Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu composites alaln chịu nhiệt

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

NGUYỄN QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlN
CHỊU NHIỆT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - 2017


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

NGUYỄN QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlN
CHỊU NHIỆT

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Nguyễn Hồng Hải

Hà Nội - 2017

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự qu n t m,
hư ng
h

n tận t nh

tập th

n

giảng

môn: Vật liệu v CN Đú

y,

nh kho họ v

n

vi n

ũng như sự giúp đỡ, đ ng viên c a gia

đ nh, người th n, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hư ng d n kho
họ PGS.TS Nguyễn Hồng Hải đã tận tình d y bảo, hư ng d n v giúp đỡ tôi
trong suốt khoá học. Những lời khuy n, hư ng d n tận tình c a thầy đã giúp tôi ó
định hư ng và tiếp cận tốt hơn v i n i dung c
Tôi xin cảm ơn tập th

n

giảng

y,

đề t i đ có th hoàn thành luận án.

nh kho họ v

n

vi n h

:

Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) – Đ i
học Bách khoa Hà N i; Khoa Hóa – Trường Đ i học Khoa học tự nhi n, Đ i học Quốc gia
Hà N i; Viện tên lửa – Viện KH-CN Quân sự; Phòng vật liệu Vô ơ- Viện hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã t o điều kiện cho tôi thực hiện thí nghiệm và hỗ trợ

quá trình phân tích m u. Xin ch n th nh

m ơn tập th

n

giảng vi n Kho Cơ

kh Trường Đ i học Công nghiệp Hà N i đã t o điều kiện, hỗ trợ v đ ng vi n tôi
ho n th nh tốt nh t luận n n y Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong
gi đ nh,

n è v đồng nghiệp đã đ ng viên, hỗ trợ, t o điều kiện v giúp đỡ tôi

trong suốt qu tr nh thự hiện luận n

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composites Al/AlN chịu
nhiệt” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung
thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả các tài liệu
tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Hà Nội, ngày 25 tháng 08 năm 2017
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Quốc Tuấn

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
3.1. Lý thuyết ................................................................................................................... 2
3.2. Thí nghiệm ................................................................................................................ 2
4.1. Ý nghĩa khoa học...................................................................................................... 2
4.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 3

Chương 1. Tổng quan về vật liệu composite nền kim loại ............................................... 4
1.1. Đặc điểm và phân loại vật liệu composite .............................................................. 4
1.2. Khái quát về vật liệu composite nền kim loại (MMCs) ........................................ 5
1.3. Hạt tăng bền và nền kim loại .................................................................................. 6
1.4. Đặc điểm và khả năng ứng dụng vật liệu composite nền nhôm........................... 7
1.5. Khái quát về composite AlN/Al .............................................................................. 9
1.5.1. Lịch sử phát tri n ............................................................................................... 9
1.5.2. C u trúc tinh th c a AlN .................................................................................. 9
1 5 3 Đặ đi m c a AlN ............................................................................................ 10
1.5.4. Các tính ch t c a hợp kim nhôm v i các h t n no tăng ền ............................ 11
1.5.5. M t số nghiên c u vật liệu nano composite AlN/Al........................................ 12
1.6. Phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................................................... 15
1.7. Kết luận ................................................................................................................... 15
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về vật liệu nano- composite Al/AlN .................................... 16
2.1. Khái quát về khả năng thấm ướt của AlN ........................................................... 16
2.1.1. Góc th m ư t v phương tr nh Young ............................................................ 16
2 1 2 C phương ph p đ nh gi t nh th m ư t ........................................................ 16
2.1.3. Khả năng th m ư t c a AlN v i kim lo i lỏng ................................................ 18
2.1.4. Khả năng th m ư t giữa AlN v i nhôm lỏng .................................................. 19
2.2. Cơ chế phá hủy vật liệu composite ....................................................................... 21
2 2 1 Cơ hế lan truyền vết n t t i bề mặt tương t Al/AlN ................................... 22
2 2 2 Cơ hế phá h y nền .......................................................................................... 23
2.3. Chế tạo nền có tổ chức phi nhánh cây.................................................................. 25
2 3 1 C phương ph p t o tổ ch c phi nhánh cây ................................................... 25
2.3.2. Cải thiện tổ ch c nền bằng phương ph p thổi khí ........................................... 27
2.4. Các phương pháp chế tạo nano-composite nền Al .............................................. 28
2.4.1. M t số phương ph p ex-situ ............................................................................. 29
2.4.2. Phương ph p tổng hợp In-situ .......................................................................... 33
2.4.3. Chế t o AlN bằng phương ph p lỏng/khí in-situ ............................................. 39
2.5. Sự hình thành tổ chức của hợp kim A380. .......................................................... 42

2.5.1. Cùng tinh Al-Si. ............................................................................................... 43
2.5.2. Pha liên kim giàu sắt ........................................................................................ 43
2 5 3 Ph li n kim gi u đồng..................................................................................... 44
2.5.4. Pha liên kim giàu Mg ....................................................................................... 45
2.6. Kết luận ................................................................................................................... 46
Chương 3. Thực nghiệm ................................................................................................... 47
3.1. Chế tạo tổ chức nền phi nhánh cây ...................................................................... 47
3.1.1. Phối liệu: Hợp kim A380 ................................................................................. 47
3.1.2. Quy trình n u luyện.......................................................................................... 47
3.1.3. Thiết bị n u kim lo i ........................................................................................ 48
3.1.4. Dụng cụ thổi khí ............................................................................................... 48
3.1.5. Khuôn rót kim lo i lỏng ................................................................................... 48
3.1.6. Số lượng thí nghiệm v điều kiện thí nghiệm .................................................. 49
3.2. Tổng hợp AlN bằng phương pháp Lỏng/Khí in-situ........................................... 49
iii


3.2.1. Thành phần hợp kim Al - Mg .......................................................................... 49
3.2.2. Lò thí nghiệm (hình 3.4) .................................................................................. 49
4.2.3. Qui trình n u luyện........................................................................................... 51
3.3. Chế tạo vật liệu composite A380/AlN ................................................................... 52
3.3.1. Qui trình chế t o ............................................................................................... 53
3.3.2. Chế đ xử lý nhiệt ............................................................................................ 54
3.4. Thiết bị kiểm tra và đánh giá ................................................................................ 55
Chương 4. Kết quả và Thảo luận ..................................................................................... 57
4.1. Đánh giá sự hình thành tổ chức nền..................................................................... 57
4.1.1. Ki m tra tổ ch c tế vi: ...................................................................................... 57
4 1 2 Cơ t nh .............................................................................................................. 60
4.1.3. Kết luận ............................................................................................................ 66
4.2. Phân tích sự hình thành AlN................................................................................. 66

4.2.1. Vai trò c a Ô xy ............................................................................................... 66
4.2.2. Ảnh hưởng c a các thông số công nghệ .......................................................... 71
4.2.3. M t số ph n t h đ ng học quá trình hình thành AlN ...................................... 78
4.2.4. Kết luận ............................................................................................................ 82
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của AlN đến tổ chức và tính chất của vật liệu composite
chịu nhiệt........................................................................................................................ 83
4.3.1. Phân tích tổ ch c tế vi ...................................................................................... 83
4 3 2 Đ nh gi ơ t nh ............................................................................................... 93
4.3.3. Kết luận .......................................................................................................... 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 101
I. Kết luận .................................................................................................................... 101
I.1 Tạo tổ chức phi nhánh cây của hợp kim A380............................................... 101
I.2 Tạo AlN bằng phương pháp phản ứng lỏng/khí in-situ ................................ 101
I.3 Tổ chức và cơ tính của vật liệu A380/AlN ...................................................... 101
II. Kiến nghị................................................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 109

iv


BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Giải nghĩ

Th tự

Ký hiệu tắt

1

MMCs

2

SEM

Kính hi n vi đi n tử quét (Scanning Electron Microscopy)

3

TEM

Kính hi n vi
Microscopy).

4

XRD

Nhiễu x ti rơn ghen (X-ray Diffraction)

5

EDX

Phổ tán sắ năng lượng tia X ( Energy Dispersive Spectroscopy
–EDS hay EDX)

6

SPD

Biến d ng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation)

7

FSP

Phương ph p khu y ma sát (Frition Stir Processing)

8

SPTS

Xoắn dẻo mãnh liệt ư i áp lực cao (Severe plastic torsional
training)

9

ECAP

Ép trong kênh g p khúc (Equal channel Angular Pressing)

10

SHS

Phương ph p tổng hợp nhiệt đ cao tự lan truyền (Seft –
Propagation – Temperature Synthesis).

