Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép nóng (nhiệt độ, áp suất, thời gian) trong chế tạo gốm quang học Magie Florua (MgF2) đến độ truyền qua của ánh sáng hồng ngoại, từ đó xác định được bộ thông số công nghệ hợp lý để chế tạo vật liệu gốm quang học đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ứng dụng cho chóp đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại. Tiến hành nghiên cứu các cơ chế và quy luật xảy ra trong quá trình ép nóng. Chế tạo các mẫu thử ở các thông số công nghệ khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm ép. Bằng thực nghiệm xác định được chế độ công nghệ ép nóng hợp lý (áp suất P = 250MPa; nhiệt độ T = 650o C và thời gian ép t = 30 phút) phục vụ chế tạo phôi chóp đầu tự dẫn hồng ngoại đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
Hóa học & Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ÉP NĨNG ĐẾN ĐỘ TRUYỀN QUA CỦA GỐM QUANG HỌC MAGIE FLORUA TRONG PHỔ HỒNG NGOẠI Nguyễn Tuấn Hiếu, Nguyễn Đình Thái, Trần Đức Long* Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ ép nóng (nhiệt độ, áp suất, thời gian) chế tạo gốm quang học Magie Florua (MgF2) đến độ truyền qua ánh sáng hồng ngoại, từ xác định thơng số công nghệ hợp lý để chế tạo vật liệu gốm quang học đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ứng dụng cho chóp đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại Tiến hành nghiên cứu chế quy luật xảy q trình ép nóng Chế tạo mẫu thử thông số công nghệ khác để đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm ép Bằng thực nghiệm xác định chế độ cơng nghệ ép nóng hợp lý (áp suất P = 250MPa; nhiệt độ T = 650oC thời gian ép t = 30 phút) phục vụ chế tạo phơi chóp đầu tự dẫn hồng ngoại đạt yêu cầu kỹ thuật đề Từ khóa: Gốm quang học; Magie Florua; Hồng ngoại; Chóp gió tên lửa hồng ngoại; Cơng nghệ ép nóng ĐẶT VẤN ĐỀ Khái niệm gốm quang học sử dụng để loại vật liệu đa tinh thể chế tạo phương pháp ép nóng Mặc dù đơn tinh thể MgF2 (được tạo phương pháp nuôi cấy đơn tinh thể) có tính chất quang học tuyệt vời, tính chất học khơng phải lý tưởng So với MgF2 đơn tinh thể, vật liệu MgF2 đa tinh thể có tính chất học tốt nhiều mà đảm bảo tính chất quang học Với ưu điểm đó, vật liệu đa tinh thể thường sử dụng cho sản phẩm làm việc điều kiện chịu nhiệt độ áp suất cao, chẳng hạn chóp tên lửa Vật liệu gốm quang học MgF2 cho phép ánh sáng hồng ngoại vùng bước sóng 2-7µm truyền qua, tốt vùng bước sóng 3-5µm [1-3] Đây vùng bước sóng xạ hồng ngoại mục tiêu tên lửa hồng ngoại Chính vậy, vật liệu gọi “Cửa sổ hồng ngoại”, sử dụng làm vật liệu quan trọng cho chóp gốm hồng ngoại [4-6] Phương pháp ép nóng thiêu kết (Hot - Pressing) hay cịn gọi đơn giản ép nóng tạo thành gốm đa tinh thể từ bột đơn tinh MgF2 Bột thiêu kết đồng thời nhiệt độ cao áp suất