99

Effect of Al contents on the properties of AlxNbCrMoV high entropy alloy sintered by the isostatic hot pressing

Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm (Al) đến tính chất của hợp kim entropy cao AlxNbCrMoV kết khối bằng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh

LƯƠNG VĂN DƯƠNG
Email: duong@ims.vast.ac.vn
Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội

NGUYỄN HUY DÂN
Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội

ĐOÀN ĐÌNH PHƯƠNG
Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội

NGUYỄN NGỌC LINH
Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội

ĐẶNG QUỐC  KHÁNH
Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Ngày nhận bài: 26/1/2022, Ngày duyệt đăng: 8/4/2022

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, hợp kim entropy cao AlxNbCrMoV (x: 0; 0,1; 0,5 và 1,0) được chế tạo bằng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh có sử dụng bao nung thép cacbon thấp. Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm (Al) đến cấu trúc và cơ tính của mẫu hợp kim được nghiên cứu. Kết quả nhiễu xạ Rơnghen cho thấy các mẫu hợp kim chế tạo có cấu trúc nền đơn pha dạng lập phương tâm khối. Ảnh hiên vi điện tử quét cho thấy kích thước hạt của hợp kim nền nằm trong khoảng từ 2,5 µm đến 3,5 µm. Khi tăng hàm lượng Al từ 0,1 đến 1 thì độ cứng của mẫu hợp kim tăng lên vì sự có mặt của các hạt Al2O3 tăng. Ngoài ra, kết quả phân tích thành phần pha tại nhiệt độ 800 oC cho thấy mẫu hợp kim entropy cao AlNbCrMoV có khả năng chống ôxi hóa tốt nhất. Kết quả này sẽ mở ra khả năng ứng dụng cho hệ hợp kim entropy cao làm các loại vật liệu chịu nhiệt.

Từ khóa: Hợp kim entropy cao AlNbCrMoV, kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh, khả năng chống ôxi hóa, ôxit nhôm.

ABSTRACT

In this work, AlxNbCrMoV (x: 0; 0,1; 0,5 và 1,0) high entropy alloys (HEAs) were produced via a Hot Isostatic Pressing (HIP) technique using a low carbon steel capsule. The effect of Al contents on the structure and mechan- ical properties of HEA samples was investigated. The results of X-ray diffraction showed the produced HEA sam- ples displayed a single-phase matrix of body centered cubic structure. SEM observation found that the particle sizes of matrix of HEA samples lied in the range of 2.5÷3.5 µm. The Vickers hardness of HEA samples increased with increasing the Al contents from 0.1 to 1 because of the increase of Al2O3 particles. Furthemore, X-ray diffrac- togram at 800 oC showed that the AlNbCrMoV HEA samples have the highest oxidation resistance. These results are expected to open the application of HEA material for refractory uses.

Key words: High entropy alloy AlNbCrMoV, Hot isostatic pressing, Oxidation resistance, aluminum oxide.

Page: 2 – 8
RESEARCH

99

Nghiên cứu khả năng xuất hiện rỗ xốp đồng thanh thiếc đúc trong các hệ khuôn khác nhau

Research on porosity defects of tin bronze in different casting moulds

ĐÀO HỒNG BÁCH
Hanoi University of Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, No.1 Dai Co Viet, Hanoi, Vietnam

Ngày nhận bài: 16/9/2021, Ngày duyệt đăng: 14/12/2021

TÓM TẮT

Hiện nay hợp kim đồng thanh thiếc được sử dụng nhiều trong chế tạo động cơ đạn thủy lôi bằng phương pháp đúc. Hiện tượng rỗ xốp đúc đã xảy ra khá phổ biến trong công nghệ đúc làm cho sản phẩm động cơ không bảo đảm tính chắc đặc và rò gỉ áp suất trong quá trình làm việc dưới chiều sâu nước biển. Việc nghiên cứu để lựa chọn công nghệ đúc, cũng như điều khiển chất lượng sản phẩm đúc là rất cấp thiết. Đề tài đã nghiên cứu đánh giá và so sánh khả năng rỗ xốp với các công nghệ khuôn khác nhau, và đã chỉ ra giải pháp lựa chọn phương pháp khuôn, cụ thể là tốc độ đông đặc là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu độ thấm khí vào vật đúc trong các công nghệ khuôn khác nhau. Nghiên cứu đã cho xác định quan hệ giữa tốc độ đông đặc và lượng rỗ xốp, từ đó có thể điều khiển giảm thiểu lượng rỗ xốp vật đúc hợp kim đồng thanh thiếc.

Từ khóa: rỗ xốp, brông, CuSn10, tốc độ đông đặc

ABSTRACT

At present, tin bronze alloy is widely used in the manufacture of torpedo bullet engines by casting method. Casting porosity has occurred quite commonly in casting technology, making the engine product to pressure leakage during working under sea water depth. The research to select casting technology, as well as quality control of casting products is very urgent. The topic has studied, evaluated and compared the porosity with different mold technologies, and has shown that the solution to choose the mold method, namely the solidification speed, is an effective solution to minimize air permeability to castings in different mold technologies. The study has determined the relationship between the solidification rate and the porosity, thereby controlling and minimizing the porosity of tin bronze alloy castings.

Keywords: Porosity, bronze, CuSn10, solidification speed.

Page: 11 – 18

RESEARCH

 

Get Article

99

Mô phỏng số và thử nghiệm thấm C-N cho thép 20Cr

Numerical simulation and experimental study on carbonitriding process for 20Cr steel

NGUYỄN VĂN ĐỨC
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội

TRẦN THỊ XUÂN
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
*Email: xuan.tranthi@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 14/9/2021, Ngày duyệt đăng: 8/12/2021


TÓM TẮT

Thấm C-N nhằm mục đích nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho thép. Lớp thấm C-N có độ cứng cao hơn lớp thấm C do N làm tăng độ cứng cho thép. So sánh độ cứng của lớp thấm C và thấm C-N khi ram ở nhiệt độ 350 °C cho thấy lớp thấm cacbon mất độ cứng nhanh hơn so với lớp thấm C-N do trong lớp thấm C-N có chứa một lượng nitrit ổn định phân tán trên nền thép. Với nhiều ưu điểm vượt trội, công nghệ thấm C-N được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong sản xuất. Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ như nhiệt độ, thời gian thấm, thành phần khí thấm đến chiều dày và cơ tính của lớp thấm C-N bằng mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp mô phỏng số phản ánh đúng thực tế nên có thể được sử dụng làm công cụ để dự đoán trước các kết quả của quá trình thấm C-N trong thực tế và làm cơ sở để tối ưu hóa chế độ công nghệ thấm C-N.

Từ khóa: Thấm C-N, mô phỏng số, phần mềm sysweld, 20CrMo4, độ cứng.

ABSTRACT

Carbonitriding is used primarily to improve the hardness and wear resistance of steels. A carbonitrided case has better hardenability than a carburized one because nitrogen increases the hardness of steels. Really, the hardness against tempering time at 350 °C for different methods of case hardening is not the same. Carburizing produces a greater decrease in hardness. While carbonitriding layers lose hardness more slowly because of the stable nitride compound dispersed in the matrix. With many advantages, carbonitriding technology is widely researched and applied in production. In this paper the influence of technological parameters such as temperature, time and gas composition on the thickness and mechanical properties of the carbonitriding layer is studied by numerical simulation combined with experiment. The compatibility in the experimental and simulation results proves that the numerical simulation technique can be reliably used as a method to predict consequences of the practical carbonitriding process and to optimize the technical parameters.

Keywords: Carbonitriding, numerical simulation, sysweld software, 20MoCr4, hardness.

Page: 9 – 17

RESEARCH

 

Get Article

101

Characterization of 3D printed Ti6Al4V alloy

Khảo sát đặc tính của hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D

TRỊNH VĂN TRUNG
Hanoi University of Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, No.1 Dai Co Viet, Hanoi, Vietnam

*Email: trung.trinhvan@hust.edu.vn

PHÙNG NHƯ CƯỜNG
Hanoi University of Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, No.1 Dai Co Viet, Hanoi, Vietnam

CHRISTIAN SEIDEL
Munich University of Applied Sciences, Department of Applied Sciences and Mechatronics, 34, 80335 Munich, Germany

PHẠM GIA KHÁNH
Munich University of Applied Sciences, Department of Applied Sciences and Mechatronics, 34, 80335 Munich, Germany

Ngày nhận bài: 14/2/2022, Ngày duyệt đăng: 5/4/2022

 TÓM TẮT

Hình thái bề mặt, cấu trúc, tổ chức tế vi và độ cứng của các mẫu hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D được khảo sát và nghiên cứu bằng cách sử dụng các thiết bị kiểm tra đánh giá như quang phổ kế phát xạ, chụp ảnh tia Rơnghen, máy đo độ nhám, kính hiển vi quang học, kính hiển vi kỹ thuật số, nhiễu xạ kế Rơnghen và máy đo độ cứng tế vi. Kết quả cho thấy bề mặt mẫu in có độ nhám khoảng (6 ÷ 12) μm. Cấu trúc của các mẫu in đồng đều và không có khuyết tật in có kích thước lớn hơn 0,5 mm. Tổ chức pha các mẫu in chủ yếu có thành phần pha là α hoặc α‘ và một lượng nhỏ pha β. Độ cứng bề mặt của mẫu trong khoảng (405 ÷ 424) HV1.

Từ khóa: Ti6Al4V, công nghệ in 3D, hợp kim titan.

ABSTRACT

Surface morphology, structure/microstructure, and hardness of Ti6Al4V alloy samples fabricated by 3D printing technology were investigated by using optical emission spectrometer, X-ray scanner, roughness measurement instrument, optical microscope, digital microscope, X-ray diffractometer, and microhardness tester. The results show that the surface roughness is about (6 ÷ 12) μm. The printed samples have a uniform microstructure and are free of printing defects larger than 0.5 mm in size. The printed samples mainly have a phase composition of α or α‘ and a small amount of β phase. The surface hardness of the samples are in the range of (405 ÷ 424) HV1.

Keywords: Ti6Al4V, 3D printing, titanium alloy.

Page: 12 – 16

RESEARCH

Get article

96

Microstructure and properties of FeSi6,5 soft magnetic materials prepared by spark plasma sintering

Cấu trúc và các tính chất của vật liệu từ mềm FeSi6,5 kết khối bằng kỹ thuật thiêu kết dòng xung plasma

TRẦN BẢO TRUNG
Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.
Email: trungtb@ims.vast.ac.vn

ĐOÀN ĐỈNH PHƯƠNG
Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.

NGUYỄN NGỌC LINH
Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.

NGUYỄN VĂN TOÀN
Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, số 18. Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.

ĐẶNG QUỐC KHÁNH
Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội.

 Ngày nhận bài: 21/1/2021, Ngày duyệt đăng: 12/5/2021

TÓM TẮT

Trong bài báo này, vật liệu từ mềm FeSi6,5 (6,5 %Si) được chế tạo bằng kỹ thuật thiêu kết dòng xung plasma (SPS) ở các nhiệt độ khác nhau từ 1150 đến 1300 °c với thời gian 15 phút và tốc độ nâng nhiệt là 100 °c/phút. Các kết quả phân tích cho thấy, khối lượng riêng của vật liệu tăng lên khi tăng nhiệt độ thiêu kết và gần đạt đến độ xít chặt hoàn toàn khi thiêu kết ở 1300 °c và do đó các tính chất như độ cứng Vickers và tính chất từ của vật liệu được cải thiện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thiêu kết 1250 °c các tính chất từ mềm của vật liệu đạt được tốt nhất với từ độ bão hòa Ms đạt 209,6 emu/g và lực kháng từ Hc đạt giá trị thấp nhất 1,85 Oe. So sánh với phương pháp SPS, mẫu thiêu kết trong chân không ở nhiệt độ 1300 °c trong thời gian 1 h và tốc độ nâng nhiệt 20 °c/phút có các tính chất từ kém hơn do độ xít chặt sau khi thiêu kết thấp, có nhiều lỗ xốp trong cấu trúc. Kết quả nghiên cứu này cho thấy, kỹ thuật thiêu kết dòng xung plasma cho phép thiêu kết nhanh vật liệu từ mềm Fe-Si có tiềm năng ứng dụng trong thực tế.

Từ khóa: Vật liệu từ mềm Fe-Si, thiêu kết dòng xung plasma, từ độ bão hòa, lực kháng từ

ABSTRACT

In this paper, FeSi6,5 (6.5 wt.% Si) soft magnetic materials have been prepared Via a Spark Plasma Sintering (SPS) technique at difference sintering temperatures in the range of 1150 to 1300 °c for 15 min and a heating rate of 100 °c/min. The results show that the density of sintered samples increased with the rising sintering temperature resulted in the enhancement of Vickers hardness and magnetic properities otsintered samples. Hovvever, the highest magnetic saturation (Ms) of 209.6 emu/g and lowest coercivity (Hc) of 1.85 Oe were obtained for the SPSed sample at 1250 °c. In contrast, the sample sintered in vacuum at 1300 °c for 1h with heating rate of 20 °c/min shows the lower magnetic properties due to the lower density and high amount of pores in the structure. The results of research show that the spark plasma sintering route has a high potential of fast sintering Fe-Si soft magnetic materials and for application.

Key words: Fe-Si soft magnectic materials, spark plasma sintering, magnetic saturation, coercivity

Page: 2 – 8

RESEARCH

Get article

92

Chế tạo pha trung gian nhựa đường từ than đá Việt Nam làm tiền chất cho sợi cacbon môđun đàn hồi cao

Preparation of mesophase pitch from Vietnam coal as precursor for manufacturing high modulus carbon fiber

TRAN SI TRONG KHANH1,2, NGUYEN PHUONG HOAI NAM1, NGUYEN NANG DINH1
1 Faculty of Engineering Physics and Nanotechnology, University of Engineering and Technology, Vietnam National University, 144 Xuan Thuy, Cau Giay, Hanoi

2 Research Institute for Application and Transfer of High Technology, Vietnam Union of Science and Technology Associations, Nguyen Du, Hai Ba Trung, Hanoi

Email: transikhanh.2012@gmail.com

Ngày nhận bài: 6/6/2020, Ngày duyệt đăng: 25/9/2021

ABSTRACT

To obtain a raw material for synthesis of carbon fiber with high elastic modulus (tensile), a material of mesophase pitch was fabricated from Vietnam coal by heat treatment under different technological conditions. Analysis of dependence of the chemical composition, viscosity and volume change of the pitch on heating temperature, holding time and heating rate shows that the phase transformation kinetics in this coal pitch can be realized by an optimized technology regime, in which temperature and heating rate play an important role. The pitch material received has a high carbon content of over 80 wt. % and a low sulfur content of less than 5 wt.%, meeting the requirements of being a precursor for carbon fiber with high elastic modulus.

