Cơ học vật liệu mới composite định hướng phục vụ thực tiễn

Vật liệu nanocom posile poỉym e.. Vậỉ liệu com posite la \ ú!. licit ch cực long hợp nân lừ hai liax ììììiéii yậỉ ìiệit khác nhau, nhằm tạo ra một vậĩ liệu lô hợp mới, có nhữiiạ lính nă

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

M Ụ C LỤC

M Ở Đ Ầ U

B Á O C Á O T Ó M TẮT NỘI DUNG VÀ K Ế T QU Ả CỦA ĐỀ TÀI

35

1.2 M ố i q u a n hệ giữa cấu t rúc-tí nh chất và xu hướng

1.3 Q u a n hệ vật liệu mới- c ô ng n s h ệ mới và ứ n s d ụn g

CHƯƠNG II: XÁC ĐỊNH CÁC HẰ NG s ố KỸ THUẬT CHO VẬT LIỆU N A N O C O M P O S I T E

CHƯƠNG III: ỔN ĐINH CT A TẤM VÀ \ ' Ó COMPOSITE PHẦN LỚP CÓ TÍNH ĐEN ANH

I I I ] Ô n định đàn hói của vo trụ c o m p o s i t e lớp Có kể đến anh h ư ở n s nhiệt- ấ m theo

111.2 M ô h ình hoa ốn định cùa tấm c o m po s i t e lớp dựa vào lý ihu yế t biến clạnc bác

C H UO N G IV: THUC \ G H I Ẻ M XÁC ĐINH CÁC THÔNG s ố KỸ THUẬT C T A VẬT LIẺi:

MỞ ĐẨU

C ô n g n s h ệ vật liệu mới được coi là m ột t rong n h ữ n g n g à n h c ô n e n s h ộ cao

m ớ i m ẻ n h ấ t c ủ a Vi ệt N a m Chỉ từ n ă m 1990 n g à n h k h o a họ c n ày mới được q u an

t â m và t húc đẩv T u v n hi ên t rong lĩnh vực n à y c h ú n g ta lại t hu đư ợ c n h ữ n g t hà nh tựu đ á n g kể M ộ t lĩnh vực được coi là t hành c ô n g n h ấ t c ủ a c ô n g n g h ệ vật liệu mới ở

V i ệ t N a m là c o m p o s i t e p o ly me Loại vật liệu n à y đã đ ược n s h i ê n cứu t h à n h c ô n s và

đ ư a và o ứng d ụ n g k h á hiệu quả H iệ n nay, vật liệu c o m p o s i t e p o l y m e ở Việt N a m

đã trở t h à n h n g à n h kinh t ế mới rất có triển v ọn g với sản l ư ợ n s n ă m 2 0 0 4 đạt k h o ả n s

3 0 0 0 tấn với hơn 4 0 tàu c o m po s i t e lắp m ầ y từ 90 - 4 5 0 m ã lực đ a n g vận hà nh phục

vụ c h o c h ư ơ n s trình đ á n h bắt xa b ờ và hạn c h ế nạ n p há r ì m s : trẽn 5 0 0 c án h cửa

c ố n g b ằ ng vật liệu c o m p o s i t e thav t h ế cho cửa thé p và bẻ t ô n s đ ã đ ư ợ c n l ắ p đặt tại

đ ồ n c bàng s o n s Cưu L o n c và Q u a n c Ninh; trên 2 0 0 0 m i ế n g " h é p sọ nã o và nhiều

n ẹ p x ư ơ n s b ă n 2 vật liệu c a r b on y sinh đã đưọ'c tha y t h ế hàryỊỊ n h á p ngoại Đ ã xuất

hi ện các san p h á m c o m p o s i t e p o l v m e n h ư các hình đ ựn g nước, t hu y ề n , ca nò, các

l ã m lợp mái vò m b ả n2 c o m p o si t e , các san p h ẩ m n h ựa có tính n ã n s c l i ỏ n2 mòn

c h ô m : c háy , c ác áo giáp, tám lá c hă n cho c ỏ n s an và c ánh sát c ơ đ ộ n2 và đã bước

đ ấu san xuất t hư n c h i ộ m các ó n c kỹ thuật dẫn các chất thải c ô n s n s h i ộ p dản dáu và

k h í đốt b a n s c o mp o s i t e T o n s c ỏ n s tv V I N A C O N E X mới đ â y đã n h ậ p dã y c h u y ề n san xuất c ác đ ườ ng ô n s dan nước từ Sông Đ à vé H à Nội b ă n c vật liệu c omp os i te

N goà i ra, i r o n s m ột s ố lĩnh vưc k h á c cua nền c o n s n s h i ệ p \'ậi liêu mới c h ú n s ta

c ũ n c dã Ihu được các kết quả k h ả quan n h ư n c h i ê n cứu ứns d u n s t hà nh c o n s sứ

c á ch điên đạt tiéu c h u ẩ n chất lượng q u ốc lế h oặ c chê tạo được n a m c h ă m đát h iế m

co nà n 5 lượng từ siêu m ạ n h ( c á p k h o ả n g 12 lấn vậi liệu t ruyề n t h ố n s l , và hiện nay

c h ú n c la c ũ n " đã bước đấu tiếp cận với c o n e n c h ệ na no một trong nhữni: cón<:

n gh ệ đ ược coi là c u a t ương lai

T h ự c tiễn trên t h ế eiới trước khi băt tay vào san xuái c o m p o s i t e , n<_iưò'i Ui rái

q u a n tám ]à vơi các \ rậT liêu ban đầu đã có với có ng n e h ệ đã I]ưa c h ọn ihì bó trí cãu trúc, thành phcin c ua c h ú n g n h ư t h ế nào đế có một c o m p o s i t e với n h ữ n c lính năng lõi ưu nhát Nói l om lai là ho q u a n lam đế n c ỏ n e tác thiết ké chê' tạo san phám

T r o n " khi do o M ộ t N a m Díioài một số dú\ c h u v é n san xuáì dược n h á p m:oai vi Ọc chẽ lạo c o m p o s i t e chu véu dựa vào kinh n g h i ê m la c hí nh vói m ộ t số p hươ ng phá pIhu c ò n c nhát n h ư trát, lát t a v mà chưa dưa trên nhữni: kéi qu a lính loan - ihici

kc khoa học C h ín h \'ì \ a \ n l ũ r n‘2 san pham dai dược LO chái l u o m: ch Ưa ihai cai',

d i ư a i hê đ á p ú‘ns: đ ư ợ c n h ữ n 12 đòi hoi kl ưu k h u n h á i c u a d v l a o Iiìav \ a CÓI I LI i i J i K ' p hiỌn dại

Đ ể bư ớ c đ ầ u c ù ng các n h à sản xuấ t t r ong nước có c ơ sở k h o a h ọ c và có định

h ư ớ n g t rong việc sản xuấ t c h ế tạo vật liệu c o m p o s i t e p o l y m e , n â n g c ao c hấ t l ượng vật liệu, kết c ấu và k h ả n ă n g s áng tạo n h ữ n g s ản p h ẩ m mới , t r o n s k h u ô n k h ổ đề tài

n à y , xu ất phát từ nh u cầu thực tiễn của n s à n h sản xuấ t nhựa: n g à n h n h ưa c ủ a nước

ta t r ong n h ữ n g n ă m gầ n đâ y có t ốc đ ộ phát triển rất nhanh: n ã m 200 2 đạt k h o a n g trên 1 2 00 00 0 t ấn và theo q u y h o ạ c h phát triển thì n ă m 2 0 1 0 đạt 4 2 0 0 0 0 0 tấn với

m ứ c tăng trương k h o ả n g 2 0 % / n ă m Tr on g sản xuất nhựa, để hạ giá t h à nh sản p h ẩ m

c ũ n g n h ư n á n s c a o chất l ư ợ n s nhựa, n s ư ờ i ta thườ ng bổ s u n g vào c ác p h ụ gia n h ư bột k h o á n g , bột T A L C , các hạt gia c ư ờ n g n h ư hạt các b on, h ạt t h u v tinh,

a m i a n , Th ực chất n h ựa hiện n a v là nhựa c omp os i te N g oà i sản p h ẩ m nhựa, các kết

c ấu k h á c n h ư tàu, ca nô bình nước từ c o mp o si t e ỏ' Việt N a m hiện na y đều có kết

c ấu ph án lóp, với k h í hậu nhiệt đới nắn 2- lắm m ư a n h iề u n h ư nước la ibi \ 1 éc lính anh h ư ở n c c ủa độ ẩ m và nhiệt độ lên các kết c ẩu n ày có ý n g h ĩ a q u a n t r ọ n s Vì vậy

i ro n " Đé lài n à y c h ú n s tôi đã xúy d ựng m õ hình và tính toán c h o c o m p o s i t e xuất phát từ n h ữ n s ihưc t ế nêu trên

Đ ể lài được thực hiện với sự tha m 2Ìa của các nhà k h o a h ọ c từ n h i ề u c ơ q u a n

k h á c nhau: T r ườn g Đại hoc K h o a học lư nhiên Đại học Bách k h o a H à Nội Đại học

X ã \ clựne Hà Nội H ọ c Vi ện Kỹ thuậi Q u á n sự T r u n c t ám KỸ thuát Yát liệu

c hu Yên d ụn g - V iệ n E- 17 - T o n s c ục VI Bộ C õ n s an Chu n h i ệ m Đ ề tài Q G 0 4 2 7

c ù n c láp thế các nhà k h o a h o c đ ó n e ihực hiện Đ é tài xin bày tỏ sự c a m on c hâ n

t h à n h và sáu sắc lới lãnh đ ạ o Đ H Q G H N , Ban K H C N & V ăn P h ò n g Đ H Q G H N và các c ơ q u an hữu q ua n nói irên đã tạo điều kiện e i ú p đ ỡ c h ú n s tôi tronc q u á trình ihưc hiện Đ ê tài này

B Á O C Á O T Ó M TẮ T NỘI DƯNG VÀ K Ê T Q U Ả C Ủ A ĐỂ TÀI

V ậ t liệu c o m p o s i t e là vật liệu được t ổ n s h ợ p nê n từ hai h a y n hi ều vật liệu

k h á c nha u, n h ằ m tạo ra m ộ t vật liệu tổ hợp mới , có n h ữ n g tính n ă n g ưu việt h ơ n so với n h ữn g vật liệu t hà nh p h ầ n ban đầu

Do có n h ữ n g đặc tính ưu việt n hư có các đ ặc t r u ng c ơ lv tốt, bề n với c ác tác

đ ộ n s sinh h o á và mõ i trường, lại nhẹ, .nên vật liệu c o m p o s i t e đ ã có m ặ t t r o ng hầ u hết mọi lĩnh vực c ủ a nề n k in h t ế q u ố c dân n h ư x â y dựnơ, g i a o th ôn g vận tải Cỏn2

n g h i ệ p tiêu d ù n s c h ế tạo má y 2Ĩao t h ỏ n s vận tải, h à n s k h ổ n s vũ trụ và t h ậ m c hí

cả t ro ne y học Vậ t liệu c o m po s i t e được ứ n s d ụ n s m ạ n h m ẽ đê p hụ c vụ phát triển

ki nh t ế và an n in h q u ố c p h ò n s

Tí nh n ă n s c ủ a vật liệu c o m p o s i t e phụ t h u ộc vào ba y ế u tố chính: các vặt liệu

t h à nh phần; cấu trúc hình h ọ c và phá n bố các t h à n h p hầ n cấu t h à n h nê n c o m p os i te ;

c ô n g n ẹ h ệ c h ế lạo T h a y đổi một trong ba yếu t ố đó c ũ n g đủ d ẫn đốn thay đối

c o mp o si t e

Dựa iheo cáu trúc hình h ọc cua CỖI vé mặi c ơ học có t hế p h án c hi a c o m p o s i t e

ra làm 3 loại chính:

- c o m p o s i t e phâ n lóp ( <zổm n hi ều lớp được liên kết lại với n ha u)

- c o m p o s i t e với các hạt đ ộ n ( bột độn), h oặc các sợi n gấ n p há n tán

- c o m p o s i t e có cáu Irúc sợi k h ô n g gian n D ( các sợi đ ộ n s o n s s ong vói n phươníi

c ó t hể khai t hác sử d ụ n g từ 5 0 - 7 0 n ă m , t rong khi ố n g th ép c ù n e đ ư ờ n g k í n h và độ

dà y n ặ n g g ấ p 4-5 lần, và chỉ kh ai t hác từ 5 - 1 0 n ă m , do rất h a y bị sỉ V ậ t liệu

c o m p s i t e p o l y m e đ a ng được tha y t h ế c ho k i m loại c h ế tạo c á c chi tiết c ủa thá n vo

m á y bay, tên lửa thâ n vỏ đ ộn g cơ c ác k h u n s , d ầ m , vá ch n g ă n c ú a m á ) ’ bay, tàu vũ trụ và các vật thể b ay k há c; các m ũi nắn d ò n g và các chi tiết c u a tên lửa; c o m p o s i t e

p o l y m e còn được d ù n g ché' tạo c ác ă n g ten, c ác hệ t h ố n g h ã m t h ậ m c h í cả các áo

s i á p c ho c ản h sát và q u â n đội c ũ n g được l à m từ c omp os i te C o m p o s i t e p o l y m e còn được ứng d ụ n g l à m các ố n g d ẫn dá u k h í và h oá chất; th án vỏ và c ác chi tiết của ỏ tỏ; c ác thiết bị k h á c c ủa n s à n h c h ế tạo máy

V iệc bố s u ng các p hụ s i a n h ư bội k i m loại, bột g ố m bột c ac b o n bột khoáng, vào nén p o l y m e đã 2Óp phầ n n á n e cao các đặc lính CO' lý n h ư độ bén độ CỨI1S độ chỏYic mài m ò n cua loại vật liệu c o m p o s i t e này N s ư ợ c lại c ác bội phụ gia

n h ư CaCCK bột T A L C được bổ s ung để cải thiệ độ chịu đ ự n s khi sử d ụ n s va dặc biệt là g ia m giá i hà nh c ua vật liệu Tất cá các sản p h ẩ m n h ự a đều c ần đế n p hụ s ia

và ihực chái đcu là c omposi t e

Đ é lài đe ra m ụ c tiêu:

• X ã y d u n " mỏ hình lính loán và xác định các h à n e sỏ vặt liêu c h o các vạt lieu com posite có đáu các hạt p h ụ gia với kí ch th ướ c n h o đế n n a n o m é t

• Tí nh loán bài toán ổn định c ho l ấ m và vỏ c o m p o s i t e d ạ n s p h á n lớp có tính đốn anh h ư ở n e c ủ a nhiệt độ và đ ộ ám

• Th ự c n e h i ệ m t r o n 2 diéu kiện p h ư ơ ng tiện kỹ thuật c u a \ 7iộI N a m xác

đ inh h ã n s s ố vật liệu c h o c o m po s i t e có các hạt đ ò n phụ cia so sánh,

