Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được với dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe thiết giáp .... Tổng hợp và so sánh các

Trang 1

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN MẠNH HỒNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT

CHỨA ỐNG NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018

Trang 2

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT

CHỨA ỐNG NANO - CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới

sự hướng dẫn của GS.TS Phan Ngọc Minh Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn là GS.TS Phan Ngọc Minh, người thầy đã định hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phan Hồng Khôi, PGS.TS Phạm Văn Hội, PGS.TS Vũ Đình Lãm, TS Nguyễn Văn Thao, TS Bùi Hùng Thắng, TS Nguyễn Văn Chúc, TS Phan Ngọc Hồng, TS Nguyễn Tuấn Hồng, KS Lê Đình Quang, ThS Cao Thị Thanh - những người đã luôn giúp

đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Phòng hóa nghiệm xăng dầu, Viện kỹ thuật xăng dầu quân đội, Viện kỹ thuật cơ giới quân sự, Trường sĩ quan lục quân 1, Cục xe máy 384 quân đội, Phòng thí nghiệm hóa dầu, Đại học mỏ địa chất, Viện hóa học công nghiệp Việt Nam

đã giúp tôi thực hiện các phép đo trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện khoa học và công nghệ, Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án

Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người thân trong gia đình tôi đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và động viên,

hỗ trợ tôi thực hiện thành công luận án !

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Hồng

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON 5

1.1 Tổng quan về ống nano-cacbon 5

1.1.1 Giới thiệu về ống nano-cacbon 5

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của ống nano- cacbon 5

1.1.3 Các phương pháp chế tạo ống nano-cacbon 9

1.1.4 Một số tính chất của ống nano-cacbon 12

1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon 16

1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano 16

1.2.2 Các phương pháp chế tạo 16

1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs 17

1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano 19

1.3 Dầu bôi trơn tản nhiệt 20

1.3.1 Giới thiệu về dầu bôi trơn 20

1.3.2 Một số thông số của dầu bôi trơn 22

1.3.3 Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn 23

1.3.4 Pha trộn dầu bôi trơn 27

1.3.5 Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon 28

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án 29

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 29

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 31

1.4.3 Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano - cacbon 31

1.5 Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

Trang 6

2.1 Phương pháp thực nghiệm 34

2.1.1 Phương pháp biến tính CNTs 34

2.1.2 Phương pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano 35

2.1.3 Phương pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu 37

2.1.4 Phương pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano 40

2.2 Phương pháp mô hình hóa và tính toán lý thuyết 40

2.3 Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 41

2.3.1 Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt 41

2.3.2 Nguyên liệu tản nhiệt 42

2.4 Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu 43

2.4.1 Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn 43

2.4.2 Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần nano- cacbon 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON 44

3.1 Kết quả biến tính CNTs 44

3.2 Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon 46

3.2.1 Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO 46

3.2.2 Tối ưu hàm lượng CNTs trong trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano 48

3.2.3 Cơ chế phân tán CNTs 50

3.2.4 Tối ưu hàm lượng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt nano 52

3.3 Tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt 56

3.3.1 Tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt dầu bôi trơn 56

3.3.2 So sánh kết quả với các nhóm nghiên cứu trên thế giới 57

3.4 Đánh giá một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được 58

3.4.1 Độ nhớt 58

3.4.2 Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano 59

Trang 7

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG

NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

64

4.1 Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ 64

4.1.1 Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử 66

4.1.2 Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ 67

4.1.3 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ 69

4.1.4 Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử 71

4.2 Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng 94

4.3 Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp 102

4.4 Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự 110

4.5 Khảo sát dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực tế 118

4.5.1 Thử nghiệm thực tế trên xe thiết giáp 118

4.5.2 Thử nghiệm thực tế trên xe chở khí tài quân sự 120

4.6 Thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn 122

KẾT LUẬN CHUNG 126

KIẾN NGHỊ VÀ KẾ HOẠCH TIẾP THEO 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 128

Trang 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130PHỤ LỤC 141

Trang 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNT Ống nano cacbon – Carbon nanotube

CNF Sợi nano cacbon - Carbon nanofibers

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử - Atomic Force Microscope

STM Kính hiển vi xuyên hầm quét - Scanning Tunneling Microscope CVD Lắng đọng hoá học pha hơi - Chemical Vapor Deposition

CPU Vi xử lý trung tâm - Central Processing Unit

LED Điốt phát quang - Light Emitting Diode

SEM Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope

FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường - Field Emitting Scanning

Electron Microscope TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscope

HRTEM Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao - High Resolution

Transmission Electron Microscope TGA Phân tích nhiệt trọng lượng - Thermogravimetric Analysis

XRD Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction

MWCNT Ống nano cacbon đa tường - Muti-walled Carbon Nanotube

SWCNT Ống nano cacbon đơn tường - Single-walled Carbon Nanotube PAO Dầu gốc - Poly AlphaOlefine

FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi fourier - Fourrier Transformation InfraRed

UV – VIS Quang phổ hấp thụ phân tử - Ultraviolet visible

SDS Sodium dodecyl Sulfate

EG Ethylen Glycol

FHP Ống dẫn nhiệt phẳng – Flat heat pipe

SAE Chỉ số phân loại dầu nhớt – Society of automobile engineers

API American Petroleum Institute

DOS Electronic density of states

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất cơ học của CNTs với các vật liệu khác [18] 13

Bảng 1.2 Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt [46] 18

Bảng 1.3 Thành phần dầu bôi trơn thương phẩm [83, 84] 28

Bảng 3.1 Tổng hợp các thông số theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, ГОСТ 6360-83,

ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga kết hợp thêm một số

tiêu chuẩn khác đối với dầu bôi trơn 52

Bảng 3.2 Hàm lượng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt cho tàu thủy cỡ nhỏ

theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 sau quá trình nghiên cứu tối ưu hóa

trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích 53

Bảng 3.3 Hàm lượng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe tăng

theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 sau quá trình nghiên cứu tối ưu hóa trên

cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích 54

Bảng 3.4 Hàm lượng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe thiết

giáp theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 sau quá trình nghiên cứu tối ưu

hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích 54

Bảng 3.5 Hàm lượng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe chở khí

tài quân sự theo tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85 sau quá trình nghiên cứu

tối ưu hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích 55

Bảng 3.6 So sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo được với

dầu bôi trơn thương phẩm và dầu không chứa thành phần nano dùng

cho tàu thủy cỡ nhỏ 60

Bảng 3.7 Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế

tạo được, dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano

cho động cơ xe tăng 61

Bảng 3.8 Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo

được với dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động

cơ xe thiết giáp 61

Bảng 3.9 Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo

được với dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe chở khí tài quân sự 62