11

FSP

Phương ph p khu y ma sát ( Frition Stir processing)

12

FSW

Phương ph p h n khu y ma sát ( Frition Stir Welding)

13

OD

Composite nền kim lo i (Metal Matrix Composites)

điện

tử

xuyên

(Transmission

Electron

Phương ph p hó nhiệt phân tán (Oxothermic Dispersion)

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính ch t c a AlN và m t số gốm sử dụng làm ch t nền [74]............................. 11
Bảng 1 2 K h thư c h t t i h n đ cải thiện tính ch t nano-composite [10] ..................... 12
Bảng 2.1 Công th m ư t Wi và góc th m ư t bi u kiến c Al/AlN được tính toán trong
khoảng nhiệt đ từ 1073K đến 1373K. [74] ........................................................................ 19
Bảng 2.2 Góc th m ư t khi đ t tr ng thái cân bằng c a AlN trong các kim lo i khác nhau,
đượ x định theo phương ph p nhỏ giọt không cuống [74]. ............................................ 20
Bảng 2.3 Góc th m ư t n đầu c a AlN v i nhôm lỏng, đượ x định theo phương ph p
nhỏ giọt không cuống [74]................................................................................................... 20
Bảng 2.4 Phản ng lỏng/khí: D ng khí, Nền, các sản phẩm và các phản ng [16] ............ 38
Bảng 2 5 Đặ trưng a các pha trên ảnh hi n vi quang học, SEM và EDX [63]............... 45
Bảng 3.1 Tổng hợp m u thí nghiệm ở các chế đ khác nhau .............................................. 49
Bảng 3.2 Các chế đ công nghệ phản ng khí/lỏng in-situ t o AlN .................................. 52
Bảng 3.3 Bảng phối liệu hợp kim A380 và Al /AlN ........................................................... 53
Bảng 3.4 Bảng chế đ xử lý nhiệt c a composite A380/AlN.............................................. 54
Bảng 3.5 Bảng ký hiệu m u và chế đ xử lý nhiệt .............................................................. 54
Bảng 4.1 Tóm tắt điều kiện thí nghiệm ki m tr đ nh t (đ chảy loãng) c a m u ........... 60
Bảng 4.2 Tóm tắt thử kéo c a các m u ở chế đ rót không sục khí, không rót qua máng
nghiêng ................................................................................................................................ 63
Bảng 4.3 Tóm tắt chế đ sục khí c a các m u dùng thử kéo .............................................. 64
Bảng 4.4 Tóm tắt chế đ sục khí, rót qua máng nghiêng c a các m u dùng thử kéo ......... 65
Bảng 4 5 H m lượng N, Mg và Si trong các m u S1, S5, S8. S9 ....................................... 70
Bảng 4.6 Kết quả phân tích XRD ở cùng chế đ sục khí (0,2 lít/phút, nhiệt đ 1150 0C) .. 78
Bảng 4.7 Bảng tổng hợp ơ t nh a c a m u ở các chế đ thử kéo khác nhau.................. 95

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
H nh 1 1 R u đơn tinh th ùng đ chế t o vật liệu composite c p sợi[1]. ........................... 5
Hình 1.2 Các d ng th m ư t giữa nền và cốt [1]................................................................... 5
H nh 1 3 Sơ đồ minh họa: a) hình thái khác nhau c a các h t tăng ền; b) hình d ng c a
các h t tăng ền trong composite nền kim lo i [51]. ............................................................. 6
Hình 1.4 Bi u đồ so sánh các nhóm vật liệu được sử dụng trong gi i đo n từ 2008 đến
2025 [49] ............................................................................................................................... 8
Hình 1.5 Bi u đồ so sánh khối lượng các nhóm vật liệu sử dụng trong gi i đo n 20082025[49] ................................................................................................................................ 8
Hình 1.6 Tỷ phần hợp kim nhôm dùng trong xe Cadillac CT6, màu vàng: thép, màu s m:
hợp kim nhôm [50] ................................................................................................................ 8
Hình 1.7 Bi u đồ so sánh m đ sử dụng hợp kim nhôm c a các hãng ô tô [31] ............... 9
Hình 1.8 C u trúc tinh th c a AlN: a) Ki u m ng lục giác xếp chặt wurtzite [29]; b) Ki u
m ng lập phương iện tâm [105]......................................................................................... 10
Hình 1.9 Gi i h n bền kéo tỷ lệ v i %AlN t i nhiệt đ cao (300 0C) [16] ......................... 11
Hình 1.10 Gi i h n đ n hồi tỷ lệ v i %AlN, t i nhiệt đ cao (300 0C) [16] ....................... 11
H nh 1 11 Mo ul đ n hồi tỷ lệ v i %AlN t i nhiệt đ cao (300 0C) [16] ........................... 12
Hình 1.12 Bi u đồ quan hệ chiều dài và nhiệt đ c a Al và composite Al v i lượng SiC
không đổi (7.5 Vol% Si [11] ............................................................................................... 12
H nh 1 13 Mô h nh ơ hế t o AlN trong buồng phản ng [75] ......................................... 13
Hình 2.1 Hình minh họa c a ch t lỏng trên bề mặt ch t rắn th hiện năng lượng bề mặt và
góc th m ư t: (a) hệ th m ư t; (b) hệ không th m ư t [74]................................................ 16
H nh 2 2 Sơ đồ thí nghiệm nhỏ giọt không cuống: (a) kỹ thuật cổ đi n; (b) sự h nh th nh
hợp kim in-situ; (c) phân tán giọt; (d) biến đổi giọt; (e) nền kép; (f) t m nghiêng [33]. .... 17
Hình 2.3 Khả năng th m ư t c a AlN v i kim lo i theo nhiệt đ trong chân không [112].18
Hình 2.4 Ảnh hưởng c a nồng đ đến khả năng th m ư t c a Al2O3 và AlN v i hệ Sn-Al
t i nhiệt đ 1373K trong môi trường chân không [113]. ..................................................... 18
Hình 2.5 Ảnh hưởng c h m lượng Ti trong Cu lỏng đến góc tiếp xúc c a các h t gốm
nitrit Si3N4, BN và AlN t i nhiệt đ 1432K trong môi trường chân không [113] ............... 19
H nh 2 6 Sơ đồ minh họa ảnh hưởng c a l p oxit t i khả năng th m ư t c a AlN trong cả

hai hệ “phản ng” v “không phản ng”[74] ..................................................................... 21
H nh 2 7 C phương th c phá h y vật liệu composite (a) và ảnh hi n vi điện tử quét bề
mặt g y c a hợp kim b c-đồng tăng ền bằng sợi các-bon (b). Mối liên kết kém cho th y
nền và cốt bị tách khỏi nhau (x3000)[1]. ............................................................................. 21
Hình 2.8 Vùng nhiễu x m u được chỉ r trong đường tròn và ảnh TEM c a nhôm gần đỉnh
vết n t sau khi thí nghiệm vòng nhiệt: (a) ảnh vùng sáng; (b) ảnh vùng tối [114]. ............ 22
Hình 2.9 Ảnh SEM c đỉnh vết n t trong l p nhôm. H t nhôm được quan sát rõ bằng
tương phản nhiễu x [114]. .................................................................................................. 22
Hình 2.10 M u nhiễu x và ảnh vùng sáng quanh đỉnh vết n t c a l p nhôm. Vùng 1 và 2
là c a l p nhôm. Vùng 3 là l p AlN [114]. ......................................................................... 22
H nh 2 11 K h thư c h t khác nhau c a nhôm v i s ng su t chu kỳ (σf) và số chu kỳ, mũi
tên chỉ r đi m h nh th nh n t [108] ................................................................................... 23
Hình 2.12 Ảnh SEM c đỉnh vết n t trong l p nhôm. H t Si được quan sát trong nền
nhôm [101] .......................................................................................................................... 23
Hình 2.13 Hành vi ng su t-biến d ng c a vật liệu giòn và dẻo[102] ................................ 24
Hình 2.14 a) Phá h y cực dẻo; nút thắt cổ chai l n (m t đi m); b) Phá h y dẻo vừa phải;
nút thắt cổ chai th y rõ; c) phá h y giòn: không thắt cổ chai[102] ..................................... 24
Hình 2.15 C gi i đo n ph h y i [102] ......................................................................... 24
Hình 2.16 C u trú đặ trưng a phá h y dẻo: ) “lúm đồng tiền”; ) “gỗ mụ ”[102] ..... 24
Hình 2.17 Mặt g y hình qu t [102] ..................................................................................... 25
vii


Hình 2.18; a) Mặt cắt có tính ch t sơ đồ cho th y n t phát tri n xuyên qua tinh th trong
trường hợp phá h y giòn xuyên tinh; b) Ảnh SEM mặt gãy c a gang bền cao [102] ......... 25
Hình 2.19 a) Mặt cắt có tính ch t sơ đồ cho th y n t phát tri n trong trường hợp phá h y
giòn theo biên gi i h t; b) Ảnh SEM mặt gãy theo biên gi i h t [102] .............................. 25
Hình 2.20 Sản phẩm c a công nghệ đú theo phương ph p khu y thuỷ đ ng.................... 26
H nh 2 21 Sơ đồ nguyên lý c phương ph p phun t ...................................................... 26
H nh 2 22 Phương ph p Mitt m i........................................................................................ 27

Hình 2.23 Tổ ch c c a nền Al, a) d ng nhánh cây, b) d ng cầu tròn [52] .......................... 28
H nh 2 24 Sơ đồ
phương ph p hế t o vật liệu nano- composite [16] .......................... 29
H nh 2 25 Sơ đồ phương ph p đú khu y ........................................................................... 30
H nh 2 26 Sơ đồ minh họ phương ph p Compo sting ..................................................... 30
H nh 2 27 Sơ đồ quy tr nh đú ép ........................................................................................ 31
Hình 2.28 Quy trình chế t o composite bằng phương ph p luyện kim b t ......................... 32
Hình 2.29 Hình minh họa qui trình nghiền i năng lượng cao. ........................................... 32
H nh 2 30 Sơ đồ th m v đông đặc [15] .............................................................................. 33
H nh 2 31 Sơ đồ phương ph p rung si u m [103] ............................................................. 33
Hình 2.32 Qui trình tổng hợp In- Situ ................................................................................. 34
H nh 2 33 Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát khu y ..................................................................... 35
Hình 2.34 Nguyên lý c phương ph p SPTS [47] ............................................................ 36
H nh 2 35 Sơ đồ minh họa quá trình ép qua kênh g p khúc [96] ........................................ 36
Hình 2.36 Giản đồ năng lượng Gibbs c a AlN và Mg3N2 [86] ........................................... 39
Hình 2.37 Giản đồ Ellingham c a Ô xít và Nitrit hóa và MgO, Li2O [16] ......................... 40
Hình 2.38 Ảnh tổ ch c c a hợp kim AlSi9Cu3, ................................................................... 43
Hình 2.39 Hình thái c a pha liên kim giầu Fe trong hợp kim AlSi9Cu3, ............................ 44
Hình 2.40 Hình thái c a pha liên kim trong hợp kim DCM5 [97] ..................................... 44
Hình 2.41 Hình thái c a pha liên kim giầu Cu trong hợp kim AlSi9Cu3[62] ..................... 45
Hình 2.42 Hình thái c a các pha liên kim hợp kim Al-7Si [77]......................................... 45
H nh 3 1 Sơ đồ qui trình n u luyện hợp kim A380 ............................................................. 47
Hình 3.2 Thiết bị sụ kh : ) Đầu sục gốm; b) Bình khí Ar ................................................ 48
Hình 3.3 Khuôn t o m u thí nghiệm: a) Khuôn t o m u x định đ nh t; b) Khuôn rót
m u qua máng nghiêng ........................................................................................................ 48
Hình 3.4 Mô hình 3D lò phản ng lỏng/khí in-situ: ............................................................ 50
H nh 3 5 Sơ đồ c u t o lò phản ng lỏng/khí in-situ ........................................................... 50
H nh 3 6 Sơ đồ qui trình t o AlN ........................................................................................ 51
H nh 3 7 Mô H nh th nghiệm rút gọn ................................................................................. 52
Hình 3.8 Quy trình chế t o vật liệu composite A380/AlN .................................................. 53

Hình 3.9 M u thí nghiệm: a) m u s u khi đú ; ) m u sau gia công; c) m u sau khi xử lý
nhiệt HT-A; d) m u sau khi xử lý nhiệt HT-B .................................................................... 54
Hình 3.10 Kính hi n vi quang học Olympus GX51F .......................................................... 55
Hình 3.11 Máy thử kéo v n năng MTS 809 Axi l .............................................................. 55
Hình 3.12 Thiết bị kính hi n vi điện tử JSM-7600F ........................................................... 56
Hình 3.13 Thiết bị phân tích pha XDR D8 ADVANDE ..................................................... 56
Hình 3.14 Máy thử kéo BESTUTM 050MD ....................................................................... 56
Hình 4.1 Tổ ch
n đầu c a hợp kim A380: a) M u KK5, đ phóng đ i x200; b) M u
KK22, đ phóng đ i x500; c) Hình minh họa sự phát tri n c a tinh th nhánh cây ........... 57
Hình 4.2 Tổ ch c tế vi c a m t số m u trong điều kiện sụ kh , lưu lượng 1,5 lít/phút, áp
su t 4,2 kg/cm2: a) M u SK 12 sục khí ở 610 0C, kết thúc sục khí ở 590 0C, rót ở 580 0C; b)
M u SK15 sục khí ở 650 0C, kết thúc sục khí ở 620 0C, rót ở 580 0C; c) M u SK17 sục khí
ở 620 0C, kết thúc sục khí ở 600 0C, rót ở 590 0C; Đ phóng đ i x500 .............................. 57

viii


Hình 4.3 Tổ ch c tế vi c a m u MN 10 khí sục ở 610 0C, rót vào khuôn d ng b, nhiệt đ
khuôn 200 0C, lưu lượng 1,5 lít/phút, áp su t 4,2 kg/cm2: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ
phóng đ i x500 .................................................................................................................... 58
Hình 4.4 Tổ ch c tế vi c a m t số m u trong điều kiện sục khí, rót qua máng nghiêng, lưu
lượng 1,5 lít/phút, Áp su t 4,2 kg/cm2: a) M u MN14: Sục khí ở 610 0C, rót ở 580 0C
khuôn d ng b, nhiệt đ khuôn 200 0C; b) M u MN20: Sục khí ở 630 0C, rót ở 590 0C
khuôn d ng b, nhiệt đ khuôn 400 0C; Đ phóng đ i x200................................................. 58
Hình 4.5 So sánh tổ ch c tế vi c a m u trong điều kiện kh nh u, lưu lượng 1,5 lít/phút,
áp su t 4,2 kg/cm2: a) M u SK17: sục khí ở 620 0C, kết thúc sục khí ở 600 0C, rót ở 590
0
C; b) M u MN20: như SK17 nhưng rót qu m ng m ng nghi ng v o khuôn; Đ phóng đ i
x200 ..................................................................................................................................... 59

Hình 4.6 Tổ ch c tế vi c a m t số m u trong điều kiện khác nhau: a) M u MN17: sục khí
ở 620 0C, kết thúc 600 0C và rót ở 600 0C, nhiệt đ khuôn 200 0C; b) M u KK5: không sục
khí rót ở nhiệt đ 600 0C, nhiệt đ khuôn 400 0C; Đ phóng đ i x200............................... 59
Hình 4.7 Tổ ch c tế vi c a m u kh nh u: ) MN 8; ) SK 8; Đ phóng đ i x200 .......... 59
Hình 4.8 Ảnh tổ ch c tế vi miêu tả d ng h t “trốn tho t” ph t tri n thành nhánh cây trong
khu y điện từ [18]................................................................................................................ 60
Hình 4.9 Bi u đồ so s nh đ chảy loãng c a m u ............................................................... 61
Hình 4.10 M u ki m tr đ chảy loãng .............................................................................. 61
Hình 4.11 M t số m u sau khi rót ....................................................................................... 61
H nh 4 12 Sơ đồ minh họa ảnh hưởng c a tố đ cắt đến tổ ch c h t [43]......................... 62
Hình 4.13 Dòng chảy trong
trường hợp tinh th nhánh cây và cầu tròn ....................... 62
H nh 4 14 Đường cong ng su t biến d ng c a m u KK17 ................................................ 63
H nh 4 15 Đường cong ng su t biến d ng và ảnh tổ ch c quang học c a m u SK10 ...... 64
H nh 4 16 Đường cong ng su t biến d ng c a m u MN14 .............................................. 65
Hình 4.17 Bi u đồ so sánh m u ở các chế đ công nghệ khác nhau ................................... 65
Hình 4.18 Giản đồ XRD c a m u S3: T = 1050 0C, v = 1,5 lít/phút, t = 6 giờ ................... 66
Hình 4.19 Giản đồ XRD c a m u S5: T = 1100 0C, v = 0,3 lít/phút, t = 3 giờ ................... 67
Hình 4.20 Giản đồ XRD c a m u S8: T = 1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2 giờ ................... 67
Hình 4.21 Giản đồ XRD c a m u S9: T = 1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2 giờ, .................. 68
Hình 4.22 Phổ EDX vùng c a m u S1: T = 1050 0C, v = 1,5 lít/phút, t = 2 giờ ................. 68
Hình 4.23 Phổ EDX vùng c a m u S5: T = 1100 0C, v = 0,3 lít/phút, t = 3 giờ ................. 69
Hình 4.24 Phổ EDX vùng c a m u S8: T = 1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2 giờ ................. 69
Hình 4.25 Phổ EDX vùng c a m u S9: T = 1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2 giờ ................. 69
Hình 4.26 Phổ EDX vùng c a m u S11(T = 1150 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2 giờ) ở các vị trí
khác nhau ............................................................................................................................. 71
Hình 4.27 a) Ảnh hi n vi quang học m u S4; b) H nh ảnh mô phỏng qu tr nh sụ kh : 0,8
lít/phút.................................................................................................................................. 72
Hình 4.28 a) Ảnh hi n vi quang học m u S9 (T = 1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 3 giờ); b)
Phổ EDX vùng c a m u S10 (T = 1100 0C, v = 0,3 lít/phút, t = 2 giờ) .............................. 73

Hình 4.29 Giản đồ XRD c a m u S12: T = 1150 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2giờ .................. 73
Hình 4.30 Ảnh hi n vi quang học m u S18: T = 1150 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 15 phút...... 74
Hình 4.31 Phổ EDX đi m c a m u S29: nhiệt đ phản ng 1150 0C; lưu lượng khí N2 0,2
lít/phút; thời gian thổi 1,5 giờ .............................................................................................. 74
Hình 4.32 Phổ EDX đi m c a m u S30: nhiệt đ phản ng 1150 0C; lưu lượng khí N2 0,2
lít/phút; thời gian thổi 3,5 giờ .............................................................................................. 75
Hình 4.33 Phổ EDX đường c a m u S26: nhiệt đ phản ng 1150 0C; lưu lượng khí N2 0,2
lít/phút; thời gian thổi 3 giờ ................................................................................................. 75
Hình 4.34 Ảnh hi n vi điện tử quét m u S29 ...................................................................... 76
Hình 4.35 Ảnh hi n vi điện tử quét m u S26 ...................................................................... 76
ix


Hình 4.36 Ảnh hi n vi điện tử quét m u S30 ...................................................................... 77
Hình 4.37 Ảnh hi n vi điện tử quét m u S19 ...................................................................... 77
Hình 4.38 Giản đồ XRD c a m u S30: T = 1150 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 3,5 giờ, ............ 78
H nh 4 39 Sơ đồ mô tả đ ng học quá trình hình thành AlN [87] ........................................ 79
Hình 4.40 Ảnh hi n vi điện tử quét: a) m u S29: nhiệt đ phản ng 1150 0C, lưu lượng khí
N2 0,2 lít/phút, thờigian thổi 1,5 giờ; b) Ảnh hi n vi điện tử quét m u S30: nhiệt đ phản
ng 1150 0C, lưu lượng khí N2 0,2 lít/phút, thời gian thổi 3,5 giờ ...................................... 80
Hình 4.41 Mô hình tính toán tố đ phát tri n c a các phần tử AlN .................................. 81
Hình 4.42 Mô hình mô tả quãng đường khuếch tán c a các phần tử AlN. ......................... 82
Hình 4.43 M u M0: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000 .................................. 83
Hình 4.44 M u M1,5: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000 ............................... 84
Hình 4.45 M u M2: ) Đ phóng đ i x500; ) Đ phóng đ i x1000 .................................. 84
Hình 4.46 M u M3: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x500 .................................... 84
Hình 4.47 M u M4: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x500 .................................... 85
Hình 4.48 M u M0-HT-A: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000 ....................... 86
H nh 4 49 Sơ đồ minh họa sự l n lên c nh tranh giữa nhánh cây và cùng tinh .................. 86
Hình 4.50 M u M1,5- HT-A: ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x500 ..................... 87

H nh 4 51 Sơ đồ mô tả các lực tác dụng lên biên h t .......................................................... 87
Hình 4.52 M u M2-HT-A: ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x1000 ....................... 88
Hình 4.53 M u M3-HT-A: , ) Đ phóng đ i x1000; ) Đ phóng đ i x200 ................... 88
Hình 4.54 M u M4-HT-A: ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x1000 ....................... 88
Hình 4.55 M u M0-HT- : ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x500 ......................... 89
Hình 4.56 M u M1,5-HT- : ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x1000 .................... 90
Hình 4.57 M u M2-HT- : ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x500 ......................... 90
Hình 4.58 M u M3-HT- : ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x500 ......................... 90
Hình 4.59 M u M4-HT-B: ) Đ phóng đ i x100; ) Đ phóng đ i x500 ......................... 91
Hình 4.60 M u M0 – WT: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000 ........................ 91
Hình 4.61 M u M1,5-WT: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x100 ......................... 92
Hình 4.62 M u M2-WT: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000........................... 92
Hình 4.63 M u M3-WT: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x1000........................... 92
Hình 4.64 M u M4-WT: ) Đ phóng đ i x200; ) Đ phóng đ i x500............................. 92
Hình 4.65 Bi u đồ so sánh m u không xử lý nhiệt, kéo ở nhiệt đ phòng .......................... 93
Hình 4.66 Bi u đồ so sánh gi i h n bền kéo c a m u ở chế đ HT-B, kéo ở nhiệt đ phòng
............................................................................................................................................. 94
Hình 4.67 Bi u đồ so sánh gi i h n bền kéo m t số m u ở 200 0C .................................... 94
Hình 4.68 Biều đồ so sánh gi i h n chảy c a m t số m u .................................................. 94
Hình 4.69 Bi u đồ so sánh m đ thải bền c a m t số m u .............................................. 96
Hình 4.70 Ảnh hi n vi điện tử quét c a m u M0: a) ki u phá h y giòn theo biên h t; b) lỗ
xốp cho th y các tinh th -Al d ng cầu tròn ..................................................................... 97
Hình 4.71 Ảnh hi n vi điện tử quét c a m u M3: a) ki u phá h y hỗn hợp: giòn theo ki u
xuyên tinh + dẻo d ng lúm đồng tiền; b) lỗ xốp c a các tinh th -Al d ng cầu tròn ........ 98
Hình 4.72 Ảnh hi n vi điện tử quét c a m u M4-HT-B: a) phá h y d ng hỗn hợp và xuyên
tinh; b) phá h y d ng gỗ mục. ............................................................................................. 99
Hình 4.73 Bi u đồ so s nh đ giãn i tương đối ở nhiệt đ phòng và nhiệt đ 200 0C..... 99
Hình 4.74. Các d ng phá h y trong vật liệu composite:a) Phá h y qua h t; b) Phá h y qua
nền ..................................................................................................................................... 100

x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hợp kim nhôm đã thu hút đượ sự qu n t m đ ng k trong những năm gần đ y v
đ ng đượ sử ụng r ng rãi trong
ng nh ông nghiệp ô tô, h ng không vũ trụ v quố
phòng Những đặ đi m nổi tr i
hợp kim nhôm l đ ền ri ng v đ
n nhiệt o ho
phép giảm trọng lượng tổng th xe , l m ho m đ ti u thụ nhi n liệu th p hơn, tăng
hiệu quả kinh tế Tuy nhi n, hợp kim tr n ơ sở nhôm nh n hung
l những những
nhượ đi m h nh như: đ
ng th p v không giữ đượ sự ổn định đ ền khi sử ụng
trong khoảng thời gi n i ở nhiệt đ tr n 250 ºC Những nhượ đi m n y ảnh hưởng đến
đ tin ậy
hi tiết kết u khi l m việ ư i điều kiện o đ ng nhiệt hoặ ng su t
m s t, những ng tải trọng đi n hình
kết u trong
ng nh ô tô v h ng không
vũ trụ So v i
vật liệu omposite tr n ơ sở nhôm truyền thống đượ sử ụng tr n thị
trường, tỷ phần
omposite Al/AlN òn hiếm tỷ lệ nhỏ Tuy nhi n húng ó những t nh
ch t n i tr i hơn so v i
lo i vật liệu nhôm thông thường như: đ ền v đ
ng o,
đ

n nhiệt tốt (80- 260 W m-1 K-1), hệ số ãn nở nhiệt th p (4 5X10-6 K-1) n n AlN l lự
họn h t tăng ền r t tốt ho hợp kim nhôm, đặ iệt l ho l m việ ở nhiệt đ
o.
Đã ó nhiều phương ph p ùng đ hế t o nhôm omposite như: phương ph p n
lỏng, đú khu y, đú ép, nghiền i năng lượng o, rung si u m, đông đặ (lọ ó v
không có áp su t, đú …), luyện kim t v v…v thường đượ gọi l
phương ph p exsitu Vật liệu omposite nền nhôm hế t o ằng
phương ph p ex-situ tương đối đắt o
phải hế t o ph tăng ền từ trư , đặ iệt l nếu
ph tăng ền n y ó k h thư nhỏ
( ỡ m t v i m hoặ v i trăm n no) – điều kiện ần thiết đ ải thiện ơ t nh
vật liệu
Ngo i r nếu ph tăng ền đượ hế t o ri ng từ trư th ề mặt
nó ó th ị nhiễm
ẩn l m giảm khả năng th m ư t nền v l m ho li n kết giữ nền-ph tăng ền ị yếu đi
C ph tăng ền n y ũng ó th không ổn định về mặt nhiệt đ ng họ v phản ng giữ
húng v i nền ó th l m h nh th nh
ph không mong muốn v l m ho li n kết
nền/ph tăng ền ng yếu th m
n nh đó sự không đồng nh t
h t trong nền,
ũng như xu hư ng kết hùm
h t l m ho ph m vi ng ụng trong ông nghiệp
òn h n hế
Giải ph p ho v n đề n y l th y thế
phương ph p ex-situ ằng
phương ph p
in-situ, t l ằng
phản ng hó họ xảy r ng y trong qu tr nh hế t o: hi ph sẽ rẻ
hơn, ề mặt ho n to n không nhiễm ẩn, th m ư t tốt hơn v li n kết t i mặt ph n

h
đương nhi n ũng sẽ tốt hơn ởi thế
phương ph p in-situ ng y ng thu hút sự hú ý
nh kho họ tr n thế gi i.
Phương ph p tổng hợp in-situ là quá trình mà các h t tăng ền đượ h nh th nh trự
tiếp trong nền ằng phản ng luyện kim ó ki m so t Trong khi hế t o, m t trong những
nguy n tố t o phản ng thường l hợp kim nền nóng hảy, những nguy n tố kh t o phản
ng l
t mịn hoặ
ph kh đượ đư từ ngo i v o Sản phẩm uối ùng l
h t
tăng ền đượ ph n t n đồng đều trong nền hợp kim C h t tăng ền đượ hế t o trự
tiếp trong nền ó nhiều t nh h t mong muốn, v ụ, li n kết hặt hẽ hơn v i nền ũng như
k h thư h t v sự ph n ố đồng đều hơn C phương ph p in-situ đượ sử ụng nhiều
như: phương ph p tổng hợp hó ơ, phương ph p khu y m s t, phương ph p phản ng
rắn/lỏng, phương ph p tổng hợp ằng nhiệt đốt h y, phương ph p hó nhiệt ph n t n,
phương ph p phản ng lỏng/lỏng, phương ph p đông đặ ó hư ng. Trong đó phương
pháp lỏng/khí đượ oi l ó tiềm năng hơn ả v húng ó những ưu đi m rõ rệt so v i
phương ph p kh như: hi ph không đ ng k , không ị nhiễm ẩn, không h nh th nh ph
t p v r t đồng nh t

1


Composite Al/AlN đượ tổng hợp ự tr n nguy n lý phản ng lỏng/khí có quy trình
như s u: kh Ni tơ s u khi đượ l m khô thông qu
phận hút ẩm và đượ đẩy v o ố
n u h nhôm lỏng ở nhiệt đ
o ằng ống gốm hịu nhiệt v i lưu lượng kh hợp lý
Sự h nh th nh

AlN đượ giải th h theo h i ơ hế s u:
Cơ hế h nh th nh trự tiếp: 2Al + N2 → 2AlN
Cơ hế h nh th nh gi n tiếp thông qu hợp h t trung gi n Mg3N2:
Hợp h t trung gi n Mg3N2 đượ h nh th nh từ phản ng 3Mg + N2 → Mg3N2, s u đó hợp
h t n y kết hợp v i nhôm lỏng t o AlN theo phản ng Mg3N2 + 2Al → 2AlN +3Mg Sự
h nh th nh AlN theo ơ hế gi n tiếp đượ ho l xảy r thuận lợi hơn so v i ơ hế trự
tiếp
Trong luận n
m nh, t giả đã nghi n u sự h nh th nh AlN ằng việ sụ kh
N2 v o hợp kim Al – Mg (15%) v ph n t h ằng nhiễu x rơnghen (XRD), v hụp phổ
điện tử quét (SEM) ho kết quả khả qu n về sự h nh th nh AlN trong nền nhôm
n nh
đó, t giả ũng đã sử ụng m t trong những phương ph p m i hiện n y đó l sụ kh ở
gần đường lỏng đ ải thiện tổ h nền ho hợp kim A380, t o tổ h
ng h t ầu v i
mụ đ h ải thiện ơ t nh
hợp kim n y Tr n ơ sở
phương ph p sụ kh t o tổ
h nền ng h t ũng như hế t o t o hợp kim n no-composite Al/AlN, t giả ũng đã
khảo s t ảnh hưởng
h t tăng ền AlN trong hợp kim A380 đến khả năng t nh hịu
nhiệt khi l m việ ở nhiệt đ cao Thông qu kết quả ph n t h thử kéo ả ở nhiệt đ
thường v nhiệt đ
o đối v i m u đã đượ xử lý nhiệt và v không xử lý nhiệt ho th y
ảnh hưởng đ ng k
AlN đến
tính h t
vật liệu omposite A380/AlN

2. Mục tiêu của luận án

Từ những ph n t h ở tr n mụ ti u h nh
luận n l :
1) Nghi n u hế t o hợp kim ó tổ h phi nh nh y ằng phương ph p thổi
khí.
2) Ki m so t phản ng lỏng – kh giữ Nitơ v nhôm lỏng đ hế t o
h t tăng
ền AlN in-situ ó k h thư n no
3) L m h quy tr nh hế t o vật liệu omposite nền nhôm ốt h t AlN in-situ và
đ nh gi tổ h v ơ t nh
vật liệu n y ở nhiệt đ thường v
o

3. Phương pháp nghiên cứu của luận án
3.1. Lý thuyết
- Nghi n u ơ hế t o h t tăng ền in-situ qu phản ng lỏng - khí
- X định
thông số ơ ản li n qu n đến việ h nh th nh
h t tăng ền v sự ph n
ố
nó

3.2. Thí nghiệm
- Nghi n u ảnh hưởng
thông số ông nghệ trong qu tr nh tổng hợp AlN ằng
phản ng lỏng/kh in-situ.
- Nghi n u sự h nh th nh tổ h nền -Al phi nh nh y ằng
h thổi kh ở tr ng th i
n lỏng
- Nghi n u qu tr nh hế t o vật liệu n no- omposite Al/AlN v đ nh gi v i trò
AlN.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
4.1. Ý nghĩa khoa học
1) Đã l m rõ ơ hế
phản ng t o AlN in-situ và ảnh hưởng
thông số
ông nghệ (k h thư
uồng phản ng, vòi phun, lưu lượng kh , nhiệt đ phản ng v v…)

2


2) Đã đ nh gi v i trò
h t tăng ền AlN (k h thư , ph n ố) t i m t số đặ
t nh về tổ h v ơ t nh
vật liệu n no-composite A380/AlN ở nhiệt đ thường v
nhiệt đ
o
3) Đã l m rõ ơ hế ph h y
vật liệu n no- omposite A380/AlN (theo ơ hế
xuy n tinh + lúm đồng tiền hoặ xuy n tinh + gỗ mụ )

4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- X y ựng đượ qui tr nh th nghiệm t o tổ h phi nh nh y thông qu sụ kh
gần đường lỏng
- X định đượ
thông số h nh ảnh hưởng đến sự h nh th nh AlN ằng phản ng
lỏng/kh in-situ khi thổi kh Ni tơ ở nhiệt đ
o
- Tiếp ận v i thiết ị v ông nghệ hế t o vật liệu m i tr n thế gi i Đư r đượ

qui tr nh hế t o vật liệu nhôm n no- omposite l m việ ở nhiệt đ
o v tr n ơ sở n y
ó th p ụng ho
nhóm vật liệu kh
- Kết quả nghi n u
luận n ó th l m t i liệu th m khảo đ vận ụng v o
lo i
vật liệu kh nh u

5. Tính mới của luận án
- Sử ụng ông nghệ đú lưu iến m i (sụ kh gần đường lỏng) t o tổ h phi
nhánh cây
hợp kim.
- Đã ph t hiện v l m rõ khả năng k m hãm huy n đ ng
i n h t ở nhiệt đ
o
ởi
“ hốt” AlN
- Đã đề xu t m t phương ph p m i đ ph n t h đ ng họ qu tr nh h nh th nh
phần tử AlN ự tr n nhiễu x XRD
- Đã ph t hiện sự l n l n nh tr nh giữ nh nh y v ùng tinh v sự h nh th nh tổ
h nh nh y ở vùng ó nồng đ ùng tinh khi tố đ ngu i o

6. Bố cục của luận án
Đ đ t đượ n i ung nghi n u tr n, n i ung
luận n o gồm
- Mở đầu.
- Chương 1. Tổng qu n về vật liệu omposite nền kim lo i.
- Chương 2 Cơ sở lý thuyết về vật liệu nano – composite
- Chương 3 Thự nghiệm

- Chương 4 Kết quả v Thảo luận.
- Kết luận v Kiến nghị
- T i liệu th m khảo
- D nh mụ
ông tr nh đã ông ố
luận n

phần s u:

3


Chương 1. Tổng quan về vật liệu composite nền kim loại
1.1. Đặc điểm và phân loại vật liệu composite
Vật liệu omposite l vật liệu tổ hợp
h i h y nhiều vật liệu th nh phần nhằm t o
r vật liệu m i ó t nh h t nổi tr i hơn t nh h t
từng vật liệu th nh phần
Thông thường trong vật liệu omposite o gồm: nền v ốt, trong đó:
- Ph li n tụ trong to n khối vật liệu omposite gọi l nền.
- Ph ph n ố gi n đo n, đượ nền o ọ , gọi l cốt.
Tỉ lệ, h nh ng, k h thư v sự ph n ố
nền v ốt tu n theo những quy định đã
đượ thiết kế trư
Vật liệu omposite ó th đượ ph n lo i theo ản h t
nền:
- Composite nền h t ẻo
- Composite nền kim lo i
- Composite nền gốm (Cer mi )
- Composite nền l hỗn hợp nhiều ph

hoặ theo đặ đi m h nh họ
ốt hoặ đặ đi m u trú
omposite:
- Composite ốt h t
- Composite ốt sợi
- Composite u trú
Nền ó những v i trò s u:
- Li n kết to n
phần tử ốt th nh 1 khối thống nh t
- T o ho omposite ó t nh gi ông đ ó th gi ông omposite th nh
hi tiết
- Che ph , ảo vệ ốt khỏi
t đ ng từ môi trường
- Truyền v ph n ố tải trọng s ng ốt l m giảm tập trung ng su t trong omposite
T nh h t
nền nói hung ảnh hưởng m nh t i
đặ t nh
omposite như:
nhiệt đ l m việ , đ ền mỏi, khối lượng ri ng, đ ền ri ng, khả năng hống l i
t
đ ng từ môi trường
Cốt l ph ph n ố không li n tụ trong omposite Cốt ó ản h t kh nh u tuỳ
thu v o lo i omposite ần hế t o:
- Trong omposite kết u ốt l ph ó đ ền l n, ó t nh quyết định t i đ ền
composite.
- Trong omposite h năng ốt l ph ó v i trò quyết định h
năng
omposite, v ụ: trong omposite hịu m i mòn, ốt l
h t ng đượ ph n ố đều tr n
nền mềm ó t

ụng hịu m i mòn
H nh ng, k h thư , h m lượng v sự ph n ố
ốt l những yếu tố ó ảnh
hưởng r t m nh t i t nh h t
omposite Hình 1.1 gi i thiệu
sợi “r u đơn tinh th ”
thường đượ sử ụng l m ốt sợi trong vật liệu omposite
Tr n nguy n tắ , giữ nền v ốt
omposite ở điều kiện l m việ
nh thường
không ó sự khuế h t n h y ho t n l n nh u Tuy nhi n, trong qu tr nh hế t o, hệ thống
ó th trải qu
điều kiện nhiệt đ
o, p su t o n n ó th xu t hiện sự tương t
giữ nền v ốt Có 3 ng tương t
ơ ản:
1 Nền v ốt không ho t n l n nh u v không phản ng v i nh u t o th nh hợp h t
ho họ
2 Nền v ốt tương t v i nh u t o ung ị h rắn v i đ ho t n r t nhỏ, không t o
hợp h t ho họ D ng n y thường phổ iến ở
omposite nền v ốt kim lo i
3 Nền v ốt phản ng v i nh u t o th nh hợp h t ho họ

4


Hình 1.1 Râu đơn tinh thể dùng để chế tạo vật liệu composite cấp sợi[1].

Mỗi ng tương t sẽ h nh th nh m t ng li n kết nh t định giữ nền v ốt Đ
mối li n kết nền - ốt quyết định đ ền

omposite
1) Li n kết ơ họ : L ki u li n kết thuần tuý ơ họ giữ nền v ốt thông qu đ
m p mô ề mặt hoặ o lự m s t Li n kết n y thường kém ền
2) Li n kết nhờ th m ư t: Li n kết thự hiện nhờ năng lượng s
ăng ề mặt Khi
ph nền đượ nung hảy v nh ư t v o ốt, sẽ ó hiện tượng khuế h t n ho t n l n nh u
nền v ốt S
ăng ề mặt tr n r nh gi i nền ốt khi
nền đông đặ l yếu tố quyết định đ ền
ng li n
kết n y Hình 1.2 gi i thiệu
phương th th m ư t tốt
v tồi giữ nền v ốt
ền

Hình 1.2 Các dạng thấm ướt giữa nền và cốt [1]

r
đ
gi
V

3) Li n kết phản ng: Li n kết phản ng xu t hiện khi tr n r nh gi i nền v ốt xảy
phản ng ho họ giữ nền v ốt Đặ t nh
hợp h t ho họ t o th nh quyết định
ền
mối li n kết n y
4) Li n kết phản ng ph n đo n: Phản ng ho họ giữ nền v ốt xảy r theo nhiều
i đo n
ụ: Phản ng trong ompozit sợi o, hợp kim Ti-Al.

Giai đoạn 1:Ti(Al) + B → (TiAl)B2

(1.1)

Giai đoạn 2:(TiAl)B2 + B → TiB2 + Ti(Al)

(1.2)

5) Li n kết ô x t: L
ng li n kết đặ iệt đặ trưng ho omposite nền kim lo i v i
ô x t Li n kết thự hiện nhờ t o r
sản phẩm phản ng ở ng m ng ô x t
6) Li n kết hỗn hợp: L
ng hỗn hợp
ki u li n kết Li n kết n y xu t hiện
trong omposite m sự tương t giữ nền v ốt phụ thu
h yếu v o qu tr nh ông
nghệ hoặ điều kiện sử ụng
ốt l

1.2. Khái quát về vật liệu composite nền kim loại (MMCs)
Vật liệu omposite l sự kết hợp
vật liệu kh nh u nhằm đ t đượ những
t nh h t m vật liệu truyền thống (kim lo i, gốm, polymer) không ó V i những phương
ph p hế t o hợp lý đ đ t đượ
t nh h t mong muốn, vật liệu omposite nền kim lo i
5


ó th đ p ng đượ những y u ầu trong nhiều lĩnh vự kh nh u Composit nền kim

lo i (MMC) l nhóm vật liệu ó sự kết hợp giữ nền kim lo i v
h t tăng ền; húng ó
những t nh h t đ ng quý như: đ ền, đ ền ri ng o, hệ số giãn nở nhiệt th p, đ
n
nhiệt o, hịu m i mòn tốt, hịu nhiệt tốt [19, 20].
Composite nền kim lo i lần đầu đượ hế t o ằng
h đư v o nền kim lo i những
lo i ốt tăng ền (v ụ nền ơ sở nhôm v ốt tăng ền SiC) v i mụ đ h h nh l ải
thiện mô đun đ n hồi v đ ền o hơn so v i vật liệu polyme. Hình 1.3 , ho th y những
ng thù h nh
phần tử tăng ền như: sợi li n tụ , sợi ngắn (whisker) v h t Nền
h yếu l
kim lo i nhẹ như Al, Ti, Mg đ ải thiện mô đun đ n hồi v đ ền ri ng
ng ụng ho h ng không v vũ trụ Từ những năm uối
thập ni n 1980 đã ó nhiều
ông tr nh nghi n u về vật liệu omposite nền kim lo i ốt h t đ n ng o hiệu quả sử
ụng ũng như giảm gi th nh Composite ốt h t ó t nh h t tốt như omposite ốt sợi,
tuy nhi n
h t tăng ền tương đối rẻ v ó t nh đẳng hư ng trong nền kim lo i
Composite nền kim lo i lần đầu ti n đượ hế t o tr n ơ sở nền nhôm v h t tăng
ền SiC Ưu đi m
vật liệu n y l ó mô đun đ n hồi o, gi th nh tương đối rẻ đượ
sử ụng nhiều trong ng nh ông nghiệp sản xu t xu t nhôm v m i mòn Trong 30 năm
qu , omposite nền kim lo i không hỉ ng ụng trong lĩnh vự vận tải, x y ựng m òn
đượ ng ụng trong lĩnh vự điện tử v
lĩnh vự kh [19, 35].

1.3. Hạt tăng bền và nền kim loại
H t tăng ền ó những ưu đi m nổi tr i so v i sợi tăng ền như: gi th nh rẻ, ễ hế
t o, ó t nh đẳng hư ng, tỷ phần trong nền ó th điều hỉnh đượ trong m t khoảng r ng

H nh ng
h t tăng ền ó th kh nh u v i k h thư từ v i trăm n no đến <
100 μm (hình 1.3b).

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa: a) hình thái khác
nhau của các hạt tăng bền; b) hình dạng của
các hạt tăng bền trong composite nền kim
loại [51].

Tùy theo t nh h t v mụ đ h sử ụng m người t ó th đư v o m t hoặ h i
(thậm h nhiều hơn)
lo i h t tăng ền v i tỷ phần l n đến 75%, tuy nhi n h yếu
ng h t đư v o nền l SiC v Al2O3, o húng ó những t nh h t qu như: giá thành
th p, tương t tốt v i nền nhôm v hợp kim nhôm Gần đ y ũng ó nhiều h t gốm kh
nhau đượ nghi n u v ng ụng trong ông nghiệp như: h t ô x t (Al2O3-SiO2, Al2O3TiO2, MgO, NiO, ZrO2), h t
t (TiC, 4C…), nitrit (Si3N4, AlN, BN), Borit (TiB2,
TaB2) v
on (Gr phit, kim ương nh n t o, fluren, ống n no (CNT))
Đối v i nền kim lo i, vật liệu m đượ sử ụng nhiều nh t l nhôm v hợp kim nhôm
v i ưu đi m l nhẹ, nhiệt đ nóng hảy th p, đ ẻo v đ hịu nhiệt o Do đó,
6


composite nền kim lo i đượ nghi n u r ng rãi nh t l hệ Al/Al2O3 v hệ SiC/Al [19,
20] C nền kim lo i kh như Ti, Mg v Cu ũng đã đượ nghi n u Xét về ơ t nh như
mô đun v đ ền ri ng th trong
nền kim lo i tr n th hỉ ó Cu l đượ nghi n u
nhiều hơn ả v omposite nền Cu ó t nh h t ưu việt như đ
n nhiệt v
n điện o

1.4. Đặc điểm và khả năng ứng dụng vật liệu composite nền
nhôm
Hợp kim nhôm đã thu hút đượ sự qu n t m đ ng k trong những năm gần đ y v
đượ sử ụng r ng rãi trong
ng nh ông nghiệp ô tô, h ng không vũ trụ v quố phòng
o húng ó đ ền ri ng v đ
n nhiệt o, ho phép giảm trọng lượng tổng th xe ,
hi ph nguy n vật liệu v gi ông, o đó tăng hiệu quả kinh tế Người t ư t nh rằng
nếu trọng lượng xe giảm 10% th nguy n, nhi n vật liệu giảm đượ 8-10% Tuy nhi n, hợp
kim nhôm nh n hung
l những những nhượ đi m h nh như: đ
ng th p v không
giữ đượ sự ổn định đ ền khi sử ụng trong khoảng thời gi n i ở nhiệt đ tr n 250 ºC
Những nhượ đi m n y g y ảnh hưởng đến đ tin ậy
hi tiết kết u khi l m việ
ở nhiệt đ
o v m s t l n ( ng tải trọng đi n h nh trong lĩnh vự ô tô v h ng không vũ
trụ) Đã ó nhiều nghi n u v ng ụng đ giảm t những nhượ đi m n y như ổ sung
h t gốm k h thư mi ro đ n ng đ
ng, đ ền m không ị m t lợi thế trọng
lượng nhẹ
hợp kim nhôm
n đầu sự xu t hiện
vật liệu omposite nền kim lo i
h yếu l đ đ p ng nhu ầu ải thiện hiệu quả ho
hệ thống qu n sự ti n tiến Tuy
nhi n o sự suy giảm đầu tư
ự n qu n sự n n sự ưu ti n nghi n u v ph t tri n
lo i vật liệu omposite nền kim lo i (thường đắt đỏ) ị suy giảm Mặ ù vậy, nghi n u

vật liệu omposite nền kim lo i đã đượ hồi sinh m nh mẽ trong những năm 1980, h yếu
trong lĩnh vự h ng không vũ trụ v
lĩnh vự quố phòng, th ụ hương tr nh ông
nghệ h ng không vũ trụ Quố gi Mỹ tập trung h nh v o sự ph t tri n vật liệu m i ó t nh
năng o, đảm ảo sự ổn định o ho
hi tiết l m việ trong môi trường khắ nghiệt
trong không gi n V o giữ năm 1980,
hương tr nh ph t tri n vật liệu omposite nền
kim lo i h yếu xo y qu nh v i ông ty sản xu t nhôm C
ự n n y tập trung v o việ
ph t tri n
ng ụng trong
phương tiện gi o thông vận tải mặt đ t, ng ụng qu n
trọng đầu ti n
vật liệu omposite nền kim lo i trong lĩnh vự ô tô l piston ằng
h
đư h t gốm v o kim lo i lỏng m t
h ó họn lọ , thự hiện ho đ ng ơ iesel Toyot
v o năm 1983 Đến năm 1999,
ng ụng h ng không vũ trụ hiếm 14% thị trường
omposite nền kim lo i tr n to n thế gi i trong khi
ng ụng trong gi o thông vận tải
mặt đ t hiếm gần 62% Trong th ng 3 năm 2012 [31], các nhà phân tích công nghiệp to n
ầu In ông ố o o to n ầu về thị trường vật liệu omposite nền kim lo i trong đó ự
kiến thị trường vượt tr n 322 000 000 USD v o năm 2017
o o ũng ho rằng sự tăng
trưởng h yếu o mở r ng
ng ụng trong
lĩnh vự ông nghiệp: ô tô, h ng không
vũ trụ, quố phòng v

n n đ sản xu t những sản phẩm o p v phụ tùng th y thế,
trong đó lĩnh vự qu n sự tiếp tụ đượ mở r ng Theo ự o
H i nghị thường ni n
hiệp h i nhôm th sản lượng vật liệu omposite nền nhôm tăng g p đôi v o năm 2025 so
v i m năm 2008 như hình 1.4 và hình 1.5. Tập đo n For Motor ự o gi th nh mỗi
hiế ô tô giảm v o khoảng 0 35 USD đến 3 50USD/kg tùy thu v o lo i xe Trong vận
tải h ng hó ằng xe tải h ng nặng,
khoản tiết kiệm từ việ giảm trọng lượng xe đượ
ư t nh l 2USD -16USD/kg tùy thu v o hu kỳ ho t đ ng
thiết ị [16] Tập đo n
C ill đư r phi n ản ô tô thế hệ m i CT6 năm 2016, trong đó hợp kim nhôm hiếm
62% kết u khung, vỏ xe (hình 1.6) [49].
So v i
vật liệu omposite tr n ơ sở nhôm truyền thống, tỷ phần
n nocomposite nhôm so v i thị trường omposite hiếm tỷ lệ nhỏ Trong năm 2010, ph n khú
thị trường n no- omposite đ t đượ $250,000,000, hiếm 80%, h yếu đượ sử ụng

7


trong lĩnh vự ô tô Si,Ti, W,
it T , ũng như i orit Ti, Nitrit Al, ô xít Al, Si, nitrit
thường đượ sử ụng l m
h t n no trong nền hợp kim nhôm [50].

Hình 1.4 Biểu đồ so sánh các nhóm vật liệu được sử dụng trong giai đoạn từ 2008 đến 2025 [49]

Hình 1.5 Biểu đồ so sánh khối lượng các nhóm vật liệu sử dụng trong giai đoạn 2008-2025[49]

Hình 1.6 Tỷ phần hợp kim nhôm

dùng trong xe Cadillac CT6, màu
vàng: thép, màu sẫm: hợp kim nhôm
[50]

8


Hình 1.7 Biểu đồ so sánh mức độ sử dụng hợp kim nhôm của các hãng ô tô [31]

1.5. Khái quát về composite AlN/Al
1.5.1. Lịch sử phát triển
AlN lần đầu ti n đượ hế t o v o năm 1862 [38] ằng phản ng giữ nhôm lỏng
(Al) v nitơ S u đó Ahrons [59] sử ụng hồ qu ng điện trự tiếp giữ h i điện ự Al
trong môi trường kh Ni tơ Những phương ph p hế t o AlN trong thời kỳ n y òn nhiều
h n hế, AlN h nh th nh trong nhôm lỏng ư i ng l p m ng mỏng, ngăn ản phản ng
xảy r tiếp theo o đó không phát huy đượ t nh ưu việt
AlN
S u năm 1960
hư ng nghi n u về AlN h yếu đượ thự hiện ằng phương
ph p ố
y trong môi trường kh Ni tơ ằng phản ng thăng ho
t AlN hoặ
y
hơi kim lo i nhôm ở nhiệt đ 1450 0C đến 2200 0C [29] H nh th i
tinh th AlN phụ
thu v o nhiệt đ xử lý v m đ hò t n
Ni tơ v o nhôm lỏng ở tr ng th i ố
y
Tr n ơ sở đo nhiệt ằng hỏ kế qu ng họ , T ylor v Lënie [54] th y rằng r u tinh th
AlN xu t hiện khoảng nhiệt đ từ 1450 0C đến 1750 0C, tinh th AlN ng lăng trụ h nh

kim xu t hiện t i nhiệt đ 1800 0C – 1900 0C v
ng l p mỏng h nh ầu xu t hiện ở nhiệt
đ >1900 0C.
Phản ng hó họ giữ AlF3 v i kh NH3 t i 1000 0C đã đượ sử ụng đ sản xu t
t AlN trong những năm gần đ y [6, 44] Hiện n y, việ sản xu t t AlN thương m i
thường đượ tiến hành thông qua quá trình nitrit hó trự tiếp từ Al h y giảm nhiệt
on
ô xít nhôm ằng nitr t hó Fi hter [39] đã hế t o AlN trong lò điện ằng sợi đốt l
ống gr phit (C) h y ống vonfr me (W), đượ sử ụng đ nung nóng t AlN trong môi
trường kh ó Ni tơ ằng nguy n liệu đầu v o ó h li n kim nhôm v tinh th AlN
1.5.2. Cấu trúc tinh thể của AlN
Tinh th
AlN ó h i u trú m ng:
- Ở tr ng th i n ằng u trú tinh th (ph α) l m ng wurtzite (2H).
- Ở tr ng th i giả ổn định (ph β) AlN ó u trú tinh th lập phương zin len e
Cả h i ng thù h nh n y hỉ kh nh u về tr nh tự sắp xếp
nguy n tử Ni
tơ v nguy n tử nhôm: trong ki u m ng lập phương zin len e nguy n tử xếp hặt theo họ
mặt (111), ki u A CA C…, ki u m ng lụ gi wurtzite nguy n tử xếp hặt theo họ mặt
(0001), ki u A A … Về ơ ản u trú tinh th
o gồm h i ki u m ng nhỏ hò t n v o
nh u h Ni tơ v nguy n tử kim lo i ph n nhóm III trong trụ tọ đ khối t iện Nhóm
không gi n
ki u m ng wurtzite nitrit l P63m giống như ng tinh th thù h nh lụ
giác (4H v 6H)
SiC [29] Nh n hung, tinh th
u trú nhị ph n, tinh th
n n li n
kết t iện đượ mô tả ằng
khối t iện trong đó nguy n tố X (Si hoặ Al) nằm ở

9


đỉnh, nguy n tố Y (như C h y N) nằm ở t m
khối [7] Nguy n tử X li n kết ion v
đồng hó trị v i nguy n tử Y M đ li n kết đượ x định ằng k h thư v hó trị
li n kết

Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể của AlN: a) Kiểu mạng lục giác xếp chặt wurtzite [29]; b) Kiểu mạng
lập phương diện tâm [105]

C u trú
AlN v i ki u m ng wurtzite đượ mô tả ằng
hằng số m ng theo
hiều i nh 0 (a0 l thông số m ng), hiều o 0
h nh lăng trụ lụ gi ( 0 là thông
số m ng), th m số u l hiều i nh li n kết X-Y ọ theo trụ 0 t l i huy n m ng
ọ theo phương [0001] v i tỷ phần c0 Trong u trú wurtzite lý tưởng ó u = 0 375, tuy
nhi n gi trị n y sẽ ó sự s i lệ h, nguy n nh n l ó sự li n kết nh u trong nitrit. Trong
tinh th AlN u = 0,385 v hiều i
Al-N ọ theo phương [0001] l 1,918 Å [3] T i
nhiệt đ phòng thông số m ng
AlN lần lượt l 0 = 3.112 Å, c0 = 4 982 Å Theo truyền
thống, mặt v phương tinh th đượ i u iễn theo ốn trụ
hệ tọ đ Miller – Bravais,
trong đó ó 3 trụ
mặt ơ ản ( 1, a2, a3) v mỗi ặp mặt phằng hợp v i nh u m t gó
120 0C v trụ th
( ) vuông gó v i mặt ơ ản
1.5.3. Đặc điểm của AlN

AlN đượ ho l phù hợp v i vật liệu
h điện, ụ th : ( ) AlN l vật liệu nhẹ, ( )
li n kết giữ
nguy n tử m nh, ( ) AlN ó u trú tinh th đơn giản v ( ) AlN ó t nh
đối x ng o
Đ
n nhiệt
AlN t i nhiệt đ phòng l 320 W/m K [74] v
o hơn nhôm 209
W/m K AlN ũng ó hệ số giãn nở nhiệt th p 4.5X10-6 K-1 [16]. AlN ó nhiệt đ nóng
hảy 2200 0C. Do đó AlN l vật liệu phù hợp ho
sản phẩm ần tản nhiệt nh nh như
h t nền trong
m h n n v trong o điện tử [74].
Trong số những lo i gốm n y, eO v SiC ó đ
n nhiệt o, tuy nhi n eO ó
t nh đ h i o, SiC ó điện trở su t v t nh h t điện môi th p V vậy AlN r t phù hợp
ho những ng ụng n y ởi nó n ằng đượ
t nh h t
vật liệu nền
h nhiệt
Hơn nữ AlN ó đ ền uốn o hơn Al2O3 ũng như đ
n nhiệt o v hệ số giãn nở
nhiệt th p h nh v vậy AlN ó khả năng hống l i sự h nh lệ h ng su t (gr ient ng
su t) ho
hi tiết trong
thiết ị điện tử [105].
Sự ph t tri n
AlN trong
thập kỷ qu đã giải quyết đượ h i v n đề l n đó l :

(1) đ ải thiện đ
n nhiệt
AlN thi u kết (đ
n nhiệt
AlN ở thời kỳ đầu hỉ
khoảng 2-3 lần so v i Al2O3), (2) Đư AlN v o nền kim lo i đ t o vật liệu omposite nền
kim lo i (MMCs) [105].

