Dạng đơn vách [10, 29] (SWCNT: single-walled carbon nanotube) có kết cấu như một tấm graphene cuộn tròn lại. Dạng đa vách [29] (MWCNT: multi-walled carbon nanotube) có kết cấu như nhiều tấm graphene lồng vào nhau rồi cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp. Graphene có kết cấu bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng của graphene lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu khác (cứng hơn cả kim cương và gấp khoảng 200 lần thép). Đây là nhờ các liên kết
carbon-carbon trong graphene. Graphene được cho là có độ bền kéo trong mặt phẳng lên đến 1.06 TPa và do đó ống nano carbon cũng sở hữu độ cứng tương tự [35]. Overney và cộng sự [67] đã tính tốn và tìm được module đàn hồi của ống nano đơn vách là tương đương với mô đun đàn hồi của graphene với giá trị khoảng 1500 GPa. Năm 1997, Wong và đồng nghiệp [104] sử dụng kính hiển vi nguyên tử để đo trực tiếp độ cứng của ống carbon đa vách và cho thấy module đàn hồi của loại vật liệu này là 1.28 TPa. Nghiên cứu của Salvetat và cộng sự [77] cho giá trị trung bình của module đàn hồi của ống nano carbon đa vách vào khoảng 810 GPa.
Ống nano carbon được sử dụng làm vật liệu gia cường trong các loại vật liệu composite và kết quả là vật liệu nano composite ra đời với các tính chất cơ, lý, hóa được cải thiện. Dựa trên tính chất dẫn điện rất tốt và tỷ trọng thấp của CNT, Kilbride và cộng sự đã chế tạo một loại nhựa dẫn điện có sự thẩm thấu ở mức siêu cao và đo dòng điện xoay chiều cũng như độ dẫn điện trực tiếp trong màng mỏng composite. Hơn thế, nhóm của Biercuk [12] sử dụng ống nano carbon đơn vách để làm tăng tính chất truyền nhiệt của epoxy cơng nghiệp và kết quả đúng như mong đợi, tính chất dẫn nhiệt và tính chất cơ học của composite SWCNT-epoxy được cải thiện rất đáng kể.
1.3. Vật liệu áp điện
Vật liệu áp điện là loại vật liệu có khả năng thay đổi hình dạng, kích thước khi đặt chúng dưới tác động của điện trường hoặc sinh ra điện trường khi chúng bị biến dạng. Vật liệu áp điện ngày càng được sử dụng nhiều trong các kết cấu nhằm làm cho các kết cấu trở nên “thông minh”. Người Ai Cập cổ đã phát hiện ra loại vật liệu này, nhận thấy các đặc tính về điện của chúng, đặc biệt là khả năng phát điện tích tĩnh khi cọ sát. Từ “piezoelectricity – áp điện” được đặt tên bởi hai nhà khoáng vật người Pháp là Jacques và Pierre Curie. Năm 1894, trong nghiên cứu của Voigt, việc đặt một điện áp trên vật liệu áp điện gây ra sự thay đổi hình học, được gọi là hiệu ứng áp điện (kích thích - actuator) [96] và hiện tượng tự sinh ra điện khi bị biến dạng gọi là hiệu ứng áp ngược (cảm biến - sensor). Việc sử dụng vật liệu áp
điện với mục đích cảm biến hoặc kích thích có ý nghĩa quan trọng. Cảm biến áp điện có thể được dùng để đo các đại lượng vật lý như ứng suất, biến dạng trong kết cấu, ngược lại, kích thích áp điện được sử dụng để chủ động tạo ra biến dạng trong một kết cấu bằng cách sử dụng điện áp. Sơ đồ đáp ứng áp điện trong vật liệu áp điện được minh họa trong hình 1.5. Sự khác biệt về vị trí trung bình của điện tích dương và điện tích âm dẫn đến phản ứng áp điện.
Hình 1.5. Tinh thể vật liệu áp điện ở trạng thái A) Không biến dạng, B) Biến dạng
Trong những năm gần đây, vật liệu áp điện đã đóng vai trị quan trọng trong kỹ thuật công nghiệp và sản xuất các thiết bị chính xác. Một trong những lợi thế của việc sử dụng vật liệu áp điện là nếu được sản xuất ở trạng thái rắn chắc, chúng có thể làm việc trong hầu hết các điều kiện môi trường khắc nghiệt như bụi bẩn, dầu, khí thải, nhiệt độ cao và cịn có tác dụng ngăn cản dao động gây bất lợi cho kết cấu. Vật liệu áp điện tồn tại trong một số tinh thể tự nhiên như thạch anh và muối rochelle [94].
1.4. Vật liệu composite nano carbon - áp điện
Composite áp điện là loại composite có sự kết hợp với vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện dưới dạng lớp hoặc các miếng mỏng khi được nhúng hoặc gắn vào kết cấu composite sẽ tạo nên kết cấu composite áp điện có khả năng cảm biến hoặc kích thích đối với những đáp ứng động học và tĩnh học. Kết cấu tấm, vỏ composite nano carbon – áp điện sẽ mang ưu điểm của từng loại vật liệu thành phần (Hình 1.6, Hình 1.7).