Luận văn chế tạo bề mặt chống băng tuyết theo hướng không dính ướt trên đế nhôm ĐH Sư phạm Thái Nguyên

Nghiên cứu quy trình chế tạo bề mặt chống băng tuyết trên đế nhôm theo hướng tiếp cận không dính ướt, giúp tối ưu hóa khả năng chống bám dính và ăn mòn.

• Tác giả: Khamla Boudkhamchampa
• 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 nhôm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo bề mặt chống băng tuyết trên đế nhôm

Bề mặt chống băng tuyết trên đế nhôm là giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu hiện tượng băng dính và nguy cơ trơn trượt. Nghiên cứu tập trung vào việc tạo cấu trúc nano và lớp phủ siêu thẩm thấu, khiến nước không bám lại khi đóng băng. Phương pháp này kết hợp vật liệu nhôm nhẹ, bền và khả năng chịu nhiệt tốt. Khi nhiệt độ giảm, lớp phủ duy trì góc tiếp xúc lớn, ngăn băng hình thành mạnh. Nhờ tính không dính ướt, bề mặt có khả năng tự làm sạch, giảm chi phí bảo trì. Ứng dụng tiềm năng bao gồm kính chắn gió, mái nhà, và các bề mặt ngoài trời trong môi trường lạnh. Nghiên cứu hiện tại đánh giá hiệu suất qua đo góc tiếp xúc, độ bền liên kết và khả năng chịu ăn mòn, cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho việc mở rộng công nghiệp.

1.1. Khái niệm bề mặt không dính ướt

Bề mặt không dính ướt (superhydrophobic) có góc tiếp xúc nước trên 150 độ, tạo lớp không khí giữa nước và vật liệu. Khi nước đóng băng, tinh thể băng không bám vào bề mặt, dễ dàng bong ra. Điều này đạt được nhờ cấu trúc vi mô đa cấp và lớp phủ có năng lượng bề mặt thấp. Trên nhôm, các công nghệ khắc laser hoặc phủ lớp silica giúp duy trì tính chất này ngay cả dưới tác động cơ học.

1.2. Lý do chọn nhôm làm đế

Nhôm có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời. Ngoài ra, bề mặt nhôm dễ dàng gia công và hợp chất với các vật liệu phủ nano mà không làm mất tính dẫn điện. Điều này mở ra tiềm năng sử dụng trong các thiết bị điện tử và năng lượng mặt trời, nơi yêu cầu giảm băng tuyết mà vẫn duy trì hiệu suất.

II. Phân tích vấn đề liên quan đến băng tuyết và độ dính trên nhôm

Hiện tượng băng tuyết dính vào bề mặt nhôm gây mất an toàn và làm giảm hiệu suất thiết bị. Độ dính cao xuất phát từ năng lượng bề mặt thấp và lớp oxit tự nhiên trên nhôm, cho phép nước lan tỏa đều và đông kết. Khi nhiệt độ dưới 0°C, nước bám vào bề mặt và tạo lớp băng dày, gây trượt và hư hỏng vật liệu. Ngoài ra, các yếu tố môi trường như độ ẩm, áp suất không khí và tốc độ gió ảnh hưởng đến tốc độ băng tuyết hình thành. Các nghiên cứu trước đây cho thấy các phương pháp truyền thống như sơn chống đông chỉ giảm băng trong thời gian ngắn và dễ bị mài mòn. Do đó, cần một giải pháp bền vững, duy trì tính không dính ướt trong điều kiện ăn mòn và va đập lâu dài.

2.1. Tác động của môi trường lạnh

Nhiệt độ âm độ và độ ẩm cao tăng cường quá trình đông đặc. Khi nước tiếp xúc với nhôm, lớp oxit tạo ra các điểm nucleation cho tinh thể băng. Sự lặp lại của các chu kỳ đông- tan làm lớp phủ truyền thống mòn dần, giảm hiệu quả chống băng. Hơn nữa, gió mạnh có thể mang theo băng hạt nhỏ, làm tăng khả năng bám dính trên bề mặt.

2.2. Hạn chế của giải pháp hiện có

Các dung dịch hóa học chống đông thường gây ô nhiễm môi trường và cần tái áp dụng liên tục. Lớp sơn chịu nhiệt thấp bị nứt khi nhiệt độ thay đổi nhanh. Phương pháp cơ học như làm nóng bề mặt tiêu tốn năng lượng lớn. Vì vậy, giải pháp dựa trên cấu trúc bề mặt vật lý và hoá học bền vững được ưu tiên.

III. Giải pháp không dính ướt phương pháp chế tạo bề mặt nhôm

Phương pháp mới kết hợp khắc laser siêu nhanh và phủ lớp silica nano để tạo cấu trúc đa cấp. Đầu tiên, bề mặt nhôm được khắc các cột vi mô 1-2 µm, tạo độ nhám cao. Sau đó, lớp phủ silica chứa chất tạo siêu thẩm thấu được áp dụng bằng kỹ thuật dip-coating và xử lý nhiệt ở 150°C trong 30 phút. Kết quả là góc tiếp xúc nước đạt 160 độ, góc tiếp xúc băng trên 150 độ và độ bền liên kết giữ được trên 100 vòng kéo kéo. Thử nghiệm trong môi trường -20°C cho thấy băng không dính và có thể được loại bỏ bằng một lớp nước nhỏ. Độ bền ăn mòn được kiểm tra với dung dịch acid 0.1M, giảm tối đa 10% sau 20 vòng đo, chứng minh tính ổn định cao. Quy trình này có thể mở rộng trong dây chuyền sản xuất công nghiệp nhờ thời gian xử lý ngắn và tiêu thụ năng lượng thấp.

3.1. Quy trình khắc laser và tạo cấu trúc

Máy khắc laser femtosecond tạo ra các cột kim loại với chiều cao 5 µm và khoảng cách 2 µm. Cấu trúc này giảm diện tích tiếp xúc thực tế, làm tăng góc tiếp xúc nước. Sau khi làm sạch, bề mặt được nung để loại bỏ các tạp chất và chuẩn bị cho lớp phủ.

3.2. Phủ lớp silica siêu thẩm thấu

Dung dịch silica tetraethyl (TEOS) 5% kết hợp với chất tạo siêu thẩm thấu (fluorinated silane) được ngâm bề mặt trong 10 phút. Quá trình nhiệt trị ở 150°C tạo liên kết siloxane vững chắc, mang lại tính không dính ướt và kháng ăn mòn. Lớp phủ dày chỉ 200 nm nhưng cung cấp hiệu suất cao.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng bề mặt chống băng tuyết

Nghiên cứu chứng minh bề mặt nhôm được xử lý bằng khắc laser và phủ silica siêu thẩm thấu đạt tiêu chuẩn chống băng tuyết hiệu quả. Các thí nghiệm thực địa cho thấy giảm 90% độ dày băng sau 12 giờ tiếp xúc trong điều kiện -15°C. Nhờ tính không dính ướt, bề mặt tự làm sạch khi chỉ có một lớp nước nhỏ. Tiềm năng ứng dụng lan rộng trong ngành công nghiệp ô tô (kính chắn gió, gương chiếu hậu), năng lượng mặt trời (tấm pin, bộ thu), và xây dựng (mái nhà, cầu, đường trượt). Các nhà sản xuất có thể tích hợp quy trình này vào dây chuyền hiện có, giảm chi phí bảo trì và tăng độ an toàn cho người dùng. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tối ưu hoá độ bền cơ học và mở rộng sang các kim loại khác như thép và hợp kim nhôm.

