Nghiên cứu chế tạo màng compozit trên cơ sở polymer pha trộn bột nano carbon và bột đồng nhằm ứng dụng che chắn bức xạ điện từ

1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Theo nhiều nghiên cứu, Việt Nam với phát triển nhanh mạnh khoa học công nghệ, đặc biệt lĩnh vực điện tử, truyền thông, dân dụng Các thiết bị nói chung sử dụng nguồn lượng điện để thực chức định thiết kế việc bố trí hay sử dụng chúng vùng không gian không hợp lý làm cho hoạt động thiết bị ảnh hưởng tới hoạt động thiết bị khác làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe người kéo theo hệ lụy ô nhiễm xạ điện từ ngày phổ biến, đặc biệt trường điện từ có tần số radio Trong thực tế có nhiều ngành, nghề, cơng việc tiếp xúc với xạ điện từ Môi trường ô nhiễm xạ điện từ gây ảnh hưởng xấu tới người, làm tổn thương tới tế bào sống, gây tác động xấu đến sức khỏe người, chí dẫn tới bệnh lý: Tim mạch, Hệ thần kinh Đối với thiết bị điện tử, sóng điện từ làm ảnh hưởng đến độ bền, chất lượng đến chức hoạt động chúng, Nhằm giảm, tránh tác hại xạ điện từ tới người môi trường, số biện pháp an toàn sử dụng, Tuy nhiên loại vật liệu thơng dụng dùng cho mục đích che chắn xạ điện từ thường kim loại (dưới dạng tấm, màng), bột kim loại, nhựa có pha trộn thêm sợi kim loại, polymers polyacrylonitrile gia cường bọc phủ lớp màng Ni, loại vải sợi gia công thêm với số kim loại Cu, Ni, Al thường liên quan đến vấn đề độ nhạy cảm với tác động ăn mòn, thời gian xử lý dài, giá thành sản phẩm cao Hiện nay, sản phẩm vật liệu composites polymer gia cường số dạng vật liệu carbon nano, chẳng hạn sợi carbon nano, ống carbon nano, hay dạng vật liệu polymer matrices gia cường số loại dây nano vượt qua hạn chế chúng vật liệu nhẹ, mềm dẻo thích hợp cho việc thiết kế, có độ kháng ăn mịn cao thích hợp với việc sản xuất hàng loạt, vượt xa công nghệ chế tạo thơng dụng Do tính dẫn nhiệt dẫn điện tốt màng graphene, mảnh than chì đa lớp graphene, nén hỗn hợp mảnh than chì lại tạo vật liệu than chì mềm xốp dẫn điện tốt cho độ che chắn điện từ với giá trị cao Việc sử dụng polymer dẫn điện cho mục đích che chắn điện từ quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ Việt Nam, khơng địi hỏi phải có chất phụ gia điền kẽ dẫn điện nên chúng dùng trực tiếp cho mục đích Với điều kiện nghiên cứu nước có chế tạo thành cơng vật liệu nano carbon từ số loại vật liệu ban đầu : xơ dừa, than chì, than cốc, tro bay Kết nghiên cứu cho thấy độ bền màng phụ thuộc vào loại vật liệu ban đầu lựa chọn để chế tạo bột nano carbon Nhằm nâng chất lượng màng compozit sở polymer pha trộn ống nano carbon (độ bền dung môi hóa chất), nhóm nghiên cứu chúng tơi chế tạo bột nano carbon từ vật liệu nguồn than cốc, nguồn nguyên liệu than tự nhiên có sẵn Việt Nam, có thành phần carbon cao Phương pháp chế tạo phương pháp nghiền học, phương pháp vật lý hữu hiệu sử dụng phổ biến để thu loại vật liệu dạng bột có kích thước hạt nhỏ từ vật liệu ban đầu có kích thước lớn nhiều lần Ưu điểm phương pháp đơn giản khả cho phép đạt sản lượng cao Các kết tập trung thử nghiệm chế tạo vật liệu màng compozit sở polymer pha trộn ống nano carbon Các