Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Hoá học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Viện Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp
vụ, Tổng cục Hậu cần- Kỹ thuật, Bộ Công an
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa, PGS.TS Ngô Trịnh Tùng, những người Thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án này
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, đồng chí thuộc Viện Hoá học, Viện
Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp vụ; Trung tâm Phát triển Công nghệ cao đã giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện luận án
Xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Thụ, Ths Vũ Minh Thành đã cùng tác giả tiến hành các thí nghiệm chế tạo mẫu và thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè đã động viên,
cổ vũ để tôi hoàn thành bản luận án này
Nghiên cứu sinh
Ngô Cao Long
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Nghiên cứu sinh
Ngô Cao Long
Ngô Cao Long
Trang 3M C C
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
anh mục các bảng
anh mục các hình
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
M Đ 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4
1.1 Vật liệu nanocompozit 4
1.1.1 Các phương pháp chế tạo nanocompozit 7
1.1.1.1 Trộn hợp nóng chảy 7
1.1.1.2 Trộn hợp ung ịch 8
1.1.1.3 Trùng hợp tại chỗ 8
1.1.1.4 Phủ core-shell 8
1.1.2 Chế tạo nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn 9
1.1.3 Tính chất điện của nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn 11
1.1.4 Vật liệu nanocompozit CNT/polyme 13
1.1.5 Vật liệu nanocompozit graphen/polyme 14
1.2 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ 15
1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán 15
1.2.2 Cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng điện từ 17
1.2.2.1 Lớp hấp thụ Dallenbach 17
1.2.2.2 Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn Salisbury 17
1.2.2.3 Lớp Jauman 18
1.2.3 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở nanocompozit của polyme dẫn 19
1.3 Compozit chống đạn 20
1.3.1 Lý thuyết chống đạn vật liệu compozit 21
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống đạn của compozit 24
1.3.2.1 Ảnh hưởng của vải, sợi gia cường 24
Trang 41.3.2.2 Ảnh hưởng của nhựa nền 24
1.3.2.3 Ảnh hưởng của tấm chống đạn 25
1.3.2.4 Ảnh hưởng của các đầu đạn 25
1 Phương pháp xác định khả năng chống đạn của vật liệu 26
1.3.3.1 Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Ansys 12 26
1.3.3.2 Bắn thử nghiệm theo tiêu chuẩn 29
1.4 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ và chống đạn 32
CHƯƠNG - TH C NGH M V PHƯƠNG PH P NGH N CỨU 40
2.1 Hóa chất, thiết bị 40
2.1.1 Hóa chất 40
2.1.2 Thiết bị, ụng cụ 40
2.2 Phương pháp chế tạo 41
2.2.1 Chế tạo CNT P Ni và graph n P Ni 41
2.2.2 Chế tạo CNT PPy và graph n PPy 41
2.2 Chế tạo nanocompozit vải sợi 42
2.2 .1 Chế tạo compozit vải sợi cacbon poxy và compozit vải sợi Kevlar/epoxy 42
2.2 .2.Chế tạo nanocompozit CEGPY, KEGPY, CKEGPY 43
2 Các phương pháp nghiên cứu 43
2 .1 Xác định độ dẫn của vật liệu 43
2 .2 Xác định khả năng hấp thụ sóng điện từ 44
2.4.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) 45
2.4.4 Phổ hồng ngoại FT-IR 46
2.4.5 Phổ Raman 46
2 .6 Xác định tính chất cơ học 46
2.4.7 Phân tích nhiệt 49
2.4.8 Xác định hàm lượng phần gel 50
2.4.9 Mô phỏng khả năng chống đạn của vật liệu 51
2.4.10 Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu chuẩn 51
CHƯƠNG T Ả V THẢ L N 53
Trang 53.1 Chế tạo nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi 53
3.1.1 Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen 53
3.1.1.1 Hình thái học của vật liệu 53
3.1.1.2 Phổ Raman của CNT và graphen 55
1.2 hảo sát điều kiện chế tạo 56
3.1.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy 56
3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của PANi và PPy 57
3.1.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và PPy 58
3.1.2.4 Khảo sát tính chất nanocompozit MWCNT và graph n với PPy 58
3.1.3 Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit 61
3.2 Chế tạo nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY) 63
3.2.1 Khảo sát nhựa nền epoxy 63
3.2.1.1 Phổ hồng ngoại của epoxy 63
3.2.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn DDM 64
3.2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức độ đóng rắn của nhựa epoxy 65
3.2.1.4 Tính chất cơ học của pha nền đã đóng rắn 66
3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa epoxy đến tính chất cơ học của CEGPY 67 3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của CEGPY 68
3.2.4 Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến tính chất cơ học của CEGPY 70
