Nghiên cứu chế tạo, tính chất của một số compozit nền kim loại gia cường bằng ống nano cácbon định hướng ứng dụng trong công nghiệp điện và điện tử (TT)

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

PHẠM VĂN TRÌNH

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

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Phan Ngọc Minh
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Đoàn Đình Phương

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

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

Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Xuất phát từ nhu cầu tạo ra một loại vật liệu nhẹ với những tính chất
cơ, nhiệt như độ bền, độ dai, độ bền mài mòn, độ dẫn nhiệt và dẫn điện
được cải thiện đồng thời có hệ số giãn nở nhiệt thấp cho các ứng dụng.
Vật liệu compozit được gia cường bởi các vật liệu dạng sợi đã được
nghiên cứu, phát triển đã mở ra những triển vọng mới. Vật liệu ống nanô
cácbon với những tính chất với những trội về cơ, nhiệt, điện đồng thời có
tỷ trọng thấp hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu trên với vai trò là vật liệu
gia cường lý tưởng cho các hệ vật liệu compozit nền kim loại, gốm và
polymer nhằm tạo ra những vật liệu mới có những tính chất vượt trội và
mở ra những ứng dụng mới. Mặc dù compozit CNT/kim loại vẫn đang
trong quá trình nghiên cứu, nhưng vật liệu này hứa hẹn một số ứng dụng
rất tiềm năng. Nhờ tính dẫn nhiệt rất tốt và độ dãn nở nhiệt gần như bằng
không, compozit kim loại hệ CNT/Cu và CNT/Al được đánh giá là vật
liệu rất có triển vọng để làm các chi tiết tản nhiệt cho các thiết bị điện tử.
Đề tài dự định tiến hành nghiên cứu chế tạo compozit kim loại nền Cu và
Al với vật liệu gia cường là ống nano cácbon nhằm khai thác tính chất dẫn
nhiệt, dẫn điện tốt và tính ít giãn nở nhiệt của CNT. Mục đính để tạo ra
một loại vật liệu compozit kim loại ít dãn nở nhiệt hơn, có khả năng tản
nhiệt nhanh hơn, nhằm ứng dụng chế tạo các cơ cấu tản nhiệt.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Đề tài hướng tới những mục tiêu chính sau đây:
 Phát triển công nghệ nền chế tạo một số compozit kim loại dạng khối
được gia cường bằng ống nano cácbon theo phương pháp luyện kim
bột và nghiên cứu hiệu ứng gia cường của CNT đến một số tính chất
cơ - lý của vật liệu chế tạo.
 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu compozit CNT/kim loại trong ngành kỹ
thuật điện và điện tử, cụ thể ở đây là làm bộ phận tản nhiệt cho linh
kiện bán dẫn, điốt phát quang LED.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
 Nghiên cứu các phương pháp phân tán đều CNT lên bề mặt các hạt
kim loại (hạt thô) bằng phương pháp hoá học và vật lý.
 Nghiên cứu quy trình công nghệ kết khối bằng phương pháp ép nóng
đẳng tĩnh (HIP), phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS), kỹ thuật
biến dạng dẻo mãnh liệt và cán nguội.
 Nghiên cứu đặc trưng tính chất của vật liệu chế tạo
 Nghiên cứu chế tạo mẫu đế tản nhiệt cho đèn LED và thử nghiệm
1


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC TÍNH CHẤT
1.1. Vật liệu compozit nền kim loại
Compozit là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật
liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt hơn so
với các vật liệu ban đầu.
1.2. Vật liệu nanô cácbon
1.2.1. Cấu trúc vật liệu nano cácbon
Vật liệu CNT có chứa các nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hóa sp2.
CNTs có cấu trúc dạng ống được hình thành bới các tấm graphene cuộn
vào nhau, khoảng cách giữa các lớp graphene này được xác định bằng

0.36 nm. Tùy vào số lượng các lớp graphene cuộn lại với nhau, CNT
được chia thành 3 loại là CNT đơn tường (SWCNT), CNT hai tường
(DWCNT) và CNT đa tường (MWCNT) khi số lớp graphene cuộn lại lớn
hơn 2.

