Hình 3.6. Phổ TGA của vật liệu MWCNTs biến tính
Sự khác nhau của đường biểu diễn TGA của vật liệu MWCNTs và MWCNTs biến tính chứng tỏ có sự tồn tạicủa các nhóm chức hữu cơ trong vật liệu CNTs.
3.2. Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite3.2.1. Khảo sát sự phân tán của CNTs trong nền Cu 3.2.1. Khảo sát sự phân tán của CNTs trong nền Cu
Sự phân tán đồng đều của vật liệu gia cường trong vật liệu nền có vai trị hết sức quan trọng và ảnh hưởng trực đến hiệu quả gia cường của vật liệu. Để khảo sát đánh giá sự phân tán của vật liệu CNTs trong nền vật liệu Cu, chúng tôi đã tiến hành
khảo sát vi cấu trúc của vật liệu với hai loại vật liệu thử nghiệm là vật liệu CNTs chưa biến tính và vật liệu CNTs biến tính.
Hình 3.7.Sựphân tán của CNTs trong hỗn hợp Cu/CNTs nanocomposite sửdụng a)CNTs chưa biến tínhb)CNTs biến tính
Hình 3.7 a) là ảnh chụp SEM mẫu Cu/CNTs khi chưa biến tính CNTs. Ta có thể quan sát dễ dàng ống nano cacbon co cụm lại thành các đám lớn nằm cạnh các phân tử
đồng. Chúng khơng có khả năng tách ra thành các sợi riêng biệt nằm xen kẽ với các
hạt đồng. Chính sự phân tán khơng tốt này của CNTs sẽ làm ảnh hướng đến các tính chất của vật liệu composite.
Hình 3.7 b) làảnh SEM của mẫu vật liệuCu/CNTs nanocomposite dạng bột sử dụng CNTs biến tính. Có thể nhận thấy các sợi CNTs tồn tại như các sợi riêng biệt trong hỗn hợp mà không bị kết đám, co cụm lại như trong trường hợp CNTs chưa biến tính.
So sánh ảnh chụp SEM giữa hai trường hợp: CNTs thơng thường và CNTs đã biến tính, được pha trộn để tạo hỗn hợp Cu/CNTs nanocomposite cho thấy, đối với
trường hợp CNTs đã qua biến tính cho kết quả tốt hơn, các ống nano cacbon phân tán
thành các sợi riêng lẻ, lẫn trong hỗn hợp, cịn trường hợp kia thì khơng. Từ các kết quả trên cho ta thấy được ảnh hưởng của việc biến tính CNTs đến sự phân tán các ống
nano cacbon khi đưa vào hỗn hợp Cu/CNTsnanocomposite.
Hình 3.8. a)Ảnh quang và b)Ảnh SEM cấu trúc của
mẫu vật liệu Cu/CNTs nanocomposite (1% wt CNTs)
Hình 3.8. a) thể hiện hình dạng mẫu vật liệu Cu/CNTs nanocomposite chế tạo
được bằng phương pháp luyện kim bột. Mẫu vật liệu có độ co giãn đồng đều khơng bị
nứt vỡ. Hình 3.8.b) là ảnh SEM chụp cắt ngang mẫu vật liệu Cu/CNTs nanocomposite, trên hình ta thấy các sợi CNTs được phân tán trong nền Cu. Điều này chứng tỏ rằng mẫu vật liệu CNTs vẫn còn tồn tại trong mẫu vật liệu nanocomposite.
3.2.2. Đánh giá sự thay đổi tỷ trọng – thành phần của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite nanocomposite
Tỷ trọng hay khối lượng riêng của vật chất là một đại lượng đặc trưng về mật
độ của vật chất đó. Nó được tính bằng thương số giữa khối lượng m của một vật làm
bằng chất ấy và thể tích V của vật.
Khi đó, cơng thức để tính tỷ trọng () là:
m
V
(3.1) Vật liệu Cu/CNTs nanocomposite dạng bột được đóng kết thành vật liệu Cu/CNTs nanocomposite khối với độ siết chặt cao bằng hai quá trình nén khn tạo hình và thiêu kết vật liệu. Trong quá trình thiêu kết, các khe hẹp ở các vùng biên tiếp xúc giữa các biên hạt dần dần được thu hẹp bằng các quá trình co dãn biên hạt khác nhau. Sự co dãn khác nhau xảy ra ở các biên hạt có thể do tác động của một hay nhiều yếu tố sau: các hệ số khuếch tán, áp suất pha hơi, hệ số giãn nở nhiệt của phần tử vi cấu trúc và sự thay đổi thể tích do sự biến đổi về pha khi làm lạnh. Hình 3.9 thể hiện sự thay đổi tỉ trọng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs và theo nhiệt độ thiêu kết.
