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
43
Hình 4. 20 Ảnh FESEM ở cùng độ phóng đại 1000X mẫu đồng xốp dạng mảnh sau khi thiêu kết với thời gian 30-120 phút ở 900oC
Sự phụ thuộc của khối lượng riêng vào thời gian thiêu kết như thấy trên hình 4.21a. Khi tăng thời gian thiêu kết, khối lượng riêng của mẫu tăng lên. Tuy
nhiên có thể thấy khối lượng riêng của mẫu tăng chậm khi tăng thời gian thiêu kết. Song song với đó, độ xốp của mẫu sẽ giảm dần khi tăng nhiệt độ thiêu kết, hình 4.21b. Giá trịđộ xốp giảm từ 44.41 xuống 40,86%. Các giá trị của độ xốp này hoàn toàn nằm trong phạm vi yêu cầu thiết kế của ống nhiệt.
44
Hình 4. 21 Khối lượng riêng và độ xốp của mẫu thay đổi theo thời gian thiêu kết (sử dụng bột đồng dạng mảnh)
Giới hạn chảy dẻo của mẫu theo thời gian thiêu kết như thấy trên hình 4.22. Giới hạn chảy dẻo của mẫu đồng xốp tăng lên khi tăng thời gian thiêu kết. Với thời gian thiêu kết 30 phút giá trị giới hạn chảy dẻo đạt được là 20,3 MPa sau đó tăng
lên 21,8 MPa khi kéo dài thời gian thiêu kết lên 120 phút.
Hình 4. 22 Giới hạn chảy dẻo của mẫu đồng xốp phụ thuộc thời gian thiêu kết (sử dụng bột đồng dạng mảnh)
Điều này là quy luật chung khi thiêu kết bột đồng. Tăng thời gian thiêu kết làm tăng độ kết khối của vật liệu, tăng liên kết giữa các hạt với nhau thông qua quá trình khuếch tán biên hạt và khuếch tán khối. Hơn nữa, khi kéo dài thời gian thiêu
45 kết, các lỗ xốp cũng dần bị triệt tiêu, tức là làm suy giảm các khuyết tật gây giảm
độ bền của vật liệu, chính vì vậy đã tăng được giới hạn chảy dẻo của mẫu xốp. Không giống như bột cầu dạng mảnh, các hạt bột đồng dạng cầu thời điểm
trước khi thiêu kết sẽ tiếp xúc nhau dạng điểm (về mặt lý thuyết) tức là diện tích tiếp xúc của các hạt đồng dạng cầu là thấp. Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến cấu trúc vật liệu đồng xốp sử dụng bột dạng cầu như thấy trên ảnh FESEM ở độ
phóng đại khác nhau hình 4.23 và 4.24. Có thể thấy khi tăng thời gian thiêu kết vùng cổ liên kết giữa các hạt bột đồng được mở rộng ra làm liên kết giữa các hạt bột đồng tăng lên. Khi thời gian thiêu kết tăng lên 120 phút cổ liên kết giữa các hạt phát triển rất mạnh như thấy trên hình 4.24, điều này có thể dẫn đến việc các lỗ
xốp bịđóng kín làm giảm khảnăng dẫn chất lỏng làm việc sau này của ống nhiệt.
Hình 4. 23 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng hạt bột đồng dạng cầu theo thời gian thiêu kết ởđộ phóng đại 300X
46
Hình 4. 24 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng hạt bột đồng dạng cầu theo thời gian thiêu kết ở độ phóng đại 1000X
Các kết quả quan sát trên cũng phù hợp với các giá trị khối lượng riêng đo được của vật liệu đồng xốp chế tạo từ bột đồng dạng cầu. Khi tăng thời gian thiêu kết làm tăng khối lượng riêng và giảm độ xốp của vật liệu như thấy trên hình 4.25 a và b. Điều này là do quá trình kết khối được thúc đẩy hơn khi kéo dài thời gian thiêu kết. Cổ liên kết giữa các hạt phát triển lên, đồng thời các lỗ xốp cũng dần bị
triệt tiêu.
47 Kết quảđo giới hạn chảy dẻo của mẫu được thể hiện trên hình 4.26. Nhưng xu hướng chung quan sát được là khi tăng thời gian thiêu kết làm tăng giới hạn chảy dẻo của mẫu. Giá trị giới hạn chảy dẻo cao nhất đạt được là 23,7 MPa cho mẫu thiêu kết ở 900oC với thời gian 120 phút. Tuy nhiên kết hợp với ảnh SEM cấu trúc đồng xốp nhận được thì cho thấy với thời gian thiêu kết khoảng 60-90 phút vừa tạo được cấu đồng xốp với mạng lưới liên thông tốt đồng thời vẫn đảm bảo độ
bền cho lớp vật liệu.
Hình 4. 26 Giới hạn chảy dẻo của mẫu đồng xốp dùng bột đồng dạng cầu
4.3 Xác định hệ số dẫn lưu của vật liệu đồng xốp
Đểđánh giá cấu trúc xốp, đề tài cũng xác định độ dẫn lưu của mẫu. Hệ số dẫn
lưu (hay còn gọi là độ thẩm thấu), KPđược xác định dựa trên phương pháp Darcy's law, công thức (3.1). Sơ đồphương pháp đo như mô tả trên hình 4.27.