đ á n h ciá với kết q u a <:iai lích cua c ơ học

Đ è lai đã sư d ụ n e c ác ph ươ ng p há p cua c ơ h ọc vật răn biến d ạ n " lý thuvci mỏ đun d an hói hiệu q u a \ a p h ư ơ n c p h áp cáu irúc t r o n " c ơ học vật liệu

c o m p o s i t e : p h ư ơ n g p h á p p h ấ n t ư h ữ u h ạ n kci h ợ p c i ữ a l í nh t o á n ircn 1TUIV l í nh \ a các p h ư ơ n c p h áp cua c ơ học ihưc n c h i ệ m

Đi c m dặc bicl cua Đ c tài l à ’ đã ihực hiện đúc chõ lạo m a u c o m p ' ' s i i c

n í h PAG \'o'i các hại d ộ n t h u \ linh co các tv lệ d ọn k h á c n ha u, tiên h a nh xá c dinh bàng thực n u h i ệ m các h ã n c sỏ kỹ Ihuại c ua vát liệu c o m p o s i t e p o l y m e p o h a m i i - thuy linh Đ a \ là có íiãne Yiú lo'n cua n h ó m các lác HUI irons: đicu ki ủn co sơ \ ặt chui còn khó khă n J c thực hiộn CLK ihi.iv ntihiỌm co hoe \C‘ \.K J i n b hìó J u n J a n h -1] L \ a

hệ sỏ Poatxom: cua c o m ]\ " > i u \

B.ki can nLihiẹ m ihu Đ Í ùii iỊóni w'i> 3 chương:

Chương I: Vật liệu composite - tiểm năng và ứng dụng

Kết q u ả c hí nh c ủa C h ươ ng I là đ ã đưa ra t ổ n g q u a n k h á đ ầ y đủ và chi tiết về

c o m p o s i t e : đ ị n h n s h ĩ a , p h â n loại, ưu nhượ c đ i ể m và k h ả n ă n s ứng d ụ n g c ủ a từng loại c o m p o si t e , đ ổ n g thời đã đưa ra các k h á i n i ệ m mới về s u p e r - c o m p o s i t e ,

n a n o c o m p o s i t e Đ ổ n g thời giới thiệu sâu về việc sử d ụ n s vật liệu mới c o m p o s i t e

t r o n g việc thiết k ế c h ế tạo c ác k h í cụ ba y có đi ều kh iể n Tr ẽ n c ơ sở p h á n tích đ ã chỉ

ra m ố i q u a n hệ c ủ a các vật liệu t hành phần, c ổ n g n g h ệ c h ế t ạo và tính toán thiết k ế

là ba yếu tố q u a n t r ọng nhấ t trono việc c h ế tạo vật liệu c o mp o s i t e ; đưa ra khái n i ệ m

si ái p há p thiết k ế - c ỏ n g n ghệ; chỉ ra t he n chốt c ủ a c u ộ c c á c h m ạ n g vể vặt liệu mới ỏ' nước ta hiện na y c hí nh ]à vật liệu c o m po s i t e c á c b o n - c a c b o n , vì vật liệu n ày đ á p ứ n s

đ ượ c rất n hi ều đòi hỏi khắt kh e c ủa kỹ t huật và c ô n g n g h ệ hi ện đại m à k h ô n g vặt liệu n ào k h á c có thê đá p ứ n s được Ch ươ nc nàv c ũ n s đi sáu p h án tích n h ữ n s tiềm

n ă n g và ứng d ụ n s c ủ a c o m p o s i t e t r o n s n g àn h nh ựa và n g à n h c ỏ n e n e h i ệ p hoá chất -

n h ữ n c địa chi hi ện nay đ a n c sư đ ụ n g nhiều c o m p o s i i e tại Việt N a m

Chương II: Xác định các hãng sỏ ky thuật cho vật liệu nanocomposite polvme có độn các hạt gia cường

Các hạt đ ộn gia c ư ờ nc ớ đây được m ô hình hoá n h ư n h ữ n g hạt cáu ơ đá y các hạt 2Ía c ư ò n s được c h ế tạo theo p h ư o n c p h á p "Từ irớn X1Í(>IÌÍ> dưới" tức là nhậ n được b ằ n s c ác h n e h i ề n để thu đưọ'c các hạt có kí ch thước n h o hơn nho đ ế n vài irã m t h ậ m c h í vài c hụ c n a n o mé t , và n h ư vậy c o m p o s i t e được x e m là

n a n o c o m p o s i t e Tr ê n c ơ sỏ' c ó lính đến iươnc hỗ ciữa hạt và nén, đã n h ậ n dược c ó n s ihức xá c định các h ằ n e số đàn hổi c ho c o m p o s i t e hai pha ( ph a nén, hại độn n a no )

và c o m p o s i t e ba p ha (pha nén hạt cia CƯÒT12 và các hạt k h o á n c cổ kích ihước

k hac n h a u .N t‘i dọc ckio cua nhữim kél q u a n h ạn được ơ d a \ la co linh dén L'áL' só

h a n e bạc c ao và YCL1 lo plii iu\' ẽn h m h học \àcì ph án lích un đỊnh cua ia:n

c o m p o s i i c ironíi moi trường co lính đón anh hư on ụ LUU dọ a m \ a nhici lIộ M o hu m

và thuát l oa n co dó lin cá) khi so sánh kct qu a linh HKÍn v ói mõi so kcl qua hi én có

Chương IV: Thực nghiệm xác định các thông số kỹ thuật của vật liệu composite polyme có độn các hạt thuỷ tinh

C h ư ơn g n à y do t ập t hể tác giả từ Đ ạ i h ọ c Q u ố c gia Hà N ộ i ( N g u y ễ n Đ ìn h

Đ ứ c ) , Đại h ọ c Bách k h o a H à Nội ( Trần í c h T hị n h) Đại h ọ c X â y d ự n s H à Nội (

T r ầ n M i n h Tú), H ọ c V i ện K ỹ thuật Q u â n sự ( N g u y ễ n Lê H ải ) đ ồ n g thực hiện Tr ên

c ơ sớ các m ẫ u c o m p o s i t e n ền p o l y a m i t nhiệt d ẻ o P A 6 đã c h ế tạo các c o m p o s i t e với 10% và 2 0 % hạt đ ộn t huỷ tinh Thực n g h i ệ m được tiến h à n h trên 2 0 m ẫ u theo

p hươ ng p h á p M T S trên m á y c ủ a M ỹ đ ể x á c định m ô đ u n đ à n hồi E và hệ số

P o a t x ô n g của c o mp os i t e N h ũ n g kết qu ả n h ậ n được c ho t h ẩ v khi bổ s u n s c ác hạt

g ia cường đã l àm tăng m ỏ đ u n đà n hổi E của c o mp os i te N g o à i c ác h ằ n s số đàn hổi thực n s h i ệ m đo được trên m á y còn c h o ' k ế t q u ả lực ứ n s s uất p h a huy, biến d a n c phá huỷ

N h ữ n g kết qua n h ận được cua Đề tài có thể ứng d ụ n s khi c h ế tạo c ác loại nhựa dẻ o và các loại c o m p o s i t e phâ n lóp c o m p o s i t e có đ ộ n c á c hạt phụ d a : Kết q ua

nh ận dược c ho p h é p lính toán, d ự bá o irước k h á n ă n g c ơ lính c u a vật liéu đế điéu L'hmh các i hành phán cáu lạo n h à m n h ận được n h ữ n s c o m p o s i t e có lính n ă n s họp1) và ciá ca phai chãníi

Co quan phối họp và cộng tác viên chính của đẻ tài:

H o á 1Ý

Kết quả chính của đề tài được đăng tải trong các bài báo sau:

1) N g u y ễ n Đ ìn h Đức Vật liệu nanocom posile poỉym e. T u y ế n t ập c ỏ n s trình Hội n s h ị k h o a học T oà n q u ố c C ơ học vật rán bi ên d ạ n g lần thứ VII Đ ồ Sơn,

n g à y 2 7 -2 8 / 8 / 2 0 0 4 N X B Đ H Q G H N , n ă m 2 0 0 4 T r a n g 2 3 2- 2 4 0

2) N g u y ễ n Đ ì n h Đức Vật liệu mới com posite ứng dụng tronq rliiết k ế c h ế

kh iế n " lần t hứ I Hà Nội 2 7 /5 /2 0 05 N X B Đ H Q G H N 2 0 05 , t ra ng 2 0 7- 22 4

3) Níiuyen Dinh Due Three-phase p o lym c nanocom posiíe material. Journal oi' Science o ĩ V N U " M a i h e m a ú c s - p h y s i c s " , T X X I , N 3, 2 0 0 5 p 16-23

4) Tr an Ich Thi nh Tr a n H u u Q uo c Finite element modeling o f Biicki'mg i 'f

Composite p la te s b u s e d on the ìu ạ h e r-o rd e r d c fo rn ia lio n ih e o rw V ie tn am es e

j o u r n a l o f Sciencc and I c c h n o l o s y Ta apj 43, soos 3 2 00 5 p.l 13-124

5) Tr ần k' h Thị nh Tr ấ n M i n h Tú On định dủìì hối cua Y(> trụ com posiỉc lớp

có ké đến à iìlì liiio n ạ Iiliiệ t-á m iheo lý ỉììuyết chuyển VỊ bậc cao. K ý yẽu H ụ i thuo toàn q uố c" Co học và khí cụ bay có điểu khi ể n" lẩn t hứ I, Hà Nội, 2 7 / 5 / 2 0 0 5 N X B

Đ H Q G H N 2 0 0 ? irang 2 66 - 2 8 1

C h ú n e lỏi đ á nh LLÌá Đ ề lài đã ihực hiện đ ưọ c n h ữ n c n h i ệ m vụ đề ra dặ c biội

là có kết q ua thực n g h i ệ m CỎIIÍỊ phu trên các má \' m ó c hiện đ ạ i \ ' é sổ lượn <2 bài bát^

và kết q uả đ à o lạo đã vượt so với chỉ liêu đ ă n s kv M ộ i sổ kết q u a c ua dỏ tài dã dược chúm: lói cập nhật, dưa vào g ia ng d ạ y t r o n s m ó n h ọ c "Co' học VỢI licit

an và c ho h ọ c viên cao họ c và sinh viên lớp c ư n hã n k h o a h ọc tài n ă n e c u a K h o a loán-cơ i n r ờ n e Đ H K H T N Đ H Q G H N n ă m 2 00 4 2005

M ộ t lán nữa Chu n h i ệ m Đ ẽ tai Q G 0 4 2 7 c ù n£2 lap ihế các nh a k h o a hoc dỏng thực hiện Đ é lài xin bay 10 sư c am ơn c há n i h à nh va sau sac loi lãnh dao

Đ H Q G H N Ban K H C N A: V ã n Ph ong Đ H Q G H N irườníỊ Đạ i hoc K h o a hoc Tư

n h i c n iriíoni: Đại học B a d i k h o a H a Nội Tr u nu l a m kv i huặ i \ a i liệu c h u \ ù n lI ụ 11

- \ ’ i Ọ n E- 17 - Ton ì: LUC \ I Bo Com: an dã tạo diéu kiện 12 i ú p d ữ e h Ún lói ironi: quá irình ihuc bien Đó lài IÙI\

C H ƯƠ N G I

V Ậ T LIỆU C O M P O S I T E - T l Ể M N Ă N G V À ỨNG D Ụ N G

I.l K h ái niệm về vật liệu mới composite

C ho đến nay, dựa vào các đặc- trưng c ơ lý hoá, người ta p h â n vật liệu ra t h à n h 4

n h ó m chính: k i m loại và c ác h ợ p k i m, vật liệu vô c ơ - c e r a m i c vật liệu p o l y m e và

2ần đ â y nhất là vật liệu tổ h ợ p comp si t e

Vậ t liệu k i m loại là n h ữ n s vật liệu dẫ n đ iệ n tốt, p hả n xạ á n h sáng với m à u sắc

đ ặ c tr i ms , có k h ả n ă n g biến d ạ ng dẻ o cao và đ ộ bề n h o á h ọ c Ihư ờ ne ihấp Đặ c

đ i ể m cấu trúc k im loại là sự sắp xế p có trật tự c ú a c á c n s u v ê n tứ tạo thành m ạ n s tinh thể, trong n h ữ n s điều kiện nhất định có t hể c h u y ể n h o àn toàn s a n s irạn<: ihái

k h ỏ n s trật tự ( vô định hình ) K i m loại t h õ n g d ụ n s có thể kể ra n h ư thép d on e ,

n h ô m , lin lan, niken, và các hợp k i m của c h ú n s

Vật liệu vô c o - c e r a m i c là hợp chất ciữa k im loại ( M e Al Si, ) và các phi k im loại dưới d ạ n e các oxyt cacbit, nitrit, với c á c liên kết bền vững kiểu ion hoặc

d ỏ n g hoá irị, lạo ihành m ạ n g tinh thể ( co irặt tự), h oặ c t r ạ n s thái vô định hình Các

c e r a m i c I ru ye n t h ò n g là thuy tinh ° ô m sứ, g ạ c h Cer ami c thườno dẫn điện ké m rái iiiòn, k h ô n£1 biên dạnII deo, bé n vững hoá học và nón g c h a v 0' nhiệt độ rất cao.

