Chương 1 trình bày về về cấu tạo và tính chất vật liệu FG-CNTRC, tổng quan các nghiên cứu về kết cấu tấm vỏ FG-CNTRC chịu tải trọng cơ nhiệt trong nước và trên thế giới. Trên cơ sở tổng hợp, phân tích, đánh giá, luận án khái quát kết quả đã đạt được và các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu về tính toán kết cấu tấm vỏ FG-CNTRC, từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án. Vật liệu composite cơ tính biến thiên được gia cường bởi ống nano carbon FG-CNTRC 1. Khái niệm vật liệu FG-CNTRC Nanocomposite là một loại vật liệu composite trong đó một hoặc nhiều pha (gọi là vật liệu cốt) ở kích thước nano (nhỏ hơn 100 nm) được nhúng trong vật liệu nền có thể là nền gốm, kim loại hoặc polyme.
Loại vật liệu này được tạo ra bởi các thành phần vô cơ hoặc hữu cơ ở cấp độ phân tử để có được các đặc tính mới. Vật liệu cốt và nền tương tác với nhau thông qua các tương tác yếu như van der Waals, liên kết hydro, tương tác tĩnh điện yếu hoặc bằng liên kết cộng hóa trị [25]. Vật liệu nanocomposite thông thường có mật độ pha cốt phân bố trong pha nền một cách đồng đều, do đó tính chất không đổi theo một phương nhất định. Nanocomposite có cơ tính biến thiên là một cấp độ phát triển cao hơn của vật liệu nanocomposite thông thường.
Vật liệu có cơ tính biến thiên (Functionally Graded Material-FGM) có các tính chất thay đổi theo các hướng ưu tiên nhờ sự thay đổi tỷ lệ của vật liệu thành phần. Dựa trên ý tưởng của vật liệu FGM, vật liệu nanocomposite có cơ tính biến thiên có vật liệu cốt với kích thước nano được phân bố theo các quy luật định trước nhằm tạo ra được cơ tính biến thiên theo hướng ưu tiên [13]. 7 Xét về thành phần có nhiều loại vật liệu nanocomposite có cơ tính biến thiên khác nhau, trong khuôn khổ của đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu nanocomposite cơ tính biến thiên được gia cường bằng ống nano cacbon (Functionally graded carbon nanotube reinforced composites - FG-CNTRC). Ống nano cacbon Ống nano cacbon (Carbon nanotube – CNT) là thành phần quan trọng, quyết định đến đặc tính của vật liệu FG-CNTRC.
CNT được phát hiện đầu tiên bởi Iijima [26] năm 1991. Nhờ ưu điểm độ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ, tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, CNT được coi là một trong những loại vật liệu thế hệ mới đóng vai trò quan trọng trong nghành công nghệ vật liệu nano Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu cốt ống nano cácbon đơn vách và đa vách [27] Vật liệu cốt CNT có hai dạng cấu trúc đơn vách và đa vách. Ống carbon nano đơn vách (single walled carbon nanotube - SWCNT) [28, 29] được tạo thành bằng cách quấn liên tục một lớp graphene đơn nhất tạo thành một hình trụ với đường kính cỡ 1nm và độ dài cỡ vài phần cm. Tương tự như vậy, ống carbon nano đa vách (multi walled carbon nanotube - MWCNT) [26] được tạo thành bằng cách cuốn đồng trục các lớp graphene cách nhau cỡ 0.35nm thành hình trụ có đường kính từ 2 đến 100nm có chiều dài cỡ hàng chục micromet.1 So sánh đặc tính cơ học của CNT với một số loại vật liệu khác [30] Vật liệu ( g cm3 ) E ( GPa ) m ( GPa ) ( %) SWCNT 1.6 1200 150 12 Sợi cacbon M60JB 1.7 Sợi thuỷ tinh kiểu *S* 2.46 10 Thép 17-7 PH RH950 7.005 4 Về đặc tính đàn hồi, Overney và cộng sự [31] đã tính toán độ cứng của SWCNT ngắn và nhận thấy mô-đun Young có giá trị là 1500 GPa, tương tự như mô-đun của graphite.
Năm 1997, Wong và cộng sự [32] đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để đo trực tiếp hằng số độ cứng của một cung MWCNT được ghim ở một đầu. Họ xác định được giá trị mô-đun Young trung bình là 1. Sau đó Wong và cộng sự đã tiếp tục thực hiện khảo sát và xác định độ cứng uốn trung bình của CNT là 14 GPa. Sử dụng AFM để uốn cong một cung MWCNT, được ghim ở mỗi đầu trên một lỗ, Salvetat và cộng sự [33] xác định được mô-đun Young trung bình là 810 GPa.
Ống nano carbon có độ cứng vượt trội hơn so với sợi carbon thông thường với giá trị mô-đun Young lớn hơn 1 TPa và khối lượng riêng chỉ 1. Lu [34] đã xác định được giá trị mô-đun đàn hồi Young của CNT cỡ 1 TPa, giá trị này phụ thuộc đường kính và kiểu CNT. Ngoài ra, độ cứng lý thuyết của CNT cao hơn 100 lần so với thép, trong khi độ biến dạng có thể đạt tới 12% với khối lượng riêng chỉ bằng 1/6 so với thép. Các giá trị cụ thể về đặc tính đàn hồi khi so sánh với các vật liệu khác được liệt kê cụ thể ở Bảng 1.
Không chỉ vậy, CNT còn là một trong những vật liệu có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt nhất. Các so sánh về đặc tính dẫn nhiệt và dẫn điện của CNT so với các loại vật liệu khác được cho tương ứng trong Bảng 1.2 So sánh đặc tính dẫn nhiệt của CNT với một số loại vật liệu khác [30] Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt k ( W mK ) SWCNT >3000 Graphite 3000 trong mặt phẳng/6 trong trục c Nhôm 2219-T87 120 Đồng đỏ 400 Bạc 420 Sắt 80 Sợi thuỷ tinh 0.13 Sợi cacbon K1352U 140 Sợi cacbob K13D2U 800 Epoxy 0.3 So sánh đặc tính dẫn điện của CNT với một số loại vật liệu [30] Vật liệu Hệ số dẫn điện ( S m ) CNT 106-107 Đồng đỏ 6×106 Bạc 6.00×107 Sợi thuỷ tinh 10-14 Sợi cacbon Pitch 1-8.5×106 Sợi cacbon PAN 6. Cấu tạo và tính chất vật liệu FG-CNTRC Với những đặc tính nổi bật trên, CNT được coi lựa chọn hàng đầu để gia cường cho vật liệu composite. Các kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy khi thêm thành phần CNT vào nền polymer thì cơ tính cũng như các đặc điểm về điện nhiệt của vật liệu composite tạo thành được cải thiện một cách rõ nét.
Vào năm 1999, Shaffer and Windle [35] lần đầu tiên nghiên cứu về các đặc tính cơ nhiệt và điện của màng composite kích thước lớn có chứa CNT dựa trên sự hình thành của chất keo trung gian ổn định. Kết quả phân tích động lực học cơ nhiệt cho màng lắng đọng từ hơi hóa (CVD) -MWCNT-polyvinyl alcohol với tỷ lệ trọng lượng CNT lên đến 60% cho thấy, mô-đun phục hồi của 10 polyme tăng từ 6 GPa lên 12 GPa. Một nghiên cứu khảo sát khác về vật liệu tổng hợp CVD-MWCNT-polystyrene sau đó được tiến hành bởi Qian và cộng sự [36] bằng cách sử dụng thử nghiệm độ bền kéo. Khi MWCNT được phân bố đều trong nền polystyrene, giá trị mô-đun xác định được tăng từ 1,2 GPa đến 1,62 GPa cho nền polystyrene và 1,69 GPa cho vật liệu composite chứa 1% trọng lượng các ống CNT ngắn (~ 15 µm) và dài (~ 50 µm).
