Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nanocomposite Cu/CNTs (đồng/ống nanô cacbon) là một lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến, thu hút sự quan tâm lớn trong ngành vật liệu và linh kiện nano. Với độ bền cơ học cao, độ dẫn điện và nhiệt tốt, vật liệu này hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử, tiếp điểm điện và các thiết bị đòi hỏi tính chất cơ lý ưu việt. Theo ước tính, ống nanô cacbon (CNTs) có suất Young lên đến 1 TPa và độ bền kéo tới 63 GPa, vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong chế tạo vật liệu Cu/CNTs nanocomposite là phân tán đồng đều CNTs trong nền đồng (Cu) để đảm bảo tính chất gia cường tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu Cu/CNTs nanocomposite bằng phương pháp luyện kim bột truyền thống, tập trung vào việc biến tính CNTs để cải thiện sự phân tán và tương tác giữa CNTs và nền Cu. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong giai đoạn 2010, với phạm vi khảo sát tỷ lệ CNTs gia cường từ 1% đến 3,5% theo khối lượng và nhiệt độ thiêu kết từ 850°C đến 950°C.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển vật liệu mới có tính năng vượt trội mà còn mở ra các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp điện tử, hàng không vũ trụ và các thiết bị điện có yêu cầu cao về độ bền, độ cứng và tính dẫn điện. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nanocomposite tại Việt Nam, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu tiên tiến trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu nanocomposite nền kim loại và vật liệu CNTs, bao gồm:

  • Cấu trúc và tính chất của CNTs: CNTs có cấu trúc ống nanô cacbon với các dạng đơn tường (SWCNTs) và đa tường (MWCNTs). Tính chất cơ học vượt trội với suất Young khoảng 1 TPa, độ bền kéo 63 GPa, cùng khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Tính chất điện của CNTs phụ thuộc vào véc tơ chiral (n,m), quyết định CNTs là kim loại hay bán dẫn.

  • Vật liệu composite nền kim loại: Vật liệu composite gồm hai pha chính là nền (matrice) và cốt (reinforce). Trong nanocomposite Cu/CNTs, đồng là nền kim loại, CNTs là cốt gia cường. Tính chất cơ lý của composite phụ thuộc vào sự phân bố, liên kết giữa nền và cốt, cũng như tỷ lệ phần trăm cốt.

  • Biến tính CNTs: Do CNTs có tính trơ hóa học và dễ tụ đám, việc biến tính hóa học bằng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4 nhằm gắn nhóm chức –COOH lên bề mặt CNTs giúp tăng khả năng phân tán và tương tác với nền kim loại.

  • Phương pháp luyện kim bột: Là kỹ thuật chế tạo vật liệu bằng cách trộn bột kim loại và CNTs, ép tạo hình và thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường bảo vệ để tạo liên kết bền vững giữa các hạt, đảm bảo tính đồng nhất và cơ tính của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng CNTs đa tường (MWCNTs) chế tạo bằng phương pháp CVD, bột đồng thương mại độ sạch >99%, kích thước hạt 2-3 µm.

  • Quy trình biến tính CNTs: CNTs được xử lý bằng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4 (tỷ lệ 1:3) ở 80°C trong 4 giờ, kết hợp rung siêu âm 4 giờ để gắn nhóm –COOH, sau đó lọc rửa và sấy khô.

  • Chế tạo vật liệu Cu/CNTs nanocomposite: Hỗn hợp bột Cu và CNTs biến tính được trộn bằng máy nghiền hành tinh 6 giờ ở 300 vòng/phút, tỷ lệ CNTs từ 1% đến 3,5% theo khối lượng. Hỗn hợp được ép khuôn với lực 2.5 tấn/cm², tạo hình mẫu trụ đường kính 20 mm. Mẫu sau đó được thiêu kết trong môi trường khí N2 ở nhiệt độ 850°C, 900°C và 950°C trong 2 giờ.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) để xác định nhóm chức trên CNTs, phổ Raman đánh giá cấu trúc và defect, phổ TGA khảo sát độ bền nhiệt, kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát sự phân tán CNTs trong nền Cu, đo độ cứng Brinell (HB), khảo sát độ bền mài mòn và hệ số ma sát bằng thiết bị Phoenix Tribology TE 53SLIM.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện với nhiều mẫu có tỷ lệ CNTs khác nhau, khảo sát tính chất ở ba mức nhiệt độ thiêu kết, tổng thời gian nghiên cứu khoảng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả biến tính CNTs: Phân tích FTIR cho thấy sự xuất hiện rõ rệt của nhóm –COOH với pic đặc trưng tại 1707 cm⁻¹ và 3431 cm⁻¹ trên CNTs biến tính, chứng minh thành công quá trình biến tính. Phổ Raman ghi nhận tỉ lệ ID/IG tăng, cho thấy sự gia tăng defect do biến tính, hỗ trợ phân tán tốt hơn. Phổ TGA cho thấy CNTs biến tính có độ suy hao khối lượng ~12% do nhóm chức hữu cơ, cao hơn CNTs chưa biến tính (~3%), xác nhận sự gắn nhóm chức.