Vật liệu p o l y m e có hai loại: nhiệt rán ( đ ô n s rắn ơ n hi ệt độ cao q u á trinh

p o l \ ’me hoá k hổníi có lính t h u ậ n n c h ị c h ) \'à nhiệt de o ( q u á trì nh t h u ậ n n e h ị c h c h a y

d eo ra 0' nhiệt dộ cao, cíônc rân khi nguội vù lai có thế c h ả y d e o lại đưọ'c ỏ' nhiệt độ

cao) P o l y m e có thê có n c u ố n 2ốc từ thực vật ho ặc đ ộ n c vật n h ư x e nl ul o caosu

proiein e n zy m h o ặ c được l ó n s hợp lừ các m o n o m e b a n s c ác p h a n ứng irùníi họp

n h ư nhựa p h e n o l p h o m a l đ e h i l polvamil p o l \ e p h i n P o ] v m e có cáu trúc m a ch

t h ăn g ( p ol ve lyl en, pol_\'si\'ren ) m ạ c h n h á n h, p o l y m e m a n s lưới và các p o l v m c cáu trúc không 2Ían ( e p o x y p h e n o l p h o m a n đ e h i t ) và đưọ'c cáu t h à nh né n bơi hai

n c u y ê n lố chu vêu là c a c b o n và h\ ' đrô , có c hứa ihihn o xy, clo n i t ơ P o l v m e dãnđiện kém eiòn ó' nhiệt dộ thấp và kha nà ng biên clans (léo ở nhiệt dộ cao bén vững với c ác môi irirờns hoá hoc

C o m p s i l e là vại liệu dược tónu h ọ p nên lừ hai hay nhiêu loại vậi liệu khúc nhau,

n h a m mụ c đí ch lạo nén m ội vật liệu mới ưu việt và bẽ n h on so vói các vặt liéu han dấu Vật lieu c o m p o s i t e bao e ó m có nén và CỐI Vật liêu nên d a m bao việc li én két các CÒI lại với n ha u, lạo cho vật liệu c ó m nh iê u t h à n h phá n có lính mi u v é n khói, lien tục d a m bao c ho c o m p o s i t e độ bón nhiệi bẽn hoa ÙI kha nãníi chiu đưm: khi

\ ậi liệu co k h i ạ ẽ l lại Vại liệu ncn c ua c o m po s i t e có ihe lìi p o l u n c L'LIL knri mai \;i hop kim iióm hoặc các bon Vat liệu col d a m bao cho c o m p o s i t e cỏ c ác m o 'Jan Jan hôi \ à đõ tx-n co' hoc cao Cac cót cua c o m po s i t e có ỉhé la hai n ỵã n h ]■]".!

c ác sợi cốt n h ư sơi t huỷ tinh, sợi p o l y m e , sợi g ố m , sợi k i m loại và sợi c ác b o n , V ề

m ặ t đặt bài to án c ủa c ơ học, người ta c òn đ ịnh n g h ĩ a vật liệu c o m p o s i t e là vật liệu

m à tính chất c ủ a n ó phụ t h uộ c vào t oạ độ

Ưu đ i ể m lớn nhấ t c ủa c o m p o s i t e là có t hể t h a y đổi cấu trúc h ì n h học , sự p h â n b ố

và c á c vật liệu t hà nh ph ần đẻ tạo ra m ộ t vật liệu mới có độ bề n th eo m o n g m u ố n

R ấ t n hiều đòi hỏi khắt khe c ủa k ỹ t huật hi ện đại ( n h ư nhẹ, lại chịu được n hiệt lên

đ ế n 3 00 0° c, ) chỉ c ó c o m p o s i t e mới đ á p ứng nổi, vì vậy, vật liệu c o m p o s i t e s i ữ vai trò th en c hốt t rong c u ộ c c ác h m ạ n s về vật liệu mới

T h ự c ra, q u á trình tạo nên c o m p o s i t e là sự tiến h o á t r o n s n s à n h vật liệu: T ừ vật liệu chỉ có m ộ t cấu t ử ( n h ư k im loại n g u v ê n chất), n s ư ờ i ta đ ã biết tận d ụ n s tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai ha y n h i ề u cấu t ử ( hợp k i m ) rồi từ 3

n h ó m vật liệu dã biết là k i m loại, vật liệu vô c ơ c e r am ic và hữu c ơ p o l y m e n s ư ờ i la

đã tìm c ác h tạo ra c o m p o site - vật liệu của các vật liệu để kết h ợ p và sư d ụ n s kim

l o ạ i -h ọp kim, c ác vậi liệu vô c ơ và hữu cơ đ ổ n s thời, h ợp lý Vậỉ liệu com posite la

\ ú! licit ch cực long hợp nân lừ hai liax ììììiéii yậỉ ìiệit khác nhau, nhằm tạo ra một vậĩ liệu lô hợp mới, có nhữiiạ lính năiiỊỉ ưu việt hơn so với những vật ìiệit thành phún

com posite của composite {khi các vật liệu thành phán cũng là c o m p o s ite ): nanocom posiỉe- lù composite có Í! lìlìấi mội thành phẩn của nó có cấu trúc nano.

T r o n c các vật liêu kế trẽn, irước đá y người ta t h ư ờ n 2 đ á n h s i á cao vai trò c u a vật liệu n h ó m k im loại và c ho r a n2 c h ú n s giữ vị trí qu yế t định đế n sự phát irién xã hói

và kv thuật T u y nhiên c ù n ẹ với sự phái triển của kỹ thuật và c ổ n s n c h ệ đòi hoi phải có nhữns; vật liệu mới bén hơn ưu việt hơn Vì vậy đã xuất hiện vật liệu mới

c o m p o s i t e , vừa có chỉ tiêu c ơ h c ao hơn k i m loại và h ạ p kim, lại bén với cu mói

t r ư ò n c hoa học và rất nhe M ặ c dù mới được phát hiện và sư đ u n g, nhưn*:

c o p m p o s i t e đã thay t h ế kim loại và h ọp kim t r on c c h ế tạo m a y i r o n s viéc c hé tao các vặt thế bay, và đã có mật t rong tát ca mọi ngà n h, mọi linh vực c u a nc n kinh té

n h ữ n s noi chi mói sir dụ nụ c ác \'ặi liệu này ngưòi la cũnì; tiọi n h ữ n g Yặi liêu urirnỊ! LỈÓ1 mới dó là các \'ậi liệu moi

T h ự c t ế cho th ấy tất cả các vật liệu mới x u ấ t h i ệ n t ro ng c ác n ă m g ầ n đâ y, đều

t h u ộ c n h ó m vật liệu c o m po s i t e h o ặ c là các h ợ p k i m N g a y cả n hi ều h ợ p k i m ( n h ư vật liệu siêu cứng, hợp k im mới c ủ a c ác k i m loại k h ô n g t ư ơ n s tác ) c ũ n s là các

c o m p o s i t e k i m loại Đi ều nà y lý giải vì sao t r ong n h i ề u tài liệu k h o a h ọc , thuật n s ữ

" vật liệu mới" được dùn g đ ồn g n g h ĩ a với vật liệu composite.

1.2 Mỏi quan hệ giữa cấu trúc-tính chất và xu hướng phát triển vật liệu moi

M ố i q u a n hệ giữa cấu trúc và tính chất c ủ a k i m loạ i-hợp k i m vật liệu vô c ơ và

p o l v m e đã được đề cập đến trong các gi áo trình vật liệu họ c và đã được đ i ế m lại

n gắ n oọn ở ph ần 1 Tr ong p hầ n n à y c h ú n g tôi trình b ày c h u yế u q u a n hộ giữa cấu irúc và tính chất c ủa vật liệu c ompos i te

Đ ặ c tính cơ, lý, hoá của c o m p o s i t e phụ t h u ộ c và o 3 yế u tố chính:

- các vật liệu thành phần

- cấu trúc c ủa cốt

- c ỏn 2 n gh ệ chê tạo

T h a v đối một irong ba véu tố dó c ũ n2 du dan đế n tha}' đối c omp o si t e T r o ng dó

thav đối câu irúc cúa c o m po s i t e là mộ t n h ữ n c y ê u tố q u a n t r ọ n2 q u yế t định việc

n ã n s cao độ bền cúa vậi liệu

D ựa theo cấu trúc hình học c ua cốt , có t hể p hâ n chia c o m p o s i t e th eo c ấu trúc cốt ra làm 3 loại chính:

- c o m p o s i t e phân lóp ( c ỏ m n hiều lớp được liên kết lại với nhau)

- c o m p o s i l c với c ác hại độn ( bột độn ), h oặc c ác sợi n s ă n p h ân tán

- c o m po s i t e có câu irúc sợi k h ô n a gian n D ( các sợi đ ộ n s o n s s o n s với n phưonsi

i r o n s khóm: íiian) 1D là c o m p o s i t e có CỎI sợi đ ổ n 2 phương

Bang 1 c ho ihãv các hă ng số đàn hổi c ua c o m p o s i t e tươnsi ỨI12 vói sơ đó CỎItrén hình 2 (min c p o x y CÓI sợi ihuỷ linh

Ban í: ]Các h à n s số

T ừ b ả n g 1 c h ú n g ta n h ậ n xé t là với c o m p o s i t e e p o x y - t h u ỷ t i n h đ a n s xét, việc

t h a y đ ổi c ấu trú c cốt l à m t h a y đổi đ á n g k ể m o đ u n đ à n h ồi và h ệ s ố p o á t x ô n s c ú a

c o m p o s i t e , n h ư n g ít l à m ả n h h ư ở n g tới m ô đ u n trượt Đ i ề u n à y c ũ n g c ó n s h ĩ a là khi

k ế t c ấ u l à m việc t r o n g c ác t rư ờn g h ợ p c h ịu ứng s u ấ t - b i ế n d ạ n g trượt, với vật liệu

e p o x y - t h u ỷ ti nh đ a n g xét, c h ú n g ta có thể t ha y t h ế c á c vật liệu 3 D b ằ n g c ác vật liệu

I D , 2 D đ ơ n g iả n và rẻ h ơ n n h i ề u lần

T h a m s ố q u a n t r ọ ng đ ặ c t rư ng c h o p h â n b ố c ấu trúc là h ệ s ố thể tích V d ị t h ể tích cốt độn)/ V ( của toàn bộ composite). H ệ s ố n à y t h ô n g t h ư ờ n g từ 0 , 3 - 0 , 7 - tức là

I hà nh p h ầ n cốt t h ư ờ n g từ 3 0% và k h ô n g q u á 10°7c t h ể rích c o m p o s i t e K h i p h á n b ố cốt c h i ế m trên 7 0 % th ể tích, c h ú n g q u á sát n h a u , g i ữa c h ú n g n a y sinh t ư ơ n s tác dẫ n

đ ế n s ự tập i r u ng ứng suất, và l à m g i ả m sức b ề n c ủ a vật liệu

Vật liệu c o m p o s i t e có t h ể đ a n ề n ( n ê ú n ề n 2ổ m hai loại vật liệu trỏ' lên cấu

t hà n h) , h o ặ c đa cốt ( khi cốt g ồ m hai h a y n h i ề u loại vật liệu t r ở lên) C ó hai n g u y ê n

n h â n c hủ yế u dẫn đ ế n việc tạ o ra cốt sợi t ạp lai c ủ a c o m p o s i t e : k h i m ộ t i r o n e các loại cốt sợi có chỉ s ố CO' lý c a o h ơ n n h i ề u so với sợi kia sẽ h ạ n c h ế đ ư ọ c y ếu đ i ể m

c u a c ác sợi có chỉ s ố c ơ ìý i h ấ p h ơ n va l à m g i ả m giá t h à n h c ù a vật liệu V í dụ n h ư việc d ù n c cỏì tạp lai đa cốt sọ'i t h u ỷ tinh + sợi c a c b o n và sợi h ữ u c ơ + sợi c á c b o n , lạo ra vặt liệu có hệ s ố dã n n ở n hi ệ t ổn đ ị n h t rong k h o ả n g từ - 12 0" C đ ế n + 1 6 0 'C

t ro ng khi c o m p o s i t e côì sợi i h u \ linh, h o ặ c cốt sợi h ữu c ơ t h ô n g t h ư ò n g ( khi k h ó n s

có sợi c á c b o n ) lai có sự i hay đổi đ ặ c tính CO' lý đ á n e k ể khi nhi ệi độ t ă n s H o ặ c ví

dụ n h ư c o m p o s i t e có 20°/( cốt là sợi các b o n và 80% CỐI là sợi t h u y tinh, có đ ộ bền

b ằ n c 7 5 % so với c o m p o s i t e c ó c ù n g tỷ lệ c ốt đ ộ n n h ư n g chỉ t oà n là sợi c á c b o n , Ironíi khi đ ó giá i h à n h c o m p o s i t e cốt tạp lai lại chỉ b ằ n g 1/3 so với c o m p o s i t e cốt sợi c a c b o n Sự p ha tap c ác t h à n h phầ n vật liệu k h á c n h a u ả nh h ư ở n e n h i ề u đốn

m o đ u n d àn hổi, đ ộ bổn né n bển uốn, và các k h a n ă n g chịu nhi ệt và <iia t h à n h cua

c o m p o s i t e

H iệ n na\' rật liệu p h á t trién t he o c ác xu h ư ớ ng sau:

1 Phái trier) vặi liệu t h e o c õ n s n g h ệ t r uy ề n thóYis: t h é p c á c loại ( i h é p xáv

d ư n g c ổ đi ến c ác loại iliép có đ ộ bền cao t r o ng c h ế tạo m á y ); C ác h ợ p k i m bề n, nhẹ ( c ác loại h ợ p k im n h ỏm ) ; vật liệu p o l y m e ; vật liệu c ố m t h u v linh

2 Phai irién vậi liêu t he o c ó n g n g h ệ mới: c ô n g n g he l u \ é n k im bọi: vat liệu

c o m p o s i t e ( s u p e r - c o m p o s i t e vù đ ặ c biệt là n a n o c o m p o s i i e đượ c phái irién rấi m a n h

i r o n s nhữnii n ă m iián đ á \ ): c ó n g n g h ệ n gu oi nhanh;

3 Phat irién Vdt liêu với cac linh n à n g đặ c biệl: vái liệu siéu c ứ n ẹ \ á i liứu siéu

J c o \ ại iicu n h ơ hình

T h ự c lé c h o t h ã \ vat liệu m ớ i phái tria l ìlico h ư ờ n” Iivủy CUIÌỰ1lùm lới n liữ n"

VỊÌI h ạ t h i ll lie'll, n l i c //if* , v c i c ú c l i n h im i i ị i 11‘^ ì x c u n ^ \ìì(>i m c L o a i ir ư CLÌ| k i m

loại t ương tác đươc với nha u, các vật liệu n h ư k i m loại bột, vật liệu siêu c ứ n g thực

c hấ t c ũ n g là c ác h ợp k i m - c o m p o s i t e k i m loại với các p hươ ng p h á p c ô n g n g h ệ mới

M ộ t s ố vật liệu có tính n ă ng điện từ, đ ặc biệt, vật liệu siêu d ẻ o c ũ n s c h í n h là c á c

hợ p kim Vì vậy, có t h ể nói xu t h ế p h á t triển củ a vật liệu m ó i là p h á t triể n c á c

Căn cứ tính chất c ủa vật liệu nền, c o m p o s i t e được chia ra l àm 4 loại chính:

- c o m p o s i t e nề n p ol y m e

- c o m p o s i t e n ề n g ố m

- c o m p o s i t e nề n k im loại và các hợp k i m

- c o m p o s i t e c a c b o n - c a c b o n ( cả nển và cốt sợi đé u là c á c b o n )

k i m loại, c ác h nhiệt, cách điện lốt \ d rất bền với các tác n h ã n h o á họ c và múi trường Vậi liệu c o mp si t e p o l y m e đa ng được thay t h ế c h o k i m loại t r ong c ô n s

n g h i ệ p Yct c h ế lạo các chi liéì cúa các khí cụ bay; ở nước ta c o m p o s i t e p o l v m e đã

đ ược dùnii c h ế tạo các ăng len các hệ t h ố n s h ã m .t hậ m c hí cả c ác áo c i á p c h o

c an h sái vù q u á n đội CŨI1S được làm lừ p ol yme C o m po si t e p o l y m e c ò n đư ợ c ứnc

d u n g làm cuc ỏn u dẫn dáu khí hoá chát Ịhán vỏ và các chi tiết c u a ô tô và các thiét

bị khác c ua ima nh c h ế lạo máy

Hình 1.1 Vu! liệu composite polyme làm 0H!I dan dáu khí

Đ ể nãníi cao kha năny CO' lý \'à giam Irọníi lượn í: \ ậ i liệu, xu hướnụ du ng soi

cúc bon làm CÕI c h o c o m p o s i i e p n l y m c đan í: đươc ứn Í2 ci LI nu \ ;i pill'll tri On rái rom: rãi Comịxvsiic p o lv m c soi c a c b o n co hộ so dã n no nlnci ihap ilo cứm: cao IKT1

du ne đc ché Uio cue ăng len can on dinh cao vé kích co 111 nil ikmi: Irons: đ k ‘LJ l.icn hiiv \ a khóni: iK’u Sợi c aobon UMm: thích rát lot \ ó i các m ó c ua co ihẽ sõn<j VI \;i\

c o m p o s i t e p o l y m e sợi c á c b o n c ò n được d ù n g c h ế t ạo các thiết bị tha y t h ế t r o n s c ơ

t hể n h ư xươ ng , chất h à n răng, vỏ h ộ p sọ Các loại vải c a c b o n khi b â ng c ac vết b ò n g

l à m c h o c h ú n g m a u lành , và khi g ỡ thay b ă n g rất róc, k h ô n g s â y th ươ n g tổn Loại vải c a c b o n d ù n g t ro ng y họ c đã được các n h à k h o a học V i ệ t N a m , phối hợp với các

n h à k h o a học c ủa V i ện N I G R A P H I T ( LB N s a ) sản xu ất và ứ n s d ụ n s t hà nh c ô n g tại Việt N a m N h ữ n g n ă m g ầ n đây, c o mp os i te p o l y m e sợi c a c b o n được dùnơ để c h ế tạo c ác thiết bị thể thao n h ư k h u n g x e đua, m ũ c ho lái xe và phi c ô ng , cán và c ánh

c un g , các loại vợt c ao cấp, các loại thu yề n b u ồ m t hể thao, T h ố n g kê dưới đá y cho

th ấy ví đụ về hiệu q u ả c ủ a \'iệc d ù n g composite p o ỉym e sợi cácboìì (C P S C ) cho

m á y ba y tàu lượn A N - 124 c ủa Nga:

-Sỏ các chi tiết c h ế tạo từ CPSC ( cái ): 2 0 0

- G i ả m được t r ọ n s lượng m á y bay (kg): 8 0 0

- T ã n g hệ số s ử d ụ n e vặt liệu: (%) 85

- G i a m m ứ c độ phức lạp khi c h ế lạo: (c/( ì 300

- Tiếi k i ệ m h ợp k i m n h ô m : ( k ° ) 6 0 0

- T ă n g khối l ư ợ n2 c h u y ể n tai ( tân km) 1.10 r’

N h ư ợ c d i ê m lớn nhất c ua c o mp o si t e p o l y m e là khi c h ế lao các kết c áu chịu nhiệi độ c a o có độ bển k h ỏ n c lớn Việc bổ SUI1ÍI các phụ cia n h ư bột k im loại, bột

g ố m bọt cacbon vào n é n p o l v m e đã n ă ng cao các dặc lính c ơ lý n h ư độ bc;n độ GỨnc độ mài m ò n của loại vậi liệu c o mp os i te nàv

iióp phấn làm hạn che lính giòn cua gốm Hiện n ay phai iriẽn ráì m a n h xu thó' Yell liệu c o m p o s i t e nen Í2ổm ircn c ơ sỏ' cỏì sợi k im loại và c ác oxit k im loại, sựi ỊIUIII sựi

c ac b o n C o m p o s i t e nén £Òm la vật liệu có độ c un': cao bẽn n é n cao có lính cách nhiêl c ác h điện c ao ch ịu mài m ò n cao và irơ ho á học nên dược d ù n c rấl p h ò biến irons: ché lao má y và chịu nhiệl độ lên lới 2 0 0 0 - 2 5 0 0 K n h ư ché tạo các m á v lực

i m i v ê n 1 ư C\íc irục ilộm chịu nhiệl cua c-ác c ánh quại tuabin d ô n e cơ các ã nÍ2 ten ơ

mũi c ác vạt ihé bay vũ irụ cân phai Ihu hỏi trơ vẽ trái đái mũi năn dònLỉ ten lưa

C o m p o site kim loại được ứng dunL! và phái Iriẽn n e ùv càn' j m a n h mõ maIIị; lai

h i ẹ u q u a k i n h t ê k v i h u ặ t c a o t r o m : c o k h í - c h ẽ ’ l ạ o m u v Y ặ i l i ệ u c o m p i t M i c k i m

loai c o n e n la k i m l oai h o ă c h ợ p k i m c ò n p h â n CÕI c ó i h é là k i m l oai h o ặ c phi k i m loại Đủ làm cói c h o c o m p o s i t e kim hụii hay tlùnt: các sọi có d ó bén c a o hoặc mođun dan hoi c:to do làm tãni: lính nãnt2 CO' K din comppsiiL' Vkv SƯ ikinjj IŨ'11

k i m loại h oặ c h ợ p k i m c ho p hé p l à m tă ng đ ộ bền của c o m p o s i t e t he o p h ư ơ ng vu ôn g

s ó c với ph ươ ng c ủa các sợi cốt, và tăng độ b ền trượt, và n h ư vậy c o m p o s i t e n h ậ n

đư ợ c có độ bề n trượt n h ư củ a k i m loại nền C o m p o s i t e k i m loại có c ác chỉ tiêu c ơ lý

c ao , và ổn định, bền nhiệt t rong k h o ả n s n hiệt độ cao và thời g i a n lớn h ơn n h i ề u so với nền pol yme

p h á p hàn k h u y ế c h tán có ký hiệu B KA- 1, i r o n s đó bor c h i ê m 5 0 % thế tích B KA

c ó độ bền ké o là 1 lOOMPa và m o đ u n đàn hồi đạt 2 60 GPa V iệ c d ù n s c o m p o s i t e

n h ỏ m - b o r t r o n2 m á y ba y IL-62 cua N ga cho p h ép g iả m đư ợ c 1 7 ^ t rọng lượnc,

irons: khi van giữa được các tính n ă n g bav khác, đ ồ n g thời n â n s được t ầ m b a v xa lẽn 15% và l à n2 lái i r o n s hữu ích lcn 20% C o m p o s i t e n h ỏ m - b o r còn được dùn g

irons: các vậi ihé bay YŨ trụ n h ữ n c nơi liếp nối các kết c ấu c hị u nhiệt độ cao đ ế ché

l ạ o c á c bu on SI kín c u a đ ộ n " CO', n h ử n e chi tiết c ú a k h u n s c ứ n s vó, v ò n s đ ai ch ị u lực bao q u a n h đ ộ n c CO' tên lửa các nQũn nôi c ủa tên lửa đ ạ n đạo

Vặi liệu c o m po s i t e k i m loai nh ẹ hay d ù n s sợi c á c b o n trên n ền n h ổ m M ặ c dù

c o m p o s i t e n h ỏ m - c a c b o n có độ bén k h ớ n c cao hon nhiều so với n h ữ n s h ợ p kim

n h ó m lốt nhái, n h ư n s c h ú n s lại có m o đ u n dàn hổi cao hơn h ả n ( ] 4 0 - 1 6 0 G P a so \'ó'i

7 0 G P a ) \ à nhẹ h o n ( khối lưọnt: ri én <2 2 3 0 0 k ° / n r so vó'i 27 50 kc /nr' ), đặc biệt

c h ú n e lại có độ cứng c ao g áp 2.5 lán so vói các h ợp k im n h ô m , có độ bén moi cao ( n h ư úia n, ihéịi h o p k i m ) và hệ s ố dã n no' nhiệt ih ấp t r o n s k h o á n s 2 93 -6 73 ' K Đ á \

là \ ật liệu lý t ư ở n s đế d ù n g c h ế tạo các chi tiết chịu lái lực và nhiệt cao n h ư thán vo

c a n h tuabin ổ n 2 xa đ ộ n s c ơ m a y ba y vù tên lửa

Sợi c á c b o n c ũ ạ s được d ù n g làm CỎI cho các k i m loại né n đỏníi chi k ẽ m dó ché lạo các chi tiết cho n g àn h ca k h í - c h ế lạo m á y đòi hoi lâu m ò n hệ sô ma sái bé dan diện, chịu nhiệi vù co k h a n ã n c bao loàn tính chái cơ lý kin nóng Ví dụ c o m p o s i t e clVi-cáchon co dó ben và m ó d u n da n hói c ao hơn gá p k h o a n " 1(1 lan ch 1 ihỏmi ihưoìH! Đi cu do c ho p hc p sư lìụníi c h ú n g dó chủ' lạo c ác m á y m ó c irami ilìiél bị làm

\ i ẽ c i r o n ” c á c mó i i r i r ờng bị m ò n c a o d o m a sái ức c h é d ư ợ c d a o dộnL! a m i l i anh

há p thụ tkrợc lia Llama

Đ c chê lạo cac ó true k h ó n g cán hoi trơn \ at licu 1\ iươn<j la cac c o m p o s i i c khoni: m ò n ircn cơ SO' nẽn la chì voi các soi CỎI la ihep khonL! <21 hoặvj bov.ihiCv H i ẹ n n a \ mới nhái a ' OMI I nul l ọ chõ lạo các c o m p o s i t e ùr ó c k i ir, li ai t ro I

k i m loại k h ô n g t ươ ng tác nh a u) n h ờ tác đ ộ n g c ủ a nhiệt độ và x u n g điện, tạo ra các

c o m p o s i t e k i m loại d ạ ng đồng-chì-nhôm.'

C o m p o s i t e k i m loại n ề n đ ồ n g h o ặ c bạc, với các cốt v o n f r a m h o ặ c m o l i p đ e n có thể d ù n g để c h ế tạo các c ô n g tắc điện k h ô n g m ò n c ho d ò n g đ i ệ n m ạ n h , hi ệu điện

t h ế cao

C o m p o si t e k i m loại nề n c r o m và niken, cốt sợi k i m loại p h â n tán là c ác oxit

n h ô m , c ũ ng n h ư các c o m p o s i t e kim loại khác với nề n là n h ữ n g h ợ p k i m bền nhiệt

và cốt là c ác sợi k i m loại k h ó n ón g c hảy là n h ữ n g vật liệu lý t ưởng đê chê tạo các chi tiết m á y bề n nhiệt c ủ a đ ộn g c ơ tuabin khí C o m p o s i t e k i m loại g iữ vị trí rấi

q u a n t rọng t r o n s c ò ng n s h i ệ p và q uố c p h ò n s

c ac bon N é n c a c b o n có tính chái cơ lý và nhẹ tương tự n h ư sợi c a c b o n , nên khi kết hơp với sợi c a c b o n c ho c h ú n s ta vật liệu mới siêu bền và siêu nhẹ Vật liệu c a c bo n

có độ hền cao độ CỨ11S cao N h i ều đòi hỏi khát khe c u a kỹ thuật, n h ư đòi hoi tha \ dổi nhiệt độĩ nc ột ỏ' m ứ c 1 00 0K /c m, cũ ng n h ư độ bề n c ơ h ọc c a o ( lên đến 1000

M P a khi kéo), chi có vật liệu c á c b o n - c a c b o n với các cấu trúc cốt k h á c n h a u là đáp ứne được, vì vậy việc phát iriến vật liệu c a c b o n - c a b o n n g à y c àn 2 được h oà n thiện

và ứng d ụ n c r ộ n c rãi t ro ne vũ irụ h à n s k h ổ n s , q u ố c p h ò n s và n g à n h c ơ khí c h ế tạo

m á y , Vậ t liệu c á c b o n - c a c b o n có tiềm nă ng và triển v ọ n s vô c ù n s to lớn đ a n s

n c à y c à n c tha v t h ế dần c ác kim loại và hợp k im t r o n s c ô n s n s h i ệ p và c ố n s n s h i ệ p

c h ế tạo các vật thế bay và với những tính n ă n2 cự k ỳ ưu việt c u a nó đã trỏ' thành

Ihen chẽn c ua c u ộ c c á ch m ạ n e về vật liệu mới

1.3 Quan hệ vật liệu mỏi- cóng nghệ mói và ứng dụng phát triển vật liệu đó ben cao

Vật liệu d ù n s t r ong c h ế tạo m á y và cơ k hí để u chịu các tái c ơ học các tác đóníi vai 1Ý hoá học vù mỏi t r ườn " rai k há c nhau Yê u cấu hàm: đáu là vật liệu phai có đó bên cao tức la có k h a n à n c cao c h ỏ n s biên d ạ n2 deo, c h ố n c sư ilia tâng vét nứt sư

mài m ò n bề m ậ t t ro ne thời eian đủ dài can thiêt Các chí tiêu về độ bền nói c h u n " liên q u a n đ ế n vật liệu t r o n s ché lạo m a v - c ơ khí là:

Với composite, ngoài các c h ỉ tiêu trên, cẩn biết thêm các thông số:

- Các vật liệu t hành p h ần c ấu t h à n h nê n c o m p o s i t e ( c ác chỉ tiêu CO' học vật lý

độ bền của từng t hành p h ầ n khi ri êng rẽ, )

- Phư ơnc p h á p chê lạo nén vật liệu

- Biên d ạ n c tối đa (9c

V é măt c ơ học độ bén c u a vật liệu được biểu diễn q u a m ố i q u a n hệ ứ n s suất - biến d ạnc Vật liệu k h ô n e còn k ha n ă n s " b ề n " nữa tức là khi t r o n a vật liệu xả v ra sự phá vỡ lính liên lục c ua mỏi ir ư ờn c vặi liệu Đ i ều đó được hi ếu là khi ÚT12 suất hoặc

biến clạnc vượt q uá mức giói hạn c ho phép M ứ c si ới hạn n à v là đặc t rư n c cơ-lý cúamỏi vại liệu, và dược biẽu dien q u a m ặ t bền ( mặ t siới h ạ n ) t r o n s k h ô n g s i a n ứnc suat hoặc k h ổ n s siian biến d ạng N h ữ n a đ i ế m n ằ m t r o n 2 m ặ t n à y ứ ne \'ới t r ạ n s thái

an toàn (trong giới hạn bén c ua \'ặt liệu) N h ữ n s đ i ế m n ằ m trên biên h o ặ c n c o à i mặt

21 ới ha n tươ nc ứng với t r ạ n s thái ứng suất h oặc biên d ạ n e k h ỏ n c an toan c ua vạt

liệu

Đ ặ c lính Cơ-K -hoá \ ’à táì n h i ê n ca độ bén cua \ ’ật liệu, p hu t h u ộc vào ba vẽu lổ:

- Các cáu tư c ác vật liệu i hà nh p há n cấu t hà nh nén vật liệu

- C au trúc và sự p há n b ố các i hà nh p há n bén i r o n s vật liệu

- C o n e n g h ệ c hé tạo vái liệu

T h a y đòi một trong ba Yẽu lò ư é n cũníi du dẫn đến ih av đoi đặ c tính \'à do hèn:ua vật liẻu \ ' ì v ậ \ đế n ha n đ ượ c \'ậi liệu mới có độ bén cao c h ú n g ỉa có the iha\jỏi t ừn c yéu 10 hoặc don' : Ihoi hai h oá c ca ba YCU lò mội lúc

Ví dụ khi ché tạo vịu liọu siéu c ưng, ncu d un y bội k im c ưom: rai lẽn he ma i hop

á m cứniĩ rói cp n o n e dưới cíp SLKÌI 5-ÍSGPa, ơ nhiẽl đó k h a o n c 1 S()C> c có ihc lao ra

•'ậl liệu sióu cứng có dó cứn 12 5 0 0 0 - 8 0 0 0 H \ dun<: dẽ cãt L!01 k im loại: NC“U hói

iãm c ươn g trộn với k h o ả n g 2 0 - 3 0 % bột k i m loại, é p n ó n g dưới á p suất 3 - 6 G P a , ở nhiệt độ 1 2 0 0 - 1 6 0 0 ° c tạo ra sản p h ẩ m có đ ộ c ứ n g 4 0 0 0 - 5 0 0 0 H V , d ù n g để cắt đá Như vậy thay đổi t h à nh p hầ n c ấu t h à nh nên c o m p o s i t e , c h ú n s ta n h ậ n được n h ữ n g vật liệu mới có độ bền (ở đây là độ cứng) k h á c nhau.

H o ặ c c ù n g vật liệu g i ố n g n ha u, nh ưn g với c á c h b ố trí các cốt k h á c nhau, c h ú n g

ta sẽ nhậ n được các vật liệu mới có độ bền rất k h á c nha u: t uy c ù n g là c omposi t e, nhưng k há c với vật liệu e p o x y - t h u ỷ tinh trên đ ây , với c o m p o s i t e c a c b o n - c a c b o n , thay đổi cốt t ừ 1D s ang 3 D có thể n h ận được vật liệu có m ô đ u n trượt c ao hơn từ 2 ­2,5 lần Điều n à y đạt được k h ô n s phải do c ô n g rmhệ, m à do c h ú n g ta đã thay đổi cáu trúc bên t r o n s của các sợi cốt

Đ ể minh hoạ về yế u tố c ố n s n c h ệ ảnh h ư ở n e tới độ bền c u a vậi liệu, c h ú n s tôi lấy ví dụ q uá trình c h ế tạo sợi c ac bon T r o ng q u á trình c h ế tạo sợi các bon có 2 yêu

ở c ó ng nsliệ q ua n t r ọ n s nhất q u y ết định đế n chỉ tiêu c ơ lý c ủ a sợi: đó là nhiệt độ : ua q uá u ì n h x ư lv nhiệt và m ứ c độ vuốt sợi Sự vuốt sợi và tăng nhiệt độ xư lv sợi

à m tàng kha ruins định h ư ớ n s cua các n s u v ê n tư c a c b o n t h e o p h ư ơ n g dài c u a sợi

\LÌ q uá là làm lũnc m ô đ u n đàn hổi \ à độ bén c ủa vật liệu T h ự c t ế c ho thấy mức độ

> uót sợi cànÍ1 lớn thì sợi có m o d u n d à n hổi và độ bề n c à n s lớn T h ô n s thườn 2 khi

:hé lạo sợi cacboii dược YUỎI ilico lỷ l ệ ' 1000:1, với tốc độ 1 2 5 - 1 3 ơm/ p hú t Nhiệt 16 c à n c lớn ihì làm c ho sợi có i n õ đ u n đàn hổi c à n s lớn n h ư n s k h ô n g phá i nhiệt độ

Vứ 1\ c à n s cao thì lại c h o sợi có độ bền c àng cao Vì khi n hi ệt độ c a n s cao, thì sự

<uãt hiện các lỏ r ỏ n2 t r o n c so'i c a c bo n c à n s lớn, và \'ì vậy độ bề n c u a sợi 2i a m đi

r á c sợi cac bo n t h ồ n e ih ườ nu đại độ bền tối ưu t r o n s k h o ả n s x ử lý nhiệt lừ

1200-I s o c r c

N h ư \ ’ậy c ô n e n e h ệ mới chi là một t r o n s n h ũ n g yêu tố tạo nén Mịt liệu mới

H én ilụrc lé \'ứi c ù n g một n c u ó n n g u y ê n liệu, c ù n e m ột phươníi p há p CÓIIÍI niỉhệ Iiiưò'1 ta dã tha \ đỏi cáu true dế thiết kế, tạo ra n hữ ng vật lieu mới N e a y n h ư vai iẽu n a no vé ban chái c ũ n e là vậi liẹu có cùim t hành ph ấn h o á học n h ư n u cấu 1 rúc

•ác hạt cua nó lại vỏ cùni: bé chi lừ 1-10.10 3 c ua m i c r o m e t Đ ế níihién cứu các bài

ch ất liệu c a cb on , q uá trình x ử l ý n hi ệt c ơ bả n g i ố n g nha u, n h ư n s x ử lý cấu trúc cốt

từ 1 phươ ng đến 3 p h ư ơ ng rất ph ức tạp: cả về m á y m ó c thiết bị, c ũ n g n h ư c á c c ác h thức tạo cốt C ôn g n g h ệ nhiệt + x u n g điện đ ổ n g thời là c ô ng n g h ệ h o à n toàn mới

n h ờ vậy m à c h ú n g ta tạo ra được các h ợp k i m và c o m p o s i t e k i m loại mới Có thể nói, c ô ng n g h ệ mới và vật liệu mới có q u an hệ k h ă n g khít với n h a u: c ô n s n g h ệ mới tạo ra các vật liệu mới, và bất c ứ ý t ưởng mới n à o về thiết k ế tạo ra vật liệu mới

c ũ n g đòi hỏi sự đ á p ứng mới c ủa m á y mó c , trang thiết bị và c ô n s n gh ệ, để thực hiện thiết k ế mới đó Với mỗi trang thiết bị, m ỗ i giải p há p c ổ n s n g h ệ lại chỉ đ á p ứ n s được nhữn g yêu cầu nhất định ( về k h ả n ă ng khai thác các vật liệu t h à nh p hầ n, về

k h ả nă ng tạo d á ng , về k h ả n ă ng gia c ô n g và chịu nhiệt độ, á p s uất nh ất định, ) Vì vậv, khi bất tav vào lựa c h ọn vật liệu đ ể c h ế tạo sản p h ẩ m , kết cấu, c h ú n g ta phải có

sự lựa chọn ỵiải p h á p thiết kế-công nghệ.

vật liệu, kết cáu trên c ơ sơ cán n hắ c, t o n s h o à các yêu tố c hính sau:

+ Yê u cáu vé lính nă ng kỹ thuật, thiết kế

+ Vặt liệu, mi uv ên liệu ban đấu, và các t r an c thiết bị hiện có

+ Các Ihu p há p c ó n s n c h ệ khu thi

+ M ứ c độ san xuất ( đơn c hi ếc h a y h à n s loại, số lượng ) lĩnh NỊTC áp d ụ n s ( c ho

q u ò c k ế dân sinh hav an ninh q u ố c p h o n e O' đất liền h a y hải đảo, ), h i ệ u q u a kinh

lố (íiiá ihành các YCU tố xã hội c ác vấn đề về mỏi trườnc vận c h u y ể n , b a o quan ), sức c anh tranh so với các san p h ẩ m t ươ ng lư b à n s vật liệu cũ so với san p h á m cùng loại ớ trong và n c o à i nước

c o m ps i t e c ho th áv có ihế đé xuất một sỏ’ kiến n c h ị sau n h à m n ã n s c ao chát lượní:vật liệu:

- Đẽ Iúme c a o độ bẽ n c ua vật liệu nhựa, cán đưa bổ s ung vào n h ựa các CÓI sợi

bổ SU1ỊỊI N h ữ n c cốt sợi nà v có thể là sợi kim loại, sợi thuv tinh, sợi h a / a n hoặc

c ac bon Cõi sợi c h ã n e những làm lăn<: độ bén lă n ẹ các iziu Irị c u a m ỏ đ un đa n hói

m à còn làm l ã n2 k h a n ă n2 bén c ua vặt liệu với các lác đ ộ n c co học và vãi ]v

- Có ihé bổ s u n e vào n h ựa các phụ cia d a ng hột hạt mịn n h ư các hại k h n ú n e bột c ác b on bột k im l o a i N h ữ n2 bó! n a \ làm lãng độ cứns: <:iam các bién (lane 1Ư biên, han c h ế sư phái irién các \'ốt nứi \' imó i ro n e \'ật liệu nhựa

- M ỏ hình vật liệu nhựa lói ưu sẽ la c o m p o s i t e nhựa có ba pha: nén nhưa cac sợi CỎI \'à c;íc hại dọn phu eia

T ro n g nn atih ho a c h a i:

- D o c o m p o s i i e c ó ư u d i c m r a i h c n \ ' ớ i c á c u i c d ộ n " c ơ - l v \ a h o a hi 1C h u C('

kha năní! c ác h nhiệt, c ác h am tót va nhẹ nén dược ứni: cluni; rái ron<j rãi ir MVJ

- Bông sợi c o m po s i t e ( n h ư b ô n g sợi t h u ỷ t inh h o ặ c bazan, ) được d ù n ơ để

bả o ôn h oặc bả o hàn các thiết bị nhiệt, lò sấy c ác đ ư ờ n s ố n g dẫ n hơi, các thiết bị

n ó n g h oặ c lạ nh với m ụ c đích c á c h n hiệt và c h ố n g bức xạ nhiệt

- V iệ c trực tiếp d ù n g vật liệu c o m p o s i t e đ ể c h ế tạo c ác lò phả n ứnc lò nhiệt

lu yệ n, bình p ha c h ế hoá c hất cách n hi ệt rất tốt, n ê n có thể bỏ hẳn h oặ c 2Íảm một

p h ầ n đ á n g k ể các bỏng k h o á n g b ả o ôn g i ả m chi phí và đơn gi an hoá t r o n c việc lắp đặt và bủo d ưỡ ng thay thế lại tăng được hi ệu q u ả khai thác do gi ả m được tổn thát nhiệt 10-20%

- C o m p o s i t e bền với bức xạ và h ấ p thu á m t ha nh tốt né n c ác t â m lợp bé t ô n s

3 D c o m p o s h c có irộn các b ô n 2 k h o á n s được d ù n g đ ể xãv d ự n s các n h a x ư ơ n s san xuãi pha chẽ' và bao q ua n các h oá chất đặc biệt

- Cúc loại vái c o m po s i t e đưọ'c d ù n a để m a y q u ầ n áo bảo h ộ p lao độn ạ

- C o m p o s i t e được d ùn g để chê tạo các m à n s lọc c ô n s n s h i ệ p

- Vặt liệu c o m p o s i t e xốp được c h ế tạo từ các b ô n s sợi k h o á n g được d ù n s đế lam vạt liệu sư lý ỏ nh iễ m mòi trường V í dụ c o m p o s i t e b ỏ n s sợi bazan có t ính húĩ ( n c ậ m ) dấu rát cao: 1 k.íi tấm x ố p n h ư vậy có thể n s ậ m được 30 lít dầu mo sau khi

ép tách dáu lại có ihô tai sư d ụ n e t h ê m 8 lần nữa Vì vậy c h ú n ẹ là c ác vật liéu lý iưỏ ng đế sư lý c ác sự c ố tràn d ấu trẽn biển và v ù n s ven bò' b à n2 c áh thu g o m dáu ưùn và hạn c h ế sự lan r ộ n e và tính t rầ m trọn£ c ủ a sự c ố £áv ó n h i ễ m mỏi irường

- San p h a m cua n e à n h hoá dá u là pec than đ á h oặc dá u mo , dược d ù n e đế c h ế [ạo \ ’ật liệu nền c h o c o m p o s i i e siêu nhẹ sieu bền nhiệ: các b o n - c a c b o n , dược ứne

J u n g m ạ n h mẽ va phổ biến t r o ng \ i ệ c ché tao lẽn lưa \ ’iệc tận d un g các nhựa pcc làm hạ £Ìá t h à n h san p h ã m của vặt liệu ( sợi các bon thôn ị: d ụ n i2 siiá iruníi b'mh 100­] 50S,/ky nay sợi các bon lừ pec than đá và dầ u m o eia ihùnh chi vào khoan'.: 20- ỎOS/ks:)

Vật ỉiéu com posite có riứm nảníỊ ra ứ n g d u n g rớ cunÍỊ to ỉon, no ỉa Ytìỉ ỉicu

\V c ua c ô n‘1 ntihộ cao va \ ậ t liệu moi c o mp o si t e

Đ e chẽ lao \ ậl liệu mơi cán co SƯ lh a m eia i u a Mi nhi cu HỊỊanh nliieu II ỉ Ki

\ h o a học: hoa học ( d<j c hẽ lao các \'al liệu ihanh phan LciL chát \ i K L k l.ci lính ) vật Iv ( dô nphi cn cứu cac cáu trúc n<ju\én tư phán ur va licn kC'1 a:iỉì

h ư ở n s c ủa các tác đ ộ n g từ, q u a n g, điện, ), c ơ h ọ c ( để t ính toán, d ự bá o đ á n h giá

độ bề n, t hử n g h i ệ m , thiết kế, )> c ô n g n g h ệ ( để x ử lý nhiệt độ, á p suất, c h ọ n c ác thu

p h á p c ồ n g n g h ệ, gia c ô n g sản phẩm, ) T r o n g đó c ần c ó các Tổng công trình sư, là

n s ư ờ i vừa a m hiểu tính t o á n thiết kế, lại vừa a m hi ểu c ô n g n g h ệ , a m hiểu k inh t ế và

q u ả n lý, nối kết các n h à k h o a học lại với n ha u, q uy ết đ ịnh giải p h á p thiết k ế c ô n g

n g h ệ , đ ả m bả o c h o sự ra đời và phát triển của sản p h ẩ m mới Sự n g h i ệ p xây d ự n g và

ph át triển n g à n h vật liệu mới c ho tương xứng với t iề m n ă n g và ứng d ụn g to lớn của

n ó k h ô n s t hể chỉ là c ô n g việc c ủa mộ t Bộ, n g à n h ri ên g lẻ, m à phai là chiến lược tổng thể c ủa cả q u ố c gia C h ún g tôi hy v ọng và tin t ưởng n g à n h vật liệu mới c úa nước ta nhất định sẽ được đầu tư và q u a n t â m thích đ á n g , sẽ phát triển vững m ạ n h ,

g ó p phần đắc lực và hiệu qu ả vào sự n g h iệ p hiện đại h o á c ô n g n g h i ệ p và q u ố c

p h ò n g của đất nước

VẬT LIỆU NANO C OM POSITE POLYME

N g u y e n Đ i n h Đ ứ c

Đ a i họ c Q u ố c g i a H à N ô i

A b s t r a c t H i m nay v ặ t ỉiỌu n a n o đ ũ n g được n g h iê n cứ u và s ứ d ụ n g m ạ n h m ẽ t r o n g rất n h i ề u l ì n h vực cua nen k i n h tê (ỊUỎC d â n T r o n g b a o câu k h o a h ọ c gLỚI th i ệ u k h á i q u á t uể v ậ t liệu n a n o và ứ n g d ụ n g ; t i n h h ì n h

n g h iê n c ữ u vã tr ỉc n vong; đ ỏ n g th ờ i x â y d ư n g m ộ t m ô h ì n h n a n o c o m p o s ite k h i t r o n g n ền p o h m e củ cúc h ạ t g ia

c ư ờ n g cỏ cáu tr u e na n o K0t q u a bước đ á u đ ỏ x á c đ i n h đư ợc các h ã n g sô k ỹ t h u ậ t ch o v á i liệu n a n o c o m p o s ite ỊHiỉvmv.

1 Giói thiệu khái quát \ e vật liệu nano và ứng dụng

T h u ậ t n c ữ c ô n s n c h ệ n a n o đ ược n h à k h o a h ọ c T a n h i s u c h i c ủ a N h ậ t Ban

đ ư a ra lần đ a u tiên \ a o n ă m 1974 tại Hội n g hị t oà n q u ố c N h ậ t Ban về c h ế tạo

m á y c h í n h xác Là c h u \ ê n e i a vé sia c ô n g \ ’ật liêu g iò n , ô n c đã tiên đ o á n đốn

n ă m 2 0 0 0 khi c ia c ó n s siêu c h í n h x ác vật liệu, sẽ đạt độ c h í n h x á c đế n n a n o mét

T h ự c ra ý t ưởng vé c á c c á u trúc siêu n h o đã đư ợ c n h à k h o a h ọc n c ư ờ i M ỹ

F e \ ' n m a n R p đ ượ c giai 1 h ư ơ n g N ô b e n \ ’é vật lv nê u lên klii đ ọ c c á c bài Clan"

c ủ a m ì n h c h o sinh viên từ n ă m 1959, và sau đó n h ữ n c bài c i á n g nèty được láp

h ợ p t h à n h s ác h “ T h e r e is plenlN' o f r o o m at the b o t t o m in M i n i i u a r i z a l i o n New

Y o r k ; R i e n h o l d " x uấ t h a n \' ào n ã m 1960 T r o n g n h ữ n g bai e i a n s nà\' ó n g đã dé

c ấ p đ ế n c á c cáu trúc siêu n h o và tiên đ o á n sẽ xuấ t h i ệ n n h ữ n c vật liệu mới có

c á u t rú c lừ n h ữ n s h ạ t k í c h c ỡ 10' 7 - J0'° met

Đ j t h õ n g nhái i ron í: khái n i ệ m, hiện n a \ nhĩrno cáu i n k n h ó hơn K' 0

n a n o m é t dưo'c xcni là c ãu irilc n a n o

Chỉ sau 11 n ă m k ể từ khi ý t ưởng về cấu trúc n a no ra đời, từ n ă m 1970, việc xâ y dựng c ô ng n g h ệ n a n o đã được các nước Liên Xô, M ỹ , N h ật Bản liến

h à n h đ ồ n g thời cho vật liệu bá n dẫn

H i ệ n n a y có hai c ác h tiếp cận tới n h ữ n g cấu trúc nano: c á ch tiếp c ậ n “

T ừ trên x u ố n g dưới m ộ t ví dụ về c á c h tiếp c ận này là đ ể tạo c ác cấu trúc n h ỏ

h ơn , người ta " nghiền nhỏ" c á c c ấ u trúc lớn hơn c h o đế n khi đạt được cấu trúc

n a n o m o n g m uố n ; và c ác h tiếp cận “ T ừ dưới lên t r ê n ” , tức là thay đổi sắp xế p

bé n t rong c uả các n g u y ê n tử p há n tử ỉhay đổi sư sắp xế p c ua c ác hạt đ ế từ đó tạo ra n hữ ng vật liệu mới

T u y n hiên mãi đế n n ă m 1981 n hà k h o a học ncười Đ a n M ạ c h G le i te r

H mới chính thức nêu vấn đề x â y d ựn £ vật liệu mới có cấu trúc n ano, và n s a y

l ập tức đ ã gâ y được sự chú ý đặc biệt c ủa các nước M ỹ , Li ên x ỏ N h ậ t Bản và

T r u n g Q uố c N ă m 1983 nhà k h o a học neưò'i N s a Iakovlev E.N đã c ô n g bố

c ó n c trình đáu liên vé việc c h ế tạo vật liệu N i k e n có cấu trúc n a no đươc d ậ p ép

từ các hạt sicu nho

Vậi liệu na no mới dược n g hi ê n cứu và ứ n s dụn g, n h ư n g đã m a n s lại nhữnsi hiệu qua vó c ù n c lo lớn m à trí t ư ớ n s t ưởng của loài người dù có p h o n s

p h ú đe n đáu c ũ n g k h ó có Ihê lường hết được: T he o c h ư ơ n s trình X - 2 0 0 c ủa

N ASA, việc c h ế tạo lại thiết bị điện h ình n ó n kiểu c ả n s h à n s k h ỏ n s di đ ộ n c c h o

c ác khí cụ bay (d ù nc đế trọ' 2Íúp c ác hệ t h ố n s điện, hệ t h ố n s q ua n sát la\ m ả u

và xứ 1\ i h ô n c Ún, đ a m bao c h o sự hoạt đ ộ n s dài n g ày c ua các k h í cụ b a\ ) sẽ

d ư ợ c ứnc d ụ n c c ô ng Iichệ n a n o để hiện đại hoá từng bưó'c n h ư t r on c b a n s ]:

C o n g niihệ nano dược ứni: d ụ n c m ạ n h mC* i r o n s \'iộc chc lạo các ihiCi hi

\ Ié[ 1J: các " d ọ n (.: cơ" cực n ho dược CŨY \'ào c h ỏ lãc m ạ c h sẽ co lác dụní: c áp

c ứu tại chỗ, l à m lưu t hô ng má u , hoặ c đưa t h u ố c tới n h ữ n s t ế bà o c ầ n thiết c ủ a c ơ thế; c á c thiết bị siêu n h ỏ m a n g the o t h u ố c và c ác h o á c hất được c ấy v à o các m ô

u n s t h ư diệt c ác t ế bào u n g thư; ứng d ụ n g c ô n g n gh ệ n a n o c ũ n g gi úp c h o việc

x á c đ ịn h n h a n h và c hính xác m ã gien, p h ụ c vụ c h o việc d ự báo c h u ẩ n đ o á n và

c h ữ a bệnh,

Vật liệu n a no c ũ n s được ứ n s d ụ n g m ạ n h m ẽ tronơ c ô ng n s h i ệ p : khi thay đổi c ấu trúc c ủ a graphít n hư thay một n g u y ê n tử cẩc b on t r ong cấu trúc m ạ n s tinh t h ể c ủ a gra phí t b ằ n g một n g u y ê n tử k i m loại ( n hư đ ổ n g c h ẳ n s hạn), c h ú n g

la sẽ n h ậ n được các bon có tính bá n dẫn N a n o c o m p o s i t e n v l o n có 2 -6 c7c các hạt

n a n ô đất sét biến d ạ n e nhiệt sẽ bát đầ u ở 150°c t r o n s khi n y l o n bình thườ ng

c h a y d e o ỏ' 60°c Các c o mp o si t e p o l y m e có độn các hạt n a n o được d ù n s t r o n s việc t ã n s c ư ờ nc k hả n ã n c chịu nhiệt c h o p o l y m e , d ù n g l àm vật liệu nhẹ c h ó n s

c h á y , c h ố n s t h ấ m và \ ’ật liệu đ ể xử lý ó n h i ễ m môi trường Vậ t liệu n a n o đ ổ n s

c ó tính k h ư r u n ° rất cao c ấp 2-3 lần so với 2a n2 x á m mộ t vật liệu c h o đ ế n n a \

văn được x e m là có kha năng, ch tine r u n s kh á lý tưởnc G ố m n a no Z i co n d i o x i t

c ó n hiều ưu đ i ế m hon thiêu kết O' nhiệt độ 125 0° c t r o n s khi s ố m t h ó n s t h ư ờ n s thiêu kết ở 1 6 0 0 ‘ C vì \'ặ>' chẽ tạo c ô m n a n o k h ô n s n hữ ng c h ú n g ta n hặ n được vật liệu mới tốt hon ma lại iiiám đ á n g kẽ n s u ồ n n ă ng lượng cần phải chi phí khi

c hẽ lạo N h ữ n g \'át liệu kim loại được mạ lớp hạt n a n o có thể tãng độ c ứ n e lên

lừ 1 6 - 6 3 % phụ t huộc váo loại hạt độ dày lớp m ạ và độ m ị n n h ỏ c ùa hạt N h ờ

ứn e đ ụ n c cõng, lỊghạ na no dê c h ế tạo đưọc các chip siêu n h ỏ có bộ n h ớ cực lớn

c h ú n e ta dã có những m á v lính lốc độ siêu cao N s ư ờ i ta ưưc tính có thê c h ẽ tạo

c ác bộ lưu trữ t h o n c lin có cáu trúc nano có t r ọ n s l ư ợ n s ven vẹn chỉ 1 s a m

n h ư n g c hứa được lưọnc Ihõne tin b a ng ca thư viện q u ố c gia [1 3] K h ổ n c còn nghi ngõ' £Ì nữa, \ ặ t liệu n a no sẽ làm nén n h ữ n c điều kỳ diêu trong t h ế ky XXI

và san p h á m c ua c h ú n c sẽ bước ra khói các p h o n e ihí n e h i ệ m , tạo ra m ội c uộc

m ạ n c thực sự t r ong c ó ng nghiệp

Co 1 hô nha n \L;1 la irướé nã m 19S0 M v là nước dan đá u i ro n s lĩnh vực

n LihiOn cưu \ ù unu J ụ n ‘j CÕI11.: imhọ nano, tuy n hiên tron í: v ò n " hơn hai ihặị' kv

p a n đ â v đ o n h a n t h ứ c đ ư ợ c l ã m q u a n t r ọ n g v à x u t h ê ứ n g d u n ọ c ỏ n 1 -! m : h ứ \ á i

liệu mới n a n o vào những ngành kỹ thuật cao n h ữ n (_! nước n h ư Nhái Ban T n m u

Ọ l i ỏ c P lK Íp Đ ứ c dã có n h ĩr n y d ;ìu ur d a n e k é và I h 11 flirov n h ié u k c ĩ OIUI \ é

l ĩ n h v ự c n à v B m í i 2 l i ì ó n e k e n l i ữ n t : b a i b á o k l i o a h ọ c \ d n l ũ n i e VI n í: c h o lũ

t l ư ọ v L'õn>.: b õ c u a m ộ i s o n ư V' u v n ihC‘ <:m ì

N h ì n vào b ả n g 2, c h ú n g ta thấv t rong giai đoạ n trước 1996 dẫ n đ ầu về kv

l ục c ô n g b ố các bài báo n g h i ê n cứu về cấu trúc, c ồ n g n g h ệ n a n o là M v , sau đó

Chính phu c ác nước c ó n g n g h i ệ p phát tri én đã hét sức q u an lâm coi c óng

n g h ẹ n a n o là một i r o n s nh ững h ư o n c ưu tiên phát trién Riling n ă m 1998 số các bài bao c ó ng bó liên q u an đé n lĩnh v ự c nà y đã là 8 50 0 bài [6],

N í i h i ẽ n c ứ u vé l ĩ nh v ự c c ó n g n c h é n a n o t r ê n t h ế LMÓ'i l ưu t ru n e lại c ' '

I n r ớ n í í c h í n h s a u đ á v :

• N ' l h i c n CƯ 11 CO' ban ( l í nh U u n \ a \ LÌưnt: các m ỏ hi n h m i l l i o n c ưu cai' hiện tưọìi

• Công nghệ chế tạo

• ứ ng d ụ n g c ô n g n g h ệ n a n o , p h ư ơ n s p h á p ứ n g d ụ n g , k h a i t hác h i ệ u q u ả

T u y n h i ê n n h ư c h ú n g tôi đ ã n h ậ n x é t t rê n đá y, sau n ă m 1980, c á c n ư ớ c

k h á c trên t h ế giới đ ã tích cực đầ u tư n g h i ê n c ứ u l ĩn h \ỊTC n à y , và vì vậy chỉ sau

k h o ả n e 10 n ă m , h ọ đã đạt đ ư ợ c n h ữ n g kết q u ả n h ấ t định Bức t r a n h

t o à n c ả n h đã có t ha y đổi và đ ượ c t hể h i ệ n t rê n b ả n g 3 - t h ố n s k ê các bài b á o

k h o a h ọ c đ ã c ô n g b ố c ô n g k h a i và đư ợ c t ì m t h ấ y và t h ố n g kẻ t r o n g các c ơ s ở lưu trữ d ữ liệu

B a n g 3 Số l ượng các bài b áo k h o a h ọc vế c ỗ n s n g h ệ n a n o t h ố n g kẻ th eo lãnh

N h ì n YÌIO bans: 3 c h ú n g ta thá y rõ: T r u n c Q u ỏ c YU N i l a đã có n h ữ n u tiên

bõ vưọ'1 bậc và c h í nh T â y ãu hiện n a y là k h u vực đ a n đáu vé n c h i é n cứu va ứnc

t ỉụ n c c ô n c n g h ệ n a n o c h ứ k h ô n g phai M ỹ X u ấ t ph ái lừ i hực tiễn đó đ ế n h a n h

c h ó i m n ă m bắi thônc tin và các t h à n h tưu c u a c ác n ước k h á c , M ỹ đã b u ộ c phai Pỉieu c h i n h c h í n h s ách và d â u lư đ ế tăng c ư ờ n s mối q u a n hệ h ợp tác với n ư 1C

mioài: trao dối i h ổ n e tin tiên h à n h c á c Híihién c ứu h ỗ n h ọ p \'à d à o lạo c án ho

k h o a h o c tre về lĩnh \'ực nàv

T í n h d e n na\' ơ MỸ có hơn 2 0 c h ư ơ n c irinh d ự án lớn va 22 t r ư o n 1.: dại

h ọ c c ỏ d à o l ạ o s i n h v i c n x ì i n e h i ẽ n c ứ u ứ i m d u n n c o n n m : h c n a n o Ị 1 3 ] ,

N e oài MỸ và Níia \ ói các ihonỉi tin m à c h u n g lói hi ện co dư lìuán ^

M k ìi h i c n các i r uni ! Uun lon h à n Jail vc COI1 L1 nu họ naiV' lai N l i a i Ban T i u i i j

Q u ố c P há p Đirc ỈXi acl Ph a n La n va Han Quóc Cón<: m:lic n a n o li vi ijj.\ vC'

a nh h ườ n 5 m a n h mì' ió'i dõi s õng \ ã hói Q i c n ha k h o a h o c lien đn;in loi

h à n g h o á sẽ b ề n h ơ n , c h ấ t l ư ợ n g hơn; và d o ứ ng d ụ n g n h ữ n g vật liệu m ớ i n ê n

d ị c h vụ y t ế sẽ h i ệ u q u ả hơn, p h ổ c ậ p và rẻ hơn; sẽ x u ấ t h i ệ n c á c loại t h u ố c mới

c ác thiết bị y t ế mới và sẽ có c á c c ơ q u a n n h â n tạo; m ọ i t h ứ q u a n h ta đ ề u trở n ê n

c ó tri thức, và x u ấ t h i ệ n m ộ t h ệ t h ô n g tin (đ iệ n thoạ i, ti vi, m á y t í nh) g i ú p c o n

n g ườ i có thể liên hộ với bất k ỳ ai, ở m ọ i lúc, m ọ i nơi; c ô n g n g h ệ n a n o c ũ n g sẽ

l à m t ha y đổi hệ t h ố n g s i á o d ụ c đ ể c ậ p n h ậ t đ ầ y đủ và t o à n d i ệ n h ơ n c á c k i ế n

t h ứ c liên q u a n đ ế n c ó n g n g h ệ c a o này; với sự ra đời c ủ a c ô n s n g h ệ n a n o sẽ xu ất

h i ệ n loại n ă n g l ượng mới , và l à m c h o m ôi t r ườn g s ạc h hơn; t h ậ m c h í sẽ xu ất hiện

c ác m ó n ăn m ới c h ư a b ao giờ-có t ro ng thực đ ơ n c ủa t h ế giới; c ô n s n s h ệ n a n o sẽ

t h a y đổi đ i ề u ki ện l à m việc, đi lại và p h ụ c vụ c ủ a c o n nơười T u ổ i t h ọ t r u n e b ình

c u a c on người do đ ó c ũ n g sẽ t ă n g lẻn t rong t h ế k v X X I N h i ề u n h à k h o a h ọ c

n h ấ t trí đ á n h giá là việc phát h i ệ n ra m á y hơi nước, đi ệ n, la d e và c ó n g n g h ệ

n a n o là n h ữ n c phá i m i n h q u a n t r ọng n h ấ t c ủ a x ã hội loài n s ư ò i t ừ trước tói nay