Độ bền kéo của polyme cũng tăng từ 12,8 MPa lên 16 MPa cho cả hai loại CNT. Một nghiên cứu tương tự cũng được thực hiện bởi Safadi và cộng sự [37]. Họ quan sát thấy rằng mô-đun của polyme tăng lên 1,53 GPa trong khi mô-đun của composite tăng lên 3,4GPa với tỷ lệ thể tích CNT tăng thêm 2,5%, độ bền tăng từ 19,5 MPa lên 30,6 MPa. Cadek và cộng sự [38] đã nghiên cứu các đặc tính hình thái và cơ học của MWCNT khi được phân tán trong nền polyvinyl alcohol và polyvinyl carbazole.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, mô-đun tăng từ 7 GPa lên 12,6 GPa với tỷ lệ thể tích 0,6 % MWCNT trong nền polyvinyl alcohol. Đối với tỷ lệ thể tích MWCNT 4,8% trong polyvinyl carbazole, thì mô-đun tăng từ 2 GPa lên 5. Ruan và cộng sự [39] đã thiết lập vật liệu composite CVD-MWCNT 1% trong nền polyetylen tỷ trọng cao và quan sát thấy mô-đun và độ bền chỉ được cải thiện một cách khiêm tốn. Tuy nhiên, kết quả thu được rõ nét hơn khi màng được tạo ra bằng cách trộn nóng.
Mô-đun và độ bền được tăng lên cùng một tỷ lệ đối với cả polymer và composite được tạo thành khi tăng tỷ lệ trộn. Khi tỷ lệ trộn là 60 và 70 giá trị mô-đun và độ bền của màng composite lần lượt đạt 50 và 2,5 GPa. Tuy nhiên, với tỷ lệ 70, độ dẻo dai tăng nhanh hơn nhiều, đạt 150 MPa. Pötschke và cộng sự [40] đã nghiên cứu đặc tính lưu biến của hỗn hợp đúc nén của polycarbonate và CNT bằng cách sử dụng phép đo lưu biến dao động ở 260°C.
Họ phát hiện ra rằng với tỷ lệ 2% về khối lượng của CNT có thể cải thiện một cách rõ nét điện trở suất và độ nhớt. Những nghiên cứu vừa 11 đề cập ở trên đã cho thấy việc đưa CNT vào nền polyme có thể cải thiện rõ nét về cơ tính và các đặc tính điện, nhiệt của các vật liệu nanocomposite tạo thành.2 Kết quả mô phỏng minh họa các liên kết hóa học phân tử giữa CNT và vật liệu nền: nền kết tinh (a, c) và nền vô định hình (b) [30] Đối với vật liệu nanocomposite truyền thống (CNTRC), các cơ tính, đặc tính nhiệt, vật lý không thay đổi theo vị trí, do vật liệu gia cường CNT được phân bố một cách không đổi ngẫu nhiên trong vật liệu nền. Để phát huy được tối đa hiệu quả sử dụng của vật liệu, ý tưởng vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) được đưa vào vật liệu nanocomposite để nghiên cứu chế tạo ra vật liệu nanocomposite có cơ tính biến thiên (FG-CNTRC). Mô hình vật liệu FG- CNTRC được đề xuất đầu tiên bởi Shen [7] vào năm 2009.
Sau đó các mô hình này được Shen tiếp tục phát triển trong các nghiên cứu sau đó [17, 41-43]. Hiện nay, có năm mô hình vật liệu FG-CNTRC được đề xuất và tập trung nghiên cứu như Hình 1.3, bao gồm mô hình UD có CNT phân bố đều và bốn mô hình có tỷ lệ thể tích CNT phân bố tuyến tính theo chiều dày được ký hiệu là FG-Ʌ, FG-V, FG-O, FG-X [7, 16, 17, 41-44]. Các mô hình này đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để khảo sát, tính toán cho các kết cấu bằng vật liệu FG-CNTRC.3 Các kiểu phân bố của mô hình vật liệu FG-CNTRC [44] 1. Tổng quan các nghiên cứu kết cấu tấm vỏ bằng vật liệu FG-CNTRC Tiềm năng to lớn của FG-CNTRC đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học, nhiều nghiên cứu về kết cấu bằng vật liệu FG-CNTRC đã được thực hiện trong những năm qua.
Các nghiên cứu này đã được tổng quan lại bởi Liew và cộng sự [8, 13], Zhang và cộng sự [44], Kurmar và cộng sự [45], Behera và cộng sự [9], Ebrahimi và cộng sự [12].