Phương pháp "Solid State Diffusion" mà Apple ứng dụng để làm khung titan cho iPhone 15 Pro là gì?

Thông thường, các chất rắn được chúng ta xem như là trơ về mặt hoá học, một sai lầm tương đối phổ biến. Để đập tan suy nghĩ này, anh em hãy nhìn vào sự ăn mòn kim loại đang diễn ra hàng ngày hàng giờ, khiến nền kinh tế thế giới thiệt hại hàng tỷ đô la mỗi năm. Mặc dù chất rắn không trơ, nhưng anh em không thể cầm hai cục sắt đưa gần nhau và đòi nó kết dính lại với nhau được. Bằng trí thông minh, loài người đã nghĩ ra rất nhiều các giải pháp để giúp liên kết các rất rắn lại với nhau, một trong số đó là phương pháp "khuếch tán thể rắn" mà Apple từng giới thiệu trong sự kiện tháng 9 vừa rồi.

Trước khi được đề cập bởi Isabel Yang, kỹ sư nghiên cứu vật liệu của Apple, chắc ít người nghe đến khái niệm Solid State Diffusion và nghĩ rằng đây là một điều gì đó hoàn toàn mới mẻ. Nhưng thực tế thì phương pháp này đã có từ rất lâu. Đơn cử như bài viết này chứa một số kiến thức mình tham khảo của cuốn "An Introduction to Solid State Diffusion" xuất bản năm 1988, tức là cách đây 35 năm người ta đã có các nghiên cứu khoa học cho phương pháp này. Hoặc các thông tin về việc sử dụng phương pháp khuếch tán thể rắn đối với titan và nhôm cũng đã được công bố nghiên cứu vào tháng 1/2019 bởi tác giả A.H. Assari và B. Eghbali.



Đầu tiên chúng ta nói về hiện tượng khuếch tán thể rắn. Hãy tưởng tượng đến những ví dụ sau: ủ thép, sự đông kết của bê tông, pha tạp các chất bán dẫn, làm cứng kết cấu của các hợp kim, thiêu kết (nén vật liệu thành khối rắn trước khi nó nóng chảy), ép nóng,… Tất cả những ví dụ kể trên đều là các phản ứng khuếch tán có kiểm soát. Khuếch tán có kiểm soát là phản ứng mà tốc độ của nó diễn ra phụ thuộc vào tốc độ mà các nguyên tử hoặc ion có thể khuếch tán qua nền rắn.

Để gắn kết các chất rắn lại với nhau, phương pháp thông dụng nhất là hàn. Hàn thì có nhiều loại để phù hợp cho nhiều nhu cầu khác nhau. Thế nhưng không phải trường hợp nào chúng ta cũng có thể hàn được. Các nghiên cứu về khoa học vật liệu nói rằng loài người trong thời gian gần đây rất ưu chuộng việc sử dụng những vật liệu có cấu trúc được kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu gốc có đặc tính khác nhau vì nó giúp chúng ta linh hoạt trong gia công công nghiệp, ứng dụng được rộng rãi nhờ sở hữu nhiều đặc tính của các vật liệu gốc. Vậy ví dụ nếu chúng ta muốn gắn kết gốm và kim loại thì sao, không thể hàn được, lúc này chỉ có thể sử dụng phương pháp khuếch tán thể rắn mà thôi.

Trong trường hợp của iPhone 15 Pro cũng vậy, Apple sử dụng phối hợp giữa nhôm và titan để làm phần khung. Việc hàn nhôm và titan là một vấn đề tương đối khó chịu trong sản xuất. Khoan bàn về tính khả thi, việc hàn, dù là sử dụng hàn TIG với ưu điểm là có thể hàn đồ mỏng, mối hàn đẹp, gọn, vẫn là một cái gì đó không ổn cho một bộ khung điện thoại vì dù mối hàn có nhỏ thì vẫn là có, khiến phần khung thiếu đi tính chính xác. Xong chúng ta sẽ nói tiếp về tính khả thi. Nhôm và titan là hai chất liệu có tính dẫn nhiệt khác nhau, khiến hai kim loại này sẽ nóng lên và nguội lại không đều, dẫn đến mối hàn dễ bị nứt, biến dạng. Titan và nhôm khi hàn cũng sẽ phản ứng với nhau và tạo thành một loại hợp chất liên kim loại giòn, kém bền. Đó là lí do tại sao Apple lại chọn phương pháp mới.

