mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị. Tổng quan về màng mỏng và các phương pháp chế tạo Trình bày tổng quan về màng mỏng và các dạng màng mỏng có cấu trúc nano 3 luan an đã và đang được nghiên cứu của các tác giả trong nước và ngoài nước, đặc biệt đối với màng có nền DLC. Bên cạnh đó, tác giả trình bày các phương pháp phủ màng bằng PVD và CVD, ưu nhược điểm của từng phương pháp; cơ chế hình thành và phát triển của màng phủ bằng phương pháp phún xạ và ứng suất phát sinh trong màng làm cơ sở cho việc xác định nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Chế tạo màng mỏng có nền cacbon giống kim cương phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron kết hợp hóa học Trình bày quá trình chế tạo màng mỏng có nền DLC bằng phương pháp phún xạ magnetron kết hợp hóa học.
Tốc độ phủ được nghiên cứu và so sánh với chế độ phủ PVD thuần túy. Thành phần, cấu trúc và hình ảnh bề mặt của màng đã chế tạo được xác định bằng các thiết bị XPS, XRD, SEM, TEM, AFM. Các tính chất cơ học và ma sát của màng mỏng có nền cacbon giống kim cương phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron kết hợp hóa học Thực nghiệm xác định các tính chất cơ học và ma sát của màng thông qua thiết bị như máy đo ứng suất laser Tencor, máy đo độ cứng nano, máy đo ma sát, kính hiển vi quang học. Tính toán mô phỏng ứng xử tĩnh của màng nanocomposite có nền cacbon giống kim cương chịu tải bởi đầu đâm nano Trình bày tổng quát về phương pháp đo độ cứng nano, phương pháp phần tử hữu hạn, lý thuyết biến dạng và đánh giá sai số, lập sơ đồ giải thuật để mô phỏng quá trình chịu tải bởi đầu đâm nano của màng có nền DLC.
Chương trình tính toán với code Matlab đã được thiết lập. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm đã tiến hành trên máy đo độ cứng nano (thực hiện trong chương 3). - Kết luận và kiến nghị. 4 luan an TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 1.
Tổng quan về màng mỏng Chi tiết máy bị mài mòn dẫn đến những hư hỏng các thiết bị công nghiệp đã và đang làm thiệt hại lớn cho người sử dụng và nâng chi phí sản xuất. Thêm vào đó, những chi tiết bị hỏng do mòn không những gây ô nhiễm môi trường mà còn làm lãng phí xã hội rất lớn. Các chi tiết hay bị mài mòn như ổ lăn, trục lăn, trục cán,… và đặc biệt là dao cắt kim loại và những dụng cụ, chi tiết, bộ phận máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt thì sự mài mòn còn khốc liệt hơn. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp chống mài mòn và giảm ma sát đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Những năm gần đây có nhiều công bố về màng mỏng chống mòn như: - Các loại màng ceramic đa tinh thể như MeC, MeN, MeCxNy (Me là nguyên tố kim loại) có độ cứng cao, đã được nghiên cứu ứng dụng trong thực tế từ rất lâu, tuy nhiên hệ số ma sát của các loại màng này thường rất lớn (>0,3) [4 – 6]. - Màng hợp kim nano tinh thể có cấu trúc phụ thuộc vào hàm lượng và loại nguyên tố thêm vào nguyên tố chính. Các loại màng hợp kim nano đã được nghiên cứu trong khoảng 15 năm nay, các tác giả điển hình có nhiều nghiên cứu hệ thống cho loại màng này là Musil và Veprek. Các loại màng được Musil nghiên cứu rất đa dạng, có thể kể đến NiCr, CrNi, ZrY, ZrCu, TiSi, CrCu hoặc các màng ceramic (oxide hoặc carbide) của các kim loại ZrCu,TiCu, SiMe (Me có thể là các kim loại Ta, Zr, Mo, W) [7 - 11].
