LUẬN VĂN Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát độ dẫn điện của vật liệu Composite nền polymer
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Ống nano carbon (CarbonNano Tubes-CNTs)
Vàonăm1991,SumioIijimacôngbốnhữngkhámpháđầutiênvề mộtloạivật liệumớivớicấutrúclà nhữngốngcarboncóđườngkínhvài nanometer, chiềudàicóthểdàiđếnvàitrămmicrometer,vớitêngọi"ốngnanocarbon– carbonnano tube". Ống nano carbon với cấutrúchình ống nên cócơtínhvà tínhchấtđiệnkhácthường đãlàmkinhngạcnhiềunhàkhoahọctrongcáccơquannghiêncứu,đạihọc vàdoanhnghiệptrên thế giới.Ốngnano carbon có sứcbềnsiêuviệt,độdẫnnhiệtcao vànhiềutínhchấtđiệntửthúvị [9].
Vớidạnghìnhốngdàivàcơtínhlýtưởng,ốngnanocarbonđượccho vàocácloạipolymerđể tạonhữngsảnphẩmnano composite.Vàiphầntrăm ốngnanocarboncóthểgiatăng độ bền,độcứngvà độ daicủapolymerlên nhiềulần.
Cáccôngtychếtạoôtôđangtriểnkhaipolymernano composite chocácbộphậnxehơi.Đặcđiểmcủacáccompositenàylà nhẹ vàbềnchắc. Mộtcơtínhkháccủaốngnanocarbonđangđượckhảosáthiệnnaylàđặc tínhlàmgiảmsốc(shockdamping),chốngrung.Tínhchấtrấtquantrọngnày sẽmangđếnnhữngứngdụngdânsựlẫnquốcphòng.
Điệntíchvà đặctínhđiệntử củaốngnanođãthuhútnhiềusựchúý của cácnhàvậtlývàthiếtkếđiệntửvimạch.Nhờởdạnghìnhốngvàcác electrontựdopitrongống,cácelectrontựdocóthểtảiđiệnnhưngít chịusự phântánelectron(gọilà ballisticconduction).Sựphântánelectronlànguyên nhânđiệntrởgâyrasựphátnhiệtthườngthấyởchấtbándẫnhaykimloại. Nóimộtcáchkhác,ốngnanocarboncókhảnăngtảiđiệnhữuhiệuvì ít phát nhiệt.
Mộtđặctínhkháccủaốngnanolàsựphátxạtrường(fieldemission) [9-10].Khiđiệnthếđượcáp đặtvàomộtđầucủaốngnanocarbonđầukiasẽ liêntụcphátra electron.Đãcónhiềuvậtliệuhoặctrangcụ (Vídụ:ốngtiaâm cực,cathoderaytube)cóđặctínhphátxạtrườngnhưngốngnanocarboncó thể vậnhànhở điện thếthấp,phátxạ trongmộtthờigiandàimàkhôngbị tổn hại.Ứngdụngtrựctiếpcủaphátxạ trườnglà mànhìnhtivi và vi tính.Đâylà mộtcôngnghệ manglại hàngtỉUSDmỗinăm.Mànhìnhmỏngtinhthể lỏng đangthay thế dần cácmànhìnhốngtia âmcựcnặngnề,kềnhcàng.Ốngnano carboncó thể làmmànhìnhmỏnghơn nữa,rõnétvàdùngđiệnít hơn10 lần. Đặc tính phátxạtrườngcủaốngnanocarbonchothấykhả năngthaythếmàn hìnhtinhthểlỏngtrongmộttươnglaigầnmặcdùmànhìnhnàyhiệnrất thôngdụngvà đangđượcưachuộng.TậpđoànSamsung(HànQuốc)tíchcực thươngmạihóa mànhìnhốngnanocarbon.
Ngoàira, ốngnanocarboncònchonhiềuứngdụngkhácchẳnghạn dùngtrongcảmbiến(sensor)để pháthiệnánhsáng,nhiệt,sóngđiệntừ hoặc nhữnghóachấtđộchạivớiđộnhạyrấtcao.
Ốngnanocarbontự thânhoặckết hợpvớipolymerdẫnđiệnđể biếnchế thànhcơbắpnhântạo(artificialmuscle,actuator).Cơbắpnhântạolàmột môphỏngcủacơbắpsinhvậtbiếnđổiđiệnnăngthànhcơnăng;khicómột dòngđiệnchạyquacơbắpsẽchomộttác lực.Cơbắpnhântạolàmộttrong nhữngbộphậnquantrọngtạo thànhconrobothoặchệthống vi cơ điệntử (MicroElectroMechanicalSystem- MEMS).Nhómnghiêncứucủa giáosư GordonWallacevàGeoffSpinks(Universityof Wollongong,Úc)cónhững thànhquảnổibậttronglãnhvựcnày.
Ốngnanocarboncũngcó mặttrongsinhhọc. Mộtbáocáokhoahọcmới đâychobiếttế bàoxươngrấttươngthíchvớiốngnanocarbon.Ốngnano carbonđượcsửdụngnhưgiàngiáođểcáctế bàoxươngtăngtrưởngvàphát triển.Đâylà kếtquảrấtquantrọngcóthể triểnkhaiđểcáchmạnghóaviệc ghépvàtrịliệuxương.
Hiệnnay,ngườita còntriểnkhaiứngdụngvàomôitrườngdựa vàocác đặc trưngđiệnhóavà khả năngđiềuhướngcủaCNTs.Vớitínhchấtloại bỏ, haylàmthụđộnghóacácvi khuẩn,nênCNTsđượcsắpxếpvà sử dụngnhư mộtmànglọcchấtônhiễm,mộttácnhândiệtkhuẩn,khángviruskháhiệu quảtrongcáchệthốngxửlýmôitrường[9].
XétmộtcáchtổngquátthìCNTschiếmtỷlệ khôngnhiềutrongcácloại vậtliệunano khác (<10%)nhưngCNTslạicócácđặctínhvượttrộivàtiềmnăng tolớnsovớicácloạivậtliệukhác.Điềunàycóthểđượcchứngminhthông quamứcđộ đầutư, số lượngcácbàibáo,bàinghiêncứuliênquanđến CNTs ngàycàngtăngdầntrongnhữngnămqua tính từ thời điểm năm 1992 đến 2006 như hình1.1
Hình 1.1SốlượngcáctàiliệucóliênquanđếnvậtliệuCNTs
- 2. Vật liệu composite nền polymer
1.2.1. Lịch sử phát triển của vật liệu composite nền polymer
Vật liệu composite nền polymer đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và được con người sử dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã thêm đá nghiền nhỏ hoặc những vật liệu nguồn gốc hữu cơ vào đất sét để giảm độ co, nứt khi nung gạch hoặc đồ gốm. Ở Ai Cập khoảng 3000 năm trước Công nguyên người ta đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum, nếu bỏ qua một số khái niệm thì kỹ thuật đó cũng giống như kỹ thuật làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay[1].
Năm 1851, Nelson Goodyear đã dùng oxit kẽm làm chất độn cho ebonit. Năm 1920, Bakeland đã dùng bột gỗ độn vào nhựa bakelit và John đã sử dụng xenlulo làm chất độn cho các loại nhựa ure[13].
Mặc dù được hình thành từ rất sớm nhưng việc chế tạo vật liệu composite nền Polymer mới thực sự được chú ý khoảng 60 năm trở lại đây. Vào những năm 1930, Slayter và Thomas đã được cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh và được Ellis và Goster dùng gia cường cho polyeste không no. Polyeste tăng cường bằng sợi thủy tinh được sử dụng trong ngành hàng không năm 1938. Năm 1944 đã sản xuất hàng nghìn chi tiết bằng chất dẻo composite cho máy bay và tàu chiến phục vụ đại chiến thế giới lần thứ II. Năm 1950, chất lượng của vật liệu composite được nâng cao rất nhiều nhờ sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt loại sợi tăng cường như sợi cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic… Từ năm 1970 đến nay các chi tiết chế tạo từ composite nền chất dẻo và sợi tăng cường có độ bền cao đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo ô tô, làm vật liệu xây dựng và những ngành kỹ thuật cao như hàng không, vũ trụ…[15].
Mặc dù vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất cơ lý, tính chất nhiệt, điện…, mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu này vẫn luôn được đặt ra.
Trong thời gian tới vật liệu composite nền polymer sẽ được phát triển theo các xu hướng sau:
- Thay thế thép: Sự thay thế thép bằng vật liệu composite nền polymer có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật lý của chúng. Nhờ những tính chất ưu việt, vật liệu composite nền polymer cho phép đạt được độ bền nén lớn hơn nhiều so với thép.
- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng độ bền: Kết quả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên. Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật.
- Đa dạng hóa nền polymer và chất tăng cường: Trong những năm gần đây trên thế giới, cùng với những loại nhựa nhiệt rắn đã được sử dụng rộng rãi như epoxy, polyeste không no, phenol-fomandehyt … người ta đã sử dụng rất có hiệu quả các loại nhựa nhiệt dẻo như polyolefin, polyamit, polycacbonat.
- Phối hợp giữa các vật liệu polymer, kim loại và gốm.
1.2.2. Đặc điểm chung và phân loại vật liệu composite nền polymer
1.2.2.1. Đặc điểm chung
Vật liệu composite nói chung là loại vật liệu đồng nhất trong thể tích lớn nhận được bằng cách hợp nhất các thể tích nhỏ của các vật liệu khác nhau về bản chất [2]. Vật liệu composite nền polymer là hệ thống hai hay nhiều pha, khác nhau về bản chất hóa học, gần như không tan lẫn trong nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, trong đó pha liên tục hay nền là polymer, pha phân tán là phụ gia tăng cường. Ngoài ra, còn có một số hợp chất khác như chất tạo màu, chất tăng cường đặc biệt [1-3]…
Việc đưa các chất gia cường vào nền polymer đưa lại cho vật liệu composite nhiều ưu điểm so với những vật liệu truyền thống như: Độ bền riêng cao, modun đàn hồi riêng cao, tỷ trọng thấp, tính chất ổn định trong nhiều môi trường hóa chất, chịu mài mòn tốt…
Vật liệu composite có những đặc điểm chính sau [1, 2]:
- Là vật liệu nhiều pha nhưng trong thực tế phổ biến nhất là vật liệu hai pha. Pha gián đoạn là cốt được bao bọc bởi pha liên tục là nền polyme. Các pha tương tác với nhau qua bề mặt phân chia pha.
- Đối với vật liệu composite cốt sợi, vật liệu có tính dị hướng. Đây là một đặc điểm nổi bật nhất của vật liệu composite. Vì vậy với những phương pháp chế tạo khác nhau có thể đưa lại những vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau.
- Trong vật liệu composite thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo những quy định thiết kế trước. Nói cách khác, với sự lựa chọn thích hợp chất tăng cường và nhựa nền, tính chất của vật liệu composite có thể tính toán trước.
- Tính chất của vật liệu composite là sự kết hợp các tính chất của các pha thành phần. Tuy vậy, tính chất của nó không phải chỉ đơn thuần là các tính chất của các pha thành phần mà nó chỉ lựa chọn và phát huy những tính chất tốt tạo ra các tính chất đặc trưng mà các pha thành phần không có được.
- Vật liệu composite cho phép chế tạo các kết cấu, sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Tùy theo những đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt độ làm việc, điều kiện khai thác sử dụng,…mà chúng ta lựa chọn những vật liệu thành phần, kết cấu, tỷ lệ,…và công nghệ sản xuất phù hợp.
1.2.2.2. Phân loại
Để phân loại vật liệu composite người ta dựa vào các đặc điểm đặc trưng của nó. Vật liệu composite có thể được phân loại theo các cách sau:
- Theo bản chất của vật liệu nền như hình 1.2
|
Vật liệu composite |
|
Vật liệu composite polymer |
|
Vật liệu composite kim loại |
|
Vật liệu composite gốm |
|
Vật liệu composite carbon |
Hình 1.2 Phân loại vật liệu composite pha theo nền.
- Theo đặc điểm hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc, đây cũng là phương pháp phân loại phổ biến nhất. Theo phương pháp này vật liệu composite được chia thành ba nhóm như hình 1.3
|
Vật liệu composite |
|
Cốt hạt |
|
Cốt sợi thường |
|
Composite cấu trúc |
|
Hạt thô |
|
Hạt mịn |
|
Sợi ngắn |
|
Sợi trung bình |
|
Sợi dài |
|
Lớp |
|
Tổ ong |
Hình 1.3 Phân loại vật liệu composite theo cấu trúc
- Ngoài ra còn có thể phân loại theo phạm vi ứng dụng hoặc theo phương pháp gia công.
1.2.3. Các thành phần chính của vật liệu composite nền polymer
1.2.3.1. Cốt cho vật liệu composite nền polymer
Trong vật liệu composite cốt là thành phần có tác dụng chịu ứng suất tập trung do cơ tính cao hơn nhựa nền. Do đó thành phần cốt phải thoả mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ [4].
Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm…
Còn đòi hỏi về công nghệ đó là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở những cốt này.
Đặc trưng và mức độ ảnh hưởng của chất độn lên tính chất của vật liệu phụ thuộc vào bản chất, cấu trúc ban đầu, hình thái hình học và phân bố, diện tích bề mặt riêng của chất gia cường trong vật liệu, tương tác và độ bền liên kết giữa chất gia cường và nền. Chất gia cường quyết định khả năng gia công của vật liệu, ngoài ra còn ảnh hưởng đến các tính chất hóa, điện, cũng như giá thành của vật liệu.
Chất gia cường được đánh giá trên những đặc điểm sau:
- Khả năng tăng cường độ bền cơ học.
- Độ bền nhiệt.
- Độ bền hóa chất, môi trường.
- Khả năng thấm ướt bề mặt bởi nhựa nền.
- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Nhẹ, giá thành hạ, sẵn có.
Tùy theo yêu cầu đối với những loại sản phẩm mà lựa chọn chất gia cường thích hợp nhất, bảo đảm cả về yêu cầu kỹ thuật cũng như hiệu quả kinh tế.
Chất gia cường làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường hoạt tính, chất gia cường không làm thay đổi đặc trưng cơ bản của vật liệu gọi là chất gia cường trơ. Tuy nhiên, chất gia cường hoạt tính hay không hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của nhựa nền. Các chất gia cường trơ chủ yếu nhằm mục đích giảm giá thành của vật liệu, trong một số trường hợp còn cải thiện khả năng gia công.
Dựa trên hình thái hình học, chất gia cường được chia thành nhiều loại, trong đó chủ yếu là chất gia cường dạng bột và dạng sợi.
Chất gia cường dạng bột là loại phụ gia phân tán đồng đều trong toàn thể tích vật liệu. Vật liệu trên cơ sở chất gia cường dạng bột có tính chất đẳng hướng. Ngoài ra, còn có một số loại chất gia cường bột khác như chất tạo màu, chất chống tác dụng của tia cực tím, chống lão hoá… Các hợp chất này thường có tỷ lệ nhỏ, ở dạng bột mịn và được đưa vào như một thành phần của nhựa nền [4]. Các chất gia cường dạng bột thường gặp là bột gỗ, bột talc, bột CaCO3.
Vật liệu gia cường bằng cốt dạng sợi có tính dị hướng. Độ bền theo phương song song với phương sắp xếp của cốt có độ bền cao hơn các phương khác. Sợi gia cường thường được xử lý bề mặt trước khi sử dụng nhằm tăng cường khả năng liên kết giữa cốt và nhựa nền. Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến nhất là dùng chất liên kết đóng vai trò chất trung gian liên kết giữa nền và cốt. Nói chung chất liên kết phải có khả năng phản ứng với nhựa nền trong quá trình đóng rắn và phản ứng với các nhóm chức hoạt động trên bề mặt cốt. Xu hướng hiện nay trong vật liệu composite nền polymer là chuyển sang sử dụng chất gia cường dạng sợi. Trong những sợi mảnh, độ bền gần đạt tới giá trị lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật. Sợi sử dụng làm cốt gia cường trong vật liệu composite nền polymer có thể là dạng sợi liên tục, sợi cacbon, sợi aramit hay sợi Kevlar, sợi Bo, sợi có nguồn gốc thực vật…
1.2.3.2. Nền cho vật liệu composite nền polymer [2-5, 15]
Vật liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite. Trong vật liệu composite nền polymer đóng những vai trò chủ yếu sau:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất.
- Tạo khả năng gia công vật liệu composite nền polymer thành các chi tiết theo thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các phá huỷ cơ học và hóa học, duy trì tính toàn vẹn và hình dạng của các thành phần.
- Truyền ứng suất tập trung lên chất độn thường có cơ tính cao hơn, nhờ đó làm giảm độ nhạy cảm với quá tải cục bộ do tập trung ứng suất. Như vậy hệ số an toàn khi sử dụng vật liệu composite nền polymer nói chung cao hơn vật liệu truyền thống.
- Nền còn ảnh hưởng lớn tới các đặc tính sử dụng của vật liệu composite nền polymer như: Nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, khối lượng riêng, độ bền riêng, khả năng chống lại tác dụng của môi trường ngoài…
Nhựa nền được lựa chọn cho vật liệu composite nền polymer phải thoả mãn các yêu cầu nhiều khi mâu thuẫn với nhau. Do đó, việc chế tạo và lựa chọn một loại nhựa nền tối ưu luôn phải dung hoà các thông số về độ bền, độ mềm dẻo, khả năng gia công và các tính chất khác. Nhựa nền được lựa chọn trên cơ sở sau:
- Yêu cầu của sản phẩm, chủ yếu là các đặc tính cơ lý và độ bền nhiệt, ngoài ra độ bền hoá, khả năng làm chậm cháy, đặc tính điện cũng là những yếu tố quan trọng.
- Phương pháp gia công.
- Giá thành…
Đối với composite nền polymer, vật liệu nền thường sử dụng là nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.
Vật liệu nền nhiệt rắn có độ nhớt thấp, dễ hoà tan và đóng rắn lại khi nung nóng (có hoặc không có chất xúc tác) và sau khi đóng rắn tạo thành cấu trúc mạng lưới không thuận nghịch (không hoà tan và không nóng chảy tiếp được nữa). Nhựa nhiệt rắn thường được sử dụng là nhựa phenol-fomandehyt, polyeste không no, epoxy, vinyleste, ure-fomandehyt, melamin-fomandehyt,…
Vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo là các polymer mạch thẳng, khi nung nóng sẽ chảy dẻo ra, nếu sau đó làm nguội sẽ cứng lại và chúng có trạng thái thuận nghịch. Nhựa nhiệt dẻo hay được sử dụng là PP, PE,…
1.2.3.3. Liên kết giữa nền và cốt trong vật liệu composite nền polymer
Độ bền liên kết giữa nhựa nền và chất tăng cường có ảnh hưởng đến hiệu quả truyền ứng lực qua vùng phân chia pha. Sự tương tác pha ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các cấu tử trong vật liệu composite, do đó ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của vật liệu. Vì vậy, điều khiển quá trình này là một khâu quan trọng trong việc hình thành các tính chất của vật liệu.
Trong nhiều năm gần đây, hóa học vùng phân chia pha, tầm quan trọng của hiệu ứng tách lớp giữa các pha và đứt gãy trong vật liệu composite được thảo luận rất nhiều. Tuy nhiên, nhiều vấn đề về các hiện tượng biên vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu và có nhiều ý kiến khác nhau về các vấn đề đó.
Cho đến gần đây, một hướng giải quyết được đề nghị khá nhiều là sử dụng sợi hai lớp hay phủ lên chất tăng cường một lớp đệm mềm dẻo. Thông thường các chất gia cường dạng bột và sợi đều được xử lý bề mặt trước khi sử dụng. Phổ biến nhất là xử lý bằng các chất liên kết lên bề mặt chất gia cường để tạo nên một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polymer. Mặc dù vấn đề này còn nhiều tranh luận nhưng nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chất liên kết là chất chứa một loại nhóm chức có khả năng phản ứng với nền polymer trong quá trình đóng rắn và chứa một loại nhóm chức khác có khả năng phản ứng với các nhóm hoạt động trên bề mặt chất gia cường, ví dụ nhóm OH trên bề mặt thuỷ tinh [2].
1.2.4. Tính chất và ứng dụng của vật liệu composite nền polymer
1.2.4.1. Tính chất
Tính chất chung của vật liệu composite nền polymer là sự chọn lọc và phát huy những tính chất của các pha thành phần. Tính chất của cấu tử polymer trong vật liệu composite nền polymer phụ thuộc vào khoảng thời gian, tốc độ và tần số của sự biến dạng hay tải trọng tác dụng lên. Tính đàn nhớt của polymer cũng tạo nên đặc tính của composite như tính rão, hồi phục ứng suất và sự tiêu tán năng lượng có thể dẫn tới sự sinh nhiệt bên trong vật liệu. Đối với vật liệu composite nền polymer cần quan tâm một số tính chất sau: Modun xé rách và hệ số Poisson đặc trưng cho khả năng chịu biến dạng của vật liệu. Độ bền kéo, nén cho biết khả năng chịu tải của vật liệu. Hệ số dãn nở nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Ngoài các yêu cầu về tính chất cơ lý còn cần phải biết các thông số như: độ dẫn nhiệt, điện, độ thấm chất lỏng hoặc khí, hệ số khuyếch tán…
Tính chất nổi bật của các composite nền polymer so với các vật liệu khác nói chung là nhẹ, bền, chịu môi trường, dễ lắp ráp, có tính đẳng hướng hay không đẳng hướng chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, tính chịu nhiệt vẫn là điểm yếu hơn so với kim loại hoặc gốm.
Tính chất cơ lý của vật liệu composite nền polymer phụ thuộc và được quyết định bởi các yếu tố sau:
- Tính chất cơ lý của sợi tăng cường.
- Sự thay đổi hàm lượng sợi-nhựa, hình học cốt sợi.
- Sự kết hợp giữa pha nhựa và sợi. Điều này được quyết định không chỉ bởi độ bền liên kết tại bề mặt phân chia pha nhựa/sợi mà còn về độ nhạy cảm khác nhau đối với những thay đổi của môi trường ngoài của nhựa và sợi. Ví dụ, sự không tương ứng về hệ số dãn nở nhiệt của sợi và pha nhựa nền có thể gây ra sự phát triển ứng suất gần bề mặt phân chia pha nhựa/sợi khi composite phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn, thường xảy ra trong quá trình gia công.
- Các khuyết tật và tính không liên tục của nhựa nền [15].
1.2.4.2. Ứng dụng
Nhờ có nhiều tính chất ưu việt như có khối lượng riêng thấp, có độ bền cao, chịu môi trường tốt, có thể điều khiển được tính chất của vật liệu theo các hướng khác nhau một cách dễ dàng…Vật liệu composite nền polymer ngày càng được ứng dụng rộng rãi, chủ yếu trong một số lĩnh vực sau:
- Ngành chế tạo ôtô: Chủ yếu sử dụng vật liệu composite nền polymer chất lượng cao chế tạo các chi tiết, bộ phận cho ôtô, đặc biệt là ô tô thể thao và các phương tiện giao thông trên mặt đất. Hiệu quả nhận được khi sử dụng các vật liệu này là: giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn… Ngày nay, vật liệu composite nền polymer đang được nghiên cứu để chế tạo các bộ phận phải chuyển động qua lại, chuyển động quay nhằm làm giảm các rung động, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc.
- Ngành hàng không, vũ trụ: Vật liệu composite nền polymer chất lượng cao được ứng dụng rộng rãi để chế tạo máy bay cả quân sự lẫn dân sự từ khá sớm. Các ứng dụng chính bao gồm: Mũi máy bay, cánh gập, các bộ phận ổn định của máy bay, bánh lái độ cao, đuôi ngang máy bay, cánh máy bay…Ưu điểm khi sử dụng vật liệu composite nền polymer là cho hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng kết cấu, nhờ vậy giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng khối lượng vận chuyển và tầm bay xa. Việc sử dụng vật liệu composite nền polymer trong máy bay dân dụng mới như Boeing 757,767 và Airbus 310 đã làm giảm 5% tổng khối lượng.
- Trong các ngành công nghiệp nói chung: Vật liệu composite nền polymer chủ yếu được sử dụng để chế tạo các sản phẩm yêu cầu độ bền cơ lý cao, bền hóa chất, có các tính chất điện, điện tử…
- Dụng cụ thể thao: Như gậy đánh golf, vợt tennis, cần câu, tàu lượn, cột buồm, các thiết bị bắn cung…
- Vòm che máy bay.
- Chế tạo vệ tinh: Như vệ tinh viễn thông, truyền hình, dự báo thời tiết, địa lý…Các vật liệu composite nền polymer chế tạo các thiết bị này cần có hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao, tỷ trọng thấp, modun cao để cấu trúc có độ cứng cao, chịu được các chấn động mạnh, chịu được môi trường laze…[15].
- 3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
Kể từ khi polymer dẫn điện được phát hiện, những vật liệu này trở thành một đề tài nghiên cứu cơ sở rất phong phú cho các nhà nghiên cứu vật lý, hóahọc, vật liệu học, điện học và cả sinh học. Ngoài những đề tài nghiên cứu mang tính hàn lâm nhằm thỏa mãn sự tò mò cuả các nhà khoa học, những cơ sở nghiên cứu của các doanh thương khắp nơi trên thế giới đã cố gắng biến polymer dẫn điện thành những áp dụng cụ thể trong đời sống hoặc áp dụng quân sự.
Trong những năm gần đây có khá nhiều phát minh, sáng chế và các bài báo khoa học liên quanđến vật liệu composite nền polymer dẫn điện, chẳng hạn như:
- Jie Chen. Heng-yi Lu. Jing-hui Yang, Yong Wang, Xiao-tong Zheng, Chao-liang Zhang , Effect of orangnoclay on morphology and electrical conductivity of PC/PVDF/CNT blend composites, Composites Science anh Technology, 2014, vol 94 p.30-38.
- M.Mohiuddin, Estimation of contrat resistance and its effect on electrical conductivity of CNT/PEEK composites, Composites Science anh Technology, 2013, vol 79, p.42-48.
- Zhuo Li, Kyoung-Sik Moon, Carbon nano tube/polymer nano composites: Sensing the thermal aging conditions of electrical insulation components, Composites Science anh Technology, 2013.
Những bài báo này công bố các cơ chế dẫn điện của vật liệu CNTs cũng như những khả năng áp dụng của loại vật liệu này.
Bên cạnh đó, ở nước ta tình hình nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung ở lĩnh vực hóa học, nghiên cứu cơ chế dẫn điện của vật liệu polymer chế tạo từ các chất hữu cơ.
- 4. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu, chế tạo vật liệu composite nền polymer cốt ống nano carbon có tính dẫn điện.
- Khảo sát độ dẫn điện và độ biến dạng kéo của vật liệu dựa vào tỉ lệ các CNTs trong vật liệu.
- Chụp ảnh dưới kính hiển vi quang học quan sát sự phân bố của CNTs.
1.5. Ứng dụng của vật liệu sau khi nghiên cứu
Khả năng áp dụng của vật liệu composite nền polymer dẫn điện được sử dụng trong những các thiết bị như:
- Chất dẫn điện.
- Biến trở.
- Linh kiện điện tử (diode, transistor).
- Linh kiện phát quang (đèn diode, light emitting diode: LED) còn gọi là phát quang điện học (electroluminesence).
- Pin.
- Bộ cảm ứng (sensor).
- Vật liệu làm điện cực.
- Vật phát nhiệt.
- Cơ bắp nhân tạo.
Với những ưu điểm:
- Tỷ số (tính năng cơ lý/giá thành) và tỷ số (tính năng cơ lý/khối lượng) cao hơn sắt thép rất nhiều.
- Rẻ hơn thép, không rỉ.
- Nhẹ hơn nhôm và hợp kim của nhôm.
- Không tốn kém trong bảo quản, chống ăn mòn.
- Phương pháp gia công, chế tạo đơn giản và đa dạng.
- Chi phí đầu tư thấp.
- Có độ đàn hồi cao nhờ vào thành phần cao su trong vật liệu.
- 6.Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
- 6.1. Nhiệm vụ của đề tài
- Chế tạo các mẫu thử của vật liệu composite nền polymer.
- Khảosát độ dẫn điện của vật liệu composite nền polymer.
- Khảo sát về độ bền kéo của vật liệu chế tạo được.
- Chụp ảnh sự phân bố của CNTs trong thành phần của vật liệu.
- 6.2. Giới hạn đề tài
Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi tiến hành nghiên cứu:
- Chế tạo các mẫu vật liệu gồm 02 thành phần chính là cao su silicone RTV-828 và CNTs đa tường.
- Đothông số R từ đó đánh giá mức độ dẫn điện của vật liệu.
- Kiểm tra độ biến dạng kéo của vật liệu đã được chế tạo.
- Quan sát ảnh phân bố thành phần CNTs trong vật liệu pha trộn bằng kính hiển vi quang học tại phòng thí nghiệm vật liệu, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với tỉ lệ phóng 400 lần.
- 7. Phương pháp nghiên cứu
Hiện nay, trong nghiên cứu khoa học có nhiều phương pháp để thực hiện như: Nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng v.v... Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung, kỹ thuật cơ khí nói riêng, hầu hết mọi quá trình đều được nghiên cứu bằng thực nghiệm vì cho kết quả nghiên cứu sát với thực tế và độ chính xác tương đối cao.
Do mức độ và tính chất của đề tài, phạm vi nghiên cứu đề tài tương đối rộng đòi hỏi dùng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau. Tuy nhiên về cơ bản chủ yếu phương pháp:
- Nghiên cứu lý thuyết về vật liệu nano carbon.
- Nghiên cứu lý thuyết về vật liệu composite.
- Tham khảo tài liệu, các bài báo khoa học liên quan đến vật liệu dẫn điện.
- Chế tạo thử nghiệm các mẫu vật liệu.
- Nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để khảo sát độ dẫn điện của mẫu vật liệu.
1.8. Điểm mới của đề tài
- Chế tạo mẫu vật liệu dẫn điện composite nền polymer.
- Trình bày đồ thị biểu diễn được mối liên hệ giữa thành phần CNTs và thành phần cao su silicon ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật liệu.
1.9. Giá trị thực tiễn của đề tài
- Kết quả của luận văn giúp chế tạo một loại vật liệu composite nền polymer có khả năng dẫn điện.
- Có thể dùng để tham khảo cho các sinh viên trong ngành vật liệu, các học viên có thể làm tài liệu để làm tham khảo cho các đề tài liên quan.
..................................
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1. Kết luận
5.1.1. Đánh giá kết quả
Sau thời gian nỗ lực thực hiện, dựa trên nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu, chế tạo vật liệu composite nền polymer cốt ống nano carbon và khảo sát độ dẫn điện của vật liệu.
Qua những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá một cách chủ quan rằng nhiệm vụ của đề tài đã hoàn thành thể hiện ở những điểm sau:
- Nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu composite nền polymer cốt ống nano carbon dẫn điện.
- Khảo sát ảnh hưởng độ dẫn điện của vật liệu cốt ống nano carbon trong vật liệu composite nền polymer dựa trên thông số R và cường độ dòng điện qua vật liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu ống nano carbon đến độ bền kéo và biến dạng kéo của vật liệu composite nền polymer.
5.1.2. Tính khả thi của đề tài
Việc chế tạo vật liệu composite nền polymer có khả năng dẫn điện góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo nhằm thay thế các linh kiện điện tử như: Điện trở, biến trở, v.v... cũng như các loại vật liệu dẫn điện đòi hỏi có dẻo, độ bền kéo.
5.2. Hướng phát triển
Do điều kiện của phòng thí nghiệm và những yếu tố khác tác động từ bên ngoài nên luận văn còn nhiều vấn đề chưa khảo sát. Để phát triển thêm và đưa vào ứng dụng thực tiễn, cần nghiên cứu thêm các vấn đề sau:
- Khảo sát thêm quy trình gia công để xác định phương pháp gia công tối ưu nhất, giúp cho các hạt CNTs được phân bố đều hơn nữa trong hợp phần cao su silicon.
- Nghiên cứu thêm về điều khiển hướng của CNTs giúp tăng cường độ dẫn điện.