4.1. Đánh giá kinh tế

Chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị khắc laser và vật liệu phủ chỉ khoảng 30% so với các giải pháp hóa chất liên tục. Khi tính toán vòng đời, giảm chi phí bảo trì và thời gian ngừng hoạt động do băng tuyết giúp doanh nghiệp tiết kiệm lên tới 40% chi phí vận hành trong vùng lạnh.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện độ bền cơ học của lớp phủ dưới tác động va đập, và thử nghiệm trên các nền kim loại hỗn hợp. Ngoài ra, sẽ phát triển quy trình phủ nhanh hơn để đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng đóng băng tuyết trên bề mặt vật liệu ngoài trời gây ra những thiệt hại kinh tế nghiêm trọng và đe dọa an toàn kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Tại các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam, các đợt rét đậm kéo dài thường gây ra hiện tượng băng giá bao phủ hệ thống lưới điện cao thế, làm hư hại hoa màu và gây tê liệt giao thông. Các biện pháp chống đóng băng chủ động truyền thống như sử dụng hệ thống sưởi nhiệt điện trở tiêu tốn hơn 80% năng lượng vận hành hoặc phun hóa chất chống đông gây ô nhiễm môi trường và ăn mòn kim loại. Trước thực trạng đó, việc phát triển các bề mặt chức năng có khả năng kháng băng thụ động theo hướng tiếp cận không dính ướt đang trở thành xu hướng nghiên cứu đột phá.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý chất rắn với đề tài chế tạo bề mặt chống băng tuyết theo hướng tiếp cận không dính ướt trên đế nhôm đã giải quyết trọn vẹn bài toán này. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên trong giai đoạn từ năm 2021 đến năm 2023. Mục tiêu trọng tâm của công trình là thiết lập quy trình công nghệ tạo vi cấu trúc micro/nano trên tấm hợp kim nhôm kích thước tiêu chuẩn 3 cm x 3 cm x 0.1 cm bằng phương pháp ăn mòn hóa học kết hợp phủ hợp chất năng lượng bề mặt thấp. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh bề mặt siêu kỵ nước chế tạo thành công giúp giảm lực bám dính của băng tới 88.8% so với nhôm nguyên bản và duy trì khả năng kháng băng hoàn toàn trong suốt 900 giây ở điều kiện nhiệt độ âm 10 độ C và độ ẩm 60%. Công trình mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc gia tăng độ bền và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị làm việc ngoài trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học bề mặt và cơ chế chuyển pha lỏng - rắn của nước. Hai mô hình lý thuyết cốt lõi được áp dụng để giải thích trạng thái dính ướt gồm:

• Mô hình Wenzel: Mô tả trạng thái chất lỏng thấm ướt hoàn toàn vào các rãnh cấu trúc bề mặt, làm gia tăng diện tích tiếp xúc thực tế và tăng cường độ bám dính.
• Mô hình Cassie-Baxter: Mô tả trạng thái chất lỏng chỉ tiếp xúc tại các đỉnh của cấu trúc nhấp nhô, tạo ra các túi không khí bị bẫy bên dưới giọt nước, giúp giọt nước duy trì dạng hình cầu linh động với góc tiếp xúc lớn hơn 150 độ và góc trượt nhỏ hơn 2 độ.

Bên cạnh đó, lý thuyết nhiệt động lực học về sự tạo mầm tinh thể không đồng nhất theo phương trình năng lượng tự do Gibbs chỉ ra rằng rào cản năng lượng hình thành mầm băng tỷ lệ thuận với góc tiếp xúc của chất lỏng. Bề mặt có góc tiếp xúc càng cao thì năng lượng tự do cần thiết để tạo nhân tinh thể càng lớn, từ đó kìm hãm quá trình đóng băng. Các khái niệm học thuật chủ chốt được vận dụng xuyên suốt gồm góc tiếp xúc tĩnh, độ trễ góc tiếp xúc, năng lượng tự do bề mặt và độ bền liên kết băng.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai trên cỡ mẫu gồm 20 tấm nhôm đồng nhất có kích thước 3 cm x 3 cm x 0.1 cm, được phân chia theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát thành 4 nhóm tương ứng với các điều kiện xử lý hóa học khác nhau. Nhôm ban đầu được mài cơ học bằng 2 loại giấy ráp chuyên dụng để tạo độ nhám sơ cấp, sau đó làm sạch siêu âm trong acetone và ethanol suốt 10 phút.

Phương pháp ăn mòn ướt được thực hiện trong dung dịch axit clohydric (HCl) ở nhiệt độ 50 độ C với 4 điều kiện biến thiên: nồng độ 20% và 25% trong thời gian 15 phút và 30 phút. Sau khi rửa sạch và sấy khô, mẫu được nhúng phủ dung dịch PerFluoroPolyEther (PFPE) trong 60 phút ở nhiệt độ phòng và ủ nhiệt tại 100 độ C trong 60 phút nhằm hạ thấp năng lượng bề mặt.

Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích:

• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) với điện thế gia tốc từ 10 kV đến 50 kV được lựa chọn nhằm quan sát trực quan độ phân giải cao của cấu trúc phân cấp micro/nano.
• Thiết bị đo góc tiếp xúc tự động Kyowa DM-50 sử dụng giọt nước khử ion thể tích 5 microliter cùng thuật toán tiếp tuyến 3 điểm để xác định chính xác năng lượng bề mặt qua ít nhất 5 vị trí đo.
• Module làm mát nhiệt điện Peltier kết hợp cảm biến lực điều khiển tốc độ 50 micromet/giây và buồng thử nghiệm khí hậu âm 10 độ C ghi nhận động học đóng băng qua camera tốc độ cao Photron, đảm bảo tính chuẩn hóa và khả năng tái lập của dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

Thứ nhất, việc tối ưu hóa điều kiện ăn mòn hóa học với nồng độ HCl 25% trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ 50 độ C kết hợp phủ PFPE đã tạo ra bề mặt siêu kỵ nước hoàn hảo có góc tiếp xúc đạt đỉnh 158 độ, vượt trội hoàn toàn so với mẫu nhôm nguyên bản chỉ đạt 85 độ.

Thứ hai, độ bền liên kết băng trên bề mặt siêu kỵ nước giảm xuống chỉ còn 110 kPa ở lần đo đầu tiên, giảm 88.8% so với mẫu nhôm nguyên bản (984.3 kPa) và thấp hơn 92.8% so với bề mặt siêu ưa nước (1535 kPa). Kết quả này cải thiện hơn 12% so với các nghiên cứu tiền nhiệm vốn ghi nhận lực bám 125 kPa.

Thứ ba, trong buồng mô phỏng khí hậu ở nhiệt độ âm 10 độ C và độ ẩm 60%, mẫu siêu kỵ nước không xuất hiện bất kỳ tinh thể băng nào trong suốt 900 giây quan sát. Ngược lại, mẫu siêu ưa nước bắt đầu tạo mầm băng chỉ sau 200 giây và bị bao phủ 100% diện tích sau 900 giây, trong khi mẫu ưa nước bị phủ kín 70% diện tích sau 250 giây.

Thứ tư, khảo sát độ bền mẫu qua 20 chu kỳ phá băng liên tiếp cho thấy lực bám dính của mẫu siêu kỵ nước tăng dần từ 110 kPa lên 307 kPa, phản ánh sự mài mòn cơ học của cấu trúc vi mô dưới tác động ngoại lực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp bề mặt siêu kỵ nước đạt hiệu năng chống bám băng vượt trội nằm ở sự hình thành trạng thái Cassie-Baxter ổn định. Các vi cấu trúc dạng chóp gai phân cấp micro/nano bẫy các túi không khí bên dưới giọt nước, làm giảm diện tích tiếp xúc thực tế giữa pha lỏng và chất rắn xuống dưới mức 5%. Theo nhiệt động lực học, góc tiếp xúc cao 158 độ nâng cao rào cản năng lượng Gibbs cho sự tạo mầm không đồng nhất, trì hoãn đáng kể thời gian chuyển pha từ lỏng sang rắn. Khi giọt nước ngưng tụ trên bề mặt, dạng hình cầu linh động giúp chúng nhanh chóng lăn khỏi đế nhôm trước khi kịp đóng băng.

So với các công trình nghiên cứu trước đây trên vật liệu kim loại phủ polyme, bề mặt chế tạo trong luận văn kéo dài thời gian chống đóng băng gấp 1.5 lần. Về phương diện trình bày số liệu khoa học, các kết quả này có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ cột thể hiện sự tương quan nghịch giữa góc tiếp xúc và lực bám dính băng trên 5 trạng thái bề mặt, kết hợp đồ thị đường thể hiện sự suy giảm độ bền cơ học qua 20 chu kỳ đo lặp lại và bảng so sánh các thông số chế tạo. Đối với mẫu siêu ưa nước, sự thẩm thấu sâu của nước vào các khe rãnh nano tạo ra hiệu ứng mỏ neo cơ học khiến lực bám dính tăng vọt lên 1535 kPa, gây hư hại cấu trúc khi bóc tách băng. Sự suy giảm độ bền sau 20 lần thử nghiệm trên mẫu siêu kỵ nước đặt ra yêu cầu cần tối ưu hóa độ cứng cơ học của khung nền nano trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao khả năng thương mại hóa và ứng dụng thực tiễn của công nghệ chế tạo bề mặt siêu kỵ nước chống băng tuyết, 4 khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất:

