LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn các thày giáo, cô giáo Viện Khoa học và
Kỹ thuật vật liệu, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi, động viên khuyến khích và giúp đỡ tác giả trong quá trình học
tập cũng như thực hiện công trình nghiên cứu này.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến các Thày giáo hướng dẫn khoa học
PGS. TS Trần Quốc Lập, TS Phạm Thảo - Bộ môn Vật liệu kim loại màu & Compozit
đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập và thời gian thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn sâu sắc tới các Thày giáo, Cô giáo trong Bộ môn Vật liệu
kim loại màu & Compozit đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ, động viên tác giả trong
suốt thời gian qua.
Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè đồng nghiệp, sự động
viên, tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần của gia đình và người thân.
Tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó!

Tác giả







LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kêt
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án.

Tác giả


Vũ Lai Hoàng












MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
Phần I: TỔNG QUAN 4
CHƢƠNG I: COMPOZIT NỀN KIM LOẠI - KHOA HỌC VÀ CÔNG
NGHỆ 4
1.1. Khái niệm về compozit nền kim loại (MMCs) 4
1.2. Tính chất của MMCs 6
1.2.1. Tính chất cơ của MMCs 6
1.2.2. Tính chất kiểm soát nhiệt 9
1.2.3. Đặc tính cho các thiết bị chính xác cao 11
1.2.4. Đặc tính chịu mài mòn 13
1.3. Công nghệ chế tạo MMCs 14

1.3.1. Thành phần cấu tạo 14
1.3.1.1. Vật liệu nền 14
1.3.1.2. Vật liệu cốt 15
1.3.2. Phương pháp chế tạo 16
1.3.2.1. Phương pháp chế tạo ở pha rắn 16
1.3.2.2. Phương pháp chế tạo có sự tham gia của pha lỏng 17
1.4.2.3. Phương pháp lắng đọng 19
1.4.2.4. Phương pháp in-situ 20
1.4. Ứng dụng vật liệu MMCs trong chế tạo tiếp điểm điện 20
1.4.1. Điều kiện làm việc của tiếp điểm điện 20
1.4.2. Công nghệ chế tạo vật liệu tiếp điểm điện 21
1.4.3. Các phương pháp chế tạo tiếp điểm điện tiên tiến 26
1.5. Các vấn đề trong tương lai 27
CHƢƠNG II: VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN KIM LOẠI 29
2.1. Vật liệu nanocompozit nền kim loại (NMMCs) 29
2.2. Nguyên lý hóa bền của NMMCs cốt hạt 30
2.3. Công nghệ chế tạo NMMCs 38
2.3.1. Tạo hình vật liệu bột kích thước mịn và siêu mịn 39
2.3.2. Nguyên lý quá trình thiêu kết 42
2.3.2.1. Khái niệm cơ bản về thiêu kết 42
2.3.2.2. Động lực và các quá trình xảy ra khi thiêu kết 42
2.3.2.3. Thiêu kết vật liệu siêu mịn và nano tinh thể 43
2.4. Tình hình nghiên cứu NMMCs trên thế giới và Việt Nam 46
2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới 46
2.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 49
Phần II: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 51
CHƢƠNG III: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51
3.1. Nội dung nghiên cứu 51
3.2. Quy trình và phương pháp nghiên cứu 51
3.2.1. Quy trình nghiên cứu 51

3.2.2. Nguyên vật liệu 52
3.3. Các bước tiến hành 58
3.3.1. Quá trình ép tạo hình và thiêu kết sơ bộ 58
3.3.2. Quá trình ép đùn 60
3.4. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu 61
3.4.1. Phương pháp nghiên cứu 61
3.4.2. Thiết bị nghiên cứu 63
3.4.2.1. Máy nghiền hành tinh 63
3.4.2.2. Thiết bị thiêu kết 64
3.4.3. Các phương pháp phân tích, kiểm tra 65
3.4.3.1. Phương pháp cầu đơn (cầu Wheatstone) 65
3.4.2.2. Phương pháp cầu kép (Cầu Kelvin) 66
3.4.2.3. Phương pháp hiệu ứng Hall 68
CHƢƠNG IV: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT
NANO TiC 71
4.1. Quy hoạch thực nghiệm 71
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC, nhiệt độ thiêu kết đến
độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC 79
4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ dẫn điện của
compozit nền Cu cốt hạt TiC 81
4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng của
compozit nền Cu cốt hạt TiC 82
4.5. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền kéo của
compozit nền Cu cốt hạt TiC 84
4.6. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền nén của
compozit nền Cu cốt hạt TiC 85
Kết luận chương IV 87
CHƢƠNG V: THIÊU KẾT NMMCS NỀN Cu CỐT HẠT NANO TiC 88
5.1. Sự thay đổi thành phần hóa học của các pha sau thiêu kết 88
5.1.1. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 850

o
C 88
5.1.2. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 900
o
C 90
5.1.3. Kết quả phân tích khi thiêu kết ở 950
o
C 94
5.2. Sự thay đổi trạng thái thiêu kết 98
Kết luận chương V 99
CHƢƠNG VI: BIẾN DẠNG NMMCs NỀN Cu CỐT HẠT TiC 100
6.1. Mô hình biến dạng bằng phương pháp ép đùn nguội 100
6.2. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ xốp của compozit nền Cu cốt hạt TiC 101
6.3. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ dẫn điện của compozit nền Cu cốt hạt
TiC 102
6.4. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ bền kéo của compozit nền Cu cốt hạt
TiC 104
6.5. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ bền nén của compozit nền Cu cốt hạt
TiC 105
6.6. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ mài mòn của compozit nền Cu cốt hạt
TiC 106
6.7. Ảnh hưởng của ép đùn nguội đến độ cứng của compozit nền Cu cốt hạt
TiC 107
Kết luận chương VI 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111
I. Kết luận 111
II. Kiến nghị 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO 113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 118
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

1. Các kí hiệu
b
:
Véctơ Bugger
d:
Đường kính của hạt
d
B
:
Kích thước phần tử phân tán
d
ff
:
Đường kính hiệu dụng
d
k
:
Đường kính tới hạn
d
th
:
Kích thước tới hạn của pha cốt
E:
Môđun đàn hồi
E/ρ:
Môđun đàn hồi riêng
G:
Môđun trượt,
G
M

:
Môđun trượt của nền
L:
Khoảng cách giữa các phần tử
r:
Bán kính lỗ xốp
∆T:
Độ quá nguội
:
Hệ số giãn nở nhiệt
:
Hệ số dẫn nhiệt
/:
Hệ số dẫn nhiệt riêng
:
Sức căng bề mặt của lỗ xốp giữa các hạt bột
:
Động lực kết khối
σ:
Độ bền phá hủy
σ
o
:
Ứng suất cần thiết để lệch chuyển động trong đơn tinh thể (khi d→∞)
ρ:
Tỉ trọng (mật độ)
ν:
Hệ số Poisson
τ
kt

:
Ứng suất trượt tới hạn
V
B
:
Thể tích của cốt
2. Chữ viết tắt
CTE:
Hệ số giãn nở nhiệt (Coefficient of Thermal Expansion)
DTA:
Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
DRA:
Hợp kim cốt sợi Al không liên tục
DRTi:
Hợp kim cốt sợi Ti không liên tục
EDX:
Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray spectroscopy)
HIP:
Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing)
HP:
Ép nóng (Hot Pressing)
IGBT:
Tranzito lưỡng cực có cổng cách điện
MA:
Hợp kim hóa cơ học (Mechanical Alloying )
MMCs:
Compozit nền kim loại (Metal Matrix Composite)
NMMCs:
Nanocompozit nền kim loại (Nano Metal Matrix Composite)
PCB:

Bảng mạch điện tử
Q/I:
Đẳng hướng (quasi-isotropic)
TMCs:
Compozit cốt sợi Ti
SPS:
Thiêu kết sung plasma (Spark Plasma Sintering)
SHS:
Tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao
(Self-propagating High-temperature Synthesis)
SEM:
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
RF:
Thiết bị thu phát tần số vô tuyến
XRD:
Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffaction)



DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột Cu 52
Bảng 4.1: Bảng kết quả thí nghiệm 72
Bảng 4.2: Giá trị khảo sát của các nhân tố ảnh hưởng 72
Bảng 4.3: Mã hóa và kế hoạch thực nghiệm 74
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm đầy đủ 75
Bảng 4.5: Các hệ số 76
Bảng 4.6: Các thí nghiệm tại tâm 76
Bảng 4.7: Độ lệch chuẩn 77
Bảng 4.8: Chuẩn số Student 77

Bảng 4.9: Giá trị tính theo phương trình hồi quy thực nghiệm 78
Bảng 4.10: Chuẩn số Fisher 79
Bảng 5.1: Thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 850
o
C 89
Bảng 5.2: Thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 850
o
C 90
Bảng 5.3: Thành phần hóa học vùng 001 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 91
Bảng 5.4: Thành phần hóa học vùng 002 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 92
Bảng 5.5: Thành phần hóa học vùng 3 trong ảnh SEM của compozit nền Cu cốt
hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 93
Bảng 5.6: Thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 93
Bảng 5.6: Thành phần hóa học điểm 007 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 95

Bảng 5.7: Thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 95
Bảng 5.8: Thành phần hóa học điểm 006 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 96
Bảng 5.9: Thành phần hóa học vùng 004 trong ảnh SEM của compozit nền Cu
cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 97
Bảng 6.1: Sự ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ xốp của vật liệu compozit
nền Cu cốt hạt nano TiC sau ép-thiêu kết và sau ép đùn nguội 101
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Độ cứng riêng và độ bền riêng của vật liệu kết cấu 7
Hình 1.2: Mặt cắt thể hiện sự gia cường chọn lọc ống lót xilanh của khối xilanh
nhôm đúc trong Honda Prelude 2.0 l 8
Hình 1.3: Các chi tiết siêu cứng và chịu mài mòn được chế tạo từ MMCs Fe/TiC 9
Hình 1.4: So sánh các tính chất cơ bản của vật liệu nhiệt 10
Hình 1.5: Các tấm đế điện tản nhiệt giữ vai trò dẫn điện và làm mát 10
Hình 1.6: Cơ tính và nhiệt biến dạng của một số vật liệu làm dụng cụ chính xác 12
Hình 1.7: Ảnh minh họa lượng các vật liệu sử dụng để chế tạo máy bay Boeing
787 12
Hình 1.8: Compozit nền nhôm 3M’s đẳng hướng Nextel 610TM với sợi nhôm
ôxit tinh thể nano, cốt nguyên chất 13
Hình 1.9: Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu MMCs 14
Hình 1.10: Quy trình công nghệ luyện kim bột 17
Hình 1.11: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc khuấy 18

Hình 1.12: Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc thẩm thấu 19
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc thẩm thấu 20
Hình 1.14: Sơ đồ mối quan hệ tương hỗ của tính chất vật liệu và tiếp điểm 22
Hình 1.15: Sự phụ thuộc nồng độ ăn mòn với tiếp điểm W-Cu, W-Ag chế tạo
bằng phương pháp thấm kim loại nóng chảy 23
Hình 1.16:. Các cấu tử tiếp điểm từ vật liệu W-Cu 24
Hình 1.17: Công ăn mòn anot và catot (

V
A + K
) trong mỗi lần đóng phụ thuộc 24
vào dòng cao điểm I. Vật liệu 80%W-20%Cu trong dầu nhận được. 24
Hình 1.18: Các phương pháp chế tạo tiếp điểm hệ Ag-MeO 25
Hình 1.19: Điện trở của compozit than phụ thuộc vào hàm lượng Cu. 26
Hình 2.1: Sự phân bố tối ưu đối với một số tính chất của compozit kim
loại/ceramic 30
Hình 2.2: Sự phụ thuộc ứng suất bên trong tạo thành 31
xung quanh cốt hạt vào khoảng cách 31
Hình 2.3: Sự tạo thành mặt phẳng mới trên gianh giới hạt - nền và bề mặt gianh 32
giới pha ngược ( đường ) khi lệch cắt qua các hạt có cấu trúc ổn định 32
Hình 2.4: Các giai đoạn khác nhau theo thời gian của cơ chế Orovan 33
khi chuyển động lệch từ trái sang phải. 33
Hình 2.5: Sự tạo thành các vòng khuyến lăng trụ do kết quả của hai sự trượt qua
(a - h) của vòng khuyến lệch xuất hiện, tương ứng với cơ chế Orovan (đối với
lệch biên) 34
Hình 2.6: Sự uốn của các hạt khi trượt qua trong quá trình tạo thành 34
Hình 2.7: Sự thay đổi ứng suất dịch chuyển khi cắt đứt (
S
) với sự tạo thành bộ
đôi lệch (

P
) và khi đi vòng (
o
) phụ thuộc vào đường kính hạt d. 35
Hình 2.8: Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ 3 35
Hình 2.9: Sơ đồ tối giản của bột kết tụ 39
Hình 2.10: Mối quan hệ giữa sự phân bố kích thước lỗ xốp (r) và tổng thể tích lỗ
xốp trên một đơn vị thể tích vật ép (D
v
(r)) của bột có kết khối và bột không kết
khối 40
Hình 2.11: Trình bày kết quả tỷ trọng sau khi tạo hình của bột ZnO
2
-3%Y
2
O
3

với các kích thước ở lực ép khác nhau 40
Hình 2.12: Mối quan hệ giữa mật độ tươi và thời gian nghiền ở áp lực ép 500
MPa 41
Hình 2.13: Miêu tả lực tháo của mẫu bột với kích thước khác nhau khi được tạo
hình với cùng lực ép 41
Hình 2.14: Các hiện tượng xảy ra khi thiêu kết. 43
Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ tổng hợp vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 52
Hình 3.2: Ảnh SEM của bột Cu 53
Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của bột Cu 53
Hình 3.4: Sự giảm kích thước hạt theo thời gian nghiền 54
Hình 3.5: Phân bố kích thước hạt 54
Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp TiO

2
và muội than sau khi tổng
hợp 55
Hình 3.7: Ảnh SEM mẫu TiC qua các thời gian nghiền khác nhau 56
Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp bột Cu-TiC sau trộn 57
Hình 3.9: Ảnh SEM của hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau trộn 57
Hình 3.10: Ảnh tổ chức tế vi của hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau tạo hình 58
Hình 3.11: Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 59
Hình 3.12: Bộ khuôn tạo hình và sản phẩm trước thiêu kết 59
Hình 3.13: Chế độ thiêu kết của compozit nền Cu cốt hạt TiC trong môi trường
C rắn 60
Hình 3.14: Mô hình nguyên lý quá trình ép đùn nguội 60
Hình 3.15: Bộ khuôn ép đùn và sản phẩm sau quá trình ép 61
Hình 3.16: Sơ đồ mô hình thuật toán quy hoạch thực nghiệm 63
Hình 3.17: Máy nghiền hành tinh Pulverisette 64
Hình 3.18: Thiết bị thiêu kết Linn 1300 64
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý cầu đơn 65
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý cầu kép 66
Hình 3.21: Cầu điện trở cân bằng 67
Hình 3.22: Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall 69
Hình 3.23: Hình dạng mẫu đo được sử dụng trong nghiên cứu 69
Hình 3.24: Máy đo hiệu ứng Hall (Hall Measurement s‎ystem 7600 Series) 70
Hình 4.1: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 71
Hình 4.2: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ xốp
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 80
Hình 4.3: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ xốp của 80
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 80
Hình 4.4: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết điện trở suất
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 81
Hình 4.5: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến điện trở suất

của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 82
Hình 4.6: Ảnh hưởng của thời gian nghiền TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 83
Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ cứng của 83
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 83
Hình 4.8: Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền kéo
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 84
Hình 4.9: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ bền kéo
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 85
Hình 4.10: Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ bền nén
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 86
Hình 4.11: Ảnh hưởng của hàm lượng và thời gian nghiền TiC đến độ bền nén
của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 86
Hình 5.1: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850
o
C 89
Hình 5.2: Giản đồ thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850
o
C 89
Hình 5.3: Giản đồ thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 850
o
C 90
Hình 5.4: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 91
Hình 5.5: Giản đồ thành phần hóa học vùng 001 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o

C 91
Hình 5.6: Giản đồ thành phần hóa học vùng 002 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 92
Hình 5.7: Giản đồ thành phần hóa học vùng 3 trong ảnh SEM của compozit nền
Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 92
Hình 5.8: Giản đồ thành phần hóa học điểm 004 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 900
o
C 93
Hình 5.9: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 94
Hình 5.10: Giản đồ thành phần hóa học điểm 007 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 94
Hình 5.11: Giản đồ thành phần hóa học vùng 005 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 95
Hình 5.12: Giản đồ thành phần hóa học điểm 006 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950
o
C 96
Hình 5.13: Giản đồ thành phần hóa học vùng 004 trong ảnh SEM của compozit
nền Cu cốt hạt TiC thiêu kết ở 950

o
C 97
Hình 5.14: Ảnh SEM của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC ở nhiệt độ thiêu kết
khác nhau 98
Hình 5.15: Giản đồ trạng thái Cu-Ti 99
Hình 6.1: Mô hình tác dụng lực trong quá trình ép đùn nguội 100
Hình 6.2: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ xốp của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 102
Hình 6.3: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến điện trở suất của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 103
Hình 6.4: Điện trở suất của lớp bị biến dạng (bề mặt) và không bị biến dạng (lõi)
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 103
Hình 6.5: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ bền kéo của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 104
Hình 6.6: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ bền nén của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 105
Hình 6.7: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ mài mòn của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 106
Hình 6.8: Ảnh hưởng của ép đùn nguội và hàm lượng TiC đến độ cứng của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC 107
Hình 6.9: Ảnh tổ chức tế vi của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC sau ép đùn
nguội 108
Hình 6.10: Ảnh hưởng tổ chức tế vi lớp biến dạng của compozit nền Cu cốt hạt
nano TiC 109

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Đồng (Cu) là kim loại có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Nó được ứng dụng rộng

rãi trong vật liệu kỹ thuật điện. Tuy nhiên, do độ bền, độ cứng và khả năng chịu mài
mòn không cao làm hạn chế khả năng sử dụng của chúng. Vì vậy, vấn đề nâng cao cơ
tính của đồng đã được nhiều nhà nghiên cứu về vật liệu trong và ngoài nước quan tâm
theo xu hướng hợp kim hóa hoặc làm nền để chế tạo vật liệu compozit.
Trong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano nói chung và vật liệu
nano kim loại nói riêng phát triển mạnh mẽ, đã hình thành hướng chế tạo các
nanocompozit nền kim loại (NMMCs) siêu nhẹ, siêu bền, siêu cứng đáp ứng nhu cầu
ngày càng phong phú đối với vật liệu. Chúng không chỉ cải thiện đáng kể tính chất cơ
học (độ bền, độ cứng, độ chịu mài mòn …), tính chất vật lí (độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt
…) mà còn mang lại cho vật liệu các thuộc tính mới ưu việt hơn nhiều so với vật liệu
kim loại truyền thống (độ bền riêng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt riêng …).
Cacbit titan (TiC) là một trong những cacbit có cơ tính cao, chịu nhiệt tốt và
bền trong môi trường ăn mòn. Khả năng hóa bền nền Cu bằng các hạt nano TiC là một
hướng nghiên cứu rất có triển vọng.
Về mặt phương pháp công nghệ, tính chất của NMMCs còn phụ thuộc mạnh
vào sự phân bố, liên kết giữa nền - cốt. Với compozit cốt hạt phương pháp thích hợp
nhất để đảm bảo các tính chất trên là phương pháp luyện kim bột. Đó cũng là phương
pháp chúng tôi lựa chọn để tổng hợp NMMCs nền Cu cốt nano TiC. Tuy nhiên,
phương pháp luyện kim bột truyền thống cho sản phẩm với mật độ chưa cao (độ xốp
còn khoảng 5÷10%). Điều này hạn chế tính chất cơ học và tính dẫn điện của vật liệu.
Để cải thiện tính chất của vật liệu, phương pháp ép đùn sản phẩm sau thiêu kết được
chọn để khắc phục hạn chế đó.
Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu, với mong muốn làm sáng tỏ một số
cơ sở lý thuyết của công nghệ, vấn đề “Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Cu
cốt hạt nano TiC” là đề tài được lựa chọn giải quyết trong bản luận án này
2. Mục đích của luận án
Mục đích của bản luận án là xác định (bước đầu) quy trình công nghệ chế tạo
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC, khảo sát một số tính chất của vật liệu nhận được.
Để đạt được mục đích đó, chúng tôi tiến hành các bước cụ thể như sau:
2


 Tổng quan về compozit nền kim loại (MMCs) và compozit cốt kích thước nano.
 Ứng dụng công nghệ tổng hợp TiC từ TiO
2
và cacbon.
 Tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng công nghệ luyện kim bột
truyền thống
 Nghiên cứu cơ chế hóa bền nền Cu bằng nano TiC.
 Cơ chế thiêu kết MMCs nền Cu côt hạt nano TiC
 Cơ chế biến dạng MMCs nền Cu côt hạt nano TiC
 Khảo sát tính chất cơ - lý của vật liệu nhận được.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Chế tạo bột TiC có kích thước nano bằng phương pháp nghiền năng lượng cao -
nhiệt.
 Nghiên cứu chế tạo compozit nền Cu cốt hạt nano TiC bằng phương pháp luyện
kim bột truyền thống.
 Nghiên cứu quá trình tạo hình compozit nền Cu cốt hạt nano TiC
 Nghiên cứu quá trình thiêu kết compozit nền Cu cốt hạt nano TiC
 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của ép đùn nguội đến cơ lý tính của compozit nền Cu
cốt hạt nano TiC.
 Xác định phạm vi ứng dụng của vật liệu
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: căn cứ vào các tài liệu đã công bố trên thế giới về
vấn đề quan tâm và các tài liệu, luận án đã được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Luyện
kim bột về vấn đề tổng hợp NMMCs.
 Nghiên cứu thực nghiệm
 Chế tạo nano TiC từ công nghệ đã được xác định tại Phòng thí nghiệm
Luyện kim bột - Bộ môn Vật liệu kim loại màu & compozit.
 Tạo hình compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.
 Nghiên cứu quá trình thiêu kết compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.

 Nghiên cứu sự biến dạng của compozit nền Cu cốt hạt nano TiC.
3

 Phương pháp kế hoạch hoá toán học.
 Các phương pháp phân tích, kiểm tra.
 Sử dụng và so sánh các dữ liệu đối chứng
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Nghiên cứu công nghệ chế tạo nanocompozit nền kim loại là hướng nghiên cứu
tiếp cận với các công nghệ sản xuất vật liệu tiên tiến trên thế giới và có tiềm năng
ứng dụng trong thực tế.
 Loại vật liệu này cụ thể là compozit nền Cu cốt hạt nano TiC dùng cho ngành kỹ
thuật điện chưa được đề cập tới trong nước và đang được quan tâm nhiều ở các
nước có nền công nghiệp phát triển.
 Có khả năng triển khai trong thực tiễn sản xuất các loại vật liệu có đồng thời hai
tính chất: cơ tính và tính dẫn điện.
 Việc tạo hình và thiêu kết vật liệu có kích thước nano chưa được nghiên cứu kỹ.
Các kết luận và lý giải của luận án về quá trình này là đóng góp cơ sở lý thuyết
cho quá trình thiêu kết.
 Biến dạng bằng phương pháp ép đùn và phân bố biến dạng khi ép đùn bước đầu
được đề cập tới.
6. Những kết quả đạt đƣợc và những đóng góp mới của luận án
Nghiên cứu công nghệ tổng hợp compozit nền Cu cốt hạt TiC kích thước nano
là hướng nghiên cứu hiện đại, lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam và mới có một
vài công bố trên thế giới.
Chế tạo được TiC kích thước nano bằng phương pháp nghiền năng lượng cao -
nhiệt. Việc giảm kích thước hạt bột bằng phương pháp nghiền làm tăng khả năng hóa
bền nền kim loại nâng cao cơ lý tính của sản phẩm.
Ứng dụng công nghệ ép đùn nguội làm tăng mật độ, nâng cao cơ lý tính của
compozit nền Cu cốt hạt nano TiC. Ảnh hưởng của quá trình biến dạng lên lớp bề mặt
vật liệu dẫn đến các tinh thể Cu được kéo dài, định hướng còn các hạt TiC được mịn

hóa làm tăng tính dẫn điện của vât liệu.
Làm rõ được quá trình thiêu kết vật liệu và ảnh hưởng của nano TiC đến cơ lý
tính compozit góp phần làm sáng tỏ cơ chế khuếch tán khi thiêu kết loại vật liệu này.

4

Phần I: TỔNG QUAN
CHƢƠNG I
COMPOZIT NỀN KIM LOẠI - KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
1.1. Khái niệm về compozit nền kim loại (MMCs)
Compozit nền kim loại 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 cho ta vật liệu mới có
những đặc tính kỹ thuật hấp dẫn riêng của nó. Đây là đề tài quan tâm của rất nhiều nhà
nghiên cứu trong những thập niên 1980 và 1990, nhóm vật liệu này, trong thập kỉ
trước đã tăng lên đáng kể về chủng loại. Compozit nền đồng, compozit dạng lớp,
compozit dẫn điện tốt, compozit kích thước nano, kim loại xốp vi mô và compozit sinh
học đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng rộng rãi. Chúng chủ yếu bao gồm sợi gốm
hoặc cốt hạt với nền là kim loại nhẹ. Một số vật liệu kỹ thuật đã được công nhận, như
gốm kim loại WC-Co có tính chất cắt gọt cao hơn hẳn so với vật liệu cắt gọt truyền
thống [18].
Về mặt phương pháp tại thời điểm này, nghiên cứu về vật liệu compozit được
hỗ trợ kỹ thuật mới như mô phỏng phần tử hữu hạn 3D hoặc phân tích nhiễu xạ
Rơnghen, tin học hóa đó là những phương tiện hữu ích để giải thích cơ chế tương phản
hai pha của vật liệu đàn hổi dẻo, với nhiều ứng dụng vượt ra khỏi phạm vi của
compozit nền kim loại. Đồng thời các phương pháp đó cho phép nhà nghiên cứu thiết
kế, dự báo tính chất của các vật liệu compozit mới trước khi đưa vào sản xuất [18].
Các dạng thường gặp hơn cả của MMCs bao gồm các vật liệu như hợp kim
cùng tinh kết tinh định hướng (directionally solidified eutectic alloys), hợp kim hóa
bền phân tán bằng oxit (oxide dispersion strengthened alloys), hợp kim đúc cùng tinh
Al-Si, đôi khi cả thép peclit và hợp kim xếp lớp 2 pha như TiAl gamma. Đặc điểm nổi

bật của chúng là tính tăng bền vẫn được duy trì trong suốt quá trình gia công [30] và
ngay cả khi nhiệt độ cao.
Như vậy, có thể định nghĩa compozit nền kim loại (MMCs) là vật liệu tổ hợp
giữa hai hoặc một vài cấu tử, trong đó ít nhất một cấu tử là kim loại hoặc hợp kim. Sự
kết hợp đó theo một sơ đồ được thiết kế. Các cấu tử ít hoặc không hòa tan vào nhau.
Hơn 2 thập kỷ vừa qua, cùng với các công bố khoa học và công nghệ compozit
nói chung - compozit nền kim loại đã chuyển từ một chủ đề mang tính khoa học thành
loại vật liệu có ý nghĩa công nghệ và thương mại rộng lớn. Từ năm 1999 thị trường
5

MMCs trên thế giới ước tính tiêu thụ 2500 tấn trị giá khoảng hơn 100 triệu đô la Mỹ.
Những ứng dụng quan trọng của MMCs vào hệ thống giao thông đường bộ (ôtô và tàu
hỏa), vật liệu nhiệt, ngành hàng không vũ trụ, các ngành công nghiệp sản xuất, giải trí
và cơ sở hạ tầng, đã thể hiện nhiều đặc tính quý như khả năng kết cấu cao, chịu mài
mòn tốt, tính dẫn nhiệt và điện tốt. Nhiều vấn đề thách thức về mặt kỹ thuật đã được
khắc phục, như các phương pháp thiết kế chế tạo vật liệu, các phương pháp gia công,
nâng cao tính chất hóa học và xử lý bề mặt của MMCs [43].
MMCs nổi lên như một công nghệ đặc biệt đã cải thiện hiệu suất các vũ khí,
trang bị quân sự tiên tiến tạo ra động lực phát triển nguyên vật liệu. Trong quá trình
phát triển này, tính kinh tế được cải thiện và khả năng thương mại hóa mở rộng hơn là
kết quả được kế thừa từ những kinh nghiệm đạt được trong sản xuất, kỹ thuật và các
ứng dụng ban đầu phục vụ cho quân sự [43].
Tại sao con người lại chi phí thêm thời gian, năng lượng, nguyên liệu để thiết
kế vật liệu MMCs. Đó là do các lý do sau:
- Đầu tiên đó là compozit sử dụng cách thiết kế vật liệu để có thể mở rộng ranh
giới các thuộc tính cơ bản của nhóm vật liệu chính. Một ví dụ là môđun đàn hồi riêng
của kim loại được xác định bởi môđun đàn hồi E chia cho tỉ trọng ρ (E/ρ). Thông số
này là một phép đo về hiệu năng sử dụng, trong các ứng dụng kết cấu giới hạn - biến
dạng tới hạn - trọng lượng của các thành phần tuyến tính đàn hồi bị nén đơn trục. Hiện
nay, các vật liệu kim loại kỹ thuật và hợp kim chính có giá trị gần giống nhau (E/ρ ≈

26 MJkg
-1
). Do đó, cách duy nhất để vượt qua giới hạn này trong vật liệu kim loại là
thay thế một phần bằng các pha được hình thành từ những nguyên tử kim loại, với các
nguyên tử của các nguyên tố ở trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev có liên kết
chặt chẽ với nhau. Ví dụ là các gốm như Al
2
O
3
, B
4
O, SiC hoặc các dạng thù hình của
cacbon (ví dụ như sợi cacbon môđun lớn hoặc kim cương) [18].
- Lý do thứ hai, công nghệ tạo ra compozit đạt được một lượng thể tích oxit
hoặc cacbit thêm vào một số kim loại quan trọng. Sắt là một vật liệu nền thường thấy
và dễ kết hợp với rất nhiều các cacbit, nitrit hoặc (hiếm hơn) oxit bởi cacbon, khí nito
và khí oxy hòa tan trong kim loại lỏng. Còn nhôm lỏng, mangan và đồng thì ngược lại
không hòa tan cacbon. Do đó, cách duy nhất để thêm cacbit vào những kim loại này là
tạo thành compozit; điều này xảy ra tương tự cho nhôm với các oxit hoặc nitrit. Hay
nói cách khác, công nghệ MMCs nắm vai trò chìa khóa để nhôm, mangan hoặc đồng
có khả năng tạo ra những cấu trúc và tính chất phong phú tương tự như cấu trúc và tính
chất của hợp kim sắt [18].
6

- Lý do thứ ba là một số đặc điểm thấy ở MMCs mà hầu như có rất ít ở kim
loại: một số pha, một số gốm đặc biệt, có những tính chất tốt hơn khi ở dạng mịn hoặc
siêu mịn. Có thể thấy rằng, gốm sợi kích thước micro bền hơn dạng khối. Thêm vào
đó, hạt gốm đơn tinh thể có đặc tính dẫn nhiệt rất tốt. Cacbon cũng vậy, ở dạng mịn nó
rất bền, cứng và dẫn nhiệt rất tốt (như kim cương). Mang những ưu điểm này vào các
pha không kim loại dạng mịn (như sợi, dạng tấm, màng hoặc hạt) trong vật liệu

compozit, làm tăng các ưu điểm của nền. Thật vậy, kim loại dẫn điện tốt hơn, cứng,
bền hơn và chống chịu với môi trường tốt hơn và tất nhiên cũng dẻo dai hơn gốm [18].
MMCs thể hiện sự kết hợp tốt giữa tính chất cơ học và tính chất vật lí của vật
liệu. So với hợp kim cùng thành phần, MMCs cho tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao, khả
năng chống mài mòn tốt dưới những tác động khắc nghiệt của môi trường, tính chống
va đập và chống ăn mòn cao, đồng thời độ bền mỏi và khả năng chống nứt vỡ tốt.
Ngoài ra, MMCs còn có độ bền và độ cứng cao hơn so với hợp kim và hệ số giãn nở
nhiệt (CTE) thấp. Ví dụ MMCs được tăng bền bởi B
4
C có thể giúp tăng cao khả năng
hấp thụ neutron trong phản ứng hạt nhân. Do nền kim loại và chất tăng bền (điển hình
bằng vật liệu gốm sứ) có tính chất cơ học, điện, nhiệt và vật lý khác nhau rất lớn, nên
tính chất của MMCs có thể thay đổi trong dải rộng giữa kim loại và vật liệu gốm sứ.
Điều này đòi hỏi việc chế tạo đặc biệt và cho phép ứng dụng vật liệu đó ở một phạm vi
rộng. Ví dụ tính chất nhiệt và điện có thể thay đổi từ phạm vi kim loại sang phạm vi
ceramic bằng cách điều chỉnh thành phần theo thể tích chất tăng bền, thù hình và sự
phân bố một cách hợp lý [43].
Trong hai thập kỷ qua MMCs được ứng dụng nhiều và đã thương mại hóa.
Những ứng dụng quan trọng của MMCs vào hệ thống giao thông đường bộ (ôtô và tàu
hỏa), vật liệu nhiệt, ngành hàng không vũ trụ, các ngành công nghiệp sản xuất, giải trí
và cơ sở hạ tầng, đã thể hiện nhiều đặc tính quý như khả năng kết cấu cao, chịu mài
mòn tốt, tính dẫn nhiệt và điện tốt. Nhiều vấn đề thách thức về mặt kỹ thuật đã được
khắc phục, như khả năng liên kết nền - cốt, điều chỉnh và phân bố thành phần nền cốt,
phương pháp thiết kế chế tạo, đặc tính bền hóa học và xử lý bề mặt. Hiện nay, MMCs
là một khoa học công nghệ vật liệu mới, mặt khác nó còn là ngành công nghiệp quan
trọng đang được phát triển cả vê chiều sâu và bề rộng [43].
1.2. Tính chất của MMCs
1.2.1. Tính chất cơ của MMCs
Độ bền và độ cứng là hai tính chất quan trọng đối với vật liệu kết cấu. Độ cứng
riêng và độ bền riêng của compozit cốt sợi Al và Ti (compozit cốt sợi Ti viết tắt là

7

TMCs), cốt sợi Al không liên tục (DRA), cốt sợi Ti không liên tục (DRTi), các kim
loại truyền thống và compozit graphite/epoxy (*) thể hiện trong hình 1.1.












Hình 1.1: Độ cứng riêng và độ bền riêng của vật liệu kết cấu [42]
Compozit graphite/epoxy có độ cứng riêng và độ bền kéo riêng tốt nhất. Cốt sợi
Ti và Al liên tục đang tiến đến giới hạn dưới của những vật liệu này, trong khi
graphite/epoxy đã xuất hiện từ lâu và kinh tế hơn MMCs cốt liên tục. Trong hình 1.1
có thể thấy compozit nền hữu cơ trong công nghiệp hàng không là graphite/epoxy (Gr)
hoặc PAN/epoxy (P), có cấu trúc dọc trục 0, ngang 90 và gần như đẳng hướng (Q/I)
(quasi-isotropic). Tính chất theo phương dọc và phương ngang của cốt sợi Al và cốt
sợi Ti cũng được thể hiện trên hình. Những vật liệu truyền thống của công nghiệp hàng
không như Al, Mg, Ti, Ni và hợp kim thép cũng được thể hiện. Ngoài ra cũng thể hiện
một vài kim loại đặc biệt như -Ti và thép có độ bền rất cao [42].
Vật liệu graphite/epoxy mang đến độ bền và độ cứng tốt nhất theo phương dọc
trục và kém hơn theo phương ngang. Thường thì vật liệu kết cấu phải chịu được lực
theo nhiều hướng nên những loại compozit dị hướng như vậy sẽ có những hạn chế
nhất định. Tính chất đẳng hướng Q/I được tạo ra bằng các kết cấu đan chéo, được ứng

dụng rộng rãi trong compozit graphite/epoxy với nhiều mức độ cứng và độ bền riêng
khác nhau (hình 1.1). Đó là vùng mà độ cứng và độ bền riêng của MMCs có giá trị tốt
nhất. Ngoài ra, vật liệu kết cấu (tùy môi trường làm việc) còn có các yêu cầu khác,
những yêu cầu này bao gồm sức chịu tải liên kết cao, khả năng chống lại những tác
động khắc nghiệt của môi trường (hóa học, môi trường đông lạnh, chất lỏng hữu cơ,
(*) Ở đây chúng tôi đưa ra tính chất của loại vật liệu này - đặc trưng và phổ biến nhất của
compozit nền polymer nhằm có sự so sánh với compozit nền kim loại
Độ bền riêng E/
(GPa/(Mg/m
3
))
Độ cứng riêng (MPa/(Mg/m
3
))
Vật liệu
vô định hình
8

oxi nguyên tử, tia cực tím), khả năng chống thẩm thấu khí, tính dẫn nhiệt, khả năng
chống mài mòn tốt, tính ổn định đẳng hướng, khả năng chống va đập và mài mòn, khả
năng chống cháy nổ tốt nên được ứng dụng khi nhiệt độ làm việc cao đó là các tính
chất rất hạn chế ở vật liệu compozit graphite/epoxy. Cho nên MMCs nhìn chung có
những đặc tính ưu việt hơn do đó được ứng dụng rộng rãi hơn so với các loại compozit
nền hữu cơ trong lĩnh vực này [42].
Tính chất cơ của MMCs được ứng dụng trong thị trường ôtô như các piston gia
cường chọn lọc được sản xuất bằng công nghệ thấm kim loại lỏng cho các động cơ
diesel Toyota [27, 29, 34]. Tiếp nối thành công này, năm 1990 hãng Honda đã sử dụng
các xi lanh hóa bền chọn lọc (Hình 1.2). Honda đã phát triển một công nghệ đơn giản
sản xuất phôi mẫu xi lanh gốm từ các sợi grafit và Saffil
®

bằng tích hợp quá trình thẩm
thấu vào lớp sợi gia cường cùng với quá trình đúc các khối động cơ [34].

Hình 1.2: Mặt cắt thể hiện sự gia cường chọn lọc ống lót xilanh của khối
xilanh nhôm đúc trong Honda Prelude 2.0 l. [34].
DRA được sản xuất thông qua các quá trình xử lý kim loại lỏng có giá thành rẻ,
vì thế nó chỉ chiếm khoảng 7% giá trị của thị trường MMCs[50]. Sản phẩm luyện kim
bột DRA cũng được sử dụng trong các môtô hiệu năng cao của Honda [37]. Các trục
dẫn động được sử dụng trong các ôtô và xe tải nhẹ. Vật liệu 6061Al/Al
2
O
3
DRA đã
được sử dụng để sản xuất các ống lót xylanh chế tạo bằng công nghệ đúc khuấy hay
đúc liền trực tiếp [27, 30, 34]. Do có độ cứng cao hơn thép hay trục dẫn động nhôm,
trục dẫn động DRA với chiều dài lớn hơn và đường kính thích hợp đã được sử dụng.
DRA chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột cũng được sử dụng nhiều trong hệ thống
phanh của xe đua [43].
9



Hình 1.3: Các chi tiết siêu cứng và chịu mài mòn được chế tạo từ MMCs Fe/TiC [45]
1.2.2. Tính chất kiểm soát nhiệt
Tính chất kiểm soát nhiệt của vật liệu được hiểu như sự khống chế hệ số dẫn
nhiệt riêng (/) và hệ số giãn nở nhiệt () của vật liệu trong điều kiện làm việc.
Đặc tính này rất quan trọng trong thực tế, đặc biệt trong các thiết bị khoa học kỹ
thuật hiện đại, như các vật liệu đế tản nhiệt cho linh kiện điện tử, thiết bị bán dẫn, thu
phát trong thiết bị vi sóng sử dụng trong công nghệ viễn thông. Yêu cầu hệ số dẫn
nhiệt cao (), hệ số dẫn nhiệt riêng (/) là đặc tính dùng để so sánh các linh kiện và là

một phần quan trọng cho hoạt động ổn định của hệ thống như các linh kiện trong hệ
thống hàng không vũ trụ [58, 59]. CTE là đặc tính cơ bản thứ hai của vật liệu nhiệt.
Các vật liệu truyền trực tiếp điện tử có giá trị trong khoảng (4÷7)x10
-6
/K để kết hợp
được với sự giãn nở nhiệt của vật liệu bán dẫn và các chất nền ceramic, do đó tránh
được việc tạo ra ứng suất nhiệt tạo ra trong vùng tiếp xúc. Vật liệu nhiệt tốt nhất khi có
CTE từ 4x10
-6
/K đến 7x10
-6
/K (dải nằm ngang trong hình 1.4) và giá trị / cao nhất.
Đặc tính nhiệt của DRA Al/SiC với vai trò như một vật liệu kiểm soát nhiệt chỉ
không bằng Be/BeO, nhưng Be/BeO lại bị hạn chế do giá thành cao và kém an toàn
cho sức khỏe. Chính vì vậy Al/SiC là sự lựa chọn hợp lý nhất về vật liệu nhiệt và đang
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. DRA với chất hóa bền kim cương có thể
mang lại những cải tiến vượt bậc về tính chất nhiệt nhưng giá thành cao hơn rất nhiều.
10



Hình 1.4: So sánh các tính chất cơ bản của vật liệu nhiệt [42]














Hình 1.5: Các tấm đế điện tản nhiệt giữ vai trò dẫn điện và làm mát [56]
Vật liệu đế tản nhiêt phải dẫn nhiệt tốt và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) gần bằng
chất bán dẫn sử dụng trong mạch điện, nằm trong khoảng 3÷7 ppm K
-1
. Một số kim
/ ((W/m-K)/(Mg/m
3
))
CTE (1/K.10
-6
)
Nhiệt dẫn suất ở nhiệt độ phòng (W.cm
-1
.K
-1
)

Hệ số giãn nở nhiệt ở nhiệt độ phòng (ppm K
-1
)
Kim loại
Ceramic
Compozit kim cƣơng (nền Cu, Al và Ag
Kim cƣơng
Khu vực

quan tâm
11

loại (ví dụ đồng hoặc bạc) và một số gốm (ví dụ SiC hoặc các dạng thù hình của
cacbon) là những chất dẫn nhiệt tốt, tuy nhiên CTE của chúng mới tiệm cận khoảng
mong muốn. Do CTE của kim loại có giá trị rất lớn và giá trị đó của gốm lại rất thấp,
sự kết hợp của cả hai sẽ đem lại vật liệu lý tưởng cho ứng dụng này, đây là hiệu quả
của công nghệ MMCs [24, 26, 31, 43]. Compozit Al/SiC được tạo thành từ quá trình
thấm hiện nay là công nghệ ổn định để chế tạo compozit với hiệu suất cao ứng dụng
làm đế tản nhiệt; tính chất của chúng được thể hiện trong hình 1.5. Vật liệu cacbon có
tính dẫn điện tốt hơn SiC. Một thế hệ mới của MMCs kết hợp nền nhôm, đồng hoặc
bạc với kim cương dạng hạt mới được hình thành, giá trị CTE thích hợp và độ dẫn
điện lên tới 1000Wm
-1
(gấp 2,5 đồng nguyên chất).
Vật liệu nhiệt chiếm 27% sản lượng thị trường thế giới của MMC [50], tính
theo giá trị thị phần vật liệu nhiệt thực tế chiếm khoảng 66% sản phẩm MMCs. Hơn 1
triệu chi tiết vật liệu nhiệt MMCs được sản xuất hàng năm [49].
1.2.3. Đặc tính cho các thiết bị chính xác cao
Đây cũng là một tính chất mới đặc trưng cho các vật liệu ứng dụng trong một số
công nghệ hiện đại. Rất nhiều các thiết bị khi sử dụng yêu cầu khả năng chống lại biến
dạng dưới tác dụng đồng thời của lực và nhiệt, như ổ đọc đĩa cứng, đầu ghi video,
cánh tay rôbốt, các hệ thống dẫn hướng, ăngten vệ tinh, các hệ thống sản xuất làm việc
tốc độ cao, Các hệ thống đẩy (động cơ máy bay) cũng được xem như là “các thiết bị
chính xác” vì độ chính xác kích thước yêu cầu phải được duy trì trong suốt quá trình
làm việc ở nhiệt độ và ứng suất lớn. Khả năng chống lại sự thay đổi kết cấu phụ thuộc
vào các đặc trung của vật liệu, như là môđun đàn hồi (E) và mật độ (), các thông số
hình học và chế độ tải trọng. Sự giãn nở do nhiệt gây ra ứng suất và kết quả là gây ra
biến dạng. Có thể coi vật liệu biến dạng dưới tải trọng bản thân của nó như sự uốn của
thanh dầm. Giá trị biến dạng của nó được tính bằng giá trị E

1/2
/. Vật liệu với hệ số
dẫn nhiệt lớn làm giảm gradient nhiệt sẽ làm giảm ứng suất sinh ra do nhiệt. Vì vậy,
tăng tỉ số / giúp giảm cường độ của biến dạng sinh ra do nhiệt [19].
Hình 1.6 so sánh các loại vật liệu khác nhau chống lại tác động của hai yếu tố
nhiệt và tự trọng. Nhận thấy vật liệu graphite/epoxy hóa bền hướng trục cho khả năng
cao nhất về tính chịu các biến dạng cơ học, còn vật liệu graphite/epoxy kết cấu đẳng
hướng kém hơn một chút. Tuy nhiên, vật liệu graphite/epoxy có hệ số dẫn nhiệt thấp
nên các loại vật liệu này chịu biến dạng do nhiệt rất kém. Các vật liệu gốm, kim cương
và Be đều có các tính chất riêng biệt. Các hạt gốm bổ sung trong nền kim loại làm
giảm đôi chút hệ số dẫn nhiệt và sự thay đổi nhỏ về mật độ, nhưng giúp giảm đáng kể
12

hệ số giãn nở nhiệt và tăng độ cứng. Vì vậy, vật liệu MMCs giúp cải thiện khả năng
chống lại biến dạng về cả lực và nhiệt so với các vật liệu hợp kim nền không hóa bền.
Cũng theo sự phân loại vật liệu, DRA vượt quá tất cả các kim loại kết cấu phổ biến về
khả năng chống lại biến dạng. Thêm nữa DRA cạnh tranh với graphite/epoxy về biến
dạng do lực, tuy nhiên nó có khả năng chống lại các biến dạng về nhiệt cao hơn nhiều.
Vật liệu nhôm với kết cấu được gia cường liên tục cũng được kể đến và có thể cho các
đặc tính làm việc tốt tuy nhiên giá thành của loại vật liệu này khá cao [18].

Hình 1.6: Cơ tính và nhiệt biến dạng của một số vật liệu làm dụng cụ chính xác [42]














Hình 1.7: Ảnh minh họa lượng các vật liệu sử dụng để chế tạo máy bay Boeing 787

Al
20 %
Ti
15 %
Thép
10 %
Compozit
50 %
Còn lại
5 %