Trang 11

Bảng 4.1 Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ 68 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt

sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ 1

Bảng 4.3 Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe tăng 97 Bảng 4.4 Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt

sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử 1động cơ xe tăng 1

Bảng 4.5 Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe thiết giáp 105 Bảng 4.6 Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt

sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp 1

Bảng 4.7 Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ

xe chở khí tài quân sự 113

Bảng 4.8 Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt

sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự 1

Bảng 4.9: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thường

và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe thiết giáp 119

Bảng 4.10 Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thường

và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe ZIL 131 121

Trang 12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNTs [6] 6

Hình 1.2 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNT [7] 6

Hình 1.3 (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)

và chiral (10,5) [8, 9] 8

Hình 1.4 Các loại defect trên ống CNTs: a) ở đầu ống, b) ở thân ống [10] 8

Hình 1.5 Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu được

bằng phương pháp này [13] 9

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [13] 11

Hình 1.7 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT (đường nét liền) và của graphit (đường nét đứt) vào nhiệt độ [26] 15

Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT vào nhiệt độ [27] 15

Hình 1.9 Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48] 18

Hình 1.12 Một số loại dầu bôi trơn trên thế giới 29

Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs 34

Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại phòng thí nghiệm 36

Hình 2.3 Quá trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs 37

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nano cacbon cho thiết bị quân sự 46

Hình 3.2 Quy trình để phân tán CNTs trong dầu gốc 47

Hình 3.3 Phổ phân bố kích thước của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đo trên thiết bị Zeta-Sizer với các trường hợp khác nhau: Rung siêu âm 40 phút (a), rung siêu âm 50 phút (b) và rung siêu âm 60 phút (c) 49

Hình 3.4: Dầu bôi trơn chứa thành phần ống nano - cacbon chế tạo được 50

Hình 3.5: Phổ phân bố kích thước đo trên thiết bị Zeta-Sizer của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt với hàm lượng 0,13% thể tích và thời gian rung siêu âm là 60 phút 50

Trang 13

Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo đạc khảo sát độ dẫn

nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt với các hàm lượng CNTs khác nhau 56

Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm về độ dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs do nhóm S.U.S Choi và tập thể nghiên cứu thực hiện 58

Hình 3.8 Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC 58

Hình 3.9 Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 100oC 59

Hình 4.1: Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ dùng để thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự 64

Hình 4.2: Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ 65

Hình 4.3 Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau 66

Hình 4.4 Kết quả khảo sát nhiệt độ nước động cơ với các loại dầu khác nhau 67

Hình 4.5 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm 69

Hình 4.6 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano 70

Hình 4.7 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano 70

Hình 4.8 Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe tăng dùng để thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự 94

Hình 4.9 Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe tăng 95

Hình 4.10 Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau 96

Hình 4.11 Kết quả khảo sát nhiệt độ nước động cơ với các loại dầu khác nhau 96

Hình 4.12 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm 98

Hình 4.13 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano 98

Trang 14

Hình 4.14 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong

trường hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano 99

Hình 4.15 Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe thiết giáp dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự 102

Hình 4.16 Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe thiết giáp 103 Hình 4.17 Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau 104 Hình 4.18 Kết quả khảo sát nhiệt độ nước động cơ với các loại dầu khác nhau 105 Hình 4.19 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong

trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm 106

trường hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano 107

Hình 4.22 Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe ZIL 131 dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự 110

Hình 4.23 Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe ZIL131 111 Hình 4.24 Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau 112 Hình 4.25 Kết quả khảo sát nhiệt độ nước động cơ với các loại dầu khác nhau 113 Hình 4.26 Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong

trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm 114

trường hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano 115

Hình 4.29: Ảnh chụp xe thiết giáp BTR-60 PB dùng trong chạy thử nghiệm thực tế

dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Trường Sỹ quan Lục quân 1 thực hiện 118

Hình 4.30 Ảnh chụp xe chở khí tài quân sự ZIL 131 dùng trong chạy thử nghiệm

thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự thực hiện 120

Trang 15

Hình 4.31: Đồ thị nhiệt độ của đèn pha LED 300W và giàn tỏa nhiệt theo thời gian

khi sử dụng và không sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs 123

Trang 16

1

MỞ ĐẦU

Các trang thiết bị như xe chở khí tài quân sự, xe tăng, xe thiết giáp, tàu thủy là những thiết bị nòng cốt của quân đội Đây là những thiết bị đặc chủng, đắt tiền khó mua và có tính bảo mật cao Việc gia tăng độ bền, tuổi thọ và công suất hoạt động của các động cơ của xe chở khí tài, xe tăng, xe thiết giáp, tàu thủy có ý nghĩa rất quan trọng Hiện nay, quân đội ta vẫn nhập các loại dầu bôi trơn thương phẩm từ Cộng Hòa Liên Bang Nga Tuy nhiên, những loại dầu bôi trơn này có hệ số

ma sát khá cao và dầu chỉ sử dụng trong thời gian tương đương với phạm vi hoạt động từ 3000 – 5000 km đã phải thay dầu bôi trơn mới Điều này làm giảm đi khả năng tác chiến trong chiến đấu và huấn luyện cũng như những hạn chế trong việc nâng cao độ bền, tuổi thọ, công suất, tiêu hao nhiên liệu, khí thải và thời gian sử dụng của động cơ

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nano, nhiều loại vật liệu mới có kích thước nano với nhiều tính năng ưu việt, vượt trội đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng Nhiều nghiên cứu cho thấy việc đưa thêm các vật liệu có cấu trúc nano trong đó có vật liệu nano cacbon (CNTs) đã tạo ra nhiều vật liệu mới

có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp cũng như đời sống Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên tới 2000 W/mK [1, 2] Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu trong các hệ thống tản nhiệt

Một số nghiên cứu trên thế giới cho thấy việc sử dụng vật liệu CNTs vào dầu bôi trơn giúp làm giảm hệ số ma sát của động cơ, tăng độ dẫn nhiệt qua đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao độ bền, tuổi thọ cho động cơ Các sản phẩm dầu bôi trơn, tản nhiệt sử dụng vật liệu nano cacbon đã được chế tạo ở Hoa Kỳ, một số nước ở Châu Âu, Hàn Quốc, trong đó có các loại dầu đặc chủng dùng trong quân đội nhưng không được thương mại hóa Vì vậy, việc làm chủ công nghệ để có thể tự sản xuất được ở trong nước là vấn đề rất cần thiết Khi có chiến tranh xảy ra, việc nhập khẩu dầu bôi trơn trở nên khó khăn

Từ tình hình thực tế đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo

Trang 17

2

dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự" làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình

Mục đích của luận án:

– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng ống nano-cacbon từ dầu gốc

– Xây dựng mô hình truyền nhiệt của động cơ sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt

có thành phần CNTs và đánh giá một số tính chất của nó

– Ứng dụng dầu bôi trơn tản nhiệt cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây

đã được triển khai thực hiện:

– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nano-cacbon

- Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát các tính chất lý, nhiệt, điện của các vật liệu tản nhiệt chế tạo được

– Tính toán, xây dựng mô hình tản nhiệt của động cơ đốt trong sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa ống nano - cacbon và so sánh với kết quả thực nghiệm – Nghiên cứu thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo cho động cơ đốt trong của một số thiết bị quân sự

