LUẬN án TS NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU NANOCOMPOZIT có KHẢ NĂNG hấp THỤ SÓNG điện từ và CHỐNG đạn

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

LỜI CẢM ƠN
Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Hoá học, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Viện Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp
vụ, Tổng cục Hậu cần- Kỹ thuật, Bộ Công an.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa, PGS.TS Ngô
Trịnh Tùng, những người Thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn
trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án này.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, đồng chí thuộc Viện Hoá học, Viện
Kỹ thuật Hoá-Sinh và Tài liệu nghiệp vụ; Trung tâm Phát triển Công nghệ cao đã
giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện
luận án.
Xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Thụ, Ths Vũ Minh Thành đã cùng tác giả
tiến hành các thí nghiệm chế tạo mẫu và thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè đã động viên,
cổ vũ để tôi hoàn thành bản luận án này.
Nghiên cứu sinh

Ngô Cao Long


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Ngô Cao Long

Ngô Cao Long


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

M C

C

Lời cảm ơn
Lời cam đoan
anh mục các bảng
anh mục các hình
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
M Đ

.....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1. Vật liệu nanocompozit .........................................................................................4
1.1.1. Các phương pháp chế tạo nanocompozit ......................................................7
1.1.1.1. Trộn hợp nóng chảy ..............................................................................7
1.1.1.2. Trộn hợp ung ịch ................................................................................8
1.1.1.3. Trùng hợp tại chỗ ...................................................................................8
1.1.1.4. Phủ core-shell .........................................................................................8
1.1.2. Chế tạo nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn ..............................................9
1.1.3. Tính chất điện của nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn ...........................11
1.1.4. Vật liệu nanocompozit CNT/polyme ..........................................................13

1.1.5. Vật liệu nanocompozit graphen/polyme .....................................................14
1.2. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ .............................................................................15
1.2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán .............................................................................15
1.2.2. Cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng điện từ ....................................................17
1.2.2.1. Lớp hấp thụ Dallenbach .......................................................................17
1.2.2.2. Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn Salisbury ..........................................17
1.2.2.3. Lớp Jauman ..........................................................................................18
1.2.3. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở nanocompozit của polyme dẫn ...19
1.3. Compozit chống đạn ..........................................................................................20
1.3.1. Lý thuyết chống đạn vật liệu compozit .......................................................21
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống đạn của compozit ...................24
1.3.2.1. Ảnh hưởng của vải, sợi gia cường .......................................................24


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

1.3.2.2. Ảnh hưởng của nhựa nền .....................................................................24
1.3.2.3. Ảnh hưởng của tấm chống đạn ............................................................25
1.3.2.4. Ảnh hưởng của các đầu đạn .................................................................25
1. . . Phương pháp xác định khả năng chống đạn của vật liệu ............................26
1.3.3.1. Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Ansys 12 ........................26
1.3.3.2. Bắn thử nghiệm theo tiêu chuẩn...........................................................29
1.4. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ và chống đạn .......................................................32
CHƯƠNG - TH C NGH M V PHƯƠNG PH P NGH N CỨU .................40
2.1. Hóa chất, thiết bị ................................................................................................40
2.1.1. Hóa chất ......................................................................................................40
2.1.2. Thiết bị, ụng cụ .........................................................................................40
2.2. Phương pháp chế tạo ..........................................................................................41
2.2.1. Chế tạo CNT P Ni và graph n P Ni ........................................................41
2.2.2. Chế tạo CNT PPy và graph n PPy..............................................................41

2.2. . Chế tạo nanocompozit vải sợi .....................................................................42
2.2. .1. Chế tạo compozit vải sợi cacbon poxy và compozit vải sợi
Kevlar/epoxy .....................................................................................................42
2.2. .2.Chế tạo nanocompozit CEGPY, KEGPY, CKEGPY ...........................43
2. . Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................43
2. .1. Xác định độ dẫn của vật liệu .......................................................................43
2. .2. Xác định khả năng hấp thụ sóng điện từ .....................................................44
2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) .........................................................................45
2.4.4. Phổ hồng ngoại FT-IR .................................................................................46
2.4.5. Phổ Raman ..................................................................................................46
2. .6. Xác định tính chất cơ học ............................................................................46
2.4.7. Phân tích nhiệt .............................................................................................49
2.4.8. Xác định hàm lượng phần gel .....................................................................50
2.4.9. Mô phỏng khả năng chống đạn của vật liệu................................................51
2.4.10. Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu chuẩn....................................................51
CHƯƠNG .

T

Ả V THẢ L

N ............................................................53


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

3.1. Chế tạo nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi ............................53
3.1.1. Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen .......................................................53
3.1.1.1. Hình thái học của vật liệu ....................................................................53
3.1.1.2. Phổ Raman của CNT và graphen .........................................................55

.1.2. hảo sát điều kiện chế tạo ..........................................................................56
3.1.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy .......56
3.1.2.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của PANi và PPy ......57
3.1.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và
PPy.....................................................................................................................58
3.1.2.4. Khảo sát tính chất nanocompozit MWCNT và graph n với PPy ........58
3.1.3. Khả năng hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit .....................................61
3.2. Chế tạo nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY) ..............63
3.2.1. Khảo sát nhựa nền epoxy ............................................................................63
3.2.1.1. Phổ hồng ngoại của epoxy ...................................................................63
3.2.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn DDM .................................64
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức độ đóng rắn của nhựa epoxy ...........65
3.2.1.4. Tính chất cơ học của pha nền đã đóng rắn ...........................................66
3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa epoxy đến tính chất cơ học của CEGPY 67
3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của CEGPY...........68
3.2.4. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến tính chất cơ học của CEGPY..........70
3.2.5. Tính chất của CEGPY .................................................................................73
3.2.5.1. Phân tích nhiệt ......................................................................................73
.2. .2. Hình thái học của vật liệu ....................................................................74
3.3. Chế tạo nanocompozit vải sợi

vlar poxy GP

GP

...........................75

. .1. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của KEGPY 75
3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất cơ học của KEGPY ..........76
3.3.3. Tính chất của KEGPY .................................................................................78