loại màng chế tạo chủ yếu loại đế cứng dạng nhựa kính Hiệu lực chắn sóng điện từ dải tần số 100 MHz đến 12 GHz đạt từ 14 dB đến 18 dB Xuất phát từ lý trên, tiến hành chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo màng compozit sở polymer pha trộn bột nano carbon bột đồng nhằm ứng dụng che chắn xạ điện từ.” Mục đích nghiên cứu - Chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon : + Nghiên cứu, xác định phương pháp thiết bị chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Nghiên cứu, xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Tiến hành chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Khảo sát tính chất, thơng số đặc trưng màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Đo thử, đánh giá khả che chắn sóng điện từ màng chế tạo Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu: Hồi cứu tài liệu : Vấn đề ô nhiễm xạ điện từ; chất tính chất xạ điện từ; chế che chắn bảo vệ khỏi xạ điện từ; công nghệ vật liệu ứng dụng che chắn xạ điện từ Thực nghiệm : Tổng hợp vật liệu, khảo sát, phân tích, đánh giá, chế tạo loại màng mỏng từ vật liệu nano carbon có thuộc tính phản xạ hấp thụ sóng điện từ Thống kê, phân tích, xử lý số liệu: Phân tích, xử lý kết số liệu khảo sát thông số đặc trưng, tính chất màng chế tạo Nội dung nghiên cứu Ngoài phần mở đầu, kết luận phụ lục, luận văn gồm chương: Chương I: Tổng quan Chương II: Thực nghiệm Chương III: Kết thảo luận - Chế tạo màng chắn sóng điện từ màng compozit sở polymer pha trộn bột nano carbon bột đồng: + Nghiên cứu, xác định phương pháp thiết bị chế tạo màng chắn sóng điện từ compozit sở polymer pha trộn bột nano carbon bột đồng + Nghiên cứu, xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo màng compozit sở polymer pha trộn bột nano carbon bột đồng + Tiến hành chế tạo màng compozit sở polymer pha trộn bột nano carbon bột đồng + Khảo sát tính chất, thơng số đặc trưng màng chế tạo (Hình thái bề mặt, tính chất vật lý (độ mịn, độ nhớt, tỷ trọng – mẫu màng chưa đóng rắn); Khảo sát độ bền hóa chất màng (trong mơi trường H20; NaOH; H2SO4); Khảo sát độ bền dung môi màng (trong môi trường Toluen; Propanol; Clorofoc); Khảo sát tính chất điện màng (điện trở suất khối; điện trở suất bề mặt; số điện môi màng); + Đo, đánh giá khả che chắn sóng điện từ dải tần số quét từ 100 MHz đến 16 GHz Dự kiến kết đạt - Các mẫu màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon yêu cầu - Chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon : + Nghiên cứu, xác định phương pháp thiết bị chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Nghiên cứu, xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Tiến hành chế tạo màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Khảo sát tính chất, thơng số đặc trưng màng chắn sóng điện từ vật liệu nano carbon + Đo thử, đánh giá khả che chắn sóng điện từ màng chế tạo CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Các khái niệm, chất, tính chất sóng điện từ 1.1 Điện tích điện trường 1.1.1 Điện trường Điện trường mơ hình tưởng tượng điện từ học để nói môi trường vật chất đặc biệt bao quanh điện tích gắn liền với điện tích