Nghiên cứu chế tạo và tính chất của nanocomposite nền ai gia cường bằng ống nano cacbon theo phương pháp luyện kim bột

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN AN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA NANOCOMPOSITE NỀN Al GIA CƯỜNG BẰNG ỐNG NANO CACBON THEO PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật Vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ CHẤT PHÁC TS ĐỒN ĐÌNH PHƯƠNG Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình sở khác dạng luận văn Người cam đoan NGUYỄN VĂN AN i LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Vũ Chất Phác TS Đồn Đình Phương, người trực tiếp định hướng đề tài tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán phòng Vật liệu Kim loại Tiên tiến Th S Phạm Văn Trình - Phòng Vật liệu Cacbon nano, Viện Khoa học Vật liệu giúp đỡ tận tình suốt trình làm thực nghiệm, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy cô giáo Bộ môn vật liệu kim loại màu composite thầy cô giáo Viện Khoa học kỹ thuật vật liệu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội bảo giảng dạy em suốt năm học qua việc hoàn thành luận văn Nội dung luận văn phần đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam “Nghiên cứu công nghệ chế tạo số nanocomposite kim loại gia cường ống nano cacbon theo phương pháp luyện kim bột thử nghiệm ứng dụng ngành kỹ thuật điện, điện tử”.Mã số: VAST.03.03/12-13 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới người thân gia đình, bạn tập thể lớp Cao học K2011B động viên, hỗ trợ em mặt Em xin chân thành cảm ơn! Học viên: Nguyễn Văn An ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANO CACBON VÀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN Al GIA CƯỜNG BẰNG CNTs 1.1 Tổng quan ống nano cacbon 1.1.1 Giới thiệu ống nano cacbon 1.1.2 Cấu trúc CNTs 1.1.3 Tính chất CNTs 1.1.3.1 Tính chất học .5 1.1.3.2 Tính chất nhiệt .6 1.1.3.3 Tính chất điện .7 1.1.3.4 Tính chất hóa học 1.1.3.5 Tích trữ H .8 1.1.4 Biến tính CNTs 1.2 Vật liệu nanocomposite kim loại gia cường CNTs 1.2.1 Vật liệu nanocomposite 1.2.1.1 Vật liệu composite 1.2.1.2 Vật liệu nanocomposite 12 1.2.2 Vật liệu nanocomposite kim loại 12 1.2.3 Vật liệu nanocomposite kim loại gia cường CNTs 13 1.2.4 Các phương pháp chế tạo nanocomposite kim loại/CNTs 16 1.2.5 Tình hình nghiên cứu nước vật liệu nanocomposite kim loại/CNTs .21 iii 1.2.5.1 Tình hình nghiên cứu nanocomposite kim loại /CNTs giới .21 1.2.5.2 Tình hình nghiên cứu nanocomposite kim loại /CNTs nước 24 1.3 Chế tạo vật liệu phương pháp luyện kim bột 24 1.3.1 Sản xuất bột kim loại hợp kim 26 1.3.2 Trộn tạo hỗn hợp bột composite .27 1.3.3 Ép tạo hình 28 1.3.4 Thiêu kết 30 1.3.4.1 Thiêu kết thông thường 31 1.3.4.2 Ép nóng 31 1.3.4.3 Thiêu kết hồ quang Plasma 32 1.3.5 Kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing-HIP) 33 1.3.5.1 Phương pháp dùng bao nung (vỏ bọc) 35 1.3.5.2 Phương pháp không dùng bao nung 36 Chương THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 39 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo nanocomposite Al/CNTs .39 2.2 Nguyên liệu ban đầu 40 2.2.1 Ống nano cacbon .40 2.2.2 Bột nhôm 40 2.3 Thiết bị chế tạo vật liệu 40 2.4 Nghiền trộn tạo hỗn hợp bột nanocomposite Al/CNTs 43 2.5 Ép tạo hình 44 2.6 Ép nóng đẳng tĩnh .44 2.7 Thiết bị phương pháp phân tích, đo 45 