Luận văn nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim xốp fe cr ni mo

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
•

•

•

•

•

•

•

BÙI NGỌC MAI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO
HỢP KIM XỐP Fe/Cr/Ni/Mo

LUẬN VĂN THẠC Sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT
•

•

•

HÀ NỘI, 2015

•

B õ GIÁO DUC VÀ ĐÀO TAO
•

•

•

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
•

•

•

•

BÙI NGỌC MAI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO
HỢP KIM XỐP Fe/Cr/Ni/Mo
Chuyên ngành

: Vật lí chất rắn

M ã số

: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC Sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT
•

•

•

•

Người hướng dẫn khoa học
TS. Bùi Xuân Chiến

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi đã dựa trên những kiến thức
tiếp thu được trong quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2
và những kiến thức mà tôi đã học hỏi trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu tại phòng thí nghiệm luyện kim bột của trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội. Những kết quả của tôi đạt được không chỉ có sự nỗ lực của bản thân tôi
mà còn có sự giúp đỡ vô cùng to lớn của những ngưòi xung quanh: các quý
thầy cô, các anh chị đi trước, bạn bè và người thân...
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.Bùi
Xuân Chiến - người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi tận tình, tỉ mỉ và chu đáo
ừong suốt quá trình nghiên cứu đề tài.
Trong quá trình làm khóa luận, tôi đã gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự
hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS. Trần Quốc Lập, TS. Đặng Quốc Khánh, TS.
Lê Minh Hải, cùng với sự nỗ lực bản thân, bản khóa luận đã được hoàn thành.
Tôi xin cảm ơn thầy Nguyễn Minh Đức, thầy Lê Hồng Thắng trong thời

gian qua đã chỉ dạy cho tôi hiểu rõ về nguyên lý làm việc và cách vận hành của
các thiết bị trong phòng thí nghiệm. Cảm ơn các bạn sinh viên Lê Duy Tùng
(K56), Hoàng Thị Thu (K56), Nguyễn Thị Thu Thủy (CTTT K55), Lê Văn Sơn
(K55) đã giúp đỡ trong quá trình làm việc tại phòng thí nghiệm luyện kim bột.
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tà i11Nghiên cứu thiết kế, công
nghệ chế tạo các quang trở và máy lạnh mini dùng cho thiết bị bay".
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã
luôn bên cạnh, động viên, khuyến khích giúp tôi thực hiện được mục tiêu đã
đề ra.
Tác giả

BÙI NGỌC MAI


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu ừong luận văn này
là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.
Đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim xốp Fe/Cr/Ni/Mo ”
được thực hiện bỏi chính tác giả, dưói sự hướng dẫn của TS. Bùi Xuân Chiến.
Luận văn chưa được công bố ở bất kỳ nơi nào.
Nếu sai tôi hoàn toàn chịu ừách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 thảng 7 năm 2015
Tác giả

BÙI NGỌC MAI


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu......................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu.....................................................................................1
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứ u.....................................................................1
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
6. Cấu trúc khóa luận........................................................................................ 2
PHẦN I. TỒNG QUAN.................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP.......................................... 4
1.1. Vật liệu xốp và các tính chất của vật liệu xốp........................................... 4
1.2. Phân loại vật liệu xốp................................................................................. 6
1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu xốp....................................................... 7
1.3.1 Chế tạo vật liệu xốp từ kim loại nóng chảy.........................................7
1.3.2. Chế tạo vật liệu xốp từ bột kim loại.................................................... 8
1.3.3. Từ hơi hoặc khí của các hợp chất kim loại........................................10
1.3.4. Từ dung dịch ion kim loại..................................................................11
ỈA. ứng dụng của vật liệu xốp....................................................................... 12
1.4.1. ứng dụng cấu trúc xốp của vật liệu trong công nghiệp.....................13
1.4.2. Những ứng dụng mang tính chức năng..............................................14
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT.......................................16
2.1. Phương pháp luyện kim bột và đặc điểm của phương pháp.....................16
2.2. Các phương pháp sản xuất bột kim loại hay hợp kim...............................17


2.2.1. Các phương pháp cơ học.................................................................... 17
2.2.2. Các phương pháp hóa l ý .................................................................... 17
2.3. Các phương pháp tạo hình........................................................................ 19

