uftai-ve-tai-day26388

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

NGUYỄN MẠNH HỒNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT
CHỨA ỐNG NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

NGUYỄN MẠNH HỒNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT
CHỨA ỐNG NANO - CACBON CHO ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 9.44.01.23

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
GS.TS Phan Ngọc Minh

Hà Nội – 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới
sự hƣớng dẫn của GS.TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu và kết quả trong
luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố ở bất kỳ cơng trình nào
khác.

Tác giả luận án

NGUYỄN MẠNH HỒNG


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc
tới thầy hƣớng dẫn là GS.TS. Phan Ngọc Minh, ngƣời thầy đã định hƣớng
cho tơi trong tƣ duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho
tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phan Hồng Khơi, PGS.TS. Phạm
Văn Hội, PGS.TS Vũ Đình Lãm, TS. Nguyễn Văn Thao, TS. Bùi Hùng
Thắng, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn
Hồng, KS. Lê Đình Quang, ThS. Cao Thị Thanh - những ngƣời đã ln giúp
đỡ, khích lệ, động viên tơi trong suốt thời gian làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phịng Thí nghiệm Trọng điểm
Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Phịng hóa
nghiệm xăng dầu, Viện kỹ thuật xăng dầu quân đội, Viện kỹ thuật cơ giới

quân sự, Trƣờng sĩ quan lục quân 1, Cục xe máy 384 quân đội, Phịng thí
nghiệm hóa dầu, Đại học mỏ địa chất, Viện hóa học cơng nghiệp Việt Nam
đã giúp tơi thực hiện các phép đo trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện khoa học và công nghệ,
Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi làm luận án.
Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những ngƣời
thân trong gia đình tơi đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và động viên,
hỗ trợ tôi thực hiện thành công luận án..!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Hồng


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU

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

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON ...5
1.1. Tổng quan về ống nano-cacbon........................................................................5
1.1.1. Giới thiệu về ống nano-cacbon ..................................................................5
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của ống nan- cacbon ................................................5
1.1.3. Các phƣơng pháp chế tạo ống nano-cacbon ..............................................9
1.1.4. Một số tính chất của ống nano-cacbon .............................................12
1.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon..................................16
1.2.1. Khái niệm chất lỏng nano ........................................................................16
1.2.2. Các phƣơng pháp chế tạo .........................................................................16
1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs ....................................................18
1.2.4. Ứng dụng của chất lỏng nano ..................................................................26
1.3. Dầu bôi trơn tản nhiệt .....................................................................................29
1.3.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn ........................................................................29
1.3.2. Một số thông số của dầu bôi trơn ............................................................32
1.3.3. Các chất phụ gia có trong dầu bơi trơn ....................................................32
1.3.4. Pha trộn dầu bơi trơn ...............................................................................37
1.3.5. Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon .........................................37
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án .........39
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc ............................................................39
1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .............................................................40
1.4.3. Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt
chứa ống nano - cacbon ...........................................................................41
1.5. Kết luận chƣơng 1 ..........................................................................................41


CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................43
2.1. Phƣơng pháp thực nghiệm ..............................................................................43
2.1.1. Phƣơng pháp biến tính CNTs ..................................................................43
2.1.2. Phƣơng pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano..................................44

2.1.3. Phƣơng pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu .....................................46
2.1.4. Phƣơng pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano ....................................49
2.2. Phƣơng pháp mơ hình hóa và tính tốn lý thuyết ...........................................49
2.3. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ............................................50
2.3.1. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt .......................................50
2.3.2. Nguyên liệu tản nhiệt ...............................................................................51
2.4. Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu ............................................52
2.4.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn ...............................................52
2.4.2. Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần
nano cacbon .............................................................................................52
2.5. Kết luận chƣơng 2 ..........................................................................................52
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU
BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON .................53
3.1. Kết quả biến tính CNTs ..................................................................................53
3.2. Chế tạo dầu bơi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon ...................................56
3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO ...............................................56
3.2.2. Tối ƣu hàm lƣợng CNTs trong trong dầu bôi trơn tản nhiệt ..................60
3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs .............................................................................62
3.2.4. Tối ƣu hàm lƣợng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt .......64
3.3. Xây dựng mơ hình truyền nhiệt tính tốn độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn
tản nhiệt ..........................................................................................................68
3.3.1. Xây dựng mô hình truyền nhiệt ...............................................................68
3.3.2. So sánh mơ hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới ..73
3.3.3. So sánh mơ hình truyền nhiệt lý thuyết với kết quả thực nghiệm
của dầu bôi trơn tản nhiệt nano................................................................76
3.4. Đánh giá một số tính chất của dầu bơi trơn tản nhiệt nano chế tạo đƣợc ......79
3.4.1. Độ nhớt ....................................................................................................79
3.4.2. Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano ............................80

3.5. Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................83
CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG
NANO CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA
THIẾT BỊ QUÂN SỰ ...........................................................................85
4.1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ ..........................................85
4.1.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ........87
4.1.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ ....................88
4.1.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ........................90
4.1.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bơi trơn trong q trình chạy thử ...........92
4.2. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng........................................................94
4.2.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ........95
4.2.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ ....................97
4.2.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ........................98
4.2.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bơi trơn trong q trình chạy thử ...........99
4.3. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp .............................................102
4.3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ......103
4.3.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ..................105
4.3.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ......................106
4.3.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bơi trơn trong q trình chạy thử .........108
4.4. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự ..............................110
4.4.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ......111
4.4.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ ..................113
4.4.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ......................114
4.4.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bơi trơn trong q trình chạy thử .........116
4.5. Khảo sát dầu bơi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực địa ......118
4.5.1. Thử nghiệm thực địa trên xe thiết giáp ..................................................118
4.5.2. Thử nghiệm thực địa trên xe chở khí tài quân sự ..................................120
4.6. Thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt
cho đèn LED công suất lớn ..........................................................................122
4.7. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................124

KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................126
KIẾN NGHỊ VÀ KẾ HOẠCH TIẾP THEO ...........................................................127


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ...............................................128
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................131
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Diễn giải

CNT

Ống nano cacbon – Carbon nanotube

CNF

Sợi nano cacbon - Carbon nanofibers

AFM

Kính hiển vi lực nguyên tử - Atomic Force Microscope

STM

Kính hiển vi xuyên hầm quét - Scanning Tunneling Microscope

CVD

Lắng đọng hoá học pha hơi - Chemical Vapor Deposition

CPU

Vi xử lý trung tâm - Central Processing Unit

LED

Điốt phát quang - Light Emitting Diode

SEM

Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope

FESEM
TEM
HRTEM

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng - Field Emitting Scanning
Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao - High Resolution
Transmission Electron Microscope

TGA

Phân tích nhiệt trọng lƣợng - Thermogravimetric Analysis

XRD

Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction

MWCNT

Ống nano cacbon đa tƣờng - Muti-walled Carbon Nanotube

SWCNT

Ống nano cacbon đơn tƣờng - Single-walled Carbon Nanotube

PAO

Dầu gốc - Poly AlphaOlefine

FTIR

Phổ hồng ngoại biến đổi fourier - Fourrier Transformation InfraRed

UV – VIS

Quang phổ hấp thụ phân tử - Ultraviolet visible

SDS

Sodium dodecyl Sulfate

EG

Ethylen Glycol

DW

Nƣớc cất

FHP

Ống dẫn nhiệt phẳng – Flat heat pipe

SAE

Chỉ số phân loại dầu nhớt – Society of automobile engineers

API

American Petroleum Institute

DOS

Electronic density of states


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

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

Bảng 1.2.

Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt [46] ..................19

Bảng 1.3.

Thành phần dầu bôi trơn thƣơng phẩm [83, 84]....................................37

Bảng 3.1.

Tổng hợp các thông số theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, ГОСТ
6360-83, ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga kết hợp
thêm một số tiêu chuẩn khác đối với dầu bôi trơn ................................64

Bảng 3.2.

Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt cho tàu thủy
cỡ nhỏ theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 sau quá trình nghiên cứu
tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích ..............65

Bảng 3.3.

Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe
tăng theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 sau q trình nghiên cứu tối
ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích ....................66

Bảng 3.4.

Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bơi trơn tản nhiệt nano cho xe
thiết giáp theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 sau q trình nghiên cứu
tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích ..............66

Bảng 3.5.

Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe
chở khí tài quân sự theo tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85 sau quá trình
nghiên cứu tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12%
thể tích ...................................................................................................67

Bảng 3.6.

So sánh các tính chất của dầu bơi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo đƣợc
với dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu không chứa thành phần nano
dùng cho tàu thủy cỡ nhỏ .....................................................................81

Bảng 3.7.

Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bơi trơn tản nhiệt nano
đã chế tạo đƣợc, dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano
cho động cơ xe tăng ...............................................................................81

Bảng 3.8.

Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bơi trơn tản nhiệt nano
chế tạo đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa
nano cho động cơ xe thiết giáp ..............................................................82


Bảng 3.9.

Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano
chế tạo đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa

nano cho động cơ xe chở khí tài quân sự ..............................................83

Bảng 4.1.

Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ tàu thủy
cỡ nhỏ ....................................................................................................89

Bảng 4.2.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản
nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy
cỡ nhỏ ....................................................................................................93

Bảng 4.3.

Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe tăng ..............97

Bảng 4.4.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản
nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng.......101

Bảng 4.5.

Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe thiết giáp ....105

Bảng 4.6.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bơi trơn tản
nhiệt sau q trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết

giáp ......................................................................................................109

Bảng 4.7.

Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ
xe chở khí tài quân sự ..........................................................................113

Bảng 4.8.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bơi trơn tản
nhiệt sau q trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở
khí tài quân sự......................................................................................117

Bảng 4.9:

Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt
thƣờng và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe thiết giáp .....................119

Bảng 4.10. Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt
thƣờng và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe ZIL 131 ......................121


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Mơ tả cách cuộn tấm graphen để có đƣợc CNTs [6] ...............................6

Hình 1.2.

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

Hình 1.3.

(a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)
và chiral (10,5) [8, 9] ................................................................................8

Hình 1.4.

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

Hình 1.5.

Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu đƣợc
bằng phƣơng pháp này [13] .....................................................................9

Hình 1.6.

Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [13] ...............................................................11

Hình 1.7.

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

Hình 1.8.

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

Hình 1.9.

Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nƣớc cất (DW) và Ethylen
Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48] ...20

Hình 1.10. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết của nhóm H E Patel với kết
quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trƣờng hợp phân tán
CNTs vào nƣớc cất [103] ......................................................................25
Hình 1.11. Cấu trúc hình ống của CNTs [8] ...........................................................25
Hình 1.12. Một số loại dầu bơi trơn trên thế giới ....................................................38
Hình 2.1.

Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề
mặt CNTs...............................................................................................43

Hình 2.2.

Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano
tại phịng thí nghiệm ..............................................................................45

Hình 2.3.

Q trình chế tạo dầu bơi trơn tản nhiệt chứa CNTs .............................46

Hình 3.1.

Phổ FTIR của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính gắn
nhóm chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH ..............53

Hình 3.2.

Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính

gắn nhóm chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH.......55

Hình 3.3.

Sơ đồ quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần
vật liệu nano cacbon cho thiết bị quân sự .............................................57


Hình 3.4.

Quy trình để phân tán CNTs trong dầu gốc...........................................59

Hình 3.5.

Phổ phân bố kích thƣớc của CNTs trong dầu bơi trơn tản nhiệt đo
trên thiết bị Zeta-Sizer với các trƣờng hợp khác nhau: Rung siêu âm
40 phút (a), rung siêu âm 50 phút (b) và rung siêu âm 60 phút (c) .......60

Hình 3.6:

Dầu bơi trơn chứa thành phần ống nano - cacbon chế tạo đƣợc ...........61

Hình 3.7:

Phổ phân bố kích thƣớc đo trên thiết bị Zeta-Sizer của CNTs trong
dầu bôi trơn tản nhiệt với hàm lƣợng 0,13% thể tích và thời gian
rung siêu âm là 60 phút .........................................................................62

Hình 3.8:

Mơ hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs ...................................72

Hình 3.9.

So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm
của nhóm Hwang ...................................................................................73

Hình 3.10: So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm
của nhóm Lifei Chen .............................................................................74
Hình 3.11. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm của
nhóm Gensheng Wu ..............................................................................74
Hình 3.12. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm của
nhóm Hwang .........................................................................................75
Hình 3.13: So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm của
nhóm Hwang .........................................................................................76
Hình 3.14. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả đo đạc khảo sát
độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt với các hàm lƣợng CNTs
khác nhau ...............................................................................................77
Hình 3.15. So sánh kết quả tính tốn lý thuyết với kết quả thực nghiệm về
độ dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs do nhóm S.U.S. Choi và tập thể
nghiên cứu thực hiện .............................................................................78
Hình 3.16. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo
nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC.......................................79
Hình 3.17. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo
nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 100oC.....................................79


Hình 4.1:

Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ dùng để thử

nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới
quân sự ...................................................................................................85

Hình 4.2:

Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ .........86

Hình 4.3.

Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau ....................87

Hình 4.4.

Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau ...88

Hình 4.5.

Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bơi trơn thƣơng phẩm .....................................90

Hình 4.6.

Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn khơng chứa thành phần nano ............91

Hình 4.7.

Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ...................................91

Hình 4.8.

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

Hình 4.9.

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

Hình 4.10. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau ....................96
Hình 4.11. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau ...96
Hình 4.12. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bơi trơn thƣơng phẩm .....................................98
Hình 4.13. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bơi trơn khơng chứa thành phần nano ............98
Hình 4.14. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ...................................99
Hình 4.15. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe thiết giáp dùng để thử nghiệm dầu
bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới qn sự .................102
Hình 4.16. Dầu bơi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe thiết giáp ............103
Hình 4.17. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau ..................104
Hình 4.18. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau .105
Hình 4.19. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm ...................................106


Hình 4.20. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bơi trơn khơng chứa thành phần nano ..........107
Hình 4.21. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano .................................107

Hình 4.22. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe ZIL 131 dùng để thử nghiệm dầu
bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới qn sự .................110
Hình 4.23. Dầu bơi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe ZIL131 ...............111
Hình 4.24. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau ..................112
Hình 4.25. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau .113
Hình 4.26. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bơi trơn thƣơng phẩm. ..................................114
Hình 4.27. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ..........115
Hình 4.28. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano .................................116
Hình 4.29: Ảnh chụp xe thiết giáp BTR-60 PB dùng trong chạy thử nghiệm
thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Trƣờng Sỹ quan Lục quân 1
thực hiện ..............................................................................................118
Hình 4.30. Ảnh chụp xe chở khí tài quân sự ZIL 131 dùng trong chạy thử
nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Viện Kỹ thuật
cơ giới quân sự thực hiện ....................................................................120
Hình 4.31: Đồ thị nhiệt độ của đèn pha LED 300W và giàn tỏa nhiệt theo thời
gian khi sử dụng và không sử dụng phƣơng pháp tản nhiệt bằng dầu
bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs ...........................................123


MỞ ĐẦU
Các trang thiết bị nhƣ xe chở khí tài quân sự, xe tăng, xe thiết giáp, tàu
thủy... là những thiết bị nòng cốt của quân đội. Đây là những thiết bị đặc chủng, đắt
tiền khó mua và có tính bảo mật cao. Việc gia tăng độ bền, tuổi thọ và công suất
hoạt động của các động cơ của xe chở khí tài, xe tăng, xe thiết giáp, tàu thủy... có ý
nghĩa rất quan trọng. Hiện nay, quân đội ta vẫn nhập các loại dầu bôi trơn thƣơng
phẩm từ Cộng Hịa Liên Bang Nga. Tuy nhiên, những loại dầu bơi trơn này có hệ số
ma sát khá cao và dầu chỉ sử dụng trong thời gian tƣơng đƣơng với phạm vi hoạt

động từ 3000 – 5000 km đã phải thay dầu bôi trơn mới. Điều này làm giảm đi khả
năng tác chiến trong chiến đấu và huấn luyện cũng nhƣ những hạn chế trong việc
nâng cao độ bền, tuổi thọ, cơng suất, tiêu hao nhiên liệu, khí thải và thời gian sử
dụng của động cơ.
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nano, nhiều loại vật liệu
mới có kích thƣớc nano với nhiều tính năng ƣu việt, vƣợt trội đã đƣợc nghiên cứu
phát triển và ứng dụng. Nhiều nghiên cứu cho thấy việc đƣa thêm các vật liệu có
cấu trúc nano trong đó có vật liệu nano cacbon (CNTs) đã tạo ra nhiều vật liệu mới
có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống. Các nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao,
với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên tới 2000 W/mK [1, 2]. Tính chất ƣu việt
này của CNTs đã mở ra hƣớng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các
vật liệu trong các hệ thống tản nhiệt.
Một số nghiên cứu trên thế giới cho thấy việc sử dụng vật liệu CNTs vào dầu
bôi trơn giúp làm giảm hệ số ma sát của động cơ, tăng độ dẫn nhiệt qua đó nâng cao
hiệu suất hoạt động của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao độ bền,
tuổi thọ cho động cơ. Các sản phẩm dầu bôi trơn, tản nhiệt sử dụng vật liệu nano
cacbon đã đƣợc chế tạo ở Hoa Kỳ, một số nƣớc ở Châu Âu, Hàn Quốc,... trong đó có
các loại dầu đặc chủng dùng trong quân đội nhƣng khơng đƣợc thƣơng mại hóa. Vì
vậy, việc làm chủ cơng nghệ để có thể tự sản xuất đƣợc ở trong nƣớc là vấn đề rất cần
thiết. Khi có chiến tranh xảy ra, việc nhập khẩu dầu bôi trơn trở nên khó khăn.
Từ tình hình thực tế đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo

1


dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị
quân sự" làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình.
Mục đích của luận án:
– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng ống nano-cacbon từ dầu gốc

– Xây dựng mơ hình truyền nhiệt của động cơ sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt
có thành phần CNTs và đánh giá một số tính chất của nó
– Ứng dụng dầu bơi trơn tản nhiệt cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự
Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây
đã được triển khai thực hiện:
– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nano-cacbon
- Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát các tính chất lý, nhiệt, điện của các vật
liệu tản nhiệt chế tạo đƣợc
– Tính tốn, xây dựng mơ hình tản nhiệt của động cơ đốt trong sử dụng dầu bơi
trơn tản nhiệt có chứa ống nano - cacbon và so sánh với kết quả thực nghiệm
– Nghiên cứu thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo cho động cơ đốt trong
của một số thiết bị qn sự
– Trên cơ sở thực nghiệm và tính tốn có đƣợc, tiến hành tối ƣu hóa điều kiện
cơng nghệ chế tạo đồng thời định hƣớng ứng dụng thực tiễn của dầu bôi trơn
tản nhiệt chế tạo đƣợc.
Đối tượng nghiên cứu
Dầu bơi trơn tản nhiệt có chứa thành phần CNTs sử dụng cho động cơ đốt
trong của một số thiết bị quân sự
Phương pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp thực nghiệm bao gồm phƣơng pháp để biến tính CNTs với các
nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng cho động cơ đốt
trong của một số thiết bị quân sự (tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp, xe chở khí
tài quân sự).
- Phƣơng pháp tính tốn lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mơ hình tính

2


tốn lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mơ hình cải tiến tính tốn độ dẫn
nhiệt của chất lỏng tản nhiệt CNTs với độ chính xác cao.

- Phƣơng pháp đo đạc một số tính chất của dầu bôi trơn chứa thành phần
CNTs chế tạo đƣợc.
Bố cục và nội dung của luận án
Luận án bao gồm 142 trang với 22 bảng, 62 hình vẽ và đồ thị. Ngồi phần Mở
đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và kết luận về những kết
quả đã đạt đƣợc cũng nhƣ một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục. Luận án đƣợc
cấu trúc trong 4 Chƣơng:
Chương 1: Trình bày tổng quan về ống nano-cacbon, chất lỏng tản nhiệt chứa
thành phần ống nano-cacbon, dầu bơi trơn tản nhiệt và tổng quan đƣợc tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án. Phần tổng quan về ống
nano-cacbon trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các
phƣơng pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày
về chất lỏng chứa thành phần CNTs và các phƣơng pháp chế tạo chất lỏng chứa
thành phần CNTs. Dầu bôi trơn, các thông số của dầu bơi trơn, các phụ gia có trong
dầu bơi trơn cũng nhƣ cách pha trộn dầu bôi trơn cũng đã đƣợc trình bày. Phần
nghiên cứu trong và ngồi nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án đã khái quát, tìm hiểu
một số nghiên cứu của tác giả trên thế giới từ năm 2012 đến năm 2017. Đồng thời
cũng tìm hiểu việc nghiên cứu trong nƣớc cho đến thời điểm hiện tại.
Chương 2: Trình bày các phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao
gồm: Hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ
huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tán Zeta-Sizer. Chƣơng 2 cũng đã trình bày về
ngun liệu, hóa chất sử dụng trong luận án và các trang thiết bị chế tạo sử dụng
trong nghiên cứu.
Chương 3: Trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –
OH và –COOH, kết quả chế tạo và xác định một số tính chất của dầu bơi trơn tản
nhiệt chứa thành phần CNTs. Trình bày kết quả nghiên cứu về mơ hình cải tiến tính
tốn lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần ống nanocacbon. Từ đó so sánh mơ hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới.

3

Chương 4: Trình bày kết quả thử nghiệm dầu bơi trơn tản nhiệt chứa thành
phần CNTs chế tạo đƣợc cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe
thiết giáp, xe chở khí tài quân sự. Đồng thời nghiên cứu định hƣớng, mở rộng ứng
dụng của dầu bôi trơn tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn.
Ở cuối luận án, danh sách những cơng trình đã cơng bố liên quan và danh
mục các tài liệu tham khảo đã đƣợc liệt kê.
Luận án đƣợc thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam.
Những đóng góp mới của luận án
-

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

-

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

-

Đã tiến hành thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho
động cơ đốt trong của thiết bị quân sự với hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu
từ 10-15%, tăng tuổi thọ của dầu lên 4 lần so với dầu thông thƣờng và giảm
ma sát.

4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON
1.1. Tổng quan về ống nano-cacbon
1.1.1. Giới thiệu về ống nano-cacbon
Năm 1976, bằng phƣơng pháp CVD nhóm nghiên cứu M. Endo lần đầu tiên
đã phát hiện ra cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thƣớc nano mét. Đến
năm 1991, trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene chế tạo bằng phƣơng
pháp hồ quang bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, Tiến sỹ S. Iijima (Nhật Bản)
một lần nữa phát hiện ra một dạng thù hình mới của cacbon - đó là ống nano-cacbon
(carbon nanotubes - CNTs) [3]. Kể từ đó đến nay, CNTs đã trở thành một trong
những đối tƣợng đƣợc tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính
chất độc đáo hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng. Một điều lý thú là kể từ khi S.
Iijima giới thiệu ống nano-cacbon, nhiều cơng bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã
đƣợc ngẫu nhiên tạo ra trƣớc thời gian đó nhƣng chƣa đƣợc quan tâm chú ý.
Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, CNTs có nhiều tính năng nhƣ: Độ dẫn điện thay
đổi theo kích thƣớc và cấu trúc của ống nhẹ hơn thép 6 lần nhƣng lại bền hơn thép cỡ
100 lần, chịu đƣợc nhiệt độ rất tốt (~ 2800oC trong chân khơng và ~ 700oC trong
khơng khí), có tính đàn hồi tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả năng phát xạ điện từ ở từ
trƣờng thấp. Bên cạnh khả năng tạo đƣợc vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị
điện tử kích thƣớc nano thì CNTs cịn có thể ứng dụng trong vật liệu tản nhiệt.
Xét về cấu trúc, do diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNTs đƣợc
sử dụng nhƣ vật liệu hấp phụ. Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNTs có thể hoạt hóa
bằng các oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ
làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ.
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano- cacbon
Bản chất của liên kết trong ống nano-cacbon đƣợc giải thích bởi hóa học
lƣợng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano - cacbon
đƣợc cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tƣơng tự than chì. Cấu trúc liên kết
này mạnh hơn các liên kết sp3 trong kim cƣơng, tạo ra những phân tử có độ bền đặc
biệt. Các ống nano - cacbon thông thƣờng đƣợc xếp thành các "sợi dây thừng" đƣợc

giữ với nhau bằng lực Van der Waals [4, 5].

