Công trình nghiên cứu sợi carbon đã có từ hơn 100 năm nay và vào năm 1889 hai ông T. V. Hughes và C. R. Chambers đã có đăng ký quá trình phát minh tạo sợi carbon qua sự phân hủy của methane (U.S. Patent 405480). Phương pháp dùng khí methane giống như phương pháp hiện nay tạo ống than nano. Cũng vào thời gian này, đăng ký phát minh của bóng đèn điện trở cũng được trao cho Thomas Edison. Điều này cho thấy công trình nghiên cứu sợi carbon cũng có lịch sử lâu đời như cái bóng đèn điện. Bẵng đi một thời gian dài hơn 60 năm, nghiên cứu sợi carbon dần dà trở lại. Kể từ khi được phát hiện ra đến nay thì sợi nano cacbon đã được con người đưa vào ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, nổi bật nhất phải kể đến là ứng dụng trong ngành công nghệ vật liệu. Vậy nano cacbon đã đem đến những cải thay đổi gì cho vật liệu? Những lĩnh vực mà nó đã được sử dụng, và khó khăn trong công nghệ mà chúng ta gặp phải ra sao? Tất cả sẽ được trình bày trong đồ ánnghiên cứu:”Tác dụng nâng cao tính chất cơ học của ống nano cacbon đa tường trong vật liệu nanocompozit”.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC // ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH TÁC DỤNG NÂNG CAO TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ỐNG NANO CACBON ĐA TƯỜNG TRONG VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ HÓA HỮU CƠ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Nữ MSSV: 0741120141 Lớp: ĐH Hóa Khóa: 2012-2016 Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tuấn Anh Hà Nội - 2015 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU, CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Kí hiệu CNTs SWCNTs MWCNT s DGEBA PEPA Tiếng Anh Carbon nanotubes single walled Carbon nanotubes multi walled Carbon nanotubes diglycidylether bis – phenol A polyethylenepolyamine TGETPM MDA Tiếng Việt ống nano cacbon ống nano cacbon đơn tường ống nano cacbon đa tường triglycidylether triphenyl methane methylenedianilene Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Cơ tính mật độ loại sợi Bảng 1.2 Phân loại đặc trưng dẫn số loại CNTs Bảng 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Bảng 3.2 Ảnh hưởng loại vải Bảng 3.3 Tính chất vật liệu compozit hỗn hợp sợi cacbon sợi thủy tinh Bảng 3.4 Dữ liệu độ suy biến nhiệt nhựa PF PCF Bảng 3.5 Tính chất lý vật liệu compozit sợi cacbontrên sở PF PCF Bảng 4.2 Độ bền tĩnh sản phẩm xà hộp Danh mục đồ thị Đồ thị 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền uốn modul uốn compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn vằng PEPA Đồ thị 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền kéo modul kéo compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn AP Đồ thị 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền uốn modul uốn compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn PEPA Đồ thị 3.4 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền uốn modul uốn compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn aP Đồ thị 3.5 Ảnh hưởng góc định hướng sợi lên độ bền kéo modul kéo compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn PEPA Đồ thị 3.6 Ảnh hưởng góc định hướng sợi lên độ bền uốn modul uốn sợi compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn PEPA Đồ thị 3.7 Ảnh hưởng góc định hướng lên độ bền kéo vào modul kéo compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn AP Đồ thị 3.8 Ảnh hưởng góc định hướng sợi lên độ bền uốn modul uốn compozit sợi cacbon sở DGEBA đóng rắn AP Đồ thị 3.9 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền kéo modul kéo compozit sợi cacbon sở TGETPM Đồ thị 3.10 Ảnh hưởng hàm lượng sợi lên độ bền uốn modul uốn compozit sợi cacbon sở TGETPM Đồ thị 3.11 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền kéo modul kéo Đồ thị 3.12 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền uốn modul uốn Đồ thị 3.13 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền nén modul nén Đồ thị 3.14 Độ bền kéo modul kéo Đồ thị 3.15 Độ bền uốn modul uốn Đồ thị 3.16 Độ bền nén trượt LỜI MỞ ĐẦU Công trình nghiên cứu sợi carbon có từ 100 năm vào năm 1889 hai ông T V Hughes C R Chambers có đăng ký trình phát minh tạo sợi carbon qua phân hủy methane (U.S Patent 405480) Phương pháp dùng khí methane giống phương pháp tạo ống than nano Cũng vào thời gian này, đăng ký phát minh bóng đèn điện trở trao cho Thomas Edison Điều cho thấy công trình nghiên cứu sợi carbon có lịch sử lâu đời bóng đèn điện Bẵng thời gian dài 60 năm, nghiên cứu sợi carbon trở lại Kể từ phát đến sợi nano cacbon người đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực, bật phải kể đến ứng dụng ngành công nghệ vật liệu Vậy nano cacbon đem đến cải thay đổi cho vật liệu? Những lĩnh vực mà sử dụng, khó khăn công nghệ mà gặp phải sao? Tất trình bày đồ án nghiên cứu:”Tác dụng nâng cao tính chất học ống nano cacbon đa tường vật liệu nanocompozit” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử fulơren ống nano cacbon Fulơren dạng thù hình cacbon Nó có hình dạng giống bóng, cấu tạo hay nhiều lớp graphit cuộn tròn lại, Fulơren có nhiều tính chất kỳ lạ mà chưa tìm thấy chất khác Do đó, chúng có khả sử dụng nhiều cho đời sống Trước tổng hợp đượcc ác phân tử fulơren nhỏ C60 C70, người ta cho phân tử hình cầu lớn không bền vững Tuy nhiên theo thí nghiệm tính toán nhà khoa học Nga C60 khí bền vững có bề rộng vùng cấm lớn Hình 1.1 dạng thù hình Cacbon Năm 1985, Kroto Smalley tìm tháy fulơren từ kết lạ phổ khối lượng cacbon dạng Từ người ta tìm fulơren tính bền vững pha chứng minh Việc tìm kiếm dạng fulơren khác bắt đầu Năm 1991 Sumio Ijima làm việc hãng NEC (Nhật) theo dõi loại bụi bình kín để chế tạo fulơren theo cách phóng điện hồ quang khí trơ với điện cực than lại phát thấy có tinh thể nhỏ dạng ống rỗng đường kính ống vào cỡ 1,4 nanomet dài đến micromet, chí milimet Ống nano cacbon phát từ thời gian ngắn có mặt nhiều ứng dụng khoa học công nghệ bật Ống nano cacbon (Carbon nanotubes – CNTs) dạng thù hình cacbon với cấu trúc nano hình trụ Một ống nano cacbon đơn lớp than chì độ dày nguyên tử cuộn tròn lại thành hình trụ liền, với tỉ lệ chiều dài đường kính lên tới 123.000.000 : 1, lớn đáng kể so với vật liệu khác Những phân tử cacbon hình trụ có thuộc tính bất thường, có giá trị cho công nghệ nano, điện tử, quang học lĩnh vực khác khoa học vật liệu Đặc biệt, thuộc tính dẫn nhiệt, học điện bất thường, CNTs tìm ứng dụng phụ gia cho cấu trúc vật liệu khác nhau[1] Ống nano loại cấu trúc fullerene, gồm buckyball Trong buckyball có dạng hình cầu, ống nano lại có dạng hình trụ, với đầu phủ bán cầu có cấu trúc buckyball Tên chúng đặt theo hình dạng chúng, đường kính ống nano vào cỡ vài nanomet (xấp xỉ nhỏ 50.000 lần sợi tóc), độ dài chúng lên tới vài milimet[1] Ống nano cacbon phân loại thành ống nano đơn tường (single – walled Carbon nanotubes – SWCNTs) ống nano cacbon đa tường (multi – walled Carbon nanotubes – MWCNTs) Hình 1.2 cấu trúc nanocacbon đơn tường đa tường Bản chất liên kết ống nano cac bon giải thích hóa học lượng tử, cụ thể xen phủ orbital Liên kết hóa học ống nano cấu thành hoàn toàn liên kết sp 2, tương tự với than chì Cấu trúc liên kết mạnh liên kết sp kim cương, tạo phân tử với độ bền đặc biệt Các ống nano thông thường tự xếp thành “sợi dây thừng” giữ với lực Van der Waals Dưới áp suất cao, ống nano trộn với nhau, trao đổi số liên kết sp cho liên kết sp3, tạo khả sản cá sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao Trong lịch sử khoa học chưa có vật liệu có đặc tính vô đa dạng, tiềm ứng dụng phong phú ống nano cacbon Một đặc tính khác thường ống than nano tính lý tính Ống than nano có độ cứng (stiffness), độ bền (strength) siêu việt truyền nhiệt tốt Cấu trúc ống thiết kế để thay đổi độ dẫn điện từ mức độ kim loại đồng đến chất bán dẫn Quang tính, điện tính (bao gồm điện, điện thử, quang điện tử) ống nano cacbon cho thấy tính chất lạ chưa thấy loại vật liệu hữu lẫn vô Những đặc tính thu hút quan tâm nhà khoa học giới công nghiệp doanh thương Ngoài đặc tính vĩ mô, tượng lượng tử ống nano thong tin lượng tử, spintronic đến hiệu ứng siêu dẫn khảo sát Nói tính, ống than nano bền cứng thép Nếu khai triển mức, vật liệu gia cường (reinforcement) quý giá cho polymer gia dụng Nói đặc tính điện tử quang điện tử (opto – electronics), ống nano có tiềm ứng dụng vượt trội thay silicon chất bán dẫn khác thống trị trường máy tính linh kiện điện tử 1.1.1 Ống nanocacbon đơn tường Phần thành SWCNTs có cấu trúc hình trụ Nó tạo thành dải lớp mạng graphit có bề rộng xác định cuộn lại theo hướng xác định Hướng cuộn đặc trưng vector cuộn (Chiral vector) Trên lớp mạng graphit, người ta chọn hai vector đơn vị ( ) , hai nguyên tử cacbon (Hình 2.2), nguyên tử làm gốc cho thỏa mãn vector cuộn nối hai nguyên tử xác định sau: =m + n = (m,n) Hình 1.3 Trái: vector chiral khác góc chiral ; Phải: (a) ống arm – chair (5,5), (b) ống zig – zag (9,0), (c) ống chiral (10,5) ứng với bán cầu fulơren tương ứng Mạng graphit cuộn lại cho hai nguyên tử Cđó trùng nhau, chiều dài vector chu vi ống, trục ống vuông góc với vector cuộn Dựa vào vector cuộn ta xác định đường kính ống (d) góc cuộn () với a kích thước ô mạng Hướng vector cuộn không liên tục để đảm bảo tạo thành hình trụ khép kín Dựa vào vector cuộn – cặp số (m,n), người ta phân loại SWCNTs thành loại chính: (a) ống arm – chair (m,m), (b) ống zig – zag (m,0) (c) ống chiral - ứng với cặp (m,n) lại[2] 1.1.2 Ống nanocacbon đa tường Ống nano cacbon đa tường bao gồm nhiều lớp graphite cuộn lên để tạo dạng ống Có mô hình dùng để mô tả cấu trúc MWCNTs - Russian Doll: graphite xếp hình trụ đồng tâm, ống nano cacbon với đường kính nhỏ nằm ống nano cacbon với đường kính lớn - Parchment: graphite cuộn vào giống cuộn giấy hay cuộn báo Khoảng cách lớp ống nano cacbon đa tường gần với khoảng cách lớp graphene khoảng 3,4 Å Hình 1.4 Ống cacbon đa tường (MWCNTs) Trong ống nano cacbon đa tường, ống nano cacbon hai tường quan tâm hình thái học tính chất giống với ống nano cacbon đơn tường điện trở tính chất hóa học chúng cải thiện đáng kể Đây tầm quan trọng đặc biệt chức hóa (nghĩa ghép nhóm chức hóa học lên bề mặt ống) để thêm tính chất cho ống nano cacbon Đối với trường hợp SWCNTs, chức hóa cộng hóa trị làm gẫy số liên kết đôi C=C, để lại lỗ trống cấu trúc ống nano cacbon thay đổi hai tính chất điện chúng Trong trường hợp ống nano cacbon tường, tường biến tính[2] 1.1.3 a Tính chất ống nanocacbon Tính chất Độ cứng (stiffness) mô-đun Young (Young's modulus) thông số cần đề cập trước tiên nói đến tính vật liệu Nó liên quan đến độ bền (strength) độ dai (toughness) Mặc dù lượng vĩ mô (macroscopic quantity) độ cứng bị chi phối trực tiếp loại liên kết hóa học 10 Filament yarn (UD) 1930 138 1650 149 92 1,55 Cloth (twill weave) 580 62 980 63 48 2,12 Satin (8H) 730 74 1026 66 53 2,86 Ta nhận thấy sợi đơn hướng (filament yarn) loại sợi định hướng chiều nên có khả chịu lực tốt theo phương thích hợp với định hướng sợi nên cho độ bền cao Sợi dạng chopped mat có độ bền phân bố đa hướng Vải satin 8H vải cloth có độ bền trung bình, nhiên vải satin 8H có độ bền cao cloth twill weave ít, điều chất khác loại sợi Ta nhận thấy vải satin có độ bền va đập cao hơn, đặc điểm bật cảu vài hai hướng so với loại đa hướng Do tùy theo mục đích sử dụng cụ thể mà ta cần phải chọn loại sợi cho phù hợp nhằm thỏa mãn tính yêu cầu định 3.1.3 Compozit hỗn hợp sợi cacbon/ thủy tinh Nhằm mục đích hạ giá thành compozit sợi cacbon, người ta sử dụng hỗn hợp sợi cacbon thủy tinh Vật liệu compozit sở sợi hỗn hợp cacbon – thủy tinh UD Kohlefasergeweber 98340 với tỉ lệ sợi khống chế 55% ± (khối lượng) hay 70 ± 2,5% (thể tích) so với tổng thể, chế tạo tính đề cập bảng 3.3[9] Bảng 3.3 Tính chất vật liệu compozit hỗn hợp sợi cacbon sợi thủy tinh Tỉ lệ cacbon/thủy tinh σkéo MPa Ekéo GPa σuốn MPa Euốn GPa σnén// MPa Iva đập J/mm 0/1 625 42 905 31 52 4,18 1/3 681 67 986 58 63 3,62 1/1 725 88 1080 76 70 2,84 3/1 886 95 1226 104 75 1,41 Ta nhận thấy tỉ lệ sợi cacon tăng lên làm tăng cường độ bền vật liệu, đặc biệt modul uốn modul kéo, lại làm giảm độ bền va 31 đập Điều giả thích sợi cacbon có độ bền uốn, kéo cao độ bền va đập lại thấp sợi thủy tinh Cũng nên lưu ý rằng, việc sử dụng tổ hợp sợi có khả làm giảm ứng suất phá hủy nội Do modul sợi thủy tinh thấp sợi cacbon, sợi thủy tinh có khả hấp thụ độ dãn dài nhận ứng suất tác dụng từ phần sợi cacbon bị phá hủy Dựa bào kết này, ta dung để ước lượng cho biệc chế tạo loại vật liệu có tác tính chất yêu cầu định với giá thành phải 3.1.4 Vật liệu compozit sở tetraepoxy (TGBAPP) Một số tính chất lý vật liệu bề kéo modul kéo, bền uốn modul uốn bền nén trượt biểu diễn đồ thị 3.14 – 3.16[9] Đồ thị 3.14 Độ bền kéo modul kéo Đồ thị 3.15 Độ bền uốn modul uốn Đồ thị 3.16 Độ bền nén trượt Tính lý vật liệu bị ảnh hưởng lớn chất nhựa Có thể nói tăng theo tăng hàm lượng cardanol rong mẫu từ CE1 tới CE3 Điều giải thích có mặt dây alkyl mạch dài cardanol làm tăng độ linh động độ dãn dài độ dài nhựa tetraepoxy cốn dĩ dòn, chúng làm tăng độ bền kéo, bền uốn modul uốn, độ bền nén trượt 32 3.2 Compozit sợi cacbon sở PF PCF 3.2.1 Tính chất nhiệt nhựa PF PCF Nhiệt độ phân hủy giá trị tổn thất khối lượng 5% 10% (được ký hiệu T5 T10 ) giá trị tổn thất khối lượng nhiệt độ 500 oC cho bảng 3.4 Bảng 3.4 Dữ liệu độ suy biến nhiệt nhựa PF PCF Loại nhựa Tỉ lệ T5 (oC) T10 (oC) C/P (k.l) Tổn thất khối lượng 500oC (%) PF 0/100 288 484 11.7 PCF1 5/95 278 471 12.3 PCF2 10/90 269 456 14.6 PCF3 15/85 254 439 19.2 PCF4 20/80 194 416 21.8 CF 100/0 108 298 73.1 Độ ổn định nhiệt mẫu PCF1, PCF2 PCF3 không khác nhiều với mẫu PF nhiệt độ 400oC, mẫu PCF4 bị phân hủy với tốc độ nhanh Không giống với nhựa PF PCF, nhựa CF ổn định nhiệt độ 150oC lại bị phân hủy nhanh giá trị nhiệt độ Độ ổn định nhiệt nhựa PCF giảm theo tăng hàm lượng cardanol, đặc biệt nhiệt độ cao Như nhìn thấy bảng 3.4, tăng hàm lượng cardanol mẫu từ PF tới PCF3 làm giảm giá trị T5 T10 làm tăng đọ tổn thất khối lượng 500 oC Tuy nhiên giá trị T5 PCF1, PCF2 PCF3 gần với giá trị PF, trong giá trị T PCF4 CF nhỏ nhiều so với PF 3.2.2 Độ bền lý compozit sợi cacbon sở PF PCF Các tính chất học độ bền kéo modul kéo, độ bền uốn cà độ bền nén trượt compozit (vải cloth, Vf = 0.6) cho bảng 3.4 33 Bảng 3.5 Tính chất lý vật liệu compozit sợi cacbontrên sở PF PCF Loại nhựa Bền kéo MPa Modul kéo GPa Bền uốn MPA Bền nén trượt MPa PF 143.6 18.9 216.5 111.3 PCF1 157.8 18.5 228.8 111.9 PCF2 168.2 17.6 283.6 114.5 PCF3 176.1 17.2 318.4 116.7 PCF4 178.5 17.1 341.6 116.4 PCF5 167.6 16.2 348.9 114.6 CF 116.7 14.5 368.5 110.4 Nhìn chung tăng hàm lượng cardanol làm tăng độ bền kéo uốn làm giảm modul kéo Ta giải thích nhóm alkyl mạch dài cardanol đóng vai trò chất hóa dẻo hay chất làm mềm mạch làm tăng tính linh động độ dãn dài nhựa Điều đưa đến tăng độ bền kéo uốn giảm modul kéo Ngoài cardanol gây nên hiệu ứng che chắn không gian trình đóng rắng làm ảnh hưởng không tốt đến mật độ liên kết ngang nhựa Độ bền kéo modul kéo bị quy định mật độ liên kết nang nhựa Độ bền kéo modul kéo bị quy định mật độ liên kết