Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng hấp thụ sóng ra đa băng x và hấp phụ uranium của vật liệu trên cơ sơ nano ferrite

Trong các loại vật liệu, vật liệu ferrite có cấu trúc nano mét được quan tâm rất lớn nhờ các ứng dụng nổi bật của chúng trong nhiều lĩnh vực, nổi bật là hấp thụ sóng radar và xử lý nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN QUANG ĐẠT

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG RA ĐA BĂNG X, HẤP PHỤ URANIUM CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN CƠ SỞ NANO FERRITE

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số: 62 44 01 05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2018

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng

Người hướng dẫn khoa học:

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Phúc Dương

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Phản biện 3: TS Nguyễn Bá Tiến

Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại:

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi giờ ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1 Trần Quang Đạt, Lê Đình Vị, Đỗ Quốc Hùng Nghiên cứu tính chất loại bỏ

hàng loạt Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 52, số 3B (2014) 66-73

2 Tran Quang Dat, Vu Dinh Thao, Do Quoc Hung Removal of uranium from

báo cáo Hội nghị Kỹ thuật Công nghệ Hóa học và Môi trường (2015) 151-163

3 Tran Quang Dat, Pham Van Thin, Do Quoc Hung Adsorption of uranium

Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (2015) 695-698

4 Tran Quang Dat, Pham Van Thin, Do Quoc Hung Study on influence of

temperature and duration of hydrothermal treatment to properties of nano ferrite

1-8

5 Trần Quang Đạt, Nguyễn Trần Hà, Phan Nhật Giang, Đỗ Quốc Hùng Nghiên

Proceedings of Advances in Applied and Engineering Physics IV, (2016)

193-197

6 Nguyễn Trần Hà, Trần Quang Đạt, Nguyễn Văn Toàn, Nguyễn Vũ Tùng, Đỗ

Quốc Hùng Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng radar băng X của composite

194-201

7 Tran Quang Dat, Nguyen Van Toan, Pham Van Thin, Do Quoc Hung

graphene oxide Journal of Science and Technology, Vol 54 (No 5A) (2016)

9-19

8 Tran Quang Dat, Nguyen Tran Ha, Do Quoc Hung, Reduced graphene oxide

and microwave absorption properties, Journal of Electronic Materials, Vol 46

(6) (2017) 3707 - 3713

9 Tran Quang Dat, Pham Thanh Hung, Do Quoc Hung, Efficient Removal of

Ferrite–Polyaniline Nanocomposite, Journal of Electronic Materials, Vol 46

(6) (2017) 3273 – 3278

10 Tran Quang Dat, Nguyen Van Toan, Pham Van Thin, Pham Thanh Hung, Do

RGO nanocomposites, Journal of Science and Technology, Vol 183 (No 4)

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của luận án:

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, chế tạo

và ứng dụng các cấu trúc, hệ thống điều khiển ở kích thước nano mét Trong các loại vật liệu, vật liệu ferrite có cấu trúc nano mét được quan tâm rất lớn nhờ các ứng dụng nổi bật của chúng trong nhiều lĩnh vực, nổi bật là hấp thụ sóng radar và xử lý nước thải, nhất là hấp phụ uranium Vật liệu nano ferrite có ưu điểm là kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng rất lớn, tính chất từ được cải thiện đối với vật liệu micro mét Ngoài khả năng hấp phụ tốt các nguyên tố nặng, vật liệu còn có tính chất từ tốt nên vật liệu sau khi hấp phụ có thể dễ dàng thu lại nhanh chóng, hiệu quả Ngoài ra, khi đặt trong trường điện từ của sóng radar, các mô men từ sẽ liên tục bị đảo hướng và va chạm với các phân tử, nguyên tử khác, dẫn đến tiêu hao năng lượng của trường điện từ Vật liệu nano từ tính với những ưu điểm của mình được kỳ vọng sẽ giúp cho các vật liệu có khả năng hấp phụ uranium với dung lượng hấp phụ lớn hơn; có thể hấp thụ sóng radar hiệu quả ở vùng tần số cao hơn, tăng độ rộng của dải tần hoạt động của vật liệu ngụy trang Nhận thấy, vấn đề chế tạo vật liệu nano dựa trên vật liệu ferrite đồng thời ứng dụng vật liệu để hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar là một hướng nghiên cứu hiện đại, thực tiễn và cần thiết nên luận án lựa chọn