5


Ở đây chúng ta quan tâm đến các mặt graphen vì có thể coi CNTs đƣợc tạo
thành bằng cách cắt các tấm graphen ra, sau đó cuộn trịn lại. Có rất nhiều kiểu cuộn
khác nhau dựa theo hƣớng cuộn, chính sự khác nhau này làm cho CNTs có các tính
chất vật lý, hóa học phong phú đa dạng và có thể thay đổi.
Tuy nhiên, không phải lúc nào ống nano - cacbon cũng có hình dạng giống
nhƣ hình dạng của tấm graphen cuộn lại. Bởi vì tấm graphen gồm các nguyên tử
cacbon xếp trên 6 đỉnh của hình lục giác, cịn CNTs lại có sự xuất hiện của các đa
giác là ngũ giác.

Hình 1.1. Mơ tả cách cuộn tấm graphen để có đƣợc CNTs [6]
Có hai loại ống nano - cacbon là: Ống nano cacbon đơn lớp hay còn đƣợc gọi
là ống nano - cacbon đơn tƣờng (SWCNT), đƣợc cấu tạo bởi một lớp duy nhất các
nguyên tử cacbon và ống nano - cacbon đa lớp với kích thƣớc cỡ nanomet và có
dạng hình ống, hay cịn đƣợc gọi là ống nano - cacbon đa tƣờng (MWCNTs) (hình
1.2a, hình 1.2b).
(a)

(b)

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

6


Ống nano-cacbon đơn tƣờng có cấu trúc giống nhƣ là sự cuộn lại của một lớp

than chì độ dày một ngun tử (cịn gọi là graphen) thành một hình trụ liền và đƣợc
khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fulleren. Do đó CNTs cịn đƣợc biết đến
nhƣ là fulleren có dạng hình ống gồm các ngun tử cacbon liên kết với nhau bằng
liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững. Ống nano cacbon đa tƣờng gồm nhiều ống đơn
tƣờng đƣờng kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp
từ 0,34 nm đến 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thƣờng tự liên kết với nhau để tạo
thành từng bó xếp chặt (đƣợc gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác
hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT
nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm.
Cấu trúc của vật liệu CNTs đƣợc đặc trƣng bởi vectơ Chiral, kí hiệu là Ch. Vectơ
này chỉ hƣớng cuộn của các mạng graphen và độ lớn đƣờng kính ống (hình 1.3a).

Ch  na1  ma2  (n, m)
Trong đó:

(1.1)

n và m là các số nguyên.
a1 và a2 là các vectơ đơn vị của mạng graphen

Có nhiều cách chọn vectơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong
hình 1.3a dƣới đây.
 3 1
 3 1
a1  a
,  , a 2  a
, 
2
 2
 2 2

(1.2)

Với a là hằng số mạng của graphit: a = 0,246 nm.
Góc của vectơ Chiral θ:
cos  

2n  m
2 (n 2  m 2  nm )

(1.3)

Đƣờng kính D của ống đƣợc tính theo cơng thức sau:
D  k n 2  m 2  nm
(k  N )

(nm)

(1.4)

Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tƣơng ứng với
các cặp chỉ số (n, m) khác nhau. Ba cấu trúc thƣờng gặp đó là: amchair, zigzag và
chiral tƣơng ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.4b).

7


CNTs có đƣờng kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều dài từ
một vài micromet đến vài milimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đƣờng kính và diện tích bề
mặt của nó là rất lớn.

Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tƣởng của CNTs. Trên thực tế, cấu trúc của
CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect. Các sai hỏng này
đƣợc phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các ngun tử cacbon
cấu thành nên CNTs.

(a)

(b)

Hình 1.3. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)
và chiral (10,5) [8, 9]
Các sai hỏng theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các
vịng cacbon khơng phải 6 cạnh. Các vịng cacbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8
cạnh, chủ yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.4).
Các sai hỏng theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử
cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do đó cấu trúc của
CNTs khơng chỉ gồm các liên kết C-C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp2+α (-1 < α < 1).
Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs.