Hình 1.3. CNT đơn tường, CNT hai tường và CNT đa tường
1.2.2. Tính chất của vật liệu CNTs
Tính chất cơ học
CNT có độ bền cao với môđun Young của một sợi SWCNT được xác
định vào khoảng 1 TPa của DWCNT và TWCNT nằm trong khoảng 0,731,33 TPa. MWCNT đã được công bố có giá trị rất khác nhau trong
khoảng từ 0.27 – 0.95 TPa
Tính chất nhiệt
Các báo cáo độ dẫn nhiệt (k) ở nhiệt độ phòng trong khoảng 4006,000 WmK-1 cho SWCNTs và trong khoảng 300-3,000 WmK-1 cho
MWCNTs, tùy thuộc vào loại CNTs. Nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm về hệ số giãn nở nhiệt sử dụng kỹ thuật XRD cho thấy các bó
CNT có giá trị CTE âm ở nhiệt độ thấp và dương ở nhiệt độ cao
Tính chất điện
Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà độ dẫn của CNTs có thể là bán
dẫn hay kim loại.
2


1.3. Vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu nano cácbon
Compozit nền kim loại được gia cường bằng CNT với vai trò là lớp
vật liệu gia cường cho các hệ compozit nền kim loại được kỳ vọng là có
thể làm tăng các tính chất như độ bền, độ cứng, độ bền uốn của vật liệu.
cải thiện tính chất nhiệt và điện vv.

Hình 1.16. Số lượng các công trình nghiên cứu về
a) các loại vật liệu gia cường và b) vật liệu compozit nền kim loại

1.3.1. Các phương pháp chế tạo
Có nhiều phương pháp chế tạo nanocompozit kim loại/CNTs và
chúng có thể được phân loại như sơ đồ hình 1.17 dưới đây.

Hình 1.17. Các phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại

1.3.2. Các tính chất của vật liệu
1.3.3. Các ứng dụng của vật liệu
Vật liệu compozit thông thường có chứa sợi cácbon được ứng dụng
rộng rãi như là vật liệu cấu trúc cho các ngành công nghiệp hàng không
vũ trụ, ô tô, giao thông vận tải, và làm bộ phận tản nhiệt cho các thiết bị
điện tử
3


Chương 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Một số phương pháp nghiên cứu được sử dụng được trình bày trên
hình 2.1.

Hình 2.1. Các phương pháp nghiên cứu

2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Khảo sát tính chất vật liệu ban đầu
2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu
Các phương pháp chế tạo vật liệu được trình bày như trên hình 2.8.

Hình 2.8. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu

2.3. Kết luận chương 2.
Chương này trình bày kết quả khảo sát các đặc trưng và tính chất
của các vật liệu ban đầu như bột đồng, bột nhôm, vật liệu CNT và vật liệu
DWCNT và các phương pháp nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tên các
thiết bị được sử dụng trong luận án.
4


Chương 3
CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU COMPOZIT CNT/Al
3.1. Nghiên cứu kỹ thuật phân tán CNT với bột nhôm
3.1.1. Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao

Hình 3.1 .Sơ đồ quy trình phân tán
MWCNT với bột nhôm bằng phương pháp
HEBM

Hình 3.2. Sự phân tán của CNT trong mẫu
hỗn hợp bột MWCNT/Al với các hàm lượng
CNT khác nhau

3.1.2. Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến

Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo bột
MWCNT/Al bằng phương pháp HEBM cải
tiến

Hình 3.5. Ảnh SEM của hỗn hợp bột

Al+1,5%MWCNT (a-c) và mẫu bột Al+
2%MWCNT (d)

Phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến cho phép phân tán đều
CNT với bột nhôm và đồng đến hàm lượng 1,5% CNT. Tuy nhiên,
phương pháp này gây ra nhiều sai hỏng trong cấu trúc của CNT nhất so
với hai phương pháp còn lại.
5


3.1.3. Bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp chất kết dính
hữu cơ
Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp nghiền năng
lượng thấp kết hợp chất kết dính hữu cơ là EG được mô tả như hình 3.9

Hình 3.9. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp
nghiền năng lượng thấp và sử dụng EG là chất kết dính

Hình 3.11. a) Ảnh SEM của hỗn hợp bột
CNT/Al với các hàm lượng CNT khác
nhau b) Al+0,5% CNT, c) Al+ 1%CNT,
d) Al+1,5% CNT và e-f) Al+2% CNT

Hình 3.12. a) Phổ Raman của vật
liệu CNT và hỗn hợp bột CNT/Al
sau khi nghiền và b) tỷ lệ ID/IG theo
tỷ lệ thành phần CNT khác nhau