tên nghiên cứu: “Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng hấp thụ

sóng ra đa băng X và hấp phụ uranium của vật liệu trên cơ sở nano ferrite”

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Nghiên cứu chế tạo các vật liệu nano ferrite ở cấp độ phòng thí nghiệm Khảo sát tính chất của vật liệu dựa trên những phương pháp đo tiên tiến Đánh giá các hiệu ứng hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar băng X trên các vật liệu đã chế tạo được Nâng cao khả năng hấp phụ

uranium và hấp thụ sóng radar băng X bằng cách tạo ra các composite chứa ferrite

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm kết hợp với các mô hình lý thuyết Thực nghiệm chế tạo các hệ vật liệu nano ferrite Sử dụng các phương pháp đo xác định tính chất của vật liệu và ứng dụng các

mô hình lý thuyết để luận giải và xác định các thông số của vật liệu

Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu về vật liệu nano ferrite: dạng hạt (Fe3O4, Ni ferrite, ZnNi ferrite, CuNi ferrite), dạng composite có hai thành phần (RGO – ferrite, ferrite – PANI) và dạng composite có ba thành phần (RGO – ferrite – PANI)

Phạm vi nghiên cứu:

Chế tạo vật liệu, đo đạc và đánh giá thông số về cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu nano ferrite Nghiên cứu tính chất hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar của vật liệu chế tạo được ở quy mô phòng thí nghiệm

Bố cục luận án:

Luận án được trình bày 129 trang bao gồm phần mở đầu và kết luận Luận án chia thành 4 chương Chương I: Tổng quan về vật liệu nano ferrite Chương II: Chế tạo các vật liệu nano ferrite Chương III: Khảo sát

sự hấp thụ sóng radar của vật liệu nano composite ferrite Chương IV: Khảo sát sự hấp phụ uranium của vật liệu nano ferrite

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO FERRITE 1.1 Vật liệu nano ferrite

1.1.1 Vật liệu nano ferrite

Vật liệu ferrite có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là kim loại hóa trị 2 Khi kích thước hạt giảm xuống cỡ

vài chục nano mét, các tính chất vật liệu được cải thiện rõ rệt nổi bật là tính siêu thuận từ

1.1.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano ferrite

Các phương pháp chế tạo khá đa dạng với nhiều cấu trúc khác nhau Luận án đề cập đến các phương pháp sử dụng: đồng kết tủa và thủy nhiệt

1.1.3 Composite ferrite

Vật liệu ferrite thường được kết hợp với một số các vật liệu khác tạo nên composite từ tính Sự kết hợp này đã tạo ra rất nhiều loại composite và

đã mở ra phạm vi ứng dụng vô cùng rộng lớn

1.2 Sự hấp thụ sóng radar vật liệu nano ferrite

1.2.1 Cơ chế hấp thụ sóng radar của vật liệu

Các cơ chế tổn hao năng lượng của sóng radar trong vật liệu nano ferrite là tổn hao điện môi (phân cực điện tử, phân cực tự phát, phân cực nguyên tử, ion dẫn); tổn hao từ (từ trễ, cộng hưởng sắt từ, hồi phục từ); dòng điện xoáy