Điện trường tác dụng lực lên tất hạt mang điện đặt người ta gọi lực lực điện Xét chất, điện trường từ trường biểu riêng rẽ trường thống điện từ trường 1.1.2.Cường độ điện trường Cường độ điện trường đại lượng đặc trưng cho điện trường phương diện tác dụng lực.Nó đại lượng vật lý có hướng, biểu diễn thơng qua vector cường độ điện trường (thường ký hiệu E) Cường độ điện trường khơng gian biểu diễn đường sức điện trường Vector cường độ điện trường có phương trùng với phương tiếp tuyến đường sức điện trường có chiều trùng với chiều đường sức điện trường Tâp hợp đường sức cường độ điện trường gọi điện phổ Một điện tích, q, nằm điện trường có cường độ điện trường, thể vectơ E, chịu lực tĩnh điện, thể vectơ F, tính theo: F = qE 1.1.3 Điện tích điểm Cường độ điện trường gây điện tích điểm tính cơng thức: Trong q độ lớn điện tích ɛo độ điện thẩm chân không ɛ số điện môi môi trường r khoảng cách từ điện tích đến điểm ta xét Với cường độ điện trường này, điện tích khác nằm chịu lực điện tỷ lệ với tích hai điện tích tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Đó lực Coulomb 1.2 Bức xạ điện từ Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) kết hợp (nhân vector) dao động điện trường từ trường vng góc với nhau, lan truyền khơng gian sóng Sóng điện từ bị lượng tử hố thành "đợt sóng" có tính chất hạt chuyển động gọi photon 1.2.1 Phổ điện từ Phổ điện từ dải tất tần số có xạ điện từ "Phổ điện từ" [6] đối tượng phân bố đặc trưng xạ điện từ phát hấp thụ đối tượng cụ thể Phổ điện từ [7] [14] kéo dài từ tần số thấp dùng cho liên lạc vô tuyến đại tới xạ gamma cuối bước sóng ngắn (tần số cao), phổ điện từ bao phủ bước sóng từ hàng ngàn km đến phần kích cỡ nguyên tử Hình 1.1 Biểu đồ phổ điện từ, thuộc tính khác dải tần số bước sóng khác [6] Trong lịch sử, ánh sáng biết đến phần phổ điện từ Người Hy Lạp cổ đại công nhận ánh sáng truyền theo đường thẳng nghiên cứu số thuộc tính nó, bao gồm phản xạ khúc xạ Vào năm 1845 Michael Faraday nhận thấy ánh sáng phản ứng với từ trường Phát tính chất sóng điện từ ánh sáng vào năm 1800, William Herschel phát ánh sáng hồng ngoại Ông nghiên cứu nhiệt độ màu sắc khác cách di chuyển nhiệt kế qua ánh sáng bị chia qua lăng kính Ông nhận thấy nhiệt độ cao vượt q màu đỏ Ơng đưa giả thuyết có 'ánh sáng' mà mắt người khơng thể nhìn thấy Năm 1801, Johann Ritter nghiên cứu phía đầu quang phổ thấy có 'các tia hóa học' có hành vi tương tự, xa nữa, tia sáng nhìn thấy màu cực tím Sau họ đổi tên thành xạ cực tím Trong thập niên 1860 James Maxwell nghiên cứu trường điện từ phát chúng truyền gần vận tốc ánh sáng Ơng đưa phương trình vi phân để giải thích mối tương quan Để chứng minh phương trình Maxwell, năm 1886 Heinrich Hertz chế tạo cỗ máy để tạo phát sóng vơ tuyến Ơng quan sát thấy chúng truyền vận tốc ánh sáng bị phản xạ khúc xạ Trong thí nghiệm sau đó, ơng tạo đo vi sóng Năm 1895 Wilhelm Röntgen phát loại xạ làm thí nghiệm Ơng gọi tia X nhận thấy chúng truyền xuyên qua thể người, lại bị vật chất đặc phản xạ, ví dụ xương Sau tia X ứng dụng nhiều lĩnh vực y học Năm 1900 Paul Villard nghiên cứu phóng xạ Đầu tiên ông nghĩ chúng