T r o n í: x e m i n a r "Nhữníi hệ q u ả xã hội c u a k h o a h ọ c và c ô n s n s h ệ n a n o "

t h á n c 9 / 2 0 0 0 tai M ỹ các n h à k h o a h ọ c đã n h ấ t trí đ á n h giá ỉroníỊ vỏng ỉ 5 -2 0

nă m lo i c ó m ’ lì^liệ Hduo s ẽ lum íìiay dôi m ột cáclì căn bản kh o a học kỹ ĩỉiuậĩ và xã /lội, dổns: thời c ũ n e c a n h bá o trước m ối n s u y h i ế m đe d ọ a loài n e ư ờ i d o c ô n s niihệ n a n o có a nh hưcrní: to lớn đế n c ác lĩnh vực t h ô n s tin, s i n h h ọ c , V h ọ c và

q u ố c p h ò i m C ác n h a k h o a h ọ c c ũ n c t h ố n s n h ấ t n h ặ n định: h i ệ n n a \ CÓ/ÌÍỊ n q h ệ

dược c on c hưa d á n*1 là b ao so \’ứi tiém n ă n g \ ’õ c ù n g to lớn m à c õ n s n s h ệ n à v sẽ

c o thê m a n s lại

3 Co học vật liệu nano

C ơ h ọ c \'ậi liệu n a n o có n h i ệ m \'Ị1 irước hết là m ó h ìn h h o á c á c c á u trúc

\ ạ l liệu Iìano i h à nh c á c b à i toá n c ua CO' học Rất tiếc l à c h o đ ế n na y c h ú n<2 lỏi

c h ư a tìm d ượ c tài liệu t h a m k h a o nà o có liên q u a n đ ế n cơ học vụ! liậ i /iLiiìí d ượ c

c õ n g bõ irẽn ihé ciói

ơ Việt \ a m hi ện na\' có một sô' bài ba o vè vật liệu n a n o bá n d a n \ a t liệu

l ừ T u \ ' n h i c n t á i c a c á c l à i l i ệ u đ ã c o n n b ỏ v é \ ạ t l i ệ u n a n o ư n ư ớ c l a l i i c n n a \ đC-Li i h c o c á c l i t i é p c ạ n ' T ừ l r c n XUÓIISI d ư ớ i " , t ứ c l à n h ặ n đ ư ợ c c á c í ã u i n k n a n o

t ừ c á c c â u t r ú c l ớ n h ơ n

C o m p o s i i c Ui 1 i V u lỉưọl' Rin LI liọp nón lư hai ha \ n h i e u \ ạ i lieu kli.lv

n h a u , n h a m m ụ c diL'h là lạo nón vịit liệu mó i có nhữnu linh n ăm: ưu MÚI h )Ì1

h ẳ n c á c t h à n h p h ầ n v ật liệu b a n đ ầu N a n o com p o site ỉà co m p o site có ít n h ấ t

m ộ t trong các thành p h ầ n cấu thành nên co m p o site có cấu trúc nano.

n g u y ê n tứ c ấu tạo n ê n các p h â n tử , để rồi từ đó c ấu t h à n h n ê n vật c hất , đ ể

n e h i ê n cứu t ương tác c ủ a c ác hạt với c ác hạt, các h ạ t với n ề n có lẽ p hả i đ ù n £ các

c ô n £ cụ c ủ a c ơ h ọ c l ượng lử T u y n h i ê n ở đ ã v c h ú n s tôi t iế p c ậ n t h e o p h ư ơ n s

p h á p “ T ừ trẽn x u ố n g dưới" , và n h ư vậy về n s u y ê n tắc vẫn có thể tạo ra c ác hạt

n h o hơn c ác hại m à c h ú n s la d a n s xét, vì vậ y khi n s h i ê n c ứu t ư ơ n s tác c u a các hạt với nền p o l v m e c h ú n g tỏi d ù n s các p h ư ơ n s CO' học c ủ a c ơ h ọ c N i u t ơ n [ 1 3 ­15] V à n h ư vặv, c ác h đặt bài t oá n c ơ h ọ c vật liệu c o m p o s i i e c ó các hạt đ ộ n h ì n h

c ẩ u , có lính đ ến t ương tác gi ữa các hạt đ ộ n với n ền, đ ượ c x â y d ự n c và t ính t o á n

t h e o m ô hình và p h ư ơ n g p h á p m à c h ú n g tỏi đã trình b à v t r o n s c ác tài liệu đã

c ó n g b ố [9.10, 14],

ứ n c suâi vi m ỏ i r o n s vậi liệu c o m p o s i t e được x á c đ ị n h n h ư sau:

cr 4 = (7 k -í- ơ . + ơ , + ( 1 )

i r o n s đó ơ \ là ứ ne suất đ ổ n g nhấ t, cr' là ứ n e suất t ư ơ n e h õ íiiữa n é n với hai

ơ " là ứim suâì i ư ơ n s hỏ e i ữa c ác hạt £ần n h a u nhất Tr onỉi k h u ô n khé) bài b á o

n à y , c h ú n g tói chi siứi hạ n d é n t ư ơ n s hỏ c ủ a hạt \ ’ó'i n ề n p o l y m e tức là chí xéi

đ ế n c á c s ố hạnQ t h ứ nhất \ ’à t h ứ hai t r o n2 biếu ihức (1)

G ia ihicì c á c \-ậi liệu i h à n h p h ầ n đ ề u là đàn hổi đ án LI hướníz khi dó

p h ư ư i m trinh c h u y ê n dị ch ilioa m ã n ph ưo'112 trình Lamé:

2( 1-1 \<:rad lìirũ - (1 - 2 \ ’)n>t roì ũ - 0 ( 2 )

Đ õ \ c l hiú lcián ứ ne ^uál \'im ử t r o n «2 lã n c ;m ciVâ c á c h ạ l d a n (j k h a c ' sá! SƯ

J u n i : l o ạ d ọ c a n đui Ị ì hưoni : c ó <:ổc l o ạ đ ộ i r ùni : \'ứi Knn c u a c á c Ik iI:

.V = r c o s ^ .V -/.V = / - s i n ^ ( 3i

Đ iề u kiệ n trên b iê n tiếp x ú c của c á c hạt với nền p o ly m e đượ c th iết lập n h ư sau(r=a):

Hình 1 Các hạt độn hình cầu trong nền polyme

V ậ t liệu c o m p o s i t e n h ậ n đ ư ợ c là vật liệu đ à n h ổi đ ổ n g n h ấ t , đ ẳ n g h ư ớ n g và

c ó 2 h ằ n g s ố đ à n hồi K ế t q u ả c u ố i c ù n g c h ú n g tôi x á c đ ị n h đ ư ợ c n h ư sau:

Các đại l ư ợ n2 đư ợ c viết với clìỉ s ố “ c " ỏ' dưới là c ó li ên q u a n đ ế n c ác hạt

n a n o c ò n viết k h ô n c c hỉ s ố là liên q u a n đ ế n vật liệu nền

Đ ế m i n h h oạ c h ú n g tói x ét c o m p o s i t e n ề n e p o x v với c á c h ạt b a z a n ( kết q u a

đ ư ợ c thê hi ện i r o n c h ì n h 2) và c o m p o s i t e k i m l o ạ i nề n n h ô m - hạt b o r ( hì n h 3) Troníi các h ìn h đó d ư ờ n g t h á n s là kết q u a tính t h e o E s e n p i khi k h ổ n s có t ư ơ n s tác \'à đ ư ờ n g c o ng là kết q u a c u a c h ú n e tôi khi có tính đ ế n t ư ơ n s tác e i ữa hại xới nén

T ừ c á c kél q u a n h a n điRK, c hu m: la ih á\ ]'õ viẽc bo suni: C.K liai IUH' \a>'

\ lĩ l i á i nOn p o l \ m c Him unit: m ó d u n J i m hói c ua \ ạ i liỌu T u \ n hi cn la

n h ư n g k ế t q u ả b ư ớ c đ ầ u , c h ú n g tôi h y v ọ n g sẽ c ó d ịp n g h i ê n c ứu s áu t h ê m về

Kết q u á t ò n e q u a n và kết q u ả n s h i ê n c ứu t rì nh bày t r o n g b á o c á o đ ượ c thực

hi ện dưới sự tài Irọ' c ua Hội đ ổ n s k h o a h ọ c tự n h i ê n , và t h e o h ư ó n s n s h i e n cứu

c u a Đ é lài k h o a h ọ c d ặ c biệt c ấ p Đạ i h ọc Q u ố c d a H à N ộ i m ã s ố Q G 0 4 2 7

Tài liệu lliam khảo

[ 1 ] L e e s.c T h e n a n o b i o l o g i c a l s t ra teg y for c o n s t r u c t i o n s o f n a n o d e v i c e s In

L e e s.c a n d L S a \ a a e ( e d s ) , B io lo g ica l m olecules in nanotechnology : the

c o n verg en c e o f biotcclmoloz}', p o ly m e r c h em istry a n d m aterials scicncc

S o u t h b o r o u c h VIA: I B C Press 1998

[2] T i l d e n M Y A u t o n o m o u s b i o m o r p h i c r o b o t s as p l a f o r m s for s en s or s , re port

N u m b e r L A - l ' R - 9 6 - 3 2 2 2 r s I n f o r m a t i o n B r i d e e D O E O f f i c e o f Sc ie ntific

a nd T e c h n i c a l I n f o r m a t i o m O S T I hi 99S

[3] B r u c h e z M J M M o r o n n e p Gin s W e i s s and A P A l i \ isatos

S e m i c o n d u c t o r n a n o c r \ SUỈS CIS fl uo rosc ci n b io lo gi c al labels S cic n cc - s / 2 ' ) 1 3 ­

2 0 1 6 1 w s

[4] N a \ r o t s k \ A n a n o m a t e r i a l s in the e n v i r o n m e n t a g r i c u l t u r e , a nd iechnolo._:\ ( N E A T ) J nunopjra.-Sc /VAÌ.VV/’; 2? ] 200(1

[5] M e y e r M a n d P e r s s o n o N a n o t e c h n o l o g y - i nt e r di s c i p l i n a r it y , p a t t e r n s o f

c o l l a b o r a t i o n a n d d i f f e r e n c e s in a pp li c at io ns Scientom etrics 42(2), 195, 1998[6] L o w e T C , B i s h o p A., B u m s C , N a n o s c a l e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y at L o s

II.2 Vật liệu na n o co m po si te pol yme ba pha

A b s tra c t: T oday, nano com p o site m aterial is being stud ied a n d widely

used f o r defen ce security a n d eco n o m ic developm ent Keeping

researching on the m echa n ic o f three-phases nano co m p o site in which

tw o -p h a ses is grains o f p a d a i d file structure o f one-phase in

r e in f o r c e d t w o - p h a s e s is a n a n o s tru c tu r e , b a s in g on c o n sid e r a tio n

f o r inie! action o f the p o ly m e m atrix a n d grains o f pa d din o, wc have

defin ed engineering constants o f the three-phases p o ly m e com posite

nano m a t e ria l.

1 N an o material and its applications

T h e i dea a b o u t s u p e r - s m a l l s i ru ci ur es wa s r a is e d bv the A m e r i c a n scieniist

F e y n m a n R p a N o b e l prize w i n n e r for p h y s i cs , w h e n he p r e s e n t e d the s tu d en t s his lectures in 1959 and ihe n ihe se l ect ures w e r e c o l e c t e d to b ui ld a b oo k " T h e r e is plentN o f r o o m at the b o u o m in M i n i t u a r i z a t i o n N e w Y o r k : R i e n h o l c T p u b l i s h e d in

1960 In t h e s e le ct ures , he dealt with s u p e r - s m a l l s t r u c t u r e s and p re d i c t e d that t here would be n e w m a t e r i a l s s t r u c t u r e d bv s r a i n i n c size 10' -10"' me ir e

Since 1970 o n l v 11 Y e a r s a f t e r t h e b i r t h o f t h e i d e a a b o u l n a n o s t r u c t u r e

I ' S S R U SA J apan V.V ha ve c ar ri ed out the p ro c e s s o f b u i l d i n g n a n o technolo<:v

s i m u l t a n e o u s l y wilh t ra n s i st o r i z e d ma te ria l

H o w e v e r , not until 1981 did ihe D e n m a r k s cie ntis t G l e i t e r H off ici al ly bring

up a q u e s t i o n for n e w n a n o s t r u c t ur e d ma te ri al a nd i m m e d i a i e l v it drew a special attention f r o m the I SA the U SS R J ap a n and China In 1983 the R u s s i a n s c i cmi s t Iakovlev E N a n n o u n c e d his first w o rk on p r o d u c i n g N i k e n s t r u c t u r e d h \ n a no which was m a d e o f m i c r o s tructures

NdUO t e c h n o l o i j v is app li ed t h r o u i i h l v in i n u n u l a c i u r m < : M c t l i c a l T o n i s Ị 2 ci|

s u c h as: m i c r o e n g i n e s i n i p l a n l e J in c h o k e d u p VCSSL‘1 1 CM' e a r n i n ' : (HU o n - i h c - s p n t

o m c p ’c n c N c i r c u k i i i n i i b l o o d o r t a k i n g d r u i2s 10 t h e n e e d e d c c l l s I'l i h c h >d\:

!ni i T(' -L\ ]Li i p"i cn! l a k i n 1’ J ri i i i ' ' MHij c l K' mi c i l K i m p k i n l ' j J in l'Jw'K'lt iIs'nLI'js U' J j i i r o x

c a n c e r cells N a n o t e c h n o l o g y a lso h e l p s to i d e n t i f y a c c u r a t e l y a nd q uickly

ơe ne co d e, fa c i l i ta t i ng t he p r e d i c t i n g , d i a g n o s i n g a n d t r e a t i n g o f d i s e a s e s ,