1.2.1 Ứng dụng vật liệu nano ferrite nhằm hấp thụ đối với sóng radar

Vật liệu nano ferrite có tính chất từ ưu việt là một trong các vật liệu được ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực hấp thụ sóng radar Composite của vật liệu nano ferrite cũng là một loại vật liệu có tiềm năng hấp thụ sóng radar rất hiệu quả Vật liệu phối hợp với nano ferrite được lựa chọn là: polymer dẫn điện và vật liệu cacbon nano

1.3 Sự hấp phụ uranium của vật liệu nano ferrite

1.3.1 Sơ lược về uranium

Phản ứng phân chia hạt nhân uranium giải phóng một năng lượng rất lớn, khoảng 195 - 200 MeV và phát ra các tia phóng xạ alpha, beta, gama Các tia phóng xạ này rất có hại cho sức khoẻ con người

1.3.2 Công nghệ sản xuất uranium kỹ thuật

Quy trình công nghệ xử lý quặng thu sản phẩm uranium kỹ thuật gồm những công đoạn sau: làm giàu sơ bộ, gia công cơ học, hoà tách, phân chia rắn lỏng, làm sạch và làm giàu dung dịch, kết tủa sản phẩm uranium kỹ thuật, xử lý chất thải

1.3.3 Quy trình xử lý chất thải

Bã thải phóng xạ được xử lý theo quy trình: Thu gom, phân loại và lưu giữ tạm thời ; vận chuyển ; xử lý (phương pháp xử lý tuỳ thuộc vào loại và trạng thái của bã thải); vận chuyển và lưu giữ tạm thời ; chôn cất

1.3.4 Quy trình xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng

Các phương pháp sử dụng để xử lý chất thải dạng lỏng là trao đổi ion ; kết tủa và đồng kết tủa ; màng ; hấp phụ

1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ uranium

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ uranium bao gồm độ

pH, nhiệt độ, thời gian hấp phụ, nồng độ và khối lượng chất hấp phụ

và đánh giá các thông số ảnh hưởng, các đặc điểm hấp phụ của từng loại vật liệu; khảo sát tính chất hấp thụ sóng radar băng X của các composite ferrite

CHƯƠNG II: CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU NANO FERRITE

2.1 Chế tạo vật liệu hạt nano ferrite MFe 2 O 4

2.1.2 Phân tích tính chất của vật liệu hạt nano ferrite

Hình 2.3 Ảnh TEM của các mẫu NiFe2O4: (a) ngay sau khi phun; (b)

thủy nhiệt ở nhiệt độ 120 oC, 32 h; (c) thủy nhiệt ở nhiệt độ 140 oC, 32 h;

(d) thủy nhiệt ở nhiệt độ 160 oC, 32 h

Hình 2.4 Ảnh TEM của (a) Fe3O4; (b) ZNF; (c) CNF

1 – Ống dẫn khí 2,3 – Bình chịu áp lực 4,5 – Vòi phun sương

Hình 2.5 Ảnh SEM của các mẫu: (a) Fe3O4; (b) NiFe2O4;

(c) Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (d) Cu0.5Ni0.5Fe2O4

Hình 2.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NiFe2O4 vô định hình

Hình 2.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano NiFe2O4 sau thủy nhiệt

32h, ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 2.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano NiFe2O4 sau các thời

gian thủy nhiệt khác nhau, tại 1600C

Hình 2.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt: (a) Fe3O4;

0 10 20 30 40

50

(e)-32h (d)-24h (c)-16h

mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt sau 32h,

với các nhiệt độ khác nhau

Hình 2.12 Quá trình từ hóa với từ

trường nhỏ, ở nhiệt độ phòng của các mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt tại

độ phòng của các mẫu NiFe2O4

thủy nhiệt tại 1600C

Hình 2.14 Từ độ bão hòa ở nhiệt

độ phòng của các mẫu NiFe2O4

thủy nhiệt tại 1600C

-15 -10 -5 0 5 10 15 -80

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

(a) (b)

H (kOe)