Thật ra nói khuếch tán thể rắn không phải là "hàn" thì cũng không đúng. Hàn (welding) thực tế được chia ra làm hai loại chính:

• Hàn pha lỏng (liqid phase welding): gồm tất cả những quy trình hàn chảy kim loại mà chúng ta biết như hàn hồ quang, hàn laser, hàn chùm tia điện tử,…
• Hàn thể rắn (solid state welding): gồm hàn rèn, hàn ma sát, hàn nổ và liên kết khuếch tán thể rắn - thứ mà chúng ta đang đề cập. Nói cách khác thì solid state diffusion cũng là hàn, một thể loại gia công thuộc phương pháp hàn.

Trong hàn pha lỏng, liên kết được thết lập bằng sự hình thành và hoá rắn tại pha lỏng của kim loại khi nóng chảy. Trong khi đó, với hàn thể rắn, áp suất tác động mới đóng vai trò chính trong việc gắn kết các chi tiết kim loại lại với nhau ở mức độ nguyên tử.

Hàn trạng thái rắn thực tế đã được sử dụng khoảng 1000 năm trước, lấy ví dụ là các thanh kiếm cổ sử dụng thép Damascus của Nhật Bản. Để tạo ra loại thép này, người ta phải nung nóng một thanh sắt có hàm lượng carbon cao, kéo thành các dải mỏng. Sau đó, chúng liên tục được gấp làm hai và tiếp tục kéo dài ra. Người chế tác sẽ "hàn" bề mặt gấp lại bằng cách sử dụng búa đập liên tục ở nhiệt độ cao.

Solid state diffusion có thể xem là một phần nhỏ của hàn thể rắn, trong đó cơ chế chính là sự khuếch tán xen kẽ của các nguyên tử vật liệu trên bề mặt tiếp xúc. Liên kết khuếch tán hầu hết được tiến hành trong môi trường chân không hoặc môi trường trơ (chứa khí nito, argon hoặc heli) để giảm quá trình oxy hoá bất lợi khi bề mặt vật liệu bị bong tróc. Tuy nhiên với các kim loại có màng oxid bảo vệ, quy trình gia công có thể thực hiện ở môi trường không khí bình thường. Trong trường hợp của nhôm và titan, cả hai luôn được bảo vệ bởi một lớp oxid tự nhiên trên bề mặt.

Quảng cáo

Trong gia công khuếch tán thể rắn, hai bề mặt sẽ được tiếp xúc với nhau ở nhiệt độ cao, nhưng chỉ được làm nóng tới khoảng 50-90% nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gốc. Sau đó, chúng được ép bởi áp suất liên tục trong vài phút đến vài tiếng đồng hồ để quá trình khuếch tán nguyên tử diễn ra.

Mục đích của của việc nung nóng vật liệu gốc là khiến nó biến dạng dẻo cục bộ dưới nhiệt độ cao, từ đó các nguyên tử sẽ chuyển động nhanh và dễ dàng khuếch tán hơn. Khi nguội, bề mặt tiếp xúc sẽ "đóng cứng" lại, giữ các nguyên tử đã khuếch tán ở lại bên trong. Điều này tạo thành ra các liên kết ở mức độ nguyên tử nhưng không khiến cho hai vật liệu gốc là titan và nhôm gặp phải những vấn đề như khi hàn bằng phương pháp thông thường.

Trong nghiên cứu vật liệu, liên kết khuếch tán thể rắn sẽ được chia thành hai giai đoạn.

Giai đoạn 1: Áp lực ép hai vật liệu lại với nhau, khiến chúng bị biến dạng dẻo. Điểm liên kết sẽ được gia nhiệt đến một nhiệt độ gọi là nhiệt độ liên kết. Thực tế thì ban đầu, các lớp oxid mới chính là thứ tiếp xúc nhau chứ không phải là kim loại mà chúng ta muốn liên kết. Đến khi áp suất đủ lớn để sự biến dạng dẻo cục bộ tiếp tục diễn ra, các màng oxid này sẽ bắt đầu giòn và bị bẻ gãy. Ở giai đoạn này, diện tích liên kết chỉ đạt khoảng 10% bề mặt liên kết mà thôi.

Trong giai đoạn 2, nhiệt độ sẽ kích hoạt cơ chế như khuếch tán hay rão (từ biến). Lúc này, các nguyên tử bắt đầu di chuyển nhiều hơn, các khoảng trống bên trong kim loại bị co rút lại, tăng thêm diện tích liên kết.

Phức tạp như vậy, nhưng phương pháp này cũng mang nhiều lợi ích rất thực tế như:

• Quá trình tạo ra một mối nối có chất lượng cực cao. Mối nối này không có sự gián đoạn về mặt luyện kim, cũng như hoàn toàn không xảy ra hiện tượng bị xốp ở bề mặt tiếp xúc. Anh em có thể thấy, khi soi, phần mối nối có cấu trúc không khác gì ở khu vực khác, như một thể kim loại thống nhất.

Quảng cáo

• Nếu được kiểm soát tốt, mối nối sẽ mang độ bền chắc tương đương với vật liệu gốc. Như anh em có thể thấy ở hình bên dưới, hai mẫu nhôm được liên kết bằng khuếch tán thể rắn ở ngay điểm giữa. Sau đó chúng bị kéo đứt, khi này vết đứt nằm rất xa so với mối nối.

• Có thể nối hai vật liệu có đặc tính vật lý nhiệt học khác nhau, điều mà các quá trình gia công khác không thể làm được, chỉ có thể sử dụng bằng phương pháp khuếch tán. Bên hình dưới là thử nghiệm uốn xoắn một tấm kim loại liên kết giữa nhôm 6082 (nhôm 6 series) và titan ELI (Ti-6Al-4V, còn gọi là titan Gr5), có thể thấy không hề có bất kì lỗi nào xảy ra ở khu vực mối nối. Mác nhôm và mác titan bên trên cũng là vật liệu mà Apple xưa nay thường dùng cho các sản phẩm của mình.

• Có thể gia công các bộ phận cần tính chính xác cao, hoặc hình dạng phức tạp, giúp giảm dung sai kích thước cho sản phẩm.
• Chi phí hao hụt thấp vì không cần chất hàn, điện cực hay các chất trợ dung đắt tiền. Bù lại thì sử dụng nhiệt trong thời gian dài cũng có thể khiến chi phí lên cao.
• Không có bức xạ cực tím và phát thải khí nhà kính nên không ảnh hưởng đến môi trường và các tiêu chuẩn an toàn.

Mặc dù vậy, phương pháp này cũng sở hữu một số hạn chế như:

• Quá trình chuẩn bị bề mặt phải cực kì cẩn thận. Nếu bề mặt nhiễm bẩn hoặc bị oxy hoá sẽ khiến mối nối giảm độ bền đáng kể. Bên cạnh đó, các vật liệu có lớp oxid như nhôm hay titan sẽ khiến quá trình khuếch tán gặp nhiều khó khăn.
• Tạo ra các bề mặt phẳng hoàn toàn để áp chúng vào nhau và khuếch tán cũng khiến cho bộ phận chuẩn bị tốn nhiều thời gian hơn so với hàn thông thường. Nó cũng yêu cầu máy móc có độ chính xác cao.
• Khoản đầu tư ban đầu khá cao, và thường chỉ được dùng để liên kết những chi tiết không quá lớn.
• Tốn thời gian trong quá trình khuếch tán, do đó nếu đem vào sản xuất hàng loạt có thể sẽ không hiệu quả về mặt chi phí.

Nói kĩ hơn về vấn đề oxid trên bề mặt kim loại. Đối với một số kim loại như thép, đồng, titan,… oxid của nó kém bền, có thể hoà tan trong các chất hoá học hoặc sẽ bị phá huỷ ở nhiệt độ liên kết; cái này thì dễ rồi, không cần phải bàn nhiều. Song, với kim loại như nhôm, lớp oxid của nó tương đối bền và trơ, khiến việc gia công trở nên khó khăn hơn.

Việc kết hợp nhôm và các hợp kim gốc nhôm với chính chúng và với các kim loại khác từ lâu đã gây ra nhiều vấn đề do lớp oxit bề mặt bền bỉ luôn hiện diện. Những khó khăn trở nên gay gắt hơn khi việc nấu chảy các bộ phận cần nối không phải là một lựa chọn tốt. Người ta gần đây đã phát triển một kỹ thuật liên kết khuếch tán các vật liệu như vậy.

Một số vật liệu tiên tiến không thể hàn bằng kỹ thuật thông thường vì nhiệt độ cao sẽ phá hủy đặc tính của chúng. Đối với những vật liệu như vậy, liên kết khuếch tán là một giải pháp hấp dẫn vì đây là kỹ thuật nối trạng thái rắn, thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của vật liệu. Phần này thì phải đề cập thêm về kĩ thuật áp đặt gradient nhiệt độ, nhưng tương đối phức tạp nên mình sẽ bỏ qua. Hi vọng bài viết của mình sẽ cung cấp cho anh em một lượng kiến thức hay ho, cám ơn anh em đã đọc bài 😁

Tham khảo:
1/ Amir Shirzadi, 'Diffusion Bonding', University of Cambridge
2/ Richard J. Borg and G.J. Dienes, 'An Introduction to Solid State Diffusion',

CHUYÊN MỤC NGHỆ THUẬT LÀM GIÀU BỀN VỮNG

Nhấn vào đây để bắt đầu học

Khóa học Machine Learning cơ bản- Khoa học dữ liệu - AI

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Khoá học Quản trị Chiến lược Dành cho Lãnh đạo Doanh nghiệp

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Nơi hội tụ Tinh Hoa Tri Thức - Khơi nguồn Sáng tạo

Để tham gia khóa học công nghệ truy cập link: http://thuvien.hocviendaotao.com

Mọi hỗ trợ về công nghệ email: dinhanhtuan68@gmail.com

--- 

Khóa học Hacker và Marketing từ A-Z trên ZALO!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Hacker và Marketing từ A-Z trên Facebook!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa đào tạo Power BI phân tích báo cáo để bán hàng thành công

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Bảo mật và tấn công Website - Hacker mũ trắng

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học ​

KHÓA HỌC LẬP TRÌNH PYTHON TỪ CƠ BẢN ĐẾN CHUYÊN NGHIỆP

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Lập trình Visual Foxpro 9 - Dành cho nhà quản lý và kế toán

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học hướng dẫn về Moodle chuyên nghiệp và hay

Xây dựng hệ thống đào tạo trực tuyến chuyên nghiệp tốt nhất hiện nay.

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

KHÓA EXCEL CHUYÊN NGHIỆP

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học AutoIt dành cho dân IT và Marketing chuyên nghiệp

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khoá học Word từ cơ bản tới nâng cao, học nhanh, hiểu sâu

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học hướng dẫn sử dụng Powerpoint từ đơn giản đến phức tạp HIỆU QUẢ

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Thiết kế, quản lý dữ liệu dự án chuyên nghiệp cho doanh nghiệp bằng Bizagi

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng Power Query trong Excel

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Lập trình WEB bằng PHP từ cơ bản đến nâng cao

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng TableAU - Chìa khóa thành công!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng SPSS - Chìa khóa thành công!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học "Thiết kế bài giảng điện tử", Video, hoạt hình 

kiếm tiền Youtube bằng phần mềm Camtasia Studio

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ VIDEO CLIP CHO DÂN MARKETING CHUYÊN NGHIỆP

​​​​​

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ QUẢNG CÁO VÀ ĐỒ HỌA CHUYÊN NGHIỆP VỚI CANVA

Hãy tham gia khóa học để trở thành người chuyên nghiệp. Tuyệt HAY!😲👍

 KHÓA HỌC VIDEO- XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ BẰNG MICROSOFT ACCESS

GOOGLE SPREADSHEETS phê không tưởng

Khóa hoc lập trình bằng Python tại đây

Hãy tham gia khóa học để biết mọi thứ

Để tham gia tất cả các bài học, Bạn nhấn vào đây 

Khóa học lập trình cho bé MSWLogo

Nhấn vào đây để bắt đầu học

Khóa học Ba, Mẹ và Bé - Cùng bé lập trình  TUYỆT VỜI

Khóa học sử dụng Adobe Presenter-Tạo bài giảng điện tử

Khóa học vẽ tạo giao diện demo cho website

Để thành thạo Wordpress bạn hãy tham gia khóa học 

Tham gia khóa học tại đây

Khóa học sử dụng Edmodo để dạy và học hiện đại để thành công

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Bảo hiểm nhân thọ - Bảo vệ người trụ cột

Cập nhật công nghệ từ Youtube tại link: congnghe.hocviendaotao.com
Tham gia nhóm Facebook
Để tham gia khóa học công nghệ truy cập link: http://thuvien.hocviendaotao.com
Mọi hỗ trợ về công nghệ email: dinhanhtuan68@gmail.com

Nguồn: Tinh Tế

Share !