Nghiên Cứu Chế Tạo Màng Mỏng Chống Mòn Cao Với Nền Carbon Giống Kim Cương

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo và tính toán mô phỏng màng mỏng với nền cacbon giống kim cương có tính chống mòn, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Lê Văn An
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Xuân Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Màng Mỏng Chống Mòn Cao Với Nền Carbon Giống Kim Cương
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Màng Mỏng Chống Mòn Cao 55 ký tự

Ma sát và mài mòn là nguyên nhân chính gây thất thoát năng lượng và giảm tuổi thọ thiết bị công nghiệp. Đặc biệt, trong điều kiện bôi trơn kém hoặc không bôi trơn, các hệ thống cơ khí hoạt động rất khó khăn. Do đó, nghiên cứu các giải pháp chống mòn và giảm ma sát trở nên vô cùng quan trọng. Tại Việt Nam, các công bố về màng chống mòn một lớp như TiN, CrN còn hạn chế về hệ số ma sát (>0,5). Thế giới cũng có nhiều nghiên cứu về màng hợp kim nano chống mòn như Ti-SixNy, TiCu, NiCr, CrNi. Nanocomposite là một dạng màng mỏng có cấu trúc nano đang được quan tâm, đặc biệt là màng nanocomposite có nền cacbon giống kim cương (DLC) nhờ khả năng tạo lớp bôi trơn rắn giàu graphite trong quá trình ma sát. Các màng này được chế tạo bằng phương pháp hóa học (CVD) hoặc vật lý (PVD).

1.1. Màng Ceramic và Màng Hợp Kim Nano Tổng Quan

Màng ceramic đa tinh thể như MeC, MeN, MeCxNy (Me là nguyên tố kim loại) có độ cứng cao nhưng hệ số ma sát 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. Musil và Veprek đã nghiên cứu sâu về NiCr, CrNi, ZrY, ZrCu, TiSi, CrCu hoặc các màng ceramic (oxide hoặc carbide) của các kim loại ZrCu,TiCu, SiMe [7 - 11]. Veprek còn nghiên cứu màng nano siêu cứng Ti-SixNy [12-14]. 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 chúng khá lớn.

1.2. Màng Nano Nhiều Lớp và Nanocomposite So Sánh

Màng có cấu trúc nano nhiều lớp được thiết kế từ hai lớp siêu mỏng trở lên (khoảng 5 – 10 nm) theo một chu kỳ xác định [16, 17]. Độ cứng của chúng phụ thuộc lớn vào chiều dày mỗi lớp. Khó khăn trong việc đảm bảo chiều dày ở cấp độ nm khiến độ cứng và tính chống mài mòn không ổn định. Nanocomposite giải quyết vấn đề này bằng cách phân tán các hạt nano trong một nền chất vô định hình [18, 19].

II. Cacbon Giống Kim Cương DLC Vật Liệu Tiềm Năng 58 ký tự

Cacbon giống kim cương (DLC), còn được gọi là a-C hoặc a-C:H (nếu chứa hydro), là vật liệu vô định hình chứa cấu trúc sp3 (giống kim cương) và sp2 (giống graphite) [20, 21]. DLC được Sol Aisenberg chế tạo lần đầu dưới dạng màng mỏng. Cấu trúc của DLC quyết định tính chất của màng. Tỷ lệ sp3 cao giúp màng cứng và bền, trong khi sp2 giúp giảm ma sát. Vì vậy, DLC trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng chống mòn và giảm ma sát. Tuy nhiên, việc kiểm soát cấu trúc và tính chất của DLC vẫn là một thách thức lớn. Cần nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa tính chất cơ học và tính chất ma sát của màng DLC.

2.1. Cấu Trúc và Tính Chất của Màng DLC

Cấu trúc của DLC bao gồm các liên kết sp3 (giống kim cương) và sp2 (giống graphite). Tỷ lệ giữa hai liên kết này quyết định tính chất của màng. Liên kết sp3 tạo độ cứng và độ bền cao, trong khi liên kết sp2 giúp giảm ma sát. Việc kiểm soát tỷ lệ sp3/sp2 là chìa khóa để tối ưu hóa tính chất của màng DLC.

2.2. Ưu Điểm và Ứng Dụng của Màng DLC

Màng DLC có nhiều ưu điểm như độ cứng cao, hệ số ma sát thấp, khả năng chống mài mòn tốt và trơ hóa học. Nhờ đó, DLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công cụ cắt gọt, thiết bị y tế, linh kiện điện tử và các chi tiết máy chịu mài mòn.

III. Phương Pháp Chế Tạo Màng DLC Chống Mòn PVD CVD 59 ký tự

Màng nanocomposite DLC được chế tạo bằng nhiều phương pháp, phổ biến nhất là phủ hóa học (Chemical Vapor Deposition - CVD) và phủ vật lý (Physical Vapor Deposition - PVD). CVD cho màng có ứng suất dư thấp, nhưng độ cứng và tính chống mòn kém. PVD tạo ra màng có độ cứng cao, nhưng tốc độ phủ thấp và ứng suất dư lớn, gây bong tróc. Việc kết hợp PVD và CVD nhằm tạo ra màng nanocomposite với tốc độ phủ cao, độ cứng tốt, khả năng chống mòn cao, ma sát thấp và ứng suất nội thấp. Phương pháp này hứa hẹn mang lại nhiều tiềm năng trong các ứng dụng thực tế.

