Chế tạo bề mặt chống băng tuyết theo hướng tiếp cận không dính ướt trên đế sắt

Luận văn: Chế tạo bề mặt chống băng tuyết không dính ướt trên đế sắt - ĐH Sư phạm Thái Nguyên (2023)

• Tác giả: Đặng Minh Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Bình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Chế tạo bề mặt chống băng tuyết theo hướng tiếp cận không dính ướt trên đế sắt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về bề mặt chống băng tuyết trên đế sắt

Băng tuyết bám phủ trên bề mặt kim loại gây ra nhiều tổn thất kinh tế và nguy cơ kỹ thuật. Các công trình ngoài trời như tháp truyền tải điện, vỏ tàu thuyền và máy móc chịu ảnh hưởng nặng nề. Đế sắt là vật liệu kết cấu phổ biến nhất hiện nay. Bản chất sắt có năng lượng bề mặt cao. Nước rất dễ dính ướt và lan truyền trên sắt. Khi gặp nhiệt độ âm, giọt nước đóng băng nhanh chóng. Lớp băng bám chặt vào kim loại gây tắc nghẽn, nứt vỡ và tăng tải trọng cơ học. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tập trung phát triển giải pháp thụ động. Hướng tiếp cận này dựa trên nguyên lý không dính ướt. Bề mặt kỵ nước siêu cấp được tạo ra ngay trên nền sắt. Giọt nước duy trì trạng thái hình cầu và tiếp xúc rất ít với nền rắn. Không khí bị bẫy trong các khe rãnh vi mô tạo thành lớp đệm cách nhiệt. Quá trình truyền nhiệt giữa giọt nước và đế sắt bị cản trở đáng kể. Thời gian đóng băng kéo dài hơn. Lực bám dính của tinh thể băng cũng suy giảm mạnh.

1.1. Khái niệm và nguyên lý của hiện tượng không dính ướt

Hiện tượng không dính ướt thể hiện khả năng đẩy chất lỏng của bề mặt rắn. Trạng thái này được xác định bởi góc tiếp xúc của giọt nước. Khi góc tiếp xúc vượt ngưỡng 150 độ, bề mặt chuyển sang trạng thái siêu kỵ nước. Trạng thái Cassie-Baxter mô tả cơ chế tiếp xúc này. Các vi cấu trúc gồ ghề giữ lại túi khí nhỏ bên trong. Túi khí hoạt động như lớp đệm ngăn cản nước thấm sâu. Diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa pha lỏng và pha rắn giảm mạnh. Giọt nước thu mình thành khối cầu tròn trịa. Nước dễ dàng lăn đi khi mặt nghiêng chỉ vài độ. Hiện tượng này ngăn chặn nước đọng lại thành màng mỏng liên tục.

1.2. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên

Đề tài luận văn của tác giả Đặng Minh Hùng được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. Công trình do Tiến sĩ Nguyễn Thanh Bình trực tiếp hướng dẫn khoa học. Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề đóng băng trên vật liệu đế sắt. Kim loại sắt có độ bền cơ học cao nhưng rất dễ bám tuyết và gỉ sét. Tác giả đã lựa chọn hướng tiếp cận chế tạo lớp phủ chức năng hóa vi mô. Bề mặt sắt sau xử lý đạt trạng thái không dính ướt vượt trội. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị cho ngành vật lý chất rắn. Đây là giải pháp hữu ích nhằm bảo vệ thiết bị ngoài trời.

II. Phân tích hiện tượng đóng băng tuyết trên bề mặt sắt

Hiện tượng đóng băng trên bề mặt sắt diễn ra qua các giai đoạn nhiệt động học phức tạp. Khi nước lỏng tiếp xúc với nền sắt lạnh, sự truyền nhiệt diễn ra rất nhanh. Kim loại sắt có hệ số dẫn nhiệt cao. Nhiệt lượng từ giọt nước nhanh chóng bị truyền vào khối kim loại. Khi nhiệt độ hạ xuống dưới điểm đóng băng, quá trình tạo mầm tinh thể bắt đầu. Sự tạo mầm không đồng nhất chiếm ưu thế tuyệt đối trong tự nhiên. Ranh giới tiếp xúc giữa giọt nước và mặt sắt cung cấp vị trí thuận lợi cho mầm băng hình thành. Năng lượng hoạt hóa tạo mầm tại bề mặt tiếp xúc thấp hơn nhiều so với trong lòng chất lỏng. Sau khi mầm băng xuất hiện, tinh thể băng phát triển và lan rộng dọc theo ranh giới pha. Lực dính bám giữa băng và mặt sắt tăng vọt khi tinh thể thâm nhập sâu vào các khuyết tật tế vi. Lớp băng trở nên cực kỳ bền chắc và khó loại bỏ. Các phương pháp cơ học truyền thống thường làm trầy xước kim loại và tiêu tốn nhiều năng lượng.

2.1. Cơ chế tạo mầm tinh thể và sự truyền nhiệt trên nền sắt

Quá trình đóng băng luôn khởi đầu bằng giai đoạn tạo mầm tinh thể. Tạo mầm đồng nhất đòi hỏi độ quá lạnh rất lớn, thường tới âm 40 độ C. Ngược lại, tạo mầm không đồng nhất diễn ra dễ dàng trên bề mặt kim loại ở khoảng 0 độ C. Đế sắt đóng vai trò như hạt nhân ngoại lai thúc đẩy kết tinh. Khi giọt nước tiếp xúc với sắt phẳng, diện tích tiếp xúc lớn khiến nhiệt độ giảm nhanh. Các phân tử nước sắp xếp lại theo trật tự mạng tinh thể bền vững. Rào cản năng lượng tự do giảm xuống đáng kể. Tốc độ hóa rắn diễn ra theo cấp số nhân. Sự hiểu biết về cơ chế này cho thấy việc giảm diện tích tiếp xúc thực tế là mấu chốt để trì hoãn quá trình đông đặc.

2.2. Hạn chế của các phương pháp phá băng truyền thống

Các giải pháp chống băng truyền thống được chia thành hai nhóm chính là chủ động và gián tiếp. Phương pháp chủ động sử dụng nhiệt điện để làm tan băng hoặc dùng tác động cơ học để gọt bỏ. Giải pháp nhiệt đòi hỏi nguồn cung cấp năng lượng khổng lồ. Việc dùng dao cạo hoặc rung lắc cơ học dễ gây biến dạng bề mặt và mỏi kim loại. Mặt khác, hóa chất phá băng như muối và glycol gây ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước nghiêm trọng. Các hóa chất này cũng kích thích quá trình ăn mòn kim loại sắt diễn ra nhanh hơn. Chi phí vận hành và bảo trì định kỳ cho các hệ thống này rất tốn kém. Do đó, xu hướng công nghệ đã chuyển sang các giải pháp thụ động bền vững.

III. Phương pháp chế tạo bề mặt chống băng tuyết không dính ướt

Quy trình chế tạo bề mặt chống băng tuyết không dính ướt trên đế sắt bao gồm hai giai đoạn cốt lõi. Giai đoạn thứ nhất là tạo nhám cấu trúc vi mô và nano. Bề mặt sắt được xử lý bằng phương pháp khắc hóa học hoặc lắng đọng điện hóa. Các hạt vi mô hình thành xen kẽ tạo nên độ gồ ghề phân cấp. Độ nhám này mô phỏng hình thái tự nhiên của lá sen. Giai đoạn thứ hai là biến tính hóa học bề mặt nhằm hạ thấp năng lượng tự do. Màng tự lắp ráp phân tử hoặc hợp chất chứa fluor và silane thường được sử dụng. Các phân tử này liên kết hóa học bền vững với nguyên tử sắt. Lớp phủ kỵ nước hình thành ngăn nước thẩm thấu vào rãnh nhám. Kết quả thực nghiệm cho thấy góc tiếp xúc của giọt nước đạt trên 150 độ. Góc trượt giảm xuống dưới 5 độ. Khi nước tiếp xúc với bề mặt trong môi trường âm sâu, thời gian đóng băng kéo dài gấp 3 đến 5 lần so với sắt chưa xử lý.

3.1. Kỹ thuật tạo cấu trúc vi mô phân cấp trên đế sắt

Để đạt trạng thái siêu kỵ nước, bề mặt sắt phải sở hữu cấu trúc nhám hai cấp độ micro và nano. Quá trình tiền xử lý bắt đầu bằng việc mài cơ học và tẩy rửa siêu âm để loại bỏ tạp chất. Tiếp theo, dung dịch ăn mòn hóa học thích hợp được quét lên bề mặt. Phản ứng hòa tan chọn lọc tạo ra vô số hốc rỗng và gờ nổi tế vi. Ngoài ra, kỹ thuật phủ sol-gel hoặc lắng đọng điện hóa cũng được áp dụng linh hoạt. Các cụm tinh thể hình kim hoặc san hô phát triển đồng đều trên nền kim loại. Cấu trúc xốp này giữ vai trò bẫy không khí để hình thành đệm khí Cassie-Baxter. Độ ổn định cơ học của lớp vi cấu trúc quyết định tuổi thọ của lớp phủ chống băng.

3.2. Chức năng hóa hóa học giảm năng lượng bề mặt

Sau khi định hình vi cấu trúc, bề mặt cần được hạ thấp năng lượng tự do để đạt tính không dính ướt. Sắt nguyên bản có tính ưa nước do mật độ nhóm hydroxyl tự do cao. Các hợp chất silane hữu cơ hoặc chuỗi fluorocarbon được đưa vào phản ứng biến tính. Phân tử chất phủ thẩm thấu và tự gắn kết hóa học lên các mầm nhám. Đuôi kỵ nước chứa các nhóm methyl hoặc trifluoromethyl quay ra ngoài môi trường. Lớp màng mỏng phân tử này tạo thành lá chắn chống ẩm tuyệt hảo. Năng lượng bề mặt giảm mạnh xuống dưới 20 mN/m. Giọt nước rơi xuống bị co cụm tức thì và dễ dàng lăn đi trước khi đông đá.

IV. Kết luận và ứng dụng bề mặt chống băng tuyết trên đế sắt

Nghiên cứu chế tạo bề mặt chống băng tuyết trên đế sắt mở ra hướng đi đầy tiềm năng cho khoa học vật liệu ứng dụng. Giải pháp này giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào hóa chất rã băng độc hại và thiết bị nhiệt tiêu tốn điện năng. Bề mặt sau khi tối ưu hóa thể hiện ba đặc tính vượt trội: ngăn ngừa đọng nước, kéo dài thời gian tạo mầm tinh thể và giảm lực dính kết của băng. Khả năng tự làm sạch của bề mặt cũng hạn chế bụi bẩn bám dính ngoài trời. Trong các ứng dụng dân dụng và công nghiệp, sắt và hợp kim thép là thành phần kết cấu chịu lực chính. Việc áp dụng lớp phủ không dính ướt giúp bảo vệ an toàn cho đường dây tải điện cao thế, tháp viễn thông, tuabin gió và vỏ tàu biển di chuyển qua vùng cực. Độ bền mài mòn cơ học và khả năng duy trì tính kỵ nước lâu dài đang là trọng tâm nghiên cứu tiếp theo. Các thử nghiệm phơi mẫu ngoài trời khẳng định giá trị thực tiễn to lớn của đề tài.

4.1. Khả năng ứng dụng bảo vệ kết cấu hạ tầng công nghiệp

Hạ tầng kỹ thuật tại vùng ôn đới và vùng núi cao thường xuyên đối mặt với sự cố do băng tuyết. Đường dây truyền tải điện dễ bị võng đứt khi trọng tải băng đóng quá mức. Cột ăng-ten phát sóng và tháp điện gió giảm hiệu suất hoạt động khi bề mặt kim loại bị băng bao phủ. Bề mặt sắt biến tính không dính ướt ngăn nước đóng thành mảng dày. Gió tự nhiên có thể dễ dàng thổi bay các mảnh băng mỏng mới kết tinh. Điều này giảm thiểu nguy cơ tai nạn sập đổ kết cấu. Ngành vận tải đường sắt và đóng tàu biển cũng hưởng lợi lớn từ vật liệu này. Tuổi thọ kim loại được gia tăng nhờ khả năng chống gỉ sét kết hợp đồng thời.

4.2. Triển vọng hoàn thiện và phát triển vật liệu bền vững

Mặc dù đạt nhiều kết quả tích cực trong phòng thí nghiệm, công nghệ vẫn cần hoàn thiện để thương mại hóa quy mô lớn. Thách thức hàng đầu là duy trì độ bền cơ học của lớp phủ vi mô khi chịu va đập hoặc cọ xát mạnh. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào kỹ thuật tự phục hồi cấu trúc kỵ nước. Bên cạnh đó, các hợp chất hữu cơ thân thiện môi trường đang được ưu tiên để thay thế hợp chất gốc fluor. Chi phí chế tạo cũng cần được hạ thấp thông qua việc cải tiến quy trình công nghệ. Sự kết hợp giữa Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên và các cơ sở sản xuất sẽ đẩy nhanh tốc độ ứng dụng sản phẩm vào thực tế đời sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng đóng băng bề mặt trên các hạ tầng kỹ thuật ngoài trời gây ra những hiểm họa nghiêm trọng đối với an toàn vận hành và kinh tế xã hội. Tại các khu vực miền núi và vùng khí hậu khắc nghiệt, lớp băng tuyết tích tụ có thể làm gia tăng tải trọng cơ học từ 20% đến 45%, dẫn đến đứt gãy đường dây tải điện, đổ sập tháp viễn thông và làm tê liệt thiết bị cơ khí. Kim loại sắt và các hợp kim gốc sắt hiện chiếm hơn 70% tổng khối lượng vật liệu chế tạo kết cấu công nghiệp, nhưng bản chất bề mặt sắt thông thường lại có tính ưa nước, khiến nước ngưng tụ dễ dàng bám dính và chuyển pha thành băng rắn. Các giải pháp làm tan băng chủ động truyền thống như sử dụng nhiệt điện trở hay hóa chất phá băng đòi hỏi chi phí năng lượng rất cao và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Trước thực trạng đó, việc phát triển giải pháp chống đóng băng thụ động dựa trên công nghệ biến tính bề mặt vật liệu đóng vai trò đặc biệt cấp thiết. Đề tài luận văn thạc sĩ vật lý chuyên ngành Vật lý chất rắn (mã số 8440104) được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên trong giai đoạn từ năm 2021 đến năm 2023 tập trung vào mục tiêu: Chế tạo thành công bề mặt siêu kỵ nước hoàn toàn không dính ướt trên đế sắt nhằm ngăn ngừa sự hình thành băng tuyết. Nghiên cứu xác lập quy trình xử lý hóa - lý đơn giản, kiểm soát góc tiếp xúc của giọt nước đạt mức trên 160 độ và góc trượt dưới 2 độ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình được định lượng thông qua việc cắt giảm độ bền liên kết của băng xuống chỉ còn 205 kPa và kéo dài thời gian hóa rắn của giọt nước lên 122 giây ở nhiệt độ -10 độ C, mở ra hướng đi bền vững cho các thiết bị làm việc ngoài trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của công trình dựa trên sự kết hợp giữa nhiệt động học bề mặt và động học chuyển pha. Phương trình Young thiết lập trạng thái cân bằng năng lượng cơ bản tại đường tiếp xúc ba pha rắn - lỏng - khí: sức căng bề mặt rắn - hơi bằng sức căng bề mặt rắn - lỏng cộng với tích của sức căng bề mặt lỏng - hơi và cosin của góc tiếp xúc nhiệt động. Khi xét đến độ gồ ghề của bề mặt, mô hình Wenzel giả định chất lỏng lấp đầy hoàn toàn các rãnh nhám, làm khuếch đại tính chất dính ướt nguyên bản của vật liệu. Ngược lại, mô hình Cassie-Baxter mô tả trạng thái chất lỏng chỉ nằm trên đỉnh các cấu trúc vi mô và bẫy các túi không khí bên dưới. Sự hiện diện của đệm khí giúp giọt lỏng duy trì dạng hình cầu hoàn hảo, nâng góc tiếp xúc vượt ngưỡng 150 độ và hạ độ trễ góc tiếp xúc xuống dưới 5 độ, tạo điều kiện cho giọt nước lăn tròn tự do.

Quá trình chuyển pha lỏng - rắn của nước được giải thích thông qua lý thuyết tạo mầm tinh thể. Tạo mầm đồng nhất bên trong khối chất lỏng đòi hỏi vượt qua rào cản năng lượng tự do Gibbs rất lớn, khiến nước tinh khiết chỉ đóng băng tự phát ở nhiệt độ thấp tới -40 độ C. Tuy nhiên, khi có mặt bề mặt chất rắn ngoại lai, quá trình tạo mầm không đồng nhất diễn ra ở nhiệt độ khoảng 0 độ C do rào cản năng lượng bị suy giảm nghiêm trọng. Việc biến tính bề mặt sắt đạt trạng thái Cassie-Baxter giúp giảm thiểu tối đa diện tích tiếp xúc thực tế giữa pha lỏng và chất nền rắn, từ đó khôi phục rào cản năng lượng và kìm hãm sự tạo mầm tinh thể băng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu gồm 15 tấm sắt thương phẩm có độ tinh khiết cao với kích thước chuẩn hóa 3 cm x 3 cm x 0,1 cm. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng để đảm bảo tính đại diện và đồng nhất về độ phẳng cơ học ban đầu của phôi sắt trước khi gia công. Lý do lựa chọn phương pháp ăn mòn ướt là khả năng tạo cấu trúc nhám vi mô đồng đều trên diện tích rộng với chi phí thấp mà không cần thiết bị chân không phức tạp. Mẫu sắt được xử lý ăn mòn trong dung dịch hỗn hợp gồm axit clohydric (HCl), dung môi Propanol-2 và nước khử ion theo tỷ lệ thể tích 10:1:20 trong thời gian 30 phút. Tốc độ phản ứng chậm cho phép kiểm soát quá trình tạo mạng lưới sợi nano có chiều cao khoảng 40 nm. Sau đó, mẫu được rửa siêu âm qua nước khử ion 3 lần, mỗi lần 10 phút và thổi khô bằng dòng khí nitơ.

Tiếp theo, phương pháp lắng đọng hơi trong buồng kín được lựa chọn để phủ đơn lớp hợp chất silan hóa 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (FOTS) lên bề mặt đã tạo nhám. Hóa chất FOTS chứa chuỗi fluorocarbon giàu nhóm chức -CF3 phân bố hướng ra ngoài môi trường giúp hạ thấp năng lượng bề mặt xuống mức cực tiểu. Hình thái vi cấu trúc được phân tích định lượng bằng kính hiển vi điện tử quét SEM nhằm kiểm tra sự phân bố của các sợi nano. Thông số dính ướt được đo bằng máy đo góc tiếp xúc Kyowa DM-50 với thể tích giọt nước khử ion 5 µL tại ít nhất 5 vị trí khác nhau để tính giá trị trung bình qua thuật toán tiếp tuyến 3 điểm. Khả năng chống đóng băng được khảo sát bằng mô-đun làm lạnh Peltier ở nhiệt độ -10 độ C kết hợp cảm biến lực dịch chuyển ngang với tốc độ không đổi 50 µm/s và camera tốc độ cao Photron trang bị bộ nhớ 128 GB nhằm ghi lại quá trình đông đặc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm trên 4 trạng thái bề mặt gồm sắt nguyên bản, sắt siêu ưa nước (S.Philic Fe), sắt kỵ nước (Hydrophobic Fe) và sắt siêu kỵ nước (S.Phobic Fe) đã mang lại các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, quy trình kết hợp ăn mòn ướt và phủ silan FOTS đã tạo ra bề mặt sắt siêu kỵ nước đạt góc tiếp xúc lên tới 163 độ và góc trượt chỉ 1 độ. Trong khi đó, mẫu sắt nguyên bản có góc tiếp xúc 82 độ (góc trượt 21 độ), và mẫu sắt chỉ qua ăn mòn ướt nhưng chưa phủ hóa chất (S.Philic Fe) có góc tiếp xúc giảm mạnh xuống còn 9 độ do hiệu ứng mao dẫn trong cấu trúc nhám.

Thứ hai, độ bền liên kết giữa khối băng và bề mặt sắt siêu kỵ nước đạt giá trị thấp kỷ lục là 205 kPa (sai số 15 kPa). Kết quả này tương ứng mức giảm 68,6% so với bề mặt sắt nguyên bản (654 kPa). Đáng chú ý, khi so sánh với mẫu sắt siêu ưa nước có độ bền bám dính lên tới 1916 kPa, bề mặt sắt siêu kỵ nước giúp suy giảm lực bám dính của băng tới 89,3%.

Thứ ba, thời gian trễ hóa rắn của giọt nước ở điều kiện nhiệt độ -10 độ C trên mẫu siêu kỵ nước kéo dài đến 122 giây. So với mẫu sắt nguyên bản có thời gian đóng băng 56 giây, mẫu siêu kỵ nước kéo dài thời gian lỏng thêm 117,8%. Khi so sánh với bề mặt siêu ưa nước vốn chỉ duy trì trạng thái lỏng trong 32 giây, thời gian hóa rắn trên mẫu siêu kỵ nước kéo dài gấp 3,81 lần (tăng 281,25%).

Thứ tư, khảo sát độ bền cơ học qua 15 chu kỳ đóng băng và bóc tách liên tiếp cho thấy lực bám dính của mẫu siêu kỵ nước tăng nhẹ từ 205 kPa lên 270 kPa (tương ứng mức tăng 31,7%). Ngược lại, mẫu sắt nguyên bản duy trì giá trị gần như cố định trong khoảng từ 649 kPa đến 654 kPa.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý dẫn đến sự suy giảm vượt bậc của độ bền liên kết và sự kéo dài thời gian hóa rắn bắt nguồn từ trạng thái Cassie-Baxter ổn định. Dưới góc nhìn nhiệt động học, các túi không khí bị giam giữ bên trong khe rãnh giữa các sợi nano 40 nm đóng vai trò như lớp đệm cách nhiệt hiệu quả, bởi vì không khí có hệ số dẫn nhiệt rất thấp, chỉ khoảng 0,026 W/m.K. Diện tích tiếp xúc thực tế giữa giọt nước và chất nền kim loại bị thu hẹp từ 7,14 mm2 xuống mức cực nhỏ, làm giảm đáng kể tốc độ truyền nhiệt từ bề mặt lạnh sang giọt chất lỏng, từ đó cản trở quá trình hình thành các mầm tinh thể băng ban đầu.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua đồ thị tương quan hồi quy giữa góc tiếp xúc và độ bền liên kết, kết hợp biểu đồ cột so sánh thời gian trễ hóa rắn song song với lực bám dính trên bảng đối chiếu 4 trạng thái bề mặt. Đồ thị cho thấy rõ mối quan hệ nghịch biến: góc tiếp xúc càng lớn thì lực bám dính của băng càng nhỏ và thời gian đóng băng càng kéo dài. Đối với hiện tượng lực bám dính tăng nhẹ sau 15 chu kỳ đo trên mẫu siêu kỵ nước, nguyên nhân được xác định là do sự xâm nhập từng phần của nước vào các vi cấu trúc dưới áp suất chuyển pha, tạo nên hiện tượng băng neo cơ học (ice mechanical interlocking) kết hợp với sự mài mòn vi mô của các phân tử FOTS. So với các công bố quốc tế thực hiện trên nền nhôm hoặc hợp kim titan, giải pháp chế tạo trực tiếp trên đế sắt thể hiện tính khả thi công nghệ vượt trội nhờ nguồn nguyên liệu sẵn có và quy trình hóa học kiểm soát đơn giản.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa công nghệ chế tạo bề mặt chống băng tuyết trên đế sắt vào ứng dụng thực tế, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa quy trình ăn mòn ướt ở quy mô bán công nghiệp. Đơn vị nghiên cứu cần chuẩn hóa tỷ lệ hỗn hợp dung dịch HCl, Propanol-2 và nước khử ion nhằm duy trì kích thước cấu trúc sợi nano ổn định trong khoảng 40 đến 50 nm với độ sai lệch bề mặt dưới 5%, dung sai thời gian xử lý không quá 15 giây. Nhiệm vụ này do Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn chủ trì thực hiện, hoàn thành trong quý 2 năm 2024.

Thứ hai, gia cường độ bền liên kết cơ học của lớp phủ chức năng chống mài mòn. Nhóm nghiên cứu vật liệu phủ nano cần phối trộn các tiền chất fluoro-silan với các hạt nano oxit kim loại gia cường, hướng tới mục tiêu duy trì độ bền bám dính băng dưới ngưỡng 230 kPa sau ít nhất 50 chu kỳ đóng băng và bóc tách. Thời gian thực hiện từ quý 3 năm 2024 đến quý 1 năm 2025.

Thứ ba, triển khai thử nghiệm thực địa trên các kết cấu khung thép và thiết bị truyền tải ngoài trời. Các đơn vị vận hành lưới điện cao thế phối hợp cùng viện nghiên cứu thực hiện phủ thử nghiệm bề mặt chống bám băng trên 20 vị trí cột tháp điện tại khu vực vùng núi cao có hiện tượng sương muối và băng tuyết, đặt mục tiêu cắt giảm từ 70% đến 80% tải trọng băng bám trong mùa đông giai đoạn 2024 - 2025.

Thứ tư, ban hành quy chuẩn kỹ thuật đánh giá vật liệu chống đóng băng thụ động cho ngành luyện kim và chế tạo cơ khí. Cơ quan quản lý tiêu chuẩn đo lường chất lượng cần xây dựng bộ tiêu chí định lượng chuẩn, bao gồm góc tiếp xúc nước lớn hơn 150 độ, góc trượt nhỏ hơn 2 độ và thời gian làm chậm đông đặc tối thiểu 100 giây ở nhiệt độ -10 độ C, hoàn tất ban hành vào cuối năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Công nghệ nano. Luận văn cung cấp tài liệu chuyên sâu về cơ chế chuyển pha nhiệt động học, mô hình thấm ướt Cassie-Baxter và kỹ thuật phân tích ảnh SEM kết hợp thuật toán đo góc tiếp xúc ba pha.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư vận hành hệ thống lưới điện quốc gia và trạm biến áp ngoài trời. Tài liệu giúp các kỹ sư hiểu rõ cơ chế bám dính của băng tuyết lên kim loại sắt thép, từ đó lựa chọn giải pháp phủ bề mặt thụ động để bảo vệ đường dây và trụ tháp trước nguy cơ quá tải cơ học.

Nhóm thứ ba là các kỹ sư thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, dàn lạnh điều hòa không khí và kho đông lạnh công nghiệp. Việc ứng dụng bề mặt siêu kỵ nước trên các lá tản nhiệt bằng sắt giúp ngăn ngừa đóng sương giá, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt thêm 15% đến 20% và tiết kiệm năng lượng rã đông định kỳ.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép trong ngành đóng tàu, thiết bị viễn thông và giao thông đường sắt. Dữ liệu thực nghiệm của đề tài là căn cứ kỹ thuật để triển khai các lớp phủ bảo vệ kép: vừa chống ăn mòn hóa học, vừa loại bỏ nguy cơ đóng băng cục bộ trên các chi tiết máy làm việc trong môi trường giá lạnh.

Câu hỏi thường gặp

Bề mặt sắt siêu kỵ nước trong luận văn được chế tạo thông qua những bước công nghệ nào? Bề mặt được tạo ra bằng phương pháp ăn mòn ướt tấm sắt kích thước 3 cm x 3 cm x 0,1 cm trong dung dịch HCl, Propanol-2 và nước khử ion tỷ lệ 10:1:20 suốt 30 phút nhằm tạo cấu trúc sợi nano 40 nm. Sau đó, mẫu được làm sạch và xử lý lắng đọng hơi silan FOTS trong buồng kín để gắn kết nhóm chức -CF3 kỵ nước, giúp góc tiếp xúc đạt 163 độ.

Tại sao bề mặt siêu kỵ nước lại làm chậm thời gian đóng băng từ 32 giây lên tới 122 giây? Hiệu ứng này xuất phát từ lớp đệm không khí bị bẫy trong trạng thái Cassie-Baxter có hệ số dẫn nhiệt chỉ 0,026 W/m.K. Diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa nước và đế sắt giảm từ 7,14 mm2 xuống mức tối thiểu, làm chậm đáng kể tốc độ trao đổi nhiệt ở -10 độ C và kìm hãm sự tạo mầm tinh thể không đồng nhất.

Mức độ cắt giảm lực bám dính của băng trên mẫu siêu kỵ nước đạt tỷ lệ bao nhiêu phần trăm? Lực bám dính của băng trên bề mặt sắt siêu kỵ nước giảm xuống chỉ còn 205 kPa, tương ứng mức giảm 68,6% so với bề mặt sắt nguyên bản (654 kPa). Đặc biệt, khi so sánh với mẫu sắt siêu ưa nước có lực bám dính 1916 kPa, mức độ suy giảm lực bám dính đạt tới 89,3%.

Nguyên nhân nào khiến độ bền liên kết tăng từ 205 kPa lên 270 kPa sau 15 chu kỳ đo lặp lại? Hiện tượng gia tăng 31,7% lực bám dính xảy ra do nước bị nén cơ học len lỏi sâu vào các khe rãnh nano trong quá trình đóng băng nhiều lần, tạo thành các điểm neo cơ học. Đồng thời, lực cọ xát trong các lần bóc tách bằng cảm biến lực làm mài mòn một phần lớp màng hữu cơ FOTS trên đỉnh cấu trúc.

Bề mặt chống dính ướt thụ động có thể thay thế hoàn toàn hệ thống làm tan băng nhiệt điện không? Bề mặt siêu kỵ nước là giải pháp bổ trợ thụ động giúp làm chậm quá trình đóng băng và hạ thấp lực liên kết để băng tự bong tróc dưới tác động của gió tự nhiên. Khi tích hợp cùng hệ thống gia nhiệt chủ động, công nghệ này giúp cắt giảm từ 50% đến 70% điện năng tiêu thụ cần thiết để làm tan băng hoàn toàn.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học đặt ra với 5 kết quả nổi bật:

• Chế tạo thành công bề mặt siêu kỵ nước hoàn toàn không dính ướt trên đế sắt với góc tiếp xúc 163 độ và góc trượt 1 độ.
• Hạ thấp độ bền liên kết giữa băng và bề mặt sắt xuống 205 kPa, giảm 68,6% so với sắt nguyên bản và giảm 89,3% so với sắt siêu ưa nước.
• Kéo dài thời gian trễ hóa rắn của giọt nước ở -10 độ C lên 122 giây, cao gấp 3,81 lần so với bề mặt siêu ưa nước.
• Làm sáng tỏ cơ chế truyền nhiệt qua lớp đệm khí Cassie-Baxter và hiện tượng suy giảm độ bền do băng neo cơ học sau 15 chu kỳ bóc tách.
• Đề xuất quy trình công nghệ ăn mòn ướt kết hợp lắng đọng hơi FOTS đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã mở ra hướng tiếp cận thực nghiệm mới trong việc kiểm soát trạng thái thấm ướt trên vật liệu sắt thông dụng nhằm kháng băng tuyết thụ động. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2024 - 2025 sẽ tập trung nâng cao khả năng chống mài mòn của lớp phủ nano và chế tạo thử nghiệm trên quy mô công nghiệp. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp luyện kim và đơn vị vận hành hạ tầng kỹ thuật hãy cùng hợp tác đầu tư để nhanh chóng chuyển giao và ứng dụng công nghệ này vào đời sống sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Functional surfaces (bề mặt chức năng hóa) là khái niệm để chỉ các bề mặt đƣợc xử lý để mô phỏng hình thái từ thiên nhiên định hƣớng cho các ứng dụng cụ thể. Các nghiên cứu khai mở và tối ƣu hóa đƣợc tập trung nghiên cứu và thu đƣợc những thành tựu nhờ sự phát triển của các công nghệ chế tạo. Có thể kể đến các bề mặt đƣợc xử lý định hƣớng cho chống băng tuyết, chống bám bẩn sinh học (anti-bioflouling), thu thập nƣớc từ sƣơng mù (dew harvesting). Nghiên cứu này tập trung vào việc hoàn thiện quy trình chế tạo bề mặt chức năng hóa nhằm phòng chống băng tuyết chế tạo trên Sắt.

Đây là một hƣớng nghiên cứu định hƣớng ứng dụng cao, đã đƣợc nhóm nghiên cứu của chúng tôi tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây vì tính thời sự. Ở Việt Nam, hiện tƣợng băng tuyết ngày càng trở nên phổ biến, gây nhiều trở ngại cho sinh hoạt và sản xuất. Trong đó, nhóm nghiên cứu của chúng tôi sẽ tập trung vào phƣơng pháp gián tiếp trong phòng thí nghiệm, chế tạo bề mặt chống băng tuyết theo hƣớng tiếp cận không dính ƣớt. Trong luận văn này chúng tôi sẽ: Nghiên cứu, chế tạo bề mặt không dính ƣớt trên bề mặt Sắt, Khảo sát khả năng chống băng tuyết của bề mặt không dính ƣớt với các thông số nhƣ độ bền liên kết, khả năng kháng băng tuyết, độ bền mẫu.

Trong những phƣơng pháp đƣợc chờ đợi nhất trong phòng chống băng tuyết chủ động đó là hạn chế sự chuyển pha lỏng - rắn của chất lỏng trên bề mặt vật dụng, cách tiếp cận không dính ƣớt (superhydrophobic) đƣợc xem là lựa chọn giải pháp hữu ích và có cơ sở khoa học vì thúc đẩy một hình thái linh động của chất lỏng trên bề mặt để hạn chế quá trình trao đổi nhiệt lƣợng, nghĩa là kìm hãm sự hình thành các nhân chuyển pha [1]. 1 Từ việc tiếp cận các phƣơng pháp chống băng tuyết chủ động và tìm hiểu cơ chế của các bề mặt không dính ƣớt trong tự nhiên, trong luận văn này tôi sẽ tiến hành chế tạo các bề mặt mô phỏng trên bề mặt Sắt và đánh giá hiệu quả chống băng tuyết với các tiêu chí đó là độ bền liên kết (adhesion strength), thời gian hóa rắn (ice reppellency), cũng nhƣ khảo sát độ bền cơ học của bề mặt chế tạo (durability). Các kết quả nghiên cứu đề xuất một cách tiếp cận nhanh chóng, hiệu quả chức năng hóa bề mặt vật liệu thông dụng cho mục đích chống băng tuyết, định hƣớng ứng dụng cho các thiết bị làm việc ngoài trời. 2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các nghiên cứu về chống băng tuyết thu hút đƣợc nhiều sự chú ý vì tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của chúng.

Trên cơ sở các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc cũng nhƣ điều kiện thí nghiệm hiện có, trong nghiên cứu này chúng tôi sẽ trình bày quy trình nhanh chóng, thuận tiện để chế tạo các bề mặt hoàn toàn không dính ƣớt có khả năng chống băng tuyết tốt, trong sự đối sánh với các bề mặt nguyên bản và các hình thái bề mặt khác. Các tiêu chí sẽ đƣợc kiểm nghiệm sao cho mang tính mô phỏng thực tế nhất nhằm đánh giá hiệu năng, độ bền mẫu và khả năng ứng dụng vào thực tế. Tôi tin tƣởng rằng các kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp có ý nghĩa vào lĩnh vực khoa học vật liệu nói riêng và bề mặt chức năng nói riêng, với hy vọng có thể áp dụng trong thực tế trong thời gian ngắn. 3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 1.

Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo thành công bề mặt hoàn toàn không dính ƣớt có khả năng chống băng tuyết.