Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nanocacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nanocacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hồng
• Người hướng dẫn: GS.TS Phan Ngọc Minh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nanocacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự
• Loại tài liệu: luận án tiến sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON
• 1.1.1. Tổng quan về ống nano-cacbon
• 1.1.2. Giới thiệu về ống nano-cacbon
• 1.1.3. Cấu trúc và tính chất của ống nano-cacbon
• 1.1.4. Các phương pháp chế tạo ống nano-cacbon
• 1.1.5. Một số tính chất của ống nano-cacbon
• 1.1.6. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon
• 1.1.6.1. Khái niệm chất lỏng nano
• 1.1.6.2. Các phương pháp chế tạo
• 1.1.6.3. Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs
• 1.1.6.4. Ứng dụng của chất lỏng nano
• 1.1.7. Dầu bôi trơn tản nhiệt
• 1.1.7.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn
• 1.1.7.2. Một số thông số của dầu bôi trơn
• 1.1.7.3. Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn
• 1.1.7.4. Pha trộn dầu bôi trơn
• 1.1.8. Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon
• 1.1.9. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án
• 1.1.9.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.9.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.1.10. Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon
• 1.2. Kết luận chương 1
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2. Phương pháp biến tính CNTs
• 2.3. Phương pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano
• 2.4. Phương pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu
• 2.5. Phương pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano
• 2.6. Phương pháp mô hình hóa và tính toán lý thuyết
• 2.7. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
• 2.8. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt
• 2.9. Nguyên liệu tản nhiệt
• 2.10. Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu
• 2.10.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn
• 2.10.2. Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần nano cacbon
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON
• 3.1. Kết quả biến tính CNTs
• 3.2. Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon
• 3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO
• 3.2.2. Tối ưu hàm lượng CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt
• 3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs
• 3.2.4. Tối ưu hàm lượng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt
• 3.3. Xây dựng mô hình truyền nhiệt tính toán độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt
• 3.3.1. Xây dựng mô hình truyền nhiệt
• 3.3.2. So sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới
• 3.3.3. So sánh mô hình truyền nhiệt lý thuyết với kết quả thực nghiệm của dầu bôi trơn tản nhiệt nano
• 3.4. Đánh giá một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được
• 3.4.1. Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ
• 4.1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ
• 4.1.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử
• 4.1.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ
• 4.1.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ
• 4.1.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử
• 4.2. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng
• 4.2.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử
• 4.2.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ
• 4.2.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ
• 4.2.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử
• 4.3. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp
• 4.3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử
• 4.3.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ
• 4.3.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ
• 4.3.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử
• 4.4. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự
• 4.4.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử
• 4.4.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ
• 4.4.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ
• 4.4.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử
• 4.5. Khảo sát dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực địa
• 4.5.1. Thử nghiệm thực địa trên xe thiết giáp
• 4.5.2. Thử nghiệm thực địa trên xe chở khí tài quân sự
• 4.6. Thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• KIẾN NGHỊ VÀ KẾ HOẠCH TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• 1. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về dầu bôi trơn và công nghệ tản nhiệt

Dầu bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát và tản nhiệt cho động cơ đốt trong, đặc biệt trong thiết bị quân sự. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của dầu bôi trơn bằng cách tích hợp vật liệu nanocacbon, đặc biệt là ống nanocacbon (CNTs). CNTs có độ dẫn nhiệt cao, lên đến 2000 W/mK, giúp tăng khả năng tản nhiệt của dầu. Công nghệ này đã được ứng dụng trong các hệ thống tản nhiệt hiệu quả, đặc biệt trong các động cơ quân sự. Việc sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs không chỉ giảm ma sát mà còn tăng tuổi thọ và hiệu suất của động cơ.

1.1. Giới thiệu về ống nanocacbon

Ống nanocacbon (CNTs) là vật liệu có cấu trúc hình ống, được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp xếp theo mạng lục giác. CNTs có hai dạng chính: ống đơn tường (SWCNT) và ống đa tường (MWCNT). Với độ dẫn nhiệt và điện cao, CNTs được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ cao, đặc biệt là trong công nghệ tản nhiệt. Các phương pháp chế tạo CNTs bao gồm lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) và phương pháp bốc bay bằng laser.

1.2. Ứng dụng của CNTs trong dầu bôi trơn

Việc tích hợp CNTs vào dầu bôi trơn giúp cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt và giảm ma sát. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy dầu bôi trơn chứa CNTs có độ dẫn nhiệt cao hơn so với dầu thông thường. Điều này giúp tăng hiệu suất của động cơ đốt trong, giảm tiêu hao nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ động cơ. Ứng dụng này đặc biệt quan trọng trong các thiết bị quân sự, nơi yêu cầu độ bền và hiệu suất cao.

II. Phương pháp chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs

Quy trình chế tạo dầu bôi trơn chứa ống nanocacbon bao gồm các bước chính: biến tính CNTs, pha trộn với dầu gốc và tối ưu hóa hàm lượng CNTs. CNTs được biến tính bằng cách gắn các nhóm chức -COOH và -OH lên bề mặt để tăng khả năng phân tán trong dầu. Sau đó, CNTs được phân tán trong dầu gốc PAO bằng phương pháp rung siêu âm. Hàm lượng CNTs được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả tản nhiệt tối đa mà không ảnh hưởng đến độ nhớt của dầu.

2.1. Biến tính CNTs

Biến tính CNTs là bước quan trọng để cải thiện khả năng phân tán của CNTs trong dầu. Các nhóm chức -COOH và -OH được gắn lên bề mặt CNTs thông qua các phản ứng hóa học. Quá trình này giúp CNTs dễ dàng phân tán trong dầu gốc, tạo thành hỗn hợp đồng nhất. Phổ FTIR và Raman được sử dụng để xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức trên bề mặt CNTs.

2.2. Pha trộn và tối ưu hóa

Sau khi biến tính, CNTs được phân tán trong dầu gốc PAO bằng phương pháp rung siêu âm. Thời gian rung siêu âm được tối ưu hóa để đảm bảo CNTs phân tán đều trong dầu. Hàm lượng CNTs được điều chỉnh trong khoảng 0.12% thể tích để đạt hiệu quả tản nhiệt tối đa. Các thông số kỹ thuật của dầu, bao gồm độ nhớt và độ dẫn nhiệt, được đo đạc và đánh giá để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Ứng dụng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs trong thiết bị quân sự

Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs đã được thử nghiệm trên các động cơ đốt trong của thiết bị quân sự như xe tăng, xe thiết giáp và tàu thủy. Kết quả thử nghiệm cho thấy dầu bôi trơn chứa CNTs giúp giảm nhiệt độ động cơ, giảm hệ số ma sát và tiêu hao nhiên liệu. Điều này giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ của động cơ, đặc biệt trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Ứng dụng này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao khả năng tác chiến của các thiết bị quân sự.

3.1. Thử nghiệm trên động cơ xe tăng

Thử nghiệm trên động cơ xe tăng cho thấy dầu bôi trơn chứa CNTs giúp giảm nhiệt độ động cơ từ 5-10°C so với dầu thông thường. Hệ số ma sát giảm đáng kể, giúp tăng hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu. Kết quả này khẳng định hiệu quả của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs trong việc nâng cao độ bền và hiệu suất của động cơ.

3.2. Thử nghiệm trên tàu thủy

Thử nghiệm trên động cơ tàu thủy cũng cho kết quả tương tự. Dầu bôi trơn chứa CNTs giúp giảm nhiệt độ động cơ và tăng hiệu suất hoạt động. Đặc biệt, dầu bôi trơn này giúp kéo dài thời gian sử dụng, giảm chi phí bảo trì và nâng cao khả năng tác chiến của tàu thủy. Đây là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nano vào thiết bị quân sự.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Trang thiết bị quân sự như xe chở khí tài quân sự, xe tăng, xe thiết giáp và tàu thủy là những phương tiện kỹ thuật đặc chủng giữ vai trò nòng cốt trong lực lượng vũ trang. Động cơ đốt trong của các phương tiện này hoạt động trong điều kiện tải trọng lớn, cường độ làm việc cao và môi trường khắc nghiệt, đòi hỏi khắt khe về độ bền, tuổi thọ, công suất cũng như khả năng tản nhiệt. Trước thời điểm nghiên cứu, quân đội Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại dầu bôi trơn thương phẩm nhập khẩu từ Liên bang Nga theo các hệ tiêu chuẩn GOCT (ГОСТ). Tuy nhiên, các dòng dầu bôi trơn truyền thống này có hệ số ma sát tương đối cao và chu kỳ thay dầu ngắn (tương đương quãng đường hoạt động từ 3.000 km đến 5.000 km), làm giới hạn hệ số sẵn sàng chiến đấu, tăng chi phí bảo dưỡng và tiêu hao nhiên liệu. Bên cạnh đó, việc phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu tiềm ẩn rủi ro lớn về bảo đảm kỹ thuật khi có tình huống tác chiến xảy ra.

Trong khi đó, ống nano cacbon (Carbon Nanotubes - CNTs) sở hữu các đặc tính cơ lý và nhiệt học vượt trội, đặc biệt là độ dẫn nhiệt dọc trục có thể đạt tới 2.000 W/m.K đối với đơn sợi. Việc tích hợp CNTs vào chất lỏng bôi trơn nhằm tạo ra chất lỏng nano (nanofluids) có khả năng đồng thời giảm ma sát và tăng cường hiệu quả truyền nhiệt đã được phát triển ở một số quốc gia (Hoa Kỳ, một số nước châu Âu, Hàn Quốc) nhưng các chế phẩm đặc chủng quân sự không được thương mại hóa ra bên ngoài. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn làm chủ công nghệ trong nước, luận án "Nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự" được thực hiện nhằm giải quyết các khoảng trống công nghệ và tính toán truyền nhiệt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

1. Chế tạo thành công dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng ống nano cacbon phân tán trên nền dầu gốc Poly AlphaOlefine (PAO) kết hợp hệ phụ gia tương thích.
2. Xây dựng mô hình truyền nhiệt cải tiến để tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của dầu bôi trơn chứa CNTs và đánh giá các thông số hóa lý, nhiệt động học.
3. Ứng dụng, thử nghiệm đánh giá hiệu quả của dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên bệ thử động cơ và thực địa đối với các phương tiện quân sự đặc chủng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs (đã được chức hóa bề mặt) phân tán trong dầu gốc PAO và hệ phụ gia chuyên dụng cho động cơ đốt trong quân sự. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 4 loại phương tiện: tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự; địa điểm triển khai thực nghiệm gồm Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự, Viện Kỹ thuật Xăng dầu Quân đội, Trường Sĩ quan Lục quân 1 và Cục Xe máy 384.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển của vật liệu nano cacbon ghi nhận công trình năm 1976 của nhóm M. Endo khi phát hiện cấu trúc sợi cacbon kích thước nanomet bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD), và mốc phát hiện cấu trúc ống nano cacbon của S. Iijima vào năm 1991 bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các nghiên cứu về cơ lý tính sau đó của Treacy và cộng sự (1996) xác định suất Young trung bình của CNTs đạt xấp xỉ 1,8 TPa; Wong (1997) đo đạc qua kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đạt 1,28 TPa; Jin tính toán suất Young của CNTs dạng armchair (10, 10) là 640,3 GPa, zigzag (17, 0) là 673,94 GPa và chiral (12, 6) là 673 GPa. Về tính chất nhiệt, các công trình của Hone, Kim, Berber và Fujii (đo đơn sợi đường kính 28,2 nm đạt độ dẫn nhiệt 500 W/m.K) chứng minh CNTs dẫn nhiệt dọc trục tốt hơn nhiều so với kim loại thông thường như Ag (429 W/m.K), Cu (401 W/m.K) và Al (237 W/m.K).

Trong lĩnh vực chất lỏng nano, kể từ đề xuất nền tảng của Choi (1995), nhiều nhóm nghiên cứu đã khảo sát việc phân tán vật liệu nano vào chất lỏng truyền nhiệt. Choi khảo sát hệ dầu poly (α-olefin) chứa SWCNTs cho thấy độ dẫn nhiệt tăng 160% khi bổ sung 1,75% thể tích SWCNTs; Lifei Chen khảo sát CNTs phân tán trong nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) ghi nhận độ dẫn nhiệt tăng từ 10% đến 15%; Narendra Singh, Gaurav Chand và S. Kanagaraj (Viện Công nghệ Guwahati, Ấn Độ) ứng dụng phân tán 0,12% - 0,4% thể tích CNTs vào EG cho hệ thống làm mát ô tô. Nhóm Kole sử dụng Al2O3 trong chất làm mát HP KOOLGARD, Tzeng dùng CuO và Al2O3 trong dầu bôi trơn hộp số tự động.

Về mặt mô hình hóa lý thuyết độ dẫn nhiệt chất lỏng nano, hai mô hình tiêu biểu được công bố gồm:

• Mô hình Hemanth (2004, Viện Công nghệ Madras) thiết lập phương trình cho hạt nano hình cầu dựa trên tỷ lệ diện tích tiếp xúc bề mặt: $$k_{eff} = k_m \left[ 1 + \frac{k_p}{k_m} \frac{\epsilon \cdot r_m}{(1 - \epsilon) \cdot r_p} \right]$$
• Mô hình H. E. Patel (2008, Viện Công nghệ Madras) áp dụng mô hình Hemanth cho chất lỏng chứa CNTs: $$k_{nf} = k_f \left[ 1 + \frac{k_p \cdot \epsilon \cdot r_f}{k_f \cdot (1 - \epsilon) \cdot r_p} \right]$$

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết nằm ở việc chỉ ra những bất cập trong mô hình của H. E. Patel: (1) áp dụng công thức của hạt cầu cho cấu trúc hình ống của CNTs; (2) sử dụng đường kính $r_p$ của CNTs thay cho bán kính hạt mà không có luận giải xác đáng; (3) giả định độ dẫn nhiệt đẳng hướng trong khi CNTs có tính dẫn nhiệt dị hướng cao (dẫn nhiệt mạnh dọc trục nhưng dẫn nhiệt kém theo phương vuông góc). Trên cơ sở đó, luận án xây dựng mô hình cải tiến có độ chính xác cao hơn, đồng thời giải quyết bài toán thực nghiệm phân tán bền vững CNTs trong dầu gốc PAO phục vụ động cơ đốt trong quân sự.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

