Nghiên cứu chế tạo phôi trung gian vật liệu compozit cacbon cacbon có chứa ống nano cacbon định hướng chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao trong kỹ thuật quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tuấn Anh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI TRUNG GIAN VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON-CACBON CÓ CHỨA ỐNG NANO CACBON ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT LÀM VIỆC Ở NHIỆT ĐỘ CAO TRONG KỸ THUẬT QUÂN SỰ Chuyên ngành : KH KT Vật liệu - Vật liệu Kim loại LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KH KT Vật liệu - Vật liệu Kim loại NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Đào Hồng Bách TS Vũ Minh Thành Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tuấn Anh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI TRUNG GIAN VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON-CACBON CÓ CHỨA ỐNG NANO CACBON ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT LÀM VIỆC Ở NHIỆT ĐỘ CAO TRONG KỸ THUẬT QUÂN SỰ Chuyên ngành : KH KT Vật liệu - Vật liệu Kim loại LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KH KT Vật liệu - Vật liệu Kim loại TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN LUẬN VĂN PGS TS Đào Hồng Bách Phạm Tuấn Anh TS Vũ Minh Thành CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Phạm Mai Khánh Hà Nội – 2018 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 Chương - TỔNG QUAN 11 1.1 Cacbon dạng thù hình 11 1.1.1 Đặc trưng cấu trúc tính chất dạng thù hình cacbon 11 1.1.1.1 Kim cương 11 1.1.1.2 Graphit 13 1.1.1.3 Các dạng chuyển tiếp cacbon 15 1.1.2 Chuyển hóa cấu trúc cacbon q trình graphit hóa 16 1.2 Vật liệu compozit cacbon - cacbon 19 1.2.1 Thành phần vật liệu compozit cacbon-cacbon 19 1.2.1.1 Vải sợi cacbon 19 1.2.1.2 Vật liệu cacbon 20 1.2.2 Cấu trúc tính chất vật vật liệu compozit cacbon-cacbon 26 1.2.2.1 Cấu trúc vật liệu compozit cacbon-cacbon 26 1.2.2.2 Tính chất vật liệu compozit cacbon-cacbon 29 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước vật liệu compozit cacbon-cacbon 37 Chương - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44 2.1 Nguyên vật liệu 44 2.2 Quy trình nghiên cứu 44 2.3 Phương pháp nghiên cứu 46 2.3.1 Phương pháp cân thủy tĩnh 46 2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai 46 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 47 2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 47 2.3.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 47 2.4 Thực nghiệm 48 2.4.1 Thiết bị công nghệ 48 2.4.2 Các bước thực nghiệm chế tạo phôi trung gian 48 Chương - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 I Phân tích tính chất ngun liệu chế tạo phơi trung gian compozit cacboncacbon 50 1.1 Phân tích tính chất vải cacbon 50 1.2 Phân tích tính chất bột graphit 53 1.3 Phân tích tính chất MWCNT 54 1.4 Phân tích tính chất nhựa PF 56 II Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng MWCNT đến khả cốc hóa nhựa PF 59 III Nghiên cứu ảnh hưởng áp lực ép đến chất lượng bề mặt phôi trung gian compozit cacbon - cacbon 61 