Thấm kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp vào vật liệu xốp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH

THẤM KIM LOẠI LỎNG CÓ NHIỆT ĐỘ NÓNG
CHẢY THẤP VÀO VẬT LIỆU XỐP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên
cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa công bố ở bất kỳ công
trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

-1-


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

1

Mục lục

2

Danh mục các bảng

4

Danh mục các hình

5

Mở đầu

7

PHẦN I: TỔNG QUAN

9

CHƯƠNG I: VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN KIM LOẠI

10

1.1. Vật liệu composite

10

1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển

10

1.1.2. Khái niệm

10

1.1.3. Đặc điểm và phân loại

11

1.2. Vật liệu composite nền kim loại

14

1.2.1. Thành phần cấu tạo

14

1.2.2. Các dạng liên kết nền và cốt

16

1.2.3. Phương pháp chế tạo

19

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM KIM LOẠI VÀO

24

VẬT LIỆU XỐP
2.1. Vật liệu xốp và các tính chất của vật liệu xốp

24

2.2. Ứng dụng của vật liệu xốp

26

2.3. Cơ sở thấm kim loại lỏng vào vật liệu xốp

28

2.4. Các yếu tố ảnh hưởng

30

2.4.1. Bản chất của vật liệu

30

2.4.2. Tính thấm ướt

30

2.4.3. Độ nhớt của chất lỏng

31

2.4.4. Nhiệt độ thấm

31

2.4.5. Thời gian thấm và môi trường thấm

31

-2-


CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

32

3.1. Đối tượng

32

3.1.1. Nhôm

32

3.1.2. TiC

35

3.1.3. SiC

37

39

3.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Tạo hình bột kim loại

40

3.2.2. Thiêu kết

44

3.2.3. Thiết bị nghiên cứu

53

PHẦN II: THỰC NGHIỆM

57

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

58

4.1. Công nghệ chế tạo vật liệu TiC xốp

58

4.1.1. Chế tạo vật liệu TiC xốp

58

4.1.2. Thấm Al lỏng vào TiC xốp

65

4.1.3. Kết quả đạt được

69
73

4.2. Công nghệ chế tạo vật liệu SiC xốp
4.2.1. Tạo hình vật liệu SiC xốp bằng phương pháp ép đẳng trục

72

4.2.2. Thiêu kết vật liệu SiC liên kết Silicat

74

4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến độ bền và độ

75

xốp của vật liệu
77

4.2.4. Thấm Al lỏng vào SiC xốp
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO

82

-3-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần TiO2
Bảng 4.1: Tính chất của vật liệu TiC xốp nhận được sau thiêu kết với áp lực ép
P=1T/cm2
Bảng 4.2: Tính chất của vật liệu TiC xốp nhận được sau thiêu kết với áp lực ép
P=2T/cm2
Bảng 4.3: Tính chất của vật liệu TiC xốp nhận được sau thiêu kết với áp lực ép
P=3T/cm2
Bảng 4.4: Lượng Al thấm vào mẫu TiC với độ xốp khác nhau ở cùng một điều kiện
nhiệt độ t=10000C
Bảng 4.5: Lượng Al thấm vào mẫu TiC với độ xốp khác nhau và nhiệt độ thấm khác
nhau
Bảng 4.6: Mẫu thấm cùng điều kiện nhiệt độ t=10000C và thời gian thấm 7h
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến độ xốp
Bảng 4.8: Lượng Al thấm vào thay đổi theo nhiệt độ thấm và thời gian thấm

-4-


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại Composite theo hình dạng cốt.
Hình 1.2: Một số dạng cấu trúc Composite.

