Chương 1: Trình bày đặc điểm cấu trúc và các tính chất nổi bật của vật liệu Gr. Những hiểu biết chung về các phương pháp tổng hợp vật liệu Gr với số lượng lớn và diện tích lớn. Tổng quan về các phương pháp biến tính bề mặt vật liệu Gr. Công nghệ chế tạo lớp mạ điện Ni và cơ chế gia cường của vật liệu compozit cũng được trình bày chi tiết.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu và một số kết quả đã đạt được của một số nhóm nghiên cứu về lớp mạ điện Ni gia cường vật liệu Gr hiện nay. - Chương 2: Trình bày về phương pháp thực nghiệm chế tạo và khảo sát các tính chất của lớp mạ điện Ni gia cường vật liệu GNPs. Cụ thể là trình bày chi tiết quá trình thay đổi kích thước vật liệu và biến tính bề mặt vật liệu GNPs, quá trình chế tạo lớp mạ điện Ni gia cường bằng vật liệu GNPs và các phương pháp khảo sát các đặc tính cơ học, tính chất chống mài mòn và chống ăn mòn của lớp mạ điện Ni gia cường vật liệu GNPs. - Chương 3: Trong chương này chúng tôi tập trung trình bày các kết quả nghiên cứu về sự thay đổi kích thước vật liệu và quá trình biến tính bề mặt vật liệu GNPs.
Cụ thể là sự thay đổi kích thước, diện tích bề mặt riêng, sự thay đổi về hình thái học bề mặt và cấu trúc, khả năng phân tán và độ ổn định phân tán của vật liệu GNPs-COOH theo thời gian nghiền. - Chương 4: Trong chương này các kết quả nghiên cứu về tính chất của lớp mạ điện Ni gia cường vật liệu GNPs được trình bày chi tiết. Cụ thể là trình bày các nghiên cứu về cấu trúc của lớp mạ điện, sự ảnh hưởng của kích thước vật liệu GNPs- COOH đến độ cứng tế vi, tính chất chống mài mòn, và chống ăn mòn của lớp mạ điện Ni gia cường bằng vật liệu GNPs-COOH. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP MẠ ĐIỆN NIKEN GIA CƯỜNG VẬT LIỆU GRAPHENE Nội dung chính của chương này là tổng quan về các đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu Gr, các phương pháp tổng hợp vật liệu Gr với số lượng lớn và diện tích lớn, trình bày các phương pháp biến tính bề mặt vật liệu Gr.
Tổng quan về công nghệ chế tạo lớp mạ điện Ni nói chung và lớp mạ điện Ni gia cường bằng vật liệu Gr nói riêng. Bên cạnh đó các cơ chế gia cường trong vật liệu compozit kim loại cũng được trình bày chi tiết. Giới thiệu về vật liệu graphene Hình 1. Các dạng thù hình của vật liệu cácbon [49] Gr là một dạng thù hình của cácbon (Hình 1.1) ngoài các dạng thù hình đã được biết đến trước đó như cácbon vô định hình, graphit, kim cương, fulleren, ống nano cácbon được khám phá vào năm 2004 bởi Novoselov và cộng sự.
Phát hiện này đã mở ra một lĩnh vực khoa học mới đầy triển vọng, nổi lên như "một ngôi sao đang lên nhanh chóng trên đường chân trời của khoa học vật liệu và vật lý các chất 6 đậm đặc" và cho thấy tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn [98]. Trong Gr, mỗi nguyên tử cácbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cácbon khác hình thành nên mạng phẳng hai chiều với các ô hình lục giác [23]. Do đó mỗi nguyên tử cácbon trong mạng còn thừa một điện tử, các điện tử còn lại này có thể chuyển động tự do trong mặt phẳng Gr, với cấu trúc như thế Gr sở hữu những tính chất vật lý đặc biệt. Do đó, chỉ trong thời gian ngắn đã có rất nhiều nghiên cứu cơ bản và ứng dụng trên Gr và vật liệu cấu trúc nano trên nền Gr được thực hiện [95, 96].
Tính chất của vật liệu graphene 1. Tính chất điện Kể từ khi được phát hiện, vật liệu Gr đã thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học bởi các tính chất điện cũng như các tính chất cơ, quang và hóa học đặc biệt của chúng. Trong cấu trúc điện tử của vật liệu Gr vùng hóa trị và vùng dẫn tiếp xúc nhau tại sáu điểm Dirac trong vùng Brillouin, vì vậy Gr được xem như là vật liệu trung gian giữa kim loại và bán dẫn. Do các hạt mang điện bên trong Gr biểu hiện như các hạt tương đối tính không khối lượng (hạt fermion Dirac) [98] nên vật liệu Gr thể hiện hiệu ứng Hall lượng tử dị thường [163], độ linh động của điện tử cao tại nhiệt độ phòng (>200.
Hơn nữa sự vận chuyển ballistic của các hạt mang điện luôn có giá trị ở kích thước micron tại nhiệt độ phòng [15]. Điện trở suất của vật liệu Gr thấp (1 ×10-8 Ω.m) thậm chí thấp hơn cả bạc (1,59×10-8 Ω. Tính chất nhiệt Phép đo ban đầu về độ dẫn nhiệt của Gr được thực hiện trên Gr đơn lớp ở dạng huyền phù với giá trị đo được là 5300 W/(mK) [14]. Giá trị đo được của độ dẫn nhiệt của Gr cao hơn các nghiên cứu khác của vật liệu CNT (3000 W/(mK) đối với CNT đa tường [98] và 3500 W/(mK) [105] với CNT đơn tường).
Một số nghiên cứu sau đó cho thấy kết quả công bố ban đầu về độ dẫn nhiệt của Gr được đánh giá quá cao, tuy nhiên các kết quả đo độ dẫn nhiệt vẫn thu được trong khoảng từ 1500 7 W/(mK) đến 2500 W/(m. Điều này chỉ ra rằng Gr là vật liệu có tính dẫn nhiệt rất cao, mang lại tiềm năng ứng dụng lớn trong các ứng dụng quản lý nhiệt [47, 107]. Tính chất quang Vật liệu Gr đơn lớp được báo cáo với độ hấp thụ quang 2,3%, hệ số phản xạ không đáng kể (<0,1%) đối với ánh sáng trắng [93]. Sự hấp thụ ánh sáng gia tăng tuyến tính theo số lớp Gr, độ dày tấm Gr tăng thêm một lớp tương ứng với độ hấp thụ ánh sáng tăng thêm 2,3 %.
Do các hiệu ứng giao thoa tăng cường mạnh mẽ độ tương phản quang học, vật liệu Gr trên đế Si/SiO2 có thể được tạo hình theo tỉ lệ độ tương phản tuyến tính với số lượng lớp Gr [63]. Sự kết hợp giữa các tính chất quang và tính chất điện của vật liệu Gr đã mở ra hướng nghiên cứu mới trong các ứng dụng quang tử và quang điện tử [18] như là điện cực dẫn điện trong suốt [76], bộ tách sóng hồng ngoại [89], thiết bị phát quang [141], màn hình cảm ứng [12], pin mặt trời [149], và các thiết bị terahertz [118]… 1. Tính chất cơ học Gr được đánh giá là vật liệu “mạnh nhất” từng biết, cứng hơn 200 lần so với thép có cùng trọng lượng [42]. Ban đầu, các phép đo các tính chất cơ học được thực hiện với kính hiển vi lực nguyên tử [72].
Kết quả cho thấy sức bền kéo là 130 GPa, mô-đun Young 1 TPa, biến dạng phá hủy lên đến 12% [72]. Biến dạng nén và độ bền kéo của Gr được đo bằng phương pháp quang phổ Raman thông qua việc theo dõi sự thay đổi của đỉnh G và đỉnh 2D dưới tác dụng của lực căng. Kết quả nghiên cứu cho thấy Gr có thể duy trì biến dạng kéo trên 1,3%, trong khi biến dạng nén với tải tối đa là 0,7% [133]. Hơn nữa, các sai hỏng trong cấu trúc Gr trong quá trình nghiên cứu đã được chứng minh là làm giảm độ bền cơ học so với vật liệu Gr ban đầu [159].