Phương pháp sử dụng chất kết dính hữu cơ không những cải thiện
được khả năng phân tán của CNT mà còn tránh được những sai hỏng về

mặt cấu trúc của CNT trong suốt quá trình chế tạo.
6


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

Hình 3.13. Quy trình chế tạo mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al bằng
phương pháp kết hợp rung siêu âm và làm lạnh nhanh

Hình 3.14. a) Mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al và sự phân bố của DWCNT trong
các mẫu hỗn hợp bột có hàm lượng CNT khác nhau 0,91% (b), 2,73% (c và d),
3.31% (e và f), 3,81% (g) và 5,91% (h)

Phương pháp rung siêu âm kết hợp với làm lạnh nhanh bằng nitơ lỏng
có thể phân tán đều CNT với bột Al đến hàm lượng  6% CNT, đồng thời
ít gây ra sai hỏng trong cấu trúc của CNT. Nhược điểm của phương pháp
này là khả năng bột kim loại bị ôxy hóa trong môi trường nước
3.2. Kết khối hỗn hợp bột CNT/Al và đặc trưng tính chất vật liệu
compozit
3.2.1. Kết khối bằng ép nóng đẳng tĩnh
Mẫu bột chế tạo bằng phương pháp nghiền năng lượng cao
Compozit được thiêu kết ở 3 nhiệt độ khác nhau 600oC, 620C và
640oC, thời gian thiêu kết là 60 phút dưới áp lực là 100 MPa. Các mẫu
compozit sau thiêu kết được ký hiệu là S0.5, S1, S1.5, S2 tương ứng với
các mẫu bột P0.5, P1, P1.5, P2.
7


Hình 3.17. Ảnh SEM của mẫu

compozit MWCNT/Al với các tỷ lể
gia cường khác nhau

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

Từ kết quả này ta có thể kết luận rằng thành phần gia cường CNT
không ảnh hưởng gì đến quá trình lớn lên của hạt kim loai trong suốt quá
trình thiêu kết, khi nhiệt độ thiêu kết càng cao thì sự lớn lên của hạt càng
lớn.

Hình 3.19. Ảnh hiển vi quang học và phân bố kích thước hạt sau khi thiêu kết
tại cùng nhiệt độ là 600oC (a-c): a) Al, b) Al+1%CNT, c)Al+2%CNT và tại các
nhiệt độ thiêu kết khác nhau của mẫu vật liệu compozit Al+1.5%CNT (d-f): d)
600oC, e) 620oC và f) 640oC

Trên giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột P1 và S1 (hình 3.20), sự
tồn tại của các đỉnh đặc trưng Al và pha -Al2O3. Điều này chứng tỏ rằng
sự hình thành các pha ôxít được hình thành cả ở các mẫu hỗn hợp bột và
mẫu sau thiêu kết, các pha oxit này có thể được hình thành trong quá trình
nghiền năng lượng cao.
Tỷ trọng của vật liệu được xác định bằng phương pháp Archimedes.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ trọng vào nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh
8


và hàm lượng MWCNT như thể hiện trên hình 3.21. Từ đồ thị trên ta
thấy, khi hàm lượng CNT càng tăng thì tỷ trọng của vật liệu càng giảm.
với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh 620oC tỷ trọng của vật liệu đạt giá trị lớn
nhất

Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 3.21. Sự phụ thuộc của tỷ
của mẫu bột P1 và mẫu sau thiêu kết trọng tương đối vào nhiệt độ HIP
S1
và hàm lượng MWCNT

Hình 3.22. Đồ thị biểu thị sự phụ
thuộc của độ cứng vào hàm lượng
CNT và nhiệt độ thiêu kết

Hình 3.23. Điện trở suất của
mẫu compozit MWCNT/Al thiêu
kết ở các nhiệt độ khác nhau
bằng HIP

Từ hình 3.22 cho thấy, khi có thêm chất gia cường MWCNT độ cứng
của vật liệu tăng lên gấp 1,43-1,9 lần so với Al nguyên chất và đạt giá trị
lớn nhất tại 1% MWCNT và sau đó độ cứng sẽ giảm xuống nếu tiếp tục
tăng hàm lượng MWCNT do sự tụ đám của MWCNT dẫn đến làm tăng
độ xốp và giảm hiệu quả gia cường.
Các số liệu đo đạc cho thấy rằng% các điện trở suất tăng khi tăng
hàm lượng MWCNT trong nền Al. Điện trở suất của compozit là cao hơn
gần 2 lần so với Al được chế tạo trong cùng điều kiện. Việc tăng điện trở
suất điện của mẫu thiêu kết là do anh hưởng của độ xốp và tán xạ electron
9


tại ranh giới hạt trên điện trở suất Bên cạnh đó, sự tồn tại của các pha ôxít
(Al2O3) như thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X cũng là một yếu tố dẫn
đến sự tăng của điện trở suất của các mẫu compozit.

