Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo, tính chất của một số compozit nền kim loại gia cường bằng ống nano cácbon định hướng ứng dụng trong công nghiệp điện và điện tử

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --- PHẠM VĂN TRÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ỐN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

PHẠM VĂN TRÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHIỆP ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2016

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

PHẠM VĂN TRÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Phần lớn các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các cộng sự Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Phạm Văn Trình

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Phan Ngọc Minh và TS Đoàn Đình Phương, những người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ Viện Khoa học vật liệu, đặc biệt

là tập thể hai phòng Vật liệu Nanô Cácbon và phòng Vật liệu Kim loại Tiên tiến đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu thuộc Viện Khoa học Vật liệu

đã giúp đỡ về đo đạc trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Chúc, TS Bùi Hùng Thắng, TS Phan Ngọc Hồng, ThS Cao Thị Thanh, KS Lê Đình Quang, ThS Nguyễn Văn Luân, ThS Nguyễn Văn An, TS Trần Bảo Trung, KTV Nguyễn Quang Huân, ThS Lương Văn Đương, CN Đỗ Thi Nhung, những người luôn luôn bên cạnh giúp đỡ và ủng hộ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các GS Alicia Weibel, GS Christophe Laurent, TS David Mesguich tại trung tâm CIRIMAT- Đại học Paul Sabatier, GS Naoki Fukata,

TS Mrinal Dutta, TS Lavanya tại viện NIMS, Nhật Bản và các bạn đồng nghiệp quốc

tế khác đã luôn sẵn sàng ủng hộ, giúp đỡ tôi thực hiện luận án

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình tôi Bố mẹ hai bên nội ngoại

và mọi người trong gia đình, đặc biệt là vợ tôi đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Phạm Văn Trình

NỘI DUNG

Danh mục bảng biểu

Danh mục các hình

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

MỞ ĐẦU 1

Chương 1-TỔNGQUANVỀVẬTLIỆUVÀCÁCTÍNHCHẤT 4

1.1 Vật liệu compozit nền kim loại 4

1.2 Vật liệu nanô cácbon 6

1.2.1 Cấu trúc vật liệu nanô cácbon 6

1.2.2 Tính chất của vật liệu CNTs 10

1.3 Vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu CNT 16

1.3.1 Các phương pháp chế tạo 17

1.3.2 Các tính chất của vật liệu 22

1.3.3 Các ứng dụng của vật liệu 33

1.4 Kết luận chương 1 35

Chương 2- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 37

2.1 Phương pháp nghiên cứu 37

2.2 Thực nghiệm 38

2.2.1 Khảo sát tính chất vật liệu ban đầu 38

2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 42

2.3 Kết luận chương 2 48

Chương 3- CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT CNT/Al 49

3.1 Nghiên cứu kỹ thuật phân tán CNT với bột nhôm 49

3.1.1 Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao 49

3.1.2 Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến 51

3.1.3 Bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp chất kết dính hữu cơ 55

3.1.4 Chế tạo bằng phương pháp kết hợp rung siêu âm và làm lạnh nhanh 60

3.2 Kết khối hỗn hợp bột CNT/Al và đặc trưng tính chất vật liệu compozit 63

3.2.1 Kết khối bằng ép nóng đẳng tĩnh 63

3.2.2 Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn áp lực cao 80

3.2.3 Kết khối bằng kỹ thuật SPS 88

3.3 Kết luận chương 3 94

Chương 4- CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT CNT/Cu 96 4.1 Phương pháp phân tán MWCNT với bột Cu 96

4.2 Kết khối hỗn hợp bột MWCNT/Cu và đặc trưng tính chất vật liệu compozit 98

4.2.1 Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn áp lực cao 98

4.2.1.1 Độ cứng 100

4.2.1.2 Độ dẫn điện 101

4.2.2 Kết khối và gia công compozit MWCNT/Cu bằng kỹ thuật cán nguội 102

4.2.2.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu 104

4.2.2.2 Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu 105

4.2.2.3 Hệ số ma sát 107

4.2.2.4 Tính chất nhiệt và điện 111

4.3 Thử nghiệm vật liệu compozit MWCNT/Cu cho ứng dụng tản nhiệt LED 113

4.3.1 LED và vấn đề tản nhiệt 113

4.3.2 Tính chất nhiệt và khả năng ứng dụng tản nhiệt của compozit CNT/Cu 116

4.3.3 Thử nghiệm vật liệu compozit CNT/Cu để tản nhiệt cho đèn LED 50W 118

4.4 Kết luận chương 4 126

KẾT LUẬN CHUNG 127

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 129

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN

Trang

1 Bảng 1.1 Các ứng dụng tiềm năng của vật liệu compozit CNT/kim

loại

35

2 Bảng 3.1 Các thông số nghiền được sử dụng để phân tán CNT với

bột nhôm bằng phương pháp nghiền năng lượng cao

50

3 Bảng 3.2 Các mẫu hỗn hợp bột DWCNT được gia cường với tỷ lệ

CNT khác nhau

61

4 Bảng 3 3 Các tính chất của mẫu compozit MWCNT/Al so với các kết

quả đã được công bố

77

5 Bảng 3.4 Kích thước của miền tán xạ kết hợp (CSR) và biến dạng

nội của compozit MWCNT/Al sau quá trình HPT

10 Bảng 4 3 Thành phần nguyên tố của đế tản nhiệt đèn LED flood

light công suất 50W

119

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN ÁN

Trang

1 Hình 1.1 Một số dạng vật liệu gia cường cho compozit nền kim loại:

a) dạng hạt; dạng sợi ngắn; c; dạng sợi dài liên tục và d) dạng dạng tấm

4

2 Hình 1.2 Tỷ lệ vật liệu dùng để chế tạo một chiếc máy bay thương

mại

5

3 Hình 1.3 CNT đơn tường, CNT hai tường và CNT đa tường 7

4 Hình 1.4 Biểu diễn véctơ chiral trên một mạng graphen 8

5 Hình 1.5 Một số CNT đơn tường theo các chỉ số n và m khác nhau 9

6 Hình 1.6 Ví dụ về các ống nanô cácbon đa tường với các cấu trúc

bên trong khác nhau

9

7 Hình 1.7 Độ bền riêng của một số vật liệu gia cường và vật liệu nền 11

8 Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt của vật liệu nanô cácbon a) theo nhiệt độ và

b) trong khoảng nhiệt độ phòng

12

9 Hình 1.9 Hệ số dãn nở nhiệt của SWCNT (5,5), (9.0) theo nhiệt độ

và các hướng khảo sát khác nhau

13

10 Hình 1.10 Cấu trúc vùng năng lượng của graphen đơn lớp 14

11 Hình 1.11 Hàm phân bố năng lượng a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0)

c) zigzag(10,0)

15

12 Hình 1.12 Số lượng các công trình nghiên cứu về a) các loại vật liệu

gia cường và b) vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu nanô cácbon từ năm 2004

17

13 Hình 1.13 Các phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại 18

14 Hình 1.14 Sự thay đổi độ bền theo thành phần CNT của compozit

MWCNT/Al được chế tạo bởi các phương pháp khác nhau

23

15 Hình 1.15 (a) Ảnh TEM của compozit CNT/Al với mẫu bột được chế

tạo bằng phương pháp nghiền bi thể hiện khả năng phân tán tốt và (b) đường ứng suất biến dạng của vật liệu compozit CNT/Al sau khi được kết khối bằng phương pháp cán nóng

23

16 Hình 1.16 Độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit MWCNT/Cu chế tạo

bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma

25

17 Hình 1.17 a) Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu compozit SWCNT/Al;

b) tính toán hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu compozit CNT/Al theo một số mô hình lý thuyết

28

18 Hình 1.18 a) Điện trở suất của compozit SWCNT/Cu [92]; b) Đặc

trưng Ampacity và độ dẫn của một số vật liệu liên quan bao gồm vật liệu kim loại (Cu, Al, Au, Al ), vật liệu nanô cácbon (SWCNT, DWCNT, MWCNT, Graphen) và một số

30

compozit; c) điện trở suất và mật độ dòng của compozit CNT/Cu; d) độ dẫn điện của compozit CNT/Cu và Cu theo nhiệt độ khác nhau [93]; và điện trở suất của vật liệu compozit CNT/Al theo các tỷ lệ thành phần CNT khác nhau e) Al+ 1%CNT, f) Al+ 4%CNT và g Al+ 10%

CNT[94]

19 Hình 1.19 Hệ số ma sát của vật liệu compozit a) CNT/Cu với CNT có

số lượng tường khác nhau [96], b) CNT/Al với tỷ lệ thành phần CNT khác nhau

31

20 Hình 1.20 a) Ảnh FE-SEM của rãnh sau khi kiểm tra hệ số ma sát và

b) ảnh tán xạ điện tử ngược ở chế độ phân tích thành phần

ở vật liệu compozit CNT/Cu

31

21 Hình 1.21 Mô phỏng cơ chế tự bôi trơn của màng CNT và hệ số ma

sát

32

22 Hình 1.22 Mô hình tương tác giữa màng CNT định hướng vuông góc

khi chống lại vật liệu ma sát và các hệ số ma sát đo được theo các chế độ khảo sát khác nhau