3.2.5 Tính chất của CEGPY 73
3.2.5.1 Phân tích nhiệt 73
2 .2 Hình thái học của vật liệu 74
3.3 Chế tạo nanocompozit vải sợi vlar poxy GP GP 75
1 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của KEGPY 75 3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của KEGPY 76
3.3.3 Tính chất của KEGPY 78
3.3.3.1 Phân tích nhiệt 78
2 Hình thái học của KEGPY 79
hảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của các vật liệu nanocompozit 79
Trang 63.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng GP đến khả năng hấp thụ sóng điện từ 80
a Vật liệu KEGPY 80
b.Vật liệu CEGPY 80
2 hả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu nanocompozit trên ải tần 8-12GHz 81
2.1 Vật liệu GP 81
2.2 Vật liệu C GP 82
2 Vật liệu C GP 83
3.5 Khảo sát khả năng chống đạn 85
1 Xác định khả năng chống đạn của vải sợi xếp lớp 85
3 5.1.1 Mô phỏng số 85
3.5.1.2 Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử nghiệm thực tế 95 3.5.2 Khảo sát khả năng chống đạn của nanocompozit 99
3.5.2.1 Kết quả mô phỏng với đạn súng K54 100
a Tấm KEGPY 100
b Tấm CEGPY 102
c Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon vlar poxy GP C GP 103
3.5.2 2 Kết quả mô phỏng với đạn súng AK47 105
a Tấm GP 105
b Tấm C GP 107
c Tấm CKEGPY 107
3.5.3 Khảo sát khả năng chống đạn bằng thử nghiệm thực tế th o tiêu chuẩn NIJ 01.01.04, Hoa Kỳ 109
T L N 117
Trang 7AN M C C C ẢN
Bảng 1.1 Một số mô hình vật liệu 29
Bảng 1.2 Một số mô hình tương ứng cho các vật liệu thường dùng 29
Bảng 1.3 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04 (Hoa Kỳ) 30
Bảng 1.4 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Stanag 4569 (NATO) 31
Bảng 1.5 Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Gost R 50744-95 (Nga) 31
Bảng 3.1 Mô hình và thông số vật liệu của vải Kevlar 129 88
Bảng 3.2 Thông số mô phỏng giáp vải cacbon 92
Bảng 3.3 Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp và điều kiện thử nghiệm 96
Bảng 3.4 Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar 96
Bảng 3.5 Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp và điều kiện thử nghiệm 98
Bảng 3.6 Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp 98
Bảng 3.7 Mô hình và thông số vật liệu của nanocompozit 99
Bảng hả năng chống đạn súng của nanocompozit th o t lệ vải cacbon/Kevlar 105
Bảng hả năng chống đạn của vật liệu C GP th o t lệ số lớp vải 108
Bảng 10 Điều kiện chế tạo, bắn thử nghiệm tấm chống đạn 110
Bảng 3.11 Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x25 mm của súng K54 110
Bảng 3.12 Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x39 mm của súng AK47 113
Trang 8AN M C C C N
Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp chất lai polyme-hạt nano 9
Hình 1.2 Các bước chế tạo compozit nền polym gia cường ICP bằng phương pháp dung dịch và nóng chảy 10
Hình 1 Sơ đồ tổng hợp nanocompozit nền ICP bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ 11 Hình 1.4 Quá trình kích thích bằng axit của polyanilin 12
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý hấp thụ sóng điện từ 16
Hình 1.6 Lớp hấp thụ Dallenbach 17
Hình 1.7 Cấu tạo màn chắn Salisbury 18
Hình 1.8 Cấu tạo lớp Jauman 18
Hình 1.9 Sự tạo thành hình nón khi va chạm đạn đạo ở mặt sau của tấm chống đạn 21
Hình 1.10 Sự lan truyền phá hu trong tấm compozit khi va chạm đạn đạo 22
Hình 1.11 Sự tạo thành hình nêm khi va chạm đạn đạo đối với vật liệu dòn 23
Hình 2.1 Sơ đồ đo độ dẫn bằng phương pháp mũi ò 43
Hình 2.2 Hệ đo hấp thụ sóng điện từ trường gần 44
Hình 3.1 Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi rung siêu âm (b) (2014) 53
Hình 3.2 Ảnh FESEM của graph n độ phóng đại10000 lần (a), 60000 lần (b) 54
Hình 3.3 Phổ Raman của MWCNT 55
Hình 3.4 Phổ Raman của graphen 56
Hình 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy 57
Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của P Ni và PPy 57
Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và PPy 58
Hình 3.8 Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c) 60
Hình 3.9 Ảnh FESEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b) 60
Hình 10 Tổn hao hấp thụ sóng điện từ của các nanocompozit 61
Hình 11 Đồ thị hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit graphen/PPy ở dải tần 4-8 GHz (a) và 8-12 GHz (b) 62
Hình 3.12 Phổ hồng ngoại của nhựa epoxy Epikote 815 63
Trang 9Hình 3.13 Ảnh hưởng của hàm lượng M đến hàm lượng phần gel của nhựa
epoxy Epikote 815 ở 80oC 64
Hình 3.14 Phân tích nhiệt vi sai của hệ nhựa Epikote 1 đóng rắn bằng DDM 65
Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phần gel của hệ nhựa Epikote 815/DDM = 100/22 (PKL) 66
