Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/Hạt phân tán (Al2O3, PTFE)

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÀ MẠNH CHIẾN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ HÓA HỌC TẠO LỚP PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al2O3, PTFE ) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÀ MẠNH CHIẾN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ HÓA HỌC TẠO LỚP PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al2O3, PTFE ) Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học Mãsố: 62520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.
- MAI THANH TÙNG HÀ NỘI - 2015 1 MỞ ĐẦU Lớp mạ hoá học NiP được ứng dụng rất nhiều mạ trên các trục, cánh máy nén, khuân, kíp nổ … do lớp mạ có độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn tốt.
- Tuy nhiên để cho lớp mạ có thể làm việc trong những điều kiện đặc biệt thì lớp mạ NiP cần phải cải tiến thêm, một trong những phương pháp đó là tạo lớp mạ hoá học NiP compozit.
- Lớp mạ hoá học NiP compozit đang được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực như ô tô, hàng không, vũ trụ.
- Lớp mạ NiP-SiC có thể dùng làm lớp lót xilanh, các dụng cụ mài, các bộ phận máy dệt.
- Lớp mạ NiP-Cr3C2 được dùng để xử lý bề mặt khuân, lớp mạ Ni-TiN dùng để tăng khả năng chịu nhiệt độ của chi tiết… Do tính mới và khả năng ứng dụng cao của lớp mạ NiP compozit cho nên lớp mạ này hiện vẫn đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
- Với mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng lớp mạ NiP compozit ở Việt Nam qua đó để phát triển sâu thêm về lý thuyết quá trình hình thành lớp mạ, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu công nghệ mạ hoá học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al2O3, PTFE.
- Qua tìm hiểu các công trình nghiên cứu về lớp mạ hoá học compozit đã thực hiện và từ yêu cầu về tính mới, tính khoa học, tính thực tiễn của luận án thì các mục tiêu đề ra của luận án là.
- Nghiên cứu quá trình hình thành, ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ chất khử NaH2PO2 tới cấu trúc và tính chất lớp mạ NiP để từ đó lựa chọn chế độ tạo compozit NiP/hạt phân tán (Al2O3, PTFE.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2, chất hoạt động, hàm lượng hạt PTFE trong dung dịch tới quá quá trình mạ hoá học NiP-PTFE.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt Al2O3 trong dung dịch, chế độ khuấy trộn tới quá trình mạ hoá học NiP-Al2O3.
- Đưa ra mô hình lý thuyết nhằm giải thích kết quả và làm rõ các quá trình xảy ra.
- 2 Điểm mới của luận án + Đã khảo sát các yếu tố, thông số công nghệ cho quá trình mạ hoá học: nhiệt độ, nồng độ chất khử NaH2PO2, loại hạt phân tán PTFE với hai kích cỡ hạt 0,5 và 12 µm, hạt phân tán Al2O3 với kích thước 0,5 và 15 µm, chất hoạt động bề mặt, tốc độ khuấy… nhằm tối ưu hoá các thông số công nghệ của quá trình mạ hoá học góp phần đề xuất quy trình tổng quát để mạ hoá học lớp phủ compozit Ni-P phù hợp trong triển khai, ứng dụng ở điều kiện Việt Nam.
- Luận án góp phần làm rõ cơ chế đồng kết tủa hạt phân tán PTFE vào lớp mạ Ni-P dựa trên cơ sở tương tác tĩnh điện.
- Trên cơ sở các lớp phủ NiP, NiP-PTFE, NiP-Al2O3 chế tạo, đã đánh giá các tính chất cơ lý, đặc trưng hoá lý, đã khảo sát đặc tính chống ăn mòn và mài mòn của lớp phủ.
- CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1 Mạ hoá học NiP 1.1.1 Quá trình mạ Phản ứng khử.
- 2H+ (1.3) Quá trình mạ được chia làm 5 giai đoạn: giai đoạn 1 khuếch tán Ni2+, H2PO2- tới bề mặt mạ, giai đoạn 2 hấp phụ Ni2+, H2PO2- lên bề mặt mạ, giai đoạn 3 xảy ra phản ứng trên bề mặt, giai đoạn 4 khuếch 3 tán sản phẩm phản ứng ra khỏi bề mặt mạ, giai đoạn 5 khuếch tán sản phẩm ra xa bề mặt mạ.