33

23 Hình 1.23 Nhiệt độ đo được trên (a) mô đun LED, (b) phía sau đế tản

nhiệt, và (c-f) ảnh hồng ngoại IR của LED sau khi hoạt động 20 phút: (c) 0% MWCNT, (d) 1% MWCNT, (e) 2%

MWCNT, và (f) 3% MWCNT

34

24 Hình 2.1 Các phương pháp nghiên cứu 37

25 Hình 2.2 Ảnh SEM và phân bố kích thước hạt của bột nhôm dùng

làm vật liệu compozit CNT/Al

39

26 Hình 2.3 Ảnh SEM và phân bố kích thước hạt của bột đồng dùng

làm vật liệu compozit CNT/Cu

39

27 Hình 2.4 Phổ Raman đặc trưng của vật liệu MWCNT 40

28 Hình 2.5 a-c) Ảnh HRTEM của vật liệu MWCNT; d) số lượng tường

và e) phân bố kích thước đường kính trong (d in ) và đường kính ngoài (d out )

40

29 Hình 2.6 Phổ Raman đặc trưng của vật liệu DWCNT 41

30 Hình 2.7 a) Ảnh HRTEM, (b) biểu đồ biểu diễn số lượng tường; (c)

đường kính trong và ngoài của của vật liệu DWCNT được chế tạo bằng phương pháp CCVD sử dụng xúc tác

Mg 0,99 (Co 0,75 Mo 0,25 ) 0,01 O

42

31 Hình 2.8 Các phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 42

32 Hình 2.9 Nguyên lý ép nóng đẳng tĩnh: a) sơ đồ nguyên lý; b) sơ đồ

thiết bị

44

33 Hình 2.10 Nguyên lý phương pháp không vỏ bọc (a) lỗ rỗng kín tạo

ra trong quá trình thiêu kết chân không, (b) HIP triệt tiêu các lỗ rỗng, tăng mật độ vật liệu

44

34 Hình 2.11 Nguyên lý phương pháp xoắn áp lực cao 45

35 Hình 2.12 Nguyên lý phương pháp thiêu kết xung điện Plasma 46

36 Hình 2.13 Nguyên lý phương pháp cán nguội 47

37 Hình 3.1 Sơ đồ quy trình phân tán MWCNT với bột nhôm bằng

phương pháp HEBM

49

48 Hình 3.2 Sự phân tán của CNT trong mẫu hỗn hợp bột MWCNT/Al

với các hàm lượng CNT khác nhau a) Al+0,5%CNT, b) Al+1%CNT và c) Al+1,5%CNT d)Al+2%CNT

50

49 Hình 3 3 Sơ đồ quy trình chế tạo bột MWCNT/Al bằng phương pháp

HEBM cải tiến

51

40 Hình 3 4 Ảnh SEM của bột nhôm ban đầu (a) và sau nghiền (b) 52

41 Hình 3 5 Ảnh SEM của hỗn hợp bột Al+1.5%MWCNT sau khi

nghiền với các độ phóng đại khác nhau (a-c) và sự kết đám của MWCNT trong mẫu bột composzit Al+ 2%MWCNT (d)

53

42 Hình 3 6 a) Phổ Raman của vật liệu CNT và hỗn hợp bột CNT/Al

sau khi nghiền và b) tỷ lệ ID/IG theo tỷ lệ thành phần CNT khác nhau

54

43 Hình 3 7 Hình mô tả cơ chế hấp phụ CNT trên bề mặt của Al bọc

PVA: (a) sự hình thành màng PVA bao quanh hạt Al (b) liên kết MWCNT với Al bọcPVA

57

44 Hình 3 8 a) Hỗn hợp bột MWCNT/Al sau khi chế tạo, sự phân tán

MWCNT trong hỗn hợp bột với hàm lượng MWCNT là 0,4% (b), 0,8.% (c) và 1% (d)

56

45 Hình 3 9 Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương

pháp nghiền năng lượng thấp và sử dụng EG là chất kết dính

57

46 Hình 3.10 Hình dạng bột Al ban đâu có dạng hình cầu (a) và có dạng

tấm sau khi nghiền

57

47 Hình 3.11 a) Ảnh SEM của hỗn hợp bột MWCNT/Al, sự phân bố của

CNT trên các tấm Al với các hàm lượng CNT khác nhau b) Al + 0,5%m CNT, c) Al+ 1%m CNT, d) Al+1,5%m CNT và e-f) Al+2%m CNT

58

48 Hình 3.12 a) Phổ Raman của vật liệu CNT và hỗn hợp bột CNT/Al

sau khi nghiền và b) tỷ lệ ID/IG theo tỷ lệ thành phần CNT khác nhau

59

49 Hình 3.13 Quy trình chế tạo mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al bằng

phương pháp kết hợp rung siêu âm và làm lạnh nhanh

60

50 Hình 3.14 a) Mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al sau khi chế tạo, phân bố

của CNT trong các mẫu hỗn hợp bột P2(b), P6 (c và d), P7 (e và f), P8 (g) và P9 (h)

62

51 Hình 3.15 a)Phổ tán xạ Raman của hỗn hợp bột DWCNT/Al và 63

52 Hình 3.16 Chu trình nhiệt dùng để thiêu kết vật liệu compozit

MWCNT/Al với các nhiệt độ khác nhau

63

53 Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu compozit MWCNT/Al với các tỷ lệ gia

cường khác nhau a) là mẫu vật liệu sau khi được ăn mòn bởi dung dịch ăn mòn ở độ phóng đại thấp và ảnh phân bố của CNT ở độ phóng đạt cao với mẫu S0.5 (b), S1 (c) và (d) S1.5

64

54 Hình 3.18 Phổ tán xạ raman mẫu vât liệu MWCNT, P1 và S1 65

55 Hình 3.19 Ảnh hiển vi quang học và phân bố kích thước hạt sau khi

thiêu kết tại cùng nhiệt độ là 600 o C (a-c): a) Al, b) Al+1%CNT, c)Al+2%CNT và tại các nhiệt độ thiêu kết khác nhau của mẫu vật liệu compozit Al+1,5%CNT (d-f):

57 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ trọng tương đối vào

nhiệt độ HIP và hàm lượng MWCNT

67

58 Hình 3.22 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của độ cứng vào hàm lượng

CNT và nhiệt độ thiêu kết

69

59 Hình 3.23 Điện trở suất của mẫu compozit MWCNT/Al được thiêu

kết ở các nhiệt độ khác nhau bằng HIP

62 Hình 3.26 Mô hình khảo sát vi cấu trúc và độ cứng của mẫu S1 74

63 Hình 3.27 Vi cấu trúc của mẫu S1 tại các vị trí khác nhau; ảnh bề

mặt a) từ tâm mẫu ra ngoài biên b) vùng 1 c) vùng 2 và d) vùng 3; ảnh mặt cắt e) từ tâm mẫu ra ngoài biên f) vùng

66 Hình 3.30 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu compozit

MWCNT/Al và b) so sánh các giá trị thực nghiệm với các tính toán lý thuyết

79

67 Hình 3.31 a) Mô hình thiết bị HPT dùng để kết khối vật liệu và

b) mẫu vật liệu compozit CNT/Cu và CNT/Al sau khi kết khối bằng HPT

81

68 Hình 3.32 Ảnh SEM của a) sự phân tán của MWCNT trong nền Al

thu được bằng phương pháp ăn mòn hóa học, b) sự hình thành các đám MWCNT khi hàm lượng MWCNT lớn hơn 2% c) các rãnh nhỏ hình thành với mẫu có thành phần

82

MWCNT 2 % CNT và d) sự phân bố của CNT trong các rãnh với độ phân giải cao hơn

69 Hình 3.33 a) Các điểm khảo sát độ cứng và b) sự phụ thuộc của độ

cứng của vật liệu theo hàm lượng MWCNT gia cường và vị trí đo của mẫu

82

70 Hình 3.34 Ảnh TEM của Al (a) compozit Al gia cường bởi 0,5 %m

(b), 1,0 %m (c) và 1,5 %m (d) CNT được kết khối bằng HPT

83

71 Hình 3.35 Sự phụ thuộc của độ cứng vật liệu compozit MWCNT/Al

theo hàm lượng MWCNT và nhiệt độ ủ khác nhau

74 Hình 3.38 Chu trình kết khối vật liệu DWCNT/Al bằng kỹ thuật SPS 88

75 Hình 3.39 Sự phân bố của DWCNT trong nền Al sau khi thiêu kết

bằng SPS a-b) S2, c-d) S6 và e-f) S9

89

76 Hình 3.40 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu compozit DWCNT/Al 90

77 Hình 3.41 Độ cứng của compozit DWCNT/Al 91

78 Hình 3.42 Hệ số ma sát (COF) của compozit DWCNT/Al

khi được kiểm tra với các loại bi và lực khác nhau

92

79 Hình 3.43 Đường COF đặc trưng của một số compozit DWCNT/Al

đặc trưng tương ứng với lực tải và bi khác nhau a) 1N- bi thép, b) 5N – bi thép, c)1N – ôxít nhôm, và 5N- ôxít nhôm