(b) CNTs (a)
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễnsự phụ thuộctỷ trọngcủa vật liệuCu/CNTs nanocoposite theo phần trăm khối lượng CNTs gia cường và nhiệt độthiêu kết
Nhận xét: các đường của đồ thị trên biểu diễn tỷ trọng thực tế đo được của vật
liệu Cu/CNTs nanocomposite và tỷ trọng tính tốn lý thuyết của vật liệu Cu/CNTs với phần trăm về khối lượng CNTs thay đổi từ 0% đến 3.5%. Quan sát trên hình 3.9 ta có thể thấy, phần trăm CNTs càng tăng thì thì tỷ trọng của vật liệu càng giảm, đường biểu diễn có xu hướng giảm dần. Kết quả này phù hợp với tính tốn, tức là nếu giảm thành phần của đồng (Cu) trong hỗn hợp, tăng phần trăm CNTs thì tỷ trọng vật liệu giảm, do khối lượng riêng của CNTs nhẹ hơn Cu.
Vật liệu Cu/CNTs nanocomposite với tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs cao thể hiện rằng chúng có độ xốp cấu trúc cao bởi cấu trúc đặc biệt của CNTs. Kết quả là tỉ trọng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposites sẽ bị giảm xuống. Với nhiệt độ thiêu kết khác nhau, tại mỗi tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs chúng ta có thể thấy rằng tỉ trọng của
Cu/CNTs nanocomposite tăng dần theo nhiệt độ thiêu kết. Tại nhiệt độ thiêu kết
950oC, tỷ trọng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite đạt giá trị lớn nhất và đường đồ thị biểu diễn tỷ trọng của vật liệu theo từng tỉ lệ gia cường của vật liệu CNTs gần phù hợp nhất với đường biểu diễn tỷ trọng của vật liệu được tính tốn theo lý thuyết. Điều này có thể giải thích như sau: Vật liệu CNTs đã được biến tính trong mơi trường axit
nên có tồn tại một số nhóm chức hữu cơ như nhóm carboxyl (-COOH), hay nhóm hydroxyl (-OH). Tại nhiệt độ thiêu kết cao trong môi trường chân không, tất cả các tạp hay thành phần các nhóm chức chất hữu cơ bị đẩy ra ngoài hoàn toàn. Ngoài ra khi thiêu kết ở nhiệt độ cao,quá trình co lại của của vật liệu được tăng cường. Kết quả này dẫn tới tỷ trọng đo được của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite tại nhiệt độ thiêu kết 950oC đạt giá trị lớn nhất.
Bảng 3.1.Mối quan hệ giữa tỉ trọng của vật liệu Cu/CNTs với tỉ lệ % CNTs (wt) Phần trăm khối lượngCNTs Tỉ trọng thực nghiệm(g/cm3) Tỉ trọng lý thuyết (g/cm3) Mật độ tỷ đối(%) 0.0 % 8.213 8.921 92 0.5 % 7.543 8.732 86 1.0 % 7.345 8.551 85 1.5 % 7.199 8.383 85 2.0 % 6.992 8.105 86 2.5 % 6.875 7.913 87 3.0 % 6.720 7.782 86 3.5 % 6.667 7.581 88
Nếu giá trị tỷ trọng thực tế tiến gần tới giá trị tỷ trọng lý thuyết (hai đường trên
đồ thị sát nhau) thì mẫu chế tạo của ta càng hồn thiện vế cấu trúc, bởi lúc đó thể tích
của vật liệu sau thiêu kết sẽ đạt giá trị nhỏ nhất, tỷ trọng và thể tích tỉ lệ nghịch với
nhau), trong trường hợp này: tỷ trọng tăng thì thể tích phải giảm, tức khoảng cách giữa
các phân tử bên trong vật liệu là rất gần nhau, liên kết chặt với nhau, cấu trúc trở nên ít rỗ xốp. Tuy nhiên, ở đây mật độ tỉ đối đang dừng lại ở mức trên 85, do đó cần phải hồn thiện hơn nữa cơng đoạn ép, với lực ép phù hợp hơn, đều hơn, và tiến hành thiêu kết với thời gian, nhiệt độ, môi trường phù hợp.