– Trên cơ sở thực nghiệm và tính toán có được, tiến hành tối ưu hóa điều kiện công nghệ chế tạo đồng thời định hướng ứng dụng thực tiễn của dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo được

Đối tượng nghiên cứu

Dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần CNTs sử dụng cho động cơ đốt trong của một số thiết bị quân sự

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với các nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng cho động cơ đốt trong của một số thiết bị quân sự (tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp, xe chở khí tài quân sự)

- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính

Trang 18

Bố cục và nội dung của luận án

Luận án bao gồm 142 trang với 22 bảng, 62 hình vẽ và đồ thị Ngoài phần Mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và 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 ống nano-cacbon, chất lỏng tản nhiệt chứa

thành phần ống nano-cacbon, dầu bôi trơn tản nhiệt và tổng quan được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án Phần tổng quan về ống nano-cacbon trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày

về chất lỏng chứa thành phần CNTs và các phương pháp chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs Dầu bôi trơn, các thông số của dầu bôi trơn, các phụ gia có trong dầu bôi trơn cũng như cách pha trộn dầu bôi trơn cũng đã được trình bày Phần nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án đã khái quát, tìm hiểu một số nghiên cứu của tác giả trên thế giới từ năm 2012 đến năm 2017 Đồng thời cũng tìm hiểu việc nghiên cứu trong nước cho đến thời điểm hiện tại

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

gồm: Hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tán Zeta-Sizer Chương 2 cũng đã trình bày về nguyên liệu, hóa chất sử dụng trong luận án và các trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu

Chương 3: Trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –

OH và –COOH, kết quả chế tạo và xác định một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs Trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon Từ đó so sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới

Trang 19

4

Chương 4: Trình bày kết quả thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành

phần CNTs chế tạo được cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp, xe chở khí tài quân sự Đồng thời nghiên cứu định hướng, mở rộng ứng dụng của dầu bôi trơn tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn

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

Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam

Những đóng góp mới của luận án

- Đã làm chủ được công nghệ chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống cacbon trên cơ sở dầu gốc PAO sử dụng cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

nano Đã chế tạo được 4 loại dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon sử dụng cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự

- Đã tiến hành thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự với hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu

từ 10-15%, tăng tuổi thọ của dầu lên 4 lần so với dầu thông thường và giảm

ma sát

Trang 20

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON 1.1 Tổng quan về ống nano-cacbon

1.1.1 Giới thiệu về ống nano-cacbon

Vật liệu cacbon cấu trúc nano dạng sợi lần đầu tiên được phát hiện vào năm

1976 bằng phương pháp CVD bởi nhóm nghiên cứu M Endo Sau 15 năm, Tiến sỹ

S Iijima (Nhật Bản) trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene được tạo ra từ phương pháp hồ quang điện đã phát hiện ra một dạng thù hình mới của cacbon thông qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đặt tên vật liệu này là ống nano-cacbon (carbon nanotubes - CNTs) [3] Kể từ năm 1991 đến nay đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng loại vật liệu mới này và đã cho nhiều kết quả nổi bật Vật liệu CNTs đã mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn do sở hữu những tính chất hết sức độc đáo và ưu việt

Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, CNTs có nhiều tính năng như: Độ dẫn điện thay đổi theo kích thước và cấu trúc của ống nhẹ hơn thép 6 lần nhưng lại bền hơn thép cỡ

100 lần, chịu được nhiệt độ rất tốt (~ 2800oC trong chân không và ~ 700oC trong không khí), có tính đàn hồi tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả năng phát xạ điện từ ở từ trường thấp Bên cạnh khả năng tạo được vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị điện tử kích thước nano thì CNTs còn có thể ứng dụng trong vật liệu tản nhiệt

Xét về cấu trúc, do diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNTs được

sử dụng như vật liệu hấp phụ Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNTs có thể hoạt hóa bằng các oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano - cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của ống nano- cacbon

Bản chất của liên kết trong ống nano-cacbon được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital Liên kết hóa học của các ống nano - cacbon được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự than chì Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp3 trong kim cương, tạo ra những phân tử có độ bền đặc biệt Các ống nano - cacbon thông thường được xếp thành các "sợi dây thừng" được giữ với nhau bằng lực Van der Waals [4, 5]

Trang 21

6

Ở đây chúng ta quan tâm đến các mặt graphen vì có thể coi CNTs được tạo thành bằng cách cắt các tấm graphen ra, sau đó cuộn tròn lại Có rất nhiều kiểu cuộn khác nhau dựa theo hướng cuộn, chính sự khác nhau này làm cho CNTs có các tính chất vật lý, hóa học phong phú đa dạng và có thể thay đổi

Tuy nhiên, không phải lúc nào ống nano - cacbon cũng có hình dạng giống như hình dạng của tấm graphen cuộn lại Bởi vì tấm graphen gồm các nguyên tử cacbon xếp trên 6 đỉnh của hình lục giác, còn CNTs lại có sự xuất hiện của các đa giác là ngũ giác

Hình 1.1 Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNTs [6]

Có hai loại ống nano - cacbon là: Ống nano cacbon đơn lớp hay còn được gọi

là ống nano - cacbon đơn tường (SWCNT), được cấu tạo bởi một lớp duy nhất các nguyên tử cacbon và ống nano - cacbon đa lớp với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, hay còn được gọi là ống nano - cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.2a, hình 1.2b)

Hình 1.2 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNT [7]

Trang 22

7

Ống nano-cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphen) thành một hình trụ liền và được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fulleren Do đó CNTs còn được biết đến như là fulleren có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp

từ 0,34 nm đến 0,39 nm Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm

Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi vectơ Chiral, kí hiệu là C h Vectơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphen và độ lớn đường kính ống (hình 1.3a)

Ch  na1  ma2  ( , ) n m (1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên

a 1 và a 2 là các vectơ đơn vị của mạng graphen

Có nhiều cách chọn vectơ cơ sở a 1 , a 2, một trong các cách chọn chỉ ra trong hình 1.3a dưới đây

3

Với a là hằng số mạng của graphit: a = 0,246 nm

Góc của vectơ Chiral θ:

) (

2

2 cos

2 2

nm m n

m n

các cặp chỉ số (n, m) khác nhau Ba cấu trúc thường gặp đó là: amchair, zigzag và chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.4b)

Trang 23

8

CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều dài từ

một vài micromet đến vài milimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính và diện tích bề

mặt của nó là rất lớn

Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs Trên thực tế, cấu trúc của

CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect Các sai hỏng này

được phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon

cấu thành nên CNTs

Hình 1.3 (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)

và chiral (10,5) [8, 9]

Các sai hỏng theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các

vòng cacbon không phải 6 cạnh Các vòng cacbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8

cạnh, chủ yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.4)

Các sai hỏng theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử

cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do đó cấu trúc của

CNTs không chỉ gồm các liên kết C-C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp2+α (-1 < α < 1)

Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs

Hình 1.4 Các loại defect trên ống CNTs: a) ở đầu ống, b) ở thân ống [10]

Trang 24

9

Ngoài các dạng sai hỏng trên, còn một số dạng sai hỏng khác như liên kết

không hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí Các sai hỏng có vai trò rất quan trọng, chúng

là đầu mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs Các sai hỏng

này có thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức

hoạt động như carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu

để hoạt hóa, biến tính vật liệu CNTs Tuy nhiên, các sai hỏng này cũng ảnh hưởng

tới các tính chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện Nó có thể làm giảm độ

bền về mặt cơ học và làm thay đổi cấu trúc dải điện tử của CNTs

1.1.3 Các phương pháp chế tạo ống nano-cacbon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu CNTs,

nhưng trong luận án này chúng tôi chỉ tập trung quan tâm đến phương pháp bốc bay

laze và phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) Sau hơn 20 năm kể từ

ngày được phát hiện, vật liệu CNTs đã được chế tạo với số lượng lớn và đã được

thương mại hóa [11, 12] Tùy vào tính chất vật liệu CNTs cần tổng hợp mà mỗi

phương pháp có ưu thế riêng

1.1.3.1 Phương pháp bốc bay laze

Hình 1.5 Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu được

bằng phương pháp này [13]

Phương pháp bốc bay bằng laze là một phương pháp có hiệu quả cao cho quá

trình tổng hợp bó SWCNT với vùng phân bố hẹp Trong phương pháp này, một

miếng graphit dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dưới áp suất cao trong môi

trường khí trơ MWCNTs được tạo ra trên bia graphit sạch Chất lượng và hiệu suất

Trang 25

10

của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lượng sản phẩm tốt nhất ở nhiệt độ 1200ºC Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lượng cấu trúc giảm và CNTs bắt đầu xuất hiện những sai hỏng Trong phương pháp bốc bay bằng chùm laser, năng lượng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite được đặt ở trong lò đốt bằng điện ở nhiệt độ khoảng 1200ºC Luồng khí Ar (áp suất ~500 Torr) thổi hơi cacbon

từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng được làm lạnh bằng nước như được thể hiện trên hình 1.5 Nếu dùng bia graphit tinh khiết ta sẽ thu được MWCNTs Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lượng

Ni và Co bằng nhau sẽ thu được SWCNT Trong sản phẩm còn có các dây nano tạo bởi các SWCNT với đường kính từ 10 nm đến 20 nm và dài trên 100 m

Giá trị trung bình của đường kính ống và mật độ phân bố đường kính ống tuỳ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp và thành phần xúc tác Để tạo SWCNT, người ta còn dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự do (FEL) hoặc phương pháp xung laser liên tục

Phương pháp này có ưu điểm là sản phẩm thu được có độ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện Tuy nhiên, đây chưa phải là phương pháp

có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lượng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó nguồn laser yêu cầu công suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao,

1.1.3.2 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi

Lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) là một phương pháp mà nhờ đó vật liệu rắn được lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt

đế được nung nóng Trong CVD, vật liệu rắn thu được là dạng lớp phủ, bột hoặc đơn tinh thể Bằng cách thay đổi điều kiện thí nghiệm, vật liệu đế, nhiệt độ đế, thành phần cấu tạo của hỗn hợp khí phản ứng, áp suất, có thể điều chỉnh được những đặc tính khác nhau của vật liệu CVD là phương pháp phổ biến nhất để chế tạo CNTs với số lượng lớn, độ đồng đều cao và có thể điều khiển thông số tính chất CNTs trong quá trình chế tạo Bên cạnh đó hầu hết các doanh nghiệp sản xuất CNTs với số lượng lớn đều sử dụng phương pháp CVD trong chế tạo Hiện nay, có nhiều phương pháp CVD sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để tổng hợp CNTs, ví dụ như: Phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v…

Trang 26

11

Về nguyên lý, hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một buồng phản ứng được đặt trong lò nhiệt như trên hình 1.6 Trong quá trình CVD, nguồn khí hydrocacbon bị phân huỷ (nhờ nhiệt độ) trên các hạt xúc tác kim loại để tạo thành CNTs Chiều dài SWCNTs và MWCNTs thu được có thể lên đến vài mm trong điều kiện mọc theo

cơ chế cánh diều Đường kính, tốc độ mọc, loại cấu trúc và hiệu suất tạo CNTs phụ thuộc vào một số tham số quan trọng như: xúc tác, nguồn khí hydrocacbon, nhiệt

độ, thời gian CVD Xúc tác thông thường được sử dụng là các hạt nano kim loại như Fe, Ni, Co, Mo, Kích thước hạt xúc tác liên quan trực tiếp đến đường kính của ống nano và qua đó có thể điều khiển đường kính và loại cấu trúc CNTs thu được Kết quả thu được của nhiều nhóm nghiên cứu rất khác nhau nhưng nhìn chung nếu các hạt xúc tác có kích thước > 15nm thì chỉ thu được MWCNTs Muốn thu được SWCNTs thì kích thước hạt nên < 5nm Ngoài ra việc sử dụng xúc tác là hỗn hợp 2 kim loại như Co-Mo, Mo-Fe Nguồn hydrocacbon thường dùng là axetylen (C2H2) hoặc etylen (C2H4), nhiệt độ mọc CNTs thông thường nằm trong dải nhiệt độ 500-900ºC [13]

Hình 1.6.Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [13]

Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện như: Nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3,…Có thể tạo lượng lớn ống nano - cacbon bằng cách cho acetylen ngưng đọng trên zeolit có xúc tác là Co và Fe

Vì zeolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân tử dễ dàng lọt vào các lỗ trống

đó nên khi cho axetylen ngưng tụ trên Co/Zeolit, ta có được ống nano - cacbon nhiều vách nhưng đồng thời cũng có fulleren và ống nano - cacbon đơn vách

Trang 27

Việc đo trực tiếp các thông số cơ học của đơn sợi CNTs rất khó, nên các thông số cơ học của vật liệu CNTs chủ yếu thu được từ mô phỏng trên máy tính hoặc thông qua các phép đo gián tiếp Năm 1996, Ebbessen T và các cộng sự của hãng NEC đã công bố suất Young trung bình của CNTs vào khoảng 1,8 TPa (tetrapascal- 1012 pascal) [14] Giá trị này được tính từ sự thay đổi vị trí của ống ở các nhiệt độ khác nhau qua kính hiển vi điện tử Năm 1997, Wong công bố giá trị suất Young trung bình của CNTs là 1,28 TPa, kết quả này được xác định thông qua lực tương tác của đầu típ kính hiển vi lực nguyên tử (AFM - Atomic Force Microscope) và độ lệch của ống CNTs khỏi vị trí cân bằng [15] Năm 1998, Gao G., Cagin T và Goddard W công bố giá trị suất Young của CNTs phụ thuộc vào véctơ chiral Với ống armchair (10, 10) giá trị suất Young là 640,3 GPa (gigapascal-109 pascal), ống zigzag (17, 0) có giá trị 673,94 GPa và ống chiral (12, 6) có giá trị 673 GPa [16]