93

80 Hình 4.1 Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu bằng phương

pháp HEBM cải tiến

96

81 Hình 4.2 Phân bố của MWCNT trong hỗn hợp bột với các hàm

lượng MWCNT khác nhau a) Cu+ 0,5%m CNT b) Cu+1%m CNT c) Cu+1,5%m CNT and d) Cu+2%m CNT

97

82 Hình 4.3 a) Phổ raman và b) tỷ lệ I D /I G của hỗn hợp bột

MWCNT/Cu theo các hàm lượng khác nhau Cu+0,5%m CNT(P1), Cu+1%m CNT(P2), Cu+1,5%m CNT(P3) và Cu+2%m CNT(P4)

98

83 Hình 4.4 Ảnh TEM của compozit MWCNT/Cu sau HPT quan sát ở

chế độ: (a) trường sáng và (b) trường tối

99

84 Hình 4.5 Sự phụ thuộc của độ cứng của vật liệu theo a) hàm lượng

MWCNT và vị trí đo của mẫu b) nhiệt độ ủ

87 Hình 4.8 Sơ đồ mô tả quy trình gia công compozit MWCNT/Cu

bằng kỹ thuật cán

102

88 Hình 4.9 Giản đồ thiêu kết compozit MWCNT/Cu 103

89 Hình 4.10 Cấu trúc tế vi của mẫu compozit Cu+0,5%m CNT với

số lần cán khác nhau a-b) cán lần 1 và c-d) cán lần 2

104

90 Hình 4.11 a-b) Sự phân bố của CNT trong mẫu compozit

MWCNT/Cu với hàm lượng MWCNT là 1,5 % và c-d) sự hình thành vết nứt do sự tụ đám của CNT với mẫu

compozit chứa hàm lượng MWCNT là 2%m sau khi cán

105

91 Hình 4.12 So sánh tỷ trọng của vật liệu compozit sau khi trong môi

trường Ar và biến dạng bằng phương pháp cán

107

94 Hình 4.15 Ảnh chụp bề mặt của rãnh ma sát sau khi được kiểm tra

ma sát với tải là 1N

107

95 Hình 4.16 a) Ảnh hiển vi quang học của các rãnh ma sát sau khi kiểm

tra, ảnh SEM của rãnh kiểm tra bằng lực 1N (b), 5N (c-d)

và 10N (e-f)

108

96 Hình 4.17 Phổ tán xạ Raman của vật liệu compozit MWCNT/Cu được

đo bên trong và bên ngoài các rãnh ma sát

109

97 Hình 4.18 So sánh hiệu suất làm giảm hệ số ma sát của các loại

compozit CNT/Cu được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: thiêu kết xung plasma (SPS), thiêu kết chân không (VC), hàn ma sát (FSP) và thiêu kết trong môi trường khí bảo vệ và cán nguội (CS+CR)

100 Hình 4.21 Công suất ra của chíp LED 114

101 Hình 4.22 Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động đến thời gian sống của

đèn LED (Nguồn Philips Lumileds)

114

102 Hình 4.23 Phân phối quang phổ của ánh sáng phát ra của đèn LED

1W màu đỏ ở dòng và nhiệt độ khác nhau

115

103 Hình 4.24 Một số công nghệ tản nhiệt cho đèn LED hiện nay 115

104 Hình 4.25 So sánh một số tính chất của của compozit CNT/Cu với

một số loại vật liệu truyền thống dùng làm vật liệu tản

118

nhiệt khác a)Độ dẫn nhiệt, b) độ giãn nở nhiệt, c) tỷ trọng

105 Hình 4.26 Mô hình thử nghiệm hiệu quả tản nhiệt của đế compozit

CNT/Cu a) Đế LED thương mại công suất 50 W, a) Đế LED 50 W có gắn thêm đế tản nhiệt bằng vật liệu compozit CNT/Cu, c) Cơ chế tản nhiệt ra các vây trên đế LED thương mại và d) Cơ chế tản nhiệt trên đế LED khi có gắn thêm đế tản nhiệt bằng compozit CNT/Cu

119

106 Hình 4.27 Đèn LED flood light thương mại công suất 50W 120

107 Hình 4.28 Tấm tản nhiệt làm bằng CNT/Cu compozit với các thành

phần khác nhau a) 0%m CNT, b) 0,5%m CNT, c) 1 %m CNT và d) Cu tấm thương mại

121

108 Hình 4.29 Mô hình khảo sát phân bố nhiệt độ trên đế đèn LED công

suất 50W và cách bố trí các cặp nhiệt điện trên các điểm

124

112 Hình 4.33 So sánh hiệu quả tản nhiệt trên COB của chip LED với

các tấm tản nhiệt khác nhau

125

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Microscopy

Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

cácbon

SPS Spark Plasma Sintering Thiêu kết xung plasma

độ bền dẻo sẽ là vật liệu lí tưởng để thay thế CF với vai trò là vật liệu gia cường trong các loại vật liệu compozit nền kim loại Khi sử dụng CNT với vai trò là lớp vật liệu gia cường cho các hệ compozit nền kim loại hoàn toàn có thể làm tăng các tính chất như

độ bền, độ cứng, độ bền uốn của vật liệu Trong một số trường hợp nhất định, một số tính chất của vật liệu compozit được gia cường bằng vật liệu CNT đã tạo ra những tính chất hoàn toàn vượt trội so với compozit không được gia cường Hơn nữa, CNT với tính chất dẫn nhiệt tuyệt vời là loại vật liệu có khả năng tản nhiệt tốt có khả năng ứng dụng để tạo ra các bộ phận tản nhiệt trong các linh kiện điện tử

Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực

hiện luận án: “Nghiên cứu chế tạo, tính chất của một số compozit nền kim loại gia

cường bằng vật liệu ống nanô cácbon định hướng ứng dụng trong công nghiệp điện

và điện tử”

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài hướng tới những mục tiêu chính sau đây:

 Phát triển công nghệ nền chế tạo một số compozit kim loại dạng khối được gia cường bằng ống nanô cácbon theo phương pháp luyện kim bột và nghiên cứu hiệu ứng gia cường của CNT đến một số tính chất cơ - lý của vật liệu chế tạo

 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu compozit CNT/kim loại trong ngành kỹ thuật điện và điện tử, cụ thể ở đây là làm bộ phận tản nhiệt cho linh kiện bán dẫn, điốt phát quang LED

Xuất phát từ mục tiêu trên, đề tài đưa ra những nội dung nghiên cứu chính như sau:

 Nghiên cứu các phương pháp phân tán đều CNT lên bề mặt các hạt kim loại (hạt thô) bằng phương pháp hoá học và vật lý

 Nghiên cứu quy trình công nghệ nghiền hỗn hợp bột kim loại –CNT trong máy nghiền hành tinh để đạt hạt kim loại nhỏ nhất và CNT phân bố đều lên các hạt kim loại (hạt nghiền siêu nhỏ)

 Nghiên cứu quy trình công nghệ kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh (HIP), phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS)

 Nghiên cứu biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường vật liệu sau ép nóng đẳng tĩnh

- Nghiên cứu quy trình biến dạng bằng kỹ thuật cán

- Nghiên cứu quy trình biến dạng bằng kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt

 Nghiên cứu đặc trưng tính chất của vật liệu chế tạo

- Nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu sau ép nóng đẳng tĩnh

- Nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu sau thiêu kết xung plasma

- Nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu sau biến dạng dẻo và sau khi cán

 Nghiên cứu chế tạo mẫu đế tản nhiệt cho đèn LED và thử nghiệm

Đánh giá hiệu quả tản nhiệt của vật liệu compozit CNT/kim loại

Cấu trúc luận án

Ngoài phần Mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và phần Kết luận về những kết quả đã đạt được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án được cấu trúc trong 4 Chương:

Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu CNT, vật liệu compozit nền kim loại

và compozit CNT/kim loai Phần tổng quan về vật liệu CNT trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNT Phần tổng quan về compozit CNT/kim loai trình bày các phương pháp chế tạo, các tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu

Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao

gồm phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát, đánh giá tính chất của vật liệu Phương pháp thực nghiệm bao gồm các phương pháp chế tạo hỗn hợp bột và các phương pháp kết khối

