BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HÀ MẠNH CHIẾN
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ HÓA HỌC TẠO LỚP
PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al
2
O
3
, PTFE )
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC
HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HÀ MẠNH CHIẾN
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ HÓA HỌC TẠO LỚP
PHỦ COMPOZIT Ni/HẠT PHÂN TÁN (Al
2
O
3
, PTFE )
Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học
Mãsố: 62520301
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. MAI THANH TÙNG
HÀ NỘI - 2015
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin cám ơn thầy giáo PGS. TS. Mai Thanh Tùng đã hướng dẫn
tôi tận tình trong quá trình hoàn thành luận án này. Sự giúp đỡ của thầy là niềm
động viên lớn để tôi có thêm nghị lực trong quá trình làm luận án.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn CN Điện hóa và Bảo vệ kim loại đã
không quản ngại về mặt thời gian, công sức đã giúp tôi thuận lợi trong quá trình
thực hành, trao đổi chuyên môn cũng như tư vấn trong quá trình viết luận án.
Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Việt Trì và Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nghiên
cứu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, thu được từ thực nghiệm, không
sao chép và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Người làm cam đoan
Nghiên cứu chế tạo lớp phủ NiP hệ phân tán PTFE và Al
2
O
3
Hà Mạnh Chiến
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………….
1
DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………….
2
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ…………………………………….
3
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………...
7
CHƯƠNG 1– TỔNG QUAN…………………………………………………
9
1.1 MẠ HOÁ HỌC NiP………………………………………………………
9
1.1.1 PHẢN ỨNG MẠ HOÁ HỌC NIP……………………………………
9
1.1.2 Quá trình kết tinh tạo lớp mạ NiP ……………………………………..
10
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình mạ hóa học NiP………………….
12
1.1.4 Cấu trúc và tính chất lớp mạ...................................................................
14
1.2 Mạ Hoá học compozit …………………………………………………….
17
1.2.1 Giới thiệu chung……………………………………………………….
17
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành lớp mạ compozit..........
19
1.2.2.1 Ảnh hưởng của tính chất hạt phân tán.........................................
19
1.2.2.2 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch…………………………
20
1.2.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện mạ…………………………………..
22
1.2.3 Cấu trúc và các tính chất của lớp mạ hóa học Niken compozit……….
22
1.2.3.1 Cấu trúc…………………………………………………………
22
1.2.3.2 Độ cứng………………………………………………………..
23
1.2.3.3 Khả năng chống mài mòn……………………………………..
23
1.2.3.4 Hệ số ma sát……………………………………………………
23
1.2.3.5 Độ nhám bề mặt……………………………………………….
24
1.2.3.6 Khả năng chống ăn mòn của lớp mạ…………………………..
25
1.3 Mạ Hoá học compozit NiP-PTFE và NiP-Al
2
O
3
…………………………
26
1.3.1 Mạ hoá học NiP-PTFE………………………………………………..
26
1.3.1.1 Thành phần dung dịch mạ………………………………………
26
1.3.1.2 Chất hoạt động bề mặt………………………………………….
26
1.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành lớp mạ
NiP- PTFE…………………………………………………….
29
1.3.2 Mạ hoá học NiP-Al
2
O
3
………………………………………………..
30
1.3.2.1 Thành phần dung dịch và hạt………………………………….
30
1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình mạ NiP-Al
2
O
3
……………
30
1.3.2.3 Cấu trúc và tính chất lớp mạ……………………………………
31
1.3.3 Lực tương tác tại bề mặt lớp mạ hoá học compozit ………………… .
32
1.3.4 Cơ chế hình thành lớp mạ hóa học compozit của một số tác giả đã xây
dựng trên thế giới………………………………………………………
36
Nghiên cứu chế tạo lớp phủ NiP hệ phân tán PTFE và Al
2
O
3
Hà Mạnh Chiến
CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM.....................................................................
41
2.1. Chuẩn bị mẫu và dung dịch.........................................................................
41
2.1.1 Mạ hoá học NiP......................................................................................
41
2.1.2 Chuẩn bị mẫu.........................................................................................
41
2.1.3 Mạ hóa học compozit NiP-PTFE và NiP-Al
2
O
3
...................................
44
2.2 Các phương pháp nghiên cứu......................................................................
45
2.2.1 Các phương pháp điện hoá.....................................................................
45
2.2.2 Phương pháp phân tích SEM, EDS và TEM…………………………
46
2.2.3 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD)………………..
