I. Tổng Quan Vật Liệu Composite BaTiO3 Tiềm Năng Ứng Dụng
Vật liệu composite, được tạo ra từ sự kết hợp của nhiều vật liệu khác nhau, đang ngày càng chứng tỏ ưu thế vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Đặc biệt, vật liệu composite nền polymer nổi bật với độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường khắc nghiệt. Trong các ngành chế tạo máy, xây dựng và công nghiệp, vật liệu composite polymer (nhựa composite) ngày càng được ưa chuộng nhờ độ bền và khả năng chống chịu thời tiết. Tuy nhiên, mọi vật liệu đều trải qua quá trình lão hóa, ăn mòn và cần được thay thế. Do đó, việc nghiên cứu cơ chế kết dính, lão hóa và biến đổi cấu trúc của vật liệu composite polymer là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này sử dụng phổ hồng ngoại để khảo sát ảnh hưởng của môi trường đến tính chất của hệ vật liệu composite nền epoxy/nano-BaTiO3, góp phần đánh giá độ bền của vật liệu polymer nanocomposite chứa hạt nano áp điện trên nền epoxy trong quá trình sử dụng.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Vật Liệu Composite Polymer
Vật liệu composite polymer được cấu tạo từ hai thành phần chính: vật liệu nền (matrix) và chất gia cường (reinforcement). Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các chất gia cường thành một khối thống nhất, trong khi chất gia cường được đưa vào pha nền để tăng cường cơ tính, khả năng kết dính, chống mài mòn và chống xước. Ngoài ra, còn có các chất xúc tiến đóng rắn, chất màu, chất phụ gia chống dính và chất chống cháy. Khả năng liên kết giữa các thành phần rất quan trọng, vật liệu càng bền khi các thành phần liên kết càng chặt chẽ.
1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Vật Liệu Composite BaTiO3
Vật liệu composite chứa BaTiO3 hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng nhờ sự kết hợp giữa tính chất cơ học của polymer và tính chất điện môi, áp điện của BaTiO3. Các ứng dụng bao gồm cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, thiết bị thu hoạch năng lượng và các thiết bị điện tử linh hoạt. Việc điều chỉnh kích thước hạt BaTiO3, nồng độ và phương pháp phân tán trong nền polymer có thể tối ưu hóa các tính chất của vật liệu composite cho từng ứng dụng cụ thể.
II. Thách Thức Giải Pháp Chế Tạo Vật Liệu BaTiO3 Composite
Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc chế tạo vật liệu composite BaTiO3 vẫn đối mặt với một số thách thức. Phân tán đồng đều các hạt BaTiO3 trong nền polymer là một vấn đề quan trọng, vì sự kết tụ có thể làm giảm hiệu quả của vật liệu. Khả năng tương thích giữa BaTiO3 và polymer cũng cần được cải thiện để tăng cường độ bền và tính chất cơ học của composite. Các phương pháp biến tính bề mặt BaTiO3 và lựa chọn polymer phù hợp là những giải pháp tiềm năng để vượt qua những thách thức này. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Dung (2019) đã sử dụng phổ hồng ngoại để khảo sát ảnh hưởng của môi trường đến tính chất của hệ vật liệu composite nền epoxy/nano-BaTiO3.
2.1. Vấn Đề Phân Tán Hạt Nano BaTiO3 Trong Nền Polymer
Sự phân tán không đồng đều của các hạt nano BaTiO3 trong nền polymer có thể dẫn đến sự hình thành các vùng tập trung, làm giảm tính chất cơ học và điện môi của vật liệu composite. Để giải quyết vấn đề này, cần sử dụng các phương pháp phân tán hiệu quả như khuấy trộn siêu âm, sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc biến tính bề mặt hạt nano để cải thiện khả năng tương thích với polymer.
2.2. Cải Thiện Khả Năng Tương Thích Giữa BaTiO3 và Polymer
Khả năng tương thích kém giữa BaTiO3 và polymer có thể dẫn đến sự tách pha và giảm độ bền của vật liệu composite. Biến tính bề mặt BaTiO3 bằng các chất silane hoặc các polymer tương thích có thể cải thiện khả năng tương thích và tăng cường liên kết giữa hai pha. Lựa chọn polymer có nhóm chức tương tác tốt với bề mặt BaTiO3 cũng là một giải pháp hiệu quả.
2.3. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Composite BaTiO3 Tiên Tiến
Các phương pháp chế tạo vật liệu composite tiên tiến như đúc khuôn, ép nóng, in 3D và kéo sợi tĩnh điện có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite BaTiO3 với cấu trúc và tính chất được kiểm soát. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Composite BaTiO3 Hiệu Quả
Việc tổng hợp vật liệu composite BaTiO3 đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số quy trình để đảm bảo chất lượng và tính chất mong muốn. Các phương pháp tổng hợp phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp trộn cơ học. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Theo Nguyễn Xuân Hoàn, việc thực hiện thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Nhiệt động học và Hóa keo, Bộ môn Hóa lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận các đề tài khoa học.
3.1. Phương Pháp Sol Gel Trong Tổng Hợp BaTiO3 Composite
Phương pháp sol-gel là một phương pháp hóa học ướt được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các vật liệu nano, bao gồm cả BaTiO3. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt, hình dạng và thành phần của vật liệu. Quá trình sol-gel bao gồm việc tạo ra một sol (hệ keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển đổi sol thành gel và cuối cùng là nung kết để tạo ra vật liệu BaTiO3.
3.2. Phương Pháp Thủy Nhiệt Để Chế Tạo Vật Liệu BaTiO3
Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp tổng hợp trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt BaTiO3 có độ tinh khiết cao và kích thước đồng đều. Quá trình thủy nhiệt thường được thực hiện trong một bình phản ứng kín (autoclave) để kiểm soát áp suất và nhiệt độ.
3.3. Trộn Cơ Học Giải Pháp Đơn Giản Cho BaTiO3 Composite
Phương pháp trộn cơ học là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để trộn các hạt BaTiO3 với nền polymer. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite với nồng độ hạt cao. Tuy nhiên, việc phân tán đồng đều các hạt nano có thể là một thách thức.
IV. Phân Tích Tính Chất Vật Liệu BaTiO3 Composite Bằng FTIR
Phân tích FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) là một kỹ thuật quan trọng để xác định thành phần và cấu trúc của vật liệu composite BaTiO3. Phổ FTIR cung cấp thông tin về các nhóm chức hóa học có mặt trong vật liệu, cho phép đánh giá sự tương tác giữa BaTiO3 và polymer, cũng như sự biến đổi cấu trúc do tác động của môi trường. Theo lời cảm ơn của Nguyễn Thị Dung, việc sử dụng phần mềm Origin 9 để ứng dụng xử lý số liệu dùng cho luận văn đã được Phạm Trọng Lâm hướng dẫn và giúp đỡ.
4.1. Xác Định Nhóm Chức Hóa Học Trong Vật Liệu BaTiO3
Phổ FTIR cho phép xác định các nhóm chức hóa học đặc trưng của BaTiO3 và polymer, như nhóm Ti-O, Ba-O, C-O, C=O và N-H. Sự xuất hiện hoặc biến mất của các đỉnh phổ có thể cung cấp thông tin về sự hình thành liên kết hóa học hoặc sự phân hủy của các nhóm chức.
4.2. Đánh Giá Tương Tác Giữa BaTiO3 và Polymer Bằng FTIR
Sự thay đổi vị trí và cường độ của các đỉnh phổ FTIR có thể cho biết về sự tương tác giữa BaTiO3 và polymer. Ví dụ, sự dịch chuyển của đỉnh C=O có thể cho thấy sự hình thành liên kết hydro giữa polymer và bề mặt BaTiO3.
4.3. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Môi Trường Đến Vật Liệu BaTiO3
Phân tích FTIR có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng UV) đến sự biến đổi cấu trúc của vật liệu composite BaTiO3. Sự thay đổi của phổ FTIR theo thời gian có thể cung cấp thông tin về quá trình lão hóa và phân hủy của vật liệu.
V. Ứng Dụng Thực Tế Vật Liệu Composite BaTiO3 Cảm Biến Năng Lượng
Với những tính chất ưu việt, vật liệu composite BaTiO3 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực cảm biến, vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và cảm biến nhiệt độ. Trong lĩnh vực năng lượng, vật liệu composite BaTiO3 có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị thu hoạch năng lượng từ rung động và nhiệt. Ngoài ra, vật liệu này còn có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử linh hoạt và các thiết bị y sinh. Nghiên cứu của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia Việt Nam (Nafosted mã số 104.328) đã hỗ trợ một phần kinh phí để hoàn thành luận văn này.
5.1. Ứng Dụng Vật Liệu BaTiO3 Trong Cảm Biến Áp Suất
Tính chất áp điện của BaTiO3 cho phép vật liệu này chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, mở ra khả năng ứng dụng trong các cảm biến áp suất. Vật liệu composite có thể được thiết kế để tối ưu hóa độ nhạy và dải đo của cảm biến.
5.2. Thu Hoạch Năng Lượng Từ Rung Động Với BaTiO3
Rung động cơ học có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện bằng cách sử dụng vật liệu composite BaTiO3. Các thiết bị thu hoạch năng lượng này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ hoặc các cảm biến không dây.
5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Thiết Bị Điện Tử Linh Hoạt
Tính linh hoạt của polymer kết hợp với tính chất điện môi của BaTiO3 tạo ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử linh hoạt, như màn hình dẻo, cảm biến đeo và các thiết bị điện tử có thể uốn cong.
VI. Xu Hướng Phát Triển Vật Liệu BaTiO3 Composite Tương Lai Nào
Nghiên cứu và phát triển vật liệu composite BaTiO3 đang tiếp tục được đẩy mạnh trên toàn thế giới. Các xu hướng phát triển chính bao gồm việc cải thiện khả năng phân tán và tương thích của BaTiO3 trong nền polymer, phát triển các phương pháp tổng hợp mới để tạo ra vật liệu với cấu trúc và tính chất được kiểm soát, và khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Sự quan tâm và giúp đỡ từ gia đình và bạn bè đã giúp học viên Nguyễn Thị Dung hoàn thành báo cáo luận văn này.
6.1. Nghiên Cứu Vật Liệu Nano BaTiO3 Biến Tính
Biến tính bề mặt BaTiO3 bằng các chất hữu cơ hoặc polymer có thể cải thiện khả năng phân tán và tương thích của vật liệu trong nền polymer, đồng thời tăng cường các tính chất điện môi và cơ học.
6.2. Phát Triển Vật Liệu Đa Lớp BaTiO3 Composite
Vật liệu đa lớp có thể được thiết kế để kết hợp các tính chất khác nhau, như độ bền cơ học cao và tính chất điện môi tốt. Các lớp BaTiO3 và polymer có thể được xếp chồng lên nhau để tạo ra vật liệu với hiệu suất vượt trội.
6.3. Ứng Dụng Vật Liệu BaTiO3 Trong Y Sinh Học
Vật liệu composite BaTiO3 có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị y sinh học, như cảm biến sinh học, thiết bị cấy ghép và các vật liệu phục hồi chức năng. Tính tương thích sinh học và khả năng điều chỉnh tính chất là những yếu tố quan trọng cho các ứng dụng này.