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về các kỹ thuật phân tán CNT với bột Al

và các đặc trưng tính chất của vật liệu compozit CNT/Al Vật liệu compozit CNT/Al được kết khối bằng các phương pháp luyện kim bột tiên tiến như ép nóng đẳng tĩnh, thiêu kết xung plasma và được gia công biến dạng với kỹ thuật xoắn áp lực cao Sự ảnh hưởng của thành phần CNT, của các điều kiện công nghệ chế tạo, các kỹ thuật kết khối lên cấu trúc, tính chất của vật liệu được nghiên cứu và trình bày

Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo, và tính chất của vật liệu

compozit MWCNT/Cu được kết khối bằng kỹ thuật thiêu kết trong môi trường khí bảo

vệ kết hợp gia công biến dạng bằng phương pháp xoắn áp lực cao và phương pháp cán nguội Chương 4 cũng trình bày các kết quả thử nghiệm vật liệu làm đế tản nhiệt cho đèn LED 50 W nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của loại vật liệu này làm vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất cao

Ở cuối luận án, liệt kê danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo

Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Đại học Paul Sabatier, CH Pháp Một phần kết quả đo đạc đã được thực hiện tại Viện Khoa học Quốc gia Nhật bản về Khoa học vật liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC TÍNH CHẤT 1.1 Vật liệu compozit nền kim loại

Compozit là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau,

nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt hơn so với các vật liệu ban đầu để

đáp ứng những yêu cầu cao của các ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp

như hàng không vũ trụ, điện, điện tử, chế tạo máy v.v [1] Vật liệu compozit bao gồm

vật liệu nền (matrix) và cốt (reinforcement), các vật liệu này thường rất khác nhau về

bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha [1] Vật liệu

nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần

có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho compozit độ bền nhiệt, bền hoá và khả

năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật Vật liệu nền của compozit có thể là polyme,

các kim loại và hợp kim, gốm Vật liệu cốt được hiểu là pha chịu tải và thường chiếm

10 đến 60 % thể tính của compozit Vật liệu cốt được phân loại theo đặc điểm hình

dạng hoặc cấu trúc với một số dạng thông thường là cốt hạt, cốt sợi ngắn, cốt sợi liên

tục và cốt dạng tấm (Hình 1.1) [2] Vật liệu cốt thường đảm bảo các tính chất đặc

trưng như tỷ trọng thấp, độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, ổn định nhiệt, dễ gia công

chế tạo và có hiệu quả kinh tế cao

Hình 1.1 Một số dạng vật liệu gia cường cho compozit nền kim loại:

a) dạng hạt; dạng sợi ngắn; c dạng sợi dài liên tục và d) dạng tấm [2]

Trong số các vật liệu compozit, được nhắc tới nhiều nhất đó là vật liệu compozit

nền kim loại, đây là compozit mà chất liệu nền bằng kim loại hoặc các hợp kim, còn

thành phần cốt có thể là kim loại hoặc phi kim… Đối với compozit nền kim loại, khi

sản xuất thường sử dụng các phương pháp có cường độ lực và nhiệt độ cao Ngoài ra,

việc sản xuất các kết cấu từ compozit nền kim loại còn phụ thuộc trực tiếp vào công nghệ chế tạo ra các kết cấu đó Compozit kim loại ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong những ngành kỹ thuật đòi hỏi vật liệu làm việc ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao và siêu cao, trong những môi trường ăn mòn do ma sát và chịu những tải trọng tĩnh, tuần hoàn, va đập, dao động và những tác động lực khác, ở những nơi mà điều kiện sử dụng không cho phép dùng những vật liệu kim loại truyền thống Hình 1.2 là một ví dụ điển hình về việc ứng dụng và vai trò của vật liệu compozit để chế tạo một máy bay thương mại [3]

Hình 1.2 Tỷ lệ vật liệu dùng để chế tạo một chiếc máy bay thương mại [3]

Vật liệu compozit nền kim loại bao gồm một kim loại hoặc hợp kim nền và vật liệu gia cường kích thước nhỏ phân tán trong nền Vật liệu gia cường được thêm vào nền kim loại để tạo ra các đặc tính mong muốn như độ cứng, độ bền, khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện, khả năng chống rung, độ chịu mài mòn v.v

Các kim loại thường dùng làm nền trong chế tạo compozit nền kim loại là Al,

Mg, Cu, Ti, Al-Li và các hợp kim của chúng [4] Tính chất của mỗi loại chất gia cường khác nhau sẽ giúp phân biệt các compozit có cùng nền kim loại Chất gia cường hiện nay thường hay được sử dụng ở các dạng: sợi (sợi cácbon, sợi thủy tinh ), hạt (Al2O3, SiC, TiO2,…) với các tính năng cơ lý đã được xác định Vật liệu compozit nền kim loại nhẹ thường hay được sử dụng nhất là nhôm được gia cường sợi cácbon Sợi

cácbon cũng sử dụng là thành phần gia cường cho các compozit nền Cu, Zn, Pb…được dùng trong việc chế tạo các chi tiết máy, thiết bị Những chi tiết, thiết bị này đòi hỏi cần có khả năng chống mài mòn, hệ số ma sát nhỏ, dẫn điện, chịu nhiệt tốt và có khả năng bảo toàn tính chất cơ, lý ở nhiệt độ cao

Vật liệu compozit nền kim loại có độ cứng và môđun đàn hồi cao ví dụ với compozit Al/SiC có độ cứng tăng 12,6% và môđun đàn hồi tăng 105,1% Mặt khác, compozit nền kim loại có nhiều ưu điểm hơn so với compozit nền polyme và gốm, phù hợp cho chế tạo vật liệu có độ bền cao, chịu nhiệt độ cao Chúng cho thấy một tiềm năng đặc biệt cho nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, đặc biệt là những ứng dụng trong hàng không vũ trụ, vật liệu kết cấu, công nghiệp điện và điện tử

1.2 Vật liệu nanô cácbon

1.2.1 Cấu trúc vật liệu nanô cácbon

Cácbon là một nguyên tố hóa học đáng chú ý và được miêu tả như là nguyên tố

cơ bản của sự sống Cácbon có thể liên kết với chính nó hoặc với các nguyên tố hóa học khác để hình thành các hợp chất có vai trò quan trọng trong đời sống Cácbon liên kết hóa học với các nguyên tử xung quanh bằng các liên kết cộng hóa trị Theo lý thuyết lai hóa, nguyên tử cácbon đóng góp các electron dùng chung từ ba trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3[5] Trong trường hợp các liên kết chỉ xảy ra giữa các nguyên tử cácbon, thì mỗi dạng liên kết lại tạo ra một dạng cấu trúc mới ví dụ như liên kết sp1được hình thành thì tạo ra cấu trúc kim cương, liên kết sp2 thì tạo ra cấu trúc của các mạng graphit [5] Các cấu trúc tương ứng với các liên kết khác nhau của Cácbon có các tính chất vật lý, hóa học hoàn toàn khác biệt Trong vài thập kỷ gần đây, sự phát triển về khoa học và công nghệ đã khám phá ra các dạng thù hình mới cùng với khả năng kiểm soát quá trình tổng hợp các cấu trúc nanô dựa trên nền tảng nguyên tố cácbon đã dẫn đến một cuộc cách mạng về nghiên cứu chế tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của những loại vật liệu mới này với hàng ngàn công trình nghiên cứu khoa học được xuất bản hàng năm Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu như nanô kim cương, quả cầu fullerene, ống nanô cácbon đa tường (MWCNT), ống nanô cácbon đơn tường (SWCNT) và graphen [5]

Khả năng chế tạo các vật liệu cácbon có cấu trúc nanô chứa các liên kết đôi C =

C, đã trở thành một sự kiện quan trọng dẫn đến sự tiến bộ của khoa học công nghệ

hiện nay Dạng thù hình thứ 3 của cácbon được khám phá vào năm 1985 khi Kroto và đồng nghiệp tiến hành các khi nghiên cứu về cácbon đó là Fullerene [6] Vật liệu này

là tập hợp các nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip Fullerene được biết đến đầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm

60 nguyên tử cácbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2 và xen lẫn với một vài liên kết sp3 do các nguyên tử cácbon không có tọa độ phẳng mà có dạng chóp Năm 1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện

hồ quang giữa 2 điện cực graphit có chứa C60 và các dạng fullerene khác như C70, C80 Dạng thù hình tiếp theo của cácbon được được phát hiện đầu tiên từ năm 1991 bởi Iijima là vật liệu ống nanô cácbon (CNT) [7] Kể từ khi được phát hiện, số lượng các nghiên cứu về vật liệu này không ngừng tăng lên cả về phương diện nghiên cứu chế tạo cũng như các ứng dụng liên quan đến CNT trong tất cả các lĩnh vực như vật liệu tổ hợp, vật liệu năng lượng, y sinh và chuyển hóa tích trữ năng lượng v.v