IV Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần phối liệu đến tỷ trọng độ xốp phôi trung gian compozit cacbon - cacbon 63 2.1 Tỷ trọng độ xốp phôi sau chế tạo 63 2.2 Tỷ trọng độ xốp phôi sau phân hủy nhiệt 64 V Phân tích cấu trúc phơi trung gian vật liệu compozit cacbon - cacbon 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hồn thành mơn Vật liệu & Công nghệ đúc, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Bộ Quốc phịng Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Đào Hồng Bách, TS Vũ Minh Thành, người Thầy định hướng khoa học tận tình hướng dẫn em suốt thời gian học tập thực Luận văn Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật liệu & Công nghệ đúc, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu; thầy cô giáo, cán Phịng thí nghiệm, Xưởng thực hành Đại học Bách khoa Hà Nội Em xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, huy anh chị em đồng nghiệp Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Bộ Quốc phịng giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu thuận lợi cho em thời gian thực Luận văn Xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Thụ, TS Đào Thế Nam, ThS Đoàn Tuấn Anh, KS Phan Văn Bá tác giả tiến hành thí nghiệm thảo luận, đóng góp ý kiến cho Luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè động viên, cổ vũ để em hoàn thành luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN LUẬN VĂN Phạm Tuấn Anh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết phân tích đo đạc sử dụng Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác HỌC VIÊN THỰC HIỆN LUẬN VĂN Phạm Tuấn Anh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Diễn giải MWCNT Ống nano cacbon đa tường PF Phenolfomandehit SEM Hiển vi điện tử quét TEM Hiển vi điện tử truyền qua bk Tỷ trọng biểu kiến (g/cm3) tổng Độ xốp tổng (%) hở Độ xốp hở (%) kín Độ xốp kín (%) DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Nhiệt sinh kim cương kim cương nano 12 Bảng 1.2 Một số tính chất thủy tinh cacbon 24 Bảng 1.3 Tính chất lý số cacbon 25 Bảng 1.4.Tính chất số vật liệu compozit cacbon-cacbon 30 Bảng 1.5 Tính chất compozit cacbon-cacbon chế tạo phương pháp tạo pha khác 32 Bảng 3.1 Kết đo tỷ trọng vải cacbon môđun đàn hồi cao mác Culon-500 50 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng MWCNT đến hàm lượng cốc hóa nhựa PF 59 Bảng 3.3 Áp lực ép mẫu compozit 61 Bảng 3.4 Tỷ trọng độ xốp phôi vật liệu sau chế tạo 63 Bảng 3.5 Tỷ trọng độ xốp phôi vật liệu sau phân hủy nhiệt 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cấu trúc khối kim cương (a), nano kim cương với lớp bao fullerene (b) 11 Hình 1.2 Cấu trúc không gian tinh thể graphit 14 Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo chất cacbon khơng graphit hóa 16 Hình 1.4 Cấu trúc thủy tinh cacbon (mơ hình Jenkins) 24 Hình 1.5 Các cấu trúc compozit cacbon-cacbon 26 Hình 1.6 Các kiểu xếp sợi cho bốn loại kỹ thuật để chế tạo compozit cacboncacbon cấu trúc cốt sợi ngắn 28 Hình 1.7 Các phương pháp cài lớp cốt sợi liên tục 29 Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ bền kéo compozit cacbon-cacbon 3D vào nhiệt độ 31 Hình 1.9 Sự phụ thuộc hệ số dãn nở nhiệt vật liệu compozit cacbon-cacbon 3D vào nhiệt độ (1 - lý thuyết; - thực nghiệm) 31 Hình 1.10 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt vật liệu compozit cacbon-cacbon vào nhiệt độ 32 Hình 1.11 Sơ đồ buồng lò phương pháp đẳng nhiệt thu lắng pirocacbon 34 Hình 1.12 Sơ đồ buồng lị phương pháp giảm nhiệt thu lắng pirocacbon 34 Hình 1.13 Chu kỳ cacbon hóa đặc trưng 36 Hình 1.14 Chu kỳ graphit hóa đặc trưng 36 Hình 1.15 Sơ đồ thiết kế cụm loa tên lửa 39 Hình 1.16 Sơ đồ thiết kế động tên lửa sử dụng vật liệu compozit cacbon-cacbon mác Sepcarb 40 Hình 1.17 Loa tên lửa đẩy Ariane-5 chế tạo từ vật liệu compozit cacboncacbon mác Sepcarb 40 Hình 1.18 Khối tới hạn (họng loa phụt) động nhiên liệu rắn hỗn hợp trước sau gia công học 41 Hình 1.19 Mẫu piston chế tạo từ vật liệu compozit cacbon-cacbon mẫu piston nhôm đối chiếu 42 Hình 1.20 Bu lơng, đai ốc chịu nhiệt độ cao chế tạo từ vật liệu compozit cacboncacbon 42 Hình 1.21 Các ống dẫn thủy tinh nóng chảy, khn thủy tinh chế tạo từ compozit cacbon - cacbon 43 Hình 1.22 Xương nhân tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon 43 Hình 2.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo Compozit cacbon - cacbon 45 Hình 2.2 Khuôn ép chế tạo phôi ban đầu compozit cacbon-cacbon 48 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu sợi cacbon 51 Hình 3.2 Ảnh SEM sợi cacbon với độ phóng đại khác 51 Hình 3.3 Ảnh SEM cấu trúc bề mặt sợi cacbon sau trình xử lý axit HNO3 52 Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X vải cacbon mác Culon-500 53 Hình 3.5 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu bột graphit 53 Hình 3.6 Ảnh TEM cấu trúc MWCNT ban đầu 54 Hình 3.7 Ảnh TEM cấu trúc MWCNT sau biến tính hỗn hợp axit 55 Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu MWCNT trước (2) sau biến tính (1) 55 Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF mơi trường khí N2 với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1.200 ºC 57 Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF mơi trường khí N2 với tốc độ nâng nhiệt 05 ºC/phút, đến 200 ºC 58 Hình 3.11 Chế độ nhiệt ép tạo hình phơi ban đầu compozit cacbon - cacbon 58 Hình 3.12 Giản đồ phân tích nhiệt hỗn hợp nhựa PF chứa MWCNT môi trường N2, với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1200ºC 60 Hình 3.13 Ảnh hưởng hàm lượng MWCNT tới hàm lượng cốc hóa nhựa PF 60 Giai đoạn 180÷375 ºC chia thành giai đoạn nhỏ: Giai đoạn 180÷275 ºC: khối lượng giảm 3,24 %, với pic giảm khối lượng 227,6 ºC; Giai đoạn 275÷375 ºC: khối lượng giảm 3,78 %, với pic giảm khối lượng 357,2 ºC Đây giai đoạn trước kết tinh, xảy xếp lại phân tử Giai đoạn 375÷1.200 ºC: khối lượng giảm 33,15 %, với pic giảm khối lượng 512,1 ºC Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF mơi trường khí N2 với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1.200 ºC Tiến hành phân tích nhiệt mẫu nhựa PF với tốc độ tăng nhiệt 05 ºC/phút đến 200 ºC thu giản đồ hình 3.10 Kết phân tích nhiệt nhựa PF phù hợp với lý thuyết nhựa chảy mềm 106 ºC sôi mạnh