Keywords: mesophase pitch, coal pitch, carbon fiber, high modulus

 TÓM TẮT

Nhằm tạo nguyên liệu để tổng hợp sợi cacbon có môđun đàn hồi (kéo) cao, một pha trung gian là nhựa đường đã được chế tạo từ than đá nội địa bằng phương pháp gia nhiệt, theo các điều kiện công nghệ khác nhau. Phân tích sự phụ thuộc của thành phần hoá học, độ nhớt, sự thay đổi khối lượng nhựa đường vào nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ nung, cho thấy động học quá trình chuyển pha trong nhựa đường từ than đá có thể thực hiện bằng một công nghệ tối ưu, trong đó nhiệt độ và tốc độ nung đóng vai trò quan trọng. Vật liệu nhựa đường nhận được có hàm lượng cacbon cao trên 80 % k.l. và hàm lượng lưu huỳnh thấp dưới 5,0 %k.l, đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu chế tạo sợi cacbon có môđun đàn hồi cao.

Từ khóa: pha trung gian nhựa đường, sợi cacbon, nhựa than đá, môđun đàn hồi cao

 1. INTRODUCTION

Properties of mesophase pitch-derived coke, mesocarbon microbeads, mesophase pitch-based carbon foam, high-modulus mesophase pitchbased carbon fibers, and high-thermal-conductivity carbon-based composites, etc. can be seen in a review of Yuan and Cui [1].

The formation process, structure and properties of carbon fibers (CF) is well reported by Rigg in a review article [2] and by Newcomb in [3]. Highelastic modulus carbon fibers are widely used in everyday  objects  and  aerospace  (high-modulus CF). They are usually made of coal or petroleum pitches. In the heat treatment process of the pitch fiber to obtain a carbon fiber with graphite structure, initially a small spherical structure with optical isotropic properties appears in the pitch, when viewed through cross polarizers. As the temperature or holding time increases, the spheres grow and then large spheres merge into larger structures and eventually, the isotropy is lost and the final structure becomes completely anisotropic.

Optical anisotropic material is called the mesophase. The nature of the mesophase and the mechanism of its formation are presented in [4-5].

Pitch fibers which are made by centrifuging, pulling or pressing from the coal or petroleum pitches due to formation of a mesophase, are called the mesophase pitch (MP) fibers. The carbon fibers fabricated from these fibers are highmodulus carbon fibers. Before production of pitch fibers, the pitch is treated from insoluble impurities in a number of solvents such as benzene, toluene, pyridine, quinoline and volatile substances available in the pitch. The pitch is then heated to initiate a mesophase. The product of this stage is the mesophase pitch. The process technology for preparation of the mesophase pitch has been reported in [4-12]). An improved process for preparing liquid-crystal containing pitches comprises extracting carbonaceous isotropic pitches with an organic solvent system was reported by Diefendorf et al. [13].

Yuan et al. [14] reported that by using six representative feedstocks as carbonaceous precursors, various mesophase pitches and their derived cokes by a heat-soaking method at a temperature range of 400−450 °C and a pyrolysis treatment at 900 °C were well obtained.

Figure 1. Preparation of the pitch samples
Figure 1. Preparation of the pitch samples

In this research, the results of manufacturing of mesophase pitches from domestic coal are presented as follows:

– Determining composition of the pitch to consider the possibility to fabricate high quality carbon fibers at a reasonable It should then choose the input material between a pitch of coal, petroleum or other material sources. Criteria for the production of high modulus carbon fibers are usually directed towards the use of pitches with a high carbon content (above 80 %) and low sulfur content (below 1-5 wt. %).

– Handling insoluble solid impurities in some solvents such as benzene, toluene, pyridine and These impurities have a great influence on structure of the pitch fiber and determine quality of the carbon fiber. After dissolving in solvent, the pitch will be filtered to remove insoluble impurities.

– Treating volatiles, grease and sulfur in the It is necessary to determine the amount of the impurity in the pitch after treatment in dependence on a number of technological parameters. The purpose of this is to keep the pitch clean which won’t contain any insoluble substances that will impede spinning or reduce mechanical proper-ties of the high modulus carbon fiber. In the process of centrifuging, spinning and pressing there will be no polymerization; otherwise it will change viscosity, create gas and leave bubbles in the pitch fiber.

– Evaluating the pitch viscosity as a function of temperature to select an appropriate viscosity in the manufacturing technology of mesophase pitch The viscosity of pitch depends on carbon content and is a function of heating temperature. The final quality of the high modulus carbon fiber depends on the viscosity during centrifuging, pulling or pressing the pitch to form a mesophase pitch fiber.

– Establishing the appropriate heating rate, temperature and holding time at the moment of appearance and development of a mesophase in the This is the stage of preparing the mesophase pitch before creating the mesophase pitch fiber. A heating process will be established for the pitch made from domestic coal or petroleum in the fabrication technology of carbon fibers.

2. EXPERIMENTAL

2.1. Materials

The domestic coal pitch is taken from the coking factory, which belongs to Thai-Nguyen Ironsteel Joint Stock Company (Vietnam). The coal pitch was heated in a HTC 08/16 high-temperature furnace (Figure 1a). Figure 1b shows the morphology of the initial coal pitch put on four cups. The baking cups of pitch are arranged in the furnace upto 1,280 °C. The cups were thermally treated at different heating rate (X), temperature (Y), and holding time (Z).

The pitch samples after heat treatment will be analyzed according to different sample symbols as PEKX-Y-Z.

2.2. Equipments and analytical techniques

The experimental equipments used include:

  • High temperature furnace HTC 08/16
  • Analytical balance XT 220A
  • Calorimeter Parr 6200
  • Memmert oven

A selected subject for study is the domestic coal pitch. The coal pitch has several advantages over petroleum one. It has a higher content of aromatic molecules, higher density, lower sulfur content, and higher viscosity. The coal pitch is produced from domestic mines, ensuring long-term stability, not dependent on foreign materials and of high quality compared to petroleum-based pitch. This input material is used to fabricate high-elastic modulus carbon fiber.

The composition of coal pitch samples is analyzed. The viscosity of pitch is temperature-dependent and is measured by the DV-II +Pro viscometer with the following parameters:

  • Speed of rotation: 3 rpm
  • Spindle type: number 4 (small type)
  • Number of repetitions: 3 times
  • Starting temperature: 100 °C
  • Finishing temperature: 135 °C
  • Viscosity unit: cP (1 cP is equal to mPa·s in the SI).

The preparation of samples, the method to choose pitch samples using specialized tools and the study of the effect of technological parameters on the structure and properties of pitches were conducted at the Research Institute for Application and Transfer of High Technology (IHT). The pitch is heated in SUS 304 steel cup in a furnace with an automatic temperature control program.

X-ray diffraction (XRD) analysis was carriedout on a Brucker “Advance-8D” X-ray diffractometer with KaCu wavelength l = 0.15406 nm.

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Chemical composition of the coal pitch

As  above  mentioned,  in  the  manufacturing technology of high modulus carbon fiber, domestic raw materials are used. The coal pitch as a pitching material to make carbon fiber because of it’s high carbon content. The composition of pitch samples was shown in Table 1.

The carbon content of the Thai-Nguyen coal pitch is rather large (≈ 85.50 wt. %) compared to other domestic or Japanese samples, but the sulfur content of 1.24 % is larger, compared to 0.5 % found in petroleum pitch in report [15].

Table 1. Composition of Thai-Nguyen coal pitch 

No. Indicator Unit Test method Average content (wt. %)
1 volatiles % TCVN 174: 2011 13.14
2 humidity % TCVN 172: 2011 0.12
3 C % ASTM D3172 85.50
4 S % TCVN 175: 1995 1.24

The analysis results show that the coal pitch meets the requirements used to fabricate high modulus carbon fiber and high density graphite according to previous Soviet standards  (GOST No. 1038-75 [16]).

3.2.  The viscosity of coal pitch

In our experiments we interested in the dynamic viscosity. The viscosity of a material, including coal pitch is a measure of its resistance to deformation at a given rate. Viscosity can be conceptualized as quantifying the internal frictional force that arises between adjacent layers of fluid that are in relative motion. The most commonly used unit for dynamic viscosity is the CGS unit centipoise (cP).

In the praparation of CF coal pitch by centrifucal technique, the temperature dependence of the viscosity of the pitch plays an important role. Thus it is necessary to characterize the viscosity of the pitch in order to find-out optimal conditions for further synthesis of CF.

The results of viscosity measurement of the coal pitch sample are shown in Table 2.

Table 2. The viscosity h (in cP) of the coal pitch at different temperatures

No Temperature (oC) Test 1 Test 2 Test 3 Average value
1 100 456 503 486 481
2 105 512 525 506 514
3 110 544 567 630 580
4 115 600 694 669 654
5 120 782 733 695 736
6 125 824 768 785 792
7 130 977 813 846 878
8 135 1056 896 940 964

The viscosity dependence of the coal pitch on the heating temperature is shown in Figure 2. The results show that there is a linear relationship and it coincides with the results published in [17].

Figure 2. The relationship between viscosity of coal pitch with temperature
Figure 2. The relationship between viscosity of coal pitch with temperature

Ciesinska showed that the coal-tar pitch with phenol-formaldehyde resin has an increased thermal and mechanical resistance. Furthermore, phenol-formaldehyde resin has an effect on increase in the coal-tar pitch viscosity. It probably results from the increased content of components of higher average molecular mass in the pitch and lower solubility in organic solvents [18].

3.3.  Change in pitch mass with heating temperature and holding time at constant heating rate of 10 °C/h

The purpose of this study is to find the effect of temperature and time of heat processing to eliminate volatile substances in the coal pitch before being pressed, pulled or sprayed into pitch fibers.

Before using pitch as an input material for fiber fabrication, the pitch is heat treated to remove moisture, volatile matter, and sulfur that is present in it. During heating process, the amount of pitch remaining after treatment depends on the heatìng rate, the temperature and the holding time.

Table 3 shows the pitch residue at different temperatures and holding times. In [19], the temperature range for preparation of the mesophase pitch is from 239 to 400 °C. In this study, the temperature range chosen for investigation was 275, 300 and 325 °C with holding times of 0, 45, 90 and 135 minutes. The results of measuring the pitch residue over time and temperature are shown in table 3 and figure 3.

Table 3. Pitch residue of the coal pitch at different temperatures and holding times with heating rate of 10 oC/h (wt. %)

PEK10-275-0 = 95 PEK 10-275-45 = 93 PEK 10-275-90 = 92 PEK 10-275-135 = 92
PEK 10-300-0 = 94 PEK 10-300-45 = 87 PEK 10-300-90 = 85 PEK 10-300-135 = 85
PEK 10-325-0 = 86 PEK 10-325-45 = 73 PEK 10-325-90 = 68 PEK 10-325-135 = 68

The mass of sample PEK0-0-0 before heating is considered as 100 %, there will be three curves as shown in figure 3. The change of sample mass at  different  heating  temperatures  and  holding times with heating rate of 10 °C/h is quite obvious.

Figure 3. The change in sample weight at different heating temperatures and holding times with the constant heating rate of 10 oC/h
Figure 3. The change in sample weight at different heating temperatures and holding times with the constant heating rate of 10 oC/h

With the same heating rate of 10 °C/h the change in mass at different heating temperatures in figure 3 allows comparison of this change with the holding time. As time increases the pitch residue decreases gradually and the higher the temperature, the greater the decrease. It’s due to greater amount of substances evaporated from the pitch with higher temperature and longer time. At observed temperature range, after a period of ≥ 90 minutes, the mass of the samples was kept unchanged. This proves that at given temperature and time, the volatile matter in the pitch was completely removed.

Comparison of change in weight of the pitch sample after heating in correspondence with amount of evaporated volatile from the pitch shows that at a heating rate of 10 °C/h the chosen temperature of 325 °C is suitable for thorough treatment of volatile in the pitch.

3.4. Mesophase formation with different holding times at 10 °C/h and 325 °C

Briggs in [20] demostrated that at temperatures up to 200 °C, the viscosity of pitch, follows a predictable variation with temperature. Above 200 °C, variations occur depending on the source of the pitch, although a minimum viscosity is always achieved between 320 and 400 °C, followed by a rise. On heat treating at a constant temperature of 400 °C the viscosity rises. Although some preliminary work on two low-temperature pitches indicates a different regime, the work on coke-oven pitches shows a clear relation between viscosity rise and the formation of tolueneand quinoline-insolubles by what appears to be consecutive reactions from tar oils, during which the rheological behaviour becomes increasingly pseudoplastic.

As stated in section 3.3, at a temperature of 325 °C with a heating rate of 10 °C/h and a holding time of 90 minutes or more, the residual weight of pitch does not change, and at this temperature an mesophase is likely to form and develop. To clarify this, the structural changes of pitch were examined visually when the pitch sample was heated at 325 °C with different holding times (0, 45, 90 and 135 minutes). The surface morphology of the pitch sample over the different holding times is shown in figure 4.

Figure 4. The pitch sample surface changes at 325 oC with heating rate of 10 oC/h: (a)- before heating, holding time (b)-0 min, (c)- 45 min, (d)- 90 min, (e)- 135 min.
Figure 4. The pitch sample surface changes at 325 oC with heating rate of 10 oC/h: (a)- before heating, holding time (b)-0 min, (c)- 45 min, (d)- 90 min, (e)- 135 min.

It’s observed the mesophase began to appear on the pitch surface at a temperature of 325 °C with a holding time of 0 minutes (figure 4b). As is well known, with a very slow rate of heating (10 °C/h), the time for heating up from room temperature (25 °C) to 325 °C is 30 hours. During this time, the heat supplied to the system is mainly used for evaporation of volatile substances in the pitch. Only when the holding time of 90 minutes is reached, does the pitch phase appear on the entire pitch surface. The sample surface is, of course, provided with the heat by radiation, convection and heat conduction. And the material located deep inside the sample is only heated by heat conduction. Therefore, the internal temperature will be lower than that on the pitch sample surface. Although the pitch phase appeared on the surface of the pitch sample, it is unlikely to find this phase inside. To confirm the temperature and holding time favourable for a mesophase in the entire pitch mass, it is necessary to analyze the structure of the pitch by diffraction analysis. To recognize the appearance of pitch mesophase, the change in structure with temperature was investigated. Analysis results will be mentioned in section 3.5.

3.5.  The pitch crystalline structure changes according to the heating  temperature  at 10 °C/h

The purpose of the analysis is to establish the temperature range at which the pitch mesophase occurs. The coal pitch samples were heated. To evaluate the structural change of pitch with heating temperature and to compare with the structure of unheated pitch samples, the crystalline structure of a room-temperatue (RT) sample and the samples heated at 150, 250, 350 and 450 °C was analyzed by using X-ray diffaction (XRD).

XRD patterns of pitch samples were plotted in Figure 5. It can identify structural changes of pitches in heating process at heating rate of 10 °C and final temperatures of (150 ÷ 450) °C.

Figure 5. Structure change in pitches after heat treatment with a heating rate 10 oC/h at different temperatures 150, 250, 350 and 450 oC
Figure 5. Structure change in pitches after heat treatment with a heating rate 10 oC/h at different temperatures 150, 250, 350 and 450 oC

Figure 5 shows that the XRD peaks corresponding to 2θ ≈ 25 o of the unheated pitch sample (PEK0-0-0) and heated samples (heated at 150 °C and 250 °C) are nearly identical. This proves that no new phase appears in the pitch. But the width of the diffraction peaks has narrowed, implying that crystallities formed from macromolecules in the pitch have grown up with the increase of the heating temperature. In this temperature range, only CH3 and H2 separation occurs. But at 350 °C, the XRD peak is gradually shifted to the right, toward the larger diffraction angle 2θ, moreover the peak become narrower. Thus, the pitch structure has begun to change and a new phase appeared. This is consistent with the conclusion stated in section 3.4. This means that in the temperature range above 325 °C, for coal pitch, a mesophase will be formed. Determination of the temperature and holding time is very important in the manufacturing technology of carbon fiber with high modulus.

3.6. Kinetics of pitch mesophase transformation in coal pitch

As mention in sections 3.4 and 3.5, the minimum temperature and time of mesophase appearance in the coal pitch have been determined. Another requirement is that how long the holding time is considered sufficient. Thus, it is necessary to study the kinetics of mesophase transformation. Therefore the mesophase percent will be determined with various holding time, when heating is kept at a certain temperature with the selected heating rate.

The dependence of the formed mesophase content on the holding time is shown in Figure 6. With the heating rate 10 °C/h at temperature 325 °C, the coal pitch is completely transferred to mesophase in about (135÷180) minutes.

Figure 6. Dependence of mesophase content on the holding time at temperature 325 oC with a heating rate 10 oC/h.
Figure 6. Dependence of mesophase content on the holding time at temperature 325 oC with a heating rate 10 oC/h.

Using carbon mesophase materials synthesized as above mentioned, preliminary carbon fibers have been made (Figure 7). As seen in this figure, CFs exhibit a considerable uniform in size. Average size of the CFs is 500 nm in diameter and 700 mm and more in length. Figure 7 show only parts of three separate carbon fibers.

Figure 7. TEM cross-section (a) and longitudial direction images (b, c and d) of CFs made from MP (with h 950 cP)
Figure 7. TEM cross-section (a) and longitudial direction images (b, c and d) of CFs made from MP (with h 950 cP)

4. CONCLUSIONS

The obtained results demonstrated that the pitch of domestic coal with carbon content above 85 % and sulfur below 1.25 % completely meets the fabrication requirement of high modulus carbon fiber.

The temperature range for mesophase transformation in Thai-Nguyen coal pitch was determined as about (320 ÷ 350) °C.

The holding time for complete transformation to the mesophase in the coal pitch is (135 ÷ 180) minutes. The heating rate of 10 °C/h allows getting the best amount of pitch residue after heat treatment. Some technological parameters have been established for preparing mesophase pitch used in manufacturing of high modulus carbon fibers.

ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported in part by the Research Institute for Application and Transfer of High Technology, VUSTA. The authors acknowledge the Institute of Energy and Mining Engineering (VINACOMIN) and the Institute of Applied Science and Research, the Hanoi Pedagogical University No 2 (HPU-2) for supporting in measurements of the composition and viscosity of coal pitch samples, respectively.

One of the authors (Tran Si Trong Khanh) expresses his sincere thanks to professors in the FEPN (VNU-UET) for their useful discussion.

REFERENCES

  1. Yuan and Z. Cui, Preparation, Characterization, and Applications of Carbonaceous Mesophase: A Review, Nematic Liquid Crystals, IntechOpen, 2019.
  2. Riggs M., Carbon fiber from solvent extracted pitches, Preprints Div. Petrol. Chem. Am. Chem. Soc., 29, 1984, 400.
  3. A.Newcomb, Processing, structure, and properties of carbon fibers, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 91, 2016, 262-282.
  4. Brooks D. and Taylor G. H.; The formation of graphitizing carbon from the liquid phase, Carbon, 3, 1965, 185.
  5. Brooks D. and Taylor G. H.; The formation of some graphitizing. Carbon, Chemistry and Physics of Carbon, Vol. 4, Walker, P. L., Jr., Ed., Marcel Dekker, New. York, 1968, 243.
  6. Bacon , Carbon fibers from mesophase pitches, Phil. Trans. R. Soc. Land., A294, 1979, 437.
  7. Singer S., High modulus carbon fibers from mesophase pitches, in Ultra-High Modulus Polymers, Ciferri
  8. and Ward I. M., Eds., Applied Science Publishers,Essex, UK, 1979, 251.
  9. Riggs M., Shuford R. J., Lewis R. W.; Graphite fibers and composites, in Handbook of Composites, Lubin G., Ed., Van Nostrand Reinhold, New York, 1982, 196.
  10. Riggs P., Carbon fibers, in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 2, John Wiley & Sons, New York, 1985, 640.
  11. Rand , Carbon fibers from mesophase pitches, in Handbook of Composites, Vol. 1, Strong Fibers, Watt
  12. and Perov V., Eds.; Elsevier, New York, 1985, 497.
  13. Matsumoto , Mesophase pitches and its carbon fibers, Pure Appl.Chem., 57, 1985, 1553.
  14. Singer S., Carbon fibers, in Concise Encyclopedia of Composite Materials, Kelly, A., Ed., Pergamon Press, Oxford, 1989, 47.
  15. Diefendorf J. and Riggs D. M.; Forming Optically Anisotropic Pitches, U.S. Patent 4, 208, 1980, 267.
  16. Yuan, Z. Jin, X. Zuo, Z. Xue, F. Yan, Z. Dong, Y. Cong, and X. Li, Effect of Carbonaceous Precursors on the Structure of Mesophase Pitches and Their Derived Cokes, Energy Fuels, 32, 2018, 8329−8339.
  17. Overview of petroleum coking coal, 2011, http://en.wikipedia.org/wiki/Pet blast_coke
  18. Coal pitch, SU standard, No 1038-75.
  19. Edie D. and Dunham M. G.; Melt spinning pitches based carbon fibers, Carbon, 27, 1989, 647.
  20. Ciesinska, Thermo-rheological properties of coal-tar pitch modified with phenol-formaldehyde resin, J Therm Anal Calorim Vol. 130, 2017, 187–195.
  21. Singer S., The mesophase and high modulus carbon fibers from pitches, Carbon, 16, 1978, 408.
  22. K.H. Briggs, Viscosity of coal tar pitch at elevated temperatures, Fuel, Vol. 59, 1980, 201-207.
92

Ảnh hưởng của nhiệt luyện tới tổ chức tế vi, cơ tính và hành vi ăn mòn của thép đúc không gỉ siêu song pha

The effect of heat treatment on the microstructure, mechanical proper- ties and corrosion behavior of cast super duplex stainless steel

ĐINH QUANG ĐÔNG VÀ PHẠM VĂN NGƯNG
Công ty Cổ phần chế tạo Bơm Hải Dương, số 2 Ngô Quyền, Thành phố Hải Dương, tỉnh Hải Dương
*Email: ngunghd1963@gmail.com

Ngày nhận bài: 24/7/2020, Ngày duyệt đăng: 8/10/2021

TÓM TẮT

Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đồng đều hóa trong khoảng 1050 tới 1100 °C và hóa già ở nhiệt độ 480 °C tới tổ chức tế vi, cơ tính và tính chịu ăn mòn lỗ của thép đúc không gỉ siêu song pha (SDSS) đã được nghiên cứu. Kết quả đạt được cho thấy hàm lượng của pha ferit tăng nhẹ và pha austenit giảm nhẹ. Pha ε-Cu đã được quan sát thấy dưới dạng rời rạc sau khi ủ và dạng liên kết sau khi ủ và hóa già ở 480 °C. Các hạt nhỏ mịn của pha ε phân tán trong nền ferit làm tăng độ cứng và giảm khả năng chịu ăn mòn của pha ferit. Đặc biệt, khả năng chịu ăn mòn lỗ đạt được cao hơn cho cả 2 trường hợp ủ và hóa già. Cơ tính của SDSS đã được đánh giá thông qua độ cứng (thô đại và tế vi) và độ dai va đập. Giá trị độ cứng và độ dai va đập của trường hợp ủ ở 1100 °C và hóa già ở 480 °C lần lượt là 295 HB và 77 J.

Từ khóa:  Thép không gỉ siêu song pha, chịu ăn mòn, nhiệt luyện, đúc

ABSTRACT

The effect of solution annealing temperature ranging from 1050 to 1100 °C and aging at 480 °C on the microstructure, mechanical properties and pitting corrosion resistance of cast super duplex stainless steel (SDSS) were investigated. Obtained results showed that the content of ferrite phase slightly increased as decreasing of austenite phase. The ε-Cu phase was observed as incoherent type after solution annealing and coherent one after solution annealing and aging at 480 °C. The fine particles of the ε-phase dispersed in ferrite matrix increase the hardness and diminish corrosion resistance of ferrite phase. Especially, a higher pitting corrosion resistance was obtained for the sample subjected to annealing and aging. The mechanical properties of the SDSS casting were also investigated such as macro- and microhardness and impact strength. The value of hardness and impact strength of SDSS casting, annealed at 1100 °C and aged at 480 °C, were 295 HB and 77 J, respectively.

Keywords: Super duplex stainless steel, corrosion resistance, heat treatment, casting.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thép không gỉ siêu song pha (tiếng Anh: Super Duplex Stainless Steel – SDSS) có tổ chức hai pha là ferit và austenit với tỷ lệ gần bằng nhau và khả năng chống ăn mòn lỗ trên 40. Vật liệu này kết hợp được khả năng chống ăn mòn tốt với tính chất cơ học cao so với thép không gỉ austenit hoặc thép không gỉ ferit [1-3]. Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dầu khí tại các giàn khoan ngoài khơi trong các máy bơm [4], v.v.. Do có tỷ lệ cao giữa tính chất/giá thành, thép SDSS đã được thay thế cho các vật liệu hiệu suất cao khác như thép không gỉ siêu austenit và hợp kim gốc Ni, với khoảng 20 năm ứng dụng thành công trong ngành công nghiệp dầu khí [4, 5].

Việc sản xuất các chi tiết bằng phương pháp đúc cho máy bơm ly tâm có độ dày thành ống vượt quá 125 mm bằng thép không gỉ song pha và SDSS là một nhiệm vụ phức tạp do tốc độ nguội thấp trong quá trình đông đặc. Sự tiết ra các pha liên kim và cacbit là phổ biến và trong đó pha sigma (σ), xuất hiện với tỷ lệ cao nhất, đôi khi đạt gần 20 % [6-8]. Độ dai va đập của thép SDSS nằm giữa các giá trị của thép đúc austenit và ferit. Tuy nhiên, ngay cả một lượng nhỏ các pha thứ cấp, hình thành trong SDSS, sẽ làm giảm năng lượng phá hủy, trong đó ảnh hưởng của pha σ tỏ ra mạnh nhất [9-11]. Vì vậy, giải pháp ủ đồng đều hóa và làm nguội bằng nước (tôi) sẽ hòa tan các pha này và giữ được các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn [8-10].

Mặt khác, ngoài các nguyên tố cơ bản tạo thành ferit và austenit, một số mác SDSS còn chứa thêm Cu. Trong austenit, độ hòa tan đồng tối đa ở 1094 °C lên tới ≈ 8,5 % và ≈ 4 % ở nhiệt độ phòng. Độ hòa tan của đồng trong ferit ở 1480 °C là ≈ 6,0 % và ở nhiệt độ phòng giảm xuống là ≈ 0,2 %, tạo thành pha ε-Cu mịn phân tán và làm tăng độ cứng của nó [12, 13]. Trong các nghiên cứu đã công bố, bằng tác động của hóa già và pha ε-Cu mịn phân tán trong ferit, khả năng chống ăn mòn của các chi tiết làm bằng DSS có thể tăng lên [14]. Kết quả công bố trong [15] cho rằng đối với các phôi đúc lớn, việc hóa già không có hiệu quả và các tác giả đã đề nghị bỏ nó vì chi phí sản xuất tăng lên không cần thiết.

Tùy thuộc vào hàm lượng đồng và nhiệt luyện, pha ε được hình thành trong thép không gỉ ferit- austenit. Sự hiện diện của pha ε trong ferit làm tăng độ cứng của SDSS [14]. Các tạp chất phân tán của pha này có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của màng thụ động và do đó ferit dễ bị ăn mòn lỗ. Hiệu ứng này đã được quan sát thấy trong trường hợp thép không gỉ ferit và thép không gỉ song pha ferit-austenit [15]. Cho đến nay, nhiều công trình đã được thực hiện trên SDSS. Trong đó một số nghiên cứu đã chú ý đến ảnh hưởng của đồng đến khả năng chống ăn mòn của SDSS trong dung dịch nước biển tổng hợp [10].

Trong bài báo này, ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tỷ phần pha, tổ chức tế vi và cơ tính của thép SDSS đúc cho các chi tiết máy như bơm, rôto, cánh gạt dẫn hướng, các chi tiết đường ống, v.v. sẽ được nghiên cứu. Đặc biệt, cũng sẽ phân tích ảnh hưởng của đồng đến khả năng chống ăn mòn của SDSS trong môi trường dung dịch nước biển tổng hợp.

2. THỰC NGHIỆM

Các thép nghiên cứu được nấu chảy từ nguyên liệu thô trong lò cảm ứng trung tần và đúc trực tiếp vào khuôn cát có dạng thỏi hình trụ. Thành phần hóa học của vật đúc cho trong bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học của SDSS (% khối lượng)

Nguyên tố C Cr Ni Mo N Mn Si Cu P S Fe
% ≈0,03 24,6 5,67 3,14 0,36 1,50 0,53 1,35 0,02 0,03 Còn lại

Các thỏi đúc được gia công thành mẫu có kích thước 20 mm x 20 mm x 10 mm để phân tích tổ chức tế vi và kiểm tra độ cứng. Các mẫu thử va đập Charpy có kích thước 10 mm x 10 mm x 55 mm, với khía chữ V sâu 2 mm. Tất cả các mẫu được ủ ở các nhiệt độ khác nhau: (1050, 1080 và 1100 °C) trong 2 giờ, sau đó làm nguội trong nước. Các mẫu sau ủ được hóa già ở 480 °C trong 2 giờ. Nhiệt độ ủ được chọn theo giản đồ pha cân bằng (hình 1), nhờ sử dụng phần mềm Thermo-Calc.

Hình 1. Giản đồ pha của SDSS

Tổ chức tế vi của SDSS sau đúc và xử lý nhiệt, được quan sát trên kính hiển vi quang học Zeiss Axiovert 25. Tỷ phần của các pha trong SDSS được phân tích bằng phần mềm ImagePro Plus. Mẫu đã được tẩm thực bằng Mi21Fe (30 g kali fer- ricyanide + 30 g kali hydroxit + 60 ml nước cất). Tổ chức của ferit và thành phần hóa học của các vùng vi mô đã chọn được phát hiện bằng hiển vi điện tử quét Hitachi S-4800 FE-SEM với bộ vi phân tích thành phần nguyên tố EDS.