Về mặt cấu trúc thì vật liệu CNT có chứa các nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hóa sp2 CNTs có cấu trúc dạng ống được hình thành bởi các tấm graphen cuộn vào nhau, khoảng cách giữa các lớp graphen này được xác định bằng 0,36 nm Tùy vào số lượng các lớp graphen cuộn lại với nhau, CNT được chia thành 3 loại là CNT đơn tường (SWCNT), CNT hai tường (DWCNT) và CNT đa tường (MWCNT) khi số lớp graphen cuộn lại lớn hơn 2 (Hình 1.3)

Hình 1.3 CNT đơn tường, CNT hai tường và CNT đa tường [8]

Hình 1.4 Biểu diễn véctơ chiral trên một mạng graphen [9]

Xét một ống nanô cácbon đơn giản nhất là ống nanô cácbon đơn tường, có thể được miêu tả như là một tấm graphen cuộn lại thành một hình trụ và được bịt kín hai đầu bằng nửa quả cầu fullerene Tấm graphen có thể cuộn lại theo nhiều hướng khác nhau theo sự đối xứng của mạng graphen, mỗi SWCNT được đặc trưng bởi 2 chỉ số

nvà m thông qua véctơ Chiral (C h) Véctơ Ch chỉ hướng cuộn của tấm graphen như minh họa trên hình 1.4

h

C na ma  n m (1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên; a 1 và a 2 là các véctơ đơn vị của mạng graphit

Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a 1 , a 2, một trong những cách chọn được mô tả như trong hình 1.4

1

3 1,

CNT có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n, m) khác nhau của véctơ Chiral Hình 1.5 biểu diễn một số cấu trúc điển hình của CNT thường gặp tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m)

Hình 1.5 Một số CNT đơn tường theo các chỉ số n và m khác nhau [10]

Hình 1.6 Ví dụ về các ống nanô cácbon đa tường với các cấu trúc bên trong khác nhau [11]

Ống nanô cácbon đa tường (MWCNT) được miêu tả phức tạp hơn nhiều, được cấu tạo bởi các bức tường graphen xếp chồng lên nhau, khi đó MWCNT có một hình thái, kết cấu, và các biến thể cấu trúc lớn hơn mà không thể quan sát thấy ở SWCNT[12] Hình thái MWCNT có thể thẳng, cuộn, hình nón, phân nhánh, vv Đối với mỗi

hình thái, một loạt các kết cấu có thể tồn tại, với một số mô hình trong hình 1.6 Ngoài

ra, biến thể nanô có thể xảy ra do sự hiện diện của nhiều sai hỏng trong mặt phẳng, các sai hỏng này gây nên các biến dạng giữa các lớp graphen, ở mức độ khác nhau

1.2.2 Tính chất của vật liệu CNTs

Tính chất cơ học

Các liên kết đặc biệt mạnh mẽ giữa các nguyên tử cácbon (lai hóa sp2 của các orbital nguyên tử) làm cho CNT đặc biệt ổn định và có khả năng chống lại các biến dạng Rất nhiều nghiên cứu mô phỏng, mô hình [13], các phép đo trực tiếp và gián tiếp

đã được thực hiện để đánh giá chính xác các đặc tính cơ học của CNT Phương pháp

mô phỏng số như cơ học lượng tử, thuyết nguyên tử đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để dự đoán các đặc tính cơ học của graphen Động học phân tử (MD) thường được sử dụng để mô phỏng các chuyển động của các nguyên tử bằng số các mức thế năng liên quan Thế năng của một hệ thống liên quan chặt chẽ đến các vị trí của các nguyên tử có liên quan, do đó có thể được thể hiện bởi các hàm trường lực Trong mô phỏng, các nguyên tử được phép tương tác trong một khoảng thời gian nhất định, dẫn đến các chuyển động và trường lực giữa chúng Các quỹ đạo của các nguyên tử trong

hệ thống mô phỏng có thể được đánh giá từ cơ học Newton Một số mô hình thế năng tương tác giữa các nguyên tử đã được phát triển bao gồm mô hình thế năng Lennard - Jones, Morse và Tersoff - Brenner [14] Mô hình thế năng Tersoff–Brenner thường được sử dụng để dự đoán các tính chất vật lý của vật liệu nanô cácbon như kim cương, graphen, và ống nanô Các kết quả nghiên cứu rất khác nhau vì nhiều lý do: sự khác biệt giữa các phương pháp mô phỏng và các phương pháp thử nghiệm, các phép đo trên từng sợi CNT riêng lẻ so với cả một bó gồm tập hợp nhiều sợi CNT, và việc sử dụng các loại CNT khác nhau Kết luận thu được từ các nghiên cứu trên, giá trị môđun Young của một sợi SWCNT được xác định vào khoảng 1 TPa [15,16] Rất ít nghiên cứu về sự ảnh hưởng của số lượng lớp đến tính chất cơ học của CNT được thực hiện,

và giá trị đo thực tế của môđun Young của DWCNT và TWCNT nằm trong khoảng 0,73-1,33 TPa [17], tương tự như cho một số sợi cácbon kích thước micromet[18] Trong trường hợp của bó SWCNT, hiệu ứng biến dạng do sự gắn kết yếu giữa các SWCNT đã làm giảm cường độ khi so sánh với các sợi SWCNT riêng lẻ: khi đó môđun Young của một bó SWCNT được xác định khoảng 100 GPa [16] và 50-115

GPa cho DWCNT [19] Các số liệu về mô đun Young của MWCNT đã được công bố

có giá trị rất khác nhau trong khoảng từ 0,27 – 0,95 TPa [17] và 1 TPa [20], điều này phản ánh đúng sự khác nhau về mặt cấu trúc hoặc sự ảnh hưởng của các sai hỏng, hoặc

sự xuất hiện của một chế độ uốn khác nhau, tương ứng với một biến dạng dạng sóng giữa các lớp bên trong của MWCNT CNT có khả năng duy trì sự biến dạng lớn hơn một ứng suất nhất định Sự linh hoạt cùng với khả năng chịu uốn đến một góc lớn hơn

110o đối với SWCNT cho phép CNT có khả năng lưu trữ hoặc hấp thụ một năng lượng đáng kể Sự cạnh tranh giữa các lực hấp dẫn Van der Waals và năng lượng đàn hồi có thể kích động sự làm phẳng các bức tường của hai MWCNT tiếp xúc với nhau Các nghiên cứu chỉ ra rằng chiều dài CNT, tỉ lệ giữa chiều dài - rộng, và độ sạch là chìa khóa để cải thiện độ bền của CNT, vì tiếp xúc CNT – CNT tốt hơn sẽ dẫn đến sự chuyển ứng suất tốt hơn và mật độ khuyết tật thấp hơn CNT định hướng, đặc trưng mạng graphit và số lượng các tường không phải là yếu tố quan trọng để đạt được độ bền cao tối ưu Hình 1.7 thể hiện độ bền riêng và tỷ trọng của vật liệu CNT khi so sánh với một số vật liệu cốt khác và các vật liệu nền như Al và Cu

Hình 1.7 Độ bền riêng của một số vật liệu gia cường và vật liệu nền

Tính chất nhiệt

So sánh CNT với graphit kỳ vọng một sự dẫn nhiệt rất cao dọc theo trục CNT

[21] Các phương pháp phân tích lý thuyết tính chất nhiệt của CNT được trình bày là

phức tạp [22] Việc vận chuyển năng lượng nhiệt trong CNT được giả định xảy ra

thông qua một cơ chế dẫn phonon, chịu ảnh hưởng của một số thông số và cơ chế như

số lượng các mode hoạt động phonon, sự tán xạ bề mặt, chiều dài quãng đường tự do

của các phonon, và tán xạ không đàn hồi [23, 24] Các mode phonon tạo thành một

chuỗi liên tục ở nhiệt độ phòng và phonon lượng tử thể hiện của CNT ở nhiệt độ rất

thấp (dưới 8 K) [25-26] Cả dự đoán lý thuyết và các dữ liệu thực nghiệm đều dẫn tới

các giá trị khác nhau Các báo cáo độ dẫn nhiệt (k) ở nhiệt độ phòng trong khoảng

400-6,000 Wm-1K-1 cho SWCNT [27-30] và trong khoảng 300-3,000 Wm-1K-1 cho

MWCNT, tùy thuộc vào loại CNT, tỷ lệ khuyết tật, mẫu tinh khiết, và phương pháp

thực nghiệm hay mô phỏng

Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt của vật liệu nanô cácbon a) theo nhiệt độ và

b) trong khoảng nhiệt độ phòng [31]