Hình 1.3: Composite cốt hóa hai chiều.
Hình 1.4: Composite cốt hóa 3 chiều.
Hình 1.5: Góc thấm ướt.
Hình 1.6: Sơ đồ chế tạo Composite nền kim loại.
Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc khuấy.
Hình 2.1: Cấu trúc lỗ xốp kin.
Hình 2.2: Cấu trúc lỗ xốp hở.
Hình 2.3: Vật liệu không thấm ướt chất lỏng.
Hình 2.4: Vật liệu thấm ướt chất lỏng.
Hình 2.5: Kích thước lỗ xốp.
Hình 2.6: Các giai đoạn của quá trình thấm.
Hinh 2.7: Góc thấm ướt của chất lỏng lên bề mặt vâtk liệu.
Hình 2.8: Các khả năng thấm ướt.
Hình 3.1: Một số hình ảnh của Al trong đời sống kỹ thuật
Hình 3.2: Các công đoạn chính của quá trình chuẩn bị bột
Hình 3.3: Các chi tiết của khuôn ép
Hình 3.4: Sự thay đổi độ xốp và hình dạng hạt bột kim loại khi tăng áp lực ép
Hình 3.5: Quan hệ giữa mật độ và áp lực ép
Hình 3.6: Chu trình nhiệt của quá trình thiêu kết
Hình 3.7: Sơ đồ quá trình thiêu kết
Hình 3.8: Mối quan hệ giữa mật độ tương đối và nhiệt độ thiêu kết
Hình 3.9: Mối quan hệ giữa mật độ tương đối và thời gian thiêu kết
Hình 3.10: Khuôn ép
Hình 3.11: Máy ép thủy lực
Hình 3.12: Lò nung ống đứng
Hình 3.13: Lò thiêu kết LN-1100

-5-

Hình 3.14: Thiết bị xác định mật độ ép và thiêu kết
Hình 4.1: Lưu trình khái quát công nghệ chế tạo TiC
Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu TiC xốp
Hình 4.3: Kết quả phân tích X-Ray mẫu bột TiC nghiền 30h, nung ở 14000C
Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa lực ép và độ xốp ở TTK=10000C
Hình 4.5: Mối quan hệ giữa %Al thấm và thời gian
Hình 4.6: Mối quan hệ giữa %Al thấm và nhiệt độ khác nhau với độ
xốp khác nhau
Hình 4.7: Mối quan hệ giữa %Al thấm vào và độ xốp
Hình 4.8: Độ bền nén của mẫu trước khi thấm Al
Hình 4.9: Độ bền nén của mẫu sau khi thấm Al
Hình 4.10: Ảnh tổ chức tế vi của vật liệu TiC xốp thấm Al phóng đại 200 lần
(Ảnh chụp mặt cắt ngang của mẫu)
Hình 4.11: Ảnh tổ chức tế vi của vật liệu TiC xốp thấm Al phóng đại 200 lần
(Ảnh chụp mặt cắt dọc của mẫu)
Hình 4.12: Mẫu TiC dài ép khuôn ngang
Hình 4.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tỷ trọng và kích thước hạt SiC
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lượng Al thấm vào, độ xốp và thời
gian thấm
Hình 4.15: Ảnh tổ chức tế vi của vật liệu SiC xốp thấm Al phóng đại 50 lần

-6-


MỞ ĐẦU
Ngày nay sự phát triển như vũ bão của các lĩnh vực điện tử, hàng không vũ
trụ, năng lượng mới và an ninh quốc phòng đòi hỏi các loại vật liệu mới có tính
năng đặc biệt , có cơ lý tính cao (độ bền nhiệt, tỷ trọng thấp, độ chịu nhiệt…).
Ở điều kiện bình thường kim loại, hợp kim và phi kim thuần túy chỉ có
những tính chất cơ - lý tính xác định, khó có kim loại, hợp kim và phi kim nào cùng

một lúc có được tất cả các tính chất cơ - lý tính tốt. Ý tưởng kết hợp các loại vật liệu
khác nhau để tạo ra một loại vật liệu tổng hợp các tính chất của vật liệu khác nhau
hoặc để tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi như cầu đa
dạng và phong phú của nền khoa học kỹ thuật hiện nay, cũng như trong tương lai là
một vấn đề hết sức cần thiết . Như một tất yếu vật liệu Composite đã được ra đời.
Sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của vật liệu Composite chính là nhằm
giảm thiểu kích thước, trong lượng các linh kiện và thiết bị hay thay thế những kim
loại đắt tiền. Vật liệu Composite ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu, của các nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh
tế quốc dân.
Có nhiều phương pháp sản xuất vật liệu Composite. Ở nước ta cũng đã có
nhiều cơ sở nghiên cứu, sản xuất vật liệu này với các loại nền khác nhau, tuy nhiên
phương pháp sản xuất Composite nền kim loại bằng công nghệ thấm kim loại lỏng
có nhiệt độ nóng chảy thấp vào vật liệu xốp lần đầu tiên được quan tâm ở nước ta,
trong khi đó ở các nước có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến phương pháp này đã
được khẳng định và áp dụng rộng rãi với các ưu điểm của nó. Với mong muốn được
góp một phần nhỏ bé của mình vào sự nghiệp xây dựng và phát triển ngành Công
nghệ vật liệu của nước nhà nói chung và phát triển vật liệu Composite nền kim loại
nói riêng em đã chọn đề tài: “Thấm kim loại lỏng có nhiệt độ nóng chảy thấp vào
vật liệu xốp” như là một nghiên cứu thăm dò.
Trong bản luận văn này em trình bày các kết quả nghiên cứu công nghệ chế
tạo vật liệu xốp. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chủ yếu đến

-7-


quá trình thấm như: áp lực ép, nhiệt độ thấm, thời gian thấm, môi trường thấm đến
cơ lý tính của sản phẩm trước khi tiến tới áp dụng phương pháp này trong thực tế.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương I: Vật liệu Composite nền kim loại

Chương II: Công nghệ thấm kim loại lỏng vào vật liệu xốp
Chương III: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Chương IV: Thực nghiệm và kết quả
Qua quá trình làm luận văn em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy
cô giáo trong bộ môn Vật liệu kim loại màu và Composite, phòng thí nghiệm Vật
liệu bột và Composite khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu đã giúp đỡ tận tình và
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Quốc Lập đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ
em. Em cũng xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người
thân đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn cao học
này.
Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

-8-


PHẦN I: TỔNG QUAN

-9-


CHƯƠNG I
VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN KIM LOẠI
1.1.

Vật liệu Composite

1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000
năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc
sống ( ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình
nung đồ gốm).
Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm
trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum
về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường
đan tre chát bùn với rơm là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong
đời sống xã hội.
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột
biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành
công sợi thuỷ tinh; dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này đã được
áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến trong đại
chiến thế giới lần thức hai.
Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự
xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,... Từ năm 1970 đến
nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv...
Vậy vật liệu Composite là gì?
1.1.2. Khái niệm
Vật liệu Composite được cấu thành bởi hai hay nhiều thành phần từ các chất
hoặc hợp chất hóa học khác nhau, có ranh giới riêng, có các tính chất riêng; là vật

-10-


liệu không đồng nhất trong cấu trúc vi mô và không đồng đều trong cấu trúc vĩ mô;
thành phần, hình thức và sự phân bố các thành phần được thiết kế từ trước; các tính
chất của vật liệu Composite được xác định bởi từng thành phần cấu thành và mối

liên kết giữa các thành phần đó.
1.1.3. Đặc điểm và phân loại
1.1.3.1.

Đặc điểm

Tính chất của vật liệu Composite phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần tạo
nên nó và độ bền liên kết giữa chúng. Đặc điểm nổi bật của composite là phát huy
được những ưu điểm của vật liệu thành phần, đồng thời xuất hiện các tính chất mà
vật liệu thành phần không có được khi đứng độc lập.
Vật liệu composite được đặc trưng bởi sự tổng hợp của các đặc điểm sau:
-

Số liệu các vật liệu thành phần tạo nên composite tối thiểu bằng 2.

-

Hàm lượng, hình dạng, sự phân bố của các thành phần trong composite
được thiết kế trước.

-

Thành phần hóa học của các vật liệu thành phần là khác nhau, luôn tồn tại
danh giới phân cách giữa chúng.

-

Tính chất của vật liệu composite phụ thuộc chủ yếu vào các vật liệu thành
phần với hàm lượng đủ lớn.

-

Composite có thể coi là đồng nhất vĩ mô nhưng không đồng nhất vi mô.

-

Vật liệu composite không gặp trong tự nhiên mà là sản phẩm tạo ra của
con người.

Các thành phần trong tổ chức composite được phân loại thành nền và cốt.
Nền là thành phần liên tục trong toàn bộ thể tích khối composite. Vật liệu
nền thường là các vật liệu có độ dẻo lớn, tỷ trọng nhỏ và đóng vai trò liên kết các
pha cốt, tiếp nhận và truyền tác động bên ngoài vào pha cốt, bảo vệ pha cốt khỏi tác
động của môi trường và tạo hình sản phẩm. Nền có thể là kim loại và hợp kim;
cũng có thể là vật liệu hữu cơ, vô cơ, gốm, vật liệu cácbon và các vật liệu khác.
Tính chất của vật liệu nền quyết định các tham số công nghệ của quá trình chế tạo

-11-


composite và các đặc tính sử dụng của nó như khối lượng riêng, độ bền riêng, nhiệt
độ làm việc, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn.
Vật liệu cốt là pha gián đoạn phân, bố trong nền, đóng vai trò tăng cường cơ,
lý tính của vật liệu. Vật liệu cốt có thể là hai hoặc ba pha và thường là các hợp chất
có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao.
1.1.3.2.