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

8


Ngồi các dạng sai hỏng trên, cịn một số dạng sai hỏng khác nhƣ liên kết
khơng hồn tồn, khuyết và dịch vị trí. Các sai hỏng có vai trị rất quan trọng, chúng
là đầu mối chìa khóa trong các q trình biến tính của vật liệu CNTs. Các sai hỏng
này có thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức
hoạt động nhƣ carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là cơng cụ chủ yếu
để hoạt hóa, biến tính vật liệu CNTs. Tuy nhiên, các sai hỏng này cũng ảnh hƣởng

tới các tính chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện. Nó có thể làm giảm độ
bền về mặt cơ học và làm thay đổi cấu trúc dải điện tử của CNTs.
1.1.3. Các phương pháp chế tạo ống nano-cacbon
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu CNTs,
nhƣng trong luận án này chúng tôi chỉ tập trung quan tâm đến phƣơng pháp bốc bay
laze và phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD). Sau hơn 20 năm kể từ
ngày đƣợc phát hiện, vật liệu CNTs đã đƣợc chế tạo với số lƣợng lớn và đã đƣợc
thƣơng mại hóa [11, 12]. Tùy vào tính chất vật liệu CNTs cần tổng hợp mà mỗi
phƣơng pháp có ƣu thế riêng.
1.1.3.1. Phương pháp bốc bay laze

Hình 1.5. Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu đƣợc
bằng phƣơng pháp này [13]
Phƣơng pháp bốc bay bằng laze là một phƣơng pháp có hiệu quả cao cho q
trình tổng hợp bó SWCNT với vùng phân bố hẹp. Trong phƣơng pháp này, một
miếng graphit dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dƣới áp suất cao trong mơi
trƣờng khí trơ. MWCNTs đƣợc tạo ra trên bia graphit sạch. Chất lƣợng và hiệu suất

9


của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lƣợng sản phẩm tốt
nhất ở nhiệt độ 1200ºC. Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lƣợng cấu trúc giảm và CNTs
bắt đầu xuất hiện những sai hỏng. Trong phƣơng pháp bốc bay bằng chùm laser,
năng lƣợng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite đƣợc đặt ở trong lò đốt bằng
điện ở nhiệt độ khoảng 1200ºC. Luồng khí Ar (áp suất ~500 Torr) thổi hơi cacbon
từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng đƣợc làm lạnh bằng nƣớc
nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.5. Nếu dùng bia graphit tinh khiết ta sẽ thu đƣợc
MWCNTs. Nếu bia đƣợc pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lƣợng
Ni và Co bằng nhau sẽ thu đƣợc SWCNT. Trong sản phẩm cịn có các dây nano tạo

bởi các SWCNT với đƣờng kính từ 10 nm đến 20 nm và dài trên 100 m.
Giá trị trung bình của đƣờng kính ống và mật độ phân bố đƣờng kính ống tuỳ
thuộc vào nhiệt độ tổng hợp và thành phần xúc tác. Để tạo SWCNT, ngƣời ta còn
dùng phƣơng pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự do (FEL) hoặc phƣơng pháp
xung laser liên tục.
Phƣơng pháp này có ƣu điểm là sản phẩm thu đƣợc có độ sạch cao (trên
90%) so với phƣơng pháp hồ quang điện. Tuy nhiên, đây chƣa phải là phƣơng pháp
có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lƣợng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó
nguồn laser u cầu cơng suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao, ...
1.1.3.2. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi
Lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) là một trong những phƣơng pháp chế
tạo CNTs phổ biến nhất. CVD có rất nhiều điểm khác so với phƣơng pháp phóng
điện hồ quang và phƣơng pháp bốc bay bằng laze. Phóng điện hồ quang và bốc bay
bằng laze là hai phƣơng pháp thuộc nhóm nhiệt độ cao (> 3000K), thời gian phản
ứng ngắn (µs-ms), cịn phƣơng pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700-1473K)
và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho đến hàng giờ. Mặt hạn chế chính của
phƣơng pháp phóng điện hồ quang và phƣơng pháp bốc bay bằng laze là: Sản phẩm
CNTs đƣợc tạo ra không đồng đều, sắp xếp hỗn độn, không theo một quy tắc cho
trƣớc hoặc định hƣớng trên bề mặt. Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp CVD sử dụng
các nguồn năng lƣợng khác nhau để tổng hợp CNTs, ví dụ nhƣ: Phƣơng pháp CVD
nhiệt, phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma, phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol,
phƣơng pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v….

10