Cấu trúc của SWCNT xác định độ rộng vùng cấm, và có ảnh hưởng lớn đến cơ

chế truyền dẫn nhiệt bởi các phonon hay electron [32-34] Độ dẫn nhiệt của SWCNT

có khoảng cách rất ngắn khoảng từ 5-500 nm, ở 300 K được dự đoán là tỷ lệ nghịch

với đường kính [35] và tỷ lệ thuận với chiều dài, do đó độ dẫn nhiệt được dự kiến là

không đổi khi chiều dài ống dài hơn quãng đường tự do của các phonon, mà được cho

là tương đối dài (hơn 500 nm cho MWCNT và thậm chí còn dài hơn đối với trường

hợp của SWCNT [36-38] Đối với MWCNT, độ dẫn nhiệt giảm khi đường kính tăng

hay nói cách khác là số lượng tường tăng lên Những sai hỏng Stone-Thrower-Wales

và vị trí khuyết tật gây nên hiện tượng tán xạ [39, 40]và do đó làm giảm độ dẫn nhiệt,

đây là lý do tại sao độ dẫn nhiệt của MWCNT luôn có giá trị thấp hơn so với SWCNT

Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu nanô cácbon theo các nhiệt độ khác nhau được trình

bày tại hình 1.8 [41]

Hình 1.9 Hệ số giãn nở nhiệt của SWCNT (5,5), (9.0) theo nhiệt độ và

các hướng khảo sát khác nhau [41]

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cho MWCNT

hoản hảo không có sai hỏng [23, 24] là một hệ số đẳng hướng không phụ thuộc vào

hướng khảo sát của CNT Phương pháp nghiên cứu sử dụng kỹ thuật XRD cho thấy

các bó CNT có giá trị CTE âm ở nhiệt độ thấp và dương ở nhiệt độ cao như thể hiện

trên hình 1.9 [42, 43] Một phương pháp phân tích [44] dự đoán giá trị CTE của

SWCNT là giống nhau cho cả hai trường hợp dọc theo trục và vuông góc với trục ống

Tuy nhiên, một nghiên cứu khác [45] dự đoán rằng CTE của SWCNT dọc theo trục có

giá trị dương trong phạm vi nhiệt độ và SWCNT với đường kính nhỏ hơn có hệ số

giãn nở nhiệt nhỏ hơn do sự cạnh tranh giữa dao động uốn và và dao động đàn hồi

xuyên tâm

Tính chất điện

Để nghiên cứu tính chất điện của vật liệu ống nanô cácbon, ta xét tính chất điện

của một mạng graphen, graphen không có độ rộng vùng cấm và tương ứng với sự thay

đổi điện trở suất nhỏ như được trình bày tại hình 1.10

Hình 1.10 Cấu trúc vùng năng lượng của graphen đơn lớp [46]

Mô hình liên kết chặt của sự phân bố năng lượng trong mạng cấu trúc graphen được cho biểu diễn bằng công thức sau [46]

)(1

)()

2

k s

k t k

cos 2

3 cos 4 1 )

( )

k f k

(1.5)

Hình 1.10 thể hiện sự phân bố năng lượng của graphen trên toàn vùng Brillouin

Đồ thị này được suy ra từ công thức hàm phân bố năng lượng của graphen tại E2p =0, t= -3,033, và s=0,129 Những giá trị này được lựa chọn bằng nguyên lí tính toán thứ nhất của vùng năng lượng graphit

Khi s =0, ta có hàm Slater- Koster cho hàm phân bố năng lượng đơn giản nhất của graphen là:

cos2

3cos41)

,

2

a k a

k a

k k

k

y x D

+ N là số cặp nguyên tử cácbon trong ô đơn vị của CNT

+ K1 và K2 được biểu diễn thông qua các véc tơ đơn vị b1 và b2 của mạng graphen..

1

t b t b K

Hình 1.11 Hàm phân bố năng lượng a) armchair (5,5) b) zigzag (9,0) c) zigzag (10,0) [47]

Do tính đối xứng và cấu trúc điện tử duy nhất của graphen, nên cấu trúc của một ống nanô ảnh hưởng mạnh mẽ các tính chất điện của nó Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà độ dẫn của CNT có thể là bán dẫn hay kim loại Từ cấu trúc vùng điện tử, ta thấy độ dẫn của CNT là dẫn kim loại khi véctơ sóng được phép bao gồm điểm K trong mạng đảo của graphen, ngược lại chúng là bán dẫn khi tồn tại khe năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Suy ra, điều kiện chung để CNT là kim loại là k K.C h 2

hay (n - m)/3 là nguyên (k K mô tả một véctơ sóng của sáu điểm K trong vùng Brillouin thứ nhất của mạng graphen) Tương tự, CNT là bán dẫn khi (n – m)/3 là

không nguyên Ví dụ như trên hình 1.11, CNT (5, 5) và (9, 0) có khe năng lượng bằng

0 ứng với tính dẫn kim loại, CNT (10, 0) khe năng lượng nhỏ cỡ bán dẫn

1.3 Vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu CNT

Compozit nền kim loại (metal-matrix composite - MMC) thông thường được gia cường bằng sợi gốm có độ bền và mô đun đàn hồi cao hơn hợp kim nguyên khối của

nó [48-55] MMC kết hợp các thuộc tính tốt nhất của hai thành phần cấu tạo của chúng, chẳng hạn như độ dẻo và độ dẻo dai của vật liệu nền với môđun cao và độ bền của vật liệu gia cường So sánh với vật liệu gia cường bằng vật liệu gốm thì vật liệu sợi cácbon và các hạt graphit là vật liệu gia cường thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu vì độ dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, khả năng giảm xóc cao và khả năng tự bôi trơn tốt Vật liệu gia cường như vậy có vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc và hạn chế những rung động cơ học trong các hợp kim kim loại [56-61] Hơn nữa, khả năng tự bôi trơn của sợi cácbon và hạt graphit giúp cho MMC

có hệ số ma sát thấp và các đặc tính kháng mài mòn cao [62-65] Trong những năm gần đây, vật liệu nanô cácbon bao gồm graphen và CNT, với những tính chất ưu việt

về cơ học, nhiệt, điện và bền hóa học đã nổi lên như là loại vật liệu gia cường lý tưởng cho các hệ vật liệu compozit bao gồm cả polyme, gốm và kim loại Sợi cácbon (CF) có

độ bền và độ cứng cao nhưng độ bền uốn rất thấp Khi gia cường một lượng lớn thành phần CFs vào trong các nền kim loại sẽ làm giảm tính chất bền kéo của vật liệu Về mặt này, CNT với những tính chất đặc biệt vượt trội hơn so với CF về độ cứng, độ bền

và độ bền dẻo sẽ là vật liệu lí tưởng để thay thế CF với vai trò là vật liệu gia cường trong các loại vật liệu compozit nền kim loại Khi sử dụng CNT với vai trò là lớp vật liệu gia cường cho các hệ compozit nền kim loại hoàn toàn có thể làm tăng các tính chất như độ bền, độ cứng, độ bền uốn của vật liệu Việc gia cường bằng vật liệu CNTs dường như không làm giảm độ bền uốn của kim loại Trong một số trường hợp nhất định, một số tính chất của vật liệu compozit được gia cường bằng vật liệu CNT đã tạo

ra những tính chất hoàn toàn vượt trội so với compozit không được gia cường Hơn nữa, CNT với tính chất dẫn nhiệt tuyệt vời là loại vật liệu có khả năng tản nhiệt tốt có khả năng ứng dụng để tạo ra các bộ phận tản nhiệt trong các linh kiện điện tử Hiện tại, Các loại hạt gốm gia cường Al trên cơ sở vật liệu compozit nền kim loại (MMC) được

ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng gói điện tử cũng như những ứng dụng tản nhiệt cho các linh kiện công suất cao

Hình 1.12 Số lượng các công trình nghiên cứu về a) các loại vật liệu gia cường và b) vật liệu

compozit nền kim loại gia cường vật liệu nanô cácbon (Nguồn WOS)

Số lượng các nghiên cứu về compozit nền kim loại gia cường vật liệu nanô cácbon được thể hiện trên hình 1.12 Từ khi được phát hiện và công bố năm 1991, vật liệu CNT đã được nghiên cứu làm vật liệu gia cường, từ đồ thị ta có thể nhận thấy số lượng nghiên cứu về kim loại –CNT compozit tăng mạnh từ năm 2009 và luôn duy trì

số lượng công bố mỗi năm trên 20 bài Với khả năng được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau, vì vậy vật liệu compozit kim loại nền Al và Cu được tập trung nghiên cứu nhiều khi so sánh với các loại vật liệu nền khác Vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu nanô cácbon với các tính chất vượt trội như