Những tính chất cơ học đáng chú ý của graphene đã được khai thác để gia cường cho nền vật liệu polymer. Một nghiên cứu được công bố cho thấy rằng khi thêm thành phần Gr với hàm lượng 0,1% vào nền polymer thì toàn bộ tính chất 8 cơ học của cấu trúc compozit này như mô-đun Young, độ bền kéo được tăng cường đáng kể so với nền polymer ban đầu [44, 109]. Tính không thấm Bằng phương pháp thực nghiệm Gr đã được chứng minh là không để cho các loại khí thấm qua bao gồm cả khí He [19]. Ngoài ra một vật liệu Gr đơn lớp hoàn hảo cũng không cho khí H2 thấm qua ở điều kiện môi trường không khí, do hàng rào năng lượng quá cao nên không thể xảy ra hiệu ứng xuyên hầm qua đám mây điện tử dày đặc của Gr [86].
Tuy nhiên người ta chứng minh bằng thực nghiệm rằng Gr ban đầu không khuyết tật rất dễ thấm qua bởi các proton nhiệt ở điều kiện môi trường không khí [55]. Với vật liệu Gr hai lớp chồng lên nhau AB, trong đó các nguyên tử cácbon của lớp thứ nhất được xếp chồng lên tại tâm vòng lục giác của lớp thứ hai, các proton nhiệt không thể xuyên qua [55]. Ngoài ra, đối với vật liệu Gr trong các dung dịch nước, proton có thể xuyên qua lớp Gr tại các vị trí khuyết tật của vật liệu này thông qua cơ chế Grotthuss [3]. Một số tính chất khác Gr có diện tích bề mặt riêng rất lớn theo lý thuyết là 2630 m2/g theo kết quả của công bố [125] cũng như tỉ lệ kích thước cao (tỉ số giữa đường kính và chiều dày).
Khả năng thấm ướt và năng lượng tự do bề mặt của Gr được công bố bởi S. Wang và cộng sự [143]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, Gr là vật liệu kỵ nước với góc tiếp xúc nước là 127o, cao hơn so với graphit với góc tiếp xúc 98,3o. Năng lượng bề mặt của Gr trong N2 khô (tương tác giữa Gr và N2) được báo cáo là khoảng 115 mJ/m2 [135].
Ngoài ra các kết quả đo từ thực nghiệm cho thấy năng lượng bám dính của Gr được lắng đọng pha hơi hóa học trên đế Cu và Ni lần lượt là 12,8 J/m2 và 72,7 J/m2 tương ứng [34]. Phương pháp tổng hợp vật liệu graphene Kể từ khi vật liệu Gr được khám phá bởi Geim và cộng sự vào năm 2004 [99] bằng phương pháp bóc tách cơ học, phương pháp được biết đến với tên gọi khác là 9 phương pháp băng dính, hàng loạt phương pháp tổng hợp Gr khác được đưa ra [27] bao gồm bóc tách graphite tự nhiên, CVD, PE-CVD, phóng điện hồ quang, bóc tách vi cơ graphit, epitaxi mọc Gr lên bề mặt đế cách điện, mở vòng CNT, khử dung dịch GO,… Trong nội dung này, chúng tôi chỉ tổng quan một số phương pháp đặc trưng được sử dụng để chế tạo vật liệu Gr hiên nay. Các phương pháp tiếp cận từ dưới lên 1. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học Quá trình tổng hợp vật liệu Gr bằng phương pháp CV D lần đầu được thực hiện với chất nền là Cu và Ni cùng các khí tiền chất là CH4 và C2H2 [67, 75, 110, 157].
Kỹ thuật này đã trở thành một phương pháp phổ biến và đầy triển vọng trong tổng hợp vật liệu Gr chất lượng cao với kích thước lớn [121].