SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT GVHD : PGS -TS. LÊ VĂN HIẾU HVTH : HÀ TÂN HÒA PHAN THANH NHẬT KHOA PHẦN I :  GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PHẦN II :  ĐO ĐẠC PHẦN I :  GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Màng mỏng chịu được nhiệt độ cao (màng bền nhiệt) nhằm bảo vệ các thiết bị bên trong khỏi nhiệt độ quá lớn của môi trường làm việc (tới 1100 0 C ). Ví dụ: màng bảo vệ tuốcbin khí của động cơ đẩy của máy bay, màng phủ lên lớp thành buồng đốt của động cơ xe máy, máy phát điện… Các thiết bị này, theo nguyên lí Carnot, cần có nhiệt độ làm việc càng lớn càng tốt để tăng hiệu suất của động cơ nhiệt: I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG MỎNG NHIỆT • Tính năng: 1 2 1 T T H  Trong đó T 1 , T 2 là nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh mà khối khí trao đổi nhiệt. T 1 càng lớn hiệu suất trao đổi nhiệt càng dần tới 100%. - Màng mỏng bền cơ - bền nhiệt : trong các dụng cụ như mũi khoan, do ma sát khi làm việc, nhiệt độ có thể lên rất cao. Ở nhiệt độ cao, các vật liệu làm mũi khoan dù bền vẫn bị oxi hóa, trở thành dạng oxít kém bền cơ. Do đó nhu cầu phủ màng vừa chống mài mòn vừa bền nhiệt hoặc hai lớp cơ-nhiệt là rất cần thiết. - Màng trong suốt phản xạ nhiệt : dùng để phủ các lớp kính tủ lạnh và greenhouse… vừa lịch sự vừa giữ nhiệt. Các màng này trong suốt (truyền qua) lớn đối với vùng phổ khả kiến, nhưng phản xạ mạnh đối với vùng hồng ngoại. Sóng ngắn (khả kiến) truyền vào hoặc ra nhà kính được, nhưng khi chúng bị vật chất hấp thụ và phát ra lại thì năng lượng suy giảm, bước sóng dài ra, không thoát ra ngoài được. Đối với tủ lạnh thì tương tự. Hình 2 : Tủ lạnh với cửa kính có phủ lớp màng mỏng trong suốt phản xạ nhiệt, vừa thẩm mỹ vừa tiết kiệm điện năng cho việc làm lạnh II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG BỀN CƠ NHIỆT Khi khảo sát các loại màng nghiên cứu cũng như thương phẩm, có các đặc trưng sau mà người ta quan tâm: -Đặc trưng chung + Độ dày màng + Độ bám dính (kg/cm2) + Tuổi thọ sử dụng -Về thẩm mỹ + Thẩm mỹ (màu sắc…) -Về điện học + Điện trở -Về cơ học + Độ bền đứt giới hạn (kg/cm2)… Về tuổi thọ, người ta dùng định luật Paris để mô tả mối liên hệ giữa chiều dài vết nứt của màng và số chu trình làm việc: Trong đó: •a: chiều dài vết nứt •N: số chu trình •K: thừa số cường độ ứng suất •C,n: các hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của môi trường làm việc, bản chất của vật liệu tạo màng - Về nhiệt + Khoảng nhiệt độ làm việc + Sự mỏi nhiệt -Về quang học + Độ phản xạ quang học + Độ truyền qua Về vấn đề oxi hoá, cũng liên quan tới tuổi thọ của màng: người ta sử dụng tỉ số Pilling-Bedworth (PBR): PBR=thể tích phần kim loại đã bị oxi hoá / thể tích phần kim loại chưa bị oxi hoá - Nếu PBR<1, trong lớp màng Al 2 O 3 , oxít chiếm ít thể tích hơn kim loại, màng sẽ khá -rỗng xốp, khiến oxi vẫn len vào được. - Nếu 1<PBR<2, trong lớp màng Al 2 O 3 , oxít chiếm thể tích tương đương kim loại, màng sẽ chặt, khiến oxi không len vào được. - Nếu 2<PBR, trong lớp màng Al 2 O 3 , oxít chiếm thể tích nhiều hơn kim loại, màng không còn bám dính được với đế nữa, bị bong tróc từng màng lớn. Do đó, người ta mong muốn tỉ số PBR nằm trong cửa sổ 1-2 để tuổi thọ màng được lâu. Thể tích lớp oxit phát triển theo thời gian được mô tả bằng 3 phương trình trong 3 chế độ: Nếu PBR<1 Nếu 1<PBR<2 Nếu 2<PBR III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO – CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC NHƯỢC ĐIỂM 1. Phủ màng TBC (thermal barrier coatings) Thông thường màng chống ăn mòn- bền nhiệt bao gồm 3 lớp sau Bond coat [...]