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .53 3.1 Khảo sát thành phần hình thái học bột nhơm CNTs 53 3.1.1 Thành phần hình thái học bột nhơm 53 3.1.2 Hình thái học kích thước CNTs 54 3.2 Nghiên cứu quy trình phân tán CNTs lên hạt bột Al 54 3.2.1 Phương pháp phân tán CNTs lên hạt bột Al .54 iv 3.2.2 Nghiên cứu cải thiện phân tán CNTs lên hạt bột Al 57 3.2.2.1 Nghiền sơ bột nhôm 59 3.2.2.2 Khuấy trộn CNTs với bột Al 60 3.2.2.3 Nghiền hỗn hợp bột Al/CNTs sau khuấy trộn .62 3.3 Nghiên cứu kết khối vật liệu Al/CNTs phương pháp ép nóng đẳng tĩnh 65 3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến mật độ vật liệu 66 3.3.2 Ảnh hưởng chất trợ kết đến mật độ vật liệu Al/CNTs .69 3.4 Nghiên cứu số tính chất vật liệu Al/CNTs 73 3.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng CNTs đến độ cứng vật liệu 73 3.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng CNTs đến độ dẫn điện vật liệu .75 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng CNTs đến hệ số giãn nở nhiệt vật liệu 76 3.4.4 Thành phần pha cấu trúc vật liệu 78 KẾT LUẬN 82 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .85 PHỤ LỤC 88 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CNTs Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon CFs Carbon fibers Sợi cacbon Single-Walled Carbon Nanotubes Multi-Walled Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon đơn tường CVD Chemical Vapour Deposition Ngưng tụ pha hoá học PVD Physical Vapour Deposition Ngưng tụ pha nhờ tác động vật lý SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét HVOF High velocity oxy-fuel phun lửa tốc độ cao FSP Friction stir processing Phương pháp ma sát khuấy HPT High Pressure Torsion Ép xoắn áp lực cao NSD Nanoscale Dispersion Phương pháp phân tán cấp độ nano HIP Hot Isostatic Pressing Ép nóng đẳng tĩnh SPS Spark plasma sintering Thiêu kết hồ quang Plasma EFAS Electric Field Assisted Sintering Thiêu kết có trợ giúp trường điện PAS Plasma Assisted Sintering Thiêu kết plasma Pulsed Electric Current Sintering Energy Dispersive X-Ray spectroscopy Thiêu kết dòng điện xung SWCNTs MWCNTs PECS EDX vi Ống nanô cacbon đa tường Phổ phân tán lượng tia X DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Mối quan hệ góc θ C h Bảng 1.2 Bảng so sánh môđun đàn hồi, độ bền kéo CNTs với số vật liệu [2] Bảng 1.3 Một số nanocomposite với khác .12 Bảng 1.4 Tính chất học vài nanocomposite kim loại/CNTs [6] 14 Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật CNTs 40 Bảng 3.1 Thành phần hóa học bột nhôm 53 Bảng 3.2 Mật độ vật liệu nanocomposite Al/CNTs với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh khác 66 Bảng 3.3 Mật độ vật liệu nanocomposite Al/CNTs sau ép nóng đẳng tĩnh 70 Bảng 3.4 Mật độ vật liệu nanocomposite Al/CNTs sau thiêu kết chân không .70 vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các loại ống nano cacbon: a) SWCNTs; b) MWCNTs; c) bó SWCNTs [15]3 Hình 1.2 Véctơ chiral [13] .4 Hình 1.3 Cấu trúc SWCNTs [13] Hình 1.4 Độ dẫn nhiệt số vật liệu khác [26] Hình 1.5 Độ dẫn nhiệt MWCNTs phụ thuộc vào nhiệt độ [26] Hình 1.6 Sự tụ đám vật liệu CNTs [22] Hình 1.7 Biến tính CNTs axít [9] Hình 1.8 Vật liệu composite kim loại, a)-cốt dạng sợi, b)-cốt dạng hạt [1] 10 Hình 1.9 Các phương pháp chế tạo nanocomposite kim loại/CNTs 17 Hình 1.10 Số lượng cơng trình nghiên cứu vật liệu composite/CNTs giới thời gian từ 1997-2009 [6] 22 Hình 1.11 Số lượng cơng trình nghiên cứu composite kim loại/CNTs giới thời gian từ 1997-2009 phân chia theo kim loại [6] 22 Hình 1.12 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo composite kim loại theo phương pháp luyện kim bột 25 Hình 1.13 Sơ đồ kỹ thuật ép nóng [6] 32 Hình 1.14 Sơ đồ thiêu kết hồ quang plasma [6] 33 Hình 1.15 Sơ đồ ngun lý ép nóng đẳng tĩnh [3] .35 Hình 1.16 Ép nóng đẳng tĩnh chép hình dáng vật ép ban đầu với kích thước nhỏ [3] 35 Hình 1.17 Sơ đồ mô tả phương pháp bao nung [3] 36 Hình 1.18 Sản phẩm mẫu trước sau ép nóng đẳng tĩnh phương pháp không dùng bao nung [3] .37 Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo nanocomposite Al/CNTs phương pháp luyện kim bột 39 Hình 2.2 Máy rung siêu âm SQ 338T 40 Hình 2.3 Máy nghiền hành tinh cối 41 Hình 2.4 Tủ sấy chân không Memmert VO 200 41 viii Hình 2.5 Khn hình hộp chữ nhật 42 Hình 2.6 Khn hình trụ 42 Hình 2.7 Máy ép thủy lực 10 42 Hình 2.8 Máy ép thủy lực 30 42 Hình 2.9 Máy ép nóng đẳng tĩnh 43 Hình 2.10 Chu trình nhiệt trình ép nóng đẳng tĩnh 45 Hình 2.11 Kính hiển vi điện tử qt Hitachi S-4800 46 Hình 2.12 Kính hiển vi điện tử quét SEM-EDX /JEOL-JSM 6490 46 Hình 2.13 Máy nhiễu xạ tia X-D5000 47 Hình 2.14 a)-Cân xác OHAUS Pioneer; b)- Cân xác hệ gá để xác định khối lượng vật nước 48 Hình 2.15 Máy đo độ cứng AKV – CO/ Mitutoyo 49 Hình 2.16 Hệ đo mũi dị 50 Hình 2.17 Sơ đồ mạch đo mũi dị .50 Hình 2.18 Máy đo hệ số giãn nở nhiệt DIL 402 PC 52 Hình 3.1 Ảnh SEM bột nhơm độ phóng đại 330 lần (a) 2000 lần (b) 53 Hình 3.2 Ảnh SEM CNTs với độ phóng đại 100x103 lần (a) 250x103 lần (b) 54 Hình 3.3 Sơ đồ quy trình phân tán CNTs lên hạt bột Al .55 Hình 3.4 CNTs phân tán cồn:a-trước rung; b-sau rung siêu âm 3h .56 Hình 3.5 Ảnh SEM hỗn hợp bột Al-1%CNTs sau nghiền với độ phóng đại: 20000 lần (a), 60000 lần (b), 80000 lần (c), 157000 lần (d) 56 Hình 3.6 Sơ đồ mơ tả q trình phân tán CNTs hạt bột Al trước đưa vào nghiền 58 Hình 3.7 Sơ đồ quy trình cải thiện phân tán CNTs lên hạt bột Al .58 Hình 3.8 Ảnh SEM bột nhơm ban đầu (a) sau nghiền với độ phóng đại khác nhau: 600 lần (b), 4500 lần (c), 20000 lần (d) 60 Hình 3.9 Hình ảnh miêu tả hệ khuấy CNTs với bột Al .61 Hình 3.10 Ảnh SEM hỗn hợp bột Al-1% CNTs sau khuấy trộn độ phóng đại 13000 lần (a) 35000 lần (b) .62 ix chế tạo kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh nhiệt độ khác Hình 3.22 thể ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ cứng vật liệu 50,2 49,1 Độ cứng (HB) 46,3 Hàm lượng CNTs (%) Hình 3.22 Sự phụ thuộc độ cứng vào hàm lượng CNTs với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh khác Từ hình 3.22 cho thấy: Khi có thêm chất gia cường CNTs độ cứng vật liệu tăng lên từ 1,3 đến 1,94 lần so với Al nguyên chất chế tạo điều kiện Điều giải thích sau: Vật liệu gia cường CNTs, loại vật liệu có độ cứng cao, độ cứng vật liệu Al/CNTs tăng cường đạt giá trị lớn Al nguyên chất Mặt khác theo lý thuyết học biến dạng [5], hóa bền theo chế hóa bền phân tán mà CNTs đóng vai trò chốt cản chuyển động lệch, lệch muốn vượt qua chúng cần phải có thêm lượng dẫn đến tượng hóa bền Al có thêm chất gia cường CNTs Tóm lại, độ cứng cao CNTs hiệu ứng hóa bền pha CNTs nguyên nhân dẫn đến độ cứng vật liệu nanocomposite Al/CNTs cao so với Al nguyên chất Khi tăng hàm lượng CNTs độ cứng vật liệu tăng lên, tăng mạnh với hàm lượng CNTs nằm khoảng 0-0,5%, đạt cực đại 1% CNTs sau độ cứng giảm xuống tiếp tục tăng hàm lượng CNTs Độ cứng vật liệu giảm 74 xuống hàm lượng CNTs vượt 1%, điều chứng tỏ CNTs phân tán không đều, tụ đám CNTs xảy mạnh dẫn đến độ xốp vật liệu tăng giảm hiệu gia cường chúng Với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh 620 oC nhận độ cứng vật liệu cao nhất, độ cứng lớn đạt 50,2 HB (tương đương 502MPa) ứng với hàm lượng 1% CNTs, giá trị gấp1,94 lần độ cứng Al nguyên chất (25,9 HB) chế tạo điều kiện Độ cứng vật liệu nhận ép nóng đẳng tĩnh nhiệt độ 620 oC cao 600 oC 640 oC do: ép nóng đẳng tĩnh 620 oC vật liệu có mật độ cao 600 oC 640 oC Điều thể nghiên cứu mật độ vật liệu mục 3.3.1 Kết độ cứng cho thấy rõ mối tương quan mật độ vào độ cứng vật liệu Qua cho ta thêm sở thấy nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh thích hợp 620 oC 3.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng CNTs đến độ dẫn điện vật liệu CNTs khơng có tính chất học cao mà cịn có tính chất điện đặc biệt Đề thấy ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ dẫn điện vật liệu Đề tài tiến hành khảo sát độ dẫn điện vật liệu với hàm lượng CNTs thay đổi từ 0-2%, ép nóng đẳng tĩnh 620 oC Ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới độ dẫn điện vật liệu Độ dẫn điện (106 S/m) thể hình 3.23 Hàm lượng CNTs (%) Hình 3.23 Sự phụ thuộc độ dẫn điện vào hàm lượng CNTs 75 Từ đồ thị ta thấy, tăng hàm lượng CNTs độ dẫn điện vật liệu giảm xuống giảm nhiều so với Al nguyên chất chế tạo điều kiện, với 0,5% CNTs độ dẫn điện vật liệu giảm 21% 1% CNTs độ dẫn điện giảm xuống 30% giảm nhiều tới gần 50% (từ 30,3 106 S/m xuống 15,53.106 S/m) ứng với hàm lượng CNTs 2% Sự giảm độ dẫn điện vật liệu giải thích sau: - Do bề mặt hạt Al tồn lớp màng oxít Al2O3 q trình nghiền xảy oxy hóa, nghiền hạt mịn lượng oxít nhiều (điều thấy rõ qua phân tích thành phần pha phần sau) Oxít nhơm khơng dẫn điện, hàm lượng Al2O3 tăng làm tăng điện trở vật liệu, kết độ dẫn điện vật liệu giảm - Theo nghiên cứu trên, tăng hàm lượng CNTs độ xốp vật liệu tăng lên Độ xốp tăng làm tăng điện trở vật liệu độ dẫn điện vật liệu giảm Để thấy rõ ảnh hưởng lớp Al2O3 độ xốp vật liệu, ta so sánh độ dẫn điện Al khối đề tài chế tạo phương pháp luyện kim bột Al khối chế tạo phương pháp cán, thấy độ dẫn điện Al khối đề tài chế tạo phương pháp luyện kim bột giảm 14,4% so với Al khối chế tạo phương pháp cán (giảm từ 35,38 x106 S/m xuống 30,3 x 106 S/m) - Do tính chất điện CNTs đặc biệt, tùy thuộc vào cấu trúc mà tính chất điện giống kim loại bán dẫn Mà theo tính tốn số dạng cấu trúc CNTs có khoảng 1/3 giống kim loại 2/3 có tính chất điện giống bán dẫn [2] Hơn nữa, cấu trúc điện CNTs gần chiều, truyền điện xảy dọc theo chiều dài ống Chính vậy, phân tán lộn xộn CNTs Al làm giảm khả dẫn điện của vật liệu 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng CNTs đến hệ số giãn nở nhiệt vật liệu Ngoài khả dẫn nhiệt tốt CNTs cịn có hệ số giãn nở nhiệt thấp (từ 2,7 10-6K-1 đến 4,4 10-6K-1) Do đó, việc sử dụng CNTs làm vật liệu gia cường tạo vật liệu composite có độ dẫn nhiệt cao hệ số giãn nở nhiệt thấp Để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới hệ số giãn nở nhiệt vật liệu, đề tài khảo sát 76 hệ số giãn nở nhiệt vật liệu nanocomposite Al/CNTs với hàm lượng CNTs thay đổi từ 0-2%, ép nóng đẳng tĩnh nhiệt độ 620 oC Hình 3.24 cho thấy ảnh hưởng hàm lượng CNTs tới hệ số giãn nở nhiệt vật liệu nanocomposite Al/CNTs Hệ số giãn nở nhiệt (10-6 K-1) nhiệt độ khác Nhiệt độ (oC ) Hình 3.24 Sự phụ thuộc hệ số giãn nở nhiệt vàị hàm lượng CNTs Quan sát hình 3.24 ta thấy: Với hàm lượng CNTs nhiệt độ tăng hệ số giãn nở nhiệt vật liệu cao Hiện tượng chất kim loại, hệ số giãn nở nhiệt α hàm nhiệt độ Khi tăng hàm lượng CNTs hệ số giãn nở nhiệt vật liệu giảm dần so với Al nguyên chất chế tạo điều kiện, giảm mạnh ứng với hàm lượng CNTs 2% mức độ giảm lớn 63,7% (từ 3,34x10-6K-1 giảm xuống 1,21x10-6K-1 50 C), giảm 10,6% 100 oC giảm trung bình 28,9% Với 1% CNTs hệ số o giãn nở nhiệt giảm nhiều 26% 50 oC, giảm 6% 100 oC giảm trung bình 14,6% Sự giảm hệ số giãn nở nhiệt chứng tỏ CNTs có ảnh hưởng lớn tới hệ số giãn nở nhiệt vật liệu nanocomposite Al/CNTs, CNTs có hệ số giãn nở nhiệt 77 thấp thấp nhiều so với Al (22.10-6K-1), nhờ mà vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp Al nguyên chất Mặt khác, theo nghiên cứu mục 3.3.1 tăng hàm lượng CNTs độ xốp vật liệu tăng lên, nguyên nhân làm giảm khẳ giãn nở vật liệu hay hệ số giãn nở nhiệt giảm 3.4.4 Thành phần pha cấu trúc vật liệu Ảnh hưởng trình chế tạo đến thành phần pha vật liệu đánh giá thông qua việc phân tích thành phần pha mẫu bột Al trước nghiền, hỗn hợp bột trước sau ép nóng đẳng tĩnh phương pháp nhiễu xạ tia X Kết thể giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.25, 3.26, 3.27 Hinh 3.25 3.26 giản đồ nhiễu xạ bột Al trước nghiền hỗn hợp bột sau nghiền (trước thiêu kết), quan sát so sánh hai giản đồ ta thấy sau nghiền có xuất thêm pha Al2O3 Mặc dù bề mặt hạt bột Al ban đầu tồn lớp màng Al2O3 lớp oxít mỏng (cỡ vài A0) nên hàm lượng Al2O3 bột ban đầu nhỏ, giản đồ nhiễu xạ (hình 3.25) khơng thấy xuất pic Al2O3 Việc xuất pha Al2O3 hỗn hợp bột sau nghiền chứng tỏ trình nghiền xảy ơxy hóa làm tăng lượng Al2O3 hỗn hợp bột điều giải thích cho giảm độ dẫn điện vật liệu sau ép nóng đẳng tĩnh Hình 3.27 giản đồ nhiễu xạ mẫu sau ép nóng đẳng tĩnh Thơng qua hình 3.26 3.27 cho thấy khơng có thay đổi thành phần pha, tức khơng xuất pha q trình ép nóng đẳng tĩnh Theo Arvind Agrawal [6] pha cácbít nhơm (Al4C), pha tạo thành phản ứng CNTs với Al phản ứng làm phá hủy cấu trúc CNTs qua làm ảnh hưởng xấu tới tính chất vật liệu nanocomposite Al/CNTs Trong trường hợp này, sau ép nóng đẳng tĩnh khơng thấy xuất pha Al4C chứng tỏ phản ứng CNTs Al không xảy xảy điều kiện q trình ép nóng đẳng tĩnh mà đề tài áp dụng để chế tạo vật liệu nanocomposite Al/CNTs Ngoài ta thấy pic Al2O3 lệch so với vị trí pic chuẩn, tượng lệch q trình nghiền làm xơ lệch mạng tinh thể hình thành tinh thể chưa hồn thiện Al2O3 78 Al Al Al Al Al Al Cường độ (số xung /s) Góc 2θ (o) Al2O3 Al2O3 Al Al Al Al Cường độ (số xung /s) Al2O3 Hình 3.25 Giản đồ nhiễu xạ tia X bột Al trước nghiền Góc 2θ (o) Hình 3.26 Giản đồ nhiễu xạ tia X hỗn hợp bột Al-1%CNTs sau nghiền 79 Al2O3 Al2O3 Al Al Al Al2O3 Cường độ (số xung/s) Al Góc 2θ (o) Hình 3.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X nanocomposite Al-1%CNTs Sự tồn phân bố CNTs vật liệu nanocomposite Al/CNTs thể hình 3.28, ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao Hitachi S-4800 Trước chụp mẫu ngâm dung dịch ăn mịn NaOH 0,5M Mục đích ăn mòn Al làm trơ phần tử gia cường CNTs, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát hình thái phân bố chúng Thời gian ngâm dung dịch ăn mòn khoảng 1-2 phút Quan sát hình 3.28a ta thấy phần tử gia cường CNTs bao bọc vật liệu (Al) liên kết tốt với nền, điều giải thích cho việc tăng tính vật liệu nanocomposite Al/CNTs Hình 3.28 b,c,d cho thấy phân bố CNTs nhôm tương đối tách biệt, nhiên có tụ đám CNTs (quan sát hình 3.28c) Mặt khác ta thấy CNTs nằm lộn xộn không theo trật tự khối vật liệu, điều làm tăng điện trở hay làm giảm độ dẫn điện vật liệu Vì truyền điện CNTs chủ yếu dọc theo chiều dài ống 80 (a) (b) CNTs (c) CNTs (d) CNTs CNTs Hình 3.28 Hình ảnh phân bố CNTs nanocomposite Al-1% CNTs vị trí độ phóng đại khác : (a)- 50000 lần; (b)- 60000 lần; (c)- 100000 lần; (d)- 200000 lần Kết luận Mục 3.4 Qua khảo sát số tính chất vật liệu nanocomposite Al/CNTs ta thấy : - Khi tăng hàm lượng CNTs độ cứng vật liệu tăng lên với 1% CNTs độ cứng vật liệu đạt giá trị lớn (gấp 1,94 lần Al nguyên chất) - Độ dẫn điện vật liệu giảm dần tăng hàm lượng CNTs, với 1% CNTs độ dẫn điện giảm 30%, giảm gần 50% với 2% CNTs - Khi tăng hàm lượng CNTs hệ số giãn nở nhiệt vật liệu giảm dần, giảm nhiều ứng với 2% CNTs 81 KẾT LUẬN Các kết “ nghiên cứu chế tạo tính chất nanocomposite Al gia cường ống nano cacbon theo phương pháp luyện kim bột” cho phép rút số kết luận sơ ban đầu sau: Đề tài xây dựng thành công quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite Al gia cường CNTs với phân bố tương đối tách biệt ống nano cacbon nhôm Quy trình chế tạo bao gồm hai cơng đoạn chính: (i) công đoạn phân tán CNTs với bột nhôm (ii) cơng đoạn kết khối vật liệu Trong đó, cơng đoạn phân tán CNTs với bột nhôm sử dụng hiệu ứng bay cồn để CNTs (trước phân tán cồn) lắng đọng hạt bột, kết hợp với nghiền lượng cao Công đoạn kết khối vật liệu sử dụng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh nhằm thu vật liệu có mật độ cao, rỗ xốp Các bước quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite Al/CNTs theo trình tự: + Rung siêu âm phân tán CNTs vào dung môi cồn, + Nghiền sơ bột nhôm máy nghiền hành tinh, + Khuấy trộn dung dịch cồn - CNTs với bột nhôm nghiền sơ bộ, đồng thời gia nhiệt để bay phần lớn cồn, + Nghiền hỗn hợp bột nhão (dạng vữa) sau công đoạn khuấy trộn máy nghiền hành tinh, + Sấy hỗn hợp sau nghiền chân không để bay hết cồn, + Ép tạo hình, + Kết khối vật ép kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh Bằng quy trình nêu trên, đề tài tiến hành chế tạo, khảo sát tính chất vật liệu nanocomposite Al/CNTs với ngưỡng giá trị hàm lượng CNTs 0%; 0,5%; 1%; 1,5% 2% Kết cho thấy: tăng hàm lượng CNTs mật độ vật liệu giảm dần, độ cứng vật liệu tăng đạt giá trị lớn hàm lượng 1% CNTs, vượt giới độ cứng giảm dần Hệ số giãn nở nhiệt độ dẫn điện vật liệu giảm tăng hàm lượng CNTs vật liệu 82 Vật liệu nanocomposite Al+1% CNTs chế tạo theo phương pháp có số tính chất sau: + Mật độ đạt 95,28% so với mật độ lý thuyết, + Độ cứng gấp 1,94 lần nhơm ngun chất có phương pháp chế tạo đạt giá trị 50,2 HB (so với 25,9 HB nhôm nguyên chất) + Hệ số giãn nở nhiệt giảm trung bình 14,6 % khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 250 0C so với nhôm nguyên chất + Độ dẫn điện giảm gần 30% so với nhôm nguyên chất Đối với vật liệu nanocomposite Al/CNTs, đề tài xác định nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh thích hợp theo phương pháp không vỏ bọc 620 0C Việc sử dụng chất trợ kết (3,5% Cu) mang lại hiệu đáng kể thiêu kết chân không, lại không hiệu sử dụng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh Vật liệu nanocomposite Al/CNTs với tính cao, tỷ trọng nhẹ, hệ số giãn nở nhiệt thấp mở ứng dụng lớn nhiều lĩnh vực kỹ thuật Đặc biệt, với hệ số giãn nở nhiệt thấp từ 10,6 đến 28,9 % so với nhôm nguyên chất, kết đề tài mở khả ứng dụng loại vật liệu làm đế tản nhiệt cho chíp máy tính, đèn LED Hiện tại, nhóm nghiên cứu chưa tìm thấy cơng bố giới hệ số giãn nở nhiệt vật liệu nanocomposite Al/CNTs Trong trình thực luận văn, nhóm nghiên cứu cơng bố 01 cơng trình tạp chí “Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology” 83 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Van Trinh Pham, Van An Nguyen, Hung Thang Bui, Danh Chung Le, Van Chuc Nguyen, Van Luan Nguyen, Dinh Phuong Doan and Ngoc Minh Phan, 4/2013, A method to obtain homogeneously dispersed carbon nanotubes in Al powders for preparing Al/CNTs nanocomposite, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 4,025015 (5pp) 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Lê Công Dưỡng (2000), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Đỗ Minh Nghiệp (2011), Bài giảng Carbon Nanomaterials (Part 2) [3] Đồn Đình Phương (2013), Ứng dụng kĩ thuật ép nóng đẳng tĩnh chế tạo vật liệu kim loại tiên tiến,Tạp chí khoa học cơng nghệ 51 số 2A, 198-210 [4] Phạm Thảo Vũ Chất Phác (1997), Luyện kim bột, Tài liệu chuyên khảo [5] Bộ Môn Kim loại học nhiệt luyện (1972), Cơ sở lý thuyết lệch mạng tính kim loại, Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [6] Arvind Agarwal – Srinivasa Rao Bakshi – Debrupa Lahiri (2010), Cacbon nanotubes Reinforced Metal Matrix Composites, Florida International University Miami, USA [7] Berber, S., Kwon, Y K., and Tomanek, D (2000), Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes, Phys Rev Lett., 84, pp 4613–4616 [8] Brent L Adams et al (2004), ASM Handbook – Vol.9 Metallography and Microstructures, The Materials Information Company [9] Balasubramanian K and Burghard M (2005), Chemically Functionalized Carbon Nanotubes, Small, 1, No.2, pp 180 –192 [10] Cha, S I., Kim, K T., Arshad, S N., Mo, C B., and S H Hong (2005), Extraordinary strengthening effect of carbon nanotubes in metal-matrix nanocomposites pro-cessed by molecular-level mixing, Adv Mater 17: 1377– 1381 [11] Ci, L., Ryu, Z., Jin-Phillipp, N Y., and M Ruhle (2006), Investigation of the inter-facial reaction between multi-walled carbon nanotubes and aluminum, Acta Mater 54: 5367–5375 85 [12] Choi, H., Shin, J., Min, B., Park, J., and D Bae (2009), Reinforcing effects of car-bon nanotubes in structural aluminum matrix nanocomposites, J Mater Res 24: 2610–2616 [13] Deierlein Udo (2002), Functionalization of carbon nanotubes for self-assembly of hybrid structures, Department fur Physik and Center for NanoScience (CeNS), LMU Munchen [14] He, C., Zhao, N., Shi, C., Du, X., Li, J., Li, H., and Q Cui (2007), An approach to obtaining homogeneously dispersed carbon nanotubes in Al powders for preparing reinforced Al-matrix composites, Adv Mater 19: 1128–1132 [15] Ijima S (2002), Physcal B 323, pp 1-5 [16] Ijima S, (1991), Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, 354, 56–58 [17] Kestur Gundappa Satyanarayana et al (2009), Nanocomposites: Synthesis, Structure, Properties and New Application Opportunities, Materials Research, Vol 12, No.1, 1-39 [18] Kwon, H., Park, D H., Silvain, J F., and A Kawasaki (2010), Investigation of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite materials, Compos Sci Technol 70: 546–550 [19] Lim, D K., Shibayanagi, T., and A P Gerlich (2009) Synthesis of multi-walled CNT reinforced aluminium alloy composite via friction stir processing, Mater Sci Eng A 507: 194–199 [20] Noguchi, T., Magario, A., Fukuzawa, S., Shimizu, S., Beppu, J., and M Seki (2004), Carbon nanotube/aluminum composites with uniform dispersion, Mater Trans 45: 602–604 [21] Peter Wißmann & Hans-Ulrich Finzel (2007), Electrical Resistivity of Thin Metal Films, Springer Tracts in Modern Physics,Germany [22] Rod A (2006), Processing and Properties of Composite Materials Containing Multiwalled Carbon Nanotubes, University of Kentucky [23] Robert F Spayer, Thermal Analysis of Materials (Materials Engineering, Vol 5), Marcel Dakker Inc, 1994 86 [24] Salvetat J.P., Briggs G.A.D., Bonard J M., Bacsa R.R., Kulik A.J., Stockli T., Burnham N.A., Forro L (1999), Elastic and shear moduli of single-walled carbon nanotube ropes, Phys Rev Lett., 82, 944–947 [25] Serope Kalpakjian, Steven R Schmid (2001), Manufacturing Engineering and Technology, 4th international edition, Prentice Hall, Inc, pp 315-510 [26] Small, J P., Shi, L., and Kim, P (2003), Mesoscopic Thermal and Thermo electric Measurements of Individual Carbon Nanotubes, Solid State Commun., 127(2), pp 181–186 [27] G.B Schaffer, T.B Sercombe1, R.N Lumley (2001), Liquid phase sintering of aluminium alloys, Materials Chemistry and Physics 67, 85–91 [28] Thostenson E.T., Ren Z., Chow T W (2001), Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review, Comp Sci Tech., 61, 1899–1911 [29] Weidenkaff A., Ebbinghaus S.G., Mauron Ph., Reller A., Zhang Y., Zuttel A (2002), Metal nanoparticles for the production of carbon nanotube composite materials by decomposition of different carbon sources, Mater Sci Eng C, 19, 119–123 [30] Wong E.W., Sheehan P.E., Lieber C.M (1997), Nanobeam mechanics: elasticity, strength, and toughness of nanorods and nanotubes, Science, 277, 1971–1975 [31] Yoichi Inoue., et al., The Equipment and methods in hot isostatic pressing - HIP, Book, pp.120-154 [32] The American Society of Mechanical Engineers (April 1985), The Evolution of HIP- Commemorating the First Hot and Cold Isostatic Pressing Vessels, (International Historic Mechanical Engineering Landmark) 87 PHỤ LỤC Cơng trình cơng bố 88 ... phương pháp luyện kim bột? ?? Đề tài sử dụng phương pháp luyện kim bột để nghiên cứu chế tạo nanocomposite Al gia cường CNTs đồng thời nghiên cứu hiệu ứng gia cường CNTs đến số tính chất vật liệu nanocomposite. .. Các phương pháp chế tạo nanocomposite kim loại/CNTs Trong số phương pháp chế tạo phương pháp luyện kim bột phương pháp sử dụng nhiều sau tới phương pháp tạo lớp phủ điện hóa Một số composite kim. .. việu nanocomposite Al/CNTs Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANO CACBON VÀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN Al GIA CƯỜNG BẰNG CNTs 1.1 Tổng quan ống nano cacbon 1.1.1 Giới thiệu ống nano cacbon Ống nano