• Cấu trúc mạng và giải tích Chiral: Cấu trúc hình học của CNTs được đặc trưng bởi vectơ Chiral $\mathbf{C}_h = n\mathbf{a}_1 + m\mathbf{a}_2$, với độ dài mạng graphit $a = 0,246\text{ nm}$ và góc Chiral $\theta$: $$\cos\theta = \frac{2n + m}{2\sqrt{n^2 + nm + m^2}}$$
• Tính chất nhiệt - phonon: Độ dẫn nhiệt $\lambda$ của CNTs được mô tả thông qua phương trình vận chuyển phonon: $$\lambda = \frac{1}{3} C(T) \cdot v_{\text{group}} \cdot l_{\text{states}}$$ trong đó $C(T)$ là nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ, $v_{\text{group}}$ là vận tốc nhóm phonon, và $l_{\text{states}}$ là quãng đường tự do trung bình của phonon.
• Cơ chế bôi trơn và tổn thất ma sát: Hiệu suất có ích của động cơ đốt trong liên hệ trực tiếp với hiệu suất cơ giới $\eta_m$ và hiệu suất chỉ thị $\eta_i$ thông qua phương trình: $$\eta_e = \eta_i \cdot \eta_m$$ Việc giảm ma sát nội tại của màng dầu nano tại các cặp ma sát piston - xylanh, trục khuỷu - bạc lót giúp nâng cao trực tiếp $\eta_m$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Biến tính bề mặt CNTs: Sử dụng phương pháp hóa học gắn nhóm chức carboxyl (-COOH) và hydroxyl (-OH) lên các vị trí sai hỏng (defects) của thành và đầu ống nano cacbon nhằm tăng lực tương tác tĩnh điện và hạn chế lắng tụ do lực Van der Waals.
• Quy trình chế tạo dầu nano hai bước: Chức hóa bột CNTs, sau đó phân tán vào dầu gốc Poly AlphaOlefine (PAO) bằng thiết bị rung siêu âm năng lượng cao kết hợp khuấy từ cơ học với các mốc thời gian 40, 50 và 60 phút; bổ sung hệ phụ gia tăng chỉ số độ nhớt, chống oxy hóa (ZnDDP), phụ gia tẩy rửa kim loại (sunphonat, phenolat Ca/Mg), phụ gia phân tán polyamin suxinimit và phụ gia ức chế ăn mòn/gỉ.
• Phương pháp khảo sát cấu trúc và hóa lý:
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM, FESEM) và truyền qua (TEM, HRTEM): Khảo sát hình thái vi cấu trúc ống nano.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và quang phổ tán xạ Raman: Xác định các liên kết hóa học, dao động của nhóm chức -OH, -COOH và đánh giá mức độ sai hỏng mạng cacbon.
  • Máy phân tích kích thước hạt và thế Zeta (Zeta-Sizer): Đo phân bố kích thước hạt và độ ổn định phân tán của CNTs trong dầu.
  • Phép đo độ nhớt động học tại 40°C và 100°C theo các tiêu chuẩn kỹ thuật bôi trơn.

Phương pháp mô hình hóa và kiểm chứng

• Xây dựng thuật toán giải tích mô hình truyền nhiệt cải tiến tích hợp tính dị hướng dẫn nhiệt của ống trụ nano và lớp phân tử chất lỏng bao quanh.
• Đối chiếu kết quả mô hình lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm độc lập của Hwang, Lifei Chen, Gensheng Wu, S. Choi và kết quả đo trực tiếp trên mẫu dầu chế tạo.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về chất lỏng chứa ống nano-cacbon

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về cấu trúc ống đơn tường (SWCNT), ống đa tường (MWCNT), các dạng sai hỏng hình học (vòng 5-7-8 cạnh) và lai hóa ($sp^{2+\epsilon}$). Luận án phân tích hai công nghệ chế tạo CNTs chính gồm bốc bay laser (cho sản phẩm độ sạch trên 90% nhưng giá thành cao) và lắng đọng hóa học pha hơi (CVD ở dải nhiệt độ 500 - 900°C trên xúc tác Fe, Ni, Co).

Chương này phân tích tổng quan hai phương pháp chế tạo chất lỏng nano: phương pháp một bước (tổng hợp trực tiếp hạt trong dung môi bằng hệ SANSS hoặc chiếu xạ vi sóng) và phương pháp hai bước (phân tán bột nano khô vào chất lỏng nền có chất hoạt động bề mặt như SDS, PVP, CTAB, SDBS). Đồng thời, chương 1 điểm luận chi tiết các chỉ số phân loại dầu bôi trơn theo SAE (đơn cấp SAE 40, SAE 50; đa cấp SAE 15W-40, SAE 20W-50), tiêu chuẩn API (cấp S cho động cơ xăng, cấp C cho động cơ diesel), vai trò của các nhóm phụ gia hóa học và phân tích chi tiết các điểm hạn chế trong các mô hình truyền nhiệt của Hemanth và H. E. Patel.

Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết sơ đồ công nghệ biến tính CNTs, quy trình phối trộn dầu bôi trơn nano trong phòng thí nghiệm và hệ thống thiết bị phân tích:

Nhóm phương pháp / Thiết bị	Mục đích sử dụng cụ thể trong luận án
Biến tính hóa học	Xử lý oxy hóa bề mặt CNTs để tạo liên kết nhóm chức -COOH và -OH
Rung siêu âm & khuấy từ	Đánh tan kết tụ, phân tán đồng đều CNTs vào nền dầu gốc PAO
Phổ FTIR & Phổ Raman	Xác định đỉnh hấp thụ của nhóm -OH, -COOH và tỷ số cường độ $I_D/I_G$
Zeta-Sizer	Khảo sát phân bố kích thước hạt theo thời gian rung siêu âm (40, 50, 60 phút)
Đo độ nhớt động học	Đo biến thiên độ nhớt động học ở 40°C và 100°C theo các hàm lượng CNTs
Thiết bị đo độ dẫn nhiệt	Đo độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nano để kiểm chứng mô hình

Chương 3. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết:

• Biến tính và phân tán: Phổ FTIR và Raman khẳng định sự gắn kết thành công của các nhóm chức -COOH và -OH lên mạng CNTs. Phép đo Zeta-Sizer cho thấy mẫu CNTs-OH phân tán trong dầu gốc PAO với thời gian rung siêu âm 60 phút đạt độ đồng đều cao nhất, kích thước hạt phân bố ổn định không bị lắng đọng.
• Tối ưu hóa thành phần: Luận án xác định hàm lượng nồng độ tối ưu của CNTs trong dầu bôi trơn là 0,12% thể tích. Ở nồng độ này, độ dẫn nhiệt của dầu tăng đáng kể trong khi độ nhớt động học ở 40°C và 100°C vẫn duy trì hoàn toàn trong giới hạn kỹ thuật của các tiêu chuẩn GOCT của Nga.
• Tối ưu hóa phụ gia theo tiêu chuẩn: Xây dựng công thức phối trộn phụ gia cho 4 hệ dầu tương ứng với 4 tiêu chuẩn quân sự:
  • Dầu cho tàu thủy cỡ nhỏ: Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn TOCT 12.337-84 (trên cơ sở 0,12% vol CNTs).
  • Dầu cho xe tăng: Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn TOCT 6360-83 (trên cơ sở 0,12% vol CNTs).
  • Dầu cho xe thiết giáp: Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn TOCT 6360-85 (trên cơ sở 0,12% vol CNTs).
  • Dầu cho xe chở khí tài quân sự: Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn TOCT 17479.1-85 (trên cơ sở 0,12% vol CNTs).
• Mô hình truyền nhiệt cải tiến: Xây dựng công thức giải tích tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của dầu nano CNTs. Kết quả tính toán từ mô hình cải tiến có độ trùng khớp cao với số liệu thực nghiệm của Hwang, Lifei Chen, Gensheng Wu, S. Choi và dữ liệu đo đạc thực tế của luận án, khắc phục sai số lớn của mô hình H. E. Patel.

Hàm lượng CNTs tối ưu: 0,12% thể tích

Chương 4. Ứng dụng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu thử nghiệm so sánh giữa 3 hệ mẫu: Dầu thương phẩm nhập khẩu, Dầu pha chế không chứa nano, và Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa nano CNTs (0,12% vol):

1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ:
   • Bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ: Ghi nhận nhiệt độ dầu bôi trơn và nhiệt độ nước làm mát giảm rõ rệt; hệ số ma sát giảm; mức tiêu hao nhiên liệu giảm so với dầu thương phẩm.
   • Bệ thử động cơ xe tăng: Khảo sát nhiệt độ dầu, nhiệt độ nước làm mát, độ giảm hệ số ma sát và tiêu hao nhiên liệu đều cho kết quả vượt trội ở mẫu dầu nano.
   • Bệ thử động cơ xe thiết giáp: Xác nhận tính ổn định các thông số kỹ thuật của dầu sau các chu kỳ chạy thử tải liên tục.
   • Bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự (ZIL 131): Xác định suất tiêu hao nhiên liệu giảm và các chỉ tiêu mài mòn dầu sau thử nghiệm được cải thiện.
2. Thử nghiệm thực địa:
   • Xe thiết giáp BTR-60 PB: Chạy thử nghiệm thực tế do Trường Sĩ quan Lục quân 1 thực hiện, chứng minh dầu nano giúp động cơ hoạt động mát hơn, giảm nhiệt độ dầu và nước làm mát khi hành quân đường dài.
   • Xe chở khí tài quân sự ZIL 131: Thử nghiệm thực địa do Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự thực hiện, ghi nhận mức tiết kiệm nhiên liệu đạt từ 10% đến 15%, tuổi thọ làm việc của dầu tăng gấp 4 lần so với dầu bôi trơn thông thường.
3. Mở rộng ứng dụng: Thử nghiệm ứng dụng dầu tản nhiệt chứa CNTs làm mát cho hệ thống đèn pha LED công suất lớn 300W, ghi nhận đường cong nhiệt độ của đèn và giàn tỏa nhiệt giảm mạnh và ổn định theo thời gian so với khi không sử dụng chất lỏng chứa CNTs.

---

Kết quả và những đóng góp mới

1. Làm chủ quy trình công nghệ: Luận án đã làm chủ hoàn toàn công nghệ chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano cacbon biến tính trên cơ sở nền dầu gốc tổng hợp PAO và hệ phụ gia chuyên dụng, đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt của động cơ đốt trong quân sự.
2. Chế tạo thành công 4 chủng loại dầu đặc thù: Đã hoàn thiện công thức và chế tạo 4 loại dầu bôi trơn tản nhiệt nano tương thích với 4 tiêu chuẩn quân sự khắt khe của Liên bang Nga:
   • Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho tàu thủy cỡ nhỏ (tiêu chuẩn TOCT 12.337-84).
   • Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe tăng (tiêu chuẩn TOCT 6360-83).
   • Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe thiết giáp (tiêu chuẩn TOCT 6360-85).
   • Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe chở khí tài quân sự ZIL 131 (tiêu chuẩn TOCT 17479.1-85).
3. Hiệu quả thực nghiệm và ứng dụng: Kết quả thử nghiệm trên bệ thử và thực địa (xe thiết giáp BTR-60 PB, xe ZIL 131) chứng minh dầu bôi trơn nano giúp giảm ma sát, hạ nhiệt độ vận hành của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu từ 10% đến 15%, và tăng tuổi thọ sử dụng của dầu lên 4 lần so với các loại dầu thương phẩm thông thường.
4. Đóng góp lý thuyết: Đã xây dựng mô hình truyền nhiệt cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng chứa CNTs, khắc phục các hạn chế về giả định hạt cầu và tính đẳng hướng của các mô hình Hemanth và H. E. Patel trước đây.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Quy trình chế tạo trong luận án được triển khai chủ yếu ở quy mô phòng thí nghiệm và thử nghiệm tiền công nghiệp; phạm vi thử nghiệm thực địa tập trung vào một số dòng xe và trang thiết bị quân sự đại diện (BTR-60 PB, ZIL 131, bệ thử động cơ xe tăng, tàu thủy cỡ nhỏ).
• Hướng phát triển tiếp theo:
  • Hoàn thiện dây chuyền công nghệ sản xuất dầu bôi trơn nano ở quy mô công nghiệp để chủ động cung cấp hàng loạt cho các đơn vị quân đội.
  • Tiếp tục mở rộng thử nghiệm trên các chủng loại vũ khí, trang bị kỹ thuật thế hệ mới và các động cơ có turbo tăng áp, công suất siêu cao.
  • Ứng dụng dầu tản nhiệt chứa CNTs vào các hệ thống giải nhiệt công nghiệp dân dụng và thiết bị quang điện tử công suất lớn (đèn LED công suất cao, trạm thu phát sóng).

---

Giá trị tham khảo

• Đối với cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu cho nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Khoa học vật liệu, Vật liệu điện tử, Công nghệ Hóa dầu và Kỹ thuật Cơ khí động lực về phương pháp chức hóa CNTs, kỹ thuật phân tán chất lỏng nano và mô hình giải tích truyền nhiệt.
• Đối với ngành kỹ thuật quân sự: Là cơ sở kỹ thuật và công nghệ tin cậy để Cục Xe máy, Viện Kỹ thuật Cơ giới Quân sự, Viện Kỹ thuật Xăng dầu Quân đội xây dựng quy trình bảo dưỡng, định mức tiêu hao nhiên liệu và tự chủ nguồn vật tư kỹ thuật bôi trơn đặc chủng.
• Đối với công nghiệp sản xuất dầu nhờn: Cung cấp phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm về tương tác giữa phụ gia hóa học và vật liệu nano cacbon trên nền dầu gốc tổng hợp PAO.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hàm lượng ống nano cacbon (CNTs) tối ưu trong dầu bôi trơn là bao nhiêu và căn cứ xác định?

Hàm lượng tối ưu được xác định là 0,12% theo thể tích. Căn cứ lựa chọn dựa trên sự cân bằng giữa độ tăng độ dẫn nhiệt hiệu dụng và việc kiểm soát độ nhớt động học của dầu ở 40°C và 100°C; nếu tăng nồng độ quá cao sẽ làm tăng độ nhớt vượt tiêu chuẩn cho phép và làm tăng nguy cơ tái kết tụ hạt nano.

2. Luận án đã chỉ ra những điểm bất hợp lý nào trong mô hình tính độ dẫn nhiệt của H. E. Patel (2008)?

Luận án chỉ rõ 3 hạn chế chính:

• H. E. Patel áp dụng trực tiếp mô hình của Hemanth vốn thiết lập cho các hạt nano hình cầu vào CNTs là vật liệu có dạng ống trụ.
• Tác giả tự ý thay bán kính hạt nano bằng đường kính của CNTs mà không có giải thích khoa học.
• Bỏ qua tính dị hướng nhiệt học đặc trưng của CNTs (dẫn nhiệt rất cao dọc theo trục ống nhưng dẫn nhiệt rất kém theo phương vuông góc).

3. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano được chế tạo và chuẩn hóa theo những tiêu chuẩn quân sự nào?

Luận án chuẩn hóa 4 hệ dầu theo 4 tiêu chuẩn kỹ thuật của Liên bang Nga:

• TOCT 12.337-84: Dành cho động cơ tàu thủy cỡ nhỏ.
• TOCT 6360-83: Dành cho động cơ xe tăng.
• TOCT 6360-85: Dành cho động cơ xe thiết giáp.
• TOCT 17479.1-85: Dành cho động cơ xe chở khí tài quân sự.

4. Kết quả thử nghiệm thực tế trên xe chở khí tài quân sự ZIL 131 và xe thiết giáp BTR-60 PB đạt được những chỉ số nào?

Thử nghiệm thực địa ghi nhận mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm từ 10% đến 15%, nhiệt độ làm việc của dầu và nước làm mát giảm rõ rệt, và tuổi thọ sử dụng của màng dầu bôi trơn được kéo dài gấp 4 lần so với dầu bôi trơn thông thường đang lưu hành.

5. Ngoài ứng dụng trên động cơ đốt trong, luận án đã mở rộng thử nghiệm dầu tản nhiệt CNTs cho thiết bị nào?

Luận án đã tiến hành thử nghiệm ứng dụng dầu tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong hệ thống tản nhiệt cho đèn pha LED công suất lớn 300W, cho thấy nhiệt độ làm việc của đèn và bộ tản nhiệt giảm rõ rệt và duy trì ổn định trong thời gian dài.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Mạnh Hồng đã giải quyết trọn vẹn từ lý thuyết mô hình hóa đến thực nghiệm chế tạo và ứng dụng thực địa dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano cacbon trên nền dầu gốc PAO cho động cơ đốt trong quân sự. Công trình đã xây dựng thành công mô hình truyền nhiệt cải tiến có độ chính xác cao và chế tạo được 4 loại dầu nano đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật TOCT khắt khe của Nga cho tàu thủy, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài. Kết quả thử nghiệm khẳng định việc bổ sung 0,12% thể tích CNTs-OH giúp giảm ma sát, hạ nhiệt độ vận hành, tiết kiệm 10 - 15% nhiên liệu và nâng tuổi thọ của dầu lên 4 lần. Đây là công trình có giá trị khoa học vững chắc và ý nghĩa thực tiễn quan trọng, đóng góp vào việc tự chủ bảo đảm kỹ thuật và nâng cao khả năng sẵn sàng chiến đấu của các trang thiết bị quân sự trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Trình bày tông quan về ống nano-cacbon, chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon, dầu bôi trơn tản nhiệt và tông quan được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án. Phần tổng quan về ống nano-cacbon trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần CNTs và các phương pháp chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs. Dầu bôi trơn, các thông số của dầu bôi trơn, các phụ gia có trong dầu bôi trơn cũng như cách pha trộn dầu bôi trơn cũng đã được trình bày.

Phần nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án đã khái quát, tìm hiểu một số nghiên cứu của tác giả trên thế giới từ năm 2012 đến năm 2017. Đồng thời cũng tìm hiểu việc nghiên cứu trong nước cho đến thời điểm hiện tại. Chương 2: Trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao gồm: Hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tán Zeta-Sizer. Chương 2 cũng đã trình bày về nguyên liệu, hóa chất sử dụng trong luận án và các trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu.

Chương 3: Trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức — OH va -COOH, kết quả chế tạo và xác định một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Trinh bay két quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần ống nano- cacbon. Từ đó so sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới. 3 Chương 4: Trình bày kết quả thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo được cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp, xe chở khí tài quân sự.

Đồng thời nghiên cứu định hướng, mở rộng ứng dụng của dầu bôi trơn tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn. Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê. Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những đóng góp mới của luận án - — Đã làm chủ được công nghệ chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano- cacbon trên cơ sở dầu gốc PAO sử dụng cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự.

- Đã chế tạo được 4 loại đầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon sử dụng cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự. - _ Đã tiến hành thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự với hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu từ 10-15%, tăng tuổi thọ của dầu lên 4 lần so với dầu thông thường và giảm ma sát. TONG QUAN VE CHAT LONG CHUA ONG NANO-CACBON 1. Tông quan về ông nano-cacbon 1.

Giới thiệu về Ống nano-cacbon Năm 1976, bằng phương pháp CVD nhóm nghiên cứu M. Endo lần đầu tiên đã phát hiện ra cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thước nano mét. Đến năm 1991, trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene chế tạo bằng phương pháp hồ quang bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, Tiến sỹ S. Ké tir dé dén nay, CNTs da trở thành một trong những đối tượng được tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính chất độc đáo hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng.

Một điều lý thú là kể từ khi S. Iijima giới thiệu ống nano-cacbon, nhiều công bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã được ngẫu nhiên tạo ra trước thời gian đó nhưng chưa được quan tâm chú ý. Với cấu trúc tinh thé đặc biệt, CNTs có nhiều tính năng như: Độ dẫn điện thay đổi theo kích thước và cấu trúc của ống nhẹ hơn thép 6 lần nhưng lại bền hơn thép cỡ 100 lần, chịu được nhiệt độ rất tốt (~ 2800°C trong chân không và ~ 700°C trong không khí), có tính đàn hồi tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả năng phát xạ điện từ ở từ trường thấp. Bên cạnh khả năng tạo được vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị điện tử kích thước nano thì CNTs còn có thé ứng dụng trong vật liệu tản nhiệt.

Xét về cấu trúc, đo điện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNTs được sử dụng như vật liệu hấp phụ. Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNTs có thể hoạt hóa bằng các oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano - cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ. Cầu trúc và tính chất của Ống nano- cacbon Bản chất của liên kết trong ống nano-cacbon được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano - cacbon được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp’, tương tự than chì.

Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp” trong kim cương, tạo ra những phân tử có độ bền đặc biệt. Các ống nano - cacbon thông thường được xếp thành các "sợi dây thừng" được giữ với nhau bằng lực Van đer Waals [4, 5]. 5 Ở đây chúng ta quan tâm đến các mặt graphen vì có thé coi CNTs duge tao thành bằng cách cắt các tắm graphen ra, sau đó cuộn tròn lại. Có rất nhiều kiểu cuộn khác nhau dựa theo hướng cuộn, chính sự khác nhau này làm cho CNTs có các tính chất vật lý, hóa học phong phú đa dạng và có thể thay đổi.

Tuy nhiên, không phải lúc nào ống nano - cacbon cũng có hình dạng giống như hình dạng của tắm graphen cuộn lại. Bởi vì tắm graphen gồm các nguyên tử cacbon xếp trên 6 đỉnh của hình lục giác, còn CNTS lại có sự xuất hiện của các đa giác là ngũ giác. Mô tả cách cuộn tắm graphen để có duoc CNTs [6] Có hai loại ống nano - cacbon là: Ống nano cacbon đơn lớp hay còn được gọi là ống nano - cacbon đơn tường (SWCNT), được cấu tạo bởi một lớp duy nhất các nguyên tử cacbon và ống nano - cacbon đa lớp với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, hay còn được gọi là ống nano - cacbon da trong (MWCNTSs) (hình 1. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNT [7] 6 Ống nano-cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphen) thành một hình trụ liền và được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fulleren.

Do đó CNTs còn được biết đến như là fulleren có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp” bền vững. Ông nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm.

Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi vectơ Chiral, kí hiệu là Œ„. Vectơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphen và độ lớn đường kính ống (hình 1.1) Trong đó: ø và là các số nguyên. a; Va ap 1a cac vecto don vi cua mang graphen Có nhiều cách chon vecto cơ sở a;, a2, mot trong các cách chọn chỉ ra trong hình 1.2) Voi a la hang sé mang cua graphit: a = 0,246 nm. Géc cua vecto Chiral 0: cosg = nem (1.

Ba cấu trúc thường gặp đó là: amchair, zigzag va chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) va (n, m) (hình 1. CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều đài từ một vài micromet đến vài milimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính và diện tích bề mặt của nó là rất lớn. Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs. Trên thực tế, cấu trúc của CNTS bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect.

Các sai hỏng này được phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon cầu thành nên CNTs. (a) Véc to chiral, (b) CNTs loai amchair (5,5), zigzag (9,0) va chiral (10,5) [8, 9] Các sai hỏng theo cấu trúc hình học trên ống CNTSs là sự xuất hiện của các vòng cacbon không phải 6 cạnh. Các vòng cacbon này có thê là 7 cạnh hoặc 8 cạnh, chủ yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1. Các sai hỏng theo kiêu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp”, do đó cấu trúc của CNTs không chỉ gồm các liên kết C-C lai hóa dạng sp” mà còn là sp”'*“(-1 < œ< 1).

Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs. Cac loai defect trén éng CNTs: a) 6 dau éng, b) ở thân ống [10] 8 Ngoài các dạng sai hỏng trên, còn một số dạng sai hỏng khác như liên kết không hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí. Các sai hỏng có vai trò rất quan trọng, chúng là đầu mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs. Các sai hỏng này có thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức hoạt động như carboxyl, hydroxyl, estes.

Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu để hoạt hóa, biến tính vật liệu CNTs. Tuy nhiên, các sai hỏng này cũng ảnh hưởng tới các tính chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện. Nó có thể làm giảm độ bền về mặt cơ học và làm thay đổi cấu trúc đải điện tử của CNTs. Các phương pháp chế tạo Ống nano-cacbon Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu CNTs, nhưng trong luận án này chúng tôi chỉ tập trung quan tâm đến phương pháp bốc bay laze và phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD).