng như kích thước tương đối của lỗ
xốp.
Trên hình 2.9 là Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM, Hitachi S4800- đặt tại Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam) và ảnh SEM mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết cho thấy các lỗ xốp liên thông với nhau.
Hình 3. 9 Kính hiển vi điện tử quét FESEM Hitachi S4800 và ảnh SEM mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết.
3.5.4 Xác định tương đối kích thước lỗ xốp
Sau khi đổ epoxy-chất đóng rắn, mẫu được mài phẳng và có thể xác định
tương đối kích thước lỗ xốp trên kính hiển vi quang học. Trên hình 3.10 là hệ kính hiển vi quang học và ảnh quang học xác định kích thước lỗ xốp thông qua phần mềm kết nối với máy tính. Kích thước lỗ xốp trung bình của mẫu đồng xốp chế tạo theo quy trình này sẽ nằm trong phạm vi từ 25-35 µm. Với kích thước lỗ xốp trung bình như vậy sẽ tính toán được lực mao dẫn nằm trong khoảng 8-11,5KPa dựa vào công thức (1) [25] trong đó σ là sức căng bề mặt của chất lỏng làm việc (73.10-3
(N/m) đối với nước ở khoảng 25oC) và Reff là bán kính hiệu dụng trung bình của
ống mao dẫn (coi như bằng kích thước lỗ xốp).
28
Hình 3. 10 Kính hiển vi quang học và hình ảnh mẫu đồng xốp sau đổ epoxy, mài và đo kích thước lỗ xốp
3.5.5. Xác định thành phần pha và hàm lượng oxy
Thường mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết có thể bị oxy hóa khi ở nhiệt độ
cao nếu lựa chọn môi trường thiêu kết chưa tốt. Để xác định pha oxit đồng hay hàm lượng oxy có lớn không có thể chụp nhiễu xạ tia X (XRD) hoặc phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán xạnăng lượng tia X (EDS), tiến hành trên kính hiển vi điện tử quét SEM. Trên hình 3.11 là thiết bị đo nhiễu xạ tia X và giản đồ
nhiễu xạ tia X của mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết trong môi trường khí kết hợp Ar + H2như trình bày ở trên. Trên hình 3.12 là phổ tán xạnăng lượng tia X (EDS) cho thấy hàm lượng nhỏ oxy trong mẫu dù giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) không thấy các đỉnh nhiễu xạ của oxit. Mặc dù vậy hàm lượng oxy nhỏhơn 1% là có thể
chấp nhận được.
Hình 3. 11 Thiết bị nhiễu xạ tia X (Advance Brucker D8) và giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết
29
Hình 3. 12 Phổ tán xạnăng lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết
3.5.6 Xác định giới hạn chảy dẻo
Hình 3. 13 Thiết bịt kéo nén vạn năng Super L120
Mẫu Cu xốp sau khi chế tạo được xác định giới hạn chảy dẻo thông qua thiết bị kéo vạn năng Super L120 (Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam), trên hình 3.13.
30
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cấu trúc và tính chất vật liệu Cu xốp 4.1.1. Bột đồng dạng hình cầu 4.1.1. Bột đồng dạng hình cầu
Trên hình 4.1-4.3 là ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau sau khi thiêu kết sử dụng bột Cu dạng hình cầu với kích thước hạt khác nhau. Có thể thấy ở nhiệt
độ và thời gian thiêu kết trên, các hạt bột Cu đã liên kết với nhau hình thành cấu trúc Cu xốp. Cổ liên kết đã hình thành trong các mẫu sau thiêu kết. Vềđánh tổng quan khi quan sát ảnh FESEM có thể thấy mẫu Cu xốp sử dụng bột kích thước hạt mịn có sốlượng lỗ xốp lớn nhưng kích thước lỗ xốp nhỏ, các cổ liên kết phát triển mạnh hơn.
Hình 4. 1 Ảnh FESEM mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết sử sụng bột đồng dạng cầu kích thước <50µm
Như đã giới thiệu trong phần tổng quan, kích thước hạt bột đồng có ảnh
hưởng đến quá trình thiêu kết cũng rất đáng kể. Kích thước hạt càng mịn dẫn đến quá trình co ngót nhanh, các hạt mịn luôn có xu hướng tích tụ với nhau, chính vì vậy rất thuận lợi cho quá trình khuếch tán thể tích làm cho tốc độ kết khối nhanh
31 xúc giữa các hạt Cu ít đi, do tiếp xúc của các hạt bột Cu dạng cầu với nhau là tiếp xúc điểm.
Hình 4. 2 Ảnh FESEM mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết sử sụng bột đồng dạng cầu kích thước 50-100µm
Hình 4. 3 Ảnh FESEM mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết sử sụng bột đồng dạng cầu kích thước 100-150µm
Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của kích thước hạt, hình 4.4 là ảnh FESEM ở
32
thước hạt bột đồng sử dụng khác nhau. Có thể thấy sự khác biệt rõ ràng ở vị trí tiếp xúc giữa các hạt bột với nhau. Ở kích thước hạt < 50µm, các hạt đồng đã liên kết với nhau tạo thành mạng lưới hạt rất vững chắc, biên hạt liên kết được mở rộng rất mạnh. Khi kích thước hạt tăng lên từ 50-100µm, vùng cổ liên kết hình thành tương đối tốt, liên kết giữa hạt đồng với các hạt lân cận cũng rất rõ ràng và cấu trúc của lỗ xốp tạo bởi biên của các hạt và các cổ liên kết. Khi kích thước hạt tăng lên trong
phạm vi 100-150µm, cổ liên kết hình thành giữa các hạt đồng khá yếu, chỉ lớn hơn
mức tiếp xúc điểm.
Hình 4. 4 So sánh ảnh FESEM ở cùng độ phóng đại của mẫu đồng xốp sử dụng bột dạng cầu kích thước khác nhau
Có thể hình dung sự tiếp xúc của các hạt đồng ở các kích thước khác nhau
như hình 4.5. Giả sử các hạt đồng sắp xếp một cách lý tưởng với nhau trong một
đơn vị diện tích. Kích thước hạt đồng càng lớn thì số tiếp xúc giữa các hạt là càng nhỏ vì các hạt đồng dạng cầu tiếp xúc nhau thông qua tiếp xúc điểm, như thấy trên hình 4.5. Và vì vậy khảnăng khuếch tán của các nguyên tửđồng sang nhau sẽ càng mạnh thông qua các điểm tiếp xúc. Bên cạnh đó khi kích thước hạt càng nhỏ quá
33 trình khuếch tán khối cũng xảy ra mạnh hơn làm cho khả năng kết khối của bột
đồng tăng lên.
Hình 4. 5 Mô tả sốlượng tiếp xúc lý tưởng của các hạt đồng trên một đơn vị diện tích khi kích thước hạt khác nhau
Kết quảđo khối lượng riêng và tính toán độ xốp của vật liệu sau khi thiêu kết được thể hiện trên hình 4.6. Khối lượng riêng của mẫu sau khi thiêu kết giảm xuống khi kích thước hạt tăng lên. Điều này cũng phù hợp với các kết quả quan sát và phân tích trên ảnh FESEM, khi tăng kích thước hạt bột Cu, quá trình thiêu kết xảy ra chậm hơn so với kích thước bột Cu mịn và vì vậy mật độ xít chặt sẽ thấp
hơn so với mẫu sử dụng kích thước hạt mịn. Độ xốp của mẫu đạt được nằm trong khoảng từ36,68 đến 47,64%.
34
Hình 4. 6 Khối lượng riêng và độ xốp của mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng cầu với kích thước khác nhau
Kết quảđo giá trị chảy dẻo cho thấy khi tăng kích thước hạt bột thì giới hạn chảy dẻo của mẫu giảm xuống, hình 4.7. Kết quả quan sát ảnh FESEM và giá trị
tính toán độ xốp cũng cho thấy tăng kích thước hạt làm tăng độ xốp và giảm liên kết giữa các hạt bột Cu với nhau dẫn đến sự suy giảm độ bền liên kết giữa các hạt, tức là giảm giới hạn chảy dẻo của mẫu.
Hình 4. 7 Giới hạn chảy dẻo của mẫu phụ thuộc kích thước hạt bột Cu dạng cầu
4.1.2. Bột đồng dạng mảnh
Các kết quả quan sát và đo đạc cho thấy xu hướng tương tự như mẫu Cu xốp sử dụng bột Cu dạng mảnh. Trên hình 4.8 và hình 4.9 là ảnh FESEM mẫu
35 phạm vi 100-150µm. Có thể thấy rõ sự khác biệt đối với bột Cu dạng mảnh kích
thước khác nhau. Khi sử dụng kích thước hạt < 50µm, quá trình thiêu kết xảy ra rất mạnh, các hạt bột Cu liên kết với nhau do tiếp xúc của các hạt đồng dạng mảnh lớn hơn nhiều so với bột Cu dạng cầu. Các lỗ xốp tế vi bị loại bỏ rất mạnh làm cho vách đồng trở nên kín hơn so với kích thước hạt lớn và so với bột Cu dạng cầu ở
cùng vùng kích thước. Ở cùng phạm vi kích thước, bột Cu dạng mảnh cũng cho thấy quá trình liên kết và kết khối của mẫu xảy ra nhanh hơn.
Hình 4. 8 Ảnh FESEM độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng mảnh kích thước < 50µm.
36
Hình 4. 9 Ảnh FESEM độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng mảnh kích thước 100-150µm
Các kết quả quan sát khối lượng riêng và tính toán độ xốp cũng cho thấy phù hợp với kết quả quan sát trên ảnh cấu trúc Cu xốp và xu hướng cũng tương tự như đối với mẫu sử dụng bột Cu dạng cầu như thấy trên hình 4.2. Tuy nhiên cũng thấy rằng khi sử dụng cùng phạm vi kích thước hạt thì mẫu sử dụng bột đồng dạng mảnh có độ xốp thấp hơn do tính thiêu kết cao hơn.
Hình 4. 10 Khối lượng riêng và độ xốp của mẫu sau thiêu kết sử dụng bột đồng dạng mảnh kích thước khác nhau
37
Tương tựnhư vậy, giới hạn chảy dẻo của mẫu Cu xốp dạng mảnh cũng cao
hơn so với mẫu Cu xốp dạng cầu ở cùng phạm vi kích thước hạt sử dụng. Điều đó cho thấy độ bền liên kết của mẫu bột Cu dạng mảnh cao hơn so với dạng cầu, như
thấy trên hình 4.11.
Hình 4. 11 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến giới hạn chảy dẻo mẫu sử dụng bột
đồng dạng mảnh
Trong cảhai trường hợp sử dụng bột Cu dạng mảnh và dạng cầu đều cho thấy kích phạm vi kích thước hạt mịn (<50µm đối với bột dạng cầu, <100µm đối với bột đồng dạng mảnh) các lỗ xốp bị loại bỏ trên vách Cu xốp có thể không tạo liên thông tốt cho cấu trúc, ngược lại ở kích thước hạt thô (>100µm đối với bột dạng cầu), cấu trúc lỗ xốp tương đối tốt nhưng độ bền liên kết lại thấp.
Kết quả chụp nhiễu xạ tia X mẫu sau khi thiêu kết như thấy trên hình 4.12 chỉ ra rằng mẫu sau khi thiêu kết chỉ gồm một pha là đồng kim loại, không có sự
xuất hiện của oxit đồng hay pha tạp chất khác. Điều đó cho thấy quá trình thiêu kết
38
Hình 4. 12 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng có kích thước và hình dạng khác nhau
4.2 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến tính chất và cấu trúc vật liệu Cu xốp xốp
4.2.1 Bột đồng nguyên liệu và mẫu sau khi thiêu kết
Trên hình 4.13 là ảnh FESEM và giản đồ nhiễu xạ tia X nguyên liệu bột Cu dạng cầu. Mẫu bột Cu có kích thước khá đồng đều trong khoảng 40-70µm. Giản
đồ nhiễu xạ tia X cho thấy chỉ xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ của đồng, không thấy sự xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tạp chất hay của oxit đồng, điều đó cho thấy bột nguyên liệu có độ sạch cao. Hình 4.14 cho thấy bột Cu dạng mảnh có hình dạng
39 phức tạp hơn, và khó để nhìn rõ biên của từng hạt riêng rẽ. Giản đồ nhiễu xạ tia X bột Cu nguyên liệu dạng mảnh cũng cho thấy chỉ quan sát được các đỉnh nhiễu xạ
của đồng, không phát hiện thấy các tạp chất hay oxit đồng.