3.3.3.1. Phân tích nhiệt ......................................................................................78
. . .2. Hình thái học của KEGPY ...................................................................79
. . hảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của các vật liệu nanocompozit ...........79


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

3.4.1. Ảnh hưởng hàm lượng GP đến khả năng hấp thụ sóng điện từ ...............80
a. Vật liệu KEGPY ............................................................................................80
b.Vật liệu CEGPY .............................................................................................80
. .2.

hả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu nanocompozit trên ải tần 8-

12GHz ...................................................................................................................81
. .2.1. Vật liệu

GP ...................................................................................81

. .2.2. Vật liệu C GP ...................................................................................82
. .2. . Vật liệu C

GP ................................................................................83

3.5. Khảo sát khả năng chống đạn.............................................................................85
. .1. Xác định khả năng chống đạn của vải sợi xếp lớp ......................................85
3. 5.1.1. Mô phỏng số ........................................................................................85
3.5.1.2. Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử nghiệm thực tế 95
3.5.2. Khảo sát khả năng chống đạn của nanocompozit .......................................99
3.5.2.1. Kết quả mô phỏng với đạn súng K54.................................................100

a. Tấm KEGPY ...............................................................................................100
b. Tấm CEGPY ...............................................................................................102
c. Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon

vlar poxy GP

C

GP

......103

3.5.2. 2. Kết quả mô phỏng với đạn súng AK47 .............................................105
a. Tấm

GP ...............................................................................................105

b. Tấm C GP ...............................................................................................107
c. Tấm CKEGPY .............................................................................................107
3.5.3. Khảo sát khả năng chống đạn bằng thử nghiệm thực tế th o tiêu chuẩn NIJ
01.01.04, Hoa Kỳ. ...............................................................................................109
TL

N .............................................................................................................117


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

AN

M C C C ẢN

Bảng 1.1. Một số mô hình vật liệu ............................................................................29
Bảng 1.2. Một số mô hình tương ứng cho các vật liệu thường dùng ........................29
Bảng 1.3. Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04
(Hoa Kỳ) ..................................................................................................30
Bảng 1.4. Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Stanag 4569
(NATO)....................................................................................................31
Bảng 1.5. Các cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn Gost R
50744-95 (Nga) ........................................................................................31
Bảng 3.1. Mô hình và thông số vật liệu của vải Kevlar 129 .....................................88
Bảng 3.2. Thông số mô phỏng giáp vải cacbon ........................................................92
Bảng 3.3. Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp và điều kiện thử nghiệm .......96
Bảng 3.4. Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar ..................................................96
Bảng 3.5. Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp và điều kiện thử nghiệm .......98
Bảng 3.6. Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp .............................98
Bảng 3.7. Mô hình và thông số vật liệu của nanocompozit ......................................99
Bảng . . hả năng chống đạn súng

của nanocompozit th o t lệ vải

cacbon/Kevlar ........................................................................................105
Bảng . . hả năng chống đạn của vật liệu C

GP th o t lệ số lớp vải ..........108

Bảng .10. Điều kiện chế tạo, bắn thử nghiệm tấm chống đạn ..............................110
Bảng 3.11. Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x25 mm của súng K54 ..............110
Bảng 3.12. Kết quả bắn thử nghiệm với đạn 7,62x39 mm của súng AK47 ...........113

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

AN

M CC C

N

Hình 1.1. Sơ đồ tổng hợp chất lai polyme-hạt nano ...................................................9
Hình 1.2. Các bước chế tạo compozit nền polym gia cường ICP bằng phương
pháp dung dịch và nóng chảy ..................................................................10
Hình 1. . Sơ đồ tổng hợp nanocompozit nền ICP bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ 11
Hình 1.4. Quá trình kích thích bằng axit của polyanilin ...........................................12
Hình 1. . Sơ đồ nguyên lý hấp thụ sóng điện từ .......................................................16
Hình 1.6. Lớp hấp thụ Dallenbach ............................................................................17
Hình 1.7. Cấu tạo màn chắn Salisbury ......................................................................18
Hình 1.8. Cấu tạo lớp Jauman ...................................................................................18
Hình 1.9. Sự tạo thành hình nón khi va chạm đạn đạo ở mặt sau của tấm chống đạn .....21
Hình 1.10. Sự lan truyền phá hu trong tấm compozit khi va chạm đạn đạo ..........22
Hình 1.11. Sự tạo thành hình nêm khi va chạm đạn đạo đối với vật liệu dòn ..........23
Hình 2.1. Sơ đồ đo độ dẫn bằng phương pháp

mũi ò ..........................................43

Hình 2.2. Hệ đo hấp thụ sóng điện từ trường gần .....................................................44
Hình 3.1. Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi
rung siêu âm (b) (2014) ...........................................................................53
Hình 3.2. Ảnh FESEM của graph n độ phóng đại10000 lần (a), 60000 lần (b)......54
Hình 3.3. Phổ Raman của MWCNT .........................................................................55

Hình 3.4. Phổ Raman của graphen ............................................................................56
Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng BS đến độ dẫn của PANi và PPy ............57
Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của P Ni và PPy ............57
Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT, graph n đến độ dẫn của PANi và PPy ..58
Hình 3.8. Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c) ..60
Hình 3.9. Ảnh FESEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b) ......60
Hình .10. Tổn hao hấp thụ sóng điện từ của các nanocompozit .............................61
Hình .11. Đồ thị hấp thụ sóng điện từ của nanocompozit graphen/PPy ở dải tần 4-8
GHz (a) và 8-12 GHz (b) .........................................................................62
Hình 3.12. Phổ hồng ngoại của nhựa epoxy Epikote 815 .........................................63


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Hình 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng

M đến hàm lượng phần gel của nhựa

epoxy Epikote 815 ở 80oC .......................................................................64
Hình 3.14. Phân tích nhiệt vi sai của hệ nhựa Epikote 1 đóng rắn bằng DDM ....65
Hình 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phần gel của hệ nhựa Epikote
815/DDM = 100/22 (PKL) ......................................................................66
Hình 3.16. Giản đồ ứng suất biến dạng của nhựa poxy đã đóng rắn ......................66
Hình .1 . Tính chất cơ học của poxy đã đóng rắn bằng DDM ở hàm lượng khác
nhau ..........................................................................................................67
Hình .1 . Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa poxy đến tính chất cơ học của CEGPY ...68
Hình 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất cơ học của CEGPY ......69
Hình .20. Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến độ ẫn của C GP .....................70
Hình 3.21. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tính chất cơ học của CEGPY ...............71
Hình 3.22. Ảnh hưởng của thời gian p đến tính chất cơ học của CEGPY ..............71

Hình 3.23. Ảnh hưởng của áp suất ép đến tính chất cơ học của CEGPY .................72
Hình .2 .

ết uả phân tích nhiệt compozit cacbon poxy và C GP ................74

Hình .2 . Ảnh

S M của compozit cacbon poxy a , C GP

b ....................74

Hình 3.26. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất cơ học vật liệu KEGPY 75
Hình .2 . Ảnh hưởng của hàm lượng GP đến tính chất KEGPY.........................76
Hình .2 . Đồ thị biểu iễn độ ẫn

GP .............................................................77

Hình .2 . ết uả phân tích nhiệt compozit

vlar poxy và

GP .................78

Hình . 0. Ảnh FESEM của compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b) ................79
Hình . 1. hả năng hấp thụ sóng điện từ của

GP th o hàm lượng GPY ở tần

số 10 GHz ................................................................................................80
Hình . 2. hả năng hấp thụ sóng điện từ của C GP th o hàm lượng GPY ở tần

số 10 GHz ................................................................................................81
Hình .

. Tổn hao hấp thụ a và tổn hao phản xạ b của

Hình .

. Tổn hao hấp thụ a , tổn hao phản xạ b của C GP ...........................83

Hình .

. hả năng hấp thụ sóng điện từ của C

Hình . 6. So sánh khả năng hấp thụ sóng điện từ của
Hình .

GP .......................82

GP th o tần số khác nhau ....84
GP , C GP , C

GP ....85

. Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54 .......................................................86


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Hình .

. Đầu đạn 7,62x39 mm của súng

....................................................86

Hình 3.39. Mô hình mô phỏng hình học và chia lưới của các đầu đạn va chạm vào
tấm chắn vải Kevlar .................................................................................87
Hình 3.40. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 vào tấm chắn vải
Kevlar xếp lớp .........................................................................................89
Hình . 1. Động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi va chạm
với tấm vải Kevlar xếp lớp ......................................................................90
Hình . 2. Hình ảnh mô phỏng khả năng chống đạn súng

của tấm giáp vải

Kevlar xếp lớp .........................................................................................91
Hình 3.43. Biểu diễn động năng của đầu đạn súng AK47 và vận tốc của đầu đạn
theo thời gian khi va chạm với tấm vải Kevlar xếp lớp ..........................92
Hình 3.44. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng
Hình .

với vải cacbon xếp lớp . 93

. Đồ thị vận tốc và động năng của đạn súng

th o thời gian ..............93

Hình . 6. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng
Hình .

với vải cacbon xếp lớp94

. Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 khi va chạm với
tấm giáp vải cacbon xếp lớp ....................................................................94

Hình .

. Súng

và đạn 7,62x25 mm a , súng

và đạn 7,62x39 mm (b)

sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế .....................................................95
Hình 3.49. Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp..................................................96
Hình 3.50. Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp ...........................................97
Hình 3.51. Mô phỏng khả năng chống đạn súng

của nanocompozit KEGPY 100

Hình . 2. Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng K54 theo thời gian va
chạm với KEGPY ..................................................................................101
Hình 3.53. Mô phỏng khả năng chống đạn súng
Hình .

của CEGPY ........................102

Đồ thị động năng a và vận tốc của đầu đạn súng K54 (b) theo thời gian
va chạm với CEGPY..............................................................................102

Hình . . Mô phỏng khả năng chống đạn súng

của tấm CKEGPY ..............103

Hình . 6. Đồ thị vận tốc và năng lượng của đầu đạn súng

th o thời gian va

chạm với CKEGPY ...............................................................................104
Hình 3.57. Mô phỏng khả năng chống đạn súng

của KEGPY .....................106


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Hình .

. Đồ thị động năng và vận tốc của đầu đạn súng AK47 theo thời gian va
chạm với KEGPY ..................................................................................106

Hình 3.59. Quá trình va chạm của đầu đạn súng AK47 vào tấm chống đạn
CKEGPY ...............................................................................................107
Hình 3.60. Đồ thị năng lượng và vận tốc đầu đạn súng

theo thời gian va

chạm với tấm CKEGPY ........................................................................108
Hình 3.61. Tấm chống đạn compozit Kevlar/epoxy (a), CEGPY (b), CKEGPY (c) ....109
Hình 3.62. Thử nghiệm thực tế khả năng chống đạn ..............................................110
Hình 3.63. Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng K54...... 112

Hình 3.64. Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy với đạn súng AK47 ..114
Hình 3.65. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu vật liệu CKEGPY CK1 .............115
Hình 3.66. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu CKEGPY CK2 ..........................116


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CDES

Clo-dietylsunfit

CEGPY

Nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen-polypyrol

CKEGPY

Nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/graphen-Ppy

CVD

Lắng đọng hóa học từ pha hơi

DBSA

Dodecyl benzen sunfonic axit

DDM

Diamin diphenyl metan

DDS

Diamino diphenyl sunfua

DMF

Dimetylfocmamit

EM

Sóng điện từ

GPY

Nanocompozit graphen/polypyrol

ICP

Polyme dẫn

KEGPY

Nanocompozit vải sợi Kevlar/epoxy/graphen-polypyrol

MEK

Metyl etyl keton

MWCNT

Ống nano cacbon đa tường

NMP

1-Methyl-2-pyrolidinon

PANi

Polyanilin

PBO

poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol)