48
2.2.4 Phương pháp đo độ cứng tế vi.................................................................
48
2.2.5 Phương pháp đo góc thấm ướt (phương pháp Wilhelmy plate)..............
49
2.2.6 Phương pháp đo khả năng chịu mài mòn................................................
50
2.2.7 Phương pháp đo thế Zeta........................................................................
50
2.2.8 Phương pháp kiểm tra độ bám dính của lớp mạ với nền........................
51
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................
52
3.1 Nghiên cứu lớp mạ nền NiP..........................................................................
52
3.1.1 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới tốc độ và thành phần lớp
mạ............................................................................................................
52
3.1.2 Phân tích cấu trúc lớp mạ NiP................................................................
53
3.1.3 Tính chất của lớp mạ NiP.......................................................................
56
3.2 Nghiên cứu mạ hoá học compozit NiP/PTFE..............................................
61
3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaH
2
PO
2
tới hàm lượng hạt PTFE
có trong lớp mạ........................................................................................
61
3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng hạt PTFE trong dung dịch tới hàm lượng hạt
PTFE trong lớp mạ và khả năng chống bám dính của lớp mạ.................
66
3.2.3 Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt tới quá trình đồng kết tủa.........
69
3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động CTAB trong dung dịch tới
hàm lượng hạt PTFE có trong lớp mạ......................................................
76
3.2.5 Nghiên cứu tính chất lớp mạ compozit NiP-PTFE ...............................
83
3.2.5.1 Khả năng chống ăn mòn..............................................................
83
3.2.5.2 Khả năng chống mài mòn............................................................
85
3.3 Nghiên cứu mạ hoá học compozit NiP/Al
2
O
3
..............................................
87
3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ hạt Al
2
O
3
trong dung dịch tới hàm lượng P
trong nền NiP và hàm lượng hạt Al
2
O
3
trong lớp mạ..............................
87
3.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy tới sự phân bố hạt Al
2
O
3
trong lớp
mạ............................................................................................................
90
3.3.3 Nghiên cứu tính chất của lớp mạ compozit NiP-Al
2
O
3
.........................
92
3.3.3.1 Cấu trúc lớp mạ NiP-Al
2
O
3
........................................................
92
3.3.3.2 Khả năng chống ăn mòn.............................................................
93
3.3.3.3 Độ cứng của lớp mạ NiP-Al
2
O
3
………………………………
95
3.3.3.4 Chiều dày lớp mạ NiP-Al
2
O
3
…………………………………
96
3.3.3.5 Khả năng chịu mài mòn………………………………………
98
Nghiên cứu chế tạo lớp phủ NiP hệ phân tán PTFE và Al
2
O
3
Hà Mạnh Chiến
3.4 Cơ chế hình thành lớp mạ NiP compozit......................................................
100
KÊT LUẬN........................................................................................................
105
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................
106
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN............
113
PHỤ LỤC
114
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
V: Năng lượng
A: Hằng số Hamaker
C
B
: Nồng độ chất B
E
am
: Điện thế ăn mòn
i
am
: Mật độ dòng ăn mòn
R
cp
: Điện trở phân cực
0
: Hằng số điện môi chân không
r
: Hằng số điện môi dung dịch
SDS: Chất hoạt động bề mặt đođexyl natri sulfat
CTAB: Chất hoạt động bề mặt cetyl trimethyl ammonium bromide
EN: Lớp mạ hóa học NiP
PTFE: polytetrafluoroethylene
BN: bo nitrua
ASTM: Tiêu chuẩn Mỹ (American Society for Testing and Materials)
SEM: hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
EDS: phân tích phổ tán xạ năng lượng (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)
TEM: hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy)
XRD: nhiễu xạ tia Rơnghen
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
2
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng Chú thích bảng Trang
Bảng 1.1
Khả năng chịu mài mòn của một số lớp phủ 15
Bảng 1.2
Tóm tắt tính chất lớp mạ hoá học NiP 16
Bảng 1.3
So sánh hệ số ma sát của lớp mạ compozit so với lớp mạ thông
thường
24
Bảng 1.4
So sánh độ nhám lớp mạ compozit và lớp mạ thông thường 24
Bảng 1.5
Quan hệ giữa thế Zeta và sự ổn định của dung dịch 34
Bảng 2.1
Quy trình mạ hoá học NiP trên nền Sắt 42
Bảng 2.2
Quy trình mạ hoá học NiP trên nền Đồng 43
Bảng 3.1
Số lần bẻ gập đến gãy và ảnh chụp lớp mạ khi hàm lượng P thay
đổi
57
Bảng 3.2
Ảnh hưởng nồng độ NaH
2
PO
2
và nhiệt độ tới E
ăm
, i
ăm
60
Bảng 3.3
Chế độ mạ thay đổi theo nồng độ NaH
2
PO
2
và tốc độ phản ứng
thu được
61
Bảng 3.4
Kết quả phân tích EDS các lớp mạ NiP tổng hợp ở các nồng độ
NaH
2
PO
2
khác nhau
63
Bảng 3.5
Ảnh hưởng của hàm lượng hạt PTFE 12 µm trong dung dịch tới
hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ và góc thấm ướt của lớp mạ.