độ cứng cao, độ bền ứng suất cao, độ dẫn nhiệt tốt hơn nữa có tỉ trọng thấp, mở ra những ứng dụng mới mà các vật liệu trước đó không thể đảm bảo được Những ứng dụng mà các nhà nghiên cứu loại vật liệu này hướng đến đó là công nghiệp hàng

không vũ trụ, công nghiệp điện và điện tử, v.v…

1.3.1 Các phương pháp chế tạo

Việc chế tạo nhằm tạo được sự liện kết của CNT với kim loại nền, đây là bước quan trọng vì nó ảnh hưởng tới cấu trúc và sẽ ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu Thường thì CNT tồn tại ở dạng các đám gây khó khăn cho việc phân tán do đó thử thách lớn nhất chính là làm sao phân tán đồng đều CNT vào trong nền kim loại và hợp kim Sự phân tán đồng đều CNT trong nền kim loại là tiêu chí chính để quyết định đến

sự thành công của phương pháp chế tạo Thêm nữa, phương pháp chế tạo phải hướng

tới đảm bảo sự hư hại nhỏ nhất về cấu trúc CNT do việc sử dụng ứng suất hoặc do phản ứng với kim loại nền ở nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo Tùy thuộc vào bản chất của quá trình chế tạo mà CNT có thể phải chịu nhiệt độ cao, ứng suất cao hoặc tiếp xúc với kim loại lỏng Điều này có thể dẫn tới phản ứng hóa học làm mất mát CNT do tạo thành các pha cácbít, những pha cácbít có thể có hại cho tính chất của compozit Ứng suất đặt vào trong quá trình chế tạo làm ảnh hưởng đến cấu trúc CNT

và sự sắp xếp của chúng trong nền Có phương pháp không thể chế tạo được compozit kích thước lớn, trong khi những phương pháp khác lại bị hạn chế ở ứng dụng cụ thể

Do đó, kỹ thuật chế tạo phải được lựa chọn kĩ lưỡng dựa trên nhiều yếu tố Có nhiều phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại và chúng có thể được phân loại như sơ

đồ hình 1.13 dưới đây

Hình 1.13 Các phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại [66]

Trong số các phương pháp chế tạo thì phương pháp luyện kim bột là phương pháp được sử dụng nhiều nhất sau đó tới phương pháp tạo lớp phủ điện hóa Một số compozit nền kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp như Mg và các kim loại có cấu trúc thuỷ tinh đã được nghiên cứu chế tạo theo phương pháp nóng chảy và kết tinh

Phương pháp luyện kim bột: bao gồm các công đoạn chính: sản xuất bột kim loại và

hợp kim, nghiền trộn CNT với bột kim loại, tiếp theo là ép và thiêu kết Hầu hết các nghiên cứu về CNT/Al và một nửa các nghiên cứu về CNT/Cu là sử dụng phương pháp luyện kim bột Phần lớn các nghiên cứu sử dụng phương pháp luyện kim bột để

chế tạo compozit đều tiến hành thử nghiệm biến dạng dẻo (ép đùn, cán nóng) sau thiêu kết Mục đích của các quá trình này là phân bố đều CNT trong nền kim loại và tăng cường mối liên kết kim loại – CNT Rất nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng trong khi nghiên cứu chế tạo compozit bằng phương pháp luyện kim bột như: thiêu kết thường, ép nóng, thiêu kết xung plasma, biến dạng sau kết khối [66-67] Bằng các kỹ thuật này, các hệ compozit kim loại như CNT/Cu, CNT/Al, CNT/ W-Cu, CNT/ Mg, CNT/ Ti, CNT/ Sn-Cu-Ag đã được nghiên cứu chế tạo

Phương pháp nấu chảy và kết tinh: phương pháp này có nhiệt độ cao hơn các phương

pháp khác và được chia làm hai loại là đúc và thẩm thấu Các phương pháp này có ưu điểm là có thể chế tạo được những khối lớn Với phương pháp đúc thì thách thức chính

là sự phân tán của CNT trong khối kim loại lỏng Việc phân tán CNT sẽ dễ dàng hơn nếu CNT thấm ướt với kim loại lỏng Nghiên cứu cho thấy chỉ những kim loại có sức căng bề mặt < 200 mN/m thì mới xảy ra thấm ướt, điều này chỉ ra rằng hầu hết các kim loại không thấm ướt CNT Do tính thấm ướt kém nên CNT có xu hướng cô lập và hình thành các đám, hơn nữa ở dạng lỏng thì khả năng phản ứng của kim loại nền và CNT tăng lên Do đó quá trình nóng chảy và đông đặc nhanh cùng với việc cải thiện điều kiện thấm ướt sẽ nhận được sự duy trì và phân tán CNT tốt hơn Phương pháp thẩm thấu có thể tạo ra những compozit với hàm lượng chất gia cường lớn và có khả năng lớn để đạt được sự phân bố đồng đều của CNT Trong phương pháp này, phôi mẫu rỗng (porous preform) chất gia cường được chuẩn bị bằng kỹ thuật luyện kim bột hoặc bằng cách đan các sợi, sau đó phôi mẫu rỗng được thấm kim loại lỏng để tạo thành compozit Ở đây kim loại lỏng thấm vào phôi mẫu CNT do trọng lực hoặc được tăng cường bằng áp lực Sự phân bố của CNT trong compozit phụ thuộc vào sự phân

bố của CNT trong phôi mẫu Như vậy, phương pháp nấu chảy và kết tinh chỉ áp dụng được với những kim loại có nhiệt độ chảy thấp và có độ chảy nhớt thấp như Al, Mg

Vì khả năng thấm ướt kém của CNT với phần lớn các kim loại nên kỹ thuật đóng rắn nhanh có ưu điểm là không có thời gian để sự tách rời CNT xảy ra, thêm nữa bể kim loại lỏng phải được khuấy liên tục Do nhiệt độ cao và sự hoạt động của kim loại lỏng mạnh hơn nên sự hình thành các hợp chất ở mặt phân cách là không thể tránh khỏi Vì vậy, một lớp phủ bề mặt CNT có thể được áp dụng để cải thiện sự thấm ướt cũng như

là để ngăn chặn các phản ứng hóa học [66-67]

Phương pháp phun phủ nhiệt:đây là một kỹ thuật chế tạo ở quy mô công nghiệp, nó

được sử dụng để tạo các lớp phủ Trong đó vật liệu phun được đưa vào nguồn nhiệt ở dạng bột mịn, ở đó chúng bị biến đổi thành dạng bán lỏng hoặc lỏng và được tăng tốc nhờ khí mang và tiến tới đập vào đế Những hạt lỏng hoặc bán lỏng va đập vào đế tạo thành những vẩy, tập hợp những lớp vẩy tạo thành lớp phủ Các nhà nghiên cứu ở trường đại học quốc tế Florida [66] đã tiên phong trong việc sử dụng phương pháp này

để chế tạo những lớp phủ compozit CNT/ kim loại, compozit CNT/gốm Phương pháp này bao gồm hai loại chính là : phun plasma và phun ngọn lửa tốc độ cao (HVOF) Phương pháp phun phủ nhiệt là kỹ thuật có nhiều hứa hẹn để đạt tới những ứng dụng trong thực tế cho compozit CNT/kim loại Nó có thể sử dụng để tạo những lớp phủ cho các ứng dụng khác nhau như: để cải thiện khả năng chịu mài mòn, ăn mòn Bằng cách bảo đảm sự phân tán đồng đều CNT trong mỗi vẩy thì có thể nhận được sự phân

bố đồng đều CNT trong những cấu trúc có hình dạng phức tạp, đây là ưu điểm lớn so với phương pháp luyện kim bột Kỹ thuật phun ngọn lửa tốc độ cao có ưu điểm tốc độ

va chạm lớn cùng với nhiệt độ cao có thể dẫn tới làm tan những đám CNT và nhận được lớp phủ đặc xít Tuy nhiên, phương pháp phun phủ nhiệt có nhược điểm là chỉ thích hợp để tạo lớp phủ mà không tạo được vật liệu khối

Phương pháp điện hóa: phương pháp này không thích hợp để chế tạo những compozit

CNT/kim loại chiều dày lớn sử dụng làm kết cấu chịu tải mà nó chỉ thích hợp để tạo lớp phủ Những lớp phủ compozit CNT/kim loại chế tạo bằng phương pháp điện hóa

có thể chia ra 3 loại dựa theo phương pháp chế tạo như sau: (i) Chế tạo màng mỏng hoặc lớp phủ bằng cách lắng đọng đồng thời CNT và ion kim loại từ bể điện hóa Phần lớn các nghiên cứu về compozit CNT/kim loại bằng phương pháp mạ điện đều tiến hành theo loại này; (ii) Kim loại được lắng đọng lên trên những mảng CNT sắp xếp trật tự Sự phân tán đồng nhất CNT có thể nhận được bằng kỹ thuật này; (iii) Mỗi CNT được phủ bởi một lớp mạ bột kim loại Phương pháp này được sử dụng cho các loại khác nhau như: cảm biến nanô, đầu ghi từ trong máy tính

Phương pháp điện hóa rất hiệu quả cho chế tạo màng hoặc lớp phủ compozit CNT/kim loại với sự phân tán tốt của CNT Kỹ thuật lắng đọng phù hợp nhất cho việc chế tạo compozit CNT/kim loại kích thước 1 chiều Tuy nhiên, phương pháp điện hóa

có hai hạn chế lớn là: (i) phương pháp này phát triển nhiều nhất cho Ni và hợp kim Ni

và một số nghiên cứu trên Cu và Co [66] (ii) Phương pháp này ứng dụng chủ yếu trong chế tạo compozit CNT/kim loại dạng lớp phủ hoặc màng mỏng < 200µm

Các phương pháp mới: có rất nhiều phương pháp mới được phát triển để chế tạo

compozit CNT/kim loại bao gồm:

Phương pháp trộn ở cấp độ phân tử: Kỹ thuật này bao gồm các công đoạn: phân tán

CNT trong dung dịch muối Cu(CHCOO)2.H2O, sau đó sấy huyền phù kết hợp với khuấy từ, kết quả bột muối được phân tán CNT trong đó Tiếp theo, muối được nung ở

300oC trong không khí để chuyển thành CuO, hỗn hợp CuO/CNT được hoàn nguyên bằng H2 ở 250oC để nhận được bột CNT/Cu với CNT phân bố đồng đều trong hạt Kỹ thuật trộn cấp độ phân tử là kỹ thuật cho phép chế tạo được hỗn hợp bột kim loại và CNT với độ đồng đều cao

Phương pháp phún xạ: Phương pháp này có thể sử dụng để lắng đọng kim loại lên trên

CNT và tạo compozit kích thước một chiều Phún xạ magnetron được sử dụng để lắng đọng Al lên CNT sau đó xử lý nhiệt để nghiên cứu phản ứng bề mặt giữa Al và CNT [68] Kỹ thuật này phù hợp cho việc chế tạo cấu trúc nanô 1 chiều, nó không phù hợp cho chế tạo cấu trúc lớn hơn Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể sử dụng để phủ lên CNT chất thích hợp nhằm cải thiện tính thấm ướt với nền kim loại

Phương pháp Sandwich: bao gồm sự phân tán CNT giữa các lớp mỏng kim loại sau đó

ép để hàn nguội chúng Phương pháp này đã được sử dụng để chế tao compozit CNT/Cu, trong đó SWCNT phân tán tốt dạng huyền phù trong axeton được phun lên trên màng mỏng Cu (cỡ 10µm) Phương pháp Sandwich không thể chế tạo được cấu trúc lớn nhưng có tiềm năng rất lớn trong việc phân tán CNT Những lá mỏng nhận được trong đo có sự phân tán tốt của CNT [66]

Phương pháp ép xoắn: trong phương pháp này, lực ma sát và xoắn có tác dụng hàn

CNT và kim loại với nhau để hình thành compozit CNT/kim loại Phương pháp hàn

ma sát (FSP) đã được sử dụng để chế tạo compozit CNT/Mg và CNT/Al [68] CNT được đưa vào rãnh tạo bởi khối hợp kim Mg và FSP với tốc độ quay 1500 vòng/phút

đã quét trên rãnh với những tốc độ khác nhau để trộn CNT vào nền và tạo thành compozit CNT/Mg trên bề mặt đồng thời kích thước hạt giảm nhờ thêm CNT Ép xoắn

áp lực cao (HPT) đã được sử dụng để đóng rắn hỗn hợp SWCNT/Al, lực xoắn 2,5 GPa với tốc độ quay 1 vòng/phút được áp dụng để chế tạo compozit Al-5%m SWCNT và

đạt được mật độ 98% so với lý thuyết, kích thước hạt giảm 80% Sự giảm kích thước hạt được cho là do sự có mặt của SWCNT trong nền, nó ngăn cản sự dịch chuyển của lệch tới biên hạt và bị triệt tiêu Thách thức sự phân bố đồng đều của CNT trong vùng hàn vẫn chưa được giải quyết, ép xoắn áp lực cao có thể là phương pháp tốt để chế tạo compozit với kích thước hạt nhỏ

Phương pháp CVD và PVD: là phương pháp rất quan trọng để chế tạo bột compozit và

phủ CNT cho các ứng dụng tiếp theo[124] Phương pháp này không sử dụng để chế tạo compozit CNT/kim loại dạng khối

Phương pháp phân tán ở cấp độ nanô (nanoscale dispersion- NSD): Trong đó cao su

tự nhiên được sử dụng để duy trì sự phân bố CNT trong bột kim loại và được loại bỏ bằng cách nung nóng Phương pháp NSD dùng để tạo ra bột kim loại có sự phân bố đều CNT và sau đó bột này được đóng rắn bằng các kỹ thuật khác nhau để tạo compozit [125]

1.3.2 Các tính chất của vật liệu

Khi sự hiểu biết cơ bản về các tính chất vật lý và đặc điểm của CNT và graphen được phát triển, mục tiêu của nghiên cứu khoa học đã chuyển dịch theo hướng cải thiện các trạng thái vật lý của vật liệu compozit Các nghiên cứu cho thấy, hướng trọng tâm vào nghiên cứu tăng cường các tính chất cơ học, nhiệt và điện của vật liệu compozit Trong phần sau đây, một bản tóm tắt ngắn gọn các báo cáo về một số tính chất nói trên của compozit nền kim loại gia cường vật liệu nanô cácbon

đã chứng tỏ được sự tăng cường các chỉ số cơ học của vật liệu như độ cứng, độ bền kéo, độ bền riêng v.v….[66-67] Các kỹ thuật chế tạo hỗn hợp bột kim loại và CNT, hình dạng ban đầu của vật liệu nền, chất lượng CNT hay kỹ thuật kết khối cũng có ảnh

hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu Cơ chế hóa bền của vật liệu có thể được giải thích

bằng một số mô hình như mô hình Shear – Lag, công thức Halpin-Tsai, hóa bền bởi

các liên pha (interphase), hóa bền bằng mật độ lệch mạng (dislocation density) hay

hiệu ứng làm mịn hạt (grain refinement) [66] Hình 1.14 trình bày sự thay đổi độ bền

theo thành phần CNT của compozit MWCNT/Al được chế tạo bởi các phương pháp

khác nhau và các mô hình giải thích cơ chế hóa bền của vật liệu [69]

Hình 1.14 Sự thay đổi độ bền theo thành phần CNT của compozit MWCNT/Al

được chế tạo bởi các phương pháp khác nhau [69]

Hình 1.15 (a) Ảnh TEM của compozit CNT/Al với mẫu bột được chế tạo bằng phương

pháp nghiền bi thể hiện khả năng phân tán tốt và (b) đường ứng suất biến dạng của vật liệu

compozit CNT/Al sau khi được kết khối bằng phương pháp cán nóng [70]

Hình 1.15 là ví dụ sự ảnh hưởng và vai trò của CNT tới độ bền của vật liệu compozit CNT/Al sau khi được kết khối bằng phương pháp cán nóng [70] Nói chung, những cải thiện về độ cứng và giới hạn đàn hồi (yield strength) khi có sự gia cường của pha gia cường là vật liệu CNT đã được ghi nhận và kiểm chứng Như đã đề cập trước đó ở phần chế tạo, sự phân tán đồng đều vật liệu gia cường vào vật liệu nền đóng vai trò cơ bản và quan trọng nhất trong mọi trường hợp Chỉ có thể khai thác các hiệu ứng gia cường của CNT đến mức tối đa khi chúng được phân tán một cách đồng đều trong nền kim loại Điều này không những tận dụng lợi thế của các tính chất vật lý nổi bật của vật liệu nanô cácbon, mà còn giúp cải thiện sự tiếp xúc bề mặt giữa vật liệu nanô cácbon với nền kim loại

về độ dẫn nhiệt của CNT/Cu cho thấy độ dẫn nhiệt của compozit giảm 5 lần so với vật liệu Cu nguyên chất [71] Những giải thích cho sự suy giảm này là sự tiếp xúc kém giữa vật liệu nền và vật liệu gia cường Tuy nhiên, Edtmaier và cộng sự cũng đã đề cập đến khả năng cải thiện tính dẫn nhiệt một cách đáng kể khi sự phân tán của CNT được cải thiện Chu cũng báo cáo sự giảm các tính chất nhiệt của compozit CNT/Cu [72] Tuy nhiên, trong trường hợp này là tỷ lệ giảm thấp hơn đáng kể so với số liệu được báo cáo bởi Edtmaier và cộng sự [71] Từ số liệu trình bày SEM và TEM, cho thấy sự phân tán của CNT trong nền Cu là đồng đều hơn nhiều hơn so với các mẫu vật liệu của Edtmaier Trong các nghiên cứu, sự cải thiện tính dẫn nhiệt trong vật liệu compozit CNT/Cu đã được báo cáo bởi Cho và cộng sự [73] Theo Cho và cộng sự thì khi gia cường CNT với một tỷ lệ phần trăm thể tích nhỏ hơn 3%m thì độ dẫn nhiệt của vật