khoảng 130 ºC, khoảng nhiệt độ đóng rắn mẫu nhựa novolac tương đối rộng (130190 ºC) Trong đó, nhựa phản ứng đóng rắn ổn định diễn 160  165 ºC Vì vậy, trình ép mẫu vật liệu nhiệt độ khuôn giữ đẳng nhiệt nhiệt độ 160 ºC để phản ứng đóng rắn xảy ổn định 57 Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nhựa PF mơi trường khí N2 với tốc độ nâng nhiệt 05 ºC/phút, đến 200 ºC Theo đó, luận văn lựa chọn chế độ nhiệt để ép tạo hình phơi ban đầu compozit cacbon - cacbon theo sơ đồ hình 3.11 Hình 3.11 Chế độ nhiệt ép tạo hình phơi ban đầu compozit cacbon - cacbon Cụ thể giai đoạn nhiệt sau: + Giai đoạn 1: Tại nhiệt độ chảy mềm nhựa nền, giữ đẳng nhiệt 100 ºC thời gian 30 phút; + Giai đoạn 2: Ép đẳng áp, nâng dần nhiệt độ ép từ 100 ºC lên 120 ºC; 58 + Giai đoạn 3: Tại nhiệt độ bắt đầu q trình đóng rắn nhựa nền, giữ đẳng nhiệt 120 ºC, nâng dần áp lực ép; + Giai đoạn 4: Ép đẳng áp, nâng dần nhiệt độ ép từ 120 ºC lên 160 ºC; + Giai đoạn 5: Tại nhiệt độ kết thúc trình đóng rắn, giữ đẳng nhiệt nhiệt độ 160 ºC khoảng thời gian 120 phút; + Giai đoạn 6: Giảm dần áp lực ép 0, dừng gia nhiệt, để khuôn nguội máy ép đến khoảng 40 ºC tiến hành lấy phơi II Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng MWCNT đến khả cốc hóa nhựa PF Với phối liệu chế tạo vật liệu compozit cacbon - cacbon tiêu quan trọng khả cốc hóa vật liệu (hàm lượng cốc hóa) Tiến hành khảo sát ảnh hưởng hàm lượng MWCNT đến hàm lượng cốc hóa nhựa PF dạng novolac sau đóng rắn phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA đến nhiệt độ 1.200ºC với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút mơi trường khí N2 Kết trình bày bảng 3.2 hình 3.12 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng MWCNT đến hàm lượng cốc hóa nhựa PF Hàm lượng MWCNT, % Tổn hao khối lượng, % Hàm lượng cốc hóa, % 47,78 52,22 0,5 45,80 54,20 44,77 55,23 1,5 43,72 56,28 43,17 56,83 59 Hình 3.12 Giản đồ phân tích nhiệt hỗn hợp nhựa PF chứa MWCNT môi trường N2, với tốc độ nâng nhiệt 20 ºC/phút, đến 1200ºC (1)- 0% MWCNT; (2)- 0,5% MWCNT; (3)- 1% MWCNT; (4)- 1,5% MWCNT; (5)- 2% MWCNT Hàm lượng cốc hóa, % 58 57 56 55 54 53 52 51 50 0,5 1,5 Hàm lượng MWCNT, % Hình 3.13 Ảnh hưởng hàm lượng MWCNT tới hàm lượng cốc hóa nhựa PF Kết cho thấy, tất mẫu nhựa PF có hàm lượng cốc hóa cao (trên 50%), có pic phân hủy nhiệt đặc trưng nhựa phenolic (tại khoảng 500ºC) Khi tăng hàm lượng MWCNT hàm lượng cốc hóa mẫu nhựa tăng Tuy nhiên tăng hàm lượng MWCNT tốc độ tăng hàm lượng cốc hóa nhựa lại 60 giảm (hình 3.13) Khi hàm lượng MWCNT 1,5% vai trị tăng hàm lượng cốc hóa khơng đáng kể Như vậy, MWCNT sau phân tán vào nhựa phenolic tương tác với nhựa, nâng cao khả cốc hóa nhựa Tuy nhiên, hiệu ứng có hiệu phân tán hàm lượng nhỏ MWCNT (khoảng 1,5%) Khi hàm lượng MWCNT cao, độ tăng hàm lượng cốc hóa túy độ tăng hàm lượng MWCNT phân tán vào nhựa Điều giải thích hàm lượng MWCNT cao, trình phân tán MWCNT mà luận văn sử dụng chưa thể phân tán hiệu toàn MWCNT vào nhựa Lượng MWCNT co cụm, chưa phân tán vào nhựa khơng có vai trị việc tăng cường khả cốc hóa nhựa Do vậy, luận văn sử dụng nhựa PF với 1% MWCNT để tiến hành khảo sát Tiến hành chế tạo phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon sở vải cacbon, bột nano graphit, MWCNT nhựa PF dạng novolac với hàm lượng vải cacbon cố định 40 %, hàm lượng ống MWCNT 1% với tất mẫu, hàm lượng nhựa PF thay đổi 15; 20; 25; 30; 35 % Các mẫu ký hiệu tương ứng M15, M20, M25, M30 M35 III Nghiên cứu ảnh hưởng áp lực ép đến chất lượng bề mặt phôi trung gian compozit cacbon - cacbon Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng áp lực ép đến phôi trung gian compozit cacbon - cacbon sử dụng phơi có thành phần phối liệu M25 Tiến hành ép tạo hình mẫu compozit 160 ºC 120 phút, với việc thay đổi áp lực ép từ 50 đến 200 kgf/cm2 Áp lực ép cụ thể để chế tạo mẫu compozit trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Áp lực ép mẫu compozit Tên mẫu M50 M100 M150 M200 Áp lực ép, kgf/cm2 50 100 150 200 Quá trình đóng rắn nhựa PF thường giải phóng chất phân tử thấp H2O, NH3…làm co ngót thể tích tạo thành lỗ xốp Do nhựa cần đóng rắn nhiệt độ cao áp suất cao để tạo vật liệu có chất lượng tốt Như vậy, giai đoạn ép tạo hình lực ép đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến khả liên kết, đồng thời ảnh hưởng đến cấu trúc nhựa sau q trình đóng rắn 61 Hình 3.14 hình ảnh phôi trung gian compozit cacbon - cacbon ép áp lực ép khác Kết cho thấy mẫu compozit chế tạo với lực ép 50 kgf/cm2 lớp vải cacbon liên kết với không chặt quan sát hình 3.14a cho thấy bề mặt phơi có nhiều vị trí bong tróc, phồng rộp Khi tăng áp lực ép lên 100 kgf/cm2 chất lượng bề mặt phơi (hình 3.14b) cải thiện đáng kể Tuy nhiên, quan sát thấy có vài vị trí bong tróc áp lực chưa đủ lớn Ở mẫu M150, M200 quan sát hình 3.14c, hình 3.14d với áp lực ép lớn chất lượng bề mặt tốt, bề mặt nhẵn bóng, đồng Tuy nhiên, áp lực ép cao lại kéo theo tồn ứng suất dư mẫu gây phá hủy mẫu công đoạn xử lý nhiệt chế tạo hoàn thiện compozit cacbon - cacbon Thành phần ứng suất không gây ảnh hưởng xấu giai đoạn chế tạo phôi trung gian, luận văn lựa chọn áp lực ép 150 kgf/cm2 chế tạo phôi trung gian compozit cacbon - cacbon để khảo sát ảnh hưởng thành phần phối liệu (b) (a) (c) (d) Hình 3.14 Bề mặt phơi trung gian compozit cacbon - cacbon ép áp lực ép khác M50 (a); M100 (b); M150 (c); M200 (d) 62 IV Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần phối liệu đến tỷ trọng độ xốp phôi trung gian compozit cacbon - cacbon 2.1 Tỷ trọng độ xốp phôi sau chế tạo Tiến hành xác định tỷ trọng độ xốp nhóm mẫu sau chế tạo, kết trình bày bảng 3.4 hình 3.15 Bảng 3.4 Tỷ trọng độ xốp phôi vật liệu sau chế tạo Ký hiệu mẫu Hàm lượng nhựa, % bk (g/cm3) hở (%) M15 15 1,680 7,757 M20 20 1,701 3,990 M25 25 1,737 0,472 M30 30 1,719 0,175 M35 35 1,690 0,068 Hình 3.15 Ảnh hưởng hàm lượng nhựa PF đến độ xốp phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon Kết cho thấy, thay đổi hàm lượng nhựa PF, tỷ trọng độ xốp phôi ban đầu vật liệu compozit cacbon-cacbon thay đổi, nhiên thay đổi không đơn điệu Đầu tiên tăng hàm lượng nhựa PF lên từ 15 % lên 20 % 63 25 %, tỷ trọng vật liệu tăng (độ xốp tổng vật liệu giảm) Tiếp tục tăng hàm lượng nhựa PF lên 30 % 35 %, tỷ trọng vật liệu lại có xu hướng giảm ngược lại Với hàm lượng nhựa PF 25 %, tỷ trọng vật liệu đạt giá trị lớn 1,737 g/cm3 Nguyên nhân với hàm lượng thấp, nhựa PF khơng đủ để thấm ướt hết tồn cốt vải cacbon bột graphit gia cường, giảm bám dính, liên kết lớp vải cacbon, dẫn đến độ xốp hở vật liệu cao Với hàm lượng nhựa PF 15 %, độ xốp hở vật liệu cao nhất, đạt 7,757 %; tăng hàm lượng nhựa PF lên 20 %, độ xốp hở vật liệu giảm xuống 3,990 %; tiếp tục tăng hàm lượng nhựa PF lên 25 %, độ xốp hở vật liệu giảm xuống 0,472 % Tuy nhiên tiếp tục tăng hàm lượng nhựa PF, độ xốp hở vật liệu có giảm không đáng kể giá trị đạt nhỏ Tỷ trọng vật liệu có xu hướng giảm tiếp tục tăng hàm lượng nhựa khối lượng riêng nhựa PF khoảng 1,2 g/cm3, thấp nhiều so với vải cacbon (khoảng 1,9 g/cm3) bột nano graphit (khoảng 2,08 g/cm3) 2.2 Tỷ trọng độ xốp phôi sau phân hủy nhiệt Lựa chọn ba mẫu vật liệu M20, M25, M30 (có tỷ trọng 1,7 g/cm3) để tiến hành phân hủy nhiệt (cacbon hóa) đến nhiệt độ 950 ºC mơi trường khí Ar Kết đo tỷ trọng độ xốp mẫu sau phân hủy nhiệt trình bày bảng 3.5 Bảng 3.5 Tỷ trọng độ xốp phôi vật liệu sau phân hủy nhiệt Ký hiệu mẫu bk (g/cm3) Độ giảm tỷ trọng, % hở (%) M20 1,606 5,585 11,271 M25 1,654 4,778 13,658 M30 1,575 8,377 9,545 Q trình phân hủy nhiệt hiểu trình làm giàu cacbon thành phần compozit Trong trình này, liên kết yếu phân tử hữu bị đứt gãy, ngun tố khơng phải cacbon ngồi dạng sản phẩm khí Đồng thời hình thành liên kết cacbon-cacbon bền Sau trình phân hủy nhiệt, tỷ trọng vật liệu giảm, độ xốp vật liệu tăng Vật liệu sau tăng 64 mật độ phương pháp pha lỏng (tiếp tục tẩm nhựa hắc ín sau cacbon hóa) phương pháp pha khí (thấm cacbon từ pha hơi) đến vật liệu đạt tỷ trọng yêu cầu Hiệu trình tăng mật độ phụ thuộc vào cấu trúc độ xốp vật liệu Nếu cấu trúc vật liệu chứa nhiều lỗ xốp kín, hiệu q trình tăng mật độ khơng cao Kết đo bảng 3.5 cho thấy, mẫu M25 sau phân hủy nhiệt có tỷ trọng cao nhất, đạt 1,654 g/cm3, với độ giảm tỷ trọng thấp (4,778 %) Mẫu M25 có độ độ xốp hở cao (13,658 %); xốp kín thấp (13,318 %), nên hiệu trình tăng mật độ giai đoạn đạt hiệu cao V Phân tích cấu trúc phơi trung gian vật liệu compozit cacbon - cacbon Với tính chất mẫu M25 thu trên, tiến hành chụp ảnh SEM bề mặt cắt ngang mẫu M25 sau ép tạo hình sau phân hủy nhiệt để nghiên cứu cấu trúc vật liệu Hình 3.16 ảnh SEM mẫu M25 trước phân hủy nhiệt, hình 3.17 ảnh SEM mẫu M25 sau phân hủy nhiệt (a) X500 65 (b) X2.000 Hình 3.16 Ảnh SEM mẫu M25 trước phân hủy nhiệt Quan sát hình 3.16a mẫu vật liệu trước phân hủy nhiệt cho thấy lớp vải cacbon có liên kết chặt chẽ với nhau, không xuất phân lớp lớp vải Hình ảnh SEM mẫu vật liệu với độ phóng đại 2.000 lần (hình 3.16b) cho thấy, nhựa PF thấm sâu vào bó sợi cacbon, bao phủ đồng xung quanh đơn sợi Điều cho thấy hiệu trình thấm tẩm nhựa PF lên vải trình ép gia nhiệt tạo hình phơi ban đầu vật liệu (a) X500 66 (b) X2.000 Hình 3.17 Ảnh SEM mẫu M25 sau phân hủy nhiệt Kết ảnh SEM hình 3.17 cho thấy, sau phân hủy nhiệt mẫu vật liệu giữ nguyên cấu trúc, không xuất hiện tượng tách lớp lớp vải Điều cho thấy, nhựa PF sau cacbon hóa tạo khung cacbon ổn định liên kết chặt chẽ cốt vải cacbon Phơi vật liệu sau q trình phân hủy nhiệt đáp ứng yêu cầu mặt cấu trúc để tiến hành bước tăng mật độ 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua nghiên cứu chế tạo phơi trung gian vật liệu compozit cacbon-cacbon có chứa ống nano cacbon, Luận văn đạt số kết sau đây: - Đã phân tích, khảo sát tính chất ngun liệu chế tạo phơi trung gian compozit cacbon-cacbon, kết cho thấy nguyên liệu đáp ứng yêu cầu chế tạo phôi trung gian compozit cacbon - cacbon - Đã nghiên cứu ảnh hưởng MWCNT tới nhựa PF, sau phân tán MWCNT vào nhựa PF xảy trình tương tác với nhựa, nâng cao khả cốc hóa nhựa Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng MWCNT 1% nhựa PF cho hiệu phân tán tốt, nâng cao khả cốc hóa nhựa phù hợp với tiến trình chế tạo phơi trung gian Luận văn lựa chọn - Đã khảo sát ảnh hưởng áp lực ép đến tính chất phơi trung gian, kết cho thấy áp lực ép đạt 150 kgf/cm2 cho chất lượng bề mặt phôi chắc, mịn - Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nhựa PF dạng novolac đến tỷ trọng độ xốp phôi trung gian vật liệu compozit cacbon-cacbon Kết cho thấy, với hàm lượng nhựa PF 25 %, phôi vật liệu đạt tỷ trọng cao (1,737 g/cm3); sau phân hủy vật liệu đạt tỷ trọng 1,654 g/cm3, độ xốp hở cao (13,658 %), độ xốp kín thấp (13,318 %) - Đã khảo sát cấu trúc mẫu vật liệu với hàm lượng nhựa PF 25 % trước phân hủy nhiệt sau trình phân hủy nhiệt Kết cho thấy, lớp vải cacbon có liên kết chặt chẽ với nhau, khơng xuất phân lớp lớp vải, nhựa PF thấm sâu vào bó sợi cacbon, bao phủ đồng xung quanh đơn sợi Sau phân hủy nhiệt mẫu vật liệu giữ nguyên cấu trúc, không xuất hiện tượng tách lớp lớp vải, nhựa PF sau cacbon hóa tạo khung cacbon ổn định liên kết chặt chẽ cốt vải cacbon Mặc dù kết nghiên cứu chế tạo phôi trung gian vật liệu compozit cacbon-cacbon có chứa ống nano cacbon bước đầu cho kết tỷ trọng thấp, song thấy tính khả thi cơng nghệ chế tạo compozit cacbon - cacbon sở vải cacbon/nhựa PF/bột graphit/MWCNT Để có đánh giá, kết luận hồn 68 chỉnh chế độ công nghệ Luận văn, cần tiếp tục tiến hành nghiên cứu chặng tiến trình chế tạo Compozit cacbon - cacbon: - Nghiên cứu công nghệ nâng cao tỷ trọng phơi phương pháp pha lỏng pha khí kết hợp xử lý nhiệt - Nghiên cứu chế độ công nghệ mở lỗ xốp kín, chu mở lỗ xốp kết hợp với thấm lỏng (hoặc khí) để làm tăng tỷ trọng phôi - Nghiên cứu chế độ cơng nghệ graphit hóa đánh giá hiệu q trình graphit hóa để chế tạo compozit cacbon - cacbon 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Việt Anh (2012), Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon, Luận văn ThS - Đại học Bách khoa Hà Nội Đặng Văn Đường, Nguyễn Vĩ Hoàn, Phan Văn Bá, Nguyễn Văn Khẩn, Nguyễn Văn Cầu, Hồ Thị Lộc (2004), "Nghiên cứu q trình lắng đọng cacbon từ pha khí vào vật liệu graphit", Tạp chí Nghiên cứu KHKT&CNCNQS, số Nguyễn Hữu Sơn, Phạm Văn Cường, Lê Thái Hùng, Nguyễn Việt Anh (2013), "Phương pháp thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thời gian xử lý bề mặt sợi bon mơi trường khí ơxít bon đến độ bền uốn composites bon - bon", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ kim loại, No50 Vũ Minh Thành (2015), Nghiên cứu chế tạo compozit cacbon-cacbon chứa cốt sợi ống nano cacbon định hướng ứng dụng công nghệ kỹ thuật cao, LATS - Đại học KHTN Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2001), Vật liệu composite, học công nghệ, NXB Khoa học kỹ thuật Phạm Như Vũ (2006), Thiết kế tên lửa đường đạn nhiên liệu rắn, Hà Nội A Dasari, Z-Z Yu, Y-W Mai, S Liu (2007), Flame retardancy of highly filled polyamide 6/clay nanocomposites, Nanotechnology 18 (445602) D Boury, L Filipuzzi (2001), "SEPCARB materials for solid rocket booster nozzle components", 37th Joint Propulsion Conference E Fitzer, Lalit M Manocha (2012), "Carbon Reinforcements and Carbon/Carbon Composites", Springer Science & Business Media 10 E Moaseri (2014), "Fabrication of multi-walled carbon nanotube - carbon fiber hybrid material via electrophoretic deposition followed by pyrolysis process", Composites: Part A 60 11 Franklin R.E (1950), Acta cryst, V З Р 107 12 G Savage (2012), Carbon-Carbon Composites, Springer Science & Business Media 70 13 H Yuan (2012), "Effect of surface modification on carbon fiber and its reinforced phenolic matrix composite", Applied Surface Science 259 14 Buckley JD, Edie DD (1993), Carbon-carbon materials and composites, Noyes Publications 15 Maire Л, Mering J., Industrial Cacbon and Graphite Society of Chemical lndustry, London, 1958 16 Mering J, Maire Ј./J, Chem Phis, 1960, V 57 Р 803 17 J Li, R Luo (2008), "Study of the mechanical properties of carbon nanofiber reinforced carbon/carbon composites", Composites: Part A 39 18 M Sharma (2014), "Review: Carbon fiber surfaces and composite interphases", Composites Science and Technology 102 19 M Toyoda (2004), "Intercalation and exfoliation behavior of carbon fibers during electrolysis in H2SO4", Journal of Physics and Chemistry of Solids 65 20 Concorde Brakes by Dunlop are Carbon/Carbon Composite, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol 48 Issue: 9, 1976, pp.22-26 21 Бушуев Ю Г., Персин М И (1994), Углерод-углеродные композиционные материалы, Справочник 22 Буланов И.М., Воробей В.В (1998), Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов, Изд-во МГТУ им, Н Э Баумана 23 Бубненков И А., Кошелов Ю И и другие (2013), Исследование процесса карбонизации фенолфомальдегидной смолы и углеродполимерных композиции на ее основе, Химия и химическая технология 56(7) 71 ... văn: "Nghiên cứu chế tạo phôi trung gian vật liệu compozit cacbon- cacbon có chứa ống nano cacbon định hướng chế tạo chi tiết làm việc nhiệt độ cao kỹ thuật Quân sự" tác giả xác định mục tiêu nghiên. .. ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tuấn Anh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI TRUNG GIAN VẬT LIỆU COMPOZIT CACBON- CACBON CÓ CHỨA ỐNG NANO CACBON ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT... nghiệp khác Vật liệu compozit cacbon- cacbon giữ vị trí then chốt cách mạng vật liệu Trong năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu có tính đặc biệt định hướng ứng dụng ngành kỹ thuật cao phục