cao, xử lý nung nhiệt độ khác nhau, sau tiến hành ép nóng để làm cho mật độ thể tích tiệm cận mật độ lý tưởng, tức mật độ đơn tinh Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu [1, 7-10] gốm quang học MgF2 Các nghiên cứu giới thiệu cơng nghệ ép nóng chế tạo loại vật liệu này, rằng, tính chất tốt hay xấu đa tinh thể ép nóng chịu ảnh hưởng lớn thông số công nghệ nhiệt độ, áp suất thời gian ép nóng Các nghiên cứu đưa vùng thông số công nghệ cho ép nóng gốm quang học đa tinh thể MgF2 sau: nhiệt độ ép nóng T = [550-750] °C, áp suất ép nóng P = [150-350] MPa, thời gian ép nóng t = [15-45] phút Tuy nhiên, vùng thơng số công nghệ rộng, tùy thuộc vào đặc điểm loại bột nguyên liệu cụ thể (đặc biệt kích cỡ bột) cần lựa chọn thơng số công nghệ nhiệt độ, áp suất, thời gian ép nóng tối ưu Trong nước, chưa có nghiên cứu chun sâu cơng nghệ ép nóng gốm quang học đa tinh thể MgF2 Mục đích báo nghiên cứu chế quy luật xảy q trình ép nóng để làm rõ ảnh hưởng thông số công nghệ ép nóng đến chất lượng sản phẩm ép, cụ thể độ truyền qua vùng hồng ngoại Trên sở nghiên cứu lý thuyết tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng yếu tố công nghệ ép nóng (nhiệt độ, thời gian, áp suất) đến độ truyền qua Từ đó, đưa thơng số cơng nghệ ép nóng hợp lý 140 N T Hiếu, N Đ.Thái, T Đ Long, “Nghiên cứu ảnh hưởng … phổ hồng ngoại.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Công nghệ ép nóng gốm quang học MgF2 Phương pháp ép nóng xuất đầu kỷ XX ban đầu phát triển phương pháp luyện kim bột, song ứng dụng thực tiễn ép nóng khơng luyện kim bột mà cịn cơng nghệ vật liệu gốm Ép nóng cho phép tăng tính chảy nhớt vật liệu nhiệt độ cao cho phép thu sản phẩm có mật độ cao gần với mật độ lý thuyết Do nhiệt độ thời gian q trình ép so với phương pháp thiêu kết truyền thống (thiêu kết áp lực) nên hạn chế lớn lên hạt tinh thể cho phép thu vật liệu cấu trúc hạt nhỏ mịn 2.1.1 Cơ chế quy luật kết khối vật liệu ép nóng Khi ép nóng lực ép từ bên P kết hợp với lực căng bề mặt σ có thiêu kết khơng có áp lực nên q trình ép nóng hoạt hóa mạnh rút ngắn so với thiêu kết áp lực Động học q trình kết khối vật liệu bột ép nóng phân chia làm giai đoạn đặc trưng cho trình kết khối khác (hình 1) Giai đoạn thứ nhất: Trượt phá hủy hạt bột (khi ép nguội xếp lại hạt bột) Ở giai đoạn này, khối lượng riêng vật liệu bột tăng lên đột ngột kết hợp hạt bột lại chúng di chuyển đến gần hình thành bề mặt tiếp xúc Khi đó, biến dạng dẻo khơng phải ngun nhân gây nên tăng khối lượng riêng Giai đoạn thứ hai: Chảy dẻo chảy nhớt (khi ép nguội biến dạng đàn hồi) Giai đoạn đặc trưng tăng chậm khối lượng riêng Cơ chế giai đoạn biến dạng dẻo (chảy dẻo) có liên quan mật thiết đến di chuyển sai lệch mạng diễn ứng suất lớn giới hạn chảy vật liệu Giai đoạn thứ ba: Các trình khuếch tán (khi ép nguội biến dạng dẻo phá hủy giòn) Trong giai đoạn này, khối lượng riêng tăng lên chậm Quá trình kết khối định “sự chảy dão áp lực” khuếch tán khối nguyên tử khuyết tật rỗng Có thể thấy rõ hình 1, phụ thuộc khối lượng riêng tỷ đối sản phẩm ép vào thời gian theo giai đoạn Ở giai đoạn (trượt phá hùy) khối lượng riêng tăng nhanh Đến giai đoạn cuối (khuếch tán), khối lượng riêng tăng chậm tiệm cận mật độ lý tưởng (khối lượng riêng tỷ đối gần 1) khơng tăng Do đó, tăng nhiệt độ, áp suất thời gian ép đến giá trị tối ưu để thu sản phẩm ép có mật độ lớn Mật độ sản phẩm ép lớn, số lượng thể tích lỗ xốp nhỏ, độ truyền qua cao [11] Tuy nhiên, sau tăng đến giá trị tối ưu, tiếp tục tăng nhiệt độ áp suất, thời gian ép chất lượng sản phẩm ép giảm xuống, xảy tượng cháy nứt vỡ sản phẩm ép Hình Sự phụ thuộc khối lượng riêng tỷ đối vào thời gian ép Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 141 Hóa học & Kỹ thuật mơi trường Các q trình xảy vật liệu ép nóng bột gốm gồm có [12]: - Chảy giả nhớt d n dt (1) Trong đó: ε biến dạng hay co ngót; t thời gian, σ trạng thái ứng suất - Chảy nhớt Khi số mũ n phương trình (n=1) d dt (2) d c dt (3) - Biến dạng dẻo Trong đó: σc giới hạn chảy vật liệu Để đánh giá lượng biến dạng gốm chịu nhiệt ép nóng, Muire đưa phương trình dựa sở lý thuyết thiêu kết bột phát triển Makkezi Shatvor Phương trình Muire nêu phụ thuộc khối lượng riêng vào áp suất ép, độ chảy nhớt vật liệu thời gian ép: 3P d d dt dt (1 ) en tk (4) Trong đó: ρ khối lượng riêng tỷ đối thời điểm t; P áp suất ép; η độ nhớt vật liệu; en ép nóng; tk thiêu kết thơng thường Từ phương trình thấy tăng tốc độ kết khối vật liệu ép nóng so với thiêu kết thơng thường định thành phần thứ hai phương trình, đại lượng lực ép hệ số chảy nhớt vật liệu ép Khi mà áp suất P lớn nhiều giá trị lực căng bề mặt thành phần phương trình bỏ qua, phương trình có dạng: 3P d dt (1 ) en (5) Như vậy, phương trình tốc độ kết khối vật liệu ép nóng có dạng đường cong động học bậc 1, số tốc độ tỷ lệ áp suất độ nhớt vật liệu Sau tích phân phương trình ta được: ln(1 ) 3P t C 4 (6) Tại thời điểm ban đầu: t = 0; ρ = ρo (khối lượng riêng ban đầu phôi khuôn trước ép nóng) C= ln(1 - ρ) Như hàm ln(1 - ρ) phụ thuộc vào thời gian có dạng đường thẳng độ nghiêng đường thẳng độ nhớt vật liệu Ép nóng làm tăng khối lượng riêng phôi ép lên lớn điều kiện nhiệt độ giới hạn thấp thời gian giữ đẳng nhiệt áp lực rút ngắn so với thiêu kết khơng có áp lực Bởi tốc độ kết khối, đặc biệt giai đoạn cuối, phụ thuộc vào kích thước hạt bột hệ số khuyếch tán nên hiệu trình kết khối đạt cách tăng mạnh độ mịn bột tăng hoạt tính chúng cách tạo khuyết tật mạng tinh thể Cũng thiêu kết truyền thống, độ mịn bột ép nóng ảnh 142 N T Hiếu, N Đ.Thái, T Đ Long, “Nghiên cứu ảnh hưởng … phổ hồng ngoại.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hưởng rõ rệt lên động học q trình Ví dụ, giảm đường kính trung bình bột từ 10 µm xuống 0,1µm nhiệt độ ép nóng tỷ đối cần thiết để thu vật liệu gốm quang học giảm từ (0,75-0,8) Tnc xuống (0,55-0,6) Tnc hay giảm 200-500 °C 2.1.2 Thiết bị cơng nghệ ép nóng Trên hình 2, đưa sơ đồ nguyên lý thiết bị ép nóng chân khơng thường sử dụng để chế tạo loại gốm quang học đa tinh thể Để tiến hành ép nóng trước hết bột nguyên liệu thường ép nguội sơ bộ, sau phơi ép sơ đặt vào khn để ép nóng Khi ép nóng cần phải xác định ba tham số chính: nhiệt độ ép nóng lớn nhât (Tmax), áp lực ép lớn nhiệt độ lớn (Pmax), thời gian đặt áp lực lớn nhiệt độ lớn (tép) Các chế độ ép nóng lựa chọn có tính đến kích thước hình dạng sản phẩm chúng ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất biến dạng, tính đến tính chất hóa-lý học bột ngun liệu Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị ép nóng chân khơng 1- Buồng chân khơng; 2- Lị gia nhiệt; 3- Chày; 4- Vỏ khuôn; 5- Vật liệu ép; 6- Cối; 7- Bệ đỡ; 8- Bàn máy ép; 9- Can nhiệt Hình Thiết bị ép nóng chân khơng Viện Công nghệ (lực ép 100T; nhiệt độ nung lớn 1000°C; độ chân khơng 0,02 bar) Q trình ép nóng phơi ép nguội chia sơ thành giai đoạn hình với hai trường hợp khơng đặt áp lực sơ lên phơi ép (hình 4a) đặt áp lực sơ lên phôi ép (hình 4b) Trong hình mơ tả độ biến dạng sản phẩm ép ε theo thời gian phụ thuộc vào việc đặt lực ép P nhiệt độ ép T giai đoạn theo công thức từ (1) đến (6) Ở giai đoạn đầu (I) phôi ép nguội sơ nung nóng với tốc độ phụ thuộc vào kích thước phơi ép khoảng thời gian t1 Khi đạt nhiệt độ tối ưu cần phải nung tiếp phôi ép khoảng thời gian t2 để cân nhiệt độ toàn tiết diện sản phẩm (giai đoạn II) Giai đoạn III đặc trưng tốc độ ép sản phẩm ổn định, xảy biến dạng mạnh sản phẩm (phôi) εt chiếm 60-75% tổng biến dạng εh Khi tăng tốc độ ép làm tăng tốc độ biến dạng sản phẩm (phôi) Tăng lực ép làm tăng biến dạng sản phẩm, đặc biệt giai đoạn III (lực ép P2 > P1 thu ε2 > ε1) Giữ sản phẩm nhiệt độ ép tối ưu Tép (giai đoạn IV) áp lực tĩnh cần thiết để xảy hồn tồn q trình thiêu kết sản phẩm Biến dạng sản phẩm giai đoạn (ε’’) tiếp tục diễn với tốc độ chậm Ở giai đoạn V trình bỏ áp lực làm nguội sản phẩm với tốc độ định Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 143 Hóa học & Kỹ thuật mơi trường a) b) Hình Các giai đoạn chế độ q trình ép nóng: khơng đặt áp lực sơ lên phôi ép (a) đặt áp lực sơ lên phôi ép (b) 2.2 Thiết bị đo độ truyền qua phổ hồng ngoại Đo độ truyền qua mẫu gốm quang học MgF2 sử dụng máy quang phổ hồng ngoại FTIR với giao thoa kế Michelson [13] Cụ thể, sử dụng máy quang phổ FTIR Nicolet Summit Pro với giải đo 1,28-16,67 µm (hình 5) Độ truyền qua mẫu nghiên cứu đo theo hướng trục ép nóng Hình Máy quang phổ hồng ngoại FTIR KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chuẩn bị mẫu thử Trên sở lý thuyết công nghệ ép nóng bột MgF2, ta lựa chọn vùng giá trị thông số công nghệ để chế tạo mẫu thử sau: - Nhiệt độ ép nóng: T = [550; 600; 650; 700; 750] °C; - Áp suất ép nóng: P = [150; 200; 250; 300; 350] MPa; - Thời gia ép nóng: t = [15; 25; 30; 35; 45] phút Các mẫu thí nghiệm ép với chế độ cơng nghệ vùng từ bột MgF2 kích thước nano (từ 80 đến 100 nm), độ cao (trên 99,9%), thực tạo hình chóp cầu khn chịu nhiệt có độ bền cao lị gia nhiệt môi trường chân không với áp suất 0,02 bar (hình 3) Sau ép nóng mẫu phải gia cơng đạt u cầu độ xác, chất lượng bề mặt tương quan hình dáng hình học, độ song song bề mặt làm việc mẫu không 144 N T Hiếu, N Đ.Thái, T Đ Long, “Nghiên cứu ảnh hưởng … phổ hồng ngoại.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 30’; độ nhám bề mặt làm việc mẫu Rz không 0,05 μm; độ bề mặt làm việc phải từ cấp độ IV trở lên theo GOST 11141; chiều dày mẫu 2±0,05mm; bề mặt bên khơng có rỗ, xước; khơng cho phép phát mắt thường mẫu có vân xoắn, bọt khí hay tạp chất làm hấp thụ, tán xạ chệch hướng chùm tia qua mẫu [14] 3.2 Kết đo phân tích Ảnh hưởng áp suất ép đến độ truyền qua Trên hình kết đo độ truyền qua bước sóng hồng ngoại từ đến 12 µm tương ứng với chế độ lực ép khác từ 150 đến 350MPa, nhiệt độ ép 650°C, thời gian ép 30 phút Hình Ảnh hưởng độ truyền qua phụ thuộc vào lực ép 1- 150MPa; – 200MPa; – 250MPa; – 300MPa; – 350Mpa Từ kết đo độ truyền qua phụ thuộc vào lực ép cho ta thấy, tăng áp suất ép độ truyền qua tăng, độ truyền qua đạt từ 85 đến 90% áp suất từ 250 đến 300MPa Điều phù hợp với lý thuyết tăng áp suất ép tỷ trọng vật liệu ép tăng lên, tượng lưỡng chiết, tán xạ giảm độ truyền tăng lên Một số mẫu ép áp suất 300MPa xảy tượng nứt tế vi, áp suất 350MPa xuất vết nứt tách lớp (hình 7) Khi mật độ tăng tiệm cận với mật độ lý tưởng vật liệu, tiếp tục tăng áp suất nén ép xảy tượng phá hủy giịn trình bày mục 2.1a Thực nghiệm cho thấy, chất lượng sản phẩm ép đạt tốt áp suất 250MPa a) P=300MPa; T=650oC, t=30phút b) P=350MPa; T=650oC, t=30phút Hình Mẫu chóp gốm MgF2 sử dụng cơng nghệ ép nóng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, - 2020 145 Hóa học & Kỹ thuật mơi trường Ảnh hưởng nhiệt độ ép đến độ truyền qua Trên hình kết đo độ truyền qua bước sóng hồng ngoại từ đến 12 µm tương ứng với chế độ nhiệt khác từ 550 đến 750°C, lực ép 250 MPa, thời gian ép 30 phút Hình Ảnh hưởng độ truyền qua phụ thuộc vào nhiệt độ ép 1- 550°C; - 600°C; - 650°C; - 700°C; - 750 °C Kết cho thấy, độ truyền qua đạt cao vùng nhiệt độ từ 600 đến 650°C đạt từ 83 đến 90% phổ bước sóng từ đến µm; vùng thấp 600°C có độ truyền qua thấp (< 80%), peak hấp thụ bước sóng 2,8 µm; 5,0 µm 6,7 µm lớn; vùng nhiệt độ ép từ 700°C độ truyền qua thấp (