Veprek lại đi sâu nghiên cứu màng nano siêu cứng Ti-SixNy [12-14]. Các loại màng này có thể đạt đến ngưỡng siêu cứng (>40GPa), thậm chí, Veprek công bố đã chế tạo các màng có độ cứng xấp xỉ 70 GPa [15]. Tuy vậy, độ cứng các loại màng này không ổn định ở nhiệt độ cao, ứng suất dư lớn và hệ số ma sát của các loại màng này khá lớn. - Màng có cấu trúc nano nhiều lớp được thiết kế từ hai lớp siêu mỏng trở lên 5 luan an (khoảng 5 – 10 nm) theo một chu kỳ được xác lập [16, 17].
Độ cứng của các loại màng này phụ thuộc rất lớn vào chiều dày của mỗi lớp trong màng nano nhiều lớp Hình 1. Với các thiết bị phủ công nghiệp việc đảm bảo chiều dày của mỗi lớp ở cấp độ vài nm hầu như không thể thực hiện được, vì vậy, độ cứng và tính chống mài mòn của màng nano nhiều lớp không ổn định. Vấn đề này sẽ được khắc phục khi áp dụng cấu hình màng nano một lớp – nanocomposite. - Nanocomposite là màng có cấu trúc gồm các hạt nano phân tán trong một nền chất vô định hình nào đó (Hình 1.
Màng nano nhiều lớp WC/C [18] Hình 1. Màng nanocomposite với tinh thể kim loại phân tán trong nền vô định hình [19] Cacbon giống kim cương (Diamond Like Carbon, thường được viết tắt là DLC hoặc a-C, hoặc a-C:H (nếu có chứa hydro)) là vật liệu vô định hình bao gồm các cấu trúc sp3 (giống kim cương) và sp2 (giống graphite) [20, 21], Hình 1. Sự lai hóa của DLC là sp2 (cấu trúc giống graphite) (a) và sp3 (cấu trúc kim cương) (b) 6 luan an DLC lần đầu tiên được chế tạo dưới dạng màng mỏng bởi Sol Aisenberg vào năm 1971, thuật ngữ DLC cũng bắt đầu được sử dụng từ đó [24]. DLC được biết đến như là vật liệu có tính chống mòn tốt, ma sát thấp [25 - 27] và có thể chế tạo dưới dạng màng mỏng bằng các kỹ thuật phủ vật lý (PVD) hoặc hóa học (CVD) [28 - 31].1 thống kê hệ số ma sát của các loại màng DLC được phủ bằng các phương khác nhau trong điều kiện không bôi trơn [32].
Có thể thấy rằng hệ số ma sát của màng DLC thay đổi theo điều kiện môi trường thử. Ở môi trường thử là không khí có độ ẩm 50% (môi trường làm việc của đa số các chi tiết chịu ma sát) hệ số ma sát của màng DLC khi trượt tương đối với thép < 0,2. Tuy có hệ số ma sát nhỏ, màng DLC thuần khiết vẫn có những bất lợi như ứng suất nội cao, dễ vỡ giòn, tính bền nhiệt kém giới hạn các ứng dụng của cacbon giống kim cương [33 - 37]. Việc đưa một số kim loại vào nền DLC để tạo nên màng nanocomposite sẽ vẫn giữ được các tính chất ưu việt của DLC đã được chứng minh, đồng thời, khắc phục những nhược điểm của nó [38 - 40].
Nanocomposite với nền DLC là vật liệu rất tiềm năng cho các ứng dụng chống ma sát và mài mòn các chi tiết chuyển động.1 Hệ số ma sát của DLC với các môi trường thử và vật liệu thử khác nhau Môi trường ma sát DLC được phủ không có DLC được phủ có (Trượt tương đối với bi thép thế điện trên đế thế điện trên đế 440C) Không khí , độ ẩm 50% 0.16 Chân không, 10 Pa 0. Các phương pháp chế tạo màng mỏng 1. Phủ hoá học (CVD) Phủ hoá học sử dụng khí như là một nguồn của vật liệu cần phủ lên chi tiết. Ví dụ: muốn phủ một lớp DLC lên bề mặt một chi tiết người ta sử dụng nguồn cacbon là khí hydro-cacbon (như CH4, C2H2, …).