3.2.3. Khảo sát tính chất dẫn điện của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite
Chúng tôi đã sử dụng hệ đo 4 mũi dò, để đo khả năng dẫn điện của vật liệu
Cu/CNTs. Hệ thiết bị này gồm 4 mũi bằng kim loại, được mạ vàng bên ngoài để đảm bảo các mũi dị có độ dẫn điện cao. Bốn mũi dị này được đặt tiếp xúc với mẫu cần đo tại các vị trị khác nhau trên bề mặt mẫu, 4 điểm này đứng tại các đỉnh của hình vng
tưởng tượng trên bề mặt mẫu. Đối với một số loại máy, 4 mũi dò này được thiết kế
nằm trên cùng một đường thẳng. Dịng điện một chiều có cường độ I xác định được đưa vào các đầu dò (1) và (3) nằm đối diện nhau, còn cặp đầu dò (2) và (4) được nối
với với đồng hồ hiện thị để đo thế. Như vậy, từ hai giá trị I và U xác định có thể tính
được điện trở R, từ đị suy ra điện trở suất, và độ dẫn.
Hình 3.11.Sơ đồ đo 4 mũi dị Cơng thức: R l S (3.2) RS l (3.3); Suy ra: 1 l RS (3.4)
Hình 3.12.Đồ thị độ dẫn điện của mẫu Cu/CNTs
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát độ dẫn của vật liệu Cu/CNTs với thành phần
phần trăm CNTs thay đổi từ 0% - 3.5% bằng phương pháp 4 mũi dị. Theo hình 3.12,
điện trở của mẫu Cu/CNTs giảm khi thành phần trăm khối lượng CNTs gia cường tăng
lên đến 2.5 %, các tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs lớn hơn 2.5 % thì có giá trị điện trở
lớn hơn. Nói cách khác, độ dẫn điện của mẫu Cu/CNTs đã được nâng lên khi pha
CNTs vào trong mẫu tăng lên đến tỉ lệ gia cường 2.5 %. Với tỉ lệ gia cường vật liệu lớn hơn 2.5 % thì độ dẫn của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite có xu hướng giảm. Điều này có thể giải thích như sau: vật liệu CNTs chính lànguyên nhân làm tăng khả năng dẫn điện của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng
khe hẹp khơng khí (khơng dẫn điện) được hình thành tại các biên hạt composite được
điền bởi vật liệu CNTs là loại vật liệu có khả năng dẫn điện và các khe hẹp này được
điền đầy hoàn toàn tại tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs là 2.5 %, với tỉ lệ gia cường lớn
hơn 2.5 % có thể do tỉ lệ CNTs quá nhiều làm phát sinh thêm các điện trở tiếp xúc
không mong muốn giữa Cu - CNTs và CNTs -CNTs dẫn tới điện trở tổng cộng của vật liệu tăng lên. Do đó, độ dẫn của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite tăng lên đến giá trị lớn nhất tại tỉ lệ 2.5%, với tỉ lệ gia cường lớn hơn thì độ dẫn của vật liệu giảm xuống. Hiện nay, người ta đã ứng dụng vật liệu Cu/CNTs nanocomposite để làm công
tắc điện, với độ bền và độ cứng của điểm tiếp xúc trong công tắc làm tăng tuổi thọ sử dụng của thiết bị. Cu/CNTs cũng được sử dụng để làm điện cực trong nhiều nghiên cứu. Ngoài ra, vật liệu Cu/CNTs cũng đã xuất hiện trong các thiết bị và chi tiết máy thay thế cho đồng nguyên chất để nâng cao khả năng chịu lực và độ bền.
3.2.4. Khảo sát độ cứng
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đang được sử dụng trên thế giới để đo độ cứng của vật liệu, tiêu biểu trong đó phải kể tới: đo độ cứng Brinell, độ cứng Rokwell,
độ cứng Vic-ker, độ cứng Knoop...Đây là những phương pháp phổ biến, dễ thực hiện, khơng địi hỏi nhiều kỹ thuật phức tạp. Chúng tôi đã lựa chọn đo độ cứng HB (Hardness Brinell) để khảo sát độ cứng cho vật liệu Cu/CNTsnanocomposite.
Sự thay đổi độ cứng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo các tỉ lệ gia
cường khác nhau của vật liệu CNTs và nhiệt độ thiêu kết được thể hiện trên hình 3.13. Độ cứng của vật liệu được tăng cường bởi thành phần gia cường vật liệu CNTs vào
trong nền vật liệu kim loại Cu. Độ cứng của vật liệu gần như tăng tuyến tính với tỉ lệ
gia cường vật liệu CNTs cho tới 3% và giảm dần với tỉ lệ gia cường lớn hơn 3% theo khối lượng. Để giải thích khả năng chịu tải của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite, chúng ta giả thiết rằng vật liệu nền Cu có khả năng truyền và phân phối ngoại lực tác dụng cho vật liệu gia cường. Vì vậy, ngoại lực tác dụng lên nền Cu được giảm xuống.
Ở đây, vật liệu gia cường là CNTs là loại vật liệu có độ bền cơ học cao do đó kết quả là độ bền cơ học của vật liệu Cu/CNTs được tăng cường và đạt giá trị lớn hơn so với vật liệu nanocomposite chỉ có Cu nguyên chất.
Bên cạnh việc khảo sát độ cứng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo các tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs khác nhau chúng tơi cịn khảo sát sự thay đổi độ cứng của vật liệu theo các nhiệt độ thiêu kết khác nhau. Tại các nhiệt độ thiêu kết khác nhau, với nhiệt độ thiêu kết là 900oC, kết quả là độ cứng của vật liệu đạt giá trị lớn nhất bằng 39.4 HB tương ứng với tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs 3 % theo khối lượng, giá trị này lớn hơn 1.14 lần so với vật liệu nền Cu nguyên chất(34.6 HB). Tại nhiệt độ thiêu kết là 950oC, độ cứng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite có giá trị thấp hơn các giá trị độ cứng của vật liệu được thiêu kết tại nhiệt độ 900oC trong cùng một điều kiện gia cường. Điều này chứng tỏ hiệu ứng gia cường của vật liệu CNTs chưa được
đảm bảo hồn tồn. Ví dụ, khi tăng nhiệt độ thiêu kết từ 900oC lên 950oC, sau khi thiêu kết với tỉ lệ gia cường là 3% CNTs (điều kiện gia cường tốt nhất), dẫn tới độ cứng của vật liệu giảm từ 39.4 HB xuống giá trị 37.8 HB..
Hình 3.13.Kết quả độ cứng HB của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo phần trăm khối lượng gia cường CNTs
Đánh giáđộ bền của vật liệu
Trên cơ sở khảo sát độ cứng HB của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite, chúng
tôi tiến hành đánh giá độ bền kéo của vật liệu thông qua biểu thứclien hệ giữa độ cứng
HB và độ bền kéo như sau [1]:
2 2 6 0.5 ( / ) 1 / 9.8.10 B HB KG mm KG mm Pa (3.5)
Hình 3.14 thể hiện sự thay đổi của độ bền kéo của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo nhiệt độ thiêu kết và theo tỉ lệ phần trăm vật liệu CNTs gia cường. Theo tỉ lệ phần trăm vật liệu CNTs gia cường, độ bền của vật liệu tăng theo độ tăng phần trăm của vật liệu CNTs gia cường từ 0 đến 3%, giá trị độ bền cao nhất đạt được với tỉ lệ gia cường của CNTs là 3% tại tất cả các nhiệt độ thiêu kết đã khảo sát. Với tỉ lệ gia cường vật liệu CNTs lớn hơn 3% độ bền của vật liệu có xu hướng giảm. Theo nhiệt độ thiêu kết, tại cùng một điều kiện gia cường thì độ bền kéo của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite được thiêu kết ở nhiệt độ 900oC có giá trị tốt nhất. Trong đó, với tỉ lệ gia cường 3% CNTs theo khối lượng (tỉ lệ gia cường tốt nhất), vật liệu
Cu/CNTs nanocomposite có độ bền là 200.91 MPa lớn hơn gấp 1.16 lần so với vật liệu
nền Cu không được gia cường (172.93 MPa) ở cùng điều kiện chế tạo.
Hình 3.14.Đánh giá độ bềncủa vật liệu Cu/CNTs nanocomposite theo phần trăm khối lượng gia cường CNTsqua mối quan hệ với độ cứng HB
3.2.5. Khảo độ bền mài mòn
*Độ bền mài mịn
Tính chất mài mịn của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite được khảo sát trên hệ
đo Phoenix Tribology với điều kiện đo như sau: đo trong điều kiện nhiệt độ môi
trường, tốc độ quay là 150 vòng/phút, tải trọng chuẩn là 88N, thời gian khảo sát là 30
phút.
Hình 3.15. Kết quả khảo sát sự thay đổi độ mài mòn của vật liệu Cu/CNTs
Từ hình 3.15, cho ta thấy sự thay đổi độ bền mài mòn của vật liệu Cu/CNTs
nanocomposite theo lượng vật liệu CNTs gia cường vào trong vật liệu. Với khối lượng gia cường CNTs từ 0 đến 3% CNTs theo khối lượng được gia cường vào thì ta thấy
khối lượng vật liệu mất đi giảm dần theo chiều tăng của khối lượng vật liệu gia cường vào trong nền vật liệu Cu. Với điều kiện gia cường 3% khối lượng CNTs, Độ hao mòn khối lượng của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite đạt giá trị tốt nhất giảm xuống 4,5 lần (từ 26.3 gam đến 6.4 gam) so với vật liệu Cu nguyên chất không được gia cường
CNTs. Kết quả này chứng tỏ rằng vật liệu CNTs đã có tác dụng tốt đến độ bền mài mòn của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite.