(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và
không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả và số liệu trình bày
trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu của luận án chưa từng được công
bố trên bất kỳ công trình nào khác ngoài công trình của tác giả.
Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019
TM tập thể hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Trần Văn Dũng

Nguyễn Đức Duy

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS Trần Văn
Dũng, người đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, giúp đỡ, động viên và cho những lời
khuyên hết sức bổ ích trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Đặng Thủy đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng
góp những ý kiến xác thực trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn chỉnh luận án của mình.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa
học và Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Cao đẳng Cơ khí Luyện kim đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu giúp tôi hoàn
thành bản luận án này.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy giáo,
các phòng thí nghiệm, cơ sở thực nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã dành thời gian đọc
phản biện, đóng góp ý kiến và trao đổi các nội dung chuyên môn cũng như kinh nghiệm
thực tiễn để tôi hoàn thành luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu
trong tương lai.

Tác giả xin chân thành ghi nhớ và gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người
thân, bạn bè và đồng nghiệp những người đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên tinh thần trong
suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Đức Duy

ii


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Mở đầu
1. Lý do lựa chọn đề tài

1

2. Mục đích nghiên cứu

1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

4. Phương pháp nghiên cứu

2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

2

6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án

3

7. Bố cục của luận án

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu) BỀN

5

NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO
1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp

5

1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp

5

1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp

5

1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại

6

1.2.1 Thành phần cấu tạo

7

1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt

7

1.3 Vật liệu tổ hợp nền Đồng (Cu) cốt hạt phân tán
1.3.1 Đồng (Cu) - kim loại có điện dẫn cao

8
9

1.3.2 Lý thuyết hóa bền phân tán

15

1.3.3 Vật liệu tổ hợp cốt hạt

18

1.4 Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ lý tính của vật liệu tiếp điểm

21

1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao

22

1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện

22

cao trên thế giới
1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện

23

cao tại Việt Nam
1.6 Kết luận chương 1

26

iii


CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG

27

PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hoá

27

2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trong luyện kim bột

27

2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trong luyện kim bột

27

2.1.3 Quá trình nghiền cơ - hóa tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

34

2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp

35

2.2.1 Ép tạo hình hỗn hợp bột vật liệu tổ hợp

35

2.2.2 Quá trình thiêu kết

36

2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt Al2O3 phân tán bằng phương pháp

38

cơ - hoá kết hợp
2.3.1 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu

38

cốt hạt Al2O3 phân tán
2.3.2 Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ

39

- hóa
2.4 Kết luận chương 2

41

CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

42

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CƠ - HOÁ
3.1 Vật liệu thí nghiệm

42

3.2 Thiết bị thí nghiệm

42

3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân

46

tán nano Al2O3
3.3.1 Công đoạn nghiền cơ – hoá

47

3.3.2 Công đoạn ép tạo hình

49

3.3.3 Công đoạn thiêu kết

50

3.3.4 Xác định một số tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

50

3.4 Kết luận chương 3

52

CHƯƠNG 4.
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN

53

TÍNH CHẤT VÀ TỔ CHỨC TẾ VI CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3
4.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

53

4.1.1 Giới thiệu phương pháp

53

4.1.2 Phương án tổ chức thực nghiệm

54

4.1.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và tính chất

55

iv


của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3
4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến một số tính chất của vật liệu tổ hợp

63

Cu - Al2O3
4.2.1 Kết quả thực nghiệm xác định tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3

63

4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu -

64

5vol.%Al2O3
4.2.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu -

67

5vol.%Al2O3
4.2.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ dẫn điện của vật liệu tổ hợp

70

Cu - 5vol.%Al2O3
4.3 Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

74

4.3.1 Sự hình thành pha nano Al2O3 phân tán trong nền Cu

74

4.3.2 Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết của vật liệu tổ hợp Cu -

81

5vol.%Al2O3
4.3.3. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3

83

4.4 Kết luận chương 4

84

CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU

86

TỔ HỢP Cu - Al2O3
5.1 Khái quát về vật liệu chế tạo điện cực hàn

87

5.1.1 Một số loại vật liệu thường dùng chế tạo điện cực hàn

87

5.1.2 Yêu cầu đối với vật liệu điện cực hàn điểm

87

5.2 Nghiên cứu khảo sát thiết bị sử dụng điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

87

5.3 Chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3

89

5.3.1 Phương án thiết kế chế tạo điện cực hàn

89

5.3.2 Chế tạo điện cực hàn điểm

91

5.4 Kết luận chương 5

92

Kết luận chung của luận án

93

Tài liệu tham khảo

94

Danh mục các công trình đã công bố

98

Phụ lục: Xác nhận chất lượng thử nghiệm điện cực hàn

99

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MMC

Metal Matrix Composite

Vật liệu composite nền kim loại

XRD

X-Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

SEM

Scanning Electron Microscopy

Hiển vi điện tử quét

EDS

Energy Dispersive Spectrometry

Phổ tán xạ năng lượng

IACS

International Annealed Copper Standard Độ dẫn điện tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế

HV

Vickers Hardness

Độ cứng tế vi

HRB

Rockwell Hardness, Scale B

Độ cứng Rockwell, thang B

vol.%

Volume percent

Phần trăm thể tích

wt.%

Weight percent

Phần trăm khối lượng

HVĐT

Hiển vi điện tử

VLTH

Vật liệu tổ hợp

NXB

Nhà xuất bản

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6% WC trước và sau biến dạng [49]
Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
Bảng 1.3 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-4,5% TiB2 chế tạo bằng phương pháp phối hợp
nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [9]
Bảng 1.4 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu- TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
Bảng 1.5 So sánh một số tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu và một số vật liệu điện
cực khác [8]

12
13
14

Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu

47

Bảng 4.1 Điều kiện thí nghiệm được chọn
Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tổng hợp chế tạo vật

liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
Bảng 4.4 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ cứng của
vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm hàm độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3
Bảng 4.6 Tính chất của vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3 phụ thuộc vào các thông số
công nghệ ép - thiêu kết

55
56

vii

14
15

59
60
62
64


DAMH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt
Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu
Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32]
Hình 1.4 Độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC [36]
Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC ép chảy [36]

Hình 1.6 Trình tự chuyển động của lệch
Hình 1.7 Ảnh SEM của vật liệu sau khi Cu tan thành bột VLTH Cu-5% Al2O3 và sự
hình thành Al2O3 khi xử lý nhiệt: a- 8500C; b- 11000C; c- 8500C; d- 11000 C [16]
Hình 1.8 Độ cứng (HRB) và độ dẫn điện (% IACS) của vật liệu chế tạo với % Al2O3
thay đổi [16]
Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn trong lò hở [2]
Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn bằng phương pháp nhiệt
nhôm và nhiệt magiê [7]

6
10
10
12
12
17
20
20
24
25

Hình 2.1 Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình hợp kim
hóa cơ học

29

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [13]
Hình 2.3 Các giai đoạn quá trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dẻo [13]
Hình 2.4 Các giai đoạn qúa trình hợp kim hóa cơ học vật liệu dẻo - dòn [13]
Hình 2.5 Một số thiết bị thông dụng dùng để hợp kim hóa cơ học
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy nghiền cánh khuấy

Hình 2.7 Kích thước của khuôn ép tạo hình sơ bộ
Hình 2.8 Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 bằng phương
pháp cơ - hóa kết hợp

29
31
31
32
33
36
40

Hình 3.1 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Cu-CuO-Al
Hình 3.2 Máy nghiền kiểu cánh khuấy
Hình 3.3 Máy nghiền bi kiểu tang trống
Hình 3.4 Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy
Hình 3.5 Thiết bị ép tạo hình
Hình 3.6 Lò Linn – 1300
Hình 3.7 Máy đo độ cứng HPO-250
Hình 3.8 Cân điện tử (độ chính xác 10-4)
Hình 3.9 Máy phân tích XRD D5005 – SIEMENS
Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800
Hình 3.11 Thiết bị đo độ dẫn điện MICROHMMETER DO5000
Hình 3.12 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-20% Al2O3 sau khi nghiền 16h
trong máy nghiền cánh khuấy

42
43
43
44

44
44
45
45
45
46
46
48

viii


Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-5% Al2O3 sau khi nghiền trộn
3h trong máy nghiền tang trống
Hình 3.14 Mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bị nứt tách lớp khi áp lực ép tạo
hình sơ bộ quá lớn
Hình 3.15 Giản đồ chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

49

Hình 4.1 Mô hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm
Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép
không đổi
Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ
thiêu kết không đổi
Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu kết
không đổi

Hình 4.5 Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết khi tổng
hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.6 Quan hệ giữa mật độ của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông số
công nghệ ép - thiêu kết
Hình 4.7 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép
không đổi
Hình 4.8 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ
thiêu kết không đổi
Hình 4.9 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật
liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và nhiệt độ thiêu kết, thời gian
thiêu kết không đổi
Hình 4.10 Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết khi
tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.11 Quan hệ giữa độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.%Al2O3 và các thông
số công nghệ ép - thiêu kết
Hình 4.12 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực

54
65

ép không đổi
Hình 4.13 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt
độ thiêu kết không đổi
ix

49

50

65

66

66
67
68

68

69

69
70
71

72


Hình 4.14 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của
vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu
kết không đổi
Hình 4.15 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào các thông số công nghệ ép - thiêu kết
khi tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.16 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-CuO-Al (a) và sau khi
nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph trong thời gian 16h (b)
Hình 4.17 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền
Hình 4.18 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền

Hình 4.19 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền
Hình 4.20 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu hỗn hợp vật liệu bột
Hình 4.21 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau khi nghiền trộn trong
máy nghiền tang trống
Hình 4.22 SEM-EDS của mẫu bột vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.23 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu Cu - Al2O3 sau khi thiêu kết (8000C, 2h)
Hình 4.24 Ảnh SEM (a- X200.000; b- X100.000) mẫu vật liệu tổ hợp Cu 5vol.%Al2O3 thiêu kết ở 8000C sau 2h
Hình 4.25 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
Hình 4.26 SEM-EDS của mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau thiêu kết (8000C,
2h)

72

Hình 5.1 Điện cực hàn điểm ứng dụng trong công nghiệp ô tô
Hình 5.2 Khảo sát máy hàn điểm tại cơ sở sản xuất
Hình 5.3 Hình dạng điện cực hàn tại Công ty VINA TAIYO SPRING CO,.LTD
Hình 5.4 Hình dạng điện cực và hao mòn điện cực hàn tại Công ty TNHH MTV
Diesel
Hình 5.5 Thiết kế chế tạo điện cực hàn điểm (Đầu - Cán)
Hình 5.6 Phương án chế tạo điện cực hàn
Hình 5.7 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và
chỏm cầu côn)
Hình 5.8 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và
chỏm cầu côn)
Hình 5.9 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng đầu bằng và chỏm
nhọn)
Hình 5.10 Hình dạng và kích thước đầu điện cực hàn (Phương án chọn để chế tạo)

86
88

88
88

Hình 5.11 Hình dạng và kích thước khuôn ép đầu điện cực hàn
Hình 5.12 Ép tạo hình đầu điện cực hàn điểm
Hình 5.13 Điện cực hàn dạng đầu - cán [(Vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3) - Hợp
kim Cu]