- Các giai đoạn minh hoạ ở hình 1.1 dưới.
- Hình 1.1 Hình mô tả các giai đoạn của quá trình động học 1.1.2 Quá trình kết tinh tạo màng NiP Cơ chế kết tinh tạo màng của Milan Paunovic và Mordechay Schlesinger, cơ chế của kết tinh tạo màng của Tanabe và Watanabe.
- Các cơ chế đã giải thích quá trình hình thành màng.
- 1.1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình mạ hoá học NiP Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình mạ NiP hoá học đó là ảnh hưởng của nhiệt độ, ảnh hưởng của pH, ảnh hưởng của chất tạo phức, chất đệm.
- Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại mạ và nồng độ chất khử, ảnh hưởng của khuấy trộn, ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt.
- 1.2 Mạ hoá học compozit 1.2.1 Giới thiệu chung Giới thiệu các vật liệu, ứng dụng của lớp mạ hoá học compozit.
- 1.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hình thành màng compozit Các yếu tố ảnh hưởng đó là ảnh hưởng của tính chất hạt phân tán, ảnh hưởng của thành phần dung dịch, ảnh hưởng của điều kiện mạ.
- 4 1.2.3 Cấu trúc và tính chất của lớp mạ hoá học Niken compozit Cấu trúc của lớp mạ không có sự khác biệt nhiều so với lớp mạ NiP, lớp mạ có độ cứng cao nếu có thêm hạt phân tán cứng, một số lớp mạ có khả năng chống mài mòn.
- Hệ số ma sát của lớp mạ phụ thuộc vào vật liệu hạt phân tán, kích thước hạt phân tán.
- Độ nhám bề mặt của lớp mạ nhỏ nếu sử dụng hạt phân tán có kích thước bé.
- Khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp.
- 1.3 Mạ hoá học compozit NiP-PTFE và NiP-Al2O3 1.3.1 Mạ hoá học NiP-PTFE Thành phần dung dịch mạ gồm muối cung cấp ion Ni2+, muối cung cấp chất khử.
- Đã có nhiều loại chất hoạt động được sử dụng trong mạ hoá học NiP-PTFE.
- Có nhiều công trình khoa học đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành lớp mạ NiP-PTFE.
- 1.3.2 Mạ hoá học NiP-Al2O3 Thành phần dung dịch mạ gồm muối cung cấp ion Ni2+, muối cung cấp chất khử, hạt phân tán Al2O3.
- Có nhiều công trình khoa học đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành lớp mạ NiP-Al2O3, cấu trúc của lớp mạ.
- 1.4 Lực tƣơng tác tại bề mặt lớp mạ hoá học compozit Trong quá trình mạ khi các hạt phân tán, lớp mạ tiếp cận gần nhau có nhiều lực tương tác bề mặt như: lực Van Der Waals, lực lớp điện tích kép, lực hút kỵ nước, lực đẩy hydrat, lực không gian và trọng lực… Nhưng trong các lực trên thì lực Van Der Waals, lực lớp điện tích kép được sử dụng để giải thích thành công nhiều kết quả thực nghiệm của dạng tương tác này.
- CHƢƠNG 2 – THỰC NGHIỆM 2.1 Chuẩn bị mẫu và dung dịch Dung dịch mạ Niken hóa học sử dụng trong luận án có thành phần và chế độ mạ như sau: niken clorua NiCl2.6H2O 20 g/l.
- pH của dung dịch được điều chỉnh bằng dung dich NaOH 5.
- Dung dịch mạ NiP-PTFE: Dung dịch mạ có thành phần như đã nói ở trên nhưng có bổ sung thêm các hạt PTFE kích thước hạt 0,5 µm hoặc 12 µm với nồng độ dao động từ 0 - 10 g/l, và chất hoạt động Cetyl Trimetyl Amoni Bromua (CTAB) hoặc Natri Dodecyl Sunphat (SDS) (Aldrich Sigma 99.9.
- Dung dịch mạ hóa học NiP-Al2O3: Giống như dung dịch mạ NiP-PTFE nhưng các hạt phân tán PTFE được thay thế bằng hạt Al2O3 có kích thước thay đổi 0,5.
- 15 µm, hàm lượng hạt thay đổi từ 0-20 g/l, không sử dụng chất hoạt động.
- Hình 2.1 Ảnh SEM các hạt phân tán và phổ phân tích hạt Al2O3 kích thước 15µm (a), PTFE kích thước 12 µm (b) và 0,5 µm (c).
- 2.2.2 Phƣơng pháp chụp ảnh SEM và phƣơng pháp phân tích EDS Các mẫu được thực hiện trên máy JEOL-JSM 6490 - Hitachi tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2.2.3 Phƣơng pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD) 2.2.4 Phƣơng pháp đo độ cứng Độ cứng tế vi của lớp mạ được đo trên máy đo độ cứng hiển vi quang học BUEHLER tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- 2.2.8 Phƣơng pháp kiểm tra độ bám dính lớp mạ với nền Sử dụng phương pháp bẻ gập, tiến hành đo theo tiêu chuẩn ASTM B571-97.
- CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu lớp mạ nền NiP 7 3.1.1 Ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ mạ và thành phần lớp mạ Thực hiện mạ với chế độ thay đổi như sau: dung dịch mạ với nồng độ NaH2PO2 thay đổi g/l ở nhiệt độ oC.
- Kết quả khảo sát được biểu diễn trên hình 3.1.
- Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ NaH2PO2 tới tốc độ mạ Kết quả thu được chỉ ra rằng khi tăng một trong hai thông số nhiệt độ và nồng độ thì tốc độ mạ cũng tăng theo.
- Kết quả khảo sát đưa ra một gợi ý rằng, tốc độ mạ có thể được khống chế bằng cách thay đổi các thông số của bể mạ.
- Tuy nhiên, thực tế quan sát chỉ ra rằng ở nồng độ NaH2PO2 cao hơn 20 g/l và nhiệt độ cao hơn 95 oC , dễ xảy ra quá trình tự phân hủy dung dịch, gây kết tủa ồ ạt trong dung dịch mạ, dung dịch do đó không hoạt động được nữa.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaH2PO2 tới hàm lượng P trong lớp mạ, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.2.
- Kết quả cho thấy thành phần của P trong lớp mạ thay đổi không nhiều trong khoảng 10,5 đến 11,4%.
- Khi tăng dần nồng độ chất khử NaH2PO2 từ 10 tới 20 g/l thì hàm lượng P trong lớp mạ tăng dần từ 10,5 đến 11,4.
- Hàm lượng P đạt cực đại tại nồng độ NaH2PO2 8 20g/l, tiếp tục tăng nồng độ NaH2PO2 quá 20 g/l thì hàm lượng P trong lớp mạ giảm xuống.
- Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaH2PO2 tới hàm lượng P trong lớp mạ 3.1.2 Phân tích cấu trúc lớp mạ NiP Hình 3.3 Giản đồ XRD của lớp mạ NiP.
- a, b, c, d tương ứng với hàm lượng NaH2PO2 thay đổi lần lượt 10.
- Tiến hành kiểm tra cấu trúc lớp mạ bằng phương pháp phân tích XRD.
- Kết quả kiểm tra thể hiện trên hình 3.3.
- Khi hàm lượng chất khử tăng lên, cấu trúc lớp mạ bị thay đổi điều này được thể hiện ở vùng pic Ni(111).
- Điều này có thể giải thích bởi khi hàm lượng chất NiP10,5NiP11,1NiP11,4(a)(b)(c)(d)Ni (200)Cu (200)Ni* (111)Ni (111) Intensity2 ThetaCu (111)NiP10,9 9 khử tăng lên, tốc độ phản ứng tăng lên đột ngột, làm tạo nên kết tủa ồ ạt trên bề mặt mạ, khiến lớp mạ không đồng nhất.
- Sự thay đổi hàm lượng P trong lớp mạ đã làm thay đổi cấu trúc lớp mạ.
- Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM Hình 3.5 Ảnh TEM phân tích cấu trúc lớp mạ NiP tổng hợp ở nồng độ NaH2PO2 trong dung dịch là 20g/l.
- Kết quả hình 3.5 cho thấy, những vi hạt này kết tinh dưới dạng tinh thể và vô định hình, xếp xen kẽ, được giải thích là do quá trình phát triển mầm tinh thể, do có sự tồn tại của các hợp chất chứa P, khiến cho tinh thể Ni không thể phát triển, do đó cấu trúc lớp mạ được tạo thành bởi những vi hạt có kích thước rất nhỏ.
- 3.1.3 Tính chất của lớp mạ NiP + Khả năng bám dính với nền Độ bám dính của lớp mạ được xác định bằng phương pháp bẻ gập 90o.
- Quá trình kiểm tra cho thấy sau khi bẻ gập 4-5 lần vẫn không thấy lớp mạ bị bong tách khỏi nền, do lớp mạ không bong khỏi nền thép nên tiến hành bẻ gập đến gãy.
- Trong quá trình bẻ gập đến gãy, quan sát thấy ở lần bẻ gập thứ 4-5, lớp mạ ở mẫu có nồng độ Natri hypophotphit là 10, 15g/l bị co lại, tạo thành những nếp nhăn ở tiếp điểm với gá giữ.
- Ở các nồng độ 20, 25g/l thì lớp mạ không bị 10 biến dạng cho đến lúc bị bẻ gãy, cho thấy độ bám dính của lớp mạ NiP với nền thép rất tốt, với hàm lượng P trong lớp mạ cao hơn thì độ bám dính của lớp mạ tốt hơn.
- Độ cứng Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 trong dung dịch đến độ cứng của lớp mạ.
- Kết quả đo độ cứng các lớp mạ NiP có thay đổi thành phần NaH2PO2 trong dung dịch mạ được thể hiện trên hình 3.6, ta thấy rằng khi nồng độ NaH2PO2 tăng lên thì độ cứng mẫu mạ giảm xuống.
- Các mẫu mạ trong dung dịch có nồng độ Natri hypophotphit 10, 15g/l có giá trị độ cứng chênh lệch nhiều.
- Các mẫu mạ trong dung dịch có nồng độ hypophotphit lớn hơn 20g/l thì sự chênh lệch này là không lớn.
- Độ cứng lớp mạ giảm xuống có thể do hàm lượng P tăng lên và hàm lượng Ni giảm xuống.
- Khảo sát độ bền ăn mòn của lớp mạ NiP Kết quả cho thấy khi nồng độ NaH2PO2 trong dung dịch mạ tăng lên thì độ bền ăn mòn của lớp mạ hợp kim NiP cũng tăng lên, thể hiện bằng tốc độ ăn mòn nhỏ và giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ ăn mòn của sắt trong NaCl 3,5.
- Nguyên nhân có thể là do tăng dần nồng độ chất khử, thì hàm lượng P trong lớp mạ tăng lên dẫn đến lớp mạ có cấu trúc vô định hình nên làm tăng khả năng chống ăn mòn.
- Một nguyên nhân nữa có thể ở nồng độ chất khử 11 NaH2PO2 20, 25 g/l có tốc độ phản ứng phù hợp để tạo ra cấu trúc lớp mạ kín, sít đặc nên tăng khả năng chống ăn mòn.
- Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ mạ cho thấy ở nhiệt độ thấp có thể chất lượng lớp mạ kém hơn nên ở nhiệt độ mạ thấp thì tốc độ ăn mòn lớn.
- Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng thì dòng ăn mòn giảm đạt cực tiểu ở 90 oC, có thể ở nhiệt độ này đã tạo ra cấu trúc lớp mạ kín, sít đặc nên làm tăng khả năng chống ăn mòn.
- Tiếp tục tăng nhiệt độ thì tốc độ ăn mòn lại tăng, nguyên nhân có thể phản ứng xảy ra nhanh nên gây lỗi lớp mạ.
- 3.2 Nghiên cứu hệ compozit NiP/PTFE 3.2.1 Ảnh hƣởng của nồng độ chất khử tới hàm lƣợng hạt PTFE có trong lớp mạ CNaH2PO2 15g/l.
- v = 14,9 µm/h Hình 3.9 Mặt cắt ngang lớp mạ NiP-PTFE có CNaH2PO2 thay đổi Ảnh chụp mặt cắt ngang của lớp mạ được thể hiện trên hình 3.9.
- Kết quả cho thấy khi nồng độ chất khử NaH2PO2 lớn hơn 25 g/l thì không có hạt phân tán trong lớp mạ, trên bề mặt lớp mạ cho thấy các vết lõm rất rõ ràng, đây chính là những vết hạt bị bong ra khỏi lớp 12 mạ.
- Kết quả phân tích hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ khi nồng độ chất khử thay đổi được thể hiện trên hình 3.10.
- Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng tới tốc độ mạ và hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ Kết quả hình 3.10 cho thấy ở nồng độ chất khử cao hơn 25 g/l thì không có hạt PTFE trong lớp mạ.
- Có thể được giải thích như sau, khi tăng dần nồng độ chất khử thì tốc độ hình thành lớp mạ tăng dần, cho nên hạt bị bắt giữ nhanh chóng tại bề mặt nên hàm lượng hạt phân tán trong lớp mạ tăng.
- Tiếp tục tăng nồng độ chất khử thì hàm lượng hạt lại giảm.
- Có hai nguyên nhân thứ nhất do tốc độ hình thành nền NiP tăng nhanh trong khi đó tốc độ đồng kết tủa của hạt tăng chậm cho nên làm giảm hàm lượng hạt trong lớp mạ.
- 3.2.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng hạt PTFE trong dung dịch tới hàm lƣợng hạt PTFE trong lớp mạ và khả năng chống bám dính của lớp mạ.
- Kết quả ảnh hưởng hàm lượng hạt PTFE trong dung dịch được thể hiện ở trên bảng 3.5, 3.6.
- 13 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt PTFE 12 µm trong dung dịch tới hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ và góc thấm ướt của lớp mạ.
- Hàm lượng hạt PTFE 12 µm trong dung dịch (g/l) Hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ.
- khối lượng) Góc thấm ướt của lớp mạ, (o Bảng 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt PTFE 0,5 µm trong dung dịch tới hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ và góc thấm ướt của lớp mạ.
- Hàm lượng hạt PTFE 0,5 µm trong dung dịch (g/l) Hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ.
- khối lượng) Góc thấm ướt của lớp mạ, (o Kết quả cho thấy khi hàm lượng PTFE trong dung dịch tăng thì hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ tăng theo.
- Điều chú ý là khi tăng dần hàm lượng hạt trong dung dịch thì lúc đầu hàm lượng hạt trong lớp mạ tăng nhanh sau đó có tăng nhưng tăng chậm hơn nhiều.
- Khi hàm lượng hạt PTFE trong dung dịch mạ tăng (hàm lượng PTFE trong lớp mạ tăng) thì khả năng chống bám dính của lớp mạ tăng (góc thấm ướt tăng).
- Nguyên nhân là trong và trên bề mặt lớp mạ có các hạt chống bám dính PTFE tăng.
- 3.2.3 Ảnh hƣởng của chất hoạt động bề mặt tới quá trình đồng kết tủa Ảnh mặt cắt ngang của lớp mạ NiP-PTFE có sử dụng các loại chất hoạt động SDS và CTAB với hàm lượng khoảng 34.10-5 mol/l được thể hiện ở hình 3.12a, b.
- 14 Hình 3.12 Mặt cắt ngang lớp mạ NiP-PTFE a) Lớp mạ Sử dụng chất hoạt động SDS b) lớp mạ sử dụng chất hoạt động CTAB Kết quả trên hình 3.12 cho thấy lớp mạ sử dụng chất hoạt động CTAB lại có nhiều hạt PTFE đồng kết tủa vào nhiều hơn so với lớp mạ dùng chất hoạt động SDS.
- Các hạt PTFE phân bố đều và không bị kết tụ trong lớp mạ.
- Để giải thích điều này sẽ tiến hành tính toán năng lượng tương tác giữa hạt PTFE và lớp mạ, hạt PTFE với hạt PTFE.
- Tính toán năng lƣợng tƣơng tác lớp mạ và hạt PTFE (trong dung dịch mạ có hàm lượng CTAB 34,3.10-5 M) 2 1 1.
- Tính toán năng lƣợng tƣơng tác lớp mạ và hạt PTFE (trong dung dịch mạ có hàm lượng SDS 34,3.10-5 M) (a) (b)

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt