Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính toán mô phỏng màng mỏng với nền cacbon giống kim cương có tính chống mòn cao và ma sát thấp - Lê Văn An

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN AN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MÀNG MỎNG VỚI NỀN CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG CÓ TÍNH CHỐNG MÒN CAO VÀ MA SÁT THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ TP. Hồ Chí Minh, tháng 7/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN AN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MÀNG MỎNG VỚI NỀN CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG CÓ TÍNH CHỐNG MÒN CAO VÀ MA SÁT THẤP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 62520103 Hướng dẫn khoa học: Phản biện 1:. LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên : LÊ VĂN AN Giới tính: Nam Này, tháng, năm sinh : 07/3/1978 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán : Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên hệ: P2-02.12, Vinhomes Central Park, 720A Điện Biên Phủ, P. Bình Thạnh, TP.

HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0989.449 E-mail: anlevan78@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học chuyên nghiệp: - Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./…… - Nơi học (trường, thành phố): - Ngành học: 2. Đại học - Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 10/1999 đến 03/2003 - Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Chế tạo máy - Tên đồ án, luận văn hoặc môn thi tốt nghiệp: Khai thác và sử dụng phần mềm lập trình MTS 3.

Cao học - Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2004 đến 10/2006 - Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy - Tên đồ án, luận văn hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu các loại màng chống mòn có cấu trúc nano được phủ bằng phương pháp plasma ii III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 2003 – 2006 Trường ĐH GTVT TP. HCM Giảng viên 2006 – 2019 Trường ĐH GTVT TP. HCM Trưởng Bộ môn 2019 – nay Trường ĐH GTVT TP.

HCM Giảng viên IV CÁC ĐỀ TÀI, DỰ ÁN, NHIỆM VỤ KHÁC ĐÃ CHỦ TRÌ HOẶC THAM GIA Thời gian Thuộc Tình trạng đề tài Tên đề tài, dự án, nhiệm vụ (bắt đầu – chương trình (đã nghiệm thu, kết thúc (nếu có) chưa nghiệm thu) Xây dựng bài giảng điện tử môn 01/2008- Đã nghiệm thu học Công nghệ gia công KTS – 05/2009 chủ trì Thiết kế và mô phỏng bộ truyền 10/2008- Đã nghiệm thu bánh răng vi sai phẳng ba cấp – 09/2009 chủ trì TP. HCM, ngày 19 tháng 7 năm 2020 Nghiên cứu sinh Lê Văn An iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các hình và thông tin bắt nguồn từ nghiên cứu khác, tôi cam kết đã trích dẫn đầy đủ trong luận án.

HCM, ngày 19 tháng 7 năm 2020 Nghiên cứu sinh Lê Văn An iv LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ hướng dẫn, PGS. Bùi Xuân Lâm và PGS. Lê Hiếu Giang, các thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian chuẩn bị, tiến hành và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.

Sam Zhang, nguyên giáo sư Trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không, ĐH Công nghệ Nanyang, Singapore vì sự giúp đỡ tận tình khi tôi tiến hành các thí nghiệm tại đây. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô đã tận tâm giảng dạy trong suốt quá trình tôi theo học NCS tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Phòng Đào tạo – Bộ phận Sau Đại học và Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn bố, mẹ, các anh, em đã động viên tôi hoàn thành tốt việc học tập. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn vợ và các con, những người luôn theo sát, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án này.1-ĐT-BVCS BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Họ & tên NCS : Lê Văn An MS NCS: 13252010302 Thuộc chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí Khoá: 2013-2016 Tên luận án : Nghiên cứu chế tạo và tính toán mô phỏng màng mỏng với nền cacbon giống kim cương có tính chống mòn cao và ma sát thấp Người hướng dẫn chính : PGS. Bùi Xuân Lâm Người hướng dẫn phụ : PGS. Lê Hiếu Giang Tóm tắt những đóng góp mới về lý luận và học thuật của luận án: - Việc nghiên cứu, chế tạo màng mỏng có nền cacbon giống kim cương (DLC) bằng phương pháp kết hợp phún xạ magnetron và hóa học đã được thực hiện.

Phương pháp kết hợp này cho tốc độ phủ màng cao hơn nhiều (gấp 2 lần) so với phún xạ magnetron thuần túy. - Thông qua việc thiết kế các thí nghiệm, tác giả đã có được các thông số phù hợp để phủ màng có cấu trúc nanocomposite với các hạt tinh thể nano TiC (kích thước từ 2-4 nm) phân tán trong nền vô định hình DLC. Cấu trúc tế vi của màng dễ dàng thay đổi thông qua việc thay đổi mật độ năng lượng của bia Ti. - Thành phần, cấu trúc tế vi, cơ tính và tính chất ma sát của màng được khảo sát chi tiết bằng các thiết bị chẩn đoán chuyên biệt dùng cho vật liệu có cấu trúc nano.

Các màng nanocomposite có độ cứng cao (20-30 GPa), ứng suất nội thấp (1-2 GPa), bám dính lên bề mặt chi tiết phủ rất tốt và hệ số ma sát trong điều kiện không bôi trơn khi trượt với thép rất nhỏ (0,17-0,19). Các thông số này cho thấy màng nanocomposite có nền DLC được chế tạp bằng phương pháp mới vượt trội so với các màng chống mòn thông thường đang được sử dụng như carbide hoặc nitride. vi - Trên cơ sở lý thuyết về đo độ cứng nano, lý thuyết biến dạng và phương pháp PTHH, mô hình toán và lưu đồ giải thuật của màng mỏng chịu tải bởi đầu đâm nano đã được thiết lập. Chương trình tính toán được lập trình bằng Matlab.

Các màng nanocomposite có nền DLC được chế tạo trong phần thực nghiệm đã được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu để khảo sát độ cứng, phân bố ứng suất, biến dạng và hư hỏng khi chịu tải bởi đầu đâm nano. Độ chính xác của tính toán và mô phỏng được đánh giá dựa vào sai số theo chuẩn năng lượng và tốc độ hội tụ. Kết quả có được từ luận án là cơ sở để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu về khả năng chịu tải và hư hỏng của màng mỏng ở các chế độ làm việc phức tạp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 5 năm 2020 Nghiên cứu sinh (Ký và ghi rõ họ tên) Lê Văn An Người hướng dẫn chính Người hướng dẫn phụ (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) vii BM13.2-ĐT-BVCS MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF Independence – Freedom - Happiness TECHNOLOGY AND EDUCATION SUMMARY OF CONTRIBUTIONS OF THE THESIS PhD candidate : Le Van An Candidate code: 13252010302 Major : Mechanical Engineering Intake: 2013-2016 Thesis title : Deposition, calculation and simulation of DLC-based thin films with good wear resistance and low friction Supervisor : Assoc.

Bui Xuan Lam Co-supervisor : Assoc. Le Hieu Giang Summary of theoretical and academic contribution of the thesis: - The research and producing of diamond-like carbon (DLC) based thin films deposited via a combination method of magnetron sputtering and chemical vapor deposition were carried out. This deposition method gives much higher depostion rates compared to that of magnetron sputtering - Through experiment design, the deposition parematers, which result in nanocomposite structure with TiC nanocrysrtals (2-4 nm) embedded in the amorphous matrix of DLC, were determined. The microstructure of the thin films can be modified easily via changing the power density of Ti target.

- Composition, microstructure, mechanical and tribological properties of the deposited thin films were investigated using advanced characterization techniques. Nanocomposite thin films have high hardness (20-30 GPa), low residual stress (1-2 GPa), very good adhesion to the substrate, and low coefficient of friction (0.19) when sliding against steel counterpart. These excellent properties prove that the DLC nanocomposite thin films deposited via this new method are much better than carbide or nitride thin films, which are being used in tribological applications. - Basing on the theory of nanoindentation, theory of deformation, and finite viii element analysis, the mathematical model and algorithm of a thin film loaded by the nanoindenter were built.

The programming was carried out with Matlab code. Hardness, stresses distribution, deformation and failure of DLC based nanocomposite thin films deposited in the experiment part were investigated. The accuracy of the calculation and simulation was estimated using the energy norm and the rate of convergence. The results of this research can be used to develop studies on load- bearing capacity and failure of thin films under complicated working conditions.

Ho Chi Minh City, 07 May 2020 Candidate Le Van An Supervisor Co-supervisor ix MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN.ii LỜI CAM ĐOAN.iv LỜI CẢM ƠN. x DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.xiii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ.xvi DANH MỤC CÁC BẢNG. xix MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài.

Mục đích nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Cấu trúc của luận án.5 TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO. Tổng quan về màng mỏng. Các phương pháp chế tạo màng mỏng.

Phủ hoá học (CVD). Cơ chế hình thành và phát triển của màng phủ bằng phương pháp phún xạ. Ứng suất dư của màng mỏng. Các kết quả đạt được từ các công trình đã công bố.

Các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu. Kết luận rút ra từ tổng quan.18 x CHẾ TẠO MÀNG MỎNG CÓ NỀN CACBON GIỐNG KIM CƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON KẾT HỢP HÓA HỌC. Mô tả hệ thống phún xạ magnetron. Màng mỏng cacbon giống kim cương.

Chế tạo màng mỏng có nền DLC. Thành phần của màng. Cấu trúc của màng. Hình ảnh bề mặt của màng.

Kết luận chương 2.32 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. Ứng suất dư và tính bám dính. Độ cứng và mô đun đàn hồi của màng. Tính chất ma sát và mòn của màng.

Kết luận chương 3.