Các nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc ống nano cacbon như số lớp, đường kích, độ dài, hướng cuộn sẽ ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ học như suất Young, hệ số đàn hồi và độ bền kéo của CNTs Chính vì vậy mà các thông số này

có thể dao động trên một dải khá rộng Hai thông số cơ học quan trọng của CNTs

đó là mô đun Young và độ bền kéo Mô đun Young, hay mô đun ứng suất, hay còn gọi mô đun đàn hồi được đo bằng lực (trên một đơn vị diện tích) cần để kéo giãn (hoặc nén) một mẫu vật liệu Công thức để xác định mô đun Young được mô tả như sau:

0 0

F A E

l l



 (1.5)

Trong đó δl là độ biến thiên chiều dài vật liệu dưới tác dụng của lực F Độ

bền kéo đặc trưng cho khả năng chịu tác dụng lực, có thể được hiểu như là khi một

Trang 28

Quan sát bằng hiển vi điện tử quét cho thấy khi biến dạng, CNTs có lúc bị bẹt lại, có lúc ống bị xoắn có khi ống thắt eo nhiều nấc Về mặt năng lượng, ống thu nhận năng lượng cơ học để biến dạng nhưng khi cấu trúc ống thay đổi đột ngột, ống lại giải phóng năng lượng [17] Vì thế nên độ bền kéo của mỗi ống tối đa có thể lên đến 150 GPa Kết quả so sánh một số tính chất cơ học của vật liệu CNTs với các vật liệu khác được chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất cơ học của CNTs với các vật liệu khác [18]

Vật liệu Suất Young

(GPa)

Độ bền kéo (GPa)

Khối lượng riêng (g/cm3)

1.1.4.2 Tính chất quang và quang điện

Những sai hỏng cấu trúc của CNTs đặc biệt là đối với SWCNT, dẫn tới sự xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn được xác định, đó chính là

Trang 29

14

cơ sở cho những ứng dụng quang và quang điện của CNTs Phổ quang học của từng SWCNT riêng lẻ hoặc bó SWCNT đã được chứng minh bằng cách sử dụng phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng ngoại (UV-VIS-NIR)

Cấu trúc vùng hoặc DOS của SWCNTs giúp đánh giá được tính chất quang

và quang điện của CNTs Biểu thức xác định cấu trúc vùng hoặc DOS một chiều của SWCNT có thể được tính thông qua graphit như sau:

(1.6)

Với  

2 2,

m m

nhỏ, đồng thời bước sóng của CNTs bán dẫn dao động trong khoảng 300 đến 3000

nm Những tính chất này đã mở ra khả năng ứng dụng của CNTs bán dẫn trong các linh kiện quang , các thiết bị quang điện tử laser xanh đến các đầu dò hồng ngoại

1.1.4.3 Tính chất nhiệt

CNTs có những tính chất nhiệt ưu việt, và là một trong số những vật liệu có

độ dẫn nhiệt tốt nhất hiện nay Hai thông số nhiệt quan trọng nhất của CNTs là nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt Cả hai thông số này được xác định chủ yếu bởi các quá trình hấp thụ và phát xạ phonon Những nghiên cứu đã cho thấy rằng nhiệt dung riêng của CNTs phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ trong vùng nhiệt độ thấp, đồng thời thấp hơn so với graphit khối khoảng 100 J/kg.K Nhiệt dung riêng còn phụ thuộc vào các tương tác giữa các ống trong bó hay các lớp graphit trong MWCNTs

và đường kính của chúng Độ dẫn nhiệt λ của CNTs được tính bởi công thức (1.10):

Trang 30

Với C(T) là nhiệt dung riêng của CNTs, T là nhiệt độ môi trường, V grouplà

vận tốc nhóm của các phonon và τ là thời gian phục hồi của phonon

CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống Về lý thuyết, tại nhiệt độ phòng độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT biến đổi trong khoảng từ 1800 đến

6000 W/m.K (hình 1.7) [26]

Hình 1.7 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT (đường nét liền) và của

graphit (đường nét đứt) vào nhiệt độ [26]

Do độ dẫn nhiệt của vật liệu CNT phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đường kính ống, chiều dài ống, sai hỏng trên thành ống, mật độ giữa các ống, v.v… Vì vậy, thực tế ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của các đơn sợi CNT đo được chỉ đạt khoảng 750 W/m.K (hình 1.8) [27]

Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT vào nhiệt độ [27]

Trang 31

16

Fujii cũng đã công bố độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT với đường kính 28,2 nm

là 500 W/m.K [27] Đối với các mẫu CNT khối, bao gồm các màng CNT, bó CNT,

và VA- CNT, độ dẫn nhiệt chỉ đạt giá trị từ 15÷200 W/m.K Sự khác nhau giữa độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT với các màng khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố Đặc biệt

do tiếp xúc giữa ống-ống, tiếp xúc mạng nền và ống, và tăng mật độ sai hỏng do các phương pháp chuẩn bị mẫu đo có thể làm giảm quãng đường tự do trung bình phonon dẫn tới làm giảm độ dẫn nhiệt của các mẫu CNT khối so với các đơn sợi CNT [28] Mặc dù vậy, độ dẫn nhiệt của các đơn sợi CNT vẫn cao hơn nhiều so với các kim loại có độ dẫn nhiệt tốt nhất như Ag, Cu và Al, cụ thể độ dẫn nhiệt của Ag

là 429 W/m.K, của Cu là 401 W/m.K và của Al là 237 W/m.K [29] Độ dẫn nhiệt tốt của vật liệu CNT đã mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu CNT tản nhiệt trong các linh kiện điện tử công suất cao như LED, CPU, v.v…

1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon

1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano

Chất lỏng nano (nanofluilds) là khái niệm tổng quan để chỉ loại chất lỏng trong đó có sự phân tán đồng đều và ổn định của các vật liệu kích thước nanomet như các hạt nano, sợi nano, ống nano, dây nano, thanh nano, hay tấm nano trong một nền chất lỏng cơ sở như là nước, dầu, ethylen glycol, vv… Như vậy, chất lỏng nano có hai pha, trong đó bao gồm một pha rắn nằm trong một pha lỏng Những nghiên cứu trên thế giới đến nay cho thấy thông qua việc bổ sung thêm vật liệu nano, chất lỏng nano có nhiều tính chất cơ lý ưu việt so với các chất lỏng cơ sở về tính dẫn nhiệt, dẫn điện, độ nhớt, và mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau [30-35]

1.2.2 Các phương pháp chế tạo

Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp chính, bao gồm: Phương pháp hai bước (Two - Step Method) và phương pháp một bước (One - Step Method) [30] Phương pháp một bước là phương pháp tổng hợp trực tiếp vật liệu nano ngay trong chất lỏng bằng cách áp dụng các phương pháp hóa học hay vật lý Như vậy quá trình chế tạo và phân tán vật liệu nano được thực hiện đồng thời cùng một lúc, do vậy giúp các hạt nano phân tán đồng đều hơn, và sự ổn định của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn

Trang 32

17

Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho việc chế tạo chất lỏng nano trong đó vật liệu nano (hạt nano, sợi nano, ống nano, hay vật liệu nano khác) được sản xuất ở dạng bột trước, sau đó mới được phân tán vào một chất lỏng nền với sự hỗ trợ của các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v Về mặt kinh tế, phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế hơn để sản xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, tuy nhiên chất lỏng nano được chế tạo bằng phương pháp này không đạt được tính ổn định cao so với phương pháp một bước do

tỷ số diện tích bề mặt lớn, các hạt nano có xu hướng tụ đám lại với nhau

1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

1.2.3.1 Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

Trong hai phương pháp chính để chế tạo chất lỏng nano thì phương pháp hai bước là phương pháp chủ yếu để chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs vì

nó không đòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu CNTs đã được chế tạo sẵn với số lượng lớn ở quy mô công nghiệp Trong khi đó phương pháp một bước đến nay vẫn không khả thi đối với chất lỏng chứa nano thành phần CNTs và hiện chưa có nhóm nghiên cứu nào thử nghiệm về phương pháp này [43]

Việc phân tán ổn định CNTs trong nền chất lỏng là hết sức quan trọng, nhiều nghiên cứu cho thấy nếu chỉ biến tính thì CNTs sẽ bị lắng đọng chỉ sau một thời gian ngắn [44] Vì vậy người ta có sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt để tăng cường hiệu quả phân tán và sự ổn định của CNTs trong nền chất lỏng như: Tween, SDS, PVP, GA, CTAB, SDBS, Các kết quả nghiên cứu cho thấy CNTs biến tính kết hợp với chất hoạt động bề mặt cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này được giải thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các

bề mặt tích điện âm tồn tại trên chất hoạt động bề mặt khi gắn kết với CNTs [45] Ngoài ra phương pháp rung siêu âm là kỹ thuật quan trọng để tách rời CNTs ra khỏi

tụ đám tại thời điểm đầu tiên trong quá trình chế tạo chất lỏng nano

1.2.3.2 Tính chất nhiệt của chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

Trong số các loại vật liệu nano thì CNTs là loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt Bảng 1.2 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt, kết quả cho thấy CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ 4.000 - 12.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng Với độ dẫn nhiệt cao như vậy khi đưa

Trang 33

18

CNTs vào chất lỏng sẽ giúp nâng cao đáng kể độ dẫn nhiệt cũng như các tính chất nhiệt khác cho chất lỏng nano

Bảng 1.2 Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt [46]

STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

Hình 1.9 Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol

(EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48]

Chẳng hạn như ở hình 1.9 là kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của nước cất (DW)

và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng do nhóm nghiên cứu Lifei Chen thực hiện, kết quả cho thấy khi đưa thêm thành phần CNTs độ

Trang 34

19

dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên từ 10 – 15% Hay nhóm nghiên cứu Choi đã đưa thên thành phần CNTs vào dầu poly (α - olefin) để tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên đến 160% [47] Những kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn của CNTs trong việc nâng cao tính chất nhiệt của chất lỏng nano cũng như ứng dụng trong tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất

1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano

Chất lỏng nano có nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như tản nhiệt cho linh kiện điện tử Chẳng hạn nhóm nghiên cứu Tsaia đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của nanofluids chứa hạt nano vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [49] Hay nhóm nghiên cứu Chen đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng chất lỏng nano bạc [37] Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng chất lỏng nano bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết Ngoài ra chất lỏng nano có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho động cơ ôtô Cụ thể nanofluids trên nền etylen glycol đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong các ứng dụng làm mát động cơ [52-56] do nó hoạt động ở

áp suất thấp hơn và hiệu quả cao hơn so với một hỗn hợp 50 : 50 của etylen glycol

và nước cất (tỷ lệ phổ biến của nước làm mát động cơ ôtô được sử hiện nay) Chất lỏng nano có nhiệt độ sôi cao hơn so với chất lỏng nền, do vậy được sử dụng để làm tăng nhiệt độ hoạt động của chất lỏng làm mát đồng thời giảm nhiệt trở cho hệ thống làm mát [57] Nhóm nghiên cứu Kole đã sử dụng chất lỏng nano chứa Al2O3

để làm mát động cơ xe hơi với chất lỏng cơ sở là một chất làm mát động cơ xe tiêu chuẩn (HP KOOLGARD) [58] và nghiên cứu tính dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ phòng Các chất lỏng nano chế tạo được chứa 3,5% thể tích là hạt nano Al2O3, nhưng độ dẫn nhiệt tăng lên đáng kể và đạt giá trị tối đa là 10,41% ở nhiệt độ phòng Nhóm nghiên cứu Tzeng [59] đã ứng dụng chất lỏng nano để làm mát cho hộp số tự động

Việc áp dụng các chất lỏng nano để tản nhiệt công nghiệp sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải Dự đoán đối với ngành công nghiệp Mỹ, việc thay nước làm mát và sưởi ấm bằng chất lỏng nano có tiềm năng tiết kiệm 1 nghìn

tỷ Btu năng lượng [61, 62] Mặt khác, đối với ngành công nghiệp điện lực của Hoa

Trang 35

20

Kỳ, việc sử dụng chất lỏng nano trong chu kỳ làm mát khép kín dự đoán có thể tiết kiệm được khoảng 10.000 - 30.000 tỷ Btu mỗi năm (tương đương với mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của khoảng 50.000 – 150.000 hộ gia đình) Việc cắt giảm lượng khí thải liên quan là khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn Oxit Nitơ, và 21.000 tấn SO2 [63]

1.3 Dầu bôi trơn tản nhiệt

1.3.1 Giới thiệu về dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn là sản phẩm cuối cùng từ hai thành phần dầu gốc và các chất phụ gia (là những sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ dưới áp suất thấp hoặc tổng hợp được gọi là dầu bôi trơn khi chúng dùng để bôi trơn – còn gọi là dầu nhớt, dầu nhờn) [64-67] Dầu bôi trơn cho động cơ đốt trong (gọi tắt là dầu động cơ) là nhóm dầu bôi trơn chiếm tỷ trọng lớn nhất và không ngừng được nghiên cứu và hoàn thiện để đáp ứng những yêu cầu của động cơ đốt trong có cường độ làm việc ngày càng cao Dầu gốc chứa các phân tử hydrocacbon nặng và có tính chất lý hóa tương

tự dầu thành phẩm Tuy nhiên chưa thể sử dụng được bởi tính chất của nó chưa đáp ứng được yêu cầu bảo vệ động cơ [68, 69]

Dầu bôi trơn có nhiều công dụng, trong đó có một số công dụng quan trọng nhất sau đây [68, 70]

- Dầu bôi trơn có nhiều công dụng trong đó công dụng quan trọng nhất là bôi trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát do đó giảm mài mòn, tăng tuổi thọ của các chi tiết Nguyên nhân của việc giảm ma sát là

do khi bôi trơn sẽ có sự thay thế ma sát trực tiếp giữa các chi tiết máy bằng ma sát nội tại của màng chất bôi trơn thể lỏng ngăn cách các chi tiết máy Ma sát nội tại giữa các màng chất lỏng này luôn nhỏ hơn nhiều so với các dạng ma sát khác Do vậy tổn thất cơ giới trong động cơ giảm và hiệu suất cơ giới sẽ tăng, điều này được thể hiện trong công thức sau:

Trong đó: - Ƞm : hiệu suất cơ giới

- Ne : công suất có ích

- Ni: công suất chỉ thị

Trang 36

21

Thông thường, hiệu suất cơ giới Ƞm = 65,93%

Từ đó, hiệu suất có ích của động cơ là: Ƞe = Ƞi Ƞm

Trong đó : - Ƞe: hiệu suất có ích của động cơ

- Ƞi : hiệu suất chỉ thị

Trong thực tế thì Ƞi = 22,56%

Ƞe = 15,50%

Hiệu suất có ích tăng lên tức là tăng tính kinh tế của động cơ

- Chống ăn mòn kim loại: Nước là nguyên nhân gây nên sự rỉ sét của các chi tiết được cấu tạo từ kim loại Một thể tích nhiên liệu đốt cháy trong động cơ sẽ sinh

ra một thể tích nước Mặc dù phần lớn nước ở thể hơi và thoát ra ống xả, tuy nhiên vẫn còn một ít đọng lại trong xylanh Hiện tượng này thường xảy ra khi thời tiết lạnh hay khi động cơ chưa được sưởi ấm, thêm vào đó các sản phẩm phụ sinh ra do nhiên liệu cháy dở, ngoài ra còn các chất axit được tạo thành do sự oxy hóa dầu Vì vậy khả năng tạo rỉ sét và ăn mòn càng trở nên trầm trọng Khi sử dụng dầu bôi trơn, nó sẽ tạo một lớp màng mỏng phủ lên trên bề mặt các chi tiết ma sát, có tác dụng chống rỉ trong thời gian ngừng hoạt động, nhất là những bộ phận ẩm ướt Ngoài ra dầu bôi trơn còn có tác dụng hạn chế tối đa sự lan truyền các chất axit được sinh ra từ các loại nhiên liệu nhiều lưu huỳnh trong động cơ diezen

- Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết: Trên bề mặt ma sát, trong quá trình làm việc thường có các vẩy rắn tróc ra khỏi bề mặt Dầu bôi trơn sẽ cuốn trôi các vẩy tróc sau đó được giữ lại ở các phần tử lọc của hệ thống bôi trơn, tránh cho việc

bề mặt bị cào xước Trong động cơ diesel, khi nhiên liệu cháy sẽ tạo ra muội than bám cặn trên thành pittong gây cháy xecmang, làm nghẽn các bộ lọc Trong động

cơ dùng xăng pha chì, khi xăng cháy cũng tạo ra một lượng muội chì, từ đó tạo thành cặn trong quá trình làm việc Vì vậy, khi động cơ chạy rà sau khi lắp ráp, sửa chữa, khi đó còn rất nhiều mạt kim loại còn sót lại trong quá trình lắp ráp và nhiều vẩy rắn bị tróc ra khi chạy rà, do vậy phải dùng dầu bôi trơn có độ nhớt nhỏ để tăng khả năng rửa trôi các mạt bẩn trên bề mặt Dầu bôi trơn với phụ gia tẩy rửa có tác dụng ngăn cản sự tích tụ của cặn giữ cho bề mặt các chi tiết luôn được sạch sẽ tạo điều kiện cho động cơ hoạt động tốt

- Làm mát máy: Nhiều người cho rằng việc làm mát động cơ hoàn toàn dựa

Trang 37

22

vào hệ thống nước làm mát Trên thực tế cho thấy hệ thống nước làm mát chỉ thực hiện được 60% công việc làm mát Nước chỉ làm mát phần trên động cơ là các đỉnh xylanh, lòng xylanh và các van còn trục khuỷu, các ổ đỡ, trục cam, các bánh răng, pittong và nhiều chi tiết khác được làm mát bằng dầu bôi trơn Do ma sát tại các bề mặt làm việc như piston-xy lanh, trục khuỷ-bạc lót, sinh nhiệt Mặt khác, một số chi tiết như piston, vòi phun còn nhận nhiệt của khí cháy truyền đến Do đó nhiệt độ của một số chi tiết rất cao, có thể bị gãy, bị kẹt, giảm độ bền của các chi tiết Nhằm làm giảm nhiệt độ của các chi tiết này, người ta sử dụng dầu bôi trơn để làm mát Dầu bôi trơn ở trạng thái lỏng chảy qua các bề mặt ma sát và mang nhiệt đi Chức năng làm mát đòi hỏi dầu phải chịu được nhiệt độ cao, không bị biến chất do tác dụng của oxy trong không khí ở nhiệt độ cao

- Làm kín máy: Ở một số động cơ ô tô tại vị trí pittong, máy phát, bơm thủy lực làm việc ở áp suất cao, do đó yêu cầu độ kín cao Vì vậy dầu bôi trơn dựa vào khả năng bám dính và tạo màng lấp kín các khe hở, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị

- Rút ngắn quá trình chạy rà động cơ: Khi chạy rà động cơ phải dùng dầu có

độ nhớt thấp Ngoài ra, dầu còn được pha một số các chất phụ gia đặc biệt có tác động làm mềm tổ chức vi kim loại tạo thành lớp rất mỏng trên bề mặt chi tiết Do

đó các chi tiết nhanh chóng rà khớp với nhau rút ngắn thời gian và chi phí chạy rà

1.3.2 Một số thông số của dầu bôi trơn

Trên bao bì của các sản phẩm dầu bôi trơn đều ghi rõ tính năng và phạm vi

sử dụng Hiện nay qua các kỹ thuật chủ yếu đều trên các tiêu chuẩn của các tổ chức Hoa Kỳ Có 2 chỉ số quan trọng cần lưu ý là SAE và API sau đây [68, 70]

Chỉ số SAE: Chỉ số SAE là chỉ số phân loại dầu nhớt theo nhiệt độ ở 100ºC

và -18ºC của hiệp hội kĩ sư Hoa Kỳ (Society of Automobile Engineers) ban hành tháng 6 năm 1989 Tại một nhiệt độ nhất định, ví dụ ở 100ºC chỉ số SAE lớn tức là

độ nhớt của dầu cao và ngược lại Các phân loại của SAE tùy thuộc vào sản phẩm dầu lúc đó là đơn cấp hay đa cấp

Loại đơn cấp: Là loại chỉ có một chỉ số độ nhớt (SAE40, SAE50, SAE10W) Loại đa cấp: Là loại có 2 chỉ số độ nhớt (SAE15W-40, SAE20W-50) Dầu có chỉ số độ nhớt đa cấp có phạm vi nhiệt độ môi trường sử dụng rộng hơn so với loại

Trang 38

23

đơn cấp

Chỉ số API: Chỉ số API la chỉ số đánh giá chất lượng dầu nhớt của Viện dầu

Hoa Kỳ (American Petroleum Institute) API phân ra hai loại dầu chuyên dụng và dầu đa dụng

- Dầu chuyên dụng: Là loại dầu chỉ dùng cho một trong hai loại động cơ xăng hoặc dầu diesel Cấp S dùng cho động cơ xăng, cấp C dùng cho động cơ diezen

- Dầu đa dụng: Là loại dầu bôi trơn có thể dùng cho cả 2 loại động cơ xăng hoặc diezen

1.3.3 Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn thương phẩm để sử dụng cho mục đích bôi trơn là hỗn hợp của dầu gốc và phụ gia Do đó, chất lượng của dầu bôi trơn ngoài phụ thuộc vào dầu gốc còn phụ thuộc vào phụ gia

Dầu gốc chủ yếu được sử dụng để sản xuất dầu bôi trơn nhất là dầu động cơ Phương pháp truyền thống sản xuất dầu gốc là chưng cất chân không phân đoạn từ tháp chưng cất khí quyển, phần sản phẩm có thể tiếp tục qua quá trình xử lý hay xưởng chiết dung môi (solvent extraction) nhằm loại bỏ thành phần không mong muốn như wax, lưu huỳnh và aromatics [71] Trong lĩnh vực sử dụng dầu động cơ chỉ số độ nhớt, điểm đông đặc, độ ổn định oxy hóa và thành phần bay hơi là các chỉ tiêu quan trọng

Phụ gia là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ thậm chí là những nguyên tố hóa học được thêm vào chất bôi trơn nhằm nâng cao hay mang lại những tính chất mong muốn Thông thường, hàm lượng phụ gia chiếm từ vài phần triệu đến vài phần trăm khối lượng Do là những hợp chất hoạt động, vì vậy khi tồn tại trong dầu phụ gia có thể tác dụng với nhau và làm mất chức năng của dầu bôi trơn Ngược lại, chúng cũng

có thể tác động tương hỗ với nhau tạo ra tính chất mới có lợi cho dầu bôi trơn, do đó việc phối trộn các phụ gia cần được nghiên cứu kĩ lưỡng để loại trừ những hiệu ứng đối kháng và nâng cao tính tương hỗ Sự tác động tương hỗ giữa phụ gia và dầu gốc cũng là một yếu tố cần được quan tâm khi sản xuất dầu bôi trơn [72]

Ngày nay, để đạt được các tính năng bôi trơn thì dầu có chứa nhiều loại phụ gia khác nhau Chúng có thể được pha riêng lẻ vào dầu bôi trơn hoặc phối trộn lại với nhau để tạo thành một phụ gia đóng gói rồi mới đưa vào dầu bôi trơn

Trang 39

24

Yêu cầu chung của một số loại phụ gia [72]:

Dễ hòa tan trong dầu

Không hoặc ít hòa tan trong nước

Không ảnh hưởng đến tốc độ nhũ hóa của dầu

Không bị phân hủy bởi nước và kim loại

Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc của hệ thống dầu bôi trơn

Không làm tăng tính hút ẩm của dầu bôi trơn

Hoạt tính có thể kiểm tra được

Không độc, rẻ tiền, dễ kiếm

- Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt

Phụ gia được sử dụng để làm tăng chỉ số độ nhớt là các polyme tan trong dầu

có tác dụng tăng độ nhớt của dầu mỏ, nghĩa là làm cho tốc độ thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ của dầu giảm đi (tăng chỉ số độ nhớt) cũng như để tạo ra các loại dầu mùa đông Các phụ gia này được chia làm hai nhóm: Dạng hydrocacbon và dạng este Dạng hydrocacbon có các loại: Copolyme etylen-propylen, polyizobutilen, copolyme styren-butadien clo hóa, copolyme styren-izopren Dạng este gồm: Polymetacrylat, polyacrylat và các copolyme của este styrenmaleic

Các chất cải thiện độ nhớt được dùng rộng rãi nhất hiện nay là các polyme của etylen-propylen (có thể lên đến 10%) và polyizobutylen (hàm lượng nhỏ 0,2%-0,5%)

- Phụ gia chống oxy-hóa

Phụ gia này nhằm mục đích làm chậm quá trình oxy hóa của dầu (tăng độ bền oxy hóa), khắc phục hiện tượng cháy vòng găng, giảm bớt hiện tượng ăn mòn

chi tiết và tạo cặn Có hai nhóm phụ gia chống oxy hóa [73]:

Phụ gia kìm hãm quá trình oxy hóa ở một lớp dày ngay trong khối dầu: Nhóm này quan trọng nhất là chất ức chế oxy hóa, đó là các hợp chất chứa nhóm phenol hay nhóm amin, cũng có thể chứa hai nhóm đồng thời như các phenol có chứa nito hoặc lưu huỳnh, các kẽm di-ankyl di-thiophotphat (ZnDDP), các hợp chất của photpho, lưu huỳnh Các chất ức chế này có nồng độ thấp, khoảng 0,005 đến 0,5%

Ngoài ra còn có tác dụng bảo vệ, chống rò rỉ ổ đỡ Các chất thơm nhiệt được dùng là các hợp chất hữu cơ có chứa photpho, lưu huỳnh, kẽm (tri-butylaphotphit,

Trang 40

25

di-tiophotphat kẽm ) Phụ gia kìm hãm quá trình oxy hóa dầu ở lớp mỏng trên bề mặt kim loại, đó là các chất thơm nhiệt được pha với tỷ lệ 0,5%-3%, chúng sẽ làm chậm quá trình oxy hóa dầu ở lớp mỏng trên chi tiết động cơ ở nhiệt độ tương đối cao (200ºC -300ºC)

Các loại chất thơm nhiệt dường như là chất thơm quan trọng nhất vì khi động

cơ ngừng hoạt động là lúc dầu ngừng tuần hoàn và khi đó chất thơm tẩy rửa cũng ngừng hoạt động còn chất thơm nhiệt thì ngược lại, sẽ hoạt động mạnh hơn, nó không cho lớp dầu mỏng trên các chi tiết nguội có khả năng biến thành sạn

- Phụ gia tẩy rửa

Với nồng độ 2-10%, các chất tẩy rửa có thể ngăn cản, loại trừ các cặn không tan trong dầu, cặn sạn, cacbon và các hợp chất chì trên các bộ phận của động cơ đốt trong Chúng tác dụng bằng cách hấp thụ lên các hạt không tan, giữ chúng lại trong dầu nhằm giảm tối thiểu cặn lắng và giữ sạch các chi tiết của động cơ Tác nhân quan trọng nhất có tính tẩy rửa là các phụ gia có tính kim loại, chúng bao gồm:

sunphonat, phenolat, salixylat Phần lớn sunphonat, phenolat, salixylat của canxi

hoặc magie được sử dụng như các chất tẩy rửa kim loại [74]

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	3,25 MB