PKL

Phần khối lượng

PPy

Polypyrol

PTHH

Phần tử hữu hạn

SWCNT

Ống nano cacbon đơn tường

UHMWPE

Polyetylen khối lượng phân tử siêu cao


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

M

Đ

Lịch sử phát triển của vũ khí luôn kèm th o sự phát triển của hệ vật liệu giáp
nhằm đảm bảo an toàn cho phương tiện và con người khi chiến đấu. Hiện nay, nhu
cầu trang bị giáp có khả năng chống đạn cao, bền, nhẹ, ngụy trang tốt, sử dụng
thuận tiện ứng dụng trong quốc phòng và bảo vệ an ninh quốc gia là rất cần thiết.
Compozit chống đạn trên cơ sở vải sợi polyetylen khối lượng phân tử siêu cao
(UHMWPE), aramit, sợi cacbon có khả năng chống đạn tốt, được sử dụng phổ biến
trong các lực lượng uân đội, công an, trang bị cho cá nhân và làm giáp chống đạn
bao bọc các phương tiện chiến đấu. Cho đến nay, việc phát triển vật liệu
nanocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gia cường các vật liệu nano nhằm tăng độ bền,
giảm trọng lượng và tạo ra sản phẩm chống đạn cấp cao hơn đang được nghiên cứu
và bắt đầu đưa vào sản xuất thử nghiệm.
Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng chế tạo được giáp chống lại các vũ khí
sát thương có sức công phá lớn như đạn pháo, tên lửa...

o đó, các phương pháp

ngụy trang luôn được quan tâm nhằm đảm bảo cho con người và phương tiện, khí
tài chiến đấu không bị phát hiện bằng mắt, ra đa, hồng ngoại, siêu âm.... trên chiến
trường, nhất là trong các yêu cầu tác chiến bí mật, bất ngờ. Việc phát triển vật liệu
hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu điện môi bao phủ lên các phương tiện, khí
tài để tránh bị phát hiện bởi ra đa, để nâng cao hiệu quả, khả năng sống sót và tác
chiến bất ngờ khi chiến đấu là rất cần thiết.
Thực tế, với compozit chống đạn có cấp độ càng cao thì số lớp và độ dầy
càng lớn, đồng thời khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu cũng tăng th o độ
dầy và độ dẫn điện của các hạt nano gia cường, cho thấy tiềm năng kết hợp hai tính
chất này trong một hệ compozit duy nhất ưu việt hơn. Luận án lựa chọn chế tạo vật
liệu nanocompozit hấp thụ sóng điện từ có khả năng chống đạn trên cơ sở vải sợi độ
bền cao, nền polyme nhiệt rắn, gia cường vật liệu nano: đầu tiên là chế tạo vật liệu
gia cường ẫn điện trên cơ sở ống nanocacbon đa tường (MWCNT) và graphen với
polyme dẫn nhằm tạo ra nanocompozit có độ dẫn tốt, sau đó sử dụng vật liệu này
1


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

gia cường cho compozit chống đạn tạo thành vật liệu nanocompozit mới chống đạn
tốt hơn và có khả năng hấp thụ sóng điện từ.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, luận án “
nanocompozit

đặt ra mục tiêu chế

và

tạo thành công hệ vật liệu nanocompozit có khả năng chống đạn tốt, hấp thụ sóng
điện từ tối ưu trên cơ sở vật liệu nanocompozit, polyme dẫn và vải sợi có độ bền

cao nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành kỹ thuật cao phục vụ an ninh quốc
phòng.
Nội dung cần nghiên cứu của luận án:
-

Chế tạo nanocompozit trên cơ sở nanocompozit của graph n và MWCNT với
polym

ẫn như PANi, Polypyrol và lựa chọn hệ vật liệu có khả năng hấp

thụ sóng điện từ tốt nhất.
-

Tối ưu điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu chống đạn trên cơ sở vải sợi
vlar và vải sợi cacbon nền nhựa poxy gia cường vật liệu nanocompozit.

-

Tính toán đưa ra kết cấu chống đạn tối ưu trên cơ sở mô phỏng số và bắn thử
nghiệm thực tế, khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu chế tạo
được.

Đóng góp của luận án:
 Chế tạo thành công các hệ vật liệu nanocompozit MWCNT PPy, graphen/
PPy, MWCNT/PANi, graphen/P Ni và khảo sát độ dẫn, khả năng hấp thụ
sóng điện từ, hình thái học, phân tích nhiệt ... của vật liệu thu được.
 Đã chế tạo được các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở nanocompozit vải sợi
cacbon poxy graph n-PPy và nanocompozit vải sợi
PPy, sử ụng hệ nhựa đóng rắn nóng poxy pikot

vlar poxy graph n1

M ở t lệ 100 22

P L với cùng chế độ công nghệ tối ưu.


hảo sát khả năng chống đạn của các nanocompozit vải sợi đối với đạn súng
, đạn súng
auto yn

bằng phương pháp mô phỏng số sử ụng phần mềm

nsys 12 và bắn thử nghiệm thực tế từ đó lựa chọn được kết cấu

chống đạn tối ưu.
2


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn



hảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của các nanocompozit vải

vlar

epoxy/graphen-PPy, vải cacbon poxy graph n-PPy và vải cacbon/Kevlar/
epoxy/graphen-PPy từ đó đưa ra hệ vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ
hiệu quả.

 Chế tạo được vật liệu nanocompozit tổ hợp vải sợi cacbon

vlar poxy

graph n-PPy có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn tốt đối với súng
,

.

ết uả của luận án mở ra hướng nghiên cứu vật liệu mới ứng

ụng trong chế tạo giáp chống đạn bền hơn, nhẹ hơn đồng thời có khả năng
ngụy trang hiệu uả cho các phương tiện cá nhân, khí tài uân sự, tránh bị
phát hiện bởi ra đa băng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi chiến đấu,
phục vụ thiết thực cho công tác đảm bảo an ninh quốc phòng.