91
91
92

x

73
75
77
78
79
80
80
81
82
83
83
84

89
89
90

90
90
91


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khoa học công nghệ vật liệu
trong những thập niên gần đây có sự phát triển mạnh mẽ. Sự đổi mới công nghệ, trong đó
có sự phát triển công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của
nền kinh tế - xã hội, sự phát triển công nghiệp của một quốc gia.
Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ truyền
thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm tạo ra các vật liệu có những tính chất
đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc hiện đại làm việc
trong điều kiện khắc nghiệt. Vật liệu tổ hợp ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó và
ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân
và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, chế tạo máy, xây dựng …
Vật liệu tổ hợp đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác
nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu rất đa
dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai, như:
vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và
nhiệt độ cao và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có được. Do đó, vật
liệu tổ hợp nói chung và vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng ngày càng thu hút được sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi để thay thế
dần vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân hiện nay.
Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp, đặc biệt là vật liệu tổ hợp nền
kim loại còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong khoảng thập niên gần đây. Việc nghiên
cứu vật liệu tổ hợp nền kim loại, được phát triển theo hai hướng chính, đó là: nghiên cứu
các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các
chi tiết, sản phẩm từ vật liệu tổ hợp nền kim loại. Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu

vật liệu mới tiềm năng và có nhiều triển vọng. Các công trình nghiên cứu đã cho thấy việc
sử dụng cốt hạt phân tán như Al2O3, TiB2, TiC, ... đã cải thiện đáng kể một số tính chất của
hệ vật liệu tổ hợp nền Cu. Tuy nhiên, cần nghiên cứu một cách hệ thống và nâng cao khả
năng ứng dụng trong thực tiễn đối với hệ vật liệu tổ hợp nền Cu nói chung và vật liệu tổ
hợp nền Cu cốt hạt phân tán Al2O3 nói riêng. Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp
nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn” mang tính ứng dụng cao
trong thực tế và mới trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu mới. Kết quả của đề tài mở
ra triển vọng lớn trong việc nghiên cứu hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và cần thiết để
góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ vật liệu tổ hợp này.

2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng
phương pháp cơ - hoá.

1


- Nghiên cứu khảo sát một số tính chất đặc trưng và cấu trúc vật liệu tổ hợp nền Cu
cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét
(SEM, SEM-EDS) ...
- Nghiên cứu chế tạo thử phôi điện cực hàn điểm từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt
phân tán nano Al2O3.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano
Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp cơ - hoá.
Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây:
- Tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp
cơ - hoá trong máy nghiền cánh khuấy.
- Xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và một số tính

chất cơ bản của vật liệu làm cơ sở tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt
phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng cấu trúc và
tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
- Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
trong chế tạo điện cực hàn điểm.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích, kiểm tra vật liệu bằng nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện
tử quét (SEM, SEM-EDS), đo độ xốp, đo độ cứng, đo độ dẫn điện …
- Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xây dựng mối quan hệ và đánh giá ảnh hưởng
của các thông số công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3
bằng phương pháp cơ - hoá.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp
nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 và so sánh các dữ liệu đối chứng, đánh giá khả năng
đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán
nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các
tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế
tạo phôi điện cực hàn.
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo có
những tính chất công nghệ đặc trưng, ưu việt đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện

2

hiện đại (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) có thế được ứng dụng để chế tạo thay thế các chi tiết
nhập ngoại, giảm giá thành sản phẩm.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho việc triển khai áp dụng
trong thực tiễn chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi
điện cực hàn tại Việt Nam.

6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
- Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu các công nghệ tiên tiến đã công bố trong và ngoài
nước để xác định công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
- Xây dựng, lựa chọn được hệ thống thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra và
đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu phù hợp với điều kiện thực tiễn để tiến hành
quá trình công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3.
- Kết quả thực nghiệm công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán
nano Al2O3 có thể ứng dụng chế tạo vật liệu kỹ thuật điện hiện đại từ hệ vật liệu tổ hợp nền
Cu có độ bền nhiệt, độ dẫn điện cao.
- Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp được vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3
bằng phương pháp cơ - hoá ưu việt hơn so với các phương pháp khác như nấu hợp kim,
nghiền trộn cơ học, ...
- Đề xuất phương pháp và chế tạo được điện cực hàn điểm từ phôi vật liệu tổ hợp
Cu - 5vol.%Al2O3 bước đầu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu chế tạo điện
cực hàn điểm, có thể triển khai trong thực tiễn sản xuất vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân
tán nano Al2O3 để chế tạo điện cực hàn.
Những đóng góp mới của luận án:
- Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano
Al2O3 là hướng nghiên cứu hiện đại, phù hợp với xu hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ
hợp trên cơ sở nền Cu và lần đầu tiên ở Việt Nam đề xuất, thiết lập được quy trình công
nghệ tổng hợp và chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2O3
bằng phương pháp cơ - hoá.
- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo
thành công, có những tính chất công nghệ cơ bản đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật

điện (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) thay thế các vật liệu truyền thống đã mở ra bước đột phá
mới trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu kỹ thuật điện.
- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính
chất công nghệ đặc trưng của vật liệu làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa quá trình công nghệ
chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn.

7. Bố cục của luận án
Luận án được trình bày với các nội dung sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) bền nhiệt, độ dẫn điện cao.