  2. Sự phân tán CNTs trong nền Cu: Ảnh SEM cho thấy CNTs chưa biến tính tụ đám thành các cụm lớn, không phân tán đồng đều trong nền Cu. Ngược lại, CNTs biến tính phân tán tốt, các sợi CNTs riêng biệt xen kẽ đều trong bột Cu, tạo điều kiện gia cường hiệu quả.

  3. Ảnh hưởng tỷ lệ CNTs đến tính chất cơ lý: Độ cứng Brinell của vật liệu Cu/CNTs tăng rõ rệt khi tỷ lệ CNTs gia cường tăng từ 1% đến 3,5%, với mức tăng khoảng 15-25% so với đồng nguyên chất. Độ bền mài mòn cũng cải thiện, giảm hao hụt khối lượng mài mòn khoảng 20% ở tỷ lệ CNTs 3%. Hệ số ma sát giảm đáng kể, đạt giá trị thấp nhất tại tỷ lệ CNTs 1,5%, phù hợp với quy tắc hỗn hợp.

  4. Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết: Nhiệt độ thiêu kết 900°C cho kết quả tối ưu về độ cứng và độ dẫn điện, cao hơn 5-10% so với 850°C và 950°C. Nhiệt độ quá cao làm tăng kích thước hạt, giảm tính đồng nhất, ảnh hưởng xấu đến cơ tính.

Thảo luận kết quả

Việc biến tính CNTs bằng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4 đã thành công trong việc gắn nhóm –COOH, làm tăng tính tương tác hóa học và giảm lực hút Van der Waals giữa các ống CNTs, từ đó cải thiện sự phân tán trong nền Cu. Kết quả SEM minh chứng rõ ràng sự khác biệt về phân bố CNTs giữa mẫu biến tính và chưa biến tính, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của vật liệu nanocomposite.

Sự gia tăng độ cứng và độ bền mài mòn theo tỷ lệ CNTs phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy CNTs là vật liệu gia cường hiệu quả, nâng cao tính năng vật liệu đồng truyền thống. Nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng đến cấu trúc hạt và liên kết giữa các pha, nhiệt độ 900°C là điểm cân bằng giữa độ kết dính và hạn chế sự phát triển hạt lớn.

Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ CNTs và độ cứng, độ bền mài mòn, cũng như hệ số ma sát sẽ minh họa rõ ràng xu hướng cải thiện tính chất vật liệu. Bảng so sánh phổ Raman và FTIR trước và sau biến tính CNTs cũng giúp làm rõ hiệu quả biến tính.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo quốc tế về vật liệu nanocomposite Cu/CNTs, đồng thời mở rộng ứng dụng thực tiễn trong sản xuất các linh kiện điện tử và thiết bị chịu mài mòn cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình biến tính CNTs: Áp dụng biến tính bằng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4 kết hợp rung siêu âm để đảm bảo gắn nhóm –COOH hiệu quả, tăng khả năng phân tán CNTs. Thời gian biến tính nên duy trì khoảng 4 giờ ở 80°C, kết hợp 4 giờ rung siêu âm, do phòng thí nghiệm có thể kiểm soát tốt điều kiện này.

  2. Kiểm soát tỷ lệ CNTs gia cường: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ CNTs từ 1,5% đến 3% theo khối lượng để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng, độ bền mài mòn và tính dẫn điện. Tỷ lệ này phù hợp với mục tiêu nâng cao cơ tính mà không làm giảm tính dẫn điện quá mức.

  3. Điều chỉnh nhiệt độ thiêu kết: Nên duy trì nhiệt độ thiêu kết ở khoảng 900°C trong 2 giờ trong môi trường khí N2 bảo vệ để đảm bảo cấu trúc hạt mịn, liên kết bền vững và hạn chế sự phát triển hạt lớn gây giảm cơ tính.

  4. Phát triển quy trình nghiền hỗn hợp: Sử dụng máy nghiền hành tinh với tốc độ 300 vòng/phút trong 6 giờ để trộn đồng đều bột Cu và CNTs biến tính, đảm bảo phân tán đồng nhất, làm nền tảng cho các bước tạo hình và thiêu kết tiếp theo.

  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu vật liệu, phòng thí nghiệm công nghệ luyện kim bột và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu composite có thể áp dụng các giải pháp trên để phát triển vật liệu Cu/CNTs nanocomposite chất lượng cao trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và linh kiện nano: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về biến tính CNTs và chế tạo nanocomposite Cu/CNTs, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu nanô.

  2. Kỹ sư công nghệ luyện kim bột: Tham khảo quy trình chế tạo vật liệu Cu/CNTs bằng luyện kim bột, từ biến tính CNTs, trộn bột, ép khuôn đến thiêu kết, giúp tối ưu hóa công nghệ sản xuất vật liệu composite.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu composite và linh kiện điện tử: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu tiếp điểm điện, chổi than, điện cực có yêu cầu cao về độ bền, độ cứng và tính dẫn điện.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật liệu và kỹ thuật vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích tính chất vật liệu nanocomposite, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần biến tính CNTs trước khi chế tạo nanocomposite?
    Biến tính CNTs giúp gắn các nhóm chức hóa học như –COOH lên bề mặt, làm giảm lực hút Van der Waals giữa các ống, tăng khả năng phân tán đồng đều trong nền kim loại, từ đó cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu composite.

  2. Phương pháp luyện kim bột có ưu điểm gì so với luyện kim truyền thống?
    Luyện kim bột cho phép chế tạo vật liệu composite ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, tránh làm cháy CNTs, đồng thời tạo cấu trúc đồng nhất, giảm hao hụt nguyên liệu và dễ dàng tạo hình các chi tiết phức tạp.

  3. Tỷ lệ CNTs gia cường ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Tỷ lệ CNTs gia cường tăng sẽ nâng cao độ cứng, độ bền mài mòn và giảm hệ số ma sát, tuy nhiên vượt quá mức tối ưu có thể gây tụ đám CNTs, làm giảm tính đồng nhất và ảnh hưởng xấu đến tính dẫn điện.

  4. Nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng ra sao đến vật liệu Cu/CNTs?
    Nhiệt độ thiêu kết quá thấp không đủ để tạo liên kết bền vững giữa các hạt, còn quá cao làm tăng kích thước hạt, giảm tính đồng nhất và cơ tính. Nhiệt độ khoảng 900°C được xác định là tối ưu trong nghiên cứu này.

  5. Các phương pháp phân tích nào được sử dụng để đánh giá vật liệu nanocomposite?
    Phổ FTIR xác định nhóm chức trên CNTs, phổ Raman đánh giá cấu trúc và defect, phổ TGA khảo sát độ bền nhiệt, SEM quan sát sự phân tán CNTs, đo độ cứng Brinell và khảo sát độ bền mài mòn đánh giá tính chất cơ lý.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc biến tính CNTs bằng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4, gắn nhóm –COOH giúp cải thiện sự phân tán trong nền Cu.
  • Chế tạo vật liệu Cu/CNTs nanocomposite bằng phương pháp luyện kim bột với tỷ lệ CNTs từ 1% đến 3,5% và nhiệt độ thiêu kết 850-950°C.
  • Vật liệu nanocomposite Cu/CNTs biến tính có độ cứng tăng 15-25%, độ bền mài mòn cải thiện và hệ số ma sát giảm so với đồng nguyên chất.
  • Nhiệt độ thiêu kết 900°C được xác định là điều kiện tối ưu cho cơ tính và tính dẫn điện của vật liệu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng vật liệu Cu/CNTs nanocomposite trong các linh kiện điện tử và thiết bị chịu mài mòn cao, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn, mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp điện tử và hàng không vũ trụ. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp để phát triển vật liệu nanocomposite Cu/CNTs chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.