CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu FG-CNTRC Công nghệ nano (nanotechnology) và vật liệu nano ngày nay đã trở thành những thuật ngữ quen thuộc trong xã hội hiện đại. Nano là tiếng gọi tắt của nanometer (ký hiệu nm, 1 nm = 10-9 m hay là 0. Công nghệ nano đang tác động mạnh mẽ đến tất cả mọi lĩnh vực của kỹ thuật hiện đại và cũng là động lực cho những công trình nghiên cứu đa ngành bao gồm vật lý, hóa học, vật liệu học, sinh học, toán học, tin học,… và cả cơ học.
Công nghệ nano tạo nên cuộc cách mạng về vật liệu mới trong thế kỷ 21 và có vai trò then chốt trong cách mạng công nghiệp 4. Sự phát hiện hai dạng thù hình của các bon là phân tử fullerene C60 ở thập niên 80 và các ống nano các bon (“carbon nanotube” - CNT) ở thập niên 90 - trùng thời điểm với sự ra đời của công nghệ nano đã tạo ra bước đột phá trong lĩnh vật liệu mới. Với những đặc tính vô cùng ưu việt, vật liệu nano được ứng dụng ngày càng rộng rãi và đã làm nên cuộc cách mạng về vật liệu. Hiện tại, có rất nhiều trung tâm nghiên cứu về công nghệ nano được thành lập khắp nơi trên thế giới, đứng đầu là Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc với kinh phí hằng năm lên tới hàng trăm tỷ đô mỗi năm.
CNT được chế tạo bằng cách phóng điện hồ quang (arc discharge) hoặc dùng laser (laser ablation) trên một vật liệu gốc chứa carbon hoặc phun vật liệu này qua một lò ở nhiệt độ 800 - 1200 °C. Hình thành ống carbon không quá phức tạp nhưng tạo ra những ống nano giống nhau cùng đặc tính trong những đợt tổng hợp khác nhau và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất đòi hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác. Hiện nay, tùy vào điều kiện chế tạo và vật liệu gốc người ta có thể tổng hợp ống nano một vỏ (đơn vách - single-wall carbon nanotube, SWNT), vỏ đôi (đa vách - double-wall carbon nanotube, DWNT) và nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT), MWNT là một tập hợp của những SWNT [2]. Mặc dù có kích thước nano mét với cấu trúc vô cùng nhỏ, khoa học đã xác định được độ bền (strength) và độ cứng (stiffness, Young's modulus) của CNT.
Kết quả thí nghiệm cho thấy CNT bền hơn thép 100 lần nhưng nhẹ hơn thép 6 lần. Như vậy, có thể thấy CNT là một vật liệu có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay và đó chính là nguyên liệu lý tưởng để chế tạo nano composite. Một vấn 4 đề lớn hiện nay là làm sao có thể xe những ống nano thành tơ sợi (nanotube fibres) cho những ứng dụng thực tế mà vẫn giữ được cơ tính tuyệt vời nó. Năm 2003, nhóm nghiên cứu của giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) [3] đã phát minh ra một quá trình xe sợi ống nano cho ra sợi với cơ tính cao hơn thép và tương đương với tơ nhện (spider silk).
Mặc dù độ cứng của sợi ống nano do nhóm Baughman làm ra chỉ bằng 1/10 độ cứng của từng ống nano riêng lẻ, sợi Baughman vẫn chưa phải "siêu cứng" nhưng đã hơn hẳn Kevlar về sức bền và nếu điều kiện sản xuất hàng loạt cho phép nó có thể thay thế Kevlar dùng trong những chiếc áo giáp cá nhân bằng composite để chống đạn trong tương lai. Thành tựu này đã khuyến khích nhiều nhóm nghiên cứu khác trên thế giới trong cuộc chạy đua chế tạo ra một loại sợi CNT siêu cứng, siêu bền và siêu hữu ích chưa từng có trong lịch sử khoa học kỹ thuật.1: Mô hình 3D CNT đơn vách [2].2: Mô hình 3D đa vách [2]. Bên cạnh tính chất cơ học, điện tính và đặc tính điện tử của CNT cũng đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật lý và thiết kế điện tử vi mạch. Nhờ ở dạng hình ống và các electron tự do trong ống, các electron tự do có thể tải điện nhưng ít chịu sự phân tán electron (gọi là ballistic conduction).
Sự phân tán electron là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất bán dẫn hay kim loại. Nói một cách khác, ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu vì ít phát nhiệt. Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ trường (field emission). Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano đầu kia sẽ liên tục phát ra electron Collins [4].
Đã có nhiều vật liệu hoặc dụng cụ (thí dụ: ống tia âm cực, cathode ray tube) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại. Áp dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn hình ti vi và vi tính. Với dạng hình ống dài và cơ lý tính lý tưởng, CNT thường được bổ sung để gia cường cho các loại polymer (plastic) để tạo ra những vật liệu nano-composite có độ cứng và độ bền nhiệt cao, đồng thời lại siêu nhẹ, thay cho kim loại hay ceramic là 5 những vật liệu phổ biến thường được dùng gia cường trong polymer từ trước đến nay. Với những tính chất ưu việt như trên, CNT sẽ là một chất gia cường tuyệt vời nhất cho polymer nano-composite.
