Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu compozit cacbon-cacbon (CCC) là một trong những vật liệu chiến lược quan trọng trong ngành kỹ thuật cao, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ. Với khả năng chịu nhiệt độ cao lên đến trên 2500°C, độ bền cơ học lớn (độ bền kéo từ 100 đến 1000 MPa) và tính ổn định hóa học vượt trội, CCC đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao như loa phụt tên lửa, chóp khí động, piston động cơ và các chi tiết chịu tải nhiệt lớn khác. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo phôi trung gian vật liệu compozit cacbon-cacbon có chứa ống nano cacbon đa tường (MWCNT) định hướng, nhằm nâng cao tính chất cơ lý và khả năng chịu nhiệt của vật liệu, phục vụ cho kỹ thuật quân sự.

Mục tiêu chính của luận văn là phân tích, đánh giá chất lượng nguyên vật liệu đầu vào, xác lập các chế độ công nghệ tối ưu như áp lực ép, hàm lượng MWCNT, tỷ lệ phối liệu giữa vải cacbon, nhựa phenolformandehit (PF), bột graphit và MWCNT để chế tạo phôi trung gian CCC bằng phương pháp ép thủy lực có gia nhiệt, sau đó xử lý nhiệt cacbon hóa. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian và địa điểm tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Bộ Quốc phòng, với nguyên liệu nhập khẩu và sản xuất trong nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế tạo vật liệu CCC chất lượng cao, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong kỹ thuật quân sự và các ngành công nghiệp kỹ thuật cao khác.

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 compozit cacbon-cacbon, cấu trúc và tính chất của các dạng thù hình cacbon, cũng như ảnh hưởng của ống nano cacbon đa tường (MWCNT) đến tính chất vật liệu. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cấu trúc và tính chất của vật liệu compozit cacbon-cacbon: CCC là vật liệu tổ hợp gồm nền cacbon và cốt sợi cacbon hoặc graphit, có thể gia cường bằng vật liệu nano như MWCNT. Cấu trúc vật liệu có thể là 1D, 2D, 3D hoặc 4D, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu. Các dạng nền cacbon phổ biến gồm pirocacbon, thủy tinh cacbon và cacbon trên cơ sở hắc ín, mỗi loại có đặc trưng về độ bền, độ xốp và tính dẫn nhiệt khác nhau.

  2. Lý thuyết ảnh hưởng của ống nano cacbon đa tường (MWCNT): MWCNT có kích thước đường kính 20-80 nm, chiều dài 10-100 μm, độ tinh khiết trên 90%, có khả năng gia cường vật liệu compozit nhờ tăng cường liên kết giữa cốt sợi và nền, cải thiện mật độ, độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt. Việc định hướng MWCNT trong phôi trung gian giúp tối ưu hóa tính chất vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ trọng biểu kiến (ρbk), độ xốp tổng (φtổng), độ xốp hở (φhở), cacbon hóa, graphit hóa, và các phương pháp xử lý nhiệt nhằm cải thiện cấu trúc tinh thể và tính chất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm nguyên vật liệu: vải cacbon môđun đàn hồi cao Culon-500 (khối lượng riêng ~1,9 g/cm³), bột nano graphit (>99% cacbon, khối lượng riêng 2,08 g/cm³), ống nano cacbon đa tường MWCNT sản xuất trong nước, và nhựa phenolformandehit dạng novolac tổng hợp tại Viện Hóa học - Vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Phân tích chất lượng nguyên vật liệu: sử dụng phương pháp cân thủy tĩnh để xác định tỷ trọng biểu kiến và độ xốp; phân tích nhiệt vi sai (DSC) để đánh giá tính chất nhiệt; hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt và hình thái học; nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.

  • Quy trình chế tạo phôi trung gian: phối trộn nhựa nền PF với bột graphit và MWCNT, tẩm nhựa lên vải cacbon đã xử lý bề mặt bằng axit nitric, ép thủy lực có gia nhiệt với áp lực từ 50 đến 200 MPa, sau đó tiến hành cacbon hóa bằng xử lý nhiệt.

  • Timeline nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, với các bước chính gồm chuẩn bị nguyên liệu, xử lý bề mặt vải cacbon, phối trộn nhựa nền, ép tạo hình phôi trung gian, và phân tích đánh giá tính chất vật liệu.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu phôi với các tỷ lệ phối liệu và áp lực ép khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố đến tính chất vật liệu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên thiết kế thí nghiệm có kiểm soát nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT đến khả năng cốc hóa của nhựa PF: Khi tăng hàm lượng MWCNT từ 0% đến 5%, hàm lượng cốc hóa của nhựa PF tăng từ khoảng 45% lên đến 60%, cho thấy MWCNT giúp cải thiện quá trình cacbon hóa, tăng độ bền nhiệt của nền cacbon.

  2. Ảnh hưởng của áp lực ép đến chất lượng bề mặt phôi trung gian: Áp lực ép tăng từ 50 MPa đến 200 MPa làm giảm độ xốp tổng từ khoảng 25% xuống còn 10%, đồng thời tăng tỷ trọng biểu kiến từ 1,5 g/cm³ lên 1,85 g/cm³, cải thiện độ đồng nhất và chất lượng bề mặt phôi.

  3. Ảnh hưởng của thành phần phối liệu đến tỷ trọng và độ xốp phôi trung gian: Tỷ lệ phối liệu vải cacbon/nhựa PF/bột graphit/MWCNT tối ưu là 60/25/10/5 (theo khối lượng), giúp đạt tỷ trọng phôi trung gian khoảng 1,8 g/cm³ và độ xốp tổng dưới 12%, phù hợp cho các ứng dụng chịu nhiệt cao.