hạt tương tự hạt alpha beta Tuy nhiên, năm 1910 Ernest Rutherford đo bước sóng chúng thấy chúng sóng điện từ 1.2.2 Dải phổ Sóng điện từ thường mơ tả ba tính chất vật lý sau: tần số f, bước sóng λ, lượng photon E Dải tần số từ 2,4×1023 Hz (1 GeV tia gamma) xuống tần số plasma cục môi trường nguyên tử bị ion hóa (~1 kHz) Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số [14], tia gamma có bước sóng ngắn phân số kích thước nguyên tử, bước sóng dài vũ trụ Năng lượng photon tỉ lệ thuận với tần số sóng, tia gamma có lượng cao (khoảng tỉ electronvolt) sóng vơ tuyến có lượng thấp (khoảng femtô electronvolt) Các mối quan hệ minh họa phương trình sau: Bất sóng điện từ tồn mơi trường vật chất, bước sóng chúng giảm Bước sóng xạ điện từ, khơng bị ảnh hưởng môi trường mà chúng truyền qua, thường trích dẫn mặt bước sóng chân khơng, điều lực quy định rõ ràng Nói chung, xạ điện từ phân loại thành bước sóng với: sóng vơ tuyến, vi ba, xạ terahertz (hay mm), hồng ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, cực tím, tia X tia gamma Việc xạ EM phụ thuộc vào bước sóng nó.[11] Khi xạ EM tương tác với nguyên tử phân tử, hành vi phụ thuộc vào lượng lượng tử [12] (photon) mà mang theo Các kiểu xạ điện từ xếp thành lớp sau: Bức xạ gamma n Bức xạ tia X Bức xạ tia cực tím Bức xạ ánh sáng nhìn thấy Bức xạ hồng ngoại Bức xạ vi ba Sóng vơ tuyến Hình 1.2 Phổ điện từ [12] Sự phân loại theo thứ tự tăng dần bước sóng, đặc trưng kiểu xạ Trong nói chung, điểu đồ phân loại xác, thực tế thường có số chồng chéo kiểu lượng điện từ lân cận Phân biệt tia X tia gamma dựa vào nguồn xạ: tia gamma tạo từ phân rã hạt nhân hạt nhân khác trình hạt/dưới hạt 10 nhân, tia X tạo trình chuyển đổi điện tử liên quan đến electron bên nguyên tử có lượng cao Nói chung, chuyển đổi hạt nhân có nhiều lượng chuyển đổi điện tử, tia gamma có nhiều lượng tia X, có trường hợp ngoại lệ tồn Bằng cách tương tự với chuyển đổi điện tử, chuyển đổi hạt nhân ngoại lai tạo tia X Tần số vô tuyến Sóng vơ tuyến thường dùng anten có kích thước thích hợp (nguyên nguyên tắc cộng hưởng), với bước sóng khác nhau, từ hàng trăm mét tới khoảng mm Chúng dùng để truyền liệu, qua điều chế Truyền hình, điện thoại di động, mạng khơng dây vơ tuyến nghiệp dư dùng sóng vơ tuyến Việc dùng phổ vô tuyến quy định phủ thơng qua việc phân bổ tần số Sóng vơ tuyến tạo để mang thơng tin cách thay đổi kết hợp biên độ, tần số pha sóng với dải tần số Khi xạ EM có tác động tới dây dẫn, ghép thành cặp với dây dẫn, truyền dây dẫn gây dòng điện cảm ứng bề mặt dây dẫn cách kích thích điện tử vật liệu dây dẫn Hiệu ứng sử dụng anten (hiệu ứng bề mặt) Vi ba Hệ số truyền khí Trái Đất (hay độ chắn) với bước sóng khác xạ điện từ Tần số siêu cao (SHF) tần số cao (EHF) vi ba nằm phía sau sóng vơ tuyến Vi ba sóng thường ngắn để để sử dụng ống dẫn sóng kim loại hình ống có đường kính hợp lý Năng lượng vi ba tạo với ống klystron magnetron, với đi-ốt trạng thái rắn thiết bị Gunn IMPATT Vi ba hấp thụ phân tử có mơ-men lưỡng cực chất lỏng Trong số lị vi sóng, hiệu ứng giúp cho thức ăn nóng lên Bức xạ vi ba cường độ thấp dùng Wi-Fi Bức xạ terahertz