Chỉ cần gia cường vài phần trăm CNT là đã có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai (toughness) của polymer (plastic) lên nhiều lần. Đặc điểm của các composite được gia cường CNT là nhẹ và bền chắc. Một cơ tính khác rất đặc biệt của ống nano các bon đang được khảo sát hiện nay là khả năng làm giảm xóc (shock damping), chống rung Wu [5]. Tính chất rất quan trọng này sẽ mang đến những ứng dụng trong dân sự lẫn quốc phòng.
CNT còn cho nhiều áp dụng khác chẳng hạn dùng trong bộ cảm ứng (sensor) để phát hiện ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ hoặc những hóa chất độc hại với độ nhạy rất cao. Ống nano tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để chế tạo cơ bắp nhân tạo (artificial muscle actuator). Cơ bắp nhân tạo là một mô phỏng của cơ bắp sinh học biến đổi điện năng thành cơ năng; khi có một dòng điện chạy qua cơ bắp sẽ cho một tác dụng lực. Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng tạo thành robot hoặc hệ thống cơ điện vi mô (micro electromechanical system, MEMS).
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Gordon Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có những thành quả nổi bật trong lĩnh vực này. Ống nano carbon cũng có mặt trong y học. Một báo cáo khoa học mới đây cho biết tế bào xương rất tương thích (compatible) với ống nano Zanello [6]. Ống nano được sử dụng như giàn giáo (scaffold) để các tế bào xương tăng trưởng và phát triển.
Đây là kết quả rất quan trọng có thể triển khai để cách mạng hóa việc ghép và trị liệu xương. GS Shen - ĐH Giao thông Thượng Hải [7] đã nhận định: Từ khi được phát hiện ra (năm 1991) đến nay, vật liệu CNT nhờ có cấu trúc tinh thể độc đáo, tính chất điện tử đặc biệt (kim loại hoặc bán dẫn tùy thuộc vào cấu hình của ống), tính dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện tử mạnh,… nên vật liệu CNT đã và đang mở ra nhiều ứng dụng mới trong khoa học công nghệ. Đặc biệt với tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng siêu cao, độ chịu mài mòn cơ và hóa tốt, diện tích bề mặt lớn) CNT là vật liệu gia cường lý tưởng cho nhiều loại vật liệu tổ hợp mới nền kim loại, nền polymer, cao su, epoxy với phạm vi ứng dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên, hiện nay do hạn chế về mặt công nghệ trong việc phân tán CNT vào nền polymer, CNTRC (composite cốt CNT) chỉ có thể chứa một tỷ lệ nhỏ chất độn 6 CNT và việc thêm nhiều CNT vào nền polymer có thể dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ học của chúng.
Để phát huy hết hiệu ứng gia cường CNT, Shen [7] đã đưa ra mô hình vật liệu CNTRC có cơ lý tính biến đổi (FG-CNTRC) cho các tấm nano composit được gia cường CNT chịu uốn và chứng minh rằng sự phân bố hợp lý các chất độn CNT có thể nâng cao đáng kể khả năng chịu uốn của tấm. Shen và Xiang [8] đã mở rộng nghiên cứu của họ về sự uốn cong phi tuyến của các vỏ hình trụ FG- CNTRC bao gồm các đặc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, đồng thời xem xét sự tương tác giữa nền và tác động của sự thay đổi nhiệt. Có thể nói, việc nghiên cứu và đề xuất vật liệu FG-CNTRC đã tận dụng được những đặc điểm nổi bật của CNT. Do đó, việc nghiên cứu hoạt động của các kết cấu làm bằng FG-CNTRC là một vấn đề cấp bách và những năm rất gần đây đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhằm mục đích nâng cao tính an toàn và tối ưu của các kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt.
Thuộc tính của vật liệu FG-CNTRC phụ thuộc vào quy luật phân bố của các ống nano các bon trong vật liệu nền được đề xuất bởi Shen [7]: E11 = 1VCN E11CN + Vm E m 2 VCN Vm = + (1.1) E22 E22CN E m 3 VCN Vm = + G12 G12CN G m trong đó E11 CN CN , E22 và G12CN tương ứng là các mô đun đàn hồi và mô đun cắt trượt của CNT. E m và G m là các mô đun tương ứng của vật liệu nền (matrix). 1 , 2 ,3 là các tham số vật liệu của CNT. VCN và Vm lần lượt là tỉ lệ thể tích của CNT và vật liệu nền, chúng luôn tuân theo quy luật: VCN + Vm = 1 (1.2) Theo Shen [7] hệ số Poisson của vật liệu FG-CNTRC được tính theo công thức: 7 v12 = VCN v12 + Vmv m * CN (1.3) Hệ số giãn nở nhiệt theo các hướng dọc và ngang được thể hiện bằng mô hình Shapery và được tính như sau: VCN E11CN11CN + Vm E m m 11 = VCN E11CN + Vm E m (1.4) 22 = (1 + v12CN )VCN 22 CN + (1 + v m )Vm m − v1211 trong đó 11CN , 22 CN , m là các hệ số giãn nở nhiệt của các thành phần tương ứng.
Tùy thuộc vào quy luật phân bố của các ống nano các bon theo chiều dày của tấm và vỏ mà vật liệu FG-CNTRC có các loại khác nhau: FG - UD, FG – O, FG-X, FG-V, FG–Ʌ ( Hình 1.3: Quy luật phân bố của các ống nano trong FG - CNTRC Tùy thuộc vào quy luật phân bố các ống nano các bon mà VCN được tính theo các công thức khác nhau ( Bảng 1.