(c) Cu0.5Ni0.5Fe2O4 (b) Zn

tố trong công thức MFe2O4 Các hạt đều thể hiện tính chất siêu thuận từ với từ dư và lực kháng từ gần như bằng không Từ độ bão hòa các mẫu

Fe3O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4, NiFe2O4 và Cu0.5Ni0.5Fe2O4 lần lượt là 65, 68, 49

và 75 emu/g

2.2 Chế tạo vật liệu nano ferrite composite

2.2.1 Phương pháp chế tạo nano composite RGO – Ferrite – PANI

Vật liệu RGO được chế tạo từ bột graphite (99%) theo phương pháp Hummer cải tiến Vật liệu composite RGO – MFe2O4 được chế tạo theo phương pháp thủy nhiệt Vật liệu composite MFe2O4 - PANI được chế tạo theo phương pháp polyme hóa hỗn hợp chứa ferrite và anilin Vật liệu composite RGO – ferrite - PANI được chế tạo lần lượt qua ba quá trình

công nghệ: quá trình bóc tách và khử thành RGO từ graphite; quá trình đồng kết tủa và thủy nhiệt tạo RGO-ferrite; quá trình polyme hỗn hợp tạo RGO – ferrite – PANI

2.2.2 Phân tích tính chất của vật liệu ferrite composite

10 12 14 16 18 20 22 0

5 10 15 20 25

699 665 569

697 666 570 487

(a)

Hình 2.24 Phổ RAMAN của các mẫu: (a) RGO;

(b) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI; (c) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI

Hình 2.26 Phổ FTIR của các mẫu: (a) GO; (b) RGO

(d) (c)

-15 -10 -5 0 5 10 -60

-40 -20 0 20 40 60

(e) (a) (f)

(b) (c)

H (kOe)

(f) RGO-CNF-PANI (e) RGO-ZNF-PANI (d) RGO-CNF (c) RGO-ZNF (b) ZNF-PANI(2-1) (a) MZF-PANI(2-1) (d)

Hình 2.28 Chu trình từ trễ ở nhiệt độ phòng của các mẫu ferrite

composite

Theo các ảnh SEM và tính toán kích thước kết tinh theo phổ XRD, các composite ferrite được chế tạo có các hạt ferrite kích thước nanomét (từ 15 nm đến 25 nm) Các hạt này có cấu trúc trevorite lập phương tâm mặt Phổ RAMAN và FTIR cho thấy thành phần composite chứa ferrite và các thành phần RGO, PANI Các vật liệu đều thể hiện tính chất siêu thuận

từ với từ dư và lực kháng từ gần như bằng không Từ độ bão hòa của các composite giảm khi đưa thêm vào các thành phần RGO, PANI

Kết luận chương II

Chương II trình bày các quy trình công nghệ để chế tạo các vật liệu ferrite có kích thước nanomét: hạt nano ferrite, composite ferrite – PANI, RGO – ferrite, RGO – ferrite – PANI Các vật liệu chế tạo được là 04 loại

ferrite dạng hạt: Fe3O4, NiFe2O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4, Cu0.5Ni0.5Fe2O4; 04 loại composite ferrite hai thành phần: ZNF-PANI, MZF-PANI, RGO-ZNF, RGO-CNF; 02 loại composite ferrite ba thành phần: RGO-ZNF-PANI, RGO-CNF-PANI Các nghiên cứu hình thái, kích thước, thành phần và cấu trúc tinh thể của các vật liệu tạo được bằng các phương pháp đo TEM, SEM, XRD, EDX/EDS, RAMAN, FTIR Trên cơ sở đó khẳng định các vật liệu thu được có các hạt ferrite kích thước nanomét (từ 5 nm đến 25 nm), các composite được tạo thành có các thành phần RGO, PANI và thể hiện tính siêu thuận từ

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT SỰ HẤP THỤ SÓNG RA ĐA CỦA VẬT