3


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

C ƯƠN

1. TỔNG QUAN

1.1. Vật liệu nanocompozit
Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo
nên vật liệu mới có tính năng vượt trội so với các vật liệu ban đầu. Nhìn chung, vật
liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên
tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền matrix , thường làm nhiệm vụ liên kết

các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu gia cường
r inforc m nt được trộn vào pha nền để làm tăng tính chất cơ học, độ kết dính,
khả năng chống mòn, chống xước ... của vật liệu [1, 2].
Vật liệu nanocompozit là compozit với vật liệu gia cường có kích thước
nanomet. Tính chất đặc biệt của loại vật liệu này là sự kết hợp thành công các tính
chất riêng nổi trội của mỗi vật liệu riêng rẽ trong hiệu ứng kích thước lượng tử. Khi
phân tán đều vật liệu nano trong vật liệu nền, chúng sẽ tạo ra diện tích tương tác
khổng lồ giữa các tiểu phân nano với vật liệu nền cho hiệu ứng bề mặt lớn (diện tích
này có thể đạt đến 700 m2/g trong trường hợp chất gia cường là nanoclay).

hi đó

khoảng cách giữa các phân tử nano sẽ tương đương với kích thước của chúng và tạo
ra những tương tác hoàn toàn khác các bột độn gia cường kích thước micromet
truyền thống. Khi trộn trong polyme, vật liệu nano cho các tính chất đặc biệt khác
với khi trộn các hạt thông thường, nó làm tăng độ bền ứng suất nhưng vẫn duy trì
được độ dẻo. Điều này có được là do hạt độn nano làm giảm đáng kể các khuyết tật
trong vật liệu so với hạt độn thông thường [1, 2].
Có thể chia vật liệu nano thành 3 loại tùy thuộc vào số chiều có kích thước
nằm trong khoảng nanomet của chúng:
+

Loại 1: Vật liệu có kích thước nanomet ở cả ba chiều (mỗi chiều nhỏ hơn

100 nm) trong không gian bao gồm các hạt nano (SiO2, u, g và Zn … , full r n
(C60, phân tử hình cầu có đường kính khoảng 1 nm, gồm 60 nguyên tử cacbon sắp
xếp thành 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác, th o hình ạng của một quả bóng),
hoặc dendrimer (phân tử polyme hình cầu được hình thành thông qua quá trình tự
4

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

lắp ráp cỡ nano), chấm lượng tử (hạt bán dẫn kích cỡ nano xuất hiện hiệu ứng lượng
tử …
+

Loại 2: Vật liệu có kích thước nanomet ở hai chiều trong không gian và

chiều còn lại lớn hơn, ví dụ như ống nanocacbon, ống nano vô cơ MoS2, TiO2… ,
sợi nano, các polyme sinh học…
+

Loại 3: Vật liệu ch có một chiều mang kích thước nanomet, hai chiều còn

lại lớn hơn, ví dụ như các màng mỏng, lớp, graph n, nanoclay… Hình dạng của
chúng ở dạng những lớp mỏng xếp chồng lên nhau hoặc tách hẳn ra thành từng lớp
phân bố trong vật liệu nền [3].
Vật liệu polyme nanocompozit
Vật liệu polyme compozit và vật liệu polyme nanocompozit (PNC) là sự kết
hợp của hai hay nhiều cấu tử khác nhau với thành phần chính là nền polyme và vật
liệu gia cường ở dạng hạt, dạng sợi hoặc dạng lớp, ngoài ra còn có chất đóng rắn,
hoá dẻo, chất độn và chất mầu nếu cần.
- Pha nền polyme là chất kết dính (pha liên tục) có nhiệm vụ bao bọc, liên kết
và chuyển ứng suất tập trung cho vật liệu gia cường. Nền polyme tốt phải đáp ứng
các yêu cầu sau:
+ Có khả năng thấm ướt tốt hoặc tạo được liên kết hoá học với vật liệu gia
cường.
+ Có khả năng biến dạng để làm giảm ứng suất nội xảy ra do sự co ngót khi thay
đổi nhiệt độ.

+ Thích hợp với các phương pháp chế tạo thông thường.
+ Bền với môi trường ở các điều kiện sử dụng, có chứa nhóm phân cực hoạt
động.
Trong thực tế, để lựa chọn vật liệu nền tối ưu, cần phải dung hoà các yếu tố
về độ bền, khả năng chế tạo và các tính chất khác.
Polym nền có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo:
+

Nhựa nhiệt ẻo: P , PP, P , PS,

BS, PVC… thường được chế tạo ở trạng

thái nóng chảy.
5


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

+

Nhựa nhiệt rắn: polyur tan, epoxy, polyeste không no... thường có thể tiến

hành chế tạo bằng tay ở điều kiện thường.
-P a

a ường được trộn vào nền polym , đóng vai trò chịu ứng suất tập

trung, làm tăng độ bền của vật liệu. Cấu trúc ban đầu của cốt, hàm lượng cốt, hình
dạng kích thước cốt, tương tác giữa cốt tăng cường và nhựa nền, độ bền mối liên kết
giữa chúng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu và quyết định khả năng chế tạo của