N a n o m a t e r i a l is a lso w i d e l y u s e d in i n d u s t r y [ 3, 4, 5, 8, 12] w h e n c h a n g i n g the structure o f G r a p h i t e as r e p l a c i n g an a t o m o f c a r b o n in G r a p h i t e c rys tal s y s t e m with one m e t al (like b r o n z e ) w e c a n g et t r a n s s i t o n z e d c a r bo n Bronze n a n o ma t e r i a l c an get rid o f v i b r a t i o n e f fe c t i v e l y , t w i c e to t h r e e t i m e s b e tt e r t h a n g r e y cast iron, a material up to n o w h a s b e e n c o n s i d e r e d as o n e w h i c h has an ideal ability o f a n t i ­vibration Z i c o n d i o x i d e n a n o p o t t e r y o w n s m a n y m o r e s o o d points, b u m i n s at

1 2 5 0 ° c w h il e n o r m a l p o r t t e r y b u r n i n g at 1 6 0 0 ° c , so p r o d u c i n g n a n o p ot te r y we not only r e c e i v e a n e w b e t t e r m a t e r i a l but a l s o r e d u c e n o t i c e a b l y e n e r g y r e s o u r c e neede d f or the p r o d u c i n g p r o c es s M e t a l m a t e r i a l s plated with n a n o s ee d s can increase the h a r d n e s s f r o m 16 to 6 3 % d e p e n d i n g on the typ e o f seed, the t h i c k n e s s

of the p l a t i n s a nd fine s o f s eeds I ns t ea d o f c u m b e r s o m e m i n e - d e t e c t o r , n o w a d a y s

A m e r i c a ha s b e g u n a p p l y i n s n a n o t e c h n o l o g y to m a n u f a c t u r e 7.5 c m - d i a m e t e r

m i n e - i n s p e c i o r robots O w i n s 10 a p p l y i n g n a n o t e c h n o l o g y , m i c r o c h i p s with very

larce m e m o r y a nd s u p e r s pe ed c o m p u t e r s h ave b e e n p r o d u c e d It is e s t i m a t e d that

we can creat i n f o r m a t i o n stores o f o n e c r a m e at h b ut with the m e m o r y as l a r s e as a national library N a n o m a t e r i a l s , u n d o u b l t e d l y are l i k e h to m a k e s o m e t h i n g incredible in the 2 1 s1 c e n t u r v a nd their p r o d u c t s will c o m e out o f l a b o ra t o ri e s

e sta blis hing a real i ndus t ri a l re vo lu ti on

T h e r e are 3 m a i n o r i e n t a t i o n s in r e s e a r c h i n g on n a n o t e c h n o l o g y field in the world:

• Basic r e s e a r c h ( c a l c u l a t i n g , b u i l d i n s m o d e l s s t u d \ i n s p h e n o m e n a )

• M a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y

• A p p l y i n g n a n o i L v h no lo ev a p p l v i n e m e t h o d s , e x p l o i t i n g e f f e c i i v d v The 20 v e r n m e n l | o f de ve lo pe d countries have paid m u c h attention to nano

l e c h n o l o c v a nd c o n s i d e r e d it as o ne o f the prior ities in d e v e l o p m e n t o ri e nt a ti on s

To da y W e s t e r n E u r o p e is a l e a d i n g r e g io n in r e s e a r c h i n g and a p p l y i n g n a n o

i e c h n o l o n \ [4.8] In o r d e r to c at c h up wiih i n f o r m a t i o n and a c h i e v e m e n t s o f oilier

c ountries A m e r i c a mils! udju.sl policic.s a nd i n \ e s i m e n t s lo sirciiiiilicn ihc

re la tio ns hip s with O lh tr n a i io ns e x c h a n g e i n l o r m a i i o n c a r r \ nui j o i m r e v j a r J i c s anci train vounsi s ci en ti s ts in this field L p 10 now A m e r i c a has ow n e d over 2 lari:e scale p r o g r a m s , p r o j e c t s a n d 22 u n i \ c r s i i i c s h a v e the abilil) ol e d u c a t i n g s i u J c n l s studN i n LL a p p l v i n ^ n a n o t e c h n o l o g y [SJ

W'ilh the i n l o r m a l i o n u v h a w now b j s k L ' s A m c r i a i a nd Kussia II IS

s l i m m e d tliLil lheIV will be 1 LtTyc IcaJinii l Yhl iJ s ('1 n a n o li-'thn '1

China , F r a n c e , G e r m a n y , Israel, F i n l a n d a n d South K o r e a ,

Sc ie ntis ts a f f i r m that n a n o t e c h n o l o g y will c r e a t e a g reat ef fe ct on o u r social life: t h a n k s to n a n o t e c h n o l o g y , g o o d s will be m o r e d u r a b l e , m o r e q u a l i f i e d and

b ec a u s e o f u s i n g n e w m a t e r i a l s h e a l t h c ar e s e r v ic e will be m o r e effect ive, p o p u l a r and c h e a p e r ; t h e r e will be n e w d r u g s , n e w m e d i c a l tools as we ll as m a n - m a d e b o d v organs N a n o t e c h n o l o g y will a l s o c h a n g e the e d u c a t i o n s y s t e m to u p d a t e m o r e

a d e q u a t e l y a n d all s i d ed l y t he k n o w l e d g e o f this h i s h t e c h n o l o g y W i t h the birth o f

na no t e c h n o l o g y , t here will b e n e w t yp e o f e n e r g y w h i c h he lps to m a i n t a i n

u n p ol lu te d e n v i r o m e n t , e ve n n e w k i n d o f f o o d s t ha t u n p r e c e d e n t e d l y a p p e a r in a n y

me nu N a n o t e c h n o l o g y will c h a n g e t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s , tra ve llin g and services The a v e r a g e h u m a n a g e will c o n s e q u e n t l y i n c r e a s e in t he 2 1 st cen tur y M a n y Scieniists h a v e a g r e e d that the d i s c o v e r i e s o f the s t e a m e n s i n e , the electricity, l aze r and n a n o t e c h n o l o g y h a v e up to now b e e n t he m o s t i m p o r t a n t o n e s in h u m a n society

• 100 billion fr om e n v i r o n m e n t and n a tu ra l r e s o u r c e s proleclion

E x p r e s s i n g in I lie s e m i n a n a m e d " T h e social i m p a c t s OÍ ihc n a no Ncicncc and

l e c h n o k n : } ” in A m e r i c a in S e p t e m b e r 2 00 0 , s ci ent is t s a g r e e d that in 15 to 2(1 year s, nano t e c h n o l o g y will c h a n g e ba si c al ly s ci c n c e t e c h n i q u e and s ociety T h e y

s i m u l t a n e o u s ] ) ' w a r n e d t h e d a n g e r o f t h r e a t e n i n g h u m a n b e i n g a s n a n o I c d i n n l o g )

will c a u s e o real ef fe ct on i n f o r m a t i o n , b io lo gy , h ealt h care and clcieiK'c f i d d v Scientists a lso realized lhat: T o d a y , n a n o t e c h n o l o g y is on ils fir^i s ’.L'ps ni

d e v e l o p m e n t b c c a u s c whiil p e o p l e have a c h i e v e d I"' m u c h smallc! tlu'.n Ilic

c x i r c m c l v ur ea! ỊXMenlialiiN n a n o i cc h no l o g N c o u l d hrniL: ha ^k.

2 Mod el o f the th ree-phase polyme n m iocomposite HKiterkil

T o h a v e a u n i f i e d c o n c e p t , in m a n y r e f e r e n c e s t he s t r u c t u r e s w h i c h are s ma l le r than 100 n a n o m e t r e a re c o n s i d e r e d as n a n o s tructures.

T o d a y , t he r e are 2 w a y s to c r e a t e n a n o s tru ct ure T h e first o n e is “ F r o m b i s g e r

b i s s e r to s m a l l e r ” , that m e a n s r e c e i v i n g n a n o s t ruc tur es f r o m the b i s g e r s t ructures

C o m p o s i t e is a ma t e r i a l f o r m e d f r o m 2 or m o r e di ff er en t ma t e r i a l s in o r d e r 10 create n e w m a t e r i a l s w it h m o r e p r e e m i n e n t f e at ur e s t h a n t h o s e o f the o r i si n a l materials N a n o c o m p o s i t e is t h e c o m p o s i t e w h i c h h a s at least one o f the e l e m e n t s

f or m i n g n a n o s truc ture

In the r e s e a r c h e s b ef or e, w e buili a m o d e l o f t w o - p h a s e c o m p o s i t e n a n o w ith

p o lv m e ma t r i x a nd r e i n f o r c e d s e e d s w h i c h are n ano T h e i n i t i a l results were that we

d e t e r m i n e d the c o n s t a n t s o f ihe ma te ria l F o r in s ta n ce , in laci w he n we use

n a n o m e t r e - s i z e m i n e r a l and th en m i x wilh p o l y m e to c re at e c o m p o s i t e w h i ch has

s ome special c h a r a c i e r i s i i c s s uch as: h i gh ly m e c h a n i c a l , h e al - p r o o f abiliiv a n t i ­absor bent

To b oo s t Ihe ability o f m e c h a n i c s a nd fire p r o o f o f p o l y m e ma t ri x whe n

p r o d u c i n g p o l v m e e s p e c i a l l y p last ics, we use t h r e e - p h a s e p o ly m e : m i x i n g a not ic ebl e ratio o f c l a s s - s c c d s o r c a r b o n seeds, metallic s ee d s (to r ei n l o r c e ihe ability o f m e c h a n i c ) a n d a s m a l l ralio of n a n o mineral seeds, n a n o clay s ee d s (H) fir e pr o of m a t e r i a l s ) into the p o l v m e ma tr ix N a n o c o m p o s i t e n y l o n with 2 lo 6 r ( of

n a no c lay s e e d s will be d e f o r m e d at ] 5Ơ" G m e a n w h i l e n o r m a l n y l o n will be melt at

6 0' ’C [8,9],

Th e m o d e l o f ihe i h r e e - p h a s e c o m p o s i t e in this paper , t h e re fo re , include:

p o l v m e m a t ri x, rein forced pad s e e d s and n a n o see ds (Fig 1 1

W e a p p r o a c h the n a n o s ir uc tur e a c c o r d i n g to m e t h o d : " F r o m b i g g e r to

s mal l er " T h u s w h e n r e s e a r c h i n g the i nte ra ct ion o f s ee d s with m a t r i x we Use the

m e ih o d oi N e w t o n m e c h a n i c s [7.1(1.11.12] T h e selling OÍ the m a c h a n i c i 'problem

ol c o m p o s i t e m a t e r i a l s h a v i n g s p h e r e pad s ee d s and i n c l u d i n g m i c r a c i i i ' n I v i w e e n pad s e e d s a n d m a t r i x i.s buill and L'ulculaled accordin'.: to ihc mo d e l ;;nJ :riL-ilic>J which w e r e p r e s e n t e d in [6 .12]

3 Definition o f constants o f the material

F o r d e fi n i t i o n o f c o n s t a n t s o f the c o m p o s i t e ma te ri al (ÍÌ2 1), we suppose that

r einforced s ee d s w hich h ave the s a m e r a d iu s a and s up er - sm al l n a n o seeds have the

same r ad ius b. T h e c o m p o n e n t m a t e r i a l s are i s otropic, h o m o g e n e o u s and elastic

F r o m this s u p p o si ti o n, ihe t h r e e - p h a s e c o m p o s i t e p r o b l e m will be solved

a cc o rd in g to t w o - p h a s e mo d e l with a l g o r i t h m as foll ows: at first, the c o n st a n t s ot the t w o - p h a s e c o m p o s i t e m a t e r i a l w h i c h i n c l u d e s p o l y m e ma t ri x and r e in fo r ce d

s e e d s a r e d e f i n e d ( p r o b l e m A ) , a s a r e s u l t w e r e c e i v e a i s o t r o p i c , h o m o g e n e o u s a n d

elastic ma te ri al Til is materia] will be c o u n t e d as a ma t ri x materia] for c o m p o s i t e materia] in p r o b l e m B and will be cal l cd s u p p o s e d m a tr i x ma te ria l At Iasi, we deal with p r o b l e m B o f n a n o c o m p o s i t e p o h m e with s u p p os e d m a t r i x ma te ria l in w h i ch the c o n s t a n t s o f the materia] h av e be en d e i i n e d a nd pad n a n o seeds, l a k i n e their interact ion i nto c o n s i d e r a t i o n

T h e b o u n d a r y p r o b l e m o f the e las tic t h e o r y ( p r o b l e m A and B) h av e be en buili wilh d i s p l a c e m e n l w h i c h s at i sl ie d the L a m e e q u at i on s:

2( ] — I' )'^raJ J: VII - (1 — 2 1 )roi roi ÍI — V (1.1

F o r m i c r o stress p r o b l e m in ihc n e ar see ds b ci nc studied, u c Use Idea] ' 'Phcic

c o o r d i n a t e w i l h c o o r d i n a t e o ri gi n c o i n c i t l i n j : w i t h i h c c a n I'C ol s e e d s :

.V = I CHS II X - IX = r s i n t> 1 - 1

T h e c o n d i t i o n on tlK' b o u n d a r \ OÍ c o n i a j b e t w e e n s ee d s and p o l y m c ir, a;ri \ is

A c c o r d i n ' : 10 ihe c al c u la ii nil r e s uh s of K n s t e n s e n basing on Escnpi principle I ]

I he result o f p r o b l e m \ is a c o m p o s i t e which lias 2 e las tic c o n s i a n i s and is cl'jllne.J

as f o l l o w :

In this p a p e r , t h e v a l u e s are s y m b o l i s e d w i t h l o w - s u b s c r i p t “ c ” that d e n o t e s pad sphere s ee ds ; l o w - s u b s c r i p t “ 1” d e n o t e s r e i n f o r c e d s eeds ; l o w - s u b s c r i p t “ 2 ” d e n o t e s nano s ee d s a n d n o n - s u b s c r i p t d e n o t e s real p o l y m e ma t r i x ; o v e r b a r “ -lL d en ot es

s up po se d m a t r i x ; c i r c u m f l e x a c c e n t “ A” d e n o t e s c o n s t a n t s o f t he t hr e e - p h a se

n a n o c o m p o s i t e w h i c h n e e d to be f o u n d C|, are t h e ratio o f the distributed

v o lu me o f the n a n o a n d r e i n f o r c e d s e e d s in t h e c o m p o s i t e , resp ec ti ve ly

material a c c o r d i n g 10 tlitf constcinis oi c o m p o n e n t s o f the initial i h r e c - p h a s e

ma te ria l, w e o n l y V e p l a c e e l as ti c m o d u l e s o f ihe s u p p os e d ma t r i x ma te ri al (8) into

f o r mu la (10)

T o illustrate \vc c o n s i d e r t w o - p h a s e c o m p o s i t e , w h ic h has epox> mairi.x - Boric

me tallic s e e d s with = 0 3 ( straight line in Fig 2 w h i c h is c al c u l a t e d accorclini: t '

K r i s i e n s e n l o r B o r i c - E p o w t w o - p h y s c c o m p o s i t e ) , und c p o \ \ !"!"KUn\ ill! - p.iUs'v

c o m p o s i t e wilh b as al ti c m i ne ra l n a n o seeds a nd Boric mc kt lh c MVils V, 111, .

Ị =0.1 ( e x p r e s s e d by c u r v e d line in Fig 2 w h i ch is i n\ c a l c u l a t e d result for i h r j c