LIỆU NANO COMPOSITE FERRITE 3.1 Thực nghiệm khảo sát quá trình hấp thụ sóng ra đa của vật liệu nano ferrite

Tiến hành làm ướt trộn bột nano vào dung môi toluen, sau đó khuấy đều với parafin dạng lỏng Hỗn hợp thu được đổ khuôn tạo thành các mẫu RAM dạng phiến có kích thước 0,9 inch x 0,45 inch Bằng cách thay đổi

bề dày mẫu và hàm lượng trong vật liệu có thể điều chỉnh được khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X Khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X của các mẫu được đánh giá bởi tổn hao phản xạ (RL) Tổn hao phản xạ của hỗn hợp vật liệu phụ thuộc vào trở kháng đầu vào (Zin) của các mẫu đối với trở kháng không gian tự do (Z0) Hơn nữa giá trị trở kháng đầu vào phụ thuộc vào hệ số điện môi εr và độ từ thẩm µr của các mẫu Tổn hao phản xạ được xác định bởi:

0 0





in in

Trong đó Z in là trở kháng đầu vào của mẫu vật liệu, f là tần số của sóng điện từ, t là độ dày của mẫu, ε = ε' - iε'' r và μ = μ' - iμ'' r là hệ số điện môi phức và độ từ thẩm phức của mẫu vật liệu được đo bằng máy PNA network analyzer E8362C

Hình 3.7 Sơ đồ hệ đo bằng phương pháp đường truyền

3.2 Kết quả khảo sát quá trình hấp thụ sóng ra đa của vật liệu nano ferrite

0 2 4 6 8 10

bề dày 2,5 mm

Với mẫu MZF-PANI, phần ảo của hệ số điện môi giảm đáng kể thì phần thực và phần ảo của hệ số điện môi và độ từ thẩm thay đổi khá nhỏ trong dải tần số 8 – 12 GHz Mẫu MZF-PANI 2:1, bề dày 2 mm, có dải

hấp thụ trên 90% khá rộng từ 9,0 GHz đến 12 GHz Đỉnh hấp thụ quan sát thấy ở tần số 10,1 GHz và đạt 97% (-15,2 dB) Đối với mẫu có bề dày 4

mm có phổ RL dưới -17,5 dB trong dải tần từ 9 - 12 GHz Xuất hiện hai đỉnh hấp thụ tại 9,9 GHz và 11 GHz với giá trị RL đạt lần lượt bằng -21,05 dB và -20 dB Đường cong ε''(ε') phụ thuộc phức tạp vào tần số Như vậy quá trình hồi phục trong hệ mẫu là hồi phục đa điện môi Ở tần số dưới 9 GHz, giá trị C0 tương đối ổn định, tổn hao từ chủ yếu do hiệu ứng dòng xoáy Ở tần số cao hơn, tổn hao từ do hiệu ứng cộng hưởng tự nhiên chiếm ưu thế Đặc biệt, trong dải tần số từ 10,5 - 12 GHz tổn hao từ do cả hai hiệu ứng cộng hưởng tự nhiên và hiệu ứng dòng xoáy

Với mẫu ZNF-PANI 2:1, đỉnh hấp thụ quan sát được với mẫu có bề dày 2,5 mm là -26,85 dB (99,8 %) tại 9,5 GHz Kết quả hấp thụ vi sóng của hệ composite ZNF-PANI là tốt hơn kết quả của vật liệu ZNF (tổn hao phản xạ tốt nhất là – 19 dB, ứng với mẫu dày 4 mm, hàm lượng khối lượng ferrite là 30 %) Tổn hao phản xạ (RL) của các mẫu RGO – CNF – PANI tốt nhất là ứng với mẫu dày 3 mm Đỉnh hấp thụ với mẫu này đạt – 40,7

(b)

(c)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

(d) (c)

f (Ghz)

(a) d=1.5 mm (b) d=2mm (c) d=2.5 mm (d) d=3 mm