Khả năng ăn mòn lỗ được xác định trong dung dịch nước biển tổng hợp ở nhiệt độ phòng. Các đường cong phân cực anốt điện động của thép hợp kim được xây dựng bằng dụng cụ điện hóa AUTOLAB PGSTAT 302N (Hà Lan), bao gồm ba điện cực: điện cực làm việc SDSS (diện tích bề mặt 1 cm2), điện cực đếm platin và điện cực calomel bão hòa (SCE) là điện cực so sánh. Nước biển tổng hợp được pha chế theo tiêu chuẩn ASTM D 1141. Để bảo đảm độ phân giải tốt của đường cong phân cực, tốc độ quét được sử dụng là 5 mV/s và thời gian ngâm trong mạch hở là 1 giờ trước khi bắt đầu quét.

Độ cứng được đo bằng phương pháp Brinell theo tiêu chuẩn PN-EN ISO 6506-1: 2002 dưới tải trọng 1838 N với bi thép đường kính 2,5 mm. Độ cứng tế vi được đo bằng phương pháp Vickers trên máy đo Duramin-2 (Struers, Đan Mạch). Các phép đo được thực hiện với tải trọng 0,49 N (HV0.05) và thời gian tải là 8 s. Ba mươi phép đo độ cứng của ferit và austenit được thực hiện cho mỗi thử nghiệm. Khả năng chịu va đập ở nhiệt độ môi trường đã được đo bằng máy với búa có năng lượng ban đầu là 300 J.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 2 cho thấy tổ chức tế vi của SDSS sau đúc, được quan sát bằng kính hiển vi quang học. 

Hình 2. Ảnh hiển vi quang học của SDSS sau đúc: (a) độ phóng đại thấp và (b) độ phóng đại cao

Trên ảnh hiển vi pha α tương đối tối, pha sáng γ (hình 2a) và pha σ tồn tại ở biên hạt (hình 2b). Mầm của pha σ thường thấy ở bề mặt phân cách ferit/austenit và chúng phát triển vào trong các hạt ferit, do đó hàm lượng Cr trong ferit cao hơn so với austenit. Pha này cũng có thể được hình thành bằng cách phân hủy cùng tích theo phản ứng δ -> σ + γ’ trong khoảng nhiệt độ (700 ÷ 900) °C.

Hình 3. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1050 oC

Hình 4. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1080 oC

Hình 5. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1100 oC

Hình 6. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1100 oC (độ phóng đại cao)

Hình 7. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1050 oC và hóa già ở 480 oC

Hình 8. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1080 oC và hóa già ở 480 oC

Hình 9. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1100 oC và hóa già ở 480 oC

Hình 10. Ảnh hiển vi quang học của SDSS ở nhiệt độ ủ 1100 oC và hóa già ở 480 oC (độ phóng đại cao)

Tổ chức tế vi của SDSS phụ thuộc vào nhiệt độ ủ (hình 3-6) và hóa già ở 480 °C (hình 7-10). Sau khi ủ, SDSS đúc được đặc trưng bởi tổ chức song pha ferit – austenit. Nhiệt độ cao của quá trình ủ đã hòa tan pha σ được hình thành trong quá trình nguội sau đông đặc, trong khi tốc độ nguội cao ngăn cản nó tái hình thành. Mặt khác, tỷ phần của pha ferit tăng lên khi tăng nhiệt độ ủ (hình 11). Ở nhiệt độ ủ 1100 °C, tỷ phần của ferit và austenit lần lượt là 48 và 52 %.

Hình 11. Tỷ phần pha của ferit và austenit phụ thuộc vào nhiệt độ ủ

Kết quả kiểm tra cho thấy, ở thép SDSS đúc, nhiệt độ ủ trong khoảng (1080 ÷ 1100) °C tạo ra tổ chức ferit – austenit tương đương nhau. Việc làm nguội bằng nước đối với các vật mẫu nhỏ, như trong điều kiện phòng thí nghiệm, đã ngăn chặn sự hình thành của pha σ trong tổ chức của thép SDSS đúc. Trong điều kiện nung ủ công nghiệp, tốc độ nâng và làm nguội thấp hơn trong phòng thí nghiệm sẽ tăng tỷ phần thể tích của pha σ nên làm giảm tính chất của vật liệu. Trong mẫu thép SDSS đúc, độ dai va đập đạt 21 J, so với 90 J của mẫu được nung ở 1100 °C và làm nguội bằng nước (bảng 2).

Đồng được sử dụng trong thép SDSS để cải thiện tính đúc và giảm xu hướng tạo độ xốp, nhằm mục đích tăng tính năng ma sát sau hóa già. Vùng nhiệt độ hóa già để hình thành pha ε-Cu tăng độ cứng là (480 ÷ 510) °C [13, 15].

Kiểm tra trên hiển vi điện tử quét cho thấy nung ủ trong nhiều giờ trước khi tôi đã không đảm bảo sự hòa tan hoàn toàn của pha ε-Cu được hình thành trong quá trình nguội của vật đúc và hình 12a cho thấy chúng khá rời rạc. Sự hiện diện của đồng không bị hòa tan trong quá trình ủ ở một mức độ nào đó đã làm giảm hiệu quả của quá trình hóa già tiếp theo. Kết quả của hóa già ở 480 °C xem trên hình 12b, trong đó pha ε-Cu hình cầu, phân bố đồng đều trong nền ferit và có dạng hạt cà phê đặc trưng chứng tỏ chúng đã liên kết với nền. Mặt khác, cũng đã quan sát được khá nhiều hạt hình cầu phân bố đồng đều trên nền ferit, thành phần của chúng đã được xác nhận bởi phổ EDS (hình 12c).

Hình 12. Ảnh hiển vi điện tử quét của thép SDSS (a) sau ủ ở 1100 oC, (b) sau hóa già ở 480 oC và (c) phổ EDS của những hạt cầu

Hóa già ở 480 °C làm tăng độ cứng và giảm độ dai va đập so với trường hợp chỉ có ủ (bảng 2 và 3). Sự gia tăng độ cứng tổng thể được xác định chủ yếu bởi sự gia tăng rõ rệt độ cứng (tế vi) của ferit, liên quan đến sự tiết pha biến cứng của nó, pha ε-Cu phân tán được mịn hóa ở 480 °C. Ủ đã tạo ra sự gia tăng nhanh chóng độ dai va đập của thép SDSS so với thép SDSS sau đúc (bảng 2). Quá trình hóa già làm giảm đáng kể độ dai va đập của thép SDSS so với ủ đồng đều hóa (bảng 3).

Bảng 2. Độ cứng và độ dai va đập phụ thuộc vào nhiệt độ ủ

Nhiệt độ Sau đúc 1050 °C 1080 °C 1100 °C
HB 280 260 267 272
HV0,05δ 302 288 283 285
HV0,05γ 251 245 251 253
KV, J 21 89 90 90

Bảng 3. Độ cứng và độ dai va đập phụ thuộc vào nhiệt độ ủ và hóa già ở 480 °C

Nhiệt độ Sau đúc 1050 °C 1080 °C 1100 °C
HB 280 291 295 295
HV0,05δ 302 309 318 323
HV0,05γ 251 270 275 274
KV, J 21 77 78 77

Hình 13. Đường cong phân cực điện động của thép SDSS sau ủ ở 1100 oC không hóa già và hóa già ở 480 oC trong dung dịch muối tổng hợp

Các đường cong phân cực điện động của mẫu ủ ở 1100 °C và mẫu ủ ở cùng nhiệt độ và sau đó hóa già ở 480 °C được cho trên hình 13. Hình 13 cho thấy hình dạng giống nhau của các đường cong phân cực anot của thép SDSS (sau ủ và hóa già) trong dung dịch nước biển tổng hợp [10]. Thấy rằng hợp kim bị ăn mòn ở trạng thái thụ động là do sự hiện diện của các ion clorua. Dung dịch mẫu được ủ ở 1100 °C và hóa già ở 480 °C cho giá trị Ep lỗ dương hơn (1070 mV) so với dung dịch mẫu được ủ và không hóa già (870 mV). Điều này có nghĩa là quá trình ủ và hóa già làm cho mẫu có khả năng chống ăn mòn lỗ cao hơn so với mẫu chỉ được ủ. Hơn nữa, các ảnh hiển vi quang học của thép SDSS sau khi kiểm tra ăn mòn cho trong hình 14, cũng xác nhận thấy có rất nhiều vết rỗ trên bề mặt của các mẫu không hóa già. Trên bề mặt đó các vết rỗ lớn và chúng nằm ở biên hạt và bên trong hạt ferit (hình 14a và 14b). Sau khi hóa già, các vết rỗ trên bề mặt mẫu giảm đáng kể và nhỏ hơn so với trường hợp không hóa già (hình 14c và 14d).

Hình 14. Ảnh hiển vi quang học của thép SDSS sau khi ăn mòn bằng dung dịch muối tổng hợp (không tẩm thực): (a, b) ủ ở 1100 oC không hóa già và (c, d) ủ ở 1100 oC và hóa già ở 480 oC.

4. KẾT LUẬN

Nhiệt luyện đã ảnh hưởng đến tổ chức tế vi, cơ tính cũng như khả năng chống ăn mòn của thép đúc SDSS. Sau khi ủ đồng đều hóa, đã đạt được sự hòa tan của pha σ và tổ chức ferit-austenit hoàn chỉnh. Đặc biệt, đã quan sát thấy pha ε-Cu ở dạng rời rạc sau khi ủ và dạng liên kết sau khi ủ kèm hóa già ở 480 °C. Các hạt nhỏ mịn của pha ε-Cu phân tán trong nền ferit làm tăng độ cứng của chúng. Hơn nữa, các mẫu được ủ và hóa già cho thấy khả năng chống ăn mòn lỗ cao hơn so với mẫu không hóa già.

Độ cứng tăng lên khi mẫu được hóa già nhưng độ dai va đập giảm so với trường hợp không hóa già. Giá trị độ cứng và độ dai va đập của thép đúc SDSS, được ủ ở 1100 °C và hóa già ở 480 °C, lần lượt là 295 HB và 77 J.

LỜI CẢM ƠN

Các tác giả xin chân thành cảm ơn tiến sỹ Đỗ Văn Quảng, nguyên cán bộ giảng dạy trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp thực hiện chụp ảnh hiển vi điện tử quét và phổ EDS cho các mẫu trong nghiên cứu này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. O. Nilsson, Super duplex stainless steels, Mater. Sci. Technol, 8, 1992, p. 685.
  2. Pettersson, S. Wessman, M. Thuvander, P. Hedström, J. Odqvist, R. F. A. Pettersson, S. Hertzman; Nanostructure evolution and mechanical property changes during aging of a super duplex stainless steel at 300 °C, Mater. Sci. Eng. A, 647, 2015, p. 241.
  3. D. Ramkumar, A. Singh, S. Raghuvanshi, A. Bajpai, T. Solanki, M. Arivarasu, N. Arivazhagan, S. Narayanan, Metallurgical and mechanical characterization of dissimilar welds of austenitic stainless steel and super-duplex stainless steel – a comparative study, J. Manu. Pro, 19, 2015, p. 212.
  4. Kangas, G. Chai, Super and hyper duplex stainless steels: structures, properties and applications, in Porc. 17th APCCC 2016.
  5. Muthupandi, P. B. Srinivasan, S. K. Seshadri, S. Sundaresan, Effect of weld metal chemistry and heat input on the structure and properties of duplex stainless steel welds, Mater. Sci. Eng.  A, 358, 2003, p. 9
  6. Zhang, H. Jing, L. Xu, Y. Han, L. Zhao, Investigation on microstructure evolution and properties of duplex stainless steel joint multi-pass welded by using different methods, Materials & Design, 109, 2016, p. 670.
  7. Labanowski, Stress corrosion cracking susceptibility of dissimilar stainless steel welded joints, J. Achie. Mater. Manu. Eng., 20, 2007, p. 255.
  8. Li, Y. Wang, X. Wang, Effects of ferrite content on the mechanical properties of thermal aged duplex stain- less steels, Mater. Sci. Eng. A, 625, 2015, p. 186
  9. H. Chen, K.L. Weng, J.R.Yang, The effect of high-temperature exposure on the microstructural stability and toughness property in a 2205 duplex stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, 338, 2002, p. 259.
  10. Martins, L. C. Casteletti, Microstructural characterization and corrosion behavior of a super duplex stain- less steel casting, Mater. Charact., 60, 2009, p. 150.
  11. Lopez, M. Cid, M. Puiggali, Influence of o-phase on mechanical properties and corrosion resistance of duplex stainless steels, Corros. Sci., 41, 1999, p. 1615.
  12. H. Kang, H. W. Lee, Study of the correlation between pitting corrosion and the component ratio of the dual phase in duplex stainless steel welds, Corros. Sci., 74, 2013, p. 396.
  13. Dyja, Z. Stradomski, Quench ageing behavior of duplex cast steel with nano-scale ε-Cu particles, J. Achie. Mater. Manu. Eng., 20, 2007, p. 435.
  14. Smuk, H. Hanninen, J. Liimatainen, Mechanical and corrosion properties of P/M-HIP super duplex stain- less steel after different industrial heat treatments as used for large components, Mater. Sci. Technol., 20, 2004, p. 641
  15. Bana, A. Mazurkiewicz, The effect of copper on passivity and corrosion behaviour of ferritic and ferrit- ic–austenitic stainless steels, Mater. Sci. Eng. A, 277, 2000, p. 183.
91

Nghiên cứu công nghệ chế tạo cacbit bo (B4C) từ phối liệu nhựa than đá Thái Nguyên và axit boric

A study on manufacturing technology for boron carbide (B4C) from raw materials of Thai Nguyen coal pitch and boric acid

TRẦN SĨ TRỌNG KHANH1,2
1 Viện NC Ứng dụng và chuyển giao công nghệ cao

2 Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano, trường Đại học công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội
Email: transikhanh.2012@gmail.com

Ngày nhận bài: 16/5/2020, Ngày duyệt đăng: 24/8/2020

 TÓM TẮT

Công nghệ làm sạch tạp rắn trong nhựa đường than đá Thái Nguyên đã được thực hiện bằng phương pháp quay ly tâm. Công nghệ ép nóng để tạo hỗn hợp phối liệu phản ứng (nhựa đường + B2O3) có mật độ cao và công nghệ tổng hợp cacbit bo (B4C) siêu cứng có hiệu suất thu hồi cao được tiến hành từ nguyên vật liệu có sẵn trong nước. Sự phụ thuộc của lượng tạp được tách ra khỏi hỗn hợp và tỷ lệ thu hồi B4C vào thời gian, nhiệt độ và áp lực của quá trình ép nóng đã được phân tích và đánh giá. Từ đó quy trình công nghệ làm sạch tạp rắn trong nhựa đường than đá Thái Nguyên được xác lập, cũng như quá trình ép nóng tạo phối liệu thích hợp cho công nghệ tổng hợp cacbit bo siêu cứng có hiệu suất cao đã được khẳng định.

Từ khóa: cacbit bo, nhựa đường, than đá Thái Nguyên

ABSTRACT

The cleaning technology for solid impurities in the Thai Nguyen coal pitch by centrifugal rotation, the hot press- ing technology to create a material mixture of reaction (pitch + B2O3) with high density and the synthesis technol- ogy of super hard boron carbides (B4C) with high recovery efficiency from local raw materials have been studied. The dependence of the amount of impurities extracted from the mixture and the recovery rate of B4C on time, tem- perature and pressure of the hot pressing process was analyzed and evaluated. Therefore, the process of clean- ing solid particles in Thai Nguyen coal pitch has been established, as well as the hot press processing to create a suitable blend for synthesis of hard boron carbide with high efficiency has been confirmed.

Từ khóa: boron carbide, pitch, Thai Nguyen coal

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Cacbit bo siêu cứng (B4C) là vật liệu có độ cứng cao chỉ đứng sau kim cương nhân tạo và nitrua bo (β-BN hay còn gọi là enbor). Do đó B4C thường được thay thế cho kim cương và enbor trong cắt gọt, mài rà, đánh bóng các chi tiết máy có độ cứng cao [1, 9]. Các tính chất và ứng dụng của cacbit bo trong cơ khí được nêu ở [2, 3]. Những kết quả tổng hợp cacbit bo bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) được công bố trong [4-8].

B4C thường được tổng hợp từ các vật liệu có chứa C (muội than, graphit tự nhiên, nhựa đường than đá, dầu khí, xenlulô thực vật…) với axit boric. Nhưng do muội than có giá cao gấp khoảng (25÷30) lần so với giá nhựa đường trên thị trường Việt Nam hiện nay (giá muội than khoảng 400÷500 nghìn đồng, trong khi giá nhựa đường than đá khoảng 10- 15 nghìn đồng). Mà giá B4C chủ yếu phụ thuộc vào giá của nguyên vật liệu đầu vào nên các nhà công nghệ cần tìm kiếm các loại nguyên liệu có chứa hàm lượng C cao để thay thế cho muội than. Trong nghiên cứu này đã nghiên cứu dùng nhựa đường than đá Thái Nguyên là nguyên vật liệu có sẵn trong nước để thay thế cho muội than trong công nghệ chế tạo cacbit bo siêu cứng thay kim cương nhân tạo và enbor siêu cứng trong chế tạo máy.

Nhựa đường than đá, nguyên liệu đầu vào để tổng hợp B4C có chứa nhiều tạp. Các tạp chủ yếu là chất bốc và tạp rắn như oxit kiềm và kiềm thổ, các tạp rắn tách ra khỏi nhựa đường bằng phương pháp ly tâm.

Từ những bước công nghệ chế tạo cacbit bo siêu cứng, trong bài báo này tác giả sẽ trình bày ba nội dung sau: sự phụ thuộc của lượng tạp rắn tách khỏi nhựa đường vào nhiệt độ nung nhựa đường và thời gian ly tâm; sự phụ thuộc của mật độ hỗn hợp phối liệu (nhựa đường + anhidrit bo) vào các thông số công nghệ ép nóng; ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến hiệu suất thu hồi cacbit bo.

2. THỰC NGHIỆM

Quy trình công nghệ chế tạo B4C từ nhựa đường than đá với axit boric được đề xuất và tiến hành theo các bước nêu trên sơ đồ:

Để làm sạch nhựa đường than đá Thái nguyên khỏi chất bốc và lưu huỳnh, mẫu đã được nung trong lò 1280 oC (hình 1a), và tiến hành chế tạo cacbit bo ở nhiệt độ cao sử dụng lò điện cực graphit công suất 50 kW (hình 1b).

Hình 1.(a) Lò điện trở 1280 oC; (b) Lò điện cực graphit nhiệt độ cao
Hình 1.(a) Lò điện trở 1280 oC; (b) Lò điện cực graphit nhiệt độ cao

Máy ly tâm của Viện IHT với các bình chứa nhựa đường gồm có móc treo, thân và đáy (hình 2). Sau ly tâm, tạp rắn tập trung lắng xuống phần đáy của bình. Sau đó phần đáy được tháo ra và đưa vào lò (hình 1) nung đến 900 oC để đốt cháy hết nhựa đường còn dư và xác định tổng tạp rắn sau nung.

Hình 2. Máy ly tâm với trục quay có gắn hai bình chứa nhựa đường
Hình 2. Máy ly tâm với trục quay có gắn hai bình chứa nhựa đường

Quá trình làm đặc sít hỗn hợp phản ứng (nhựa đường + B2O3) được thực hiện trên máy ép song động do Viện VCN – BQP thiết kế và chế tạo (hình 3) với nhiệt độ có thể lên tới 2200 oC.

Hình 3. Máy ép song động đang ép nóng hỗn hợp (nhựa đường + anhidrit bo)
Hình 3. Máy ép song động đang ép nóng hỗn hợp (nhựa đường + anhidrit bo)

Nguyên liệu ban đầu để tổng hợp B4C là nhựa đường than đá Thái Nguyên (hình 4).

Khuôn ép nóng làm bằng graphit điện cực được chế tạo như ở hình 5. Các loại khuôn ép nóng làm từ điện cực graphit mật độ thấp, chúng chỉ được dùng một lần vì cần ép nóng hỗn hợp phối liệu (nhựa đường + B2O3) ở nhiệt độ cao trên 500 oC.

Hình 4. Nhựa đường than đá Thái Nguyên dùng để chế tạo phối liệu tổng hợp B4C
Hình 4. Nhựa đường than đá Thái Nguyên dùng để chế tạo phối liệu tổng hợp B4C

Hình 5. Khuôn ép nóng bằng graphit điện cực
Hình 5. Khuôn ép nóng bằng graphit điện cực

Để xác định lượng tạp chất, nhựa đường được cân với khối lượng trước nung là 100 %. Sau khi nung đến nhiệt độ (450÷500) oC để khử chất bốc, tỷ số hiệu khối lượng nhựa đường trước và sau nung và khối lượng nhựa đường trước nung nhân với 100% sẽ là lượng chất bốc trong nhựa đường.

Lượng tạp rắn trong nhựa đường được xác định sau khi đã khử hết chất bốc, rồi quay ly tâm và nung tiếp nhựa đường đến nhiệt độ (900÷1000) oC, để làm sạch tạp còn lại. Tỷ số hiệu khối lượng nhựa trước và sau nung và khối lượng nhựa đường trước nung nhân với 100 % sẽ là tỷ phần tạp rắn trong nhựa đường.

Lượng B4C  được  xác  định  theo  thành phần của phản ứng cacbit hóa hỗn hợp (nhựa đường + axit boric) ở các nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt phản ứng khác nhau. B4C được tạo ra theo phản ứng:

7C + 4H3BO3 = B4C + 6H2O + 6CO.

Tỷ lệ khối lượng giữa axit và nhựa đường (đã nung ở 500 oC) để tổng hợp B4C được tính là: H3BO3/nhựa đường meso = 3/1. Thực nghiệm cho thấy với tỷ lệ trên sẽ còn dư một lượng B2O3. Lượng dư này có thể tách ra khỏi B4C bằng axit HCl.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Nghiên cứu công nghệ tách tạp rắn ra khỏi nhựa đường than đá Thái Nguyên

Vì nhựa đường là khoáng vật được tách ra từ than đá nên nó có độ nhớt rất cao. Để tách tạp ra khỏi nhựa đường cần phải nung nhựa đường lên đến nhiệt độ hoá lỏng của nó. Bảng 1 ghi lại độ nhớt của nhựa đường than đá Thái Nguyên phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Độ nhớt được đo trên máy đo độ nhớt DV-II+ Pro tại Viện Nghiên cứu khoa học và ứng dụng, Trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2.

Các thông số đo độ nhớt như sau:

  • Tốc độ quay: 3 v/ph
  • Loại trục quay: số 4 (loại nhỏ)
  • Số lần lặp lại: 3 lần
  • Nhiệt độ bắt đầu: 100 oC
  • Nhiệt độ kết thúc: 135 oC
  • Đơn vị đo độ nhớt: cP

Các thí nghiệm tách tạp rắn ra khỏi nhựa đường được tiến hành với các thông số sau:

  • Tốc độ quay của máy ly tâm thay đổi bằng biến tần hoặc thay đổi
  • Nhiệt độ nung nhựa đường khi bắt đầu ly tâm thay đổi là 150, 200 và 250 oC

Bảng 1. Độ nhớt (cP) đo ở các nhiệt độ khác nhau

TT Nhiệt độ (oC) Lần 1 Lần 2 Lần 3
1 100 456 503,3 486,5
2 105 512,4 524,6 506,2
3 110 543,7 567,2 630,1
4 115 599,9 693,6 668,6
5 120 782,1 732,8 695,5
6 125 824,4 768,3 784,7
7 130 976,7 812,7 846,5
8 135 1456 896,1 1340,4

Từ bảng 1 thấy rằng độ nhớt tăng từ 456 đến 1456 cP khi tăng nhiệt độ nung từ 100 lên 300 oC.

Ngoài ra, quan sát thấy lượng tạp rắn được tách ra tăng phi tuyến theo tốc độ ly tâm và nhiệt độ nung. Tốc độ tăng trưởng lượng tạp rắn giảm dần khi tăng nhiệt độ nung. Rõ ràng là độ nhớt của nhựa đường đã quyết định đến quá trình tách tạp rắn ra khỏi nó.

Đã quan sát ảnh hưởng của thời gian ly tâm đến lượng tạp rắn được tách ra ở tốc độ ly tâm không đổi là 220 v/ph tại các nhiệt độ khác nhau (150, 200 và 250 oC). Kết quả được nêu trên đồ thị ở hình 6.

Hình 6. So sánh các đường cong phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ của lượng tạp được tách khỏi nhựa đường, tốc độ ly tâm không đổi là 220 v/ph
Hình 6. So sánh các đường cong phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ của lượng tạp được tách khỏi nhựa đường, tốc độ ly tâm không đổi là 220 v/ph

Thấy rằng với tốc độ ly tâm 220 v/ph ở các nhiệt độ 150 và 200 oC thời gian ly tâm 40 phút là chưa đủ để tạp rắn có thể tách ra hết khỏi nhựa đường. Với thời gian và tốc độ ly tâm tương tự nhưng ở nhiệt độ 250 oC thì tạp rắn đã tách hoàn toàn ra khỏi nhựa đường

Từ đây có thể chọn một chế độ công nghệ thích hợp để tách tạp rắn ra khỏi nhựa đường than đá Thái Nguyên với các thông số sau:

  • Tốc độ ly tâm: 220 v/ph
  • Nhiệt độ của nhựa đường tại thời điểm bắt đầu ly tâm: 250 oC
  • Thời gian ly tâm: 40 phút

3.2. Nghiên cứu sự phụ thuộc của mật độ hỗn hợp phối liệu (nhựa đường + anhidrit bo) vào các thông số C ép nóng

Đã xác lập được ảnh hưởng của các thông số ép nóng (nhiệt độ, lực ép và thời gian giữ lực ép) đến mật độ của hỗn hợp (nhựa đường + anhidrit bo). Thiết bị dùng để ép nóng là máy ép song động (xem hình 3).

3.2.1. Sự phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào nhiêṭ độ (P =160kG/cm2, t = 35 ph)

Đã xây dựng đường cong phụ thuộc vào nhiệt độ ép nóng của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu (hình 7). Khối lượng tương đối phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ ép nóng. Ở đây khác với trường hợp hỗn hợp phối liệu là muội than hoặc graphit tự nhiên với anhidrit bo, do nhựa đường có độ nóng chảy thấp nên bắt đầu từ nhiệt độ 250 oC đã thấy rõ ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng của hỗn hợp phối liệu.

 Hình 7. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào nhiệt độ ép nóng
Hình 7. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào nhiệt độ ép nóng

3.2.2. Sự phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào áp lực ép (t = 35 ph)

Đã xây dựng đường cong phụ thuộc vào áp lực ép nóng của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu (hình 8). Có thể thấy rằng áp lực ép ảnh hưởng không nhiều lắm đến khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu.

Hình 8. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào áp lực ép nóng
Hình 8. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào áp lực ép nóng

3.2.3. Sự phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào thời gian giữ lực ép

Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào thời gian giữ áp lực ép nóng của mẫu trên hình 9. Cũng giống như áp lực ép, thời gian giữ lực ép cũng không ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng tương đối của hỗn hợp.

Hình 8. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào áp lực ép nóng
Hình 8. Đường cong phụ thuộc của khối lượng tương đối của hỗn hợp phối liệu vào áp lực ép nóng

3.3. Nghiên cứu sự phụ thuộc của lượng B4C thu được sau phản ứng vào thời gian phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau

3.3.1. Sự phụ thuộc của lượng B4C thu được sau phản ứng vào thời gian giữ phản ứng ở nhiệt độ 1800 oC

Lượng B4C thu được theo thời gian giữ nhiệt tại 1800 oC và đồ thị phụ thuộc thời gian được thể hiện trong bảng 2 và hình 10.

Hình 10. So sánh tỷ lệ thu hồi B4C (%) phụ thuộc vào thời gian giữ phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau từ 1800 đến 2100 oC
Hình 10. So sánh tỷ lệ thu hồi B4C (%) phụ thuộc vào thời gian giữ phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau từ 1800 đến 2100 oC

Đồ thị trên hình 10 có thể chia thành ba giai đoạn của phản ứng tạo B4C. Giai đoạn thời gian từ 0 đến 30 phút có lượng B4C gần như tỷ lệ với thời gian giữ nhiệt. Đúng ra, đây là thời gian vừa tích nhiệt vừa xẩy ra phản ứng, do đó tốc độ phản ứng chậm.

Bảng 2. Lượng B4C (%) nhận được theo thời gian giữ nhiệt ở 1800 oC

tph.ứng (phút) Tph.ứng (oC) Lượng B4C (%)
15 1800 5
30 1800 10
45 1800 22
60 1800 38
75 1800 40
90 1800 42

Giai đoạn phản ứng xẩy ra mãnh liệt là từ 30 đến 60 phút. Ban đầu phản ứng xẩy ra ở vùng phối liệu nằm sát thành bao nung chứa phối liệu. Tại phần phối liệu ở giữa thuyền phản ứng xẩy ra chậm nhất do nhiệt độ “thấm” vào chậm hơn.

Giai đoạn từ 60 đến 80 phút phản ứng xẩy ra rất chậm, cho hết 80 phút phản ứng vẫn chưa xẩy ra hoàn toàn. Phải kéo dài đến 120 phút phản ứng mới xẩy ra hoàn toàn, đồng thời nhận được hạt B4C mịn.

3.3.2. Sự phụ thuộc của lượng B4C thu được sau phản ứng vào thời gian giữ phản ứng ở nhiệt độ 1900 oC

Kết quả khảo sát cho trong bảng 3 và đồ thị xem trên hình 10.

Bảng 3. Lượng B4C (%) nhận được theo thời gian giữ nhiệt ở 1900 oC

tph.ứng (phút) Tph.ứng (oC) Lượng B4C (%)
15 1900 5
30 1900 15
45 1900 32
60 1900 50
75 1900 54
80 1900 55

Có thể thấy trong khoảng thời gian từ 0 đến 30 phút lượng B4C gần như tỷ lệ với thời gian giữ nhiệt. Cũng như phản ứng ở 1800 oC, đây là thời gian tích nhiệt kèm theo phản ứng xẩy ra với tốc độ chậm, tuy có nhanh hơn một chút so với phản ứng ở nhiệt độ 1800 oC.

Giai đoạn phản ứng xẩy ra mạnh là từ 30 đến 45 phút. Các quá trình đặc trưng cho vùng sát thành bao nung và ở tâm cũng giống như ở 1800 oC nhưng xẩy ra mạnh hơn nhiều.

Giai đoạn từ 45 đến 60 phút cho thấy phản ứng xẩy ra mãnh liệt. Quan sát ngọn lửa đốt CO ở phía ngoài lò thấy có độ cao lớn nhất, đến khoảng phút thứ 55 thì ngọn lửa giảm dần.

Giai đoạn từ 60 đến 80 phút với phản ứng xẩy ra rất yếu, cho đến hết 80 phút phản ứng đã xẩy ra hoàn toàn.

Như vậy, so với trường hợp 1800 oC, phản ứng tạo B4C gần như xẩy ra ở khoảng 15-45 phút là chính. Thời gian còn lại phản ứng chủ yếu là ở lõi.

Đối với nhà sản xuất thì đến 45 phút là bao nung đã được đẩy khỏi vùng nhiệt để phối liệu tiếp tục được phản ứng ở vùng phía sau. Phần phối liệu lõi còn lại chiếm khoảng 10 % là chưa phản ứng hoàn toàn sẽ được lấy ra trong quá trình tháo sản phẩm khỏi bao nung và chứa vào một chỗ, gọi là “bán phối liệu” hay còn gọi là “sản phẩm còn sống”. Khi tích lũy

được đủ khối lượng phần lõi này được giã nhỏ ra, rồi nạp lại vào bao nung để làm phản ứng tiếp. Thời gian phản ứng lại của “bán phối liệu” cũng chỉ khoảng 30 phút.

Đây là bài toán kinh tế trong quá trình sản xuất B4C bằng lò ống điện trở graphit. Với phương pháp này, thời gian tổng hợp B4C giảm xuống một nửa và năng lượng cũng giảm xuống gần một nửa. Đây là một giải pháp hữu ích cho những người sản xuất sau này.

3.3.3. Sự phụ thuộc của lượng B4C thu được sau phản ứng vào thời gian giữ phản ứng ở nhiệt độ 2000 oC

Kết quả phân tích nêu trong bảng 4 và hình 10 cho thấy ở các giai đoạn 0-15 phút, 15-45 phút và 45-80 phút quá trình diễn ra cũng tương tự như trường hợp ở nhiệt độ 1900 oC, tuy có nhanh hơn một ít.

Song so với trường hợp 1900 oC thì phản ứng tạo B4C gần như xẩy ra hoàn toàn ở khoảng thời gian 50-60 phút là chính. Phần ở lõi chưa phản ứng hầu như không có. Giai đoạn từ 60 đến 80 phút phản ứng xẩy ra rất yếu, cho hết 80 phút phản ứng đã xẩy ra hoàn toàn.

Bảng 4. Lượng B4C (%) nhận được theo thời gian giữ nhiệt ở 2000 oC

tph.ứng (phút) Tph.ứng (oC) Lượng B4C (%)
15 2.000 13
30 2.000 21
45 2.000 45
60 2.000 68
75 2.000 78
80 2.000 80

3.3.4. Sự phụ thuộc của lượng B4C thu được sau phản ứng vào thời gian giữ phản ứng ở nhiệt độ 2100 oC

Bảng 5. Lượng B4C (%) nhận được theo thời gian giữ nhiệt ở 2100 oC

tph.ứng (phút) Tph.ứng (oC) Lượng B4C (%)
15 2100 18
30 2100 72
45 2100 92
60 2100 94
75 2100 95
80 2100 96

Bảng 5 và hình 10 cho biết kết quả khảo sát lượng B4C theo thời gian giữ nhiệt ở 2100 oC. Dưới đây là các giai đoạn của phản ứng:

Giai đoạn từ 0 đến 45 phút phản ứng xẩy ra mãnh liệt, bắt đầu ở vùng phối liệu sát thành bao nung. Phản ứng tại tâm của thuyền xẩy ra mạnh hơn nhiều so với trường hợp 2000 oC. Ngọn lửa đốt CO ở ngoài lò có độ cao lớn nhất. Đến khoảng phút thứ 45 thì ngọn lửa giảm dần, cho thấy phản ứng tạo B4C đã xẩy ra hoàn toàn.

So sánh tỷ lệ B4C thu được sau phản ứng phụ thuộc vào thời gian phản ứng ở các nhiệt độ khác

nhau từ 1800 đến 2100 oC được thể hiện trên đồ thị hình 10. Kết quả cho thấy nhiệt độ càng cao thì hiệu quả thu hồi càng cao và trong khoảng thời gian càng ngắn. Tuy nhiên tiêu hao năng lượng cũng nhiều hơn.

Từ đây, trên cơ sở xác lập quan hệ giữa lượng thu hồi B4C với thời gian giữ nhiệt tại vùng nhiệt độ phản ứng (1800÷2100) oC có thể đề xuất:

  • Nhiệt độ tối ưu tổng hợp B4C là 2000 oC,
  • Thời gian thích hợp để tổng hợp B4C là (50÷60) phút,
  • Với chế độ công nghệ này, lượng B4C thu được là trên 95 %.

4. KẾT LUẬN

  1. Đã xác lập được chế độ công nghệ thích hợp để tách tạp rắn ra khỏi nhựa đường than đá Thái Nguyên bằng công nghệ ly tâm.
  2. Đã xác lập được phương pháp ép nóng thích hợp để tạo hỗn hợp phối liệu có khối lượng cao.
  3. Đã xác lập được chế độ công nghệ tổng hợp cacbit bo siêu cứng (B4C) ở dải nhiệt độ (1800÷2100) oC

Kết quả phân tích thành phần pha, tổ chức tế vi và một số tính chất của B4C làm bột mài sẽ được nêu trong công bố khác.

LỜI CẢM ƠN

Bài báo được thực hiện với sự tài trợ của ban chủ nhiệm đề tài cấp VUSTA (Liên hiệp các hội KHKT Việt Nam) “Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu cứng cacbua bor từ nguyên liệu trong nước và ứng dụng”, 2017 – 2019.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Dmitry Kovalev, Sergey V. Konovalihin; Boron Carbide, Concise Encyclopedia of Self Propagating High- Temperature Synthesis; History, Theory, Technology, and Products, 2017, Pages 42-44
  2. Hugh Pierson, Characteristics and Properties of Silicon Carbide and Boron Carbide, Handbook of Refractory Carbides and Nitrides; Properties, Characteristics, Processing and Applications, 1996, Pages 137-155
  3. Knoch, Boron Carbide, Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, 1991, Pages 38-39
  4. Olsson, B. Stridh, U. Jansson, J.-O. Carlsson, S. Söderberg; Mechanical and tribological properties of chemically vapour-deposited boron carbide coatings, Materials Science and Engineering: A, Volumes 105-106, Part 2, December 1988, Pages 453-463
  5. Ulf Jansson, Jan-Otto Carlsson; Chemical vapour deposition of boron carbides in the temperature range 1300–1500 K and at a reduced pressure, Thin Solid Films Volume 124, Issue 2, 8 February 1985, Pages 101-107
  6. Olsson, S. Söderberg, B. Stridh, U. Jansson, J.-O. Carlsson; Chemical vapour deposition of boron car- bides II: Morphology and microstructure, Thin Solid Films Volume 172, Issue 1, 1 May 1989, Pages 95-109
  7. Olsson, S. Söderberg, B. Stridh, U. Jansson, J.-O. Carlsson; Chemical vapour deposition of boron car- bides I: Phase and chemical composition, Thin Solid Films, Volume 172, Issue 1, 1 May 1989, Pages 81-93
  8. Angersab, M. Beauvy; Hot-pressing of boron carbide, Ceramics International, Volume 10, Issue 2, April–June 1984, Pages 49-55
  9. Klaus Ploog, Composition and structure of boron carbides prepared by CVD, Journal of Crystal Growth, Volumes 24–25, October 1974, Pages 197-204.
91

Gia công chế tạo chi tiết cấy ghép bằng hợp kim titan TiAl6Nb7

The fabrication process of TiAl6Nb7 applied for bone-reinforcement implants

NGUYỄN TIẾN TÀI1,*, HOÀNG ANH TUẤN1, NGUYỄN HỒNG HẢI2, LÊ THỊ HỒNG NHUNG3, NGÔ DUY THÌN3
1 Viện Công nghệ, TCT Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam, Bộ Công-Thương

2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
3 Trường Đại học Y Hà Nội
*Email: tainvcn@gmail.com

Ngày nhận bài: 2/5/2020, Ngày duyệt đăng: 14/8/2020

TÓM TẮT

Hợp kim titan là một trong những nhóm vật liệu khó chế tạo và gia công do titan là nguyên tố có hoạt tính cao với oxy, nitơ và hyđro ở nhiệt độ cao. Đặc biệt, đối với điều kiện trang thiết bị ở Việt Nam thì việc gia công biến dạng nóng trong điều kiện chân không gần như là không thể. Trong nghiên cứu này biến dạng hợp kim titan TiAl6Nb7 được gia công trong điều kiện môi trường áp suất khí quyển, sử dụng phương pháp nung cảm ứng trong khoảng thời gian rất ngắn, do đó hạn chế được sự oxy hóa bề mặt vật liệu trong quá trình biến dạng nóng. Phôi sau đó được dập nguội bao hình, gia công hoàn thiện và làm sạch. Sản phẩm nẹp và vít được chế tạo từ vật liệu TiAl6Nb7 đã được thử nghiệm lâm sàng diện hẹp (cấy ghép cho 30 bệnh nhân trong khoảng thời gian 180 ngày). Kết quả cho thấy vật liệu đạt tiêu chuẩn ISO 10993 về an toàn sinh học.

Từ khóa: Nung cảm ứng, biến dạng nóng, vật liệu cấy ghép, hợp kim y sinh TiAl6Nb7

ABSTRACT

Titanium alloys are difficult to melt and deform because of the strong reaction between titanium and gases such as oxygen, nitrogen and hydrogen under high temperature condition. Especially in Vietnam, it is difficult to imple- ment the hot deformation in the vacuum because of the limit of equipment. In this research, TiAl6Nb7 alloy was hot- deformed in the atmospheric environment by induction heating for reducing the oxidation of the surface. After that, the TiAl6Nb7 sample was cold-stamped, machined for creating the bone-reinforcement implants. These implants were used in the local clinical trials for 30 patients in 180 days. All trail results meet the ISO 10993 requirements.

Keywords: Induction heating, hot deformation, implant material, TiAl6Nb7

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Titan và họ hợp kim titan là vật liệu có nhiều tính chất ưu việt hơn so với kim loại khác như độ bền cao, tỷ trọng thấp và khả năng chống ăn mòn cao nên thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, ô tô, thể thao và đặc biệt là ngành y học [1–4]. Ứng dụng thương mại của Ti bắt đầu từ cuối những năm 40, chủ yếu là vật liệu kết cấu, và được ứng dụng làm vật liệu y sinh từ những thập niên 60 [5]. Với khả năng tương thích sinh học cao, hợp kim Ti6Al4V đã được nghiên cứu ứng dụng khá sớm trong y khoa như làm mô chốt cấy (implant). Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây chỉ ra ảnh hưởng không tốt của vanađi tới sức khỏe người. Kết quả thực nghiệm cho thấy, sau khi được cấy ghép vào cơ thể người các ion vanađi thôi ra có tác động xấu đến hệ thần kinh người [1]. Hợp kim TiAl6Nb7 sau đó đã được nghiên cứu thay thế hợp kim Ti6Al4V với các thông số kỹ thuật cơ bản như độ bền kéo, môđun đàn hồi và tổ chức tế vi là (α+β) khá tương đồng.

Cho đến nay, hợp kim TiAl6Nb7 vẫn tiếp tục được nhiều nước nghiên cứu và phát triển với nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được tổ chức và tính chất mong muốn, đặc biệt là phương pháp biến dạng nóng [5–11]. Tác giả F. Pilehva cùng đồng nghiệp [5] khảo sát khả năng biến dạng của vật liệu TiAl6Nb7 có tổ chức tế vi khác nhau như song pha (α+β) và đơn pha β bằng cách biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy việc xử lý ở nhiệt độ trên 1000 oC cho tổ chức pha β mềm hơn và dễ biến dạng hơn. Với nhiệt độ thấp hơn (khoảng 850-950 oC) và tốc độ biến dạng chậm thì tổ chức vật liệu từ dạng (α+β) chuyển thành tấm α bị uốn/xoắn và tổ chức song pha (α+β) dạng cầu. Tác giả S. A. Gabitova [6] công bố đã tạo ra tổ chức siêu mịn bằng cách biến dạng hợp kim TiAl6Nb7 nhiều lần, nhờ đó nâng cao được bộ bền mỏi của vật liệu.

Trên cơ sở tham khảo một số nghiên cứu về biến dạng nóng hợp kim TiAl6Nb7, đã khảo sát công nghệ biến dạng nóng để chế tạo vật liệu TiAl6Nb7 tại Viện Công nghệ, Bộ Công-Thương. Trong bài báo này, nhóm nghiên đã biến dạng nóng bằng cách nung phôi trong khoảng thời gian rất ngắn ở lò nung cảm ứng. Vật liệu sau biến dạng được sử dụng để gia công và chế tạo một số sản phẩm y sinh như nẹp/ vít xương phục vụ cho thử nghiệm lâm sàng do trường Đại học Y Hà Nội thực hiện.

2. THỰC NGHIỆM

Hình 1. Lưu trình chế tạo và thử nghiệm sinh học hợp kim TiAl6Nb7
Hình 1. Lưu trình chế tạo và thử nghiệm sinh học hợp kim TiAl6Nb7

Sơ đồ chế tạo và thử nghiệm hợp kim cho trên hình 1. Hợp kim TiAl6Nb7, được nấu luyện trong lò chân không VIM02 (CHLB Đức) với điều kiện như sau:

  • Môi trường chân không: 10-2mbar,
  • Áp suất khí trơ Ar cân bằng trong buồng lò: 700 mbar,
  • Nhiệt độ hợp kim hóa hoàn toàn: 1800 oC,
  • Công suất 30 % trong khoảng thời gian 30 giây.

Thành phần hoá học của hợp kim TiAl6Nb7 được nêu trong bảng 1. Các nguyên tố tạp chất như oxy, cacbon,… phải nhỏ hơn mức cho phép và tổng số lượng tạp chất phải nhỏ hơn 1,08 % (0,2 đối với khí O và 0,05 đối với khí N).

Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim TiAl6Nb7 so sánh với các tiêu chuẩn ASTM và TCNB
Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim TiAl6Nb7 so sánh với các tiêu chuẩn ASTM và TCNB

Trong nghiên cứu này, hợp kim titan được biến dạng nóng trong môi trường khí quyển, bằng lò nung cảm ứng SWS-85D (Trung Quốc), công suất 90 kW. Phôi được nung trong vòng cảm ứng với khoảng thời gian khác nhau: 5, 10, 15, 20, 22, 25, 27 và 30s; nhiệt độ đo bằng dụng cụ đo nhiệt độ không tiếp xúc WTG-1810 và sau đó gia công biến dạng. Phôi sau khi biến dạng nóng được ủ khử ứng suất, gia công CNC hoàn thiện và làm sạch chi tiết. Chi tiết cấy ghép sau đó được thử nghiệm an toàn sinh học và lâm sàng trên 30 bệnh nhân trong khoảng thời gian 180 ngày.

Thành phần hóa học của hợp kim titan sau đúc được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng ICP-OES (theo TCNB: 01-ICP/04) có độ chính xác cao với sai số ± 0,2 %.

Các kết quả về phân tích thành phần bằng phương pháp phổ phân tán năng lượng (EDS) cũng được sử dụng để kiểm tra phân bố thành phần mẫu trên kính hiển vi điện tử quét Jeol-2300 (JEOL, Nhật Bản). Chế độ vận hành máy như sau: điện thế 20 kV, độ phóng đại x100, dòng điện đầu dò 1 nA. Kết quả định lượng thành phần được xử lý và tính toán theo phương pháp phân tích hiệu chỉnh ZAF.

Kết quả XRD để phân tích thành phần pha của mẫu bằng thiết bị SIEMEN D5005 sử dụng đầu phát Cu-Kα (bước sóng λ= 1,54056 Å) với chế độ vận hành như sau: điện áp 40 kV, bước quét 0,03 mm, vận tốc quét 40 s/bước quét.

Mẫu thử kéo được kiểm tra theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 trên máy kéo vạn năng 100 tấn Olsen Super-L2000. Thiết bị GMBH (27607) được sử dụng để kiểm tra độ cứng sản phẩm.

Hình 2. Sơ đồ đo thí nghiệm 1.Điện cực làm việc (WE), 2. Điện cực so sánh (RE), 3. Điện cực phụ trợ (CE), 4. Dung dịch chất điện li, 5,6. Các milivol kế, 7. Điện thế kế, 8. Điện trở mẫu đã có giá trị biết trước.
Hình 2. Sơ đồ đo thí nghiệm 1. Điện cực làm việc (WE), 2. Điện cực so sánh (RE), 3. Điện cực phụ trợ (CE), 4. Dung dịch chất điện li, 5,6. Các milivol kế, 7. Điện thế kế, 8. Điện trở mẫu đã có giá trị biết trước.

Thí nghiệm đánh giá khả năng chịu ăn mòn hợp kim trong dung dịch huyết tương nhân tạo (HTNT) được bố trí theo sơ đồ mạch đo điện thế hở mạch của điện cực hợp kim titan (hình 2). Bằng điện thế kế (7) có thể duy trì giá trị điện thế không đổi trên điện cực làm việc (1) – WE (hợp kim titan) so với điện cực so sánh (2) – RE. Ở đây cần theo dõi điện thế mạch hở của điện cực làm việc theo thời gian. Điện thế kế (7) được kết nối và điều khiển bởi máy tính, các milivol kế (5,6) và điện trở mẫu (8). Các số liệu được lưu trên máy tính để tính toán. Mẫu đo là hợp kim titan TiAl6Nb7 có dạng trụ Φ8 mm. Các thanh hợp kim được cắt ngang thành các các mẫu nhỏ có chiều dài khoảng 1,5 cm. Dung dịch được sục khí N2 trước ít nhất 30 phút để giảm hàm lượng O2 hòa tan về mức nhỏ nhất. Nhiệt độ dung dịch được giữ ở 37 ± 1 oC và dung dịch được sục khí trong suốt quá trình thử nghiệm. Điện thế hở mạch của các mẫu hợp kim trong dung dịch HTNT và dung dịch NaCl 0,9 % được theo dõi trong thời gian 2 h.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thành phần hóa học hợp kim

Thành phần hóa học của hợp kim TiAl6Nb7 trước khi chế tạo chi tiết cấy ghép được trình bày ở bảng 1. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim đều nằm trong giới hạn cho phép của ASTM.

So sánh với kết quả phân tích EDS cho thấy sự xuất hiện của nguyên tố tạp chất Zr, Fe và C (hình 3 và bảng 1). Nhiều nghiên cứu cho thấy Zr, Fe đều là những nguyên tố hợp kim không có độc tính về sinh học, có vai trò nâng cao tính chất của hợp kim titan. Tuy nhiên, với hàm lượng coi là rất nhỏ của các nguyên tố này trong hợp kim TiAl6Nb7 nên hầu như không ảnh hưởng đến tính chất cơ bản của vật liệu. Sự xuất hiện của tạp chất là do sự hòa tan một phần của nồi nấu trong quá trình nấu-luyện ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, hàm lượng tổng tạp chất vẫn nằm trong giới hạn cho phép của hợp kim này. Đối với các nguyên tố Ti, Al và Nb thành phần có sai lệch, tuy nhiên vẫn đạt yêu cầu của tiêu chuẩn ASTM đã đề cập ở bảng 1.

Hình 3. Phổ EDS của hợp kim titan TiAl6Nb7
Hình 3. Phổ EDS của hợp kim titan TiAl6Nb7

3.2. Biến dạng nóng hợp kim

3.2.1. Nghiên cứu chế độ biến dạng nóng hợp kim TiAl6Nb7

Phôi hợp kim TiAl6Nb7 được nung nóng bằng lò cảm ứng trong khoảng thời gian khác nhau. Trạng thái mẫu cán phôi được thể hiện ở bảng 2.

Bảng 2. Kết quả cán nóng phôi TiAl6Nb7
Bảng 2. Kết quả cán nóng phôi TiAl6Nb7

Từ bảng 2, thấy rằng khoảng thời gian nung tốt nhất là (20-25) giây; khi đó nhiệt độ phôi nằm trong khoảng (1000-1150) oC và chất lượng phôi sau biến dạng là tốt nhất. Với khoảng thời gian trên 27 giây, mẫu bị oxy hóa bề mặt cao, dẫn đến hao phí vật liệu. Nếu thời gian nung ngắn hơn 20 giây, phôi sau gia công tuy bị oxy hóa rất ít nhưng lại bị nứt vỡ và khó biến dạng (với hệ số biến dạng khoảng 20-30 %).

3.2.2. Thành phần pha hợp kim

Trên hình 4 trình bày giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của hợp kim TiAl6Nb7 sau khi gia công. Các số liệu nhiễu xạ Rơnghen được so sánh với tài liệu [7, 13, 14] và các đỉnh nhiễu xạ chính được trình bày như trong bảng 3.

Bảng 3. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơnghen

2θ (độ) d (Å) βD /FWHM (hkl) Pha
35,21 2,55 0,264 100 α
38,06 2,36 0,183 200 α
38,72 2,33 0,274 110 β
40,16 2,24 0,260 101 α
52,79 1,74 0,234 102 α
63,11 1,47 0,256 110 α
70,28 1,34 0,388 103 α
76,04 1,25 0,311 112 α
77,39 1,23 0,455 201 α
83,16 1,16 0,552 (004)/220 α, β
86,60 1,12 0,412 202 α

3.2.3. Kết quả kiểm tra cơ tính

Kết quả thử kéo cho thấy vật liệu đạt tiêu chuẩn ISO 5832-11. Phôi gia công biến dạng sau đó được dập bao hình và gia công CNC hoàn thiện để chế tạo các sản phẩm cấy ghép.

Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hợp kim TiAl6Nb7
Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hợp kim TiAl6Nb7

3.3. Đo thế mạch hở – OCP

Sự biến thiên điện thế mạch hở của hợp kim TiAl6Nb7 trong dung dịch HTNT được thể hiện trên hình 5.

Hình 5. Biến thiên điện thế mạch hở của hợp kim TiAl6Nb7 trong dung dịch HTNT
Hình 5. Biến thiên điện thế mạch hở của hợp kim TiAl6Nb7 trong dung dịch HTNT

Sự thay đổi điện thế mạch hở phản ánh trạng thái ăn mòn của hợp kim nghiên cứu. Sự tăng điện thế về phía dương cho thấy có sự tạo thành màng thụ động, còn trạng thái ổn định của điện thế thể hiện màng thụ động đang còn nguyên vẹn và có tính bảo vệ. Nếu điện thế giảm mạnh về phía âm thì chứng tỏ có sự phá vỡ màng thụ động, hòa tan màng, hoặc không tạo thành màng trong môi trường đó [15]. Theo biểu đồ hình 5, thời gian đầu (khoảng vài phút), có sự dịch chuyển mạnh điện thế điện cực về phía dương, sau đó điện thế dần đi vào trạng thái ổn định. Sự thay đổi điện thế mạch hở thể hiện sự cạnh tranh giữa 2 quá trình tạo màng và hòa tan màng, sự cạnh tranh này kết thúc khi đạt đến điện thế tương ứng với màng bề mặt kín và đủ dày. Tốc độ biến thiên điện thế phản ánh tốc độ tạo màng oxit có giá trị rất cao trong vài phút đầu sau khi nhúng mẫu vào dung dịch, sau đó giảm dần theo thời gian và ổn định. Sự ổn định của điện thế mạch hở chứng tỏ vật liệu có tính bền vững về ăn mòn hóa học trong môi trường huyết tương nhân tạo.

Bảng 4. Kết quả thử cơ tính hợp kim titan TiAl6Nb7
Bảng 4. Kết quả thử cơ tính hợp kim titan TiAl6Nb7

341. Thử nghiệm lâm sàng

3.4.1. Kết quả gần (một tuần sau mổ)

Sau mổ sử dụng nẹp và vít titan trên 30 bệnh nhân (32 vết thương, vì 2 bệnh nhân có 2 vết thương) cho thấy: Đa số không có bệnh nhân nào bị nhiễm trùng vết mổ, có 1 vị trí kết xương bị viêm rò ngay sau mổ. Sau khi dùng kháng sinh triệu chứng đã giảm (đây là ổ xương gãy hở). Các nẹp vít cố định xương tốt, thẳng trục, không di lệch. Không có trường hợp nào phải tháo bỏ hoặc thay mới (hình 6 và 7).

Hình 6. Hình ảnh nẹp, vít titan sử dụng cho gãy xương cẳng tay (trái) và hình ảnh nẹp, vít được cấy ghép cho bệnh nhân gãy tay (phải)
Hình 6. Hình ảnh nẹp, vít titan sử dụng cho gãy xương cẳng tay (trái) và hình ảnh nẹp, vít được cấy ghép cho bệnh nhân gãy tay (phải)

Hình 7. Ảnh chụp Rơnghen vùng gãy xương cẳng tay và can xương gần như hoàn toàn sau mổ kết hợp xương bằng nẹp và vít TiAl6Nb7 được 6 tháng
Hình 7. Ảnh chụp Rơnghen vùng gãy xương cẳng tay và can xương gần như hoàn toàn sau mổ kết hợp xương bằng nẹp và vít TiAl6Nb7 được 6 tháng

3.4.2. Kết quả theo dõi xa (3-6 tháng)

Kết quả theo dõi xa, sau 3 và 6 tháng được cho trong bảng 5.

Bảng 5. Kết quả theo dõi sau ghép
Bảng 5. Kết quả theo dõi sau ghép

Như vậy sau 3 tháng và 6 tháng sẹo đã liền hết, nẹp cố định tốt, không trường hợp nào phải tháo bỏ, chỉnh sửa. Tất cả nẹp không bị cong, gãy. Xương thẳng trục, không bị khớp giả.

4. KẾT LUẬN

Hợp kim TiAl6Nb7 được nấu luyện trong điều kiện như sau: môi trường chân không lò là 5.10-2 mbar, áp suất khí Ar cân bằng trong buồng lò là 700 mbar, nhiệt độ hợp kim hóa hoàn toàn 1800 oC, giữ công suất 30 % trong khoảng thời gian 30 giây, sau đó rót trong môi trường khí bảo vệ. Hợp kim có thành phần hóa học đạt tiêu chuẩn ASTM.

Hợp kim y sinh titan TiAl6Nb7 được nung nóng bằng lò nung cảm ứng trong khoảng thời gian (20-25) giây và đạt nhiệt độ khi cán trong khoảng (1000-1150) o Hợp kim sau biến dạng có cơ tính đạt tiêu chuẩn ISO 5832-11.

Kết quả đo thế điện hở OCP của vật liệu trong dung dịch huyết tương nhân tạo cho thấy vật liệu có tính bền vững và ổn định trong môi trường này.

Chi tiết cấy ghép chế tạo bởi hợp kim TiAl6Nb7 được tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên 30 bệnh nhân trong 180 ngày. 100 % các trường hợp được theo dõi sau 3 và 6 tháng đều có liền xương. Không có viêm xương và khớp giả. Không có trường hợp nào bị gãy, cong hoặc biến dạng trong quá trình phẫu thuật và theo dõi trên bệnh nhân. Hợp kim TiAl6Nb7 có tính tương thích sinh học tốt và phù hợp với những ứng dụng y sinh.

LỜI CẢM  ƠN

Chúng tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Chương trình Nghiên cứu ứng dụng và phát triển Công nghệ vật liệu mới thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ ngân sách để nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ hoàn thành bài báo này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Niinomi, Recent research and development in metallic materials for biomedical, dental and healthcare products applications, Mater. Sci. Forum, vol. 539–543, no. PART 1, 2007, pp. 193–200, doi: 10.4028/www.scien- tific.net/msf.539-543.193.
  2. Sibum, Titanium and titanium alloys – From raw material to semi-finished products, Adv. Eng. Mater., vol. 5, no. 6, 2003, pp. 393–398, doi: 10.1002/adem.200310092.
  3. J. Rack and J. I. Qazi; Titanium alloys for biomedical applications, Mater. Sci. Eng. C, vol. 26, no. 8, 2006, pp. 1269–1277, doi: 10.1016/j.msec.2005.08.032.
  4. Wang, The use of titanium for medical applications in the USA, Mater. Sci. Eng. A, vol. 213, no. 1–2, 1996, pp. 134–137, doi: 10.1016/0921-5093(96)10243-4.
  5. Pilehva, A. Zarei-Hanzaki, S. Moemeni, and A. R. Khalesian; High-Temperature Deformation Behavior of a Ti-6Al-7Nb Alloy in Dual-Phase (α + β) and Single-Phase (β) Regions, J. Mater. Eng. Perform., vol. 25, no. 1, 2016, pp. 46–58, doi: 10.1007/s11665-015-1813-6.
  6. A. Gabitova, V. V. Polyakova, and I. P. Semenova; Enhanced fatigue strength of ultrafine-grained Ti-6Al- 7Nb ELI alloy: Microstructural aspects and failure peculiarities, Rev. Adv. Mater. Sci., vol. 31, no. 2, 2012, pp. 123–128.
  7. F. Barbosa and S. T. Button; Microstructure and mechanical behaviour of the isothermally forged Ti-6Al- 7Nb alloy, Proc. Inst. Mech. Eng. Part L J. Mater. Des. Appl., vol. 214, no. 1, 2000, pp. 23–31, doi: 10.1243/1464420001544708.
  8. Pilehva, A. Zarei-Hanzaki, S. M. Fatemi-Varzaneh, and A. R. Khalesian; Hot Deformation and Dynamic Recrystallization of Ti-6Al-7Nb Biomedical Alloy in Single-Phase β Region, J. Mater. Eng. Perform., vol. 24, no. 5, 2015, pp. 1799–1808, doi: 10.1007/s11665-015-1468-3.
  9. Bartha et al., Lattice defects in severely deformed biomedical Ti-6Al-7Nb alloy and thermal stability of its ultra-fine grained microstructure, J. Alloys Compd., vol. 788, 2019, pp. 881–890, doi: 10.1016/j.jall- com.2019.02.173.
  10. S. Lee and C. W. Chen; Impact deformation and dislocation substructure of Ti-6Al-7Nb biomedical alloy, Appl. Mech. Mater., vol. 566, 2014, pp. 292–297, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.566.292.
  11. Janeček et al., Mechanical properties and dislocation structure evolution in TiAl6Nb7 alloy processed by high pressure torsion, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci., vol. 45, no. 1, 2014, pp. 7–15, doi: 10.1007/s11661-013-1763-2.
  12. ISO 5832-11, Implants for Surgery-Metallics Materials, Part II Wrought Titanium-6Aluminium-7Niobium Alloy, in International Organnization for Standardzation, .
  13. Thair, U. K. Mudali, R. Asokamani, and B. Raj; Influence of microstructural changes on corrosion behav- iour of thermally aged Ti-6Al-7Nb alloy, Mater. Corros., vol. 55, no. 5, 2004, pp. 358–366, doi: 10.1002/maco.200303724.
  14. Thair, U. K. Mudali, N. Bhuvaneswaran, K. G. M. Nair, R. Asokamani, and B. Raj; Nitrogen ion implanta- tion and in vitro corrosion behavior of as-cast Ti-6Al-7Nb alloy, Corros. Sci., vol. 44, no. 11, 2002, pp. 2439–2457, doi: 10.1016/S0010-938X(02)00034-3.
  15. M. Al-Mayouf, A. A. Al-Swayih, N. A. Al-Mobarak, and A. S. Al-Jabab; The effect of fluoride on the elec- trochemical behavior of Ti and some of its alloys for dental applications, Mater. Corros., vol. 55, no. 7, 2004, pp. 524–530, doi: 10.1002/maco.200303770.
90

Ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến khả năng hấp thụ vi sóng của các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ

Effect of coating thickness on microwave absorbing ability of super- paramagnetic Zn0.8Ni0.2Fe2O4 ferrite nanoparticles

LƯƠNG THỊ QUỲNH ANH1,2, LÊ THÀNH TÂN1,2, NGUYỄN VĂN DÁN1,2
Bộ môn Kim loại & Hợp kim, Khoa Công nghệ vật liệu,Trường Đại học Bách khoa TPHCM

2 Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
*Email: ltqanh@hcmut.edu.vn

Ngày nhận bài: 11/5/2020, Ngày duyệt đăng: 26/6/2020

TÓM TẮT

Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng chiều dày lớp phủ đến khả năng hấp thụ vi sóng của các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ trên dải tần số X (8 – 12 GHz). Các mẫu hấp thụ vi sóng được chế tạo dựa trên cơ sở các hạt nano ferit siêu thuận từ bọc bởi các hạt SiO2, các hạt cacbon, keo epoxy và chất đóng rắn, sau đó hỗn hợp này được phủ lên các tấm đế thép. Các ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy các hạt được phân tán đều trên nền lớp phủ SiO2. Kết quả đo từ tính mẫu bằng phương pháp từ kế mẫu rung cho thấy các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 bọc SiO2 đạt trạng thái siêu thuận từ (Hc » 0) với độ từ hóa bão hòa Ms đạt 18,95 emu/gr và kết quả đo độ hấp thụ vi sóng tại tần số trung tâm (10 GHz) cho độ hấp thụ vi sóng đạt từ 82,8 đến 98.8 %, tương ứng với chiều dày mẫu phủ hấp thụ từ 0.5 đến 2 mm.

Từ khóa: Nano ferit siêu thuận từ, hạt hấp thụ vi sóng, dải tần số X.

ABSTRACTS

In this work, the effect of coating thickness on microwave absorbability of super-paramanetic Zn0.8Ni0.2Fe2O4 ferrite nanoparticles in the X band frequency (8 – 12 GHz) was studied. Microwave absorbing samples were fabricated of super-paramanetic Zn0.8Ni0.2Fe2O4 ferrite nanoparticles covered by SiO2 layers, carbon black particles, epoxy resin and hardener, then, coated on the steel substrates. The images of transmission electron microscop indicated that all of ferrite nanoparticles were distributed discretely in the SiO2 layers. The results of vibrating samples magnetometer showed all of Zn0.8Ni0.2Fe2O4 nanoparticles reached to super-paramagnetic state (Hc » 0) with saturation magnetization Ms of 18.95 emu/gr and the microwave absorbing ability at 10 GHz centered frequency was from 82.8 to 98.8 %, related to (0.5-2) mm coating thickness.

Keywords: super-paramagnetic ferrite nanoparticles, microwave absorbing particles, X-band frequency range.

1.  MỞ ĐẦU

Các hạt nano ferit từ đang được nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực nhờ tính chất ưu việt của chúng, đặc biệt là tính chất siêu thuận từ [1-4]. Các hạt siêu thuận từ này được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quân sự, nhất là trong các vật liệu phủ hấp thụ vi sóng [5-7].

Công trình [8, 9] đã trình bày kết quả chế tạo các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ với kích thước hạt trung bình là 5 nm và độ từ hóa bão hòa là 25,39 emu/gr và quy trình bọc các hạt siêu thuận từ bởi các lớp SiO2.

Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ của các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ đến khả năng hấp thụ vi sóng của chúng trên dải tần số X (8-12 GHz).

2.  THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên liệu và hóa chất

Các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ được bọc bởi các lớp SiO2.

Bột cacbon (C.A.S. NO. 1333-86-4, Signma Aldrich), keo Epoxy D.E.R 331 (Dow Chemical – Mỹ) và chất đóng rắn Polyamid EPIKURE 3125 (Hexion Chemistry – Mỹ) đã được sử dụng.

2.2.  Quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo mẫu hấp thụ vi sóng được thực hiện theo quy trình sau:

Các hạt nano ferit Zn-Ni với công thức Zn0.8Ni0.2Fe2O4 được tổng hợp thủy nhiệt ở 140 °C trong thời gian giữ nhiệt 6 giờ [8] sẽ tiếp tục được phân tán trên nền phi từ tính SiO2 để đảm bảo các hạt không sáp nhập lại với nhau tạo thành nanocom- posit Zn0.8Ni0.2Fe2O4/SiO2. Hỗn hợp này được pha với dung môi xylen + butanol (tỉ lệ 7:3) và khuấy từ trong 30 phút, tốc độ 400 vòng/phút thu được hỗn hợp 1.

Bột cacbon được sử dụng với hàm lượng cố định là 20 %, keo epoxy D.E.R được pha với dung môi xylen + butanol (tỉ lệ 1:10) và khuấy từ trong thời gian là 30 phút, tốc độ 400 vòng/phút, sẽ thu được hỗn hợp 2.

Hỗn hợp 1 và 2 được hòa trộn với nhau, sau đó thêm chất đóng rắn vào và tiếp tục khuấy từ với tốc độ như trên trong 45 phút thì thu được hỗn hợp hấp thụ vi sóng.

Hỗn hợp này được quét lên tấm thép có kích thước 200 x 200 x 3 mm và các mẫu này sau đó được đo độ suy hao (dB) ở dải tần số X (8-12 GHz).

2.3. Phương pháp nghiên cứu

Cấu trúc của ferit được phân tích bởi nhiễu xạ tia X (XRD), hình thái hạt nano ferit được quan sát trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) được dùng để xác định các tính chất từ của các hạt nano ferit đã được trình bày ở công trình [9]

Độ suy hao phản xạ của các mẫu thực nghiệm được đo trên máy phân tích mạng E5071C của phòng thí nghiệm siêu cao tần ở bộ môn Điện tử, trường Đại học Quốc tế TPHCM, với tần số đo (8-12) GHz, sử dụng 2 anten cùng tần số dải X, góc giữa 2 anten khoảng 20 o.

3.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Cấu trúc, hình thái và tính chất từ của các hạt nano ferit Zn8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ

 Như đã trình bày trong [9], mẫu ferit từ Zn0.8Ni0.2Fe2O4 thủy nhiệt ở 140 °C thể hiện 6 đỉnh nhiễu xạ với cường độ đỉnh khá cao, hình dạng đỉnh nhọn. Bên cạnh đó, giản đồ nhiễu xạ của mẫu Zn0.8Ni0.2Fe2O4/SiO2 có cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp và đỉnh tù hơn là do mẫu này được bao phủ bởi các lớp SiO2 vô định hình nên thể hiện rõ 5 đỉnh và cường độ các đỉnh này cũng khá thấp, riêng đỉnh với chỉ số (442) gần như không thấy xuất hiện.

Hình 1. Ảnh hiển vi điện tử quét của các hạt cacbon (trái) và các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 được bọc bởi lớp SiO2 (phải)

Hình 1 là ảnh chụp của mẫu các hạt cacbon và các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ được bọc bởi lớp phủ SiO2 với kích thước hạt trung bình tương ứng là 29 và 5 nm. Ảnh chụp các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ cũng cho thấy được sự phân bố đều của các hạt dựa trên nền lớp phủ SiO2.

Cũng theo tài liệu [9], độ từ hóa bão hòa Ms của các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 trước và sau khi bọc SiO2 tương ứng là 25,39 và 18,95 emu/gr, sự giảm độ từ hóa bão hòa là do có các lớp SiO2 phi từ tính.

3.2.  Ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ hấp thụ đến khả năng hấp thụ vi sóng trên dải tần số X (8-12 GHz)

Tất cả mẫu hấp thụ đều sử dụng hàm lượng các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ là 1.5 % trọng lượng tổng. Đã chế tạo các mẫu hấp thụ với chiều dày từ 0,5; 1; 1,5 và 2 mm tương ứng các kí hiệu mẫu 1, 2, 3, 4. Các mẫu được kiểm tra chiều dày lớp phủ thông qua thước kẹp. Các mẫu được tiến hành đo độ suy hao phản xạ trên dải tần số X. Độ suy hao phản xạ của các mẫu trên ở bảng 1.

Bảng 1. Độ suy hao phản xạ của các mẫu dải tần số X (8-12 GHz)

Mẫu Chiều dày lớp phủ (mm) Độ suy hao phản xạ dải tần số X (dB)
8 9 10 11 11,48
1 0,5 -8,32 -4,31 -7,66 -6,02 -11,55
2 1 -2,17 -5,27 -8,96 -14,51 -16,70
3 1,5 -14,40 -15,30 -11,11 -8,98 -8,74
4 2 -5,97 -10,90 -19,21 -16.81 -14,76

Với các số liệu trên bảng 1, đã xây dựng đồ thị phụ thuộc giữa chiều dày mẫu hấp thụ và độ suy hao phản xạ của các mẫu 1, 2, 3, 4 (hình 2).

Hình 2. Độ suy hao phản xạ của các mẫu 1, 2, 3, 4 tương ứng chiều dày 0,5; 1; 1,5 và 2 mm

Tương ứng với các kết quả trên bảng 1, sẽ tính được độ hấp thụ của các mẫu 1, 2, 3, 4 tại tần số trung tâm 10 GHz là 82,8; 87,3; 92,3 và 98.8 %.

Như vậy, chiều dày mẫu hấp thụ chỉ khoảng 1,5 mm đã cho độ hấp thụ rất cao (hơn 90 %) và với 2 mm chiều dày hấp thụ thì độ hấp thụ đã đạt đến 99 %. Kết quả độ hấp thụ vi sóng cao cùng với chiều dày mẫu mỏng giúp cho vật liệu phủ đạt được tiêu chí nhẹ và điều này cũng khả thi trong việc triển khai thực hiện.

4.  KẾT LUẬN

Đã tổng hợp thành công hỗn hợp hấp thụ vi sóng gồm các hạt nano cacbon, các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4/SiO2 siêu thuận từ, keo epoxy và chất đóng rắn. Công trình nghiên cứu đã chỉ rõ ảnh hưởng của chiều dày mẫu hấp thụ đến khả năng hấp thụ vi sóng của mẫu trên dải tần số X (8-12 GHz). Nghiên cứu cho thấy khi tăng chiều dày mẫu hấp thụ 0,5; 1; 1,5; 2 mm (hàm lượng 1.5 % ferit siêu thuận từ) thì các mẫu tăng dần độ hấp thụ vi sóng tại tần số 10 GHz (từ 82,8 đến 98,8 %) và chỉ cần mẫu hấp thụ đạt chiều dày 1,5 mm đã cho độ hấp thụ lên đến 92,3 % và mẫu đạt giá trị hấp thụ tối đa 99 % khi chiều dày mẫu phủ là 2 mm.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa TPHCM trong khuôn khổ đề tài mã số T- CNVL-2019-27. Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ thời gian và phương tiện vật chất cho nghiên cứu này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Benz, Superparamagnetism: Theory and applications, Research gate, 2012
  2. Repko, D. Nižňanský, J. Poltierová-Vejpravová; A study of oleic acid-based hydrothermal preparation of CoFe2O4 nanoparticles, J. Nanopart. Res., 13, 2011, 5021 – 5031
  3. S. Shahane, Ashok Kumar, Manju Arora, R.P. Pant, Krishan Lal; Synthesis and characterization of Ni-Zn ferrite nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322, 2010, 1015-1019
  4. Jovanovich, M. Spreitzer, M. Tramšek, Z. Trontelj, D. Suvorov; The Effect of Oleic Acid Concentration on the Physicochemical Properties of Cobalt Ferrite Nanoparticles, Journal of Physical Chemistry C, 118, 2014, 13844 – 13856.
  5. R. Meshram and N. K. Agrawal; Characterization of M-type barium hexagonal ferrite-based wide band microwave absorber, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 271, 2004, 207 – 214
  6. Liu and Y. Duan; Microwave absorption properties of a wave-absorbing coating employing carbonyl-iron pow- der and carbon black, Applied Surface Science, 257, 2010, 842 – 846
  7. Ohlan and Singh; Microwave Absorption Behavior of Core-Shell Structured Poly (3,4-Ethylenedioxy Thiophene)- Barium Ferrite Nanocomposites, ACS Applied Materials & Interfaces, 2, 2010, 927 – 933
  8. T. Q. Luong and D. V. Nguyen; Hydrothermal synthesis of superparmagnetic zinc-nickel ferrite nanoparticles, International Journal of Materials Reasearch, 109, 2018, 555 – 560
  9. Anh Q Luong and Dan V. Nguyen; Microwave-absorbing ability of super-paramagnetic Zn0.8Ni0.2Fe2O4nanoparticles for the X-band frequency range, Materials Express, 4, 2019, 344 – 350