2.3.1. Phương pháp nén một chiều............................................................... 19
2.3.2. Các phương pháp nén khác................................................................20
2.3.3. Các phương pháp tạo hình không cần nén......................................... 21
2.4. Thiêu kết....................................................................................................21
2.4.1. Thiêu kết thông thường......................................................................25
2.4.2. Ép nóng..............................................................................................25
2.4.3. Thiêu kết xung điện plasma...............................................................27
2.5. ứng dụng của phương pháp luyện kim bột...............................................29
2.5.1. Vật liệu bột mài..................................................................................29
2.5.2. Dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng........................................................29
2.5.3. Thép gió b ộ t.......................................................................................31
2.5.4. Bạc xốp tự bôi ừơn............................................................................. 31
PHẦN II: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ....................................................33
CHƯƠNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu ..................................34
3.1 Các thiết bị sử dụng nghiên cứu.................................................................34
3.1.1 Thiết bị trộn........................................................................................ 34
3.1.2 Thiết bị é p .......................................................................................... 34
3.1.3 Thiết bị thiêu k ết.................................................................................36
3.1.4 Thiết bị đo độ bền nén.........................................................................36
3.1.5 Thiết bị đo tỷ trọng..............................................................................37
3.2. Phương pháp xác định các tính chất vật lý ...............................................38
3.2.1. Phương pháp đo độ xốp.....................................................................38
3.2.2. Phương pháp đo độ bền nén...............................................................39
3.3. Các phương pháp phân tích...................................................................... 40


3.3.1. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)........................................................40
3.3.2. Phân tích hiển vi điện tử quét (SEM)................................................ 41
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 43
4.1. Kết quả khảo sát mẫu chuẩn Fe/Cr/Ni/Mo.............................................. 43

4.1.1. Cấu trúc tế vi của mẫu chuẩn............................................................ 43
4.1.2. Độ xốp của mẫu chuẩn......................................................................45
4.1.3. Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu chuẩn..................... 45
4.1.4. Kết quả đo độ bền nén của mẫu chuẩn............................................. 46
4.2. Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở nền thép.... 47
4.3. Kết quả thăm dò chế tạo vật liệu xốp ừên cơ sở nền thép bằng phương
pháp luyện kim bột..........................................................................................48
4.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến tính chất của vật
liệu xốp........................................................................................................48
4.3.2. Ảnh hưởng của lực ép đến tính chất của vật liệu xốp....................... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................58


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Các phương pháp sản xuất bọt kim loại...........................................12
Bảng 4.1 : Kết quả đo độ xốp........................................................................... 45
Bảng 4.2: Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu chuẩn......................... 46
Bảng 4.3: Kết quả đo độ bền nén của mẫu chuẩn.......................................... 47
Bảng 4.4: Mối quan hệ của hàm lượng chất tạo xốp đến độ xốp của mẫu sau
thiêu kết.......................................................................................................... 49
Bảng 4.5: Hàm lượng các nguyên tố............................................................... 52
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của lực ép đến tính chất của vật liệu........................... 54


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Cấu trúc lỗ xốp kín................................................................................ 4
Hình 1.2: Cấu trúc lỗ xốp h ở ................................................................................ 4
Hình 1.3: Vật liệu không thấm ướt ...................................................................... 5

Hình 1.4: Vật liệu thấm ướt ................................................................................. 5
Hình 1.5: Kích thước lỗ x ố p ................................................................................. 6
Hình 1.6: Tạo bọt trực tiếp bằng phương pháp đẩy k h í........................................8
Hình 1.7: Tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng bằng chất sinh k h í...............................8
Hình 1.8: Sơ đồ quá trình công nghệ chế tạo vật liệu xốptheo phương pháp
luyện kim b ộ t...................................................................................................... 10
Hình 1.9: Chế tạo vật liệu kim loại xốp từ dung dịch ion kim loại .................... 11
Hình 2.1: Sơ đồ ép nén một chiều...................................................................... 20
Hình 2.2: Sơ đồ thiêu k ế t.................................................................................... 22
Hình 2.3: Mối quan hệ giữa độ co ngót và nhiệt đ ộ ............................................23
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Plasma.......................28
Hình 3.1: Thiết bị trộn........................................................................................... 34
Hình 3.2: Khuôn ép..............................................................................................35
Hình 3.3: Thiết bị ép............................................................................................ 35
Hình 3.4: Thiết bị thiêu kết.................................................................................. 36
Hình 3.5: Thiết bị đo độ bền nén MTS 809......................................................... 37
Hình 3.6: Cân điện tà...........................................................................................37
Hình 3.7: Máy nhiễu xạ tia X-D5000................................................................. 41
Hình 3.8: Máy hiển vi điện tử quét..................................................................... 42
Hình 4.1 : Ảnh SEM của các mẫu chuẩn với các độ phóng đại khác nhau........ 44
Hình 4.2: Kết quả EDX của các mẫu chuẩn....................................................... 46
Hình 4.3: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu xốp Fe/Cr/Ni/Mo..............47
Hình 4.4: Sự phụ thuộc của độ xốp vào hàm lượng chất tạo xốp..................... 50


Hình 4.5: Ảnh SEM mẫu 0% NaHC03 và 50% NaHC03 với lực ép 7 tấn ở
các chế độ phóng đại khác nhau.........................................................................51
Hình 4.6: Kết quả chụp EDS của mẫu 1 .............................................................52
Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến độ bền của mẫu............ 53
Hình 4.8: Ảnh hưởng của lực ép đến độ xốp của vật liệu................................... 55

Hình 4.9: Ảnh hưởng của lực ép đến độ bền vật liệu..........................................55


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tàỉ
Việc nghiên cứu về vật liệu xốp hiện đang thu hút được nhiều sự quan
tâm trong cả lĩnh vực khoa học và những ứng dụng trong công nghiệp. Vật
liệu bọt và các loại vật liệu có độ xốp cao với cấu trúc kiểu mạng lưới được
biết đến với nhiều tính chất hấp dẫn như là độ cứng cao cùng với khối lượng
riêng rất thấp hoặc độ thấu khí cao kết hợp với tính dẫn nhiệt cao. Vì lý do
này mà vật liệu xốp được sử dụng nhiều ừong lĩnh vực kết cấu hoặc những
ứng dụng mang tính chức năng chuyên biệt (ví dụ như gỗ hoặc xương). Trong
các loại vật liệu xốp nhân tạo, các loại bọt polyme hiện là loại vật liệu quan
trọng với những ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ. Được biết
đến ít hơn nhưng cũng rất quan trọng là kim loại, hợp kim hoặc gốm được chế
tạo dạng vật liệu xốp hoặc bọt với những tính chất rất đặc biệt mà có thể
mang đến những ứng dụng mới ừong tương lai gần.
Vì những lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp
kim xốp Fe/Cr/NỈ/Mo
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hợp kim xốp.
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim xốp Fe/Cr/Ni/Mo.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

Chế tạo mẫu hợp kim xốp Fe/Cr/Ni/Mo.

-

Kiểm ừa cơ lý tính của vật liệu.

-

Kết luận.

4. Đổi tượng, phạm vỉ nghiên cứu
- Hợp kim Fe/Cr/Ni/Mo.
-

Công nghệ chế tạo.


2

5. Phương pháp nghiên cứu
- Thực nghiệm:
+ Công nghệ ép.
+ Thiêu kết.
- Đo kiểm ừa cơ lý tính của mẫu.
6. Cấu trúc khóa luân
m

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị; khóa luận bao gồm 2
phần:
PHẦN I. TỒNG QUAN
Chương 1. Tổng quan về vật liệu xốp
Chương 2. Phương pháp luyện kim bột

PHẦN II. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
Chương 3.Các phương pháp nghiên cứu
Chương 4. Kết quả và thảo luận


3

PHẦN I. TỒNG QUAN


4

CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XÓP
Ẩ
1 .!• Vật liệu xôp và các anh chât của vật liệu xôp
<
|

17Ại

1«Ạ
_
_
_
_
_
_
_

_

_
__ V

_A _

í/_
_
1

_1_ Ấ i

_
_
_
7_
_ _ ẠA

1«Ạ_
_
_
_
_
_
_ Ẩ_
_
_

Vật liệu xốp là những vật liệu chứa những kênh hay những khoảng hở
nhỏ cho phép những chất lưu (chất khí hoặc lỏng) hấp thụ vào hoặc đỉ qua.
Do đó, tính chất và lĩnh vực ứng dụng của vật liệu xốp được quyết định chủ

yếu bởi những tính chất của cấu trúc xốp bao gồm:
-

Cấu trúc lỗ xốp kín: Những vật liệu chứa bên trong nó những lỗ xốp

khép kín, không thông với nhau và cũng không thông với bề mặt của vật liệu
(hình 1.1).

Hình 1.1: Cấu trúc ỉẫxổp kín [3].
-

Cấu trúc lỗ xốp hở: Vật liệu xốp có cấu truc lỗ xốp hở là vật liệu cho

phép những chất lỏng hoặc khí đi xuyên qua nó từ một bề mặt của vật liệu
sang bề mặt đối diện bởi những lối đi hay những khe hở thông với nhau ở bên
trong vật liệu (hình 1.2).

Hình 1,2: Cẩu trúc lổ xốp hở [3],


5

Tính thấm ướt làm cho các ống mao dẫn có khả năng hút, dẫn dòng chất
lỏng. Có thể chia làm hai loại vật liệu: vật liệu thấm ướt và vật liệu không
thấm ướt với chất lỏng.
-

Vật liệu không thấm ướt: Vật liệu có cấu íxúc hở nhưng chất lỏng

không thể bị hút vào bởi lực mao dẫn (hình 1.3).

Hình 1.3: Vật ỉiệu không thấm ướt [3].
-

Vật liệu thấm ướt: chất lỏng được hút vào các lỗ xốp hở của vật liệu do

tác động của lực mao dẫn (hình 1.4).

-

Kích thước lỗ xốp: kích thước của lỗ xốp trong vật liệu xốp là một tính

chất rất quan trọng. Tính chất này ảnh hưởng đến khả năng thấu khí hay khả
năng cho phép chất lỏng đi qua. Khả năng cho chất lỏng đi qua lại phụ thuộc
vào chất lỏng sử dụng là nước hay là dầu, hay có thể là những chất lỏng tự


6

nhiên hoặc nhân tạo khác. Kích thước lỗ xốp có hiệu quả được xác định là
kích thước nhỏ nhất bên trong những khe hay lỗ xốp (hình 1.5). Trong ứng
dụng, vật liệu xốp làm việc như thế nào liên quan trực tiếp đến tính chất của
vật liệu làm ra nố và những tính chất của cấu trúc xốp.
Kích thước xốp hiệu dụng

Kích thước xốp lý tưởng

Kích thước xốp thực tế

Hình L5: Kích thước lỗ xốp [3].

1.2. Phân loại vật liệu xổp
Theo hình dạng lỗ xốp, ta có thể chia ra các loại sau [4]:
- Vật liệu có cấu trúc kiểu mạng mắt lưới: đây là thuật ngữ phổ biến nhất
nói đến vật thể kim loại chứa những lỗ hổng khí phân tán bên trong. Pha kim
loại chia không gian thành những ô kiểu hình mạng khép kín chứa pha khí.
- Vật liệu xốp: là một dạng đặc biệt của kiểu mạng mắt lưới với những lỗ
trống cổ hình dạng nhất định. Các lỗ xốp thường cố dạng tròn cách biệt vói nhau.
- Vật liệu rắn xốp dạng bọt: đây cũng là một dạng đặc biệt khác của kiểu
mạng mắt lưổi mà khởi đầu là từ bọt kỉm loại lỏng và do đó nó có hình thái
học nhất định. Những ô mạng kín, dạng tròn hoặc nhiều mặt bị tách riêng biệt
vói nhau bỏi những màng mỏng.
- Vật liệu có cấu truc xốp dạng xỉ: dạng này có hình thái học giống như kim
loại xốp kiểu mạng lưới, thường là ở dạng những lỗ hổng mở nối liền nhau.


7

1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu xốp
Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu xốp. Trong đó, có một số
phương pháp tương tự như những kỹ thuật được sử dụng trong tạo bọt chất
lỏng nước hoặc chất lỏng hữu cơ, và ngược lại có những phương pháp được
thiết kế đặc biệt bởi việc muốn đưa vào những tính chất đặc trưng của vật
liệu [18]. Những phương pháp khác nhau được phân loại theo trạng thái
của vật liệu ban đầu. Điều này định rõ bốn họ của quá trình chế tạo, mỗi
một họ tương ứng với một trạng thái ban đầu của vật liệu, bao gồm chế tạo
vật liệu xốp:
- Từ kim loại lỏng
- Từ kim loại rắn dạng bột
- Từ hơi hoặc khí của các hợp chất kim loại
- Từ dung dịch ion kim loại

1.3.1 Chế tạo vật liệu xốp từ kim loại nóng chảy
Ở phương pháp này, kim loại nóng chảy được chế tạo thành vật liệu xốp
bằng cách tạo bọt trực tiếp, gián tiếp, hoặc bằng cách rót kim loại lỏng bao
quanh vật liệu rắn độn ở bên ừong khuôn để tạo sẵn các khoảng trống cho quá
trình xử lý tiếp theo để tạo xốp. Một cách khác nữa là làm nóng chảy một vật
ép từ bột có chứa chất sinh khí.
- Tạo bọt trực tiếp (hình 1.6): Trong một điều kiện nhất định, người ta
tạo ra những bong bóng khí trong lòng khối kim loại nóng chảy. Thường thì
những bóng khí được tạo ra đó có xu hướng nhanh chóng nổi lên trên bề mặt
do lực đẩy Acsimet trong lòng chất lỏng có tỷ trọng lớn, nhưng xu hướng nổi
lên của các bóng khí có thể được điều khiển bằng cách tăng độ nhớt của kim
loại nóng chảy. Bằng cách cho thêm vào những bột gốm mịn hoặc các nguyên
tố hợp kim để tạo ra những hạt làm ổn định khối kim loại nóng chảy.


8

khívào

_
_

vártinpăn

_
_
_

r

>

9

Hình 1.6: Tạo bọt trực tìêp băng phương pháp đây khí [18].
Hiện nay có hai cách để tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng, đó là: đẩy khí
vào kim loại lỏng từ một nguồn ở bên ngoài hoặc là tạo khí ở đứng chỗ của nó
ngay từ đầu trong chất lỏng bằng cách trộn thêm vào chất sinh khí trong kim
loại lỏng (hình 1.7).
1.5%Ca

1.6%TiH2

Thickening

Foaming

Cooling

Foamed
Block

Slicing

Hình 1.7: Tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng bằng chất sinh kh í[18].
1.3.2. Chế tao vât liêu xốp từbôt kim loai
■

■

•

MT

m

m

Thay vì từ kim loại nóng chảy, bột kim loại rắn cũng có thể được sử
dụng để tạo ra vật liệu kim loại có cấu trúc xốp (hình 1.8). Bột kim loại ở


9

trạng thái rắn trong toàn bộ quá trình và chỉ có đơn thuần là xử lý nhiệt hoặc
là các quá trình khác ở trạng thái rắn. Đây là việc tạo xốp bằng cách giữ khí ở
trong một vật nén từ vật liệu bột bằng cách sử dụng vật liệu độn hoặc là tạo
bọt bột kim loại ở dạng bùn.
Một cách đơn giản để chế tạo vật liệu xốp từ nguyên liệu ban đầu là bột
kim loại ép hoặc đùn hỗn hợp bột kim loại với chất kết dính hoặc chất tạo
xốp, sau đó là quá trình phân hủy chất kết dính và chất tạo xốp. Bột kim loại
được kết khối bằng quá trình thiêu kết. Đó chính là quá trình luyện kim bột.
Phương pháp luyện kim bột bởi vật liệu ban đầu là các bột kim loại.
Người ta trộn bột kim loại, bột hợp kim hoặc các bột kim loại với chất sinh
khí rồi ép thành bán thành phẩm,

về

nguyên lý vật nén có thể được tạo ra

bằng bất kỳ kỹ thuật nào chỉ cần đảm bảo rằng chất sinh khí được bao bọc và
phân bố đều bên trong nền kim loại, và phần lỗ xốp mở là không đáng kể. Sau
đó xử lý nhiệt ở nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nền. Chất sinh
khí bị phân hủy và giải phóng khí làm vật liệu nền bị nở ra và do đó tạo ra vật
liệu có cấu trúc xốp lớn. Thời gian cần thiết cho sự giãn nở hoàn toàn phụ
thuộc vào nhiệt độ và kích thước của mẫu ép, thường trong khoảng từ vài giây
đến vài phút.


10

v â t liều tao lỗ xốp

Bọt kim loại
+

Spàce holder

4

Httâl povvdíH-

ĩĩiỊỏ'*
Trộn vói dung môi hoặc
chất kểt dính —>bao phủ
xung quanh chât tạo xôp
«

9

/

•

I

Ọ
$

ợ
.

ÉR

«

I

(1 chiêu^ đăng tĩnh)

Loại bỏ chất tạo xốp

Thiêu kểt

Hình L8: Sơ đồ quá trình công nghệ chế tạo vật liệu xốp theo
phươngphảp ỉuyện kim bột [ 13].
1.3,3,

Từ hơi hoặc kh i cửa các hợp chẩt kim ỉoạỉ

Bọt xốp kim loại cũng được tạo ra từ kim loại hoặc các họp chất kim loại
ở thể khí (hình 1.9). Một cấu trúc có sẵn ở dạng rắn được dùng để định hình
trước cho sàn phẩm kim loại xốp sau này, ví dụ, ta có thể dùng những bọt
polyurethane có dạng mắt lưứi hoặc những cốt sẵn bằng polyme có dạng một
khối có cấu trdc xốp kiểu mạng. Hơi kim loại được tạo ra trong một buồng
chân không và ngưng tụ trên cốt lạnh đặt sẵn. Kim loại ngưng tụ lên bề mặt
của cốt polyme và tạo thành một lóp màng có độ dày nhất định được đánh giá
bằng mật độ hơi và thòi gian để kim loại ngưng tụ lên cốt đó.


11

Sau khi lam nguoi, cot polyme dugc loai bo bang cach xu ly nhiet hoac
xu ly hoa hoc va ta thu dugc mot cau true xop bang kim loai giong het cau
true xop cua polyme.
Nguoi ta da san xuit bot xop niken theo cach nay void tim mong
khoang 3,3 mm; mat do kim loai trong khoang 0,2 den 0,6 g/cm3, do sach vat
lieu la khoang 99,97% Ni; do ben keo khoang 0,6 MPa doi vod tim co mat do
kim loai trung binh [12].
polymer
foam

add
conductive
coating

electroplate

remove
polymer

Hinh 1.9: Che tao vat lieu kim loai xop tic dung dich ion kim loai [13].
1.3.4. Tu dung dich ion kim loai
V6i phuomg phap nay, trang thai ban diu cua vat lieu la cac ion kim loai,
vi du nhu la mot dung dich cac ion trong mot chat dien phan. Kim loai dugc
dien phan len mot mieng bot polyme vod cac o mang mo va bot polyme se bi
loai bo sau nay. Viec dien phan kim loai len bot polyme doi hoi bot ban dau
phai co tinh dan dien. Dieu nay co the dat dugc bang cach nhung bot polyme
vao mot loai bun dan dien, tren co so graphit hoac cacbon black.
Phuomg phap dien hoa dugc dung d! che tao bot kim loai Cu, Ni, hgp
kim Ni - Cr. Nguoi ta da che tao dugc nhung tim bot xop Ni, va Ni - Cr theo
phuomg phap nay vod do day tu 2 den 20 mm vod ty trong trong khoang 0,4
den 0,65g/cm3.


12

Bảng 1: Các phương pháp sản xuất bọt kim loại [13].
Độ xôp có thê

Vật liệu đã sử

đạt %

dụng

Tạo bọt trực tiếp bằng cách đẩy khí

80-97

Al, Zn

Tạo bọt trực tiếp bằng chất sinh khí

90-93

Al, Zn

Gasars

5 -7 5

Ni, Cu, Al, Mg

Nấu chảy vật được ép từ bột

6 0 -9 0

Al, Zn

<65

Al, Zn, Pb, Cu

<90

AI

2 0 -8 0

Ti, Fe, Cu

Thiêu kết phản ứng

<50

TiAl, FeAl

3. Phương pháp điện hóa

92-95

Ni, Cu

4. Phương pháp bay hơi

93-97

Ni, Ni-Cr, Cu

Phương pháp
1. Từ trạng thái lỏng

Đúc rót
2. Từ trạng thái răn (từ vật liệu bột)
Tạo bọt từ bùn bột kim loại (thấm bùn)
Theo phương pháp ép và thiêu kết

1.4. ứng dụng của vật liệu xổp
Nếu chỉ quan tâm đến tỷ trọng thấp của vật liệu thì đã có rất nhiều loại

vật liệu đã được tạo ra với giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, nếu khối lượng rất
thấp kết hợp với những đặc tính về hấp thụ năng lượng tốt, hoặc tính cách
nhiệt tốt hay có độ cứng tương đối cao thì không phải là phổ biến ở các loại
vật liệu thông thường. Vì vậy tính cạnh tranh của các loại bọt xốp kim loại đã
tăng lên đáng kể. Và với mỗi một ý tưởng ứng dụng mới cho vật liệu trước
tiên phải được xem xét từ các tính chất đặc trưng cần thiết của vật liệu mà
chúng ta cần. Sau đó mới đi đến quyết định xem có nên sử dụng loại vật liệu
đó hay không cùng với sự cân nhắc về giá thành.


13

Ngày nay, vật liệu xốp được ứng dụng ngày càng nhiều trong mọi lĩnh
vực của đời sống bởi những tính chất khá đặc biệt của nó. Nhiều ứng dụng đòi
hỏi vật liệu vừa xốp lại vừa có cấu trúc lỗ xốp mở để khí hoặc chất lỏng có
thể đi qua. Một số ứng dụng khác chỉ yêu cầu vật liệu xốp với những lỗ xốp
kín dùng để cách nhiệt, hoặc cách âm, cũng có thể dùng trong những yêu cầu
cần giảm khối lượng của chi tiết... ví dụ như ừong bộ trao đổi nhiệt, trong
dụng cụ lọc, yêu cầu vật liệu phải có cấu trúc lỗ xốp mở; trong những vật liệu
dùng để làm bạc đệm, vật liệu chống ồn hay vật liệu y sinh để cấy ghép thì
cần cấu trúc lỗ xốp mở một phần (không toàn bộ),...
Từ loại vật liệu nào để ta có thể chế tạo được những cấu trúc lỗ xốp theo
yêu cầu đặt ra cũng là một vấn đề quan trọng. Đối với những chi tiết mang
tính kết cấu, vừa phải chịu tải trọng lại phải nhẹ, mặt khác được làm từ vật
liệu kim loại hoặc hợp kim thì các loại bọt từ Al, Mg hoặc Ti là được ưa
chuông hơn. Đối với những ứng dụng trong y học, thì Ti được ưu tiên bởi tính
tương thích sinh học của nó với mô...
1.4.1. ứng dụng cấu trúc xốp của vật liệu trong công nghiệp
-

Trong công nghiệp ô tô: nhu cầu ngày càng tăng trong vấn đề an toàn

của ô tô dẫn đến trọng lượng xe hơi nặng hơn trong nhiều trường hợp có
nghĩa là làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, điều này lại trái với mong muốn.
Đặc biệt ở những nước có ngành công nghiệp ô tô phát triển như Châu Âu,
Nhật Bản người ta còn mong muốn giảm chiều dài của xe hơi mà không gian
sử dụng xe là lớn nhất. Do đó, người ta thử đưa vào sử dụng những động cơ
kiểu mới nhỏ gọn hoặc là thu nhỏ các kết cấu khác. Điều này lại dẫn đến
những vấn đề như sự tản nhiệt không tốt trong khoang động cơ bởi lúc này
khoảng cách giữa các chi tiết ừong đó rất gần nhau, hoặc khoảng cách an toàn
bị giảm do giảm chiều dài xe. Cuối cùng là mong muốn giảm tiếng ồn từ xe
hoi đã đưa đến nhu cầu mới về thiết bị hấp thụ âm thanh.


14

Các loại bọt kim loại đem lại giải pháp hữu hiệu để giải quyết một số
vấn đề ở trên. Ví dụ như người ta có thể dùng những tấm nhôm xốp, nhẹ để
dùng cho việc giảm trọng lượng của một số chi tiết, hấp thụ năng lượng khi
va chạm (giảm chấn động), cách âm hoặc cách nhiệt.
- Trong ngành công nghiệp hàng không, những tấm nhôm xốp được
dùng để thay thế những kết cấu xốp dạng tổ ong đắt tiền có thể làm giảm giá
thành xuống rất nhiều.
- Trong công nghiệp đóng tàu những kết cấu nhẹ đóng vai ừò rất quan
trọng. Những tàu hiện đại ngày nay được làm từ những tấm nhôm, và những
kết cấu xốp từ nhôm. Những tấm panen lớn bằng nhôm xốp với những lõi
nhôm hứa hẹn là một yếu tố quan trọng trong một số những kết cấu này. Nếu
những tấm bề mặt được liên kết với vật liệu lõi bằng những chất kết dính
polyurethane có độ đàn hồi cao thì người ta thu được những cấu trúc vừa nhẹ
vừa cứng có khả năng làm giảm chấn động rất tốt.

- Trong ngành xây dựng, vật liệu xốp được ứng dụng rất rộng rãi. Nó
được dùng để trang trí mặt tiền của những tòa nhà cao tầng hiện đại, được
dùng trong thang máy,... bởi những tính chất vừa nhẹ, vừa cứng lại vừa cách
nhiệt tốt của loại vật liệu này.
- Vật liệu xốp cũng được ứng dụng khá nhiều trong các ngành công
nghiệp khác như ngành đường sắt, trong kết cấu máy, trong sản xuất dụng cụ
thể thao...
1.4.2. Những ứng dụng mang tính chức năng
- Dùng làm dụng cụ lọc nước: những vật liệu kim loại xốp có thể được
dùng để làm giảm nồng độ của những ion không mong muốn hòa tan trong
nước. Trong ứng dụng này chất bẩn chảy qua một dụng cụ lọc bằng kim loại
xốp kiểu mạng có độ xốp cao với cấu trúc lỗ xốp mở. Trong cấu trúc xốp của
dụng cụ lọc phản ứng oxi hóa khử xảy ra giữa ion với kim loại nền của bộ lọc.


15

- Trong việc lọc và tách: Có hai dạng dụng cụ lọc, thứ nhất là những
dụng cụ lọc giữ lại và tách các hạt rắn phân tán trong chất lỏng ở dạng huyền
phù, loại thứ hai là lọc giữ lại các hạt rắn phân tán trong chất khí (ví dụ như
lọc khí thải của động cơ diesel), ứng dụng này đòi hỏi vật liệu phải có cấu
trúc lỗ xốp mở để chất lỏng hoặc chất khí có thể đi qua.
- Dùng làm dụng cụ chứa và vận chuyển chất lỏng. Một trong những ứng
dụng lâu đời nhất của vật liệu xốp là dùng làm những bạc xốp tự bôi trơn.
Dầu bôi trơn được chứa ở trong các lỗ xốp giữa các hạt của bạc và có thể chảy
ra ngoài một cách một cách từ từ để bù vào lượng dầu đã sử dụng.
- Dùng trong thiết bị giảm thanh: Những vật liệu được sản xuất bằng
phương pháp luyện kim bột để làm giảm âm thanh, giảm xung áp lực hoặc
những chấn động cơ học cũng được dùng khá phổ biến trong công nghiệp.
Những vật liệu có độ xốp mở ở mức nhất định có thể được thiết kế cho việc

giảm một số tần số một cách lựa chọn trong khi nó đi qua những vật khác. Sự
thay đổi áp suất bất ngờ xảy ra trong những máy ép hoặc máy nén khí có thể
được giảm nhờ sử dụng những chi tiết xốp.
-

Dụng cụ ừao đổi nhiệt và các máy làm nguội: những bọt xốp có độ

dẫn nhiệt cao ừên cơ sở Cu hoặc AI có thể được sử dụng trong những bộ trao
đổi nhiệt. Trong trường hợp này đòi hỏi vật liệu phải có cấu trúc lỗ xốp mở.
Nhiệt được lấy đi bằng cách cho dòng khí hoặc dòng chất lỏng đi qua vật liệu
xốp đó và làm nguội hoặc làm nóng bọt xốp đó lên cùng lúc.