ngang, mật độ liên kết ngang thấp chừng độ bền kéo modul kéo nhỏ chừng Do đố, độ bền kéo vật liệu tăng theo hàm lượng cardanol cho tơi s20%, sau độ bền kéo giảm theo tăng hàm lượng cardanol Độ bền uốn tăng liên tục theo hàm lượng cardanol đạt giá trị cao hàm lượng cardanol 100% Điều phù hợp với kết nghiên cứu Roff et al[10] nhựa CF có độ bền kéo modul kéo thấp lại có độ bền uốn cao Độ bền nén trượt không đổi theo hàm lượng cardanol 34 35 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA COMPOZIT SỢI CACBON 4.1 Ứng dụng thể thao Năm 1991, vận động viên người Ukraine lần tạo kỷ lục vượt độ cao 6,1m với sào compozit sợi thủy tinh Vì người vừa mang sào dài vừa chạy với tốc độ gần 40km/h để vượt qua độ cao 6m, nguyên nhân giúp vận động viên người Ukraine phá kỷ lục? Trong trình nhảy sào, vận động viên phải mang sào chạy thật nhanh cắm sào cào đất phải vận dụng sức mạnh bắp bẻ cong sào để sau buông sức bật sào giúp vận động viên tung người lên cao Năng lượng để nâng cao vận động viên phần từ đôi chân chạy nhanh phần từ sức mạnh đôi tay vận động viên Từ phân tích này, nhà thiết kế phải nghĩ vật liệu thích hợp có độ cứng, độ bền, độ dai thích hợp, nhẹ cân tính đàn hồi tối ưu Tre gỗ nhẹ cân dễ gãy Nhôm nhẹ cân, độ cứng cao thiếu tính đàn hôi Những vật liệu đồng chất (monolithic) không thỏa mãn tất yêu cầu vận động viên Compozit sợi thủy tinh thiết kế đáp ứng phần lớn đòi hỏi Sợi thủy tinh có độ giãn cao tất loại sợi Nhờ sào bị bẻ cong có sức bật tối đa mà không sợ sào gãy đứt sợi Hiện nay, người ta thiết kế nhiều loại sào khác với sức nặng, độ cứng độ bền khác thích ứng cho vận động viên Cây sào đại có ba lớp với lớp compozit sợi cacbon/epoxy làm tăng độ cứng giảm trọng lượng, lớp compozit mạng sợi thủy tinh/epoxy lớp vòng sợi thủy tinh[7] (Hình 2.4) 36 Hình 2.4 Cấu trúc sào nhảy đại Cây vợt tennis có trình phát triển tương tự sào nhảy, có đòi hỏi quan trọng khác tính chống rung (vibration damping) Từ vật liệu gỗ nặng nề đến thép nhôm thập niên 60, 70 composite Cây vợt composite đại (state-of-the-art) có 84% sợi carbon 12% sợi Kevlar Sợi carbon dùng cho độ cứng, độ bền, độ chống rung để giảm thiểu độ bẻ cong đầu vợt độ vẹo vợt bóng chạm "điểm ngọt" (sweet spot) Khoảng 60% thành phần F1 làm từ sợi cacbon tổng hợp: thùng xe, mũi xe, cánh gió, phần hệ thống treo khớp ly hợp đĩa phanh Không có chất liệu vừa bền lại vừa nhẹ sợi cacbon Bên cạnh đó, sợi cacbon có thuộc tính đáng nể khác khả chịu nhiệt đặc biệt tốt, an toàn Khi phanh gấp, chưa đầy giây, nhiệt độ đĩa phanh xe F1 lên tới 600 độ C Giống gỗ, sợi cacbon vật liệu k đăng hướng Nó chống chọi với lực tương tác có hướng trùng với hướng chuỗi phân tử Nếu yếu tố hướng lực tác dụng đảm bảo, sợi cacbon có ưu điểm vượt trội so với vật liệu thông thường Khung xe đạp gia cố sợi cacbon epoxy giúp khung cứng nhẹ Một khung xe đạp sợi cacbon có trọng lượng 1kg Hiện 37 loại sản phẩm dang dần phổ biến Việt Nam nhiên thành lại cao Compozit sợi cacbon ứng dụng loại ván lướt sóng, ván trượt, ván trượt tuyết Chúng thường làm xốp polyurethane lõi với mật độ cao phủ lớp mỏng compozit Ciệc gia công phi tiêu cải thiện đáng kể cách sử dụng sợi cacbon cho trục phi tiêu làm tăng độ cứng 4.2 Ứng dụng xây dựng Vật liệu compozit chất dẻo cốt sợi loại vật liệu xây dựng mới, có nhiều ưu điểm vượt trội, như: không han gỉ, cường độ cao, trọng lượng nhẹ, trung tính với tượng điện từ, dễ thi công, bảo quản tốn kém…Do đó, gần vật liệu nghiên cứu nhiều giới loại vật liệu lý tưởng, có nhiều hiệu quả, thân thiện với môi trường Hầu vật liệu tiếp tục trình lịch sử phát triển loại vật liệu truyền thống, từ gạch, đá, gỗ, kim loại, bêtông cốt thép thực lôi nhiều nhà khoa học, kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu, kỹ sư thi công nhà sản xuất vật liệu vào guồng máy, nhằm nghiên cứu phát triển ứng dụng loại vật liệu mới, với công nghệ ngành xây dựng công trình Khả sử dụng vật liệu compozit đa dạng: 1) Làm cốt cho cấu kiện bêtông cốt mềm với hình thức rời lưới buộc gọi kết cấu bêtông cốt compozit; 2) Làm loại cáp (căng trước căng sau) cho kết cấu bê-tông dự ứng lực cốt cômpôzit; 38 3) Làm ván khuôn để lại, đúc chỗ cấu kiện bêtông cốt thép đổ chỗ, lắp ghép bán lắp ghép; 4) Để gia cường, sửa chữa công trình hư hỏng nứt, xuống cấp gỗ, thép, gạch, đá bêtông cốt thép; 5) Làm nguyên vật liệu cho kết cấu xây dựng hoàn toàn chất liệu compozit (chất dẻo cốt sợi FRP); 6) Làm kết cấu liên hợp vật liệu compozit thép bêtông cốt thép; 7) Làm kết cấu vòm kết cấu cột chịu nén, ống cômpôzit nhồi bêtông, loại kết cấu liên hợp compozit bêtông; 8) Phối hợp với vật liệu khác kết cấu liên hợp nhiều vật liệu; 9) Làm dây văng, cáp treo kết cấu dây mềm phục vụ ngành viễn thông, ngành giao thông vận tải ngành xây dựng, đặc biệt công trình có độ lớn kết cấu mái treo Đối với công trình bêtông cốt thép thường gia cường cách bọc với dải CFRP (chất dẻo cốt sợi cacbon) chế tạo sẵn nhà máy Những cấu kiện chịu uốn dầm, thường gia cường cách dán trực tiếp dải compozit lên đáy dầm tức vị trí theo chiều chịu ứng suất kéo cấu kiện Nếu cần dán đè lên dải theo chiều thẳng góc (những dải hình chữ U) để neo lại Những cấu kiện chịu nén cột bêtông cốt thép với mặt cắt ngang dạng tròn, dạng hình vuông dạng chữ nhật thường gia cường cách “bó bột”cấu kiện, tức quanh chu vi cột dải CFRP[8] 39 Có nhiều nghiên cứu báo cáo công bố cách gia cường kết cấu bêtông cốt thép dạng chịu lực hai hướng cấu kiện chịu xoắn hình thức gia cường liên kết dầm cột Hình 2.5 Ứng dụng sợi CFRP nhồi bê tông làm cầu (nguồn: http://www.quocthangco.vn) Gần đây, kỹ sư ngành xây dựng đề xướng phương pháp dùng composite sợi carbon để sửa chữa khúc xa lộ, cầu bị hư hao Đại học Monash (Úc) dùng sợi carbon gia cố phần bìa Westgate Bridge, cầu dài thành phố Melbourne bắc ngang sông Yarra So với phương pháp cổ điển dùng thép, composite sợi carbon tăng độ bền từ 30 đến 80 % Composite trì độ cứng, độ bền kim loại, loại trừ khả bị ăn mòn (corrosion) cố gây đường nứt xuất phát từ chỗ dùng ốc siết bù-lon thường thấy kim loại Đặc điểm phận cấu trúc (structural component) composite đúc sẵn khuôn Vì vậy, người ta không cần phải lắp ghép mảng phận dùng ốc bu-lon Khi siết ốc người ta vô tình gây sức căng 40 vùng quanh ốc Nước thấm vào, ăn mòn xảy gây vết nứt nhỏ vùng bị căng Khi vật thể bị rung động liên tục cánh, đuôi máy bay, cầu thành phố, tượng "mệt" (fatigue) vật thể đưa đến gãy đổ bất thần liên kết vết nứt ngầm không bảo quản kiểm soát thường xuyên 4.3 Ứng dụng quân Trong ứng dụng composite lĩnh vực hàng không, tập đoàn doanh nghiệp Boeing người tiên phong đầu tư nhiều nhân lực tài lực để nghiên cứu sản xuất máy bay loại với cấu trúc composite thay nhôm Máy bay dân dụng có 20% composite, đời sau tăng đến 50% cuối 100% Tại Việt Nam, compozit sợi cacbon nghiên cứu thử nghiệm chế tạo xà hộp cánh quay cho máy bay trực thăng cho kết độ bền tĩnh vật liệu sau Bảng 4.2 Độ bền tĩnh sản phẩm xà hộp STT Bền kéo (N) Momen uốn (Nm) Độ an toàn K Modul đàn hồi (GPa) 60250 5198 (h= 211 mm) 1.48 26 (∆h = 187mm) 58943 8317 (h = 225mm 2.38 26.8 ((∆h = 230mm) 57842 10203(h = 299mm) 2.915 Nhận xét: - Các kết đo tải trọng cao cho kết mang tính tập trung so với cá kết tải trọng thấp 41 - Các giá trị modul đàn hồi thu đc tải trọng cao gần với kết đo đạc cho sản phẩm đơn hướng xác định theo tiêu chuẩn ASTM phòng thí nghiệm Nhìn chung tính chất tĩnh xà hộp có độ bền cao hẳn giá trị tiêu chuẩn yêu cầu với hệ số an toàn cao, điều chứng tỏ tính khả thi việc ứng dụng compozit sợi cacbon chế tạo xà hộp 42 KẾT LUẬN Qua tìm hiểu thấy ống nano cacbon cho ta vật liệu nano compozit với tính vượt trội hẳn so với vật liệu compozi thông thường Những tính chất phụ thuộc nhiều vào chất polymer Compozit sở nhựa epoxy có độ chức cao tính sản phẩm tốt Các tính chất compozit cải thiện cách biến tính polyme Tuy nhiên, vòng 12 năm kể từ ngày nanocomposite với ống nano công bố, nhà nghiên cứu chưa tạo độ cứng độ bền dự đoán Nguyên nhân trình tổng hợp, ống nano kết tập lại thành cụm nắm tóc rối Cơ tính ống cao, bị kết tập tính cụm ống nano 1/10 ống riêng lẻ Cho đến ngày hôm nay, nhà nghiên cứu chưa tìm phương pháp để kéo ống khỏi cụm cụm có kích thước nhỏ, cỡ hạt cát, gỡ rối thao tác phải thực thứ nguyên micrometer (10-6m) nanometer (10-9 m) Dù không hoàn toàn thành công việc phân tán cụm ống nano thành ống riêng lẻ, vài % ống nano chất polymer đủ để gia tăng tính polymer - lần lớn (nếu gỡ rối cách hiệu thành ống riêng lẻ độ gia tăng dự đoán 20 - 30 lần) Nhìn lại nửa kỷ qua, composite với loại sợi gia cố cao cấp cống hiến người sản phẩm công trình lớn Nhu cầu phát triển xã hội, nhu cầu sống đời thường, nhu cầu lợi nhuận kinh tế thị trường thử thách khoa học cạnh tranh thương trường động lực cải tiến kỹ thuật không ngừng nghỉ để tạo 43 vật liệu hoàn thiện, sản phẩm đa dạng giá thành hạ Sự xuất ống nano cách mạng vật liệu học Mặc dù nanocomposite dùng ống nano giai đoạn phòng thí nghiệm, công trình nghiên cứu ống nano từ năm 1991 tương lai gần khả tạo composite nhẹ cân, siêu cứng, siêu bền vượt lên composite sử dụng 44 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Daenen, R.D de Fouw, B Hamers, P.G.A Jassen, K Schoutenden, M.A.J Veld (2003), The wonderous world of carbon nanotubes Eindhoven University of Techonology [2] T.W Ebbesen (1996), Carbon Nanotubes: Preparation and Properties CRC Press, New York [3]GS.TSKH Nguyễn Đình Đức (2014), “Vật liệu compsite – tiềm ứng dụng”, Đại học Quốc gia Hà Nội [4] Nguyễn Tuấn Anh, Nguyễn Quang Tùng, Nguyễn Thế Hữu (2012), Giáo trình gia công chất dẻo Nhà xuất Giáo Dục Việt Nam [5] M-F Yu, O Lourie, M J Dyer, K Moloni, T F Kelly and R S Ruoff, Science, 287 (2000) 637 [6] Trương Văn Tân, Vật liệu thần kỳ: Ống than nano, www.erct.com (11/16/2015) [7] PGS.TS Lê Bá Sơn (2011), Bài giảng kỹ thuật đại cương, Nhà xuất Giao thông vận tải [8] Nguyễn Trâm (2011), Vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường - Vật liệu kỷ XXI Conference “ Green Building – Green Future” Conference Proceedings Hà Nội 2011, pp.16-22 [9] PGS,PTS Nguyễn Hữu Niếu (1996), “Vật liệu composite sợi carbon”, Trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [10] W.J.Roff & J.R.Scott (1971), “Fibers, films, Plastics and Rubbers: Handbook of Common Polymers Butterworths”, London [11] Ngô Ngọc Chi Thanh, Nguyễn Quốc Hoàng (2012), “Carbon Nano Tubes Seminar”, Cao học hóa học Cần Thơ 45 [...]... là cốt Trong vật liệu compozit thì tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và vốt tuân theo các quy định thiết kế trước Tính chất của các phần thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu compozit Tuy vậy, tính chất của vật liệu compozit không bao hàm tất cả tính chất của ác pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát... đáng kể các tính nawg của vật liệu như: tăng tính năng cơ lý, tăng khả năng chịu nhiệt, khản năng chống cháy… Cụ thể, trong nghiên cứu của Kojima và cộng sự (công trình nanocomposite được công bố đầu tiên vào năm 1993) trên cơ sở nylon – clay nanocomposite, các tính chất của vật liệu được ghi nhận: modul, ứng suất và độ bền nhiệt tăng, tính thấm khí và khả năng cháy giảm[3] So với composite, nanocomposite. .. Vật liệu composite có nhiều tính năng tốt là nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt, chịu hóa chất và giá thành phù hợp nên được sử dụng rất rộng rãi Hầu hết, vật liệu composite được ứng dụng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, y tế, hàng không, vũ trụ 1.2.2 Nanocomposite Cũng trên nền tảng composite truyền thống, vật liệu nanocomposite có cấp độ phân bố của pha gia cường trong. .. lắm lúc chỉ còn 1/100 trị số của các ống nano tạo thành Hình 2.1 Các cụm ống nano[ 6] 21 Sản phẩm tổng hợp của ống than nano thường ở trong trạng thái kết tập (aggregation) bởi lực Van der Waals Cơ tính của trạng thái kết tập chỉ bằng 1/10 đến 1/100 của một ống Việc phân tán một tập hợp ống than nano thành những ống riêng lẽ để tận dụng cơ tính siêu việt của từng ống vẫn còn gặp khó khăn dù đã có hàng... Từ năm 1970 đến nay, vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự,… Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các cật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ Những thành phần của vật liệu composite bao gồm: Thành phần cốt (các... có độ cứng độ bền cơ học cao Còn chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần composite liên kết hài hòa với nhau đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra kết cấu composite phân bố lại chịu tải khi một phần cốt đã bị đứt gãy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu mà vật liệu nền cũng chịu một phần lớn khả năng chịu nhiệt chịu ăn mòn của vật liệu và cũng chính vật liệu nền là cơ sở để xác định... nhiệt độ tăng, tính linh động của vật liệu tăng, cũng như có khả năng làm phát triển các khuyết tật sẵn có trong vật liệu, do đó làm giảm 29 độ bền cảu vật liệu Tuy nhiên do vật liệu đc chế tạo bằng phương pháp ép nóng, ở nhiệt độ và áp suất cao do đó giúp hạn chế sự tạo các khuyết tật trong cật liệu, cũng như sự đóng rắn xảy ra một các triệt đểm điều đó đưa đến sự thay thổi tính chất của vật liệu theo... 1260MPa, trong khi đó của nhựa σk nhựa: 82MPa, Ek nhựa: 3.1 GPa và σu nhựa: 3,1 GPa và σu nhựa: 116 MPa) Tuy nhiên khi tỉ lệ sợi quá cao, như ở V f = 0,69 các tính chất chịu kéo và chịu uốn của vật liệu bị giảm hăn, điều đó chứng tỏ nhựa không đủ thấm ướt sợi, dẫn đến làm giảm tính liên tục của vật liệu, do đó mà khả năng chịu lực của vật liệu giảm đi nhiều Ảnh hưởng của nhiệt độ Compozit sợi cacbon. .. dẫn trống và giảm tính dẫn nhiệt của cấu trúc ống nano Giống như sự di chuyển photon là những khuyết tật thay thế như N 2 hoặc Bo sẽ cơ bản dẫn đến phân tán tần số cao của photon quang học Dù sao thì những chỗ khuyết tật lớn như khuyết tật hóa cứng làm phân tán photon ở phạm vi rộng của tần số sẽ dẫn tới sự suy giảm hơn nữa của tính dẫn điện g Độc tính Nanotube không được xử lý rất nhẹ, có thể bay trong. .. trụ Khoa học và Đời Sống của NASA Trung tâm Vũ trụ Johnson, Wyle phòng thí nghiệm, bang Texas, Mỹ, điều tra độc tính của khí carbonnanotubes vào phổi, bằng cách đưa vào khí quản của chuột dưới dạng chất gây mê Các kết quả được báo động, năm con chuột được điều trị với liều cao của một loại nanotubes đã chết trong vòng 7 ngày Một 16 nghiên cứu của Alexandra Porter ở ĐH Cambridge chỉ ra ống nano cacbon ... Đồ thị 3.12 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền uốn modul uốn Đồ thị 3.13 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền nén modul nén Đồ thị 3.14 Độ bền kéo modul kéo Đồ thị 3.15 Độ bền uốn modul uốn Đồ. .. cường 18 phân tán vào polymer tốt đồng Và đạt độ phân tán vậy, vật liệu có tính hẳn so với composite truyền thống Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy vật liệu nanocomposite có cải thiện đáng kể tính... vật liệu, kết thu thể đồ thị 3.11 – 3.13[9] Đồ thị 3.11 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền kéo modul kéo Đồ thị 3.12 Ảnh hưởng góc định hướng đến độ bền uốn modul uốn Đồ thị 3.13 Ảnh hưởng góc