Mở đầu : Trình bày tính cÃp thiÃt, māc tiêu, đçi t°ÿng, ph¿m vi và ph°¢ng pháp nghiên cąu cũng nh° ý nghĩa khoa hãc và thăc tißn căa đÅ tài. Táng quan vÅ vÃn đÅ nghiên cąu bao gßm: tính chÃt đặc điểm vÁt liáu FG-CNTRC, các kÃt quÁ nghiên cąu đã công bç vÅ kÃt cÃu tÃm vå FG- CNTRC và nhāng vÃn đÅ cÅn tiÃp tāc nghiên cąu, từ đó xác đánh h°ớng nghiên cąu căa luÁn án. Xây dăng mô hình tính và ph°¢ng pháp giÁi tích cho bài toán vå trā FG-CNTRC cháu tÁi trãng c¢, nhiát theo lý thuyÃt biÃn d¿ng cÃt bÁc cao quasi-3D và tính chÃt vÁt liáu phā thuộc nhiát độ Chương 3. Nghiên cąu khÁo sát vå trā FG-CNTRC cháu tÁi trãng c¢ theo lý thuyÃt biÃn d¿ng cÃt bÁc cao Chương 4.
Nghiên cąu khÁo sát vå trā FG-CNTRC cháu tÁi trãng c¢, nhiát theo lý thuyÃt biÃn d¿ng cÃt bÁc cao và tính chÃt vÁt liáu phā thuộc nhiát độ. Kết luận và kiến nghị. Trình bày các kÃt quÁ đã đ¿t đ°ÿc, nhāng đóng góp mới căa luÁn án và các kiÃn nghá khác. Ý nghĩa khoa hác và tính thăc tißn căa đÁ tài VÁt liáu FG-CNTRC là lo¿i vÁt liáu mới với nhiÅu °u điểm, có tiÅm năng ąng dāng trong nhiÅu lĩnh văc.
KÃt cÃu vå trā là d¿ng kÃt cÃu th°ßng gặp trong thăc tà nh° tên lÿa, đ°ßng çng, vå động c¢& Trong quá trình làm viác, kÃt cÃu th°ßng cháu tác dāng căa tÁi trãng c¢ và nhiát. Do vÁy nghiên cąu vå trā bằng vÁt liáu FG-CNTRC cháu tác dāng c¢ nhiát là vÃn đÅ xuÃt phát từ thăc tißn. Đa sç các nghiên cąu đÅu bå qua Ánh h°áng căa nhiát độ đÃn các tính chÃt vÁt liáu. Trong khi thăc tà đã cho thÃy các tính chÃt c¢ lý căa vÁt liáu cháu Ánh h°áng lớn bái nhiát độ.
Mặt khác, đa sç các nghiên cąu đÅu giÁ sÿ hàm phân bç nhiát độ trong vå là d¿ng hàm cho tr°ớc (hằng sç, tuyÃn tính, d¿ng sin.) 5 Trong luÁn án thăc hián tính toán với tính chÃt vÁt liáu có xét đÃn Ánh h°áng căa nhiát độ và hàm phân bç nhiát độ xác đánh từ ph°¢ng trình truyÅn nhiát, đây là một trong nhāng đóng góp mang tính khoa hãc và thăc tißn căa đÅ tài. Bên c¿nh đó, sÿ dāng ph°¢ng pháp giÁi tích để nghiên cąu các kÃt cÃu có điÅu kián biên khác nhau là một thÿ thách thú vá. Đa sç các nghiên cąu bằng ph°¢ng pháp giÁi tích vÅ kÃt cÃu FG-CNTRC chß xét đÃn điÅu kián biên gçi tăa đ¢n. H°ớng tiÃp cÁn theo ph°¢ng pháp giÁi tích căa luÁn án bằng cách sÿ dāng chuỗi l°ÿng giác để xÃp xß cho hàm chuyển vá, tÁi trãng và sÿ dāng phép biÃn đái Laplace để tìm biểu thąc nghiám căa chuyển vá cho phép giÁi quyÃt đçi với các lo¿i biên khác nhau.
Ngoài ra, ph°¢ng pháp giÁi tích này còn có khÁ năng tính toán đçi với các tÁi trãng phân bç không đÅu, tÁi trãng tác dāng trên một phÅn căa vå. Khi tính toán đçi với vå dày cho thÃy să cÅn thiÃt sÿ dāng lý thuyÃt biÃn d¿ng cÃt bÁc cao có kể đÃn ąng suÃt pháp tuyÃn ngang. Lý thuyÃt này cũng cho phép khÁo sát đÅy đă h¢n tr¿ng thái ąng suÃt t¿i vùng liên kÃt biên là n¢i th°ßng xÁy ra să phá huỷ căa kÃt cÃu trong thăc tÃ. Từ đó có thể đánh giá Ánh h°áng căa các yÃu tç (biên liên kÃt, vÁt liáu, hình hãc, tÁi trãng) đÃn ąng xÿ c¢ hãc căa kÃt cÃu và đ°a ra nhāng khuyÃn cáo quan trãng phāc vā quá trình tính toán thiÃt kÃ, khai thác sÿ dāng kÃt cÃu bằng vÁt liáu FG-CNTRC.
Do đó nghiên cąu vå trā bằng vÁt liáu FG-CNTRC bằng lý thuyÃt biÃn d¿ng cÃt bÁc cao có kể đÃn ąng suÃt pháp tuyÃn ngang mang ý nghĩa khoa hãc và thăc tißn. Từ nhāng phân tích trên có thể thÃy rằng phân tích tĩnh vå trā bằng vÁt liáu FG-CNTRC cháu tÁi trãng c¢ và nhiát độ là vÃn đÅ có ý nghĩa khoa hãc và thăc tißn. TàNG QUAN VÀ VÂN ĐÀ NGHIÊN CĄU Ch°¢ng 1 trình bày vÅ vÅ cÃu t¿o và tính chÃt vÁt liáu FG-CNTRC, táng quan các nghiên cąu vÅ kÃt cÃu tÃm vå FG-CNTRC cháu tÁi trãng c¢ nhiát trong n°ớc và trên thà giới. Trên c¢ sá táng hÿp, phân tích, đánh giá, luÁn án khái quát kÃt quÁ đã đ¿t đ°ÿc và các vÃn đÅ cÅn tiÃp tāc nghiên cąu vÅ tính toán kÃt cÃu tÃm vå FG-CNTRC, từ đó lăa chãn h°ớng nghiên cąu căa luÁn án.
VÁt liáu composite c¢ tính bi¿n thiên đ°ÿc gia c°áng bãi ång nano carbon FG-CNTRC 1. Khái niám vÁt liáu FG-CNTRC Nanocomposite là một lo¿i vÁt liáu composite trong đó một hoặc nhiÅu pha (gãi là vÁt liáu cçt) á kích th°ớc nano (nhå h¢n 100 nm) đ°ÿc nhúng trong vÁt liáu nÅn có thể là nÅn gçm, kim lo¿i hoặc polyme. Lo¿i vÁt liáu này đ°ÿc t¿o ra bái các thành phÅn vô c¢ hoặc hāu c¢ á cÃp độ phân tÿ để có đ°ÿc các đặc tính mới. VÁt liáu cçt và nÅn t°¢ng tác với nhau thông qua các t°¢ng tác yÃu nh° van der Waals, liên kÃt hydro, t°¢ng tác tĩnh đián yÃu hoặc bằng liên kÃt cộng hóa trá [25].
VÁt liáu nanocomposite thông th°ßng có mÁt độ pha cçt phân bç trong pha nÅn một cách đßng đÅu, do đó tính chÃt không đái theo một ph°¢ng nhÃt đánh. Nanocomposite có c¢ tính biÃn thiên là một cÃp độ phát triển cao h¢n căa vÁt liáu nanocomposite thông th°ßng. VÁt liáu có c¢ tính biÃn thiên (Functionally Graded Material-FGM) có các tính chÃt thay đái theo các h°ớng °u tiên nhß să thay đái tỷ lá căa vÁt liáu thành phÅn. Dăa trên ý t°áng căa vÁt liáu FGM, vÁt liáu nanocomposite có c¢ tính biÃn thiên có vÁt liáu cçt với kích th°ớc nano đ°ÿc phân bç theo các quy luÁt đánh tr°ớc nhằm t¿o ra đ°ÿc c¢ tính biÃn thiên theo h°ớng °u tiên [13].
7 Xét vÅ thành phÅn có nhiÅu lo¿i vÁt liáu nanocomposite có c¢ tính biÃn thiên khác nhau, trong khuôn khá căa đÅ tài tÁp trung nghiên cąu vÁt liáu nanocomposite c¢ tính biÃn thiên đ°ÿc gia c°ßng bằng çng nano cacbon (Functionally graded carbon nanotube reinforced composites - FG-CNTRC). äng nano cacbon æng nano cacbon (Carbon nanotube – CNT) là thành phÅn quan trãng, quyÃt đánh đÃn đặc tính căa vÁt liáu FG-CNTRC. CNT đ°ÿc phát hián đÅu tiên bái Iijima [26] năm 1991. Nhß °u điểm độ bÅn cao, trãng l°ÿng riêng nhå, tính d¿n nhiát, d¿n đián tçt, CNT đ°ÿc coi là một trong nhāng lo¿i vÁt liáu thà há mới đóng vai trò quan trãng trong nghành công nghá vÁt liáu nano Hình 1.1 CÃu trúc vÁt liáu cçt çng nano cácbon đ¢n vách và đa vách [27] VÁt liáu cçt CNT có hai d¿ng cÃu trúc đ¢n vách và đa vách.
æng carbon nano đ¢n vách (single walled carbon nanotube - SWCNT) [28, 29] đ°ÿc t¿o thành bằng cách quÃn liên tāc một lớp graphene đ¢n nhÃt t¿o thành một hình trā với đ°ßng kính cỡ 1nm và độ dài cỡ vài phÅn cm. T°¢ng tă nh° vÁy, çng carbon nano đa vách (multi walled carbon nanotube - MWCNT) [26] đ°ÿc t¿o thành bằng cách cuçn đßng trāc các lớp graphene cách nhau cỡ 0.35nm thành hình trā có đ°ßng kính từ 2 đÃn 100nm có chiÅu dài cỡ hàng chāc micromet.1 So sánh đặc tính c¢ hãc căa CNT với một sç lo¿i vÁt liáu khác [30] VÁt liáu ò ( g cm3 ) E ( GPa ) ó m ( GPa ) õ ( %) SWCNT 1.6 1200 150 12 Sÿi cacbon M60JB 1.7 Sÿi thuỷ tinh kiểu *S* 2.46 10 Thép 17-7 PH RH950 7.005 4 VÅ đặc tính đàn hßi, Overney và cộng să [31] đã tính toán độ cąng căa SWCNT ngÃn và nhÁn thÃy mô-đun Young có giá trá là 1500 GPa, t°¢ng tă nh° mô-đun căa graphite. Năm 1997, Wong và cộng să [32] đã sÿ dāng kính hiển vi lăc nguyên tÿ (AFM) để đo trăc tiÃp hằng sç độ cąng căa một cung MWCNT đ°ÿc ghim á một đÅu. Hã xác đánh đ°ÿc giá trá mô-đun Young trung bình là 1.
Sau đó Wong và cộng să đã tiÃp tāc thăc hián khÁo sát và xác đánh độ cąng uçn trung bình căa CNT là 14 GPa. Sÿ dāng AFM để uçn cong một cung MWCNT, đ°ÿc ghim á mỗi đÅu trên một lỗ, Salvetat và cộng să [33] xác đánh đ°ÿc mô-đun Young trung bình là 810 GPa. æng nano carbon có độ cąng v°ÿt trội h¢n so với sÿi carbon thông th°ßng với giá trá mô-đun Young lớn h¢n 1 TPa và khçi l°ÿng riêng chß 1. Lu [34] đã xác đánh đ°ÿc giá trá mô-đun đàn hßi Young căa CNT cỡ 1 TPa, giá trá này phā thuộc đ°ßng kính và kiểu CNT.
Ngoài ra, độ cąng lý thuyÃt căa CNT cao h¢n 100 lÅn so với thép, trong khi độ biÃn d¿ng có thể đ¿t tới 12% với khçi l°ÿng riêng chß bằng 1/6 so với thép. Các giá trá cā thể vÅ đặc tính đàn hßi khi so sánh với các vÁt liáu khác đ°ÿc liát kê cā thể á BÁng 1. Không chß vÁy, CNT còn là một trong nhāng vÁt liáu có khÁ năng d¿n đián và d¿n nhiát tçt nhÃt. Các so sánh vÅ đặc tính d¿n nhiát và d¿n đián căa CNT so với các lo¿i vÁt liáu khác đ°ÿc cho t°¢ng ąng trong BÁng 1.2 So sánh đặc tính d¿n nhiát căa CNT với một sç lo¿i vÁt liáu khác [30] VÁt liáu Há så d¿n nhiát k ( W mK ) SWCNT >3000 Graphite 3000 trong mặt phẳng/6 trong trāc c Nhôm 2219-T87 120 Đßng đå 400 B¿c 420 SÃt 80 Sÿi thuỷ tinh 0.13 Sÿi cacbon K1352U 140 Sÿi cacbob K13D2U 800 Epoxy 0.3 So sánh đặc tính d¿n đián căa CNT với một sç lo¿i vÁt liáu [30] VÁt liáu Há så d¿n đián ó ( S m ) CNT 106-107 Đßng đå 6×106 B¿c 6.00×107 Sÿi thuỷ tinh 10-14 Sÿi cacbon Pitch 1-8.5×106 Sÿi cacbon PAN 6.
CÃu t¿o và tính chÃt vÁt liáu FG-CNTRC Với nhāng đặc tính nái bÁt trên, CNT đ°ÿc coi lăa chãn hàng đÅu để gia c°ßng cho vÁt liáu composite. Các kÃt quÁ thu đ°ÿc từ thăc nghiám cho thÃy khi thêm thành phÅn CNT vào nÅn polymer thì c¢ tính cũng nh° các đặc điểm vÅ đián nhiát căa vÁt liáu composite t¿o thành đ°ÿc cÁi thián một cách rõ nét. Vào năm 1999, Shaffer and Windle [35] lÅn đÅu tiên nghiên cąu vÅ các đặc tính c¢ nhiát và đián căa màng composite kích th°ớc lớn có chąa CNT dăa trên să hình thành căa chÃt keo trung gian án đánh. KÃt quÁ phân tích động lăc hãc c¢ nhiát cho màng lÃng đãng từ h¢i hóa (CVD) -MWCNT-polyvinyl alcohol với tỷ lá trãng l°ÿng CNT lên đÃn 60% cho thÃy, mô-đun phāc hßi căa 10 polyme tăng từ 6 GPa lên 12 GPa.
Một nghiên cąu khÁo sát khác vÅ vÁt liáu táng hÿp CVD-MWCNT-polystyrene sau đó đ°ÿc tiÃn hành bái Qian và cộng să [36] bằng cách sÿ dāng thÿ nghiám độ bÅn kéo.