Hình 3.16 Giản đồ ứng suất biến dạng của nhựa poxy đã đóng rắn 66
Hình 1 Tính chất cơ học của poxy đã đóng rắn bằng DDM ở hàm lượng khác nhau 67
Hình 1 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của CEGPY 68
Hình 3.19 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất cơ học của CEGPY 69
Hình 20 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến độ ẫn của C GP 70
Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tính chất cơ học của CEGPY 71
Hình 3.22 Ảnh hưởng của thời gian p đến tính chất cơ học của CEGPY 71
Hình 3.23 Ảnh hưởng của áp suất ép đến tính chất cơ học của CEGPY 72
Hình 2 ết uả phân tích nhiệt compozit cacbon poxy và C GP 74
Hình 2 Ảnh S M của compozit cacbon poxy a , C GP b 74
Hình 3.26 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ học vật liệu KEGPY 75 Hình 2 Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất KEGPY 76
Hình 2 Đồ thị biểu iễn độ ẫn GP 77
Hình 2 ết uả phân tích nhiệt compozit vlar poxy và GP 78
Hình 0 Ảnh FESEM của compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b) 79
Hình 1 hả năng hấp thụ sóng điện từ của GP th o hàm lượng GPY ở tần số 10 GHz 80
Hình 2 hả năng hấp thụ sóng điện từ của C GP th o hàm lượng GPY ở tần số 10 GHz 81
Hình Tổn hao hấp thụ a và tổn hao phản xạ b của GP 82
Hình Tổn hao hấp thụ a , tổn hao phản xạ b của C GP 83
Hình hả năng hấp thụ sóng điện từ của C GP th o tần số khác nhau 84
Hình 6 So sánh khả năng hấp thụ sóng điện từ của GP , C GP , C GP 85
Hình Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54 86
Trang 10Hình Đầu đạn 7,62x39 mm của súng 86Hình 3.39 Mô hình mô phỏng hình học và chia lưới của các đầu đạn va chạm vào
tấm chắn vải Kevlar 87Hình 3.40 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 vào tấm chắn vải
Kevlar xếp lớp 89Hình 1 Động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi va chạm
với tấm vải Kevlar xếp lớp 90Hình 2 Hình ảnh mô phỏng khả năng chống đạn súng của tấm giáp vải
Kevlar xếp lớp 91Hình 3.43 Biểu diễn động năng của đầu đạn súng AK47 và vận tốc của đầu đạn
theo thời gian khi va chạm với tấm vải Kevlar xếp lớp 92Hình 3.44 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng với vải cacbon xếp lớp 93Hình Đồ thị vận tốc và động năng của đạn súng th o thời gian 93Hình 6 Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng với vải cacbon xếp lớp 94Hình Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 khi va chạm với
tấm giáp vải cacbon xếp lớp 94Hình Súng và đạn 7,62x25 mm a , súng và đạn 7,62x39 mm (b)
sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế 95Hình 3.49 Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp 96Hình 3.50 Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp 97Hình 3.51 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của nanocompozit KEGPY 100Hình 2 Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian va
chạm với KEGPY 101Hình 3.53 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của CEGPY 102Hình Đồ thị động năng a và vận tốc của đầu đạn súng K54 (b) theo thời gian
va chạm với CEGPY 102Hình Mô phỏng khả năng chống đạn súng của tấm CKEGPY 103Hình 6 Đồ thị vận tốc và năng lượng của đầu đạn súng th o thời gian va
chạm với CKEGPY 104Hình 3.57 Mô phỏng khả năng chống đạn súng của KEGPY 106
Trang 11Hình Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 theo thời gian va
chạm với KEGPY 106Hình 3.59 Quá trình va chạm của đầu đạn súng AK47 vào tấm chống đạn
CKEGPY 107Hình 3.60 Đồ thị năng lượng và vận tốc đầu đạn súng theo thời gian va
chạm với tấm CKEGPY 108Hình 3.61 Tấm chống đạn compozit Kevlar/epoxy (a), CEGPY (b), CKEGPY (c) 109Hình 3.62 Thử nghiệm thực tế khả năng chống đạn 110Hình 3.63 Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng K54 112Hình 3.64 Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng AK47 114Hình 3.65 Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu vật liệu CKEGPY CK1 115Hình 3.66 Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu CKEGPY CK2 116
Trang 12DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CDES Clo-dietylsunfit
CEGPY Nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen-polypyrol
CKEGPY Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/graphen-Ppy CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi
DBSA Dodecyl benzen sunfonic axit
DDM Diamin diphenyl metan
DDS Diamino diphenyl sunfua
DMF Dimetylfocmamit
EM Sóng điện từ
GPY Nanocompozit graphen/polypyrol
ICP Polyme dẫn
KEGPY Nanocompozit vải sợi Kevlar/epoxy/graphen-polypyrol
MEK Metyl etyl keton
MWCNT Ống nano cacbon đa tường
SWCNT Ống nano cacbon đơn tường
UHMWPE Polyetylen khối lượng phân tử siêu cao
Trang 13Luận án đủ ở file: Luận án full