Hình 4. 13 Ảnh FESEM a) và b) giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột đồng dạng cầu
Hình 4. 14 Ảnh FESEM a) và b) giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột đồng dạng mảnh
Hình 4.15 là ảnh các mẫu Cu xốp thực tế sau khi thiêu kết bằng máy ảnh
thông thường, ở hình 4.15b có thể quan sát khá rõ bề mặt xốp của mẫu đồng bằng mắt thường.
Hình 4. 15 Mẫu đồng xốp sau khi thiêu kết
a) b)
b) a)
40
4.2.2 Cấu trúc lỗ xốp và thành phần pha sau khi thiêu kết
Từ hình 4.16 đến hình 4.19 là ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau của mẫu đồng xốp dạng mảnh thiêu kết ở nhiệt độ 900oC với thời gian thiêu kết khác nhau tương ứng là 30, 60, 90 và 120 phút. Từ các hình có thể thấy cấu trúc lỗ
xốp hình thành trên các mẫu khá đồng đều. Các hạt đồng đã xâm nhập vào nhau tạo nên mạng lưới lỗ xốp trong toàn bộ khối mẫu. Cấu trúc lỗ xốp của mẫu đồng xốp thiêu kết từ bột đồng dạng mảnh khá phức tạp gồm nhiều lỗ xốp có hình dạng không xác định liên kết với nhau và cũng khó để xác định kích thước lỗ xốp trung bình bằng ảnh FESEM. Bản thân trên vách các lỗ xốp cũng xuất hiện nhiều lỗ xốp nhỏ do cấu trúc của hạt đồng nguyên liệu. Cấu trúc này cũng tạo thuận lợi cho việc truyền dẫn chất lỏng trong ống nhiệt.
Hình 4. 16 Ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp dạng mảnh sau khi thiêu kết với thời gian 30 phút
41
Hình 4. 17 Ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp dạng mảnh sau khi thiêu kết với thời gian 60 phút
Hình 4. 18 Ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp dạng mảnh sau khi thiêu kết với thời gian 90 phút
42
Hình 4. 19 Ảnh FESEM ở các độ phóng đại khác nhau mẫu đồng xốp dạng mảnh sau khi thiêu kết với thời gian 120 phút
Hình 4.20 so sánh ảnh FESEM của mẫu bột đồng dạng mảnh sau khi thiêu kết ở các khoảng thời gian khác nhau với cùng một độ phóng đại là 1000 lần. Quan sát cho thấy, ở các khoảng thời gian thiêu kết ngắn, 30 và 60 phút, các vách hạt
đồng có kích thước nhỏ và nhiều lỗ xốp nhỏ xuất hiện trên vách hạt đồng. Các lỗ
xốp này hình thành do cấu trúc phức tạp của bột đồng dạng mảnh. Khi tăng thời gian thiêu kết lên 90 và 120 phút, các hạt đồng lớn hơn do quá trình xâm nhập của các hạt đồng nhỏ vào các hạt đồng lớn làm cho kích thước hạt sẽ lớn hơn. Bên
cạnh đó số lượng và kích thước các lỗ xốp nhỏ trên vách hạt đồng cũng giảm đi,
chính do quá trình xáp nhập và lớn lên của hạt đồng. Bản thân các hạt đồng dạng mảnh có hình dạng khá phức tạp nên diện tích tiếp xúc giữa các hạt đồng dạng mảnh với nhau cũng lớn do đó quá trình khuếch tán biên hạt cũng dễ dàng xảy ra