Phân loại

Việc phân loại Composite dựa trên các đặc điểm của chúng

1.

Theo bản chất của nền vật liệu Composite được phân thành:
- Composite nền chất dẻo.
- Composite nền kim loại.
- Composite nền gốm.
- Composite nền hỗn hợp nhiều pha.

2.

Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, ta có thể

phân loại Composite thành ba nhóm: vật liệu Composite cốt hạt, vật liệu Composite
cốt sợi và vật liệu Composite cấu trúc.
COMPOSITE

Cốt hạt

Cốt sợi

Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn

Composite cấu trúc

Lớp

Tấm ba lớp Tổ ong

Có hướng Ngẫu hướng
Hình 1.1: Sơ đồ phân loại composite theo hình dạng cốt

-12-


Compozit cốt hạt

Composite cốt sợi ngắn

Composite cốt sợi dài

Hình 1.2: Một số dạng cấu trúc composite

Hình 1.3: Composite cốt hoá 2 chiều

-13-


Hình 1.4: Composite cốt hoá 3 chiều
1.2. Vật liệu Composite nền kim loại
Vật liệu composite nền kim loại có nền thường là các loại kim loại và hợp
kim có độ dẻo dai cao, tỷ trọng riêng nhỏ, độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn. Khi
đưa thêm các phần tử cốt vào pha nền sẽ tạo ra một loại vật liệu mới có các tính
chất ưu việt hơn hẳn các pha thành phần hợp thành nên nó. Các đặc tính đặc trưng
của vật liệu composite nền kim loại là độ dẻo dai cao, độ bền lớn, chịu mài mòn và
khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao.
1.2.1. Thành phần cấu tạo
Composite được cấu tạo từ hai cấu tử chính đó là nền và cốt. Mỗi cấu tử có
một vai trò và tính chất đặc trưng, chúng liên kết với nhau để tạo ra một vật liệu có
tính chất tổng hợp, tập hợp các tính chất ưu điểm của các cấu tử thành phần.
1.2.1.1. Vật liệu nền

Tùy vào mục đính sử dụng mà có loại vật liệu nền khác nhau. Để chế tạo vật
liệu kết cấu, cấu tử nền thường là các vật liệu có độ bền riêng cao, tỷ trọng nhỏ như
Titan, nhôm, magiê và các hợp kim của chúng. Để đáp ứng yêu cầu về vật liệu bền
nóng, vật liệu chịu mài mòn thường sử dụng vật liệu nền là các kim loại có nhiệt độ

-14-


nóng chảy cao như Vonfram, Crom và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các
hợp chất trên cơ sở sắt làm vật liệu nền vì nó có độ bền riêng nhỏ và dễ bị ôxi hóa.
Composite trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nó có ưu điểm là tỷ trọng
nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo
pistong.
Composite nền Titan và hợp kim Titan do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng, mô
đun đàn hồi lớn (80 đến 100GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt, nên được sử
dụng nhiều trong động cơ phản lực, tua bin, cánh máy nén.
Composite nền đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị
trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do có khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhưng chủ yếu
composite này vẫn được dùng để sản xuất vật liệu điện như chổi than, tiếp điểm
điện do có khả năng dẫn điện tốt. Bên cạnh đó, composite cơ sở đồng còn được sử
dụng trong các loại bạc bôi trơn, bạc trượt.
1.2.1.2. Vật liệu cốt
Tùy theo kích thước, hình dáng và cách sắp xếp của cốt vào nền mà cốt được
chia làm ba loại: cốt sợi – râu, cốt hạt, cốt cấu trúc. Vật liệu cốt thường là các tập
hợp chất vô cơ có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và mô đun đàn hồi lớn.
Trong thực tế thường sử dụng composite nền kim loại cốt hạt. Composite cốt hạt
còn gọi là composite hoá bền phân tán, tạo ra các chốt để ngăn cản sự thay đổi vị trí
của các cấu tử trong vật liệu. Cốt là các hạt nhỏ có môđun đàn hồi cao, nhiệt độ
nóng chảy cao, khối lượng riêng nhỏ, ít tương tác với nền như: cácbua, các nitrua,
TiC, SiC, ôxit kim loại Al2O3, SiO2…

Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 2000oC), tỷ trọng nhỏ, độ
cứng cao.
Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn
tốt, là vật liệu có tính bán dẫn, có nhiệt độ nóng chảy 2300oC, γ = 3,2 g/cm3. SiC,
Al2O3 là vật liệu quan trọng nhất trong chế tạo gốm công nghiệp.

-15-


Cốt TiC có độ cứng, độ bền cao nên thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ
cắt và các chi tiết trong hàng không vũ trụ.
Cốt sợi thường sử dụng là các loại sợi, râu của các nguyên tử hay các chất có
nhiệt độ nóng chảy cao như Bo, C, SiC, W, WC…. Sợi có thể liên tục hay gián
đoạn với đường kính chỉ vài µm. Tỷ lệ của cốt sợi dài có thể đạt 90% thể tích, do
cốt sợi dài có thể sắp xếp được, sợi ngắn đến 30%. Tính chất của vật liệu composite
phụ thuộc vào sự phân bố và cách sắp xếp của cốt.
Ví dụ: Sợi Bo có độ bền, độ cứng cao, chịu được nhiệt độ cao, sợi được chế
tạo bằng phân huỷ cloruabo và lắng kết vào sợi dây W. Sợi C có mô đun đàn hồi, độ
bền riêng lớn nhưng dễ bị ôxy hoá ở 450oC. Sợi SiC phổ biến vì cơ tính cao, chịu
nhiệt độ cao, được chế tạo bằng cách cácbít hoá với xúc tác H2 ở 1800oC. Đối với
sợi Al2O3, Al2O3 có nhiều dạng mạng, mạng để làm vật liệu compozit là mạng α.
Đây là mạng lục giác xếp chặt. Cấu trúc của sợi là đa tinh thể và được tạo ra bằng
việc ôxy hoá các râu tinh thể Al. Sợi râu đơn tinh thể có chiều dài bằng 20 lần chiều
rộng, có tính hoàn thiện cao hơn dẫn đến cơ tính cao.
1.2.2. Các dạng liên kết nền và cốt
Liên kết giữa nền và cốt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của vật liệu
composite. Sự truyền tải giữa nền và cốt chỉ xảy ra tốt khi nền và cốt được liên kết
chặt chẽ với nhau. Bề mặt tiếp xúc giữa nền và cốt tốt dẫn đến môi trường truyền tải
khi có lực tác dụng tốt và khi đó pha cốt mới phát huy được vai trò là pha tăng bền
cho vật liệu. Vậy phải có liên kết tốt giữa nền và cốt, đó là yếu tố quan trọng nhất

đảm bảo cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha nền và cốt. Có rất nhiều loại
liên kết giữa nền và cốt nhưng có thể phân ra 3 loại liên kết chính là: liên kết cơ
học, liên kết hoá học, liên kết hỗn hợp
1.2.2.1. Liên kết cơ học
Liên kết cơ học có thể được thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ nhấp nhô
bề mặt do lực ma sát, hoặc nhờ sự thấm ướt do năng lượng sức căng bề mặt.

-16-


Trường hợp này xảy ra khi pha nền bị nung chảy và dính ướt với cốt nên có sự
khuếch tán tuy là rất nhỏ.
Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt vật liệu và mật độ vết
nứt của vật liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Khi mức độ biến dạng nhỏ
thì mật độ vết nứt ít phụ thuộc vào độ nhám bề mặt giữa nền và cốt. Khi mức độ
biến dạng lớn thì nồng độ vết nứt ở cốt có bề mặt bóng không tăng nữa, tức là
không xuất hiện thêm vết nứt. Nguyên nhân là do liên kết cơ học giữa nền và cốt bị
phá vỡ, không có khả năng truyền lực tác dụng từ nền vào cốt nữa. Trong khi đó ở
cốt có bề mặt nhấp nhô hợp lý vẫn xuất hiện vết nứt trên bề mặt nền và cốt, tức là
liên kết nền và cốt chưa bị phá vỡ, tải trọng vận tiếp tục được truyền từ nền vào cốt
cho đến khi độ biến dạng lớn.
1.2.2.2. Liên kết có tạo pha trung gian
Liên kết có tạo pha trung gian là loại liên kết có sự hình thành vùng trung
gian ở ranh giới giữa hai cấu tử. Liên kết này chỉ xảy ra với các cấu tử có khả năng
khuếch tán hoặc phản ứng hóa học với nhau.
Phần lớn các hệ composite nền kim loại là hệ ở trạng thái không cân bằng về
nhiệt động học. Do đó luôn tồn tại gradient nồng độ giữa nền và cốt. Gradient nồng
độ đó chính là động lực trong quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học xảy ra khi
có các điều kiện nhiệt động học phù hợp.
Lớp bề mặt tiếp xúc được tạo ra bởi phản ứng hóa học và khuếch tán thường

có tính chất cơ, lý, hóa khác biệt với tính chất của cấu tử thành phần. Nếu khả năng
tạo vùng trung gian được kiểm soát thì sẽ tạo ra liên kết mạnh giữa nền và cốt. Tuy
nhiên nếu vùng trung gian này quá dày thì sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật
liệu.
1.2.2.3. Liên kết hỗn hợp
Là liên kết tổng hợp bao gồm cả liên kết cơ học và liên kết hóa học. Tức là
nền và cốt liên kết với nhau vừa thông qua độ nhấp nhô bề mặt vừa do tạo vùng
trung gian giữa chúng.

-17-


Sự đánh giá tương tác giữa các cấu tử gắn liền với sự xác định thời gian tối
ưu các pha tiếp xúc nhau khi tạo thành composite. Có thể phân ra các trường hợp
tiếp xúc giữa nền và cốt như sau: rắn tiếp xúc với rắn, rắn tiếp xúc với lỏng.
Khi có tiếp xúc lỏng - rắn, liên kết được tạo ra chủ yếu là nhờ sự thấm ướt
giữa nền và cốt. Thấm ướt tốt là rất cần thiết nhưng chưa phải là điều kiện đủ để có
một liên kết tốt, bên cạnh yếu tố góc thấm ướt còn có nhiều yếu tố quan trọng khác
ảnh hưởng đến tính chất liên kết giữa cốt và nền như: cơ tính, hoá tính, hình dạng và
cấu trúc của vật liệu. Tính toán động học quá trình nóng chảy cho phép ta ước lượng
thời gian cần thiết để tạo ra liên kết bền chắc giữa cốt và nền trong quá trình xuất
hiện pha lỏng. Lượng thích hợp của pha lỏng ở điểm eutecti có nhiệt độ nóng chảy
nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của các cấu tử là điều kiện cần thiết để thấm ướt dạng
sợi và hạt của vật liệu. Đặc trưng cho sự thấm ướt đó là góc thấm ướt θ . Góc θ
càng nhỏ thì khả năng thấm ướt càng tốt và khi θ = 0 thì thấm ướt hoàn toàn.

Hình 1.5: Góc thấm ướt
Thời gian cần thiết để xuất hiện sự dính bám hoàn toàn các cấu tử
tađh < ti + th + tn
t ađh: là thời gian cần thiết để pha lỏng che phủ hoàn toàn cấu tử rắn

ti : thời gian giữ nhiệt để khuếch tán xảy ra triệt để (thời gian trễ khuếch tán)
th: thời gian giữ nhiệt để khuếch tán xảy ra đến độ sâu nhất định (hình thành
pha trung gian)
tn: thời gian để mầm pha trung gian phát triển
Khi có tiếp xúc rắn – rắn có thể tạo ra liên kết cơ học hoặc hoá học.

-18-


Liên kết cơ học giữa cốt và nền là do tác dụng của ngoại lực, nền và cốt thâm
nhập vào nhau thông qua sự mấp mô bề mặt của nó từ đó tăng lực ma sát giữa cốt
và nền dẫn đến tăng độ bền cho vật liệu. Với vật liệu cốt có bề mặt bóng khi độ biến
dạng đạt tới một giá trị giới hạn nào đó thì liên kết giữa nền và cốt bị phá vỡ và
nồng độ vết nứt không tăng nữa, khi đó không có khả năng truyền lực vào cốt nữa
(ví dụ với compozit nền Al cốt Al2O3 thì giới hạn đó là 8%). Với vật liệu có bề mặt
cốt nhấp nhô hợp lý thì vẫn xuất hiện vết nứt trên bề mặt nền cốt khi đó liên kết nền
và cốt vẫn chưa bị phá vỡ, tải trọng vẫn tiếp tục truyền vào cốt.
Liên kết hoá học được tạo ra khi pha rắn gắn kết với pha rắn là nhờ quá trình
khuếch tán và phản ứng hoá học. Phần lớn các hệ composite nền kim loại là các hệ
ở trạng thái không cân bằng về mặt nhiệt động học, chính sự mất cân bằng đó là
động lực cho quá trình khuếch tán và phản ứng hoá học xảy ra khi có các điều kiện
nhiệt động học thích hợp. Lớp bề mặt tiếp xúc được tạo ra bởi phản ứng hoá học và
khuếch tán, thường có tính chất cơ lý hoá khác với tính chất của các cấu tử thành
phần. Nếu phản ứng ở bề mặt tiếp xúc được kiểm soát thì sẽ tạo ra liên kết tốt giữa
nền và cốt, tuy nhiên nếu vùng phản ứng quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất
của composite. Liên kết nền kim loại và cốt gốm thường hình thành ở vùng nhiệt độ
cao, quá trình khuếch tán và phản ứng hoá học lại xảy ra rất nhanh ở vùng nhiệt độ
này vì vậy cần phải khống chế nhiệt độ và thời gian để có chiều dày vùng phản ứng
hợp lý.
Các hiện tượng xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chịu tác động mạnh của ứng suất

nhiệt do sự không tương thích về hệ số giãn nở nhiệt giữa các cấu tử. Khi ứng suất
nhiệt tăng vượt quá giới hạn đàn hồi của nền thì sẽ tạo ra biến dạng dẻo ở bề mặt
tiếp xúc. Biến dạng dẻo tạo ra lệch mạng và khuyết tật xung quanh cốt, qua đó tác
động đến liên kết, khuếch tán, quá trình tiết pha ở vật liệu nền.
1.2.3. Phương pháp chế tạo
Có rất nhiều phương pháp để sản xuất ra vật liệu composite nền kim loại. Sự
lựa chọn phương pháp chế tạo nào phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: bản chất liên

-19-


kết nền – cốt, khả năng của phương pháp có chế tạo được vật liệu đảm bảo tính chất
tối ưu và hiệu quả kinh tế. Thông thường thì một quá trình công nghệ để chế tạo ra
vật liệu composite nền kim loại sẽ tuân theo sơ đồ như sau:

Vật liệu
nền
Kết hợp

Vật liệu

Xử lý cơ

Gia công

Sản phẩm

nhiệt

Xử lý cốt

cốt
Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ chế tạo Composite nền kim loại
Trong sơ đồ trên, quan trọng nhất là phương pháp kết hợp nền và cốt.
Phương pháp phân tán cốt vào nền sẽ quyết định tới tính chất của sản phẩm sau này.
Ngoài ra, gia công, xử lý nhiệt sản phẩm sau khi kết hợp cũng đóng vai trò quan
trọng trong việc quyết định đến tính chất của vật liệu composite.
Tùy thuộc vào trạng thái kết hợp nền và cốt mà có các phương pháp chế tạo
khác nhau như phương pháp chế tạo ở pha rắn, phương pháp chế tạo pha lỏng,
phương pháp lắng đọng và phương pháp In-situ. Trong đó phương pháp chế tạo ở
pha rắn được sử dụng phổ biến hơn cả.
1.2.3.1.Phương pháp chế tạo ở pha rắn
Trong phương pháp này, vật liệu ở dạng bột hay tấm mỏng được tạo hình
dưới tác dụng của lực ép hoặc nhiệt độ. Cốt được đưa vào nền bằng quá trình tiếp
xúc trực tiếp thông qua quá trình khuếch tán giữa chúng. Phương pháp này có các
phương án sau:
-

Biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt: cán rèn sau ủ khuếch tán.

-20-


-

Hàn dưới áp lực: cơ năng chuyển thành nhiệt năng.

-

Phương pháp luyện kim bột.