  4. Phân tích cấu trúc phôi trung gian: Kết quả XRD và TEM cho thấy cấu trúc graphit hóa bắt đầu hình thành sau xử lý nhiệt, MWCNT được phân bố đều và định hướng trong nền cacbon, tăng cường liên kết giữa cốt sợi và nền, góp phần nâng cao tính chất cơ lý.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc bổ sung MWCNT có tác động tích cực đến quá trình cacbon hóa và cấu trúc vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu nanocompozit. Áp lực ép cao giúp giảm độ xốp, tăng mật độ vật liệu, từ đó cải thiện độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt. So sánh với các vật liệu compozit cacbon-cacbon truyền thống, phôi trung gian chứa MWCNT có độ bền kéo và độ ổn định nhiệt cao hơn khoảng 20-30%.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng MWCNT và tỷ trọng, cũng như bảng so sánh độ xốp và độ bền của các mẫu phôi với áp lực ép khác nhau. Kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của MWCNT và điều chỉnh chế độ ép trong công nghệ chế tạo CCC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng MWCNT trong vật liệu CCC: Đẩy mạnh việc sử dụng ống nano cacbon đa tường với hàm lượng từ 3-5% để nâng cao tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu, hướng tới các ứng dụng chịu nhiệt độ trên 2500°C. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu, trong vòng 2 năm tới.

  2. Tối ưu hóa quy trình ép thủy lực có gia nhiệt: Áp dụng áp lực ép từ 150-200 MPa để giảm độ xốp và tăng mật độ phôi trung gian, đảm bảo chất lượng bề mặt và tính đồng nhất của vật liệu. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy sản xuất vật liệu compozit, trong 1-2 năm.

  3. Phát triển công nghệ xử lý bề mặt vải cacbon: Sử dụng phương pháp xử lý axit nitric để loại bỏ lớp hữu cơ và tăng khả năng liên kết giữa cốt sợi và nền, nâng cao độ bền cơ học của vật liệu. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu vật liệu, trong 1 năm.

  4. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu đầu vào: Thiết lập quy trình đánh giá tỷ trọng, độ xốp, cấu trúc tinh thể và tính chất nhiệt của nguyên liệu nhằm đảm bảo tính ổn định và đồng nhất của sản phẩm cuối cùng. Chủ thể thực hiện: Viện kiểm định và các phòng thí nghiệm, liên tục trong quá trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về công nghệ chế tạo vật liệu compozit cacbon-cacbon, đặc biệt là ứng dụng MWCNT trong nâng cao tính chất vật liệu, phục vụ nghiên cứu phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu kỹ thuật cao: Áp dụng quy trình công nghệ và các thông số kỹ thuật tối ưu để sản xuất phôi trung gian CCC chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong ngành hàng không, quân sự và công nghiệp chế tạo máy.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Đánh giá tiềm năng và định hướng phát triển công nghệ vật liệu mới, hỗ trợ đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nanocompozit trong các lĩnh vực chiến lược.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu: Học tập, tham khảo phương pháp nghiên cứu, quy trình công nghệ và kết quả thực nghiệm để nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu compozit cacbon-cacbon có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    CCC có khả năng chịu nhiệt độ rất cao (>2500°C), độ bền cơ học lớn, hệ số giãn nở nhiệt thấp và tính ổn định hóa học tốt, vượt trội so với kim loại hay vật liệu gốm truyền thống, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật cao như động cơ tên lửa.

  2. Tại sao sử dụng ống nano cacbon đa tường (MWCNT) trong vật liệu CCC?
    MWCNT có kích thước nano, độ bền cơ học và dẫn nhiệt cao, giúp tăng cường liên kết giữa cốt sợi và nền cacbon, cải thiện mật độ và độ bền của vật liệu, đồng thời nâng cao khả năng chịu nhiệt và chống oxi hóa.

  3. Phương pháp ép thủy lực có gia nhiệt ảnh hưởng thế nào đến chất lượng phôi?
    Áp lực ép và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến độ xốp, tỷ trọng và đồng nhất của phôi. Áp lực cao giúp giảm độ xốp, tăng mật độ, cải thiện tính chất cơ lý và bề mặt phôi, từ đó nâng cao chất lượng vật liệu thành phẩm.

  4. Quy trình xử lý bề mặt vải cacbon có vai trò gì?
    Xử lý bề mặt bằng axit nitric loại bỏ lớp hữu cơ và tạp chất, tăng độ bám dính giữa sợi cacbon và nhựa nền, giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của vật liệu compozit.

  5. Ứng dụng thực tế của vật liệu CCC trong kỹ thuật quân sự là gì?
    CCC được sử dụng để chế tạo loa phụt tên lửa, chóp khí động, piston động cơ chịu nhiệt cao, bu lông và đai ốc chịu nhiệt, giúp giảm trọng lượng, tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc chế tạo phôi trung gian vật liệu compozit cacbon-cacbon có chứa ống nano cacbon đa tường định hướng, với tỷ trọng đạt khoảng 1,8 g/cm³ và độ xốp dưới 12%.
  • Hàm lượng MWCNT từ 3-5% giúp tăng cường khả năng cacbon hóa và cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu.
  • Áp lực ép thủy lực có gia nhiệt từ 150-200 MPa là điều kiện tối ưu để tạo phôi có chất lượng bề mặt và cấu trúc đồng nhất.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao công nghệ chế tạo vật liệu CCC phục vụ kỹ thuật quân sự và các ngành công nghiệp kỹ thuật cao.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu xử lý nhiệt graphit hóa và ứng dụng phôi trung gian trong sản xuất chi tiết chịu nhiệt cao trong vòng 2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình công nghệ đã được tối ưu để sản xuất vật liệu compozit cacbon-cacbon chất lượng cao, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng MWCNT trong các loại vật liệu compozit khác.