3.1. Ưu Nhược Điểm của Phương Pháp PVD và CVD

PVD (Phủ vật lý) cho độ cứng màng cao, bám dính tốt nhưng tốc độ phủ chậm và ứng suất dư lớn dễ gây bong tróc. CVD (Phủ hóa học) tạo màng có ứng suất dư thấp, độ phủ tốt nhưng độ cứng và tính chống mòn kém hơn PVD.

3.2. Kết Hợp PVD và CVD Giải Pháp Tối Ưu

Kết hợp PVD và CVD giúp tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng phương pháp. Điều này tạo ra màng nanocomposite DLC với độ cứng cao, khả năng chống mòn tốt, hệ số ma sát thấp và ứng suất nội thấp.

IV. Phún Xạ Magnetron Kết Hợp Hóa Học Chế Tạo DLC 56 ký tự

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp phún xạ magnetron (một dạng PVD) kết hợp CVD để chế tạo màng nanocomposite với các tinh thể TiC phân tán trên nền vô định hình DLC. Màng được kỳ vọng có độ cứng cao nhờ tỷ lệ lớn sp3 (giống kim cương) và cốt là các tinh thể nano TiC. Hệ số ma sát thấp đạt được nhờ sự chuyển hóa từ cấu trúc sp3 sang sp2 trong quá trình chịu tải. Phương pháp này hứa hẹn tạo ra màng DLC có tính chất vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu này cũng tập trung vào điều khiển quá trình phún xạ và tối ưu hóa thông số chế tạo.

4.1. Cơ Chế Hoạt Động của Phún Xạ Magnetron

Phún xạ Magnetron là một kỹ thuật PVD sử dụng từ trường để tăng hiệu suất ion hóa và tập trung plasma gần bề mặt bia. Điều này giúp tăng tốc độ phún xạ và cải thiện chất lượng màng phủ.

4.2. Tối Ưu Hóa Thông Số Chế Tạo Màng DLC

Các thông số quan trọng trong quá trình chế tạo màng DLC bằng phún xạ Magnetron bao gồm: áp suất khí, công suất phún xạ, nhiệt độ đế và tỷ lệ khí phản ứng. Việc tối ưu hóa các thông số này giúp kiểm soát thành phần, cấu trúc và tính chất của màng.

V. Mô Phỏng Tải Trọng Nano Đánh Giá Độ Bền Màng DLC 59 ký tự

Khả năng chịu tải của màng dưới tác dụng của đầu đâm nano được đánh giá qua mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng code Matlab). Mục đích là đánh giá khả năng chịu tải và hư hỏng của màng trong các chế độ chịu tải phức tạp thực tế. Phân tích độ chính xác của lời giải thông qua chuẩn sai số về năng lượng và tốc độ hội tụ là yếu tố quan trọng. Mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về ứng xử cơ học của màng DLC dưới tác dụng của tải trọng nano, từ đó cải thiện thiết kế và ứng dụng.

5.1. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM cho Màng

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng ứng xử cơ học của màng dưới tác dụng của tải trọng. FEM chia màng thành các phần tử nhỏ và giải các phương trình cân bằng trên mỗi phần tử để tìm ra trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất.

5.2. Đánh Giá Sai Số và Độ Hội Tụ của Mô Phỏng

Đánh giá sai số và độ hội tụ là bước quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng. Các phương pháp đánh giá sai số phổ biến bao gồm: so sánh với kết quả thực nghiệm, sử dụng các chuẩn sai số năng lượng và phân tích tốc độ hội tụ.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Màng DLC Tương Lai 57 ký tự

Nghiên cứu này đã đề xuất phương pháp chế tạo màng nanocomposite DLC bằng phún xạ magnetron kết hợp CVD, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng tải trọng nano. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng chống mòn cho chi tiết máy. Hướng nghiên cứu tương lai bao gồm: tối ưu hóa quy trình chế tạo, mở rộng phạm vi vật liệu nanocomposite, nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và ma sát trong mô phỏng, và áp dụng mô hình 3D. Các nghiên cứu này sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của màng DLC trong các ứng dụng thực tế và chống mài mòn.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo màng nanocomposite DLC bằng phún xạ magnetron kết hợp CVD. Mô hình mô phỏng tải trọng nano đã được xây dựng và kiểm chứng. Kết quả cho thấy màng DLC có khả năng chịu tải tốt và tiềm năng lớn trong các ứng dụng chống mòn.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Tiếp Theo

Các hướng nghiên cứu tiềm năng tiếp theo bao gồm: tối ưu hóa quy trình chế tạo màng, nghiên cứu các vật liệu nanocomposite mới, mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ và ma sát, và phát triển mô hình 3D cho mô phỏng tải trọng nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 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].

Trong khi đó, 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 (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 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]. Một số nguyên tố được đưa vào nền DLC để cải thiện các tính chất cơ học và ma sát của màng.

Các nguyên tố đưa vào có thể là phi kim loại như Si, F, N [38 – 40] hoặc kim loại. 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 [41 - 43]. 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 7 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- 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 8 chiều được cung cấp cho súng phun plasma trong khi hoạt động.

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 [44]. H2 – 2Ho CH4 + Ho – CH3 + H2 … 9 Vòng tròn nhỏ trong công thức trên tượng trưng cho một điện tử không được 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.