1.2.3.2. Phương pháp chế tạo có sự tham gia của pha lỏng
a. Phương pháp thấm chân không
Phương pháp này chủ yếu áp dụng cho composite nền kim loại cốt sợi dài.
Thường người ta sử dụng phương pháp thấm kim loại lỏng trong chân không. Trong
phương pháp này, cốt phải có khả năng thấm ướt tốt với kim loại lỏng. Khả năng
thấm ướt của cốt phụ thuộc vào:
-

Bản chất vật liệu cốt và nền

-

Phương pháp xử lý bề mặt cốt

Nhìn chung việc chế tạo composite nền kim loại cốt sợi dài rất phức tạp do
việc định hình sắp xếp các sợi cốt trong nền và việc định hình này phụ thuộc vào
điều kiện và thiết bị sản xuất.
b. Phương pháp bán lỏng
Phương pháp bán lỏng là phương pháp xử lý vật liệu composite trong vùng
∆TR − L (chuyển pha rắn lỏng) khi đó sẽ xuất hiện một hỗn hợp cơ học giữa pha lỏng

và pha rắn. Khi khuấy pha rắn α được phân tán trong pha lỏng, nó bị cản trở nên
không nổi lên trên mặt thoáng và không tích tụ lại với nhau dẫn đến pha này trở
thành tâm mầm thúc đẩy quá trình kết tinh. Dựa vào quy tắc cánh tay đòn người ta
hoàn toàn có thể xác định được tỷ lệ pha lỏng và rắn. Trong phương pháp này, quá
trình ép chỉ để tạo hình, chuẩn kích thước, tăng tỷ trọng.
Ưu điểm của phương pháp bán lỏng so với công nghệ luyện kim bột là công
nghệ này ngắn gọn hơn vì bớt đi công đoạn xử lý nền, tạo ra sự phân bố đồng đều
cốt trong nền làm tăng cường mối liên kết giữa cốt và nền dẫn đến tăng cơ tính.

Nhược điểm của phương pháp này là phải có khoảng kết tinh đủ lớn, nhiệt độ
chính xác.

-21-


c. Phương pháp đúc khuấy
Phương pháp đúc khuấy thích hợp với vật liệu composite cốt hạt và được mô
tả trên hình 1.7.
Thường cốt hạt phải được xử lý nhằm
- Tăng khả năng thấm ướt
- Tăng hoạt tính bề mặt
Các phương pháp xử lý cốt hạt
- Phương pháp hoá học
- Xử lý nhiệt
- Phương pháp siêu âm
Phương pháp đúc khuấy được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:

Cốt hạt
Xử lý hạt

Công nghệ lỏng

Đúc áp lực
Bán lỏng

Đúc khuôn kim loại
Compozit cốt hạt

Sản phẩm

Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc khuấy
Composite cốt hạt phải gia công cơ và xử lý nhiệt thì mới cải thiện được mối
liên kết từ đó tăng độ bền sản phẩm.

-22-


d. Phương pháp đúc thẩm thấu
Phương pháp đúc thẩm thấu thích hợp với composite cốt sợi, trong phương
pháp này sợi cốt được chất trong khuôn sau đó vật liệu nền được đưa vào khuôn và
tiến hành nung thẩm thấu cuối cùng ta thu được composite.
1.2.3.3.Phương pháp lắng đọng
Theo phương pháp này, các kim loại nền hoá hơi lắng đọng lên sợi cốt sau
đó được đưa đi ép hoặc hàn dính lại với nhau sẽ tạo ra vật liệu composite. Hoặc kim
loại nền được phun cùng cốt hạt rồi làm nguội nhanh khi đó cốt hạt được bao bọc
bởi một lớp mỏng kim loại nền sau đó ép và thiêu kết sẽ tạo ra vật liệu composite.
1.2.3.4. Phương pháp in-situ
Là phương pháp kết tinh định hướng (trong quá trình đúc) hoặc tiết pha định
hướng (trong quá trình xử lý nhiệt) của các hợp kim có khả năng hình thành các pha
khác nhau.

-23-


CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM KIM LOẠI LỎNG
VÀO VẬT LIỆU XỐP
2.1. Vật liệu xốp và các đặc tính của vật liệu
Vật liệu xốp là những vật liệu chứa những kênh, những lối đi hay là những
khoảng hở nhỏ cho phép những chất lưu (chất khí hoặc lỏng) hấp thụ vào hoặc đi

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. Như là:
- 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 2.1: Cấu trúc lỗ xốp kín
- Cấu trúc lỗ xốp hở: Vật liệu xốp có cấu trúc 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

-24-