Mẫu bột được chế tạo bằng kỹ thuật nghiền năng lượng thấp và chất hỗ
trợ kết dính

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

Hình 3.27. Vi cấu trúc của mẫu S1
tại các vị trí khác nhau; ảnh bề mặt
a) từ tâm mẫu ra ngoài biên b)
vùng 1 c) vùng 2 và d) vùng 3; ảnh
mặt cắt e) từ tâm mẫu ra ngoài biên
f) vùng 1, g) vùng 2, và h) vùng 3.

Hình 3.28. Ảnh SEM bề mặt của mẫu S1 a-b) và
ảnh mặt cắt vùng 1 (c-d) vùng 2 (e-f), và vùng 3 (g-h).
10


Ảnh SEM của mẫu S1 được ăn mòn hóa học theo các mặt khác nhau
được thể hiện trên hình 3.28. Sự phân bố của MWCNT trên bề mặt được
hiện trên hình 3.28a-b, chứng tỏ sự phân bố của MWCNT trên bề mặt các
tấm Al. Trong khi đó ở các vùng mặt cắt ngang, ta thấy sự khác nhau về
quá trình kết khối cũng như sự phân bố của MWCNT giữa các lớp Al.
Độ cứng của vật liệu tăng khi hàm lượng MWCNT tăng lên từ S0
(43,5 HV) tới S1.5 (82,5 HV) và giảm với S2 (61,9 HV). Điều này có thể
ảnh hưởng bởi mật độ của mẫu S2 thấp và sự kết đám của MWCNT khi
hàm lượng MWCNT lớn hơn 1,5%.
Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của compozit được đo trong dải nhiệt độ
20-250oC được thể hiện trên hình 3.30a. Từ đồ thị ta thấy rằng CTE giảm

khi nồng độ MWCNT tăng lên, khoảng 12%, 18%, 25% and 30% với các
mẫu S0.5, S1, S1.5 và S2. Với mẫu S2, CTE là 15,36 x 10-6.K-1.

Hình 3.30. a) Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu compozit MWCNT/Al và
b) so sánh các giá trị thực

Giá trị CTE tính toán từ mô hình ROM (vòng tròn mở trong hình
3.30 b) không phù hợp với các giá trị thực nghiệm và mô hình của
Schapery là phù hợp với các kết quả thực nghiệm, chỉ có một chút cao
hơn.
3.2.2. Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn
áp lực cao

Hình 3.31. a) Mô hình thiết bị HPT dùng để kết khối vật liệu và
b) mẫu vật liệu compozit CNT/Cu và CNT/Al sau khi kết khối bằng HPT
11


Hình 3.32. Ảnh SEM của sự phân tán của MWCNT trong nền Al
thu được bằng phương pháp ăn mòn hóa học

Hình 3.33. a) Các điểm khảo sát độ cứng và b) sự phụ thuộc của độ cứng của
vật liệu theo hàm lượng MWCNT gia cường và vị trí đo của mẫu

Hình 3.34. Ảnh TEM của Al (a) compozit Al gia cường bởi 0,5 %m
(b) 1,0 %m (c) và 1,5 %m (d) CNT được kết khối bằng HPT
12


Sự ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến độ cứng của vật liệu

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của độ cứng vào các nhiệt độ ủ khác
nhau được thể hiện trên hình 3.35. Đối với mẫu compozit không có thành
phần MWCNT, xu hướng tăng giảm độ cứng tương tự như các mẫu chứa
MWCNT ngoại trừ với nhiệt độ ủ 100oC có giá trị là 104 HV cao hơn so
với mẫu không được ủ nhiệt (101 HV). Các mẫu được ủ với nhiệt độ lớn
hơn thì có giá trị độ cứng thấp hơn hơn hẳn.

Hình 3.35. Sự phụ thuộc của độ
cứng vật liệu compozit MWCNT/Al
theo hàm lượng MWCNT và nhiệt
độ ủ khác nhau

Hình 3.36. Giản đồ XRD của vật
liệu compozit MWCNT/Al có chứa
1,5%m CNT

Đã phát hiện hiệu ứng hóa bền thứ cấp đối với compozit CNT/Al kết
khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực
cao
3.2.3. Kết khối bằng kỹ thuật SPS
Bảng 3.5. Tính chất của vật liệu compozit DWCNT/Al chế tạo bằng SPS

13


Từ ảnh 3.39. ta thấy được sự phân bố của DWCNT trong nền kim loại
Al tương đối đồng đều, các sợi CNT phân bố riêng lẻ, khi hàm lượng
DWCNT tăng lên thì mật độ DWCNT trong các mẫu khối cũng tăng lên.

Hình 3.39. Sự phân bố của DWCNT trong nền Al sau khi thiêu kết bằng SPS

a-b) S2, c-d) S6 và e-f) S9

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Al và compozit S3, S6, S8, S9
được thể hiện như hình 3.40, sự tồn tại của các đỉnh đặc trưng Al pha ôxít
nhôm (-Al2O3), pha Al4C3 và đỉnh đặc trưng của CNT với hàm lượng
DWCNT trong compozit lớn hơn 3,31 %.

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

Độ cứng cho vật liệu Al là 43,4 HV. Độ cứng có giá trị lớn nhất với
compozit có chứa 2,73 wt.% CNT với giá trị là 69,5 HV ccao hơn 1,6 lần
so với vật liệu Al không có DWCNT.Sự tăng độ cứng của compozit tương
tự như những báo cáo về các compozit kim loại/CNT khác.
14


Hình 3.41. Độ cứng của compozit
DWCNT/Al

Hình 3.42. Hệ số ma sát (COF) của
compozitDWCNT/Al khi được kiểm
tra với các loại bi và lực khác nhau

Hệ số ma sát trung bình khi được khảo sát bằng bằng cả bi thép và bi
ôxít nhôm đều giảm với tất cả các lực dụng từ và khi tác khi hàm lương
CNT tăng dần, với trường hợp bi thép là giảm từ 0,82 (Al, 1N) đến 0,26
(S9, 1N) và từ 0,79 (Al, 5N) đến 0,14 (S9, 5N), còn đối với bi ôxít nhôm
thì giảm từ 0,82 (Al, 1N) tới 0,27 (S9, 1N) và từ 0,77 (Al, 5N) đến 0,19
(S9, 5N). Với hàm lượng DWCNT đưa vào là 5,91 % thì hệ số ma sát
giảm đi hơn 3 lần (1N) và gần 6 lần (5N). Tương tự như vậy, khi bi ôxít

nhôm được sử dụng thì hệ số ma sat của compozit cũng giảm đi đáng kể
khoảng 3 lần (1N) và gần 4 lần (5N).

Hình 3.43. Đường COF đặc trưng của một số compozit DWCNT/Al đặc trưng
tương ứng với lực tải và bi khác nhau a) 1N- bi thép, b) 5N – bi thép, c)1N –
ôxít nhôm, và 5N- ôxít nhôm
15


Chương 4
CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU COMPOZIT CNTCu
4.1. Phương pháp phân tán MWCNT với bột Cu
Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu được mô tả như trên
hình 4.1.

Hình 4.1. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu bằng
phương pháp HEBM cải tiến

Hình 4.2. Phân bố của
MWCNT trong hỗn hợp bột
với các hàm lượng MWCNT
khác nhau

Hình 4.3 a) Phổ raman và b) tỷ lệ ID/IG của
hỗn hợp bột MWCNT/Cu theo các hàm
lượng khác nhau

Như được thể hiện trên hình 4.2, sau quá trình nghiền MWCNT
được phân tán đồng đều khi hàm lượng MWCNT đạt đến 1,5 % theo khối

lượng, khi tỷ lệ MWCNT cao hơn được đưa vào thì thấy xuất hiện những
đám MWCNT như thể hiện trên hình 4.2d. Điều này cho thấy rằng khả
năng phân tán đồng đều MWCNT bằng phương pháp nghiền năng lượng
cao cải tiển có thể đạt được đến 1,5 %m CNT.
16


4.2. Kết khối hỗn hợp bột MWCNT/Cu và đặc trưng tính chất vật
liệu compozit
4.2.1. Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn
áp lực cao
Kích thước trung bình của các hạt trong vật liệu tổng hợp là 50 nm
(Hình 4.4b). Trong kim loại nguyên chất, phương pháp HPT hiếm khi tạo
được hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm.

Hình 4.4. Ảnh TEM của compozit MWCNT/Cu sau HPT quan sát ở chế độ:
(a) trường sáng và (b) trường tối.

4.2.1.1. Độ cứng
Độ cứng theo phương pháp HPT thì các vị trí bên ngoài biên luôn
lớn hơn các vị trí tâm mẫu. Cụ thể, với tỷ lệ gia cường 3% MWCNT thì
độ cứng đo được ngoài biên là 235 HV cao hơn so với giá trị độ cứng đo
tại tâm mẫu 201 HV.

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của độ cứng của vật liệu theo
a) hàm lượng MWCNT và vị trí đo của mẫu b) nhiệt độ ủ
17


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

nguội
Quy trình chế tạo compozit được thể hiện như trên hình 4.8

Hình 4.8. Sơ đồ mô tả quy trình gia công
compozit MWCNT/Cu bằng kỹ thuật cán

4.2.2.1. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu

Hình 4.10. Cấu trúc tế vi của mẫu compozit Cu+0,5%m CNT với
số lần cán khác nhau a-b) cán lần 1 và c-d) cán lần 2

Hình 4.11. a-b) Sự phân bố của CNT trong mẫu compozit MWCNT/Cu với
hàm lượng MWCNT là 1,5 % và c-d mẫu compozit chứa hàm lượng MWCNT
là 2%m sau khi cán

Hình 4.11 thể hiện sự phân bố của CNT trong nền Cu sau quá trình
cán. Với mẫu chứa hàm lượng CNT là 1,5%m ta thấy rằng CNT được
18


phân bố tương đối đồng đều và định vị tại các biên của hạt Cu. Sự phân
bố đồng đều của CNT làm tăng độ cứng đồng thời làm giảm hệ số ma sát
của vật liệu sẽ được thảo luận ở phần sau. Trong khi đó với mẫu compozit
chứa hàm lượng CNT là 2%m thì một số vết nứt đã được quan sát sau khi
cán như thể hiện trên hình 4.11c. Sự hình thành các vết nứt này nguyên
nhân là do sự kết đám của CNT (hình 4.11d). Điều này cũng phù hợp với
kết quả nghiên cứu phân tán CNT và bột Cu đã được trình bày ở phần
trên.
4.2.2.2. Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu
Sau lần cán thứ nhất tỷ trọng được cải thiện hơn khoảng từ 8-10%

so với mẫu thiêu kết trong môi trường Ar, và sau khi cấn lần hai thì cải
thiện được khoảng 13-17

Hình 4.12. So sánh tỷ trọng của
vật liệu compozit sau khi trong môi
trường Ar và biến dạng bằng
phương pháp cán

Hình 4.13. Độ cứng của vật liệu
composzit CNT/Cu theo các tỷ lệ
thành phần CNT và số lần cán
nguội khác nhau

Độ cứng của vật liệu tăng lên khi hàm lượng MWCNT tăng lên đến 1,5
%m với độ cứng đạt được là 104 HV lớn hơn gần gấp 1,5 lần so với mẫu
Cu được chế tạo ở cùng điều kiện.
4.2.2.3. Hệ số ma sát

Hình 4.14. Hệ số ma sát của vật liệu CNT/Cu được khảo sát theo các tải trọng
khác nhau a) 1N, b) 5N, c) 10N và hệ số ma sát trung bình của vật liệu theo tỷ
lệ %CNT
19


Hình 4.15. Ảnh chụp bề mặt của rãnh ma sát sau khi được
kiểm tra ma sát với tải là 1N

Hệ số ma sát của vật liệu được thể hiện như trên hình 4.14. Từ hình
4.14 cho thấy hệ số ma sát của vật liệu sau khi được gia cường bằng vật
liệu MWCNT đều giảm xuống, càng nhiều MWCNT được đưa vào thì hệ

số ma sát của vật liệu càng giảm. Với tải trọng lớn hơn thì có hệ số ma sát
thấp hơn. Khi được gia cường với tỷ lệ MWCNT là 1,5% và được kiểm
tra với tải trọng 10 N thì hệ số ma sát của vật liệu compozit là 0,21 thấp
hơn 1/3 lần so với mẫu vật liệu Cu (0,68).

Hình 4.18. So sánh hiệu suất làm giảm hệ số ma sát của các loại compozit
CNT/Cu được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: thiêu kết xung plasma
(SPS), thiêu kết chân không (VC), hàn ma sát (FSP) và thiêu kết trong môi
trường khí bảo vệ và cán nguội (CS+CR).
20


4.2.2.4. Tính chất nhiệt và điện
Hệ số giãn nở nhiệt của compozit MWCNT/Cu
MWCNT có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và thấp hơn nhiều so với
Cu (16.5x10-6K-1), nhờ đó mà vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn Cu
nguyên chất.

Hình 4.19. Đồ thị biểu thị sự phụ
thuộc của hệ số giãn nở nhiệt
lượng MWCNT

Hình 4.20. Ảnh hưởng của hàm
lượng MWCNT tới điện trở suất
của vật liệu

Tính chất điện
Khi tăng hàm lượng MWCNT thì điện trở suất của vật liệu tăng lên
nhiều so với Cu nguyên chất chế tạo ở cùng điều kiện. Như được thể hiện
trên hình 4.19, với mẫu vật liệu sau khi thiêu.

4.3. Thử nghiệm vật liệu compozit MWCNT/Cu cho ứng dụng tản
nhiệt LED
4.3.1. LED và vấn đề tản nhiệt
LED khá nhạy cảm với nhiệt độ hoạt động, hiệu quả của nó, như 1).
Độ sáng 2). hiệu suất phát quang, 3). thời gian sống, và 4) độ ổn định màu
giảm khi tăng nhiệt độ.

Hình 4.21. Công suất ra của chíp LED
4.3.2. Tính chất nhiệt và khả năng ứng dụng tản nhiệt của compozit
CNT/Cu
Từ những kết quả nghiên cứu, ta có thể thấy rằng vật liệu compozit
CNT/Cu có đầy đủ những tính chất vượt trội để ứng dụng làm vật liệu tản
nhiệt cho các hệ thống.
21


4.3.3. Thử nghiệm vật liệu compozit CNT/Cu để tản nhiệt cho đèn LED
50W
Ý tưởng thử nghiệm

Hình 4.26. Mô hình thử nghiệm hiệu quả tản nhiệt của đế compozit
CNT/Cu a) Đế LED thương mại công suất 50 W, a) Đế LED 50 W có gắn
thêm đế tản nhiệt bằng vật liệu compozit CNT/Cu, c) Cơ chế tản nhiệt ra
các vây trên đế LED thương mại và d) Cơ chế tản nhiệt trên đế LED khi
có gắn thêm đế tản nhiệt bằng compozit CNT/Cu
Mục đích của thử nghiệm
 Phân tích thành phần vỏ đèn LED thương mại bán trên thị trường,
ước lượng tính chất nhiệt của vỏ đèn
 Khảo sát sự phân bố nhiệt độ trên các đế LED 50 W thương mại khi
hoạt động

 Đánh giá hiệu suất tản nhiệt của đế hỗ trợ làm bằng vật liệu
compozit CNT/Cu
Đánh giá hiệu suất tản nhiệt
 Phương pháp khảo sát
Cách bố trí các vị trí đo được thể hiện như trên hình 4.28 với các
điểm đo xác định là TCOB là nhiệt độ của chip LED được đặt ngay sau
chip LED, các nhiệt độ T1, T2, T3, T4 là nhiệt độ của các vị trí khác nhau
được xác định từ tâm chip LED ra ngoài biên của vỏ đèn LED, cách đều
nhau một khoảng cách là 1,5 cm.
22


Hình 4.29. Mô hình khảo sát phân bố nhiệt độ trên đế đền LED công suất
50W và cách bố trí các cặp nhiệt điện trên các điểm đo khác nhau

 Đánh giá hiệu suất tản nhiệt
Phân bố nhiệt độ của đèn LED được đo bởi 5 cặp nhiệt điện được đo
ở các vị trí khác nhau và sử dụng các đế tản nhiệt khác nhau.

Hình 4.30. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W
a) Không sử dụng đế tản nhiệt và b) sử dụng đế tản nhiệt bằng Cu

Hình 4.31. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W sử dụng
đế compozit MWCNT/Cu -0.5% CNT a) cán 1 lần và b) cán 2 lần
23