Nghiên cứu chế tọa vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn (Luận án tiến sĩ)

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


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

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Luận án đủ ở file: Luận án full