vật liệu.
Polyme compozit là vật liệu quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,
từ lĩnh vực yêu cầu cao như máy bay, tầu vũ trụ đến những ứng dụng thông thường
trong cuộc sống hàng ngày. Trong những năm gần đây, những tính chất tối ưu của
vật liệu compozit sử dụng chất gia cường với kích thước micro đã đạt đến mức tới
hạn do tính chất chung của compozit luôn là sự hài hoà của các tính chất riêng biệt.
Thêm vào đó những khuyết tật kích thước micro luôn tồn tại do chất độn chiếm
phần thể tích rất lớn trong vật liệu dẫn đến làm giảm tính chất của compozit [1].
Độ bền liên kết giữa nền polyme và chất gia cường có ảnh hưởng đến hiệu
quả truyền lực qua vùng phân chia pha. Sự tương tác pha ảnh hưởng đến độ bền liên
kết giữa các cấu tử, o 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 vượt trội của vật liệu polyme nanocompozit. Chất gia cường kích cỡ nano
thường được xử lý bề mặt trước khi sử ụng, ví ụ như phủ chất liên kết lên bề mặt
chất gia cường để tạo một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polym hoặc biến tính
chất gia cường bằng các chất chứa nhóm chức có khả năng phản ứng với polym và
các nhóm hoạt động trên bề mặt chất gia cường để tạo khả năng tương hợp tốt hơn
với nền polym .
Vật liệu nanocompozit có diện tích mặt phân cách lớn làm cho nó có tính
chất khác so với polym ban đầu. Để hiểu được các ảnh hưởng của chất gia cường
thang độ nano lên đặc tính polyme, cần nghiên cứu khu vực mặt phân cách này [3].
Mặt phân cách là khu vực polyme bao quanh hạt nano, có cấu trúc dạng chuỗi, làm
thay đổi độ linh động của pha nền. Bên cạnh sự thay đổi về độ linh động, các dạng
6


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

chuỗi của polym cũng có thể bị biến dạng kiểu dáng hay mức độ kết tinh. Chất gia
cường nano làm thay đổi tốc độ kết tinh, làm gia tăng sự hình thành pha tinh thể và

làm ổn định pha phát triển thêm. Sự thay đổi về hoá học có thể xảy ra ở khu vực
mặt phân cách, điển hình là sự hấp thụ ưu tiên tác nhân phản ứng trên chất gia
cường nano, làm khu vực xung quanh hạt nano trở thành trung tâm phản ứng, o đó
nó được bao bọc bởi một lớp polyme liên kết ngang hoá học với nhau, có mật độ
liên kết lớn hơn so với vùng xa mặt phân cách. Hiện tượng này được quan sát thấy
trong nanocompozit của poxy gia cường nano TiO2 [4].
Một trong những hạn chế trong chế tạo nanocompozit là sự phân tán chất gia
cường. Nếu không phân tán và phân bố chất gia cường tốt thì diện tích bề mặt bị thu
hẹp, và sinh ra các khối kết tụ có thể trở thành khuyết tật trong pha nền, làm hạn chế
các tính chất của vật liệu.
1.1.1. Các phương pháp chế tạo nanocompozit
1.1.1.1. Trộ

ảy

Các polyme nhiệt dẻo bị nóng chảy và chuyển sang trạng thái chảy mềm ở
nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó. Phương pháp trộn nóng chảy là một kỹ
thuật rất có giá trị để chế tạo nanocompozit và được dùng phổ biến cho các nhựa
nhiệt dẻo. Phương pháp này không sử dụng dung môi nên thuận tiện hơn nhiều trong
quá trình chế tạo (không phải tách, xử lý và thu hồi dung môi). Quá trình trộn nóng
chảy có thể thực hiện trên máy trộn kín hoặc hệ thống máy p đùn.
Whiney và cộng sự [5] nghiên cứu trộn nóng chảy SWCNT với nền PMMA.
Hỗn hợp thu được đ m đúc vào khuôn T flon và sấy khô. Màng tạo thành được đập
vỡ thành nhiều phần nhỏ và p nóng để tạo ra một màng mới. Sau đó lại được chia
nhỏ và p nóng, uá trình được lặp đi lặp lại khoảng 25 lần. Các tác giả quan sát
thấy sự phân tán của SWCNT được cải thiện sau mỗi quá trình. Màng
nanocompozit cuối cùng được p đùn ua một máy kéo sợi nóng chảy có đường
kính lỗ 600 μm để tạo sợi. Do sự sắp xếp của các ống dọc theo trục sợi, mo ul đàn
hồi và độ bền kéo của sợi tổng hợp tăng th o t lệ ống nano, với hàm lượng 8 %
SWCNT, độ bền kéo của vật liệu tạo thành tăng 0 % và mo ul đàn hồi tăng 100 %.

7


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Goh và cộng sự [6] sử dụng một cách khác để phối trộn nóng chảy MWCNT
với PMMA ở tốc độ 120 vòng/phút (nhiệt độ trộn 200oC) và hỗn hợp này được nén
ưới áp suất cao, ở nhiệt độ 210oC để tạo màng

bằng máy ép thủy lực

nanocompozit. Potschke và cộng sự [7] chế tạo nanocompozit MWCNT/
polycacbonat bằng cách ép nóng chảy và n n p trong khuôn. Đo lưu biến của
compozit ở 260oC cho thấy sự tăng đáng kể độ nhớt khi tăng hàm lượng MWCNT,
đặc biệt là với hàm lượng MWCNT trên 2 %.
1.1.1.2. Trộ

ịch

Một số hạn chế của trộn nóng chảy có thể được khắc phục nếu cả polyme và
hạt nano được phân tán đều trong dung dịch. Điều này cho phép biến tính bề mặt
hạt mà không phải sấy, giảm sự kết tụ hạt. Hệ nano polym sau đó có thể được đúc
thành thể rắn, hoặc thành dạng hạt nano/polyme bằng cách sử dụng phương pháp
bay hơi ung ịch hay kết tủa [1, 3].
1.1.1.3. Trùng h p tại chỗ
Có rất nhiều loại nanocompozit được xử lý và chế tạo bằng phương pháp
trùng hợp tại chỗ. Trong phương pháp này, các hạt nano được phân tán trong
monome hoặc dung dịch chứa monome, sau đó trùng hợp monom và thu được
nanocompozit chứa lớp polyme bao phủ lên bề mặt hạt nano. Điều then chốt để
trùng hợp tại chỗ là phân tán thích hợp hạt nano trong monom . Điều này đòi hỏi

phải biến tính và hoạt hoá bề mặt hạt. Mặc dù hạt nano phân tán trong chất lỏng dễ
hơn phân tán trong ạng nóng chảy nhưng uá trình lắng cũng xảy ra nhanh hơn, o
đó cần sử dụng các chất hoạt động bề mặt để ổn định huyền phù [3, 8].
1.1.1.4. Phủ lõi – võ (core-shell)
Nghiên cứu [9] cho thấy lớp phủ core-shell đã làm tăng tính tương hợp và
cường độ tương tác của polyme với chất nền. Lớp phủ này hấp phụ hoặc tạo được
liên kết hóa học với bề mặt hạt. Sau khi phủ, các hạt có thể phân tán dễ dàng trong
chất nền hoặc dung môi để chế tạo nanocompozit. Phương pháp này không ch tạo
được lớp như đơn lớp mà còn có thể chế tạo được lớp phủ đa lớp vô cơ hoặc hữu cơ.
8


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Phương pháp cor -shell tạo lớp phủ polyme lên các hạt vô cơ và hữu cơ bằng
phương pháp trùng hợp. Quá trình này xảy ra th o hai bước: hấp phụ monome lên
bề mặt hạt và phản ứng trùng hợp polyme. Phương pháp sử dụng phổ biến là
monom được hấp phụ, sau đó trùng hợp bằng khơi mào hóa học hoặc chiếu xạ tạo
thành lớp phủ polyme lên bề mặt hạt. Nghiên cứu [10] đã đưa ra phương pháp biến
tính hạt nano silica trong monome styren bằng cách chiếu xạ để khơi mào phản ứng
trùng hợp quang hóa trên bề mặt hạt, làm cho bề mặt hạt trở nên kỵ nước hơn, dễ
pha trộn với polypropylen và giúp các hạt nano phân bố đều hơn trong nhựa nền,
tăng tính dẻo của nanocompozit. Trong một số trường hợp, polyme không ghép trực
tiếp lên bề mặt hạt nhưng có tương tác mạnh với bề mặt hạt bằng các liên kết hydro.
Ví dụ như các axit cacboxylic bị nhôm hấp phụ mạnh, nếu axit này chứa gốc trùng
hợp được thì sau khi hấp phụ có thể tiến hành trùng hợp và phát triển phân tử
polyme gắn lên bề mặt hạt [11,12, 13].

Hì

1.1. Sơ đồ tổng h p chất lai polyme-hạt nano[10]

Một phương pháp khác để chế tạo nanocompozit có mạng lưới hạt nano trật
tự là ghép chất khơi mào lên bề mặt hạt nano sau đó trùng hợp polym đã gắn trên
bề mặt. Hình 1.1 là ví dụ áp dụng của phương pháp này đối với các hạt silica có
polystyren ghép trật tự trong chất nền. Quá trình này thích hợp với lớp phủ
copolyme khối và thậm chí là copolyme triblock [14, 15].
1.1.2. Chế tạo nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn
a) Polyme dẫn là chất gia cường
Polyme dẫn có độ dẫn tôt, tính chất điện môi cao, có khả năng tương thích
tốt với nhiều nền polym cách điện khác nhau, nên có thể sử dụng làm vật liệu để
chế tạo compozit. Hình 1.2 trình bày các bước chế tạo vật liệu nanocompozit bằng
9


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

cách xử lý trong dung dịch hoặc trộn hợp trong pha nóng chảy [16]. Trong quá trình
chế tạo, cả polyme dẫn thuần (ICP) và nền polyme được hòa tan/phân tán trong
dung môi và khuấy, trộn, rung siêu âm nhằm đạt được sự pha trộn đồng đều nhất,
cuối cùng là ép (tạo hình) và sấy khô hoặc đóng rắn. Quá trình trộn hợp nóng chảy
liên uan đến việc pha trộn chất gia cường với nền polyme nóng chảy, tiếp theo là
tạo hình và làm mát hay đóng rắn. Trong một số trường hợp nhựa nhiệt rắn, ICP
được trộn lẫn với tiền chất polyme bằng kỹ thuật hòa trộn dung dịch và khâu mạch
tạo liên kết bằng chất đóng rắn có thể được kết hợp với quá trình gia nhiệt, áp suất
[17, 18].

Polyme ẫn

Polyme nền

Polyme
nền

Polyme
ẫn

Hỗn hợp nóng
chảy polyme
nền/polyme
ẫn

Hình 1.2. Chế tạo nanocompozit nề

Dung môi
(siêu âm,
khuấy)

Đổ khuôn,
sấy khô/
đóng rắn

Hỗn hợp
nóng chảy

Định hình:
làm
nguội/đón
g rắn

olyme ia ường polyme dẫn bằ

Nano
compozit
trên cơ sở
polyme
ẫn

ươ

pháp dung dịch và nóng chảy [17]
b) Polyme dẫn là polyme nền
Ưu điểm của việc sử dụng polyme dẫn như là polyme nền trong
nanocompozit là sự kết hợp các chất gia cường linh hoạt, tương tác tốt với các chất
gia cường và cho khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt. Sự kết hợp của chất dẫn điện
khác nhau, của các hạt nano từ tính trong điện môi với nền polyme dẫn… Có thể đạt
được bằng quá trình trộn vật lý “ x-situ” hoặc bằng trùng hợp tại chỗ [18]. Quá
trình trộn vật lý “ x-situ” thường phân tán chất độn k m và khuynh hướng tích tụ
của chúng vẫn xảy ra, kết quả là cho các sản phẩm có thuộc tính điện và từ không
đồng đều. Ngược lại, các tính chất điện của nanocompozit được kiểm soát chặt chẽ
10


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

bằng trùng hợp tại chỗ trong đó tập trung kiểm soát các điều kiện phản ứng của
dung dịch chứa chất kích thích và chất gia cường [19]. Xét một phản ứng điển hình
gồm monom , chất gia cường và chất pha tạp (doping) (hoặc xúc tác) cho vào một
bình phản ứng được thiết kế phù hợp để có thể uy trì điều kiện nhiệt độ xác định
(T), áp suất (P) và tốc độ khuấy. Trước khi trùng hợp, monom thường được hấp
phụ lên các hạt gia cường nano và quá trình trùng hợp xảy ra khi thêm một lượng

chất khơi mào hoặc oxy hóa sau đó tiến hành phản ứng đến khi hoàn thành, thu
được nanocompozit nền polyme dẫn như trình bày tại hình 1.3.

Monome

Chất độn
Phản ứng trùng
hợp

Nanocompozit trên cơ
sở polym ẫn

Xúc tác

Chất oping

Hình 1.3. Chế tạo nanocompozit nền polyme dẫn bằ

ươ

á trùng h p

tại chỗ [17]
1.1.3. Tính chất điện của nanocompozit trên cơ sở polyme dẫn
Từ cơ chế hấp thụ sóng điện từ cho thấy vật liệu cần có các hạt mang điện tự
do (electron/lỗ trống) để có thể tương tác với các trường điện từ tới.

điều kiện

thường, các polyme liên hợp hữu cơ là chất cách điện nếu chưa được kích thích, ví

dụ độ dẫn điện σdc) ở nhiệt độ phòng của PANi là ~10-9 S/cm. Tuy nhiên, khi
chúng được “ oping” dẫn đến hình thành các hạt mang điện, tăng cường tính dẫn
điện. Tức là hình thành các polarons/bipolarons có thể di chuyển ưới ảnh hưởng
của điện thế bên ngoài hoặc điện trường tạo ra bởi các ion trái dấu phân bố dọc theo
chuỗi [20, 21].
11


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Hình 1.4. Quá trình kích thích bằng axit của polyanilin
Vì vậy, khi hàm lượng chất kích thích tăng, nồng độ và tính linh động của
các hạt mang điện tăng, dẫn đến tăng độ dẫn điện. Các hạt ICP khi gia cường trong
nền polym cách điện làm hình thành độ dẫn điện trong compozit.

hi tăng hàm

lượng CP đến một giới hạn nhất định, hạt ICP hình thành một mạng lưới dẫn điện
liên tục trong nền chủ, tạo thành độ dẫn của nanocompozit, hàm lượng đó gọi là
ngưỡng điện thẩm của nanocompozit. Đo độ ẫn biểu diễn phù hợp với quy luật
hàm mũ [22]:
(1)
Trong đó, σ là độ dẫn điện của compozit, σo là độ dẫn đặc trưng, υ là t trọng
thể tích của chất độn, υc là t trọng thể tích ở ngưỡng điện thẩm và t là hệ số mũ.
Biểu diễn đồ thị log σ th o log υ-υc) tạo thành một đường thẳng th o phương
trình trên. Theo quy luật suy rộng thông số, υc và t có thể thu được sau đó bằng cách
phân tích đường trung bình đồ thị logarit đó.
Sự hình thành của mạng lưới như vậy tại ngưỡng điện thẩm phụ thuộc vào
bản chất của CP, độ dẫn nội tại, hình dạng hạt, hình thái, t lệ, nồng độ, độ phân tán
và mức độ phù hợp với nền. Tuy nhiên, tại ngưỡng điện thẩm, độ dẫn σp) vẫn thấp.

Để cho khả năng hấp thụ chấp nhận được cần tăng nồng độ hạt gia cường lên cao
12


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

[20].

hi CP được kết hợp với các chất gia cường dẫn điện khác như MWCNT ,

nó làm giảm đáng kể ngưỡng điện thẩm, tăng độ dẫn và hiệu quả hấp thụ tốt hơn so
với ch sử dụng ICP [22, 23].
1.1.4. Vật liệu nanocompozit CNT/polyme
MWCNT được coi như sợi cacbon cơ bản với độ bền cơ học tốt, độ bền kéo
đứt cao 200 GPa , mô đun đàn hồi cao (1 TPa), o đó có nhiều nghiên cứu sử dụng
MWCNT làm chất gia cường cho polyme [24]. Khi MWCNT có liên kết cộng hóa
trị với chuỗi polyme, tính chất cơ học vật liệu cao hơn o nó làm tăng cả sự phân
tán MWCNT và sự truyền ứng suất đến nền. Theo [25] khi trộn MWCNT chưa biến
tính với PVA cho thấy tính chất cơ học tăng đáng kể. Điều này là do các vách
MWCNT đóng vai trò làm trung tâm cho sự kết tinh của polym , o đó ẫn đến tạo
ra vật liệu có độ bền cao hơn.
Khả năng phân tán MWCNT trong polym là một trong những thông số quan
trọng để điều ch nh tính chất nanocompozit [26]. Nếu MWCNT tồn tại ưới dạng
bó hoặc bị kết tụ tạo nên các vị trí khuyết tật và hạn chế khả năng truyền tải lực
trong pha nền, vị trí này dễ bị phá hu trước tiên khi chịu tác động của lực.
Có thể tăng độ phân tán bằng cách biến tính MWCNT như chức hoá đầu ống
bằng amin hữu cơ mạch dài hoặc chức hoá thành ống bằng muối fluorin alkan. Tuy
nhiên, việc sử dụng chất hoạt tính bề mặt làm cho compozit có tạp chất. Chức hoá
đầu CNT hạn chế sự kiểm soát liên kết với chất nền, và phản ứng ở thành ống có thể
ảnh hưởng đến tính chất cơ học [27, 28]. Dung môi phân tán trực tiếp MWCNT

được biết là NMP, DMF, hexametyl phosphor amit, cyclopentan, tetrametylen
sulfoxit và -caprolacton [29]. Ngoài ra, nghiên cứu trên cũng cho thấy MWCNT
cũng được phân tán trực tiếp trong polyacrylat uretan lỏng, monome
metylmetaacrylat và nhựa poxy, sau đó tiến hành phản ứng trùng hợp để tạo thành
các nanocompozit [6, 26].
Đáng chú ý trong chế tạo sợi cacbon macro, MWCNT được gia cường vào
chất nền làm cho tính chất của vật liệu được cải thiện đáng kể, giảm nhiệt độ nhiệt
13