10


Bảng 1.1 Tính chất của AlN và một số gốm sử dụng làm chất nền [74].
Tính ch t

AlN

Al2O3

BeO

SiC

Khối lượng riêgn(g/cm )

3.25

3.89

2.90

3.217

Đ bền uốn (MPa)
Đ c ng Vickers (GPa)
Modulu ép (GPa)

340–490
11–12
202–237

304–314
23–27
–

245
12
–

–
24
–

3

Truyền ánh sáng (%) (λ= 6 µm, t= 0.5 mm)
Điện trở su t (Ω-cm)

48
>10

14

Không rõ Không rõ
>10

14

>10

14

–
>10

14

Đ bền điện môi (kV/cm t i 25 °C)

140–170

100

100

0.7

Hằng số điện môi (1 MHz t i 25 °C)

8.9

8.5

6.5

40

-

-

có

có

Đ đ ch i

1.5.4. Các tính chất của hợp kim nhôm với các hạt nano tăng bền
Nghi n u vật liệu omposite nền kim lo i ốt h t ó k h thư mi ro ho th y
rằng mặ ù
h t đượ hế t o ó họn lọ , ph n t n đồng đều trong nền hợp kim nhưng
hiệu quả t đ ng
húng đến đ ền
nền hợp kim t hơn so v i
h t ók h
thư n no (tương ng v i
h t ó k h thư trong khoảng 10 - 200 nm) Những h t ó
k h thư
> 1,5 μm ễ ị t h l p,
h t nằm trong khoảng 200 -1 500 nm ó xu hư ng
t o th nh

lỗ trống t i ề mặt tương t v i nền, những h t < 200 nm li n kết tốt v i nền
o đó ơ t nh, h p thụ nhiệt v điện đều tốt Hơn nữ , đ ền tương đương ũng ó th đ t
đượ v i lượng h t k h thư n no t hơn so v i h t k h thư mi ro [9 - 13] Nền kim
lo i đượ tăng ền ằng
h t n no đượ đặ trưng ằng sự th y đổi phương th phá
h y t i i n h t s ng xuy n h t [16]; n nh đó ũng ó th ải thiện ơ t nh tổng hợp
thông qu đ ền ph h y, đ ền ão, hống số nhiệt, hịu m i mòn v n ng o đ ổn
định k h thư t i nhiệt đ
o

Hình 1.9 Giới hạn bền kéo tỷ lệ với %AlN tại nhiệt
độ cao (300 0C) [16]

Hình 1.10 Giới hạn đàn hồi tỷ lệ với %AlN, tại nhiệt
độ cao (300 0C) [16]

11


Hình 1.11 Modul đàn hồi tỷ lệ với %AlN tại nhiệt độ
cao (300 0C) [16]

Hình 1.12 Biểu đồ quan hệ chiều dài và nhiệt độ của
Al và composite Al với lượng SiC không đổi (7.5
Vol% Si [11]
Bảng 1.2 Kích thước hạt tới hạn để cải thiện tính chất nano-composite [10]
Tính ch t
Ho t tính xúc tác
Hóa mềm vật liệu từ tính
Th y đổi chỉ số khúc x

T o từ tính, siêu thuận từ
Hóa bền và dẻo dai
Th y đổi đ c ng v đ dẻo

K h thư c t i h n c a h t
hóa bền (nm)
<5
<20
<50
<100
<100
<100

1.5.5. Một số nghiên cứu vật liệu nano composite AlN/Al
Năm 1994, An rzej C lk v
ng sự [8] l người đầu ti n tổng hợp AlN tr n
nền nhôm ằng phương ph p nghiền từ trong môi trường NH3 s u đó nung thi u kết l n
đến nhiệt đ ư i nhiệt đ hảy
nhôm; kết quả l ó xảy r phản ng giữ N nguy n tử
v Al v i tỷ phần AlN đượ h nh th nh l n đến 88.28% v i u trú nhỏ mịn, k h thư
trong khoảng n no mét
Năm 1995, Qinghua Hou, Raj Mutharasan, Michael Koczak [86] đã l m s ng tỏ sự
h nh th nh
AlN trong nền nhôm khi sử ụng hệ hợp kim (AI-Mg-Si) ằng phương
ph p sụ kh ở nhiệt đ tr n 1000 0C Kết quả ph n t h ho th y tỷ phần AlN đượ h nh
thành l n đến 17% trong hệ hợp kim (Al-Mg-Si).
Năm 2003, QINGJUN ZHENG v RAMANA G REDDY [87] đã nghi n u đ ng
họ sự h nh th nh
AlN trong hợp kim nhôm lỏng ằng sụ kh NH3, kết quả l AlN
đượ tổng hợp ằng phương ph p in-situ trong môi trường NH3 ở nhiệt đ từ 1373 đến

1523K H t AlN đượ t o r v i k h thư < 2 μm Cũng trong ông ố
m nh
t
giả ũng đư r
thông số ảnh hưởng đến tố đ h nh th nh AlN như thời gi n sụ kh ,
nhiệt đ sụ , k h thư
ọt kh v hiều o
khối kim lo i lỏng thông qu qu tr nh
khuế h t n
Ni tơ v i nhôm lỏng ở ề mặt ph n
h
Năm 2003, P t m Visuttipitukul, T tsuhiko Aiz w , n Hi eyuki Kuwahara trong
ông ố
m nh [110] đã khảo s t sự h nh th nh
l p AlN khi xử lý ề mặt nhôm
nguy n h t ằng pl sm C t giả ho rằng trong qu tr nh xử lý nhiệt ằng Pl s m
12


v i súng phún x N2 th tr n mặt m u ó sự h nh th nh
l p AlN v i hiều y từ 3 5μm
Năm 2004, QINGJUN ZHENG, R. G. REDDY [116] đã nghi n u ơ hế h nh
th nh AlN trong nhôm lỏng ằng kh Ni tơ Kết quả th nghiệm v ph n t h nhiệt đ ng
họ v đ ng họ phản ng
nhôm lỏng v i kh N2 ho th y:
h t AlN đã đượ h nh
th nh v i k h thư < 10 µm v h yếu tập trung ở tr n ề mặt v ở th nh ố n u Nếu
như ó sự xu t hiện
ô xy th nó sẽ ản trở qu tr nh h p thụ hó họ
N2 ở ề mặt

ph n
h H p thụ hó họ
ô xy t i ề mặt ph n
h thường xảy nh nh hơn o không
ị gặp r o ản năng lượng n o v nh nh hóng l m giảm năng lượng
hệ, trong khi đó
đ đượ h p thụ hó họ th N2 phải vượt qu r o ản năng lượng ho t hó r t l n và quá
tr nh xảy r hậm V vậy, đ đ t đượ lượng AlN đ ng k th h m lượng
ô xy phải nhỏ
hơn m t gi trị t i h n n o đó trong kh sụ N2.
Năm 2005, Ye, X Y Liu, en Lu n [46] khi tổng hợp AlN trong hệ hợp kim Al-Mg
ằng phản ng lỏng/kh trong khoảng nhiệt đ (620 – 800 0C) Họ ho rằng ơ hế qu n
trọng đ ó sự hình thành AlN l qu tr nh xú t
N2 + 3Mg → Mg3N2 và Mg3N2 +
2Al → 2AlN + 3Mg, như vậy nếu nồng đ Mg o trong hợp kim Al-Mg th nhiệt đ đ
xảy r qu tr nh nitrit hó th p hơn l nhiệt đ nóng hảy hợp kim Al – Mg.

Hình 1.13 Mô hình cơ chế tạo AlN trong buồng phản ứng [75]

Năm 2006 M s hiro Okumiy , Hiroshi Ike
n Yoshiki Tsunek w [75] đã nghi n
u ơ hế nitrit hó nhôm trong uồng phản ng ó h N2 ằng phương ph p in-situ v i
h t xú t Mg đ t o l p ph AlN (h nh 1 13) C t giả ho rằng qu tr nh h nh th nh
AlN n đầu l o Mg đượ th m th u v khuế h t n v o nền Al, s u đó l N v tiếp theo
l phản ng t o AlN
Qu tr nh h nh th nh đượ mô tả như s u:
13