... trong khi phủ màng, dẫn đến dòng phát xạ điện tử cũng biến đổi > tốc độ phủ màng bị biến đổi theo thời gian PHẦN II : ĐO ĐẠC I Độ dẫn nhiệt của màng TBC II Ứng suất đàn hồi của màng TBC III Sự mỏi nhiệt IV Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm I Độ dẫn nhiệt của màng TBC  Độ dẫn nhiệt thấp là một trong những đòi hỏi quan trọng nhất trong việc chế tạo màng TBC  Màng hiện tại có độ dẫn nhiệt thấp... độ dẫn nhiệt nhiều hơn so với lớp gần giao diện gốm-lớp kết dính Độ dẫn nhiệt tăng theo thời gian nhưng sau khoảng thời gian dài thì độ dẫn nhiệt đạt đến giá trị bão hòa Đồ thị độ dẫn nhiệt của lớp gốm theo thời gian ứng với 3 nhiệt độ bề mặt khác nhau : 9900C, 11000C và 11000C Gradient nhiệt độ của hệ có phủ màng TBC b) Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo nhiệt độ ủ :  Độ dẫn nhiệt của màng tăng... Trong suốt quá trình khảo sát, nhiệt độ của bề mặt gốm và mặt sau của tấm kim loại được đo bằng infrared pyrometry Nhiệt độ tại điểm giữa của đế được xác định nhờ cặp nhiệt điện Thiết bị : Sự cấp nhiệt ở bề mặt và sự làm mát ở mặt sau của màng tạo ra một gradient nhiệt độ ở trạng thái dừng a) Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo thời gian ủ nhiệt : Gradient độ dẫn nhiệt sẽ lớn nhất ở lớp gốm, lớp... giảm độ dẫn nhiệt bằng cách tạo ra các vi lỗ rỗng và các vi vết nứt trong màng  Màng phủ bằng phương pháp plasma-sprayed có độ dẫn nhiệt ban đầu khoảng 1W/m-K Tuy nhiên, ủ nhiệt gốm có thể làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của màng TBC lên lại Phương pháp đo bằng laser cung cấp nhiệt : xác định động học sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nhiệt độ  phục vụ cho việc chế tạo và dự đoán tuổi thọ của màng TBC ... toàn bộ vật dụng bằng sắt đều biến thành rỉ sắt hết Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất Hình 4 : Sự bong tróc do không phủ lớp màng bond layer lên đế vỏ kim loại trước khi phủ lớp màng ceramic - Lớp màng cách nhiệt: thường là yttrium stabilized zirconia Zirconia có hệ số dẫn nhiệt rất kém 1,5-2 W/m2K và hệ số nở nhiệt (68.10−6/K)) không... màng theo nhiệt độ ủ :  Độ dẫn nhiệt của màng tăng theo nhiệt độ ủ c) Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo khoảng cách : Độ dẫn nhiệt tại bề mặt tăng nhiều nhất  Đối với một thời gian ủ cố định, nhiệt độ chỗ tiếp xúc giữa các lớp càng thấp thì độ dẫn nhiệt tăng càng ít  Gradient nhiệt độ của hệ có phủ màng TBC II Ứng suất đàn hồi của màng TBC : Ứng suất đàn hồi của sự phủ gốm rỗng là một thông số... do sự ủ nhiệt Dưới mật độ dòng nhiệt chiếu vào cao một gradient ứng suất đàn hồi đáng kể sẽ xuất hiện và biến đổi theo thời gian Kiểm nghiệm bằng laser nhiệt CO2 cho thấy độ rỗng của màng gốm giảm theo thời gian chiếu III Sự mỏi nhiệt:  Định nghĩa : Sự mỏi nhiệt là sự tăng dần các microcrack của vật liệu sau nhiều chu trình làm việc trong điều kiện tăng nhiệt độ  Tác hại của sự mỏi nhiệt : Do các... lớp màng không còn bám dính nhau được nữa, hoặc thể tích của lớp zirconia tăng Do đó người ta phải pha tạp yttria Y2O3, nồng độ 8% Chất pha tạp này sẽ làm cho trạng thái cubic rất bền, và giữ cho màng không chuyển pha khi nhiệt độ thay đổi Ngoài ra còn pha tạp MgO, CaO Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất Chế tạo lớp màng bền nhiệt: plasma... 106 cycle là xảy ra sự phá hoại vật liệu Trong các màng bền nhiệt, sự phát triển các vết nứt ở chỗ tiếp xúc gốm-lớp kết dính sẽ gây ra sự bong tróc màng Nguyên nhân chính là do sự mỏi nhiệt Tốc độ phát triển vết nứt do mỏi nhiệt có thể đo đạc qua hai thí nghiệm : dùng nhiều chu trình hoặc gia nhiệt cao hơn IV Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm : Trong phương pháp này hai microphone được gắn... đế (13-14.10−6/K) Lớp màng cách nhiệt sẽ làm nhiệt độ làm việc của buồng đốt (1100C), trước khi tới lớp vỏ hợp kim của buồng, sẽ suy giảm vừa đủ sức chịu đựng của vỏ hợp kim Bond coat Lớp màng này có độ xốp (rỗng) cao nhằm làm giảm hơn nữa hệ số dẫn nhiệt đồng thời giảm độ giòn Các đặc tính khác l : không xảy ra chuyển pha khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng nhiệt độ phòng và nhiệt độ làm việc (tức . SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT GVHD : PGS -TS. LÊ VĂN HIẾU HVTH : HÀ TÂN HÒA PHAN THANH NHẬT KHOA PHẦN I :  GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PHẦN II :  ĐO ĐẠC PHẦN I : . :  ĐO ĐẠC PHẦN I :  GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Màng mỏng chịu được nhiệt độ cao (màng bền nhiệt) nhằm bảo vệ các thiết bị bên trong khỏi nhiệt độ quá lớn của môi trường làm. lớn hiệu suất trao đổi nhiệt càng dần tới 100%. - Màng mỏng bền cơ - bền nhiệt : trong các dụng cụ như mũi khoan, do ma sát khi làm việc, nhiệt độ có thể lên rất cao. Ở nhiệt độ cao, các vật liệu