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).