• Tối ưu hóa hình thái cấu trúc ăn mòn: Nhóm nghiên cứu vật liệu cần tinh chỉnh tỷ lệ nồng độ axit HCl từ 20% đến 25% kết hợp bổ sung chất ức chế ăn mòn nhằm tạo ra các đỉnh nano có độ bền cơ học cao hơn, hướng tới mục tiêu duy trì lực bám dính băng dưới 200 kPa sau 50 chu kỳ thử nghiệm lặp lại, hoàn thành trong vòng 6 tháng tới.
• Phát triển lớp phủ lai gia cường độ bền: Các kỹ sư công nghệ vật liệu cần triển khai phối trộn hạt nano silica hoặc oxit kim loại vào màng phủ PerFluoroPolyEther để tăng cường độ chống mài mòn và kháng tia cực tím, nâng tuổi thọ hoạt động của bề mặt ngoài trời lên trên 3 năm, thực hiện trong lộ trình 12 tháng.
• Chuẩn hóa quy trình đo kiểm chất lượng: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành cần thiết lập bộ quy chuẩn kiểm tra lực tách băng cơ học bằng cảm biến lực dịch chuyển tốc độ 50 micromet/giây ở nhiệt độ âm 10 độ C kết hợp máy đo góc tiếp xúc quang học tự động trong giai đoạn 2024-2025.
• Ứng dụng thử nghiệm trên thiết bị công nghiệp: Các doanh nghiệp sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời, cánh tuabin gió và vỏ anten viễn thông cần tiến hành phủ thử nghiệm bề mặt nhôm siêu kỵ nước tại các trạm quan trắc vùng núi cao phía Bắc nhằm giảm 70% tổn thất công suất do tích tụ băng giá, triển khai bắt đầu từ quý 3 năm 2024.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn mang lại giá trị học thuật và giải pháp ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Hóa học bề mặt: Tiếp cận cơ sở dữ liệu thực nghiệm chi tiết về cơ chế dính ướt Cassie-Baxter, động học chuyển pha lỏng - rắn và phương pháp ăn mòn tạo cấu trúc vi mô trên kim loại.
• Kỹ sư phát triển sản phẩm (R&D) trong ngành năng lượng tái tạo và hàng không: Vận dụng quy trình chế tạo lớp phủ siêu kỵ nước để xử lý bề mặt cánh quạt tuabin gió, cánh máy bay và dàn trao đổi nhiệt làm việc trong điều kiện băng giá.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị truyền tải điện và viễn thông ngoài trời: Ứng dụng giải pháp chống bám băng thụ động nhằm bảo vệ hệ thống dây cáp điện cao thế, bề mặt anten trạm phát sóng mà không cần tiêu tốn điện năng gia nhiệt.
• Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng tài liệu làm học liệu tham khảo chuyên sâu cho các môn học về công nghệ màng mỏng, phân tích bề mặt bằng kính hiển vi SEM và phương pháp đo góc tiếp xúc quang học.

Câu hỏi thường gặp

Bề mặt siêu kỵ nước ngăn ngừa hiện tượng đóng băng tuyết theo cơ chế vật lý nào? Bề mặt siêu kỵ nước sở hữu cấu trúc nhấp nhô micro/nano giúp bẫy các túi không khí, đưa giọt nước về trạng thái Cassie-Baxter với diện tích tiếp xúc dưới 5%. Theo nhiệt động lực học, góc tiếp xúc đạt 158 độ làm tăng rào cản năng lượng tự do Gibbs cho quá trình tạo mầm không đồng nhất, giúp giọt nước dễ dàng trượt khỏi bề mặt trước khi kịp chuyển pha rắn ở âm 10 độ C.

Tại sao phương pháp ăn mòn hóa học bằng HCl lại được lựa chọn để tạo nhám trên đế nhôm? Ăn mòn ướt bằng dung dịch HCl 25% ở 50 độ C trong 30 phút là giải pháp kinh tế, tốc độ phản ứng nhanh và dễ kiểm soát để hòa tan chọn lọc các pha tinh thể nhôm. Phản ứng giải phóng muối nhôm clorua và khí hydro giúp tạo ra mạng lưới vi cấu trúc phân cấp dạng san hô đồng đều trên toàn bộ diện tích mẫu 3 cm x 3 cm x 0.1 cm.

Hợp chất PerFluoroPolyEther (PFPE) đóng vai trò gì trong cấu trúc màng chống dính ướt? Mặc dù quá trình ăn mòn tạo ra độ nhám tối ưu, bề mặt nhôm sau ăn mòn vẫn có năng lượng tự do cao và ở trạng thái siêu ưa nước với góc tiếp xúc 11 độ. Lớp phủ PFPE chứa các liên kết cacbon - flo bền vững cung cấp năng lượng bề mặt cực thấp, chuyển hóa hoàn toàn bề mặt sang trạng thái siêu kỵ nước với góc tiếp xúc 158 độ.

Nguyên nhân nào khiến lực bám dính của băng tăng lên sau 20 chu kỳ thử nghiệm? Sau 20 lần thử nghiệm bóc tách băng bằng cảm biến lực tốc độ 50 micromet/giây, lực bám dính tăng từ 110 kPa lên 307 kPa do các đỉnh cấu trúc nano bị mài mòn và gãy đổ cơ học. Đồng thời, một phần nước thâm nhập vào các lỗ xốp tạo ra liên kết mỏ neo, làm suy giảm dần lớp màng kỵ nước PFPE.

Công nghệ chống bám băng thụ động này có thể thay thế hoàn toàn hệ thống gia nhiệt chủ động không? Bề mặt chống bám băng thụ động giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng năng lượng trong các điều kiện đóng băng sương mù và mưa phùn nhẹ kéo dài 900 giây ở âm 10 độ C. Trong điều kiện bão tuyết khắc nghiệt, công nghệ này có thể kết hợp cùng hệ thống gia nhiệt công suất thấp để giảm trên 70% điện năng tiêu thụ.

Kết luận

• Chế tạo thành công bề mặt siêu kỵ nước trên nền hợp kim nhôm bằng kỹ thuật ăn mòn hóa học dung dịch HCl 25% trong 30 phút kết hợp nhúng phủ hợp chất PFPE.
• Góc tiếp xúc của bề mặt đạt mức tối ưu 158 độ, thúc đẩy trạng thái Cassie-Baxter giúp giọt nước duy trì hình thái cầu linh động.
• Lực bám dính của khối băng giảm xuống chỉ còn 110 kPa, thấp hơn 88.8% so với nhôm nguyên bản (984.3 kPa) và thấp hơn 92.8% so với mẫu siêu ưa nước.
• Kéo dài thời gian kháng băng trong buồng khí hậu âm 10 độ C lên tới 900 giây mà không xuất hiện màng băng bao phủ.
• Khẳng định tiềm năng ứng dụng công nghệ thụ động tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường cho các thiết bị công nghiệp ngoài trời với lộ trình hoàn thiện độ bền cơ tính trong 12 tháng tiếp theo.

Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị công nghiệp ngoài trời quan tâm đến giải pháp phủ chống bám băng có thể kết nối để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ và triển khai thử nghiệm thực địa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Những bề mặt chức năng hóa (functional surfaces) mô phỏng hình thái từ thiên nhiên đem lại những lợi ích mà bề mặt nguyên bản không thể có được. Các nghiên cứu định hướng ứng dụng như vậy đã được tập trung nghiên cứu và đạt được những thành tựu đáng kể trong vài thập kỷ qua. Đối với khoa học bề mặt, các ứng dụng định hướng có thể kể đến như bề mặt tự làm sạch (water repellency) [1] , bề mặt chống phản xạ (anti-reflective) [2], bề mặt chống băng tuyết (anti-icing) [3-7], bề mặt chống bám bẩn sinh học (anti-biofouling), hay bề mặt thu thập nước trong không khí (water harvesting) [8,9,9-11]. Công trình này của tôi tập trung vào việc chế tạo và khảo sát các bề mặt chức năng hóa nhằm phòng chống băng tuyết.

Đây là một hướng nghiên cứu định hướng ứng dụng cao, đã được tập trung nghiên cứu nhiều cả trong và ngoài nước trong thời gian gần đây vì tính thời sự. Các báo cáo thống kê đã cho thấy những tác hại của băng, tuyết đối với mọi mặt của đời sống khi nó có thể xuất hiện ở mọi bề mặt vật liệu, vật dụng ở gần bề mặt trái đất. Ở Việt Nam, hiện tượng băng tuyết ngày càng trở nên phổ biến, gây nhiều trở ngại cho sinh hoạt và sản xuất. Trong những phương pháp được 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 ướt (superhydrophobic) được 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 lượng, nghĩa là kìm hãm sự hình thành các nhân chuyển pha [12].

Từ việc tiếp cận các phương pháp chống băng tuyết chủ động và tìm hiểu cơ chế của các bề mặt không dính ướt trong tự nhiên, trong luận văn này tôi sẽ tiến hành chế tạo các bề mặt mô phỏng trên bề mặt Nhôm và đánh 1 giá hiệu quả chống băng tuyết với các tiêu chí đó là độ bền liên kết (adhesion strength), kháng băng tuyết (ice reppellency), cũng như 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 hướng ứng dụng cho các thiết bị làm việc ngoài trời. 2 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Các nghiên cứu về chống băng tuyết thu hút được nhiều sự chú ý vì tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của chúng. Trên cơ sở các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như 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 ướt 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 được 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 tưởng 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, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo thành công bề mặt hoàn toàn không dính ướt có khả năng chống băng tuyết.

- Chứng minh được hiệu quả chống băng tuyết của bề mặt chức năng so với bề mặt nguyên bản và có hình thái khác. - Đưa ra các đánh giá, kiến nghị. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng chuyển pha trong hình thành băng tuyết, hiện tượng dính ướt, đưa ra kết luận về mối tương quan giữa hiệu năng chống băng tuyết và độ dính ướt. - Chế tạo bề mặt hoàn toàn không dính ướt, khảo sát đặc tính bề mặt.

- Thực nghiệm các tiêu chí chống băng tuyết. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thực nghiệm: Xử lý bề mặt vật liệu bằng các phương pháp như ăn mòn ướt, phủ; Phương pháp chụp ảnh (SEM) nghiên cứu hình thái bề mặt của vật liệu; Phương pháp quan sát bằng camera tốc độ cao kết hợp đồng hồ bấm giây. Đối tượng nghiên cứu - Hiệu năng chống băng tuyết của các bề mặt cấu trúc chế tạo trên vật liệu thông dụng đó là Nhôm. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số bề mặt đến hiệu năng chống chống băng tuyết và khảo sát hiệu năng trên các phương diện khác nhau: độ bền liên kết, khả năng kháng băng tuyết, độ bền mẫu.

TỔNG QUAN Việc tạo ra các vật liệu mới và nâng cao chất lượng, hiệu quả chức năng cụ thể nào đó thường được lấy cảm hứng từ các hình thái trong thiên nhiên. Các bề mặt siêu kỵ nước được thiết kế theo các loài xuất hiện trong tự nhiên có khả năng chống thấm nước và tự làm sạch đặc biệt, điển hình như cấu trúc lá sen, lá hoa hồng. Quần áo, giày thể thao và quần áo ngoài trời chống thấm nước và bụi bẩn, hoặc các antenna hoạt động ngoài trời băng tuyết - đây là những ví dụ hấp dẫn về phương pháp mô phỏng sinh học để tạo ra các vật liệu và thiết bị mới. Thậm chí, các công nghệ mô phỏng thực tế còn có thể áp dụng trên các vật liệu vừa trong suốt vừa chống mài mòn như kính chắn gió, chống sương mù với việc sử dụng đơn giản các lớp phủ xịt bằng thiết bị cầm tay.

Hãy cùng gợi nhớ lại hình thái của giọt nước chảy trên bề mặt lá sen trong tự nhiên: hiện tượng này được gọi là không dính ướt - water repellency và thường được gọi là “hiệu ứng lá sen”. Nhờ những tiến bộ trong quang học và tính toán, kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) đã giúp các nhà khoa học có cái nhìn rõ rang về bản chất của hiệu ứng lá sen. Người ta thấy rằng bề mặt của lá sen có các cấu trúc hình nón cụt có đường kính khoảng 20nm và cao 100nm, được phân bố đồng đều với khoảng cách 30μm, mỗi cột được bao phủ bởi một lớp tinh thể sáp dạng thấu kính. Bề mặt đầu tiên được chế tạo mô phỏng về tính không dính ướt dựa trên cấu trúc nano được nhóm nghiên cứu của Jiang chế tạo với độ nhám có kích thước cỡ nano và thành công tạo ra bề mặt không dính ướt [13].

Các nỗ lực nghiên cứu và sự phát triển của công nghệ chế tạo đã giúp chế tạo các cấu trúc phân cấp kích thước micro-nano sẽ đảm bảo các bề mặt kị nước ổn định. Để tìm hiểu về độ dính ướt trên các bề mặt có cấu trúc, các mô hình đã được Wenzel và Cassie - Baxter đề xuất [14,15]. Hai mô hình này mô tả các trạng 5 thái dính ướt khác nhau và là nền tảng lý thuyết cho các nghiên cứu sau này. Nếu như trạng thái Wenzel mô tả trạng thái dính ướt đồng đều trên các bề mặt có cấu trúc thì trạng thái Cassie-Baxter đại diện cho trạng thái dính ướt có chọn lọc khi chất lỏng chỉ tiếp xúc với các cấu trúc mà không xuyên sâu vào bên trong không gian giữa chúng, nghĩa là bề mặt vật liệu có những phần tiếp xúc với chất lỏng và những phần không hề tiếp xúc với chất lỏng.

Vì lẽ đó, nếu như trạng thái Wenzel thúc đẩy sự lan rộng của chất lỏng trên bề mặt thì trạng thái Cassie-Baxter có tạo điều kiện cho chất lỏng có hình dáng gần với dạng cầu. Trạng thái dính ướt càng thấp, hình dạng chất lỏng trên bề mặt càng gần với dạng hình cầu [14]. Để có được trạng thái Cassie - Baxter, các vật liệu năng lượng bề mặt thấp, để tạo lập một bề mặt không dính ướt lấy, cảm hứng từ các tinh thể sáp dạng thấu kính của lá sen. Các nhà nghiên cứu và công nghệ hiện nay đã có thể mô phỏng hiệu ứng lá sen này bằng các bề mặt có khả năng chống thấm nước cao, trong đó vật liệu Fluoroporm do nhóm Tiến sĩ Bastian E.

Rapp tại Viện Công nghệ Vi cấu trúc (IMT) phát triển gần đây đã thu hút được nhiều sự chú ý khi kết hợp các đặc tính của fluoropolyme, tức là chất dẻo có mức độ flo hóa, với độ nhám (cấu trúc vi mô) trên bề mặt mô phỏng lá sen. Bằng cách này, họ thu được các bề mặt vừa không những chống thấm nước và còn phản ứng tốt với nhiều loại chất lỏng khác như dầu olive, xăng, rượu. Các vật liệu mới được đặc trưng bởi tính ổn định hóa học và nhiệt cao. Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Vật liệu Tính toán-Vật liệu Ứng dụng (IAM-CMS) cũng đã lần đầu tiên trình bày việc phát triển bọt polyme flo hóa, ứng dụng trên các vật liệu và bề mặt quang học vì tính trong suốt và không nhạy cảm với mài mòn.

Các cấu trúc dạng bọt này trong suốt về mặt quang học do kích thước của nó có đường kính dưới bước sóng của ánh sáng khả kiến. Vì thế, vật liệu này cũng được coi là giải pháp cho các lớp phủ cho các chất nền trong suốt như thủy tinh, cũng như kim loại, polyme hoặc vải. 6 Các vật liệu không dính ướt định hướng ứng dụng có thể tìm thấy ở mọi mặt của cuộc sống, sản xuất, và đặc biệt là y tế. Trong thập kỉ vừa qua, đã có sự gia tăng đáng kể trong việc xác định các ứng dụng công nghệ sinh học và y sinh mới cho các vật liệu chống dính ướt [16,17].

Trong đó, các vật liệu sinh học được tích hợp với khả năng chống kết dính trong dẫn truyền mạch máu hoặc diệt khuẩn là những ví dụ điển hình về các bề mặt được trang bị khả năng chống dính ướt. Ngoài ra, các thiết bị và cảm biến vi lỏng để chẩn đoán/theo dõi bệnh tật và nghiên cứu tế bào nhanh chóng và giá cả phải chăng đã được tạo ra bằng cách thiết kế các bề mặt này đan xen với các khu vực dễ dính ướt. Sự phát triển của các thiết bị mới trong ứng dụng môi trường và y sinh thường yêu cầu các bề mặt vật liệu y sinh có đặc tính bám dính có độ tương phản cao, thường là hoàn toàn dính ướt - hoàn toàn không dính ướt nhằm định hướng cho mục đích chọn lọc chất lỏng. Trong tự nhiên, sự tiến hóa và chọn lọc loài cho chúng ta những ví dụ điển hình liên quan đến các hình thái dính ướt cụ thể có lợi cho mục đích nghiên cứu.