Buzz
Thường nghĩ rằng chất rắn là trơ về mặt hoá học là một sai lầm phổ biến. Quan sát sự ăn mòn kim loại hàng giờ hàng ngày để thấy thiệt hại hàng tỷ đô la cho nền kinh tế thế giới. Chất rắn không trơ, nhưng cầm hai cục sắt gần nhau và đòi chúng kết dính lại với nhau không thể. Loài người đã sáng tạo nhiều giải pháp, trong đó có phương pháp “khuếch tán thể rắn” mà Apple giới thiệu trong sự kiện tháng 9 vừa qua.Khi Isabel Yang, kỹ sư nghiên cứu vật liệu của Apple, đề cập đến Solid State Diffusion, nhiều người có thể nghĩ đó là một khái niệm mới. Thực tế là phương pháp này đã tồn tại từ lâu. Cuốn “An Introduction to Solid State Diffusion” xuất bản năm 1988 chứng minh điều này, tức là đã có nghiên cứu khoa học từ 35 năm trước. Cũng vào tháng 1/2019, nghiên cứu về sử dụng phương pháp khuếch tán thể rắn cho titan và nhôm đã được công bố.
Hiện tượng khuếch tán thể rắn là quá trình tưởng tượng với những ví dụ như ủ thép, sự đông kết của bê tông, pha tạp các chất bán dẫn, làm cứng kết cấu của các hợp kim, thiêu kết… Tất cả đều là những phản ứng khuếch tán có kiểm soát, phụ thuộc vào tốc độ mà nguyên tử hoặc ion khuếch tán qua nền rắn.
Để gắn kết chất rắn, hàn là phương pháp thông thường. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể hàn được. Sự ưa chuộng vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu gốc có đặc tính khác nhau để linh hoạt trong gia công công nghiệp là xu hướng gần đây. Ví dụ, để gắn kết gốm và kim loại, phương pháp khuếch tán thể rắn là lựa chọn tối ưu.
Trong sản xuất iPhone 15 Pro, Apple sáng tạo bằng cách kết hợp nhôm và titan cho phần khung. Hàn nhôm và titan gặp khó khăn, do đó chọn phương pháp khuếch tán thể rắn để đảm bảo tính chính xác và độ bền của khung điện thoại.
Nói về khuếch tán thể rắn, nó không hoàn toàn khác biệt so với hàn. Hàn, hay chính xác hơn là solid state welding, được chia thành hai loại chính:- Hàn pha lỏng (liqid phase welding): bao gồm các quy trình hàn chảy kim loại như hàn hồ quang, hàn laser, hàn chùm tia điện tử,...
- Hàn thể rắn (solid state welding): bao gồm hàn rèn, hàn ma sát, hàn nổ và liên kết khuếch tán thể rắn - một phương pháp hàn đặc biệt. Nói cách khác, solid state diffusion cũng là một dạng hàn được áp dụng trong gia công kim loại.
Trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu, quá trình liên kết khuếch tán ở trạng thái rắn thường được chia thành hai giai đoạn.Bước 1:Trong quá trình thứ 2Mặc dù phức tạp, phương pháp này cũng mang lại nhiều ưu điểm thực tế như:- Một quy trình tạo ra mối liên kết với chất lượng vô cùng cao. Liên kết này không có bất kỳ sự gián đoạn nào trong cấu trúc luyện kim, và hoàn toàn tránh được hiện tượng bề mặt xốp. Khi quan sát, phần mối liên kết có vẻ đồng đều, giống như một thể kim loại đồng nhất.
- Nếu kiểm soát tốt, mối liên kết sẽ mang lại độ bền tương đương với vật liệu gốc. Như thể hiện trong hình dưới đây, hai mẫu nhôm được nối với nhau bằng phương pháp khuếch tán thể rắn tại điểm trung tâm. Khi bị kéo đứt, vết nứt xuất hiện ở một khoảng cách lớn so với khu vực nối.
- Có thể nối kết hai vật liệu có đặc tính vật lý và nhiệt học khác nhau, điều mà các quy trình gia công khác không thể thực hiện, chỉ có thể đạt được thông qua phương pháp khuếch tán. Ở hình dưới, thử nghiệm uốn xoắn của một tấm kim loại nối giữa nhôm 6082 (dòng nhôm 6) và titan ELI (Ti-6Al-4V, hay còn gọi là titan Gr5) không cho thấy bất kỳ lỗi nào xảy ra tại vùng nối. Mác nhôm và mac titan ở phía trên cũng là vật liệu mà Apple thường sử dụng cho các sản phẩm của mình.
- Chi phí hao hụt thấp vì không cần sử dụng chất hàn, điện cực hoặc các chất trợ dung đắt tiền. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiệt độ trong thời gian dài có thể tăng chi phí lên cao.
- Không có bức xạ cực tử và phát thải khí nhà kính, không gây ảnh hưởng đến môi trường và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn.
- Tuy nhiên, phương pháp này cũng mang theo một số hạn chế:
- Quá trình chuẩn bị bề mặt phải rất cẩn thận. Nếu bề mặt bị nhiễm bẩn hoặc oxi hóa, mối nối có thể mất đi tính bền đáng kể. Ngoài ra, vật liệu có lớp oxit như nhôm hoặc titan có thể làm cho quá trình khuếch tán trở nên khó khăn.
- Yêu cầu tạo ra bề mặt phẳng hoàn toàn để áp chúng lại nhau và khuếch tán có thể làm cho quá trình chuẩn bị mất nhiều thời gian hơn so với hàn thông thường. Điều này cũng đòi hỏi máy móc có độ chính xác cao.
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn và thường chỉ được sử dụng để nối kết các chi tiết không quá lớn.
- Quá trình khuếch tán tốn thời gian, do đó nếu áp dụng vào sản xuất hàng loạt có thể không hiệu quả về chi phí.