Có nhiều kỹ thuật phủ bằng phương pháp CVD như: CVD nhiệt, CVD plasma (PECVD). Kỹ thuật CVD nhiệt lại được phân ra thành các kỹ thuật sau: phân tách nhiệt, nhiệt halogen, dây tóc nóng, ngọn lửa C2H2- 7 luan an O2. PECVD có thể được chia thành ba nhóm nhỏ: CVD plasma sử dụng dòng một chiều (DC-PECVD), CVD plasma sử dụng tần số radio (13,6 MHz) (RF – PECVD) và vi sóng PECVD. Tổ hợp của hai trong số những kỹ thuật trên cũng có thể được sử dụng, ví dụ như dây tóc nóng cộng với dòng một chiều (DC), dây tóc nóng cộng với vi sóng.
Hệ thống CVD dây tóc nóng Hình 1.4 là sơ đồ một hệ thống phủ CVD dùng dây tóc nóng điển hình. Vật liệu làm dây tóc phải có nhiệt độ nóng chảy cao (thường là W hoặc Mo) vì dây tóc có thể nóng đến 2800oK. Khí sử dụng trong hệ thống này là H2 và CH4. Khí CH4 chính là nguồn cacbon để phủ lên chi tiết.
Nó sẽ tạo ra gốc cacbon và hydro nguyên tử. Các thành phần này sẽ tham gia tạo thành màng DLC. Chi tiết cần phủ trong trường hợp này được tạo một thế điện âm.5 thể hiện một hệ thống PECVD – vi sóng. Nhiệt độ của chi tiết cần phủ phụ thuộc vào mật độ năng lượng và vị trí của plasma.6 thể hiện hệ thống PECVD, trong đó dòng plasma được tạo thành một súng tạo plasma.
Khí sử dụng trong trường hợp này là H2, CH4, O2 và Ar. Dòng điện một chiều được cung cấp cho súng phun plasma trong khi hoạt động. 8 luan an Hình 1. Hệ thống PECVD – vi sóng Hình 1.
Hệ thống PECVD Trong quá trình CVD thì những phần tử phản ứng ở dạng khí, ví dụ như: CH4 và hydro được cấp vào buồng phản ứng và phản ứng được kích hoạt bởi dây tóc nóng hay plasma [41]. H2 – 2Ho CH4 + Ho – CH3 + H2 … Vòng tròn nhỏ trong công thức trên tượng trưng cho một điện tử không được 9 luan an ghép cặp. Trên bề mặt của chi tiết cần phủ, có những quá trình liên tục xảy ra như: hấp thụ, khuếch tán, phản ứng và phân tách của rất nhiều hạt (nguyên tử và ion) tạo nên cấu trúc giống kim cương (sp3) và giống graphite (sp2). Màng này có chứa một lượng H nên những màng được chế tạo bằng phương pháp CVD được gọi là DLC lẫn hydro (a-C:H).
Việc nung nóng chi tiết cần phủ có một vai trò rất quan trọng cho sự hình thành và phát triển của màng phủ khi áp dụng kỹ thuật CVD. Chính vì vậy, phạm vi vật liệu của chi tiết cần phủ bị giới hạn (không thể áp dụng cho các chi tiết được làm bằng vật liệu quá nhạy cảm với nhiệt). PVD gồm bốc hơi PVD, phún xạ PVD. • Bốc hơi PVD: chùm electron, điện trở, cảm ứng điện và tia lửa điện - Nung nóng điện trở là một phương pháp tạo ra sự bay hơi của nguồn vật liệu bằng điện trở.
Vật liệu cần được phủ lên chi tiết được đặt trong một đế giữ làm bằng vật liệu rất bền nhiệt. Phương pháp này thường được dùng cho các loại vật liệu có điểm nóng chảy thấp. - Tia lửa điện là phương pháp bay hơi nhờ tia lửa điện giữa hai điện cực.