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.


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


1.4 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

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


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


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


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


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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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



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

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

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

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

101
87
87
82

187
----486

158
----355

119
----142

------0,4

> 99
> 98
> 98
> 98

60

82

177

79

567

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

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

---


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.