66
Bảng 3.6
Ảnh hưởng của hàm lượng hạt PTFE 0,5 µm trong dung dịch tới
hàm lượng hạt PTFE trong lớp mạ và góc thấm ướt của lớp mạ.
66
Bảng 3.7
Tổng hợp kết quả đo thế Zeta của lớp mạ NiP và hạt PTFE 71
Bảng 3.8
Thành phần lớp mạ NiP- PTFE khi thay đổi nồng độ CTAB
trong dung dịch
78
Bảng 3.9
Kết quả tính dòng ăn mòn theo phương pháp Tafel 84
Bảng 3.10
Ảnh hưởng của hàm lượng PTFE 12 µm trong lớp mạ tới khả
năng chống mài mòn của lớp mạ
86
Bảng 3.11
Kết quả phân tích EDS các lớp mạ NiP-Al
2
O
3
có hàm lượng
Al
2
O
3
trong dung dịch thay đổi
88
Bảng 3.12
Kết quả tính dòng và thế ăn mòn theo phương pháp Tafel 93
Bảng 3.13
Kết quả đo độ cứng các lớp mạ 95
Bảng 3.14
Kết quả tính chiều dày lớp mạ với các mẫu khác nhau 96
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
3
Bảng 3.15
Khả năng chịu mài mòn của các lớp mạ (lực ép 12 N) 98
Bảng 3.16
Khả năng chịu mài mòn của các lớp mạ (lực ép 20 N) 99
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Số hình Chú thích hình Trang
Hình 1.1
Hình mô tả các giai đoạn của quá trình động học 10
Hình 1.2
Sơ đồ mô tả cơ chế kết tinh mạ hoá học: (a) sự hình thành lớp
mạ, (b) sự hình thành lớp mạ qua mặt cắt ngang, (c) sự hình
thành lớp mạ qua hình chiếu đứng
11
Hình 1.3
Ảnh TEM mô phỏng sự phát triển của lớp mạ hoá học Ni, các ký
hiệu 0, 1, 2, 3 là số thứ tự các lớp mạ: (a) Lớp mạ có hai lớp, (b)
Lớp mạ có 3 lớp
12
Hình 1.4
(a) Giản đồ pha của hợp kim NiP, (b) Cấu trúc pha của lớp mạ
hóa học NiP
14
Hình 1.5
Tỷ lệ phần trăm ứng dụng của lớp mạ NiP compozit trên thế giới 18
Hình 1.6
Lớp mạ hoá học NiP có hạt phân tán kỵ nước BN
a, hạt không được xử lý bề mặt; b,hạt có xử lý bề mặt
19
Hình 1.7
Ảnh hưởng của hàm lượng hạt phân tán trong dung dịch tới hàm
lượng hạt phân tán trong lớp mạ hoá học NiP
21
Hình 1.8
Sự phát triển của lớp mạ khi có hạt phân tán dẫn điện và không
dẫn điện.
21
Hình 1.9
Cấu tạo lớp điện tích kép, 1/k là chiều dày lớp điện tích kép 33
Hình 1.10
Tổng hợp năng lượng tương tác theo khoảng cách sử dụng
thuyết DLVO: (a) các bề mặt đẩy nhau mạnh, các hạt nhỏ không
ở trạng thái kết tụ, (b) Các hạt kết tụ tại điểm secondary
minimum,(c) các hạt kết tụ tại điểm secondary minimum, tốc độ
kết tụ chậm,(d) hàng rào năng lượng < 0, kết tụ nhanh chóng,
(e) không có hàng rào năng lượng, kết tụ nhanh chóng
35
Hình 1.11
Cơ chế mạ hoá học compozit của Ngô Khánh Lợi 36
Hình 1.12
Hình mô tả cơ chế mạ hoá học compozit của Ming-Der Ger,
Bing Joe Hwang
37
Hình 1.13
Hình mô tả cơ chế mạ hoá học compozit của Heung-Kil Park và
đồng sự
37
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
4
Hình 1.14
Hình mô tả cơ chế mạ hoá học compozit của Trương Huệ 38
Hình 2.1
Ảnh SEM các hạt phân tán, PTFE kích thước 12 µm (a) và 0.5
µm (b), hạt Al
2
O
3
kích thước 15µm (c).
44
Hình 2.2
Ảnh minh họa phương pháp Wilhelmy plate. 49
Hình 2.3
Sơ đồ minh hoạ quá trình đo thế Zeta bề mặt phẳng 51
Hình 3.1
Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ NaH
2
PO
2
tới tốc độ mạ 52
Hình 3.2
Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaH
2
PO
2
tới hàm lượng P
trong lớp mạ.
53
Hình 3.3
Giản đồ XRD của lớp mạ NiP; a, b, c, d tương ứng với hàm
lượng NaH
2
PO
2
thay đổi lần lượt 10; 15; 20 và 25 g/l.
(NiP
x
có ký hiệu x thể hiện hàm lượng P trong lớp mạ)
54
Hình 3.4
Ảnh SEM của các mẫu mạ hoá hoc NiP với nồng độ của
NaH
2
PO
2
trong dung dịch là 10g/l, 15g/l, 20g/l, 25g/l.
55
Hình 3.5
Ảnh TEM phân tích cấu trúc lớp mạ NiP tổng hợp ở nồng độ
NaH
2
PO
2
trong dung dịch là 20g/l.
56
Hình 3.6
Ảnh hưởng của nồng độ NaH
2
PO
2
trong dung dịch đến độ cứng
và hệ số ma sát của lớp mạ.
58
Hình 3.7
Kết quả đo đường cong phân cực lớp mạ NiP
a-Đường cong phân cực khi thay đổi nồng độ NaH
2
PO
2
b-Đường cong phân cực khi thay đổi nhiệt độ
59
Hình 3.8
Ảnh SEM mặt cắt ngang lớp mạ NiP tổng hợp ở 90
o
C và
C
Na2H2PO2
= 20 g/l ở độ phóng đại 4000 lần.
60
Hình 3.9
Mặt cắt ngang lớp mạ NiP-PTFE có nồng độ chất khử thay đổi 62
Hình 3.10
Ảnh hưởng của nồng độ chất khử tới tốc độ mạ và hàm lượng
hạt PTFE trong lớp mạ
63
Hình 3.11
Ảnh mặt cắt ngang và bề mặt lớp mạ NiP-PTFE 0,5 µm (a, b,
c, d) và 12 µm(e, f, g, h) hàm lượng 2g/l. (a là ảnh mặt cắt ngang
lớp mạ NiP-PTFE 0,5 µm, b là hình ảnh bề mặt lớp mạ NiP-
PTFE 0,5 µm, c là ảnh phóng đại của b, d là hình ảnh phóng đại
của c. e là mặt cắt ngang lớp mạ NiP-PTFE 12 µm, f là ảnh
chụp bề mặt lớp mạ NiP-PTFE 12 µm, g là ảnh phóng đại của f,
h là hình ảnh phóng đại của g)
68
Hình 3.12
Mặt cắt ngang lớp mạ NiP-PTFE: a) Lớp mạ Sử dụng chất hoạt
động SDS; b) lớp mạ sử dụng chất hoạt động CTAB
69
Hình 3.13
Hàm lượng PTFE trong lớp mạ NiP-PTFE: a) Lớp mạ sử dụng 70
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
5
chất hoạt động SDS; b) lớp mạ sử dụng chất hoạt động CTAB
Hình 3.14
Kết quả đo thế Zeta hạt PTFE trong dung dịch mạ có các chất
hoạt động khác nhau. a) Hạt PTFE trong dung dịch có chất hoạt
động CTAB; b) Hạt PTFE trong dung dịch có chất hoạt động
SDS.
70
Hình 3.15
Năng lượng tương tác bề mặt sử dụng các chất hoạt động khác
nhau
74
Hình 3.16
Mô tả sự ảnh hưởng của chất hoạt động cation và anion lên quá
trình đồng kết tủa hạt phân tán vào lớp mạ
75
Hình 3.17
Hình mô tả hạt PTFE khi tiến tới lớp mạ NiP 76
Hình 3.18
Ảnh SEM bề mặt (ảnh bên trái ) và mặt cắt ngang (ảnh bên phải)
lớp mạ compozit NiP-PTFE; hình a,b,c tương ứng với lớp mạ sử
dụng chất hoạt động CTAB 0,125; 0,166 và 0,500 g/l.
77
Hình 3.19
Phổ EDS các lớp mạ NiP-PTFE có nồng độ CTAB trong dung
dịch thay đổi: (a) CTAB 0,100 g/l; (b) CTAB 0,125 g/l; (c) CTAB
0,166 g/l; (d) CTAB 0,250 g/l; (e) CTAB 0,500 g/l.
78
Hình 3.20
Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động CTAB tới hàm lượng hạt
PTFE trong lớp mạ
79
Hình 3.21
Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động CTAB tới thế Zeta của
lớp mạ NiP và hạt PTFE.
81
Hình 3.22
Hình minh họa lực đẩy giữa hạt PTFE và lớp mạ hóa học NiP
khi có sự khác nhau về nồng độ chất hoạt động CTAB
a) Dung dịch mạ có ít chất hoạt động
b) Dung dịch mạ có nhiều chất hoạt động
82
Hình 3.23
Quan hệ giữa thế các lớp mạ và thời gian lớp mạ nhúng trong
dung dịch NaCl 3,5 %.
83
Hình 3.24
Kết quả đo đường cong phân cực các mẫu mạ hóa học compozit
NiP-PTFE
84
Hình 3.25
Phổ EDS các mẫu mạ compozit với nồng độ Al
2
O
3
khác nhau
a) 0 g/l Al
2
O
3
, b) 10 g/l Al
2
O
3
, c) 15 g/l Al
2
O
3
, d) 20 g/l Al
2
O
3
87
Hình 3.26
Ảnh hưởng của nồng độ Al
2
O
3
trong dung dịch tới thành phần P
và Al
2
O
3
trong lớp mạ. (a) thành phần; (b) thành phần Al
2
O
3
89
Hình 3.27
Mặt cắt ngang lớp mạ NiP-Al
2
O
3
có hàm lượng Al
2
O
3
10 g/l 89
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
6
Hình 3.28
Hình ảnh bề mặt cắt ngang lớp mạ NiP-Al
2
O
3
0,5 µm hàm lượng
hạt Al
2
O
3
trong dung dịch 2 g/l có tốc độ khuấy thay đổi. (a) tốc
độ khuấy 750 vòng/phút trong 2 giờ, (b) tốc độ khuấy 1500
vòng/phút trong 1 giờ và 750 vòng/phút trong 1 giờ, (c) tốc độ
khuấy 1500 vòng/phút trong 2 giờ.
90
Hình 3.29
Phổ phân tích EDS lớp mạ NiP-Al
2
O
3
0,5 µm hàm lượng hạt 2
g/l. a, tốc độ khuấy 750 vòng/phút, b tốc độ khuấy 1500
vòng/phút.
91
Hình 3.30
Ảnh lớp mạ NiP-Al
2
O
3
0,5 µm phụ thuộc vào vị trí treo trong bể
mạ. a là lớp mạ phía trước. b là lớp mạ phía sau, chiều mũi tên
là hướng dòng chảy.
91
Hình 3.31
Phổ XRD. (a) lớp mạ NiP; (b) lớp mạ compozit NiP với Al
2
O
3
15g/l.
92
Hình 3.32
Kết quả đo đường cong phân cực các mẫu mạ hóa học compozit
NiP-Al
2
O
3
93
Hình 3.33
Phổ Nyquist của lớp mạ NiP và các lớp mạ NiP compozit 94
Hình 3.34
Mạch tương đương của lớp mạ NiP và lớp mạ NiP compozit: R
s
là điện trở dung dịch, C
dl
là điện dung lớp phủ, R
ct
là điện trở
của lớp phủ.
94
Hình 3.35
Phổ kết quả đo Coulometric 96
Hình 3.36
Mẫu chuẩn lớp mạ EN sử dụng đo chiều dày lớp mạ 97
Hình 3.37
Mẫu chuẩn lớp mạ EN-Al
2
O
3
10 g/l sử dụng đo chiều dày lớp
mạ
98
Hình 3.38
Ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào dẫn đến kết quả đầu ra trong
quá trình mạ compozit
100
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
7
MỞ ĐẦU
Mạ hoá học NiP lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Brenner và Riddell vào những năm
1940. Vào thời kỳ đầu, dung dịch mạ này rất dễ bị phân huỷ và hình thức lớp mạ xấu, do
vậy không thể dùng vào mục đích bảo vệ hoặc trang trí được. Tuy nhiên không lâu sau đó,
với sự đầu tư nghiên cứu, lớp mạ này không ngừng được cải tiến như: tốc độ mạ tăng,
dung dịch ổn định, lớp mạ có độ cứng cao, chống mài mòn, chống ăn mòn… Cho tới nay
lớp mạ hóa học NiP được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như mạ cho các
trục máy in, trên các chi tiết của bộ chế hoà khí trong động cơ, mạ trên các trục, cánh máy
nén, đầu piston trong lĩnh vực vũ trụ; mạ ở các kíp nổ và nòng súng trong lĩnh vực quân
sự…
Mặc dù lớp mạ hoá học NiP có nhiều ưu điểm, song để đáp ứng tính năng kỹ thuật
ngày càng cao đòi hỏi lớp mạ cần phải được cải thiện thêm. Mạ compozit chính là một
trong những biện pháp hữu hiệu để cải thiện tính chất lớp mạ. Trong quá trình mạ
compozit, các hạt trơ được đưa vào trong dung dịch mạ và các hạt trơ này sẽ được đồng kết
tủa vào trong lớp mạ NiP. Lớp mạ compozit thu được với pha phân tán là các hạt trơ và
pha liên tục là hợp kim NiP sẽ kết hợp được ưu điểm của cả hai loại vật liệu nói trên.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi cho vào lớp mạ NiP các hạt có độ cứng cao (như kim
cương, SiC) sẽ làm tăng độ cứng và tăng khả năng chịu mài mòn cho lớp mạ. Khi pha thêm
hạt BN sẽ có tác dụng tăng cường tính bôi trơn và tính chống bám dính cho lớp mạ…
Do tính mới và có khả năng ứng dụng cao mà lớp mạ hoá học NiP compozit hiện đang
thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Hiện
nay sản phẩm của mạ NiP compozit hóa học cũng đã được thương mại hóa trên thị trường
thế giới, nhưng ở trong nước mạ hoá học NiP compozit chỉ ở mức độ nghiên cứu rất nhỏ
lẻ. Hơn nữa, quá trình chế tạo lớp mạ compozit là khá phức tạp, đòi hỏi cần phải có những
nghiên cứu toàn diện, có tính hệ thống để có thể đạt được kết quả như mong muốn.
Với mục đích nghiên cứu, ứng dụng lớp mạ NiP compozit ở Việt Nam qua đó để
phát triển sâu thêm lý thuyết về quá trình hình thành lớp mạ, tác giả đã lựa chọn đề tài
"Nghiên cứu công nghệ mạ hoá học tạo lớp phủ compozit hệ Ni/hạt phân tán ( Al
2
O
3
,
PTFE )"
.
.
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
8
Mục đích của luận án
- Nghiên cứu quá trình hình thành, ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ chất khử
NaH
2
PO
2
tới cấu trúc và tính chất lớp mạ NiP để từ đó lựa chọn chế độ tạo
compozit NiP/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE).
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ NaH
2
PO
2
, chất hoạt động, hàm lượng hạt
PTFE trong dung dịch tới quá quá trình mạ hoá học NiP-PTFE.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt Al
2
O
3
trong dung dịch, chế độ khuấy
trộn tới quá trình mạ hoá học NiP-Al
2
O
3
.
- Đưa ra mô hình lý thuyết nhằm giải thích kết quả và làm rõ các quá trình xảy ra.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tạo lớp phủ NiP, NiP-PTFE, NiP-Al
2
O
3
bằng phương pháp mạ hoá học.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ chất khử NaH
2
PO
2
tới tốc độ mạ,
cấu trúc và tính chất lớp mạ NiP.
- Nghiên cứu tạo lớp mạ hoá học compozit NiP-PTFE, ảnh hưởng của nồng độ
NaH
2
PO
2
, chất hoạt động, hàm lượng hạt PTFE trong dung dịch tới quá trình hình
thành lớp mạ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt Al
2
O
3
trong dung dịch, chế độ khuấy
trộn tới quá trình mạ hoá học NiP-Al
2
O
3.
- Nghiên cứu tính chất các vật liệu NiP, NiP-PTFE, NiP-Al
2
O
3
đã tạo được.
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án
- Luận án đưa ra mô hình giải thích kết quả, mô hình giúp cho việc hiểu rõ quá trình
hình thành lớp mạ hoá học compozit.
- Luận án khảo sát nhiều thông số công nghệ như nhiệt độ, nồng độ chất khử, loại
chất hoạt động, nồng độ chất hoạt động, nồng độ hạt phân tán, chế độ khuấy trộn
để từ đó xác định được thông số cần thiết cho việc tạo lớp mạ hoá học cũng như
lớp mạ hoá học compozit.
- Luận án kiểm tra đo đạc để xác định tính chống ăn mòn, chống mài mòn, khả
năng chống bám dính, độ cứng của lớp phủ đã tạo ra từ đó xác định được các
thông số thích hợp để tạo lớp mạ có tính năng như mong muốn đồng thời xác định
được phạm vi ứng dụng của lớp phủ.
- Quá trình khảo sát, kiểm tra đo đạc được tiến hành sát với điều kiện ở Việt Nam
cho nên rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng.
Nghiên cứu công nghệ mạ hóa học tạo lớp phủ compozit Ni/hạt phân tán (Al
2
O
3
, PTFE)
Hà Mạnh Chiến
9
CHƯƠNG 1– TỔNG QUAN
1.1 MẠ HÓA HỌC NiP
1.1.1 Phản ứng mạ hoá học NiP
Mạ hóa học thực chất là quá trình kết tủa lớp kim loại hay hợp kim lên bề mặt vật rắn
nhờ các phản ứng hóa học mà không cần đến dòng điện ngoài. Vì vậy mạ hóa học còn
được gọi là mạ không điện (electroless plating). Trong ba quá trình mạ hóa học khác nhau
(mạ tiếp xúc, nội điện phân, tự xúc tác) thì mạ hóa học NiP được xếp vào loại mạ tự xúc
tác nghĩa là kim loại Ni sau khi được sinh ra sẽ đóng vai trò xúc tác cho quá trình mạ tiếp
tục diễn ra. Các phản ứng xảy ra trong quá trình mạ hóa học NiP bao gồm các phản ứng
chính và phản ứng phụ sau:
Phản ứng chính
Phản ứng khử:
( 2)
2
n
n
m
NiL Ni mL
Ni
2+
+ 2e → Ni
↓
(1.1)
Phản ứng oxi hóa:
H
2
PO
2
-
+ H
2
O
H
2
PO
3
-
+ 2H
+
+ 2e (1.2)
Phản ứng tổng:
Ni
2+
+ H
2
PO
2
-
+ H
2
O = Ni
↓
+ H
2
PO
3
-
+ 2H
+
(1.3)
Phản ứng phụ
2H
+
+ 2e
H
2
↑
(1.4)
H
2
PO
2
-
+ 2H
+
+ e
P
↓
+ 2H
2
O (1.5)
Ni
2+
+ 2OH
-
Ni(OH)
2
(1.6)
Ni
2+
+ 2H
2
PO
3
-
Ni(H
2
PO
3
)
2
(1.7)
Các tài liệu [20, 27] cùng thống nhất động học quá trình mạ chia thành 5 giai đoạn
(hình 1.1):
(i) Khuếch tán Ni
2+
, H
2
PO
2
-
tới bề mặt mạ
(ii) Hấp phụ Ni
2+
, H
2
PO
2
-
lên bề mặt mạ
(iii) Phản ứng xảy ra trên bề mặt mạ
(iv) Giải hấp phụ một số sản phẩm sau phản ứng ra khỏi bề mặt mạ
(v) Khuếch tán các sản phẩm sau phản ứng ra xa bề mặt mạ