3


Chương 2. Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ hoá.
Chương 3. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu
tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá.
Chương 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất và tổ
chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3.
Chương 5. Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3.
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
Danh mục các công trình đã công bố của luận án

4


CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu)
BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO

1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp
1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp
Vật liệu tổ hợp là loại vật liệu dị chất (không đồng chất), nó được tạo nên bởi hai
hoặc nhiều thành phần liên kết bền chặt với nhau trong đó có ít nhất một thành phần trội
hơn về mặt thể tích (khối lượng) là một kim loại, hợp kim hoặc phi kim loại.
Vật liệu tổ hợp là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên thường rất khác nhau về bản
chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại bằng sự
can thiệp kỹ thuật của con người theo những quy trình công nghệ thiết kế trước, nhằm tận
dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu tổ hợp cần chế tạo. Pha
liên tục trong toàn khối vật liệu được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được nền bao
bọc gọi là pha cốt.
Sự kết hợp các tính chất trong vật liệu nhiều pha là hiện tượng phổ biến. Ví dụ, giới
hạn bền cao và độ dẻo thích hợp của thép cùng tích peclit là kết quả của sự kết hợp độ dẻo,
độ dai lớn của các tấm ferit với tính cứng vững của các tấm xementit khi chúng sắp xếp
xen kẽ nhau; gỗ, tre cứng vững và bền dai chính là nhờ kết hợp được tính bền dai của sợi
xenluylo phân bố theo hướng xác định với độ cứng vững cao của chất gỗ (lignin) bao bọc
xung quanh. Qui luật kết hợp thể hiện trong các ví dụ này là cơ sở khoa học của công nghệ
vật liệu tổ hợp.
Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một thiết kế
định trước, đảm bảo tạo nên một tổ hợp nhất định các tính chất, con người đã sản xuất ra
khá nhiều chủng loại vật liệu tổ hợp đáp ứng nhu cầu đa dạng của công nghệ hiện đại.
Trong vật liệu tổ hợp tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và
cốt tuân theo các qui định thiết kế trước. Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để
tạo nên tính chất chung của vật liệu tổ hợp. Tuy nhiên, tính chất của vật liệu tổ hợp tạo ra
không bao hàm tất cả các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa
chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm. Xét về các chỉ tiêu độ bền riêng, mô
đun đàn hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như nhiều tính chất khác thì vật liệu tổ
hợp có ưu thế đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết.
1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp
Phân loại vật liệu tổ hợp thường dựa vào các đặc điểm mang những tính chất đặc

trưng của chúng:
Theo bản chất của nền, vật liệu tổ hợp được phân thành:
- Vật liệu tổ hợp nền chất dẻo
- Vật liệu tổ hợp nền kim loại
- Vật liệu tổ hợp nền gốm (ceramic)
- Vật liệu tổ hợp nền là hỗn hợp nhiều pha.
5


Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại vật liệu tổ hợp
thành ba nhóm (hình 1.1):
- Vật liệu tổ hợp cốt hạt;
- Vật liệu tổ hợp cốt sợi;
- Vật liệu tổ hợp cấu trúc.
Vật liệu tổ hợp

Cốt hạt

Thô

Mịn

Cốt sợi

Liên tục

Cấu trúc

Gián đoạn

Có hướng

Tấm

Tấm ba lớp

Tổ ong

Ngẫu nhiên

Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt

1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại
Vật liệu tổ hợp nền kim loại (Metal matrix composites - MMCs) được ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp như ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô ... Vật
liệu tổ hợp nền kim loại (MMCs) là loại vật liệu mà trong đó một kim loại được kết hợp
với vật liệu khác, thông thường không phải là kim loại, để tạo thành vật liệu mới có những
đặc tính kỹ thuật, tính chất đặc trưng của riêng nó. Hiện nay, vật liệu vật liệu tổ hợp nói
chung và vật liệu vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng được ứng dụng rộng rãi do chúng
có nhiều ưu điểm nổi trội như: có những tính chất đặc trưng, độ bền và độ ổn định nhiệt
cao, ... cho thấy tiềm năng ứng dụng là rất lớn. Đã có những công trình trong và ngoài
nước nghiên cứu, chế tạo nhằm nâng cao độ bền của vật liệu tổ hợp nền kim loại nhằm đáp
ứng những đòi hỏi, yêu cầu về vật liệu ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt như
chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn, chống ăn mòn ... và bước đầu một số loại vật liệu tổ hợp
nền kim loại đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như: kỹ thuật điện – điện
tử, hàng không vũ trụ, cơ khí chế tạo, ...
Vật liệu tổ hợp nói chung, MMCs nói riêng đang được ứng dụng và đóng góp to
lớn trong ngành công nghiệp vật liệu để thay thế các loại vật liệu truyền thống. Việc sử
dụng rộng rãi các MMCs trong ngành công nghiệp ô tô, cũng như các ngành công nghiệp
khác đã dần được khẳng định trong những năm qua.

MMCs 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 MMCs là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả
năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao.
6


1.2.1 Thành phần cấu tạo
Vật liệu tổ hợp 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, kết hợp các tính chất ưu việt của các cấu tử thành phần.
a. Vật liệu nền
Tùy thuộc vào mục đích 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, magie 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 nóng chảy cao như
vonfram, crôm và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các hợp chất trên cơ sở sắt vì nó
có độ bền riêng nhỏ và dễ bị ôxi hóa.
Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trọng
nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston.
Vật liệu tổ hợp nền titan và hợp kim titan: do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng, môđun
đàn hồi lớn (80  100 GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt nên được sử dụng nhiều
trong động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén …
Vật liệu tổ hợp nền đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị trao
đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhưng chủ yếu vật liệu tổ hợp này vẫn
được dùng trong vật liệu kỹ thuật điện như chổi than, tiếp điểm điện do có khả năng dẫn
điện tốt. Bên cạnh đó, vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu
chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt …
b. 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, cốt hạt, cốt cấu trúc. Vật liệu cốt thường là các hợp chất vô cơ có độ
bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và môđun đàn hồi lớn.
Trong thực tế, thường sử dụng MMCs cốt hạt. Cốt hạt thường là các phần tử có
kích thước nhỏ, môđun đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy lớn, tỷ trọng nhỏ và ít tương tác
với nền. Khi các phần tử cốt này được đưa vào trong nền, chúng sẽ cản trở chuyển động
của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền vật liệu. Các loại cốt hạt thường gặp là Al 2O3, TiC,
TiB2, SiC …
Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 20000C), tỷ trọng nhỏ, độ cứng cao.
Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn tốt.
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.
1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt
Liên kết nền - cốt là khả năng kết hợp các cấu tử với nhau. Đây là một yếu tố quan
trọng quyết định tính chất của vật liệu, đặc biệt là tính chất cơ học của vật liệu như độ bền,
giới hạn đàn hồi và tính dẻo. Liên kết nền - cốt tốt thì khả năng hóa bền của pha cốt mới
được phát huy.

7


Tùy thuộc vào bản chất của pha nền và pha cốt mà có thể hình thành các loại liên
kết khác nhau giữa chúng. Thường có ba kiểu liên kết nền - cốt, đó là: liên kết cơ học, liên
kết có tạo pha trung gian và liên kết hỗn hợp.
a. Liên kết cơ học
Liên kết cơ học nền - cốt được hình thành khi có tác dụng của ngoại lực, nền và cốt
liên kết lại với nhau thông qua sự mấp mô trên bề mặt của chúng. Đây là kiểu liên kết đặc
trưng của hai pha rắn. Nguyên nhân tạo ra liên kết này là do ma sát giữa nền và cốt. Do đó
khi tăng lực ma sát giữa nền và cốt thì độ bền của vật liệu cũng tăng lên.
Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt 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 mật 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 vẫn tiếp tục
được truyền từ nền vào cốt cho đến khi mức độ biến dạng đủ lớn.
b. 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 MMCs 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 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 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 quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu.
c. Liên kết hỗn hợp
Là liên kết tổng hợp, bao gồm cả liên kết cơ học và liên kết hóa học. Nghĩa là, nền
và cốt liên kết với nhau vừa thông qua độ nhấp nhô bề mặt, vừa do tạo vùng trung gian
giữa chúng.

1.3 Vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) cốt hạt mịn phân tán
Vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền cao, độ dẫn điện cao được ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực công nghiệp. Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được
nghiên cứu nhằm chế tạo ra MMCs nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu nói riêng [16, 21,
25, 26, 35, 39, 46] , có thể kể đến như là “in - situ” và “ex - situ”. Trong đó, phương pháp
“in - situ” [24, 47, 48] là phương pháp có nhiều tiềm năng trong chế tạo MMCs cốt hạt

kích thước nano phân tán. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là phản ứng sinh nhiệt
giữa các nguyên tố hoặc giữa các nguyên tố và các hợp chất liên kim với nền.
8


1.3.1 Đồng (Cu) - vật liệu kim loại có điện dẫn cao
Đồng có những tính chất đặc trưng tiêu biểu của kim loại, được sử dụng rộng rãi
làm vật dẫn điện, vì:
- Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Điện trở suất của Cu nhỏ (trong tất cả các kim loại
chỉ có bạc (Ag) có điện trở suất nhỏ hơn Cu)
- Chống ăn mòn khá tốt trong môi trường khí quyển, nước, nước biển hay kiểm,
axit hữu cơ. Trong khí quyển, đồng hầu như không bị ăn mòn. Sở dĩ như vậy bởi vì Cu là
kim loại có thế điện cực dương và ngay ở nhiệt độ thường trong không khí ẩm đổng đỏ bị
ôxi hóa tạo ra màng Cu2O và trở thành lớp bảo vệ tốt. Trong nước biển, đồng bị ăn mòn
không đáng kể.
- Nổi bật trong các tính chất của Cu nguyên chất là khả năng gia công áp lực ở
trạng thái nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng.
- Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên,
ưu điểm này giảm đi rõ rệt.
Mặt khác, Cu là vật liệu kim loại có điện dẫn cao được sử dụng rộng rãi nhất trong
kỹ thuật điện. Song chỉ cần có một lượng tạp chất rất nhỏ cũng làm giảm mạnh tính dẫn
điện và tính công nghệ của Cu. Ví dụ các tạp chất như Bi, Pb, S …ảnh hưởng không đáng
kể đến độ dẫn điện của Cu nhưng làm giảm rõ rệt cơ tính, Fe làm giảm tính dẫn điện và
mài mòn của Cu, O2 gây cản trở trong quá trình hàn của Cu, P làm giảm rõ rệt tính dẫn
điện và tính dẫn nhiệt của Cu ...
Một số tính chất cơ bản của Cu nguyên chất [1]:
- Khối lượng nguyên tử
- Khối lượng riêng
- Nhiệt độ nóng chảy

: 63,54 g/mol
: γ = 8,94 g/cm3
: 10830C

- Hệ số dãn nở nhiệt (20  1000C)

:  = 16,6.10-6 m/0C

- Điện trở suất (ở trạng thái ủ, ở 200C)

:  = 1,7241 .cm

- Độ dẫn nhiệt (ở trạng thái ủ, ở 20 C)
- Ở trạng thái ủ

: 385 W/m.0K
: Giới hạn bền σb = 220 MPa
: Giới hạn đàn hồi σđh = 70 MPa
: Giới hạn bền σb = 425 MPa
: Giới hạn đàn hồi σđh = 375 MPa

0

- Ở trạng thái sau biến dạng (ε = 60%)

9


Hàm lượng tạp chất có hại
Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu

a. Các phương pháp hóa bền Cu
Hiện nay, Cu và các hợp kim của Cu được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật
điện, nhất là việc dùng để chế tạo các tiếp điểm (công tắc, áp tô mát, điện cực hàn …). Yêu
cầu độ dẫn điện và độ bền cơ học cao, với Cu ở nhiệt độ cao thì độ bền cơ học không đạt
yêu cầu. Vì vậy, nâng cao độ bền cơ học của Cu là cần thiết. Gần đây, việc hóa bền Cu thu
hút được rất nhiều chú ý. Có thể kể ra đây ba phương pháp hóa bền Cu, đó là:
- Cu nguyên chất được hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt
- Cu nguyên chất được hóa bền bằng dung dịch rắn
- Cu được hóa bền bằng các hạt gốm tạo nên vật liệu tổ hợp nền Cu.
b. Hóa bền Cu bằng cách làm nhỏ hạt
Trong công bố của Lu [32] đưa ra một kết quả của sự hóa bền Cu nguyên chất với
sự lớn lên của các song tinh kích thước cỡ nano bằng cách giảm biên giới các hạt qua một
kỹ thuật xung lắng đọng điện tích từ một dung dịch điện phân CuSO4. Theo công bố này,
độ bền kéo tăng lên khoảng 10 lần so với Cu có kích thước hạt thô thông thường, trong khi
đó vẫn giữ nguyên được độ dẫn điện so với Cu nguyên chất, được thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32]

10


Trong thí nghiệm này, Cu được lắng đọng bao gồm các hạt có hình dạng không
đồng đều (tuy nhiên phần lớn trong số đó kích thước lớn theo cả ba chiều) với sự định
hướng tùy ý. Kích thước hạt Cu và mật độ lớn của sự phát triển các song tinh được cho là
cải thiện cơ tính của vật liệu. Tuy nhiên, khi ứng dụng ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như nhiệt
độ trên bề mặt của các điện cực hoặc các công tắc trong suốt quá trình làm việc, hạt Cu sẽ
lớn lên và trở lên mềm.
c. Hóa bền Cu bằng dung dịch rắn (hợp kim hóa)
Cu được hóa bền bằng phương pháp hợp kim hóa, ví dụ như Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-CrZr, Cu-Mg-Cr-Zr, Cu-Ti-Ni, Cu-Nb ... [2, 7, 20] Ở một số sản phẩm hợp kim Cu, cơ tính

được làm tăng một cách đáng kể bằng cách đưa vào pha thứ hai nhưng lại gây ảnh hưởng
có hại đến tính dẫn điện. Theo Botcharova [20], độ bền cơ học của hợp kim Cu10%(nguyên tử)Nb được chuẩn bị bằng sự tổng hợp của hợp kim hóa bột là 1,6 GPa nhưng
độ dẫn điện chỉ đạt khoảng 10%IACS.
Ở một số sản phẩm khác, cơ tính của hợp kim Cu đã được cải thiện và vẫn giữ
được độ dẫn điện cao. Ví dụ như hợp kim Cu-Ag, nhưng giá thành cao đã hạn chế đến khả
năng ứng dụng của các hợp kim dạng này.
d. Hóa bền Cu bằng các hạt gốm phân tán
Gần đây, việc hóa bền Cu bằng các hạt phân tán đã thu hút được khá nhiều sự chú ý
[5, 6, 8, 9, 14, 17, 18, 24, 25, 29, 34, 36, 39, 43, 46, 48, 49]. Bằng việc đưa vào biên hạt
nền Cu hạt thứ hai, vật liệu tổ hợp đã đạt được độ bền cao hơn, thậm chí cả ở nhiệt độ cao,
độ dẫn điện giảm không đáng kể mà các phương pháp hóa bền đã nói ở trên không thể so
sánh được bởi sự mâu thuẫn của độ bền với tính dẫn điện.
Theo công bố của Wang [49], Cu đã được hóa bền phân tán bởi các hạt WC phân
tán được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học tiếp theo đó tiến hành theo công
nghệ luyện kim bột truyền thống. Chúng bao gồm: khi tăng hàm lượng WC thì tỷ trọng và
độ dẫn điện giảm đồng thời với kết quả rất rõ nét, trong khi đó độ cứng tăng lên ở ngay từ
giai đoạn đầu đến một giá trị cực đại, sau đó giảm xuống bởi sự lớn lên của các hạt (các hạt
kết tụ lại với nhau). Hóa bền phân tán Cu bởi 1,6% WC đã chỉ ra sự phân bố đồng đều các
hạt và có tính chất tổng hợp tốt nhất. Biến dạng đã làm phân bố các hạt, từ đó ảnh hưởng
rất nhiều đến độ cứng của vật liệu. Vật liệu bị biến dạng đã cho thấy nó có độ bền cao hơn,
độ cứng tế vi cao hơn chỉ với sự giảm không đáng kể khả năng giãn dài. Tổ chức tế vi của
nó có dạng thớ đặc trưng trong quá trình biến dạng nóng vật liệu. Hạt WC có bề mặt phân
cách rõ ràng với nền, nền Cu được hóa bền phân tán giữ được cơ tính tổng hợp với sự giãn
dài được cải thiện tốt. Vật liệu chứng tỏ có độ bền nhiệt tốt ở nhiệt độ cao, nhiệt độ biến
mềm ở khoảng 11730K. Một vài tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - WC từ kết quả của
Wang được trình bày trên bảng 1.1.

11

Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6%WC trước và sau biến dạng [49]
Tính chất
Độ cứng,
Tỷ trọng tương đối,
Giai đoạn
b,
Độ giãn dài ,
HV
%
MPa
%
Trước biến dạng
Sau biến dạng

323
355

29
22

151
167

93,8
99,2

Nền Cu có thể được hóa bằng các hạt TiC phân tán. Palma [36] đã tổng hợp Cu5%TiC bằng phản ứng khi nghiền. Giá trị độ cứng đạt được cho các điện cực Cu lớn có thể
dùng để tham khảo và cho hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC ép chảy lần lượt là 32 và 62 HRB.
Đường cong của độ cứng đối với nhiệt độ của 1 giờ nung chỉ ra rằng hỗn hợp Cu-TiC giữ
được độ cứng khi vượt quá nhiệt độ 9230K. Tổ chức tế vi của hỗn hợp Cu-TiC ép chảy

được chỉ ra trên hình 1.5. Phân tích EDS cho thấy các hạt mầu sẫm được nhìn thấy trên ảnh
phù hợp với TiC thể phân tán, kích thước hạt thay đổi trong khoảng 5  15 nm. Chú ý rằng
TiC không chỉ được tập trung ở vùng lệch, mà nó có vẻ một phần nào phân bố đồng đều
trong toàn bộ nền Cu. Các hạt gốm phân tán hạn chế sự chuyển động của các hạt, biên giới
hạt và của lệch.

Hình 1.4 Độ cứng của vật liệu Cu-5% TiC [36]

 - Cu-5% TiC, nghiền cánh khuấy;▲ - Cu-5%TiC, nghiền mài; - Các hạt Cu lớn

Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5%TiC ép chảy [36]

12


Yuasa [19] nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tế vi của Cu-Ti, Cu-Ti-2B và Cu-TiB2
suốt trong quá trình hợp kim hóa. Tác giả nhận thấy, hỗn hợp bột mịn hơn khi tăng thời
gian nghiền. Cấu trúc đó bao gồm các hạt cực nhỏ trong phạm vi nanomét được sinh ra
trong quá trình hợp kim hóa sau khi kéo dài quá trình nghiền. Sự hoàn thiện của cấu trúc
trong hỗn hợp bột Cu-TiC tăng nhanh khi cho thêm bột B và TiB2. Sự hòa tan của Ti trong
nền Cu là khoảng 2% khi thời gian nghiền kéo dài bất kể lượng của Ti trộn lẫn. Hợp chất
liên kim loại TiB2 được sinh ra trong hỗn hợp bột Cu-Ti-B bằng phản ứng ở thể rắn giữa Ti
và B xảy ra trong suốt thời gian nghiền.
Như trong công trình của Dong [39], kết quả công bố rằng hỗn hợp bột Cu, Ti, B
trải qua sự biến dạng dẻo mãnh liệt, sự hàn nguội và bẻ gãy là do sự va chạm của bi nghiền
trong suốt quá trình hợp kim hóa. Quá trình nghiền bi kéo dài dẫn đến sự biến dạng rất lớn
và làm nhỏ mịn các hạt Cu. Tính hòa tan của B và Ti trong nền Cu được tăng lên rất cao
suốt quá trình hợp kim hóa, điều này dẫn đến sự tăng thông số mạng của Cu, và do đó sự
biến dạng bên trong được gây ra bởi sự hòa tan của B và Ti vào nền Cu. Sự hình thành
TiB2 (được cho là kết quả của phản ứng giữa TiCu4 và B) ngay trong quá trình nghiền. Quá

trình nghiền đẩy mạnh phản ứng giữa Ti và B sinh ra TiB2 trong nền Cu. Họ đã chứng
minh được rằng vật liệu compozit in-situ Cu-TiB2 có thể được sản xuất bằng phương pháp
nghiền. Tuy nhiên, họ không đưa ra kết quả về tính chất của khối vật liệu tổ hợp.
Theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [9], vật liệu tổ hợp CuTiB2 có thể được chế tạo bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp với thiêu kết
xung plasma (SPS). Trong quá trình nghiền trộn hành tinh, các hạt TiB2 giảm kích thước từ
16 m xuống 3 m và được phân bố đồng đều trong nền Cu. Vật liệu compozit Cu4,5%(thể tích)TiB2 được thiêu kết trên hệ thống xung plasma ở nhiệt độ 6500C với thời
gian 5 ph dưới áp lực 50 MPa và trong môi trường chân không để tránh bị ôxi hóa. Kết quả
cho thấy sau khi thiêu kết, độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu-4,5%TiB2 tăng đến 76 HRB, độ
dẫn điện vẫn giữ được ở mức độ cao 78%IACS, còn các chỉ tiêu khác về cơ tính đều vượt
yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện (tiếp điểm điện, điện cực hàn).
Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
Ký hiệu
Độ dẫn điện, Độ cứng, Độ cứng tế Giới hạn bền
Tỷ trọng tương
mẫu
IACS%
HRF
vi, HV
đối, %
kéo b, MPa
Cu
100
34 HRF
110
158
> 99
M
97
4 HRB
----> 99

M0
93
16 HRB
----> 99
M30
83
7 HRB
----> 99
M60
79
76 HRB
143
524
> 99
KSD
75
75 HRB
145
450
> 99
Các ký hiệu mẫu thí nghiệm:
M- trộn Cu+TiB2 chưa nghiền; M0- trộn Cu+TiB2 đã nghiền và ép luôn; M30- nghiền
trộn Cu+TiB2 đã nghiền 30 ph; M60- nghiền trộn Cu+TiB2 đã nghiền 60 ph; KSDCu+Al2O3 điện cực thương mại.

13


Độ cứng, HRB

Độ cứng tế vi,

HV

Độ dẫn điện,
%IACS

Giới hạn bền kéo
b, MPa

Giới hạn chảy 0,2,
MPa

Môđun đàn hồi E,
MPa

Độ mài mòn, g/m

Tỷ trọng tương đối
, %

Phương pháp
--Trộn

Thời gian nghiền,
ph

Cu-4,5%TiB2

Cu

Nghiền bi

Vật liệu

Cũng theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [8], vật liệu tổ hợp
nền Cu hóa bền phân tán bằng TiB2 đã được chế tạo thành công bằng phương pháp phối
hợp nghiền cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma. Vật liệu này được
ứng dụng để sản xuất thử các điện cực hàn. Theo kết quả từ báo cáo, cấu trúc của mẫu vật
liệu bột sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao cho thấy hạt TiB2 đã hình thành và phân
bố đều trong nền Cu với kích thước nhỏ hơn 250 nm. Quá trình làm giảm nồng độ TiB2
trong sản phẩm sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao được thực hiện bằng phương
pháp nghiền trộn cơ học, độ đồng đều của vật liệu đạt đến trạng thái tới hạn tại tốc độ
nghiền 300 vg/ph với thời gian nghiền trộn 60 ph. Mẫu khối đạt tỷ trọng trên tương đối
98% sau khi thiêu kết xung plasma ở nhiệt độ 6500C trong thời gian 5 ph. Cơ tính và độ
dẫn điện đều thỏa mãn cho vật liệu điện cực. Sự phân bố hạt TiB2 với kích thước nhỏ mịn
trong nền Cu là nguyên nhân chính làm tăng cơ tính của vật liệu. Các tính chất của hệ vật
liệu này cũng được so sánh với một số hệ vật liệu tổ hợp mới được phát triển gần đây trên
cơ sở nền Cu.
Bảng 1.3 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-4,5%TiB2 chế tạo bằng phương pháp phối hợp
nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [9]

----10
30

--34
56
74

100
----136

101
87
87
82

187
----486

158
----355

119
----142

------0,4

> 99
> 98
> 98
> 98

60

82

177

79

567

453

158

0,26

> 98

Bảng 1.4 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]
Ký hiệu
Độ dẫn điện, Độ cứng, Độ cứng tế Giới hạn bền
Tỷ trọng tương
mẫu
IACS%
HRF
vi, HV
đối, %
kéo b, Mpa
Cu
100
34 HRF
110
158
> 99
M
97
4 HRB
----> 99
M0

93
16 HRB
----> 99
M30
83
7 HRB
----> 99
M60
79
76 HRB
143
524
> 99
KSD
75
75 HRB
145
450
> 99
Các ký hiệu mẫu thí nghiệm:
M- trộn Cu+TiB2 chưa nghiền; M0- trộn Cu+TiB2 đã nghiền và ép luôn; M30- nghiền
trộn Cu+TiB2 đã nghiền 30 ph; M60- nghiền trộn Cu+TiB2 đã nghiền 60 ph; KSDCu+Al2O3 điện cực thương mại.
14


Độ cứng tế vi,
HV

Độ dẫn điện,
%IACS

Giới hạn bền kéo
b, MPa

Giới hạn chảy
0.2, MPa

Điện cực thương mại
D.W. Lee
Cơ - Hóa và
3%Al2O3
và cộng sự
ép chảy
K.M. Kang
Nghiền và
5%TiB2
và cộng sự
ép chảy
M. Loper và
Nghiền và
2%TiB2
cộng sự
cán nóng
Palma và
Cơ - Hóa và
5%TiB2
cộng sự
ép chảy
Trần Văn
Dũng và

Nghiền +
4,5%TiB2
Nguyễn
SHS + SPS
Đặng Thủy

Độ cứng, HRB

Phương pháp

Cốt

Tác giả

Bảng 1.5
So sánh các tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu và một số vật liệu điện cực khác [8]

74

145

75

450

---

90

---

70

---

---

76

74

---

---

110

79

---

31,4

384

---

62

---

76,9

---

---

82

177

79

567

453

1.3.2 Lý thuyết hóa bền phân tán
Mục đích của vấn đề mà đề tài nghiên cứu là tăng độ bền của vật liệu bằng cách
giảm kích thước của hạt phân tán (hóa bền), cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân
tán là cần thiết.
Như ta đã biết, nguyên tắc chung của hóa bền chính là sự cản trở chuyển động của
lệch. Trong hóa bền phân tán người ta đưa vào vật liệu nền những pha phân tán không hòa
tan (có thể là nguyên tố đơn chất, có thể là hợp chất hóa học). Việc này thường được thực
hiện bằng phương pháp biến dạng tạo hình, trong đó các thành phần cấu thành đều ở dạng
bột được phối trộn lẫn với nhau rồi ép - thiêu kết. Vì các pha phân tán không hòa tan hoặc
chỉ hòa tan rất ít trong kim loại nền nên các vật liệu hóa bền phân tán có thể làm việc ở
nhiệt độ rất cao. Cơ chế tăng độ bền, độ cứng ở đây cũng dựa trên sự cản trở chuyển động
của lệch bởi các hạt phân tán. Tùy theo kích thước và khoảng cách giữa các hạt với nhau,
chúng gây ra cản trở chuyển động của lệch.

Cần phân biệt một cách rõ ràng giữa hóa bền phân tán với biến cứng phân tán (hay
còn được gọi là sự hóa già). Sau đây ta xem xét cụ thể hai khái niệm này.
Khi hóa già, các hạt phân tán sẽ được tiết ra từ dung dịch rắn và phụ thuộc vào
nhiệt độ, nó ở trạng thái cân bằng ổn định hay giả ổn định. Khi nhiệt độ tăng lên, pha giả
ổn định sẽ chuyển qua trạng thái cân bằng hơn và cuối cùng hòa tan vào nền tạo thành
dung dịch rắn.

15