Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo, tính chất của một số compozit nền kim loại gia cường bằng vật liệu ống nanô cácbon định hướng ứng dụng trong công nghiệp điện và điện tử

dạng dẻo mãnh liệt và cán nguội.  Nghiên cứu đặc trưng tính chất của vật liệu chế tạo  Nghiên cứu chế tạo mẫu đế tản nhiệt cho đèn LED và thử nghiệm 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC TÍNH CHẤT 1.1. Vật liệu compozit nền kim loại Compozit là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt hơn so với các vật liệu ban đầu. 1.2. Vật liệu nanô cácbon 1.2.1. Cấu trúc vật liệu nano cácbon Vật liệu CNT có chứa các nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hóa sp2. CNTs có cấu trúc dạng ống được hình thành bới các tấm graphene cuộn vào nhau, khoảng cách giữa các lớp graphene này được xác định bằng 0.36 nm. Tùy vào số lượng các lớp graphene cuộn lại với nhau, CNT được chia thành 3 loại là CNT đơn tường (SWCNT), CNT hai tường (DWCNT) và CNT đa tường (MWCNT) khi số lớp graphene cuộn lại lớn hơn 2. Hình 1.3. CNT đơn tường, CNT hai tường và CNT đa tường 1.2.2. Tính chất của vật liệu CNTs Tính chất cơ học CNT có độ bền cao với môđun Young của một sợi SWCNT được xác định vào khoảng 1 TPa của DWCNT và TWCNT nằm trong khoảng 0,73- 1,33 TPa. MWCNT đã được công bố có giá trị rất khác nhau trong khoảng từ 0.27 – 0.95 TPa Tính chất nhiệt Các báo cáo độ dẫn nhiệt (k) ở nhiệt độ phòng trong khoảng 400- 6,000 WmK-1 cho SWCNTs và trong khoảng 300-3,000 WmK-1 cho MWCNTs, tùy thuộc vào loại CNTs. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ số giãn nở nhiệt sử dụng kỹ thuật XRD cho thấy các bó CNT có giá trị CTE âm ở nhiệt độ thấp và dương ở nhiệt độ cao Tính chất điện Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà độ dẫn của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại. 3 1.3. Vật liệu compozit nền kim loại gia cường vật liệu nano cácbon Compozit nền kim loại được gia cường bằng CNT với vai trò là lớp vật liệu gia cường cho các hệ compozit nền kim loại được kỳ vọng là có thể làm tăng các tính chất như độ bền, độ cứng, độ bền uốn của vật liệu. cải thiện tính chất nhiệt và điện vv. Hình 1.16. Số lượng các công trình nghiên cứu về a) các loại vật liệu gia cường và b) vật liệu compozit nền kim loại 1.3.1. Các phương pháp chế tạo Có nhiều phương pháp chế tạo nanocompozit kim loại/CNTs và chúng có thể được phân loại như sơ đồ hình 1.17 dưới đây. Hình 1.17. Các phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại 1.3.2. Các tính chất của vật liệu 1.3.3. Các ứng dụng của vật liệu Vật liệu compozit thông thường có chứa sợi cácbon được ứng dụng rộng rãi như là vật liệu cấu trúc cho các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, giao thông vận tải, và làm bộ phận tản nhiệt cho các thiết bị điện tử 4 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp nghiên cứu Một số phương pháp nghiên cứu được sử dụng được trình bày trên hình 2.1. Hình 2.1. Các phương pháp nghiên cứu 2.2. Thực nghiệm 2.2.1. Khảo sát tính chất vật liệu ban đầu 2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu Các phương pháp chế tạo vật liệu được trình bày như trên hình 2.8. Hình 2.8. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 2.3. Kết luận chương 2. Chương này trình bày kết quả khảo sát các đặc trưng và tính chất của các vật liệu ban đầu như bột đồng, bột nhôm, vật liệu CNT và vật liệu DWCNT và các phương pháp nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tên các thiết bị được sử dụng trong luận án. 5 Chương 3 CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT CNT/Al 3.1. Nghiên cứu kỹ thuật phân tán CNT với bột nhôm 3.1.1. Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao Hình 3.1 .Sơ đồ quy trình phân tán MWCNT với bột nhôm bằng phương pháp HEBM Hình 3.2. Sự phân tán của CNT trong mẫu hỗn hợp bột MWCNT/Al với các hàm lượng CNT khác nhau 3.1.2. Bằng phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo bột MWCNT/Al bằng phương pháp HEBM cải tiến Hình 3.5. Ảnh SEM của hỗn hợp bột Al+1,5%MWCNT (a-c) và mẫu bột Al+ 2%MWCNT (d) Phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến cho phép phân tán đều CNT với bột nhôm và đồng đến hàm lượng 1,5% CNT. Tuy nhiên, phương pháp này gây ra nhiều sai hỏng trong cấu trúc của CNT nhất so với hai phương pháp còn lại. 6 3.1.3. Bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp chất kết dính hữu cơ Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp chất kết dính hữu cơ là EG được mô tả như hình 3.9 Hình 3.9. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp và sử dụng EG là chất kết dính Hình 3.11. a) Ảnh SEM của hỗn hợp bột CNT/Al với các hàm lượng CNT khác nhau b) Al+0,5% CNT, c) Al+ 1%CNT, d) Al+1,5% CNT và e-f) Al+2% CNT Hình 3.12. a) Phổ Raman của vật liệu CNT và hỗn hợp bột CNT/Al sau khi nghiền và b) tỷ lệ ID/IG theo tỷ lệ thành phần CNT khác nhau Phương pháp sử dụng chất kết dính hữu cơ không những cải thiện được khả năng phân tán của CNT mà còn tránh được những sai hỏng về mặt cấu trúc của CNT trong suốt quá trình chế tạo. 7 3.1.4. Chế tạo bằng phương pháp kết hợp rung siêu âm và làm lạnh nhanh Hình 3.13. Quy trình chế tạo mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al bằng phương pháp kết hợp rung siêu âm và làm lạnh nhanh Hình 3.14. a) Mẫu hỗn hợp bột DWCNT/Al và sự phân bố của DWCNT trong các mẫu hỗn hợp bột có hàm lượng CNT khác nhau 0,91% (b), 2,73% (c và d), 3.31% (e và f), 3,81% (g) và 5,91% (h) Phương pháp rung siêu âm kết hợp với làm lạnh nhanh bằng nitơ lỏng có thể phân tán đều CNT với bột Al đến hàm lượng  6% CNT, đồng thời ít gây ra sai hỏng trong cấu trúc của CNT. Nhược điểm của phương pháp này là khả năng bột kim loại bị ôxy hóa trong môi trường nước 3.2. Kết khối hỗn hợp bột CNT/Al và đặc trưng tính chất vật liệu compozit 3.2.1. Kết khối bằng ép nóng đẳng tĩnh Mẫu bột chế tạo bằng phương pháp nghiền năng lượng cao Compozit được thiêu kết ở 3 nhiệt độ khác nhau 600oC, 620C và 640oC, thời gian thiêu kết là 60 phút dưới áp lực là 100 MPa. Các mẫu compozit sau thiêu kết được ký hiệu là S0.5, S1, S1.5, S2 tương ứng với các mẫu bột P0.5, P1, P1.5, P2. 8 Hình 3.17. Ảnh SEM của mẫu compozit MWCNT/Al với các tỷ lể gia cường khác nhau Hình 3.18. Phổ tán xạ raman mẫu vât liệu MWCNT, P1 và S1 Từ kết quả này ta có thể kết luận rằng thành phần gia cường CNT không ảnh hưởng gì đến quá trình lớn lên của hạt kim loai trong suốt quá trình thiêu kết, khi nhiệt độ thiêu kết càng cao thì sự lớn lên của hạt càng lớn. Hình 3.19. Ảnh hiển vi quang học và phân bố kích thước hạt sau khi thiêu kết tại cùng nhiệt độ là 600oC (a-c): a) Al, b) Al+1%CNT, c)Al+2%CNT và tại các nhiệt độ thiêu kết khác nhau của mẫu vật liệu compozit Al+1.5%CNT (d-f): d) 600oC, e) 620oC và f) 640oC Trên giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột P1 và S1 (hình 3.20), sự tồn tại của các đỉnh đặc trưng Al và pha -Al2O3. Điều này chứng tỏ rằng sự hình thành các pha ôxít được hình thành cả ở các mẫu hỗn hợp bột và mẫu sau thiêu kết, các pha oxit này có thể được hình thành trong quá trình nghiền năng lượng cao. Tỷ trọng của vật liệu được xác định bằng phương pháp Archimedes. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ trọng vào nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh 9 và hàm lượng MWCNT như thể hiện trên hình 3.21. Từ đồ thị trên ta thấy, khi hàm lượng CNT càng tăng thì tỷ trọng của vật liệu càng giảm. với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh 620oC tỷ trọng của vật liệu đạt giá trị lớn nhất Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột P1 và mẫu sau thiêu kết S1 Hình 3.21. Sự phụ thuộc của tỷ trọng tương đối vào nhiệt độ HIP và hàm lượng MWCNT Hình 3.22. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của độ cứng vào hàm lượng CNT và nhiệt độ thiêu kết Hình 3.23. Điện trở suất của mẫu compozit MWCNT/Al thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau bằng HIP Từ hình 3.22 cho thấy, khi có thêm chất gia cường MWCNT độ cứng của vật liệu tăng lên gấp 1,43-1,9 lần so với Al nguyên chất và đạt giá trị lớn nhất tại 1% MWCNT và sau đó độ cứng sẽ giảm xuống nếu tiếp tục tăng hàm lượng MWCNT do sự tụ đám của MWCNT dẫn đến làm tăng độ xốp và giảm hiệu quả gia cường. Các số liệu đo đạc cho thấy rằng% các điện trở suất tăng khi tăng hàm lượng MWCNT trong nền Al. Điện trở suất của compozit là cao hơn gần 2 lần so với Al được chế tạo trong cùng điều kiện. Việc tăng điện trở suất điện của mẫu thiêu kết là do anh hưởng của độ xốp và tán xạ electron 10 tại ranh giới hạt trên điện trở suất Bên cạnh đó, sự tồn tại của các pha ôxít (Al2O3) như thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X cũng là một yếu tố dẫn đến sự tăng của điện trở suất của các mẫu compozit. Mẫu bột được chế tạo bằng kỹ thuật nghiền năng lượng thấp và chất hỗ trợ kết dính Hình 3.26. Mô hình khảo sát vi cấu trúc và độ cứng của mẫu S1 Hình 3.27. Vi cấu trúc của mẫu S1 tại các vị trí khác nhau; ảnh bề mặt a) từ tâm mẫu ra ngoài biên b) vùng 1 c) vùng 2 và d) vùng 3; ảnh mặt cắt e) từ tâm mẫu ra ngoài biên f) vùng 1, g) vùng 2, và h) vùng 3. Hình 3.28. Ảnh SEM bề mặt của mẫu S1 a-b) và ảnh mặt cắt vùng 1 (c-d) vùng 2 (e-f), và vùng 3 (g-h). 11 Ảnh SEM của mẫu S1 được ăn mòn hóa học theo các mặt khác nhau được thể hiện trên hình 3.28. Sự phân bố của MWCNT trên bề mặt được hiện trên hình 3.28a-b, chứng tỏ sự phân bố của MWCNT trên bề mặt các tấm Al. Trong khi đó ở các vùng mặt cắt ngang, ta thấy sự khác nhau về quá trình kết khối cũng như sự phân bố của MWCNT giữa các lớp Al. Độ cứng của vật liệu tăng khi hàm lượng MWCNT tăng lên từ S0 (43,5 HV) tới S1.5 (82,5 HV) và giảm với S2 (61,9 HV). Điều này có thể ảnh hưởng bởi mật độ của mẫu S2 thấp và sự kết đám của MWCNT khi hàm lượng MWCNT lớn hơn 1,5%. Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của compozit được đo trong dải nhiệt độ 20-250oC được thể hiện trên hình 3.30a. Từ đồ thị ta thấy rằng CTE giảm khi nồng độ MWCNT tăng lên, khoảng 12%, 18%, 25% and 30% với các mẫu S0.5, S1, S1.5 và S2. Với mẫu S2, CTE là 15,36 x 10-6.K-1. Hình 3.30. a) Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu compozit MWCNT/Al và b) so sánh các giá trị thực Giá trị CTE tính toán từ mô hình ROM (vòng tròn mở trong hình 3.30 b) không phù hợp với các giá trị thực nghiệm và mô hình của Schapery là phù hợp với các kết quả thực nghiệm, chỉ có một chút cao hơn. 3.2.2. Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn áp lực cao Hình 3.31. a) Mô hình thiết bị HPT dùng để kết khối vật liệu và b) mẫu vật liệu compozit CNT/Cu và CNT/Al sau khi kết khối bằng HPT 12 Hình 3.32. Ảnh SEM của sự phân tán của MWCNT trong nền Al thu được bằng phương pháp ăn mòn hóa học Hình 3.33. a) Các điểm khảo sát độ cứng và b) sự phụ thuộc của độ cứng của vật liệu theo hàm lượng MWCNT gia cường và vị trí đo của mẫu Hình 3.34. Ảnh TEM của Al (a) compozit Al gia cường bởi 0,5 %m (b) 1,0 %m (c) và 1,5 %m (d) CNT được kết khối bằng HPT 13 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến độ cứng của vật liệu Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của độ cứng vào các nhiệt độ ủ khác nhau được thể hiện trên hình 3.35. Đối với mẫu compozit không có thành phần MWCNT, xu hướng tăng giảm độ cứng tương tự như các mẫu chứa MWCNT ngoại trừ với nhiệt độ ủ 100oC có giá trị là 104 HV cao hơn so với mẫu không được ủ nhiệt (101 HV). Các mẫu được ủ với nhiệt độ lớn hơn thì có giá trị độ cứng thấp hơn hơn hẳn. Hình 3.35. Sự phụ thuộc của độ cứng vật liệu compozit MWCNT/Al theo hàm lượng MWCNT và nhiệt độ ủ khác nhau Hình 3.36. Giản đồ XRD của vật liệu compozit MWCNT/Al có chứa 1,5%m CNT Đã phát hiện hiệu ứng hóa bền thứ cấp đối với compozit CNT/Al kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực cao 3.2.3. Kết khối bằng kỹ thuật SPS Bảng 3.5. Tính chất của vật liệu compozit DWCNT/Al chế tạo bằng SPS 14 Từ ảnh 3.39. ta thấy được sự phân bố của DWCNT trong nền kim loại Al tương đối đồng đều, các sợi CNT phân bố riêng lẻ, khi hàm lượng DWCNT tăng lên thì mật độ DWCNT trong các mẫu khối cũng tăng lên. Hình 3.39. Sự phân bố của DWCNT trong nền Al sau khi thiêu kết bằng SPS a-b) S2, c-d) S6 và e-f) S9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Al và compozit S3, S6, S8, S9 được thể hiện như hình 3.40, sự tồn tại của các đỉnh đặc trưng Al pha ôxít nhôm (-Al2O3), pha Al4C3 và đỉnh đặc trưng của CNT với hàm lượng DWCNT trong compozit lớn hơn 3,31 %. Hình 3.40. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu compozit DWCNT/Al Độ cứng cho vật liệu Al là 43,4 HV. Độ cứng có giá trị lớn nhất với compozit có chứa 2,73 wt.% CNT với giá trị là 69,5 HV ccao hơn 1,6 lần so với vật liệu Al không có DWCNT.Sự tăng độ cứng của compozit tương tự như những báo cáo về các compozit kim loại/CNT khác. 15 Hình 3.41. Độ cứng của compozit DWCNT/Al Hình 3.42. Hệ số ma sát (COF) của compozitDWCNT/Al khi được kiểm tra với các loại bi và lực khác nhau Hệ số ma sát trung bình khi được khảo sát bằng bằng cả bi thép và bi ôxít nhôm đều giảm với tất cả các lực dụng từ và khi tác khi hàm lương CNT tăng dần, với trường hợp bi thép là giảm từ 0,82 (Al, 1N) đến 0,26 (S9, 1N) và từ 0,79 (Al, 5N) đến 0,14 (S9, 5N), còn đối với bi ôxít nhôm thì giảm từ 0,82 (Al, 1N) tới 0,27 (S9, 1N) và từ 0,77 (Al, 5N) đến 0,19 (S9, 5N). Với hàm lượng DWCNT đưa vào là 5,91 % thì hệ số ma sát giảm đi hơn 3 lần (1N) và gần 6 lần (5N). Tương tự như vậy, khi bi ôxít nhôm được sử dụng thì hệ số ma sat của compozit cũng giảm đi đáng kể khoảng 3 lần (1N) và gần 4 lần (5N). Hình 3.43. Đường COF đặc trưng của một số compozit DWCNT/Al đặc trưng tương ứng với lực tải và bi khác nhau a) 1N- bi thép, b) 5N – bi thép, c)1N – ôxít nhôm, và 5N- ôxít nhôm 16 Chương 4 CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOZIT CNTCu 4.1. Phương pháp phân tán MWCNT với bột Cu Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu được mô tả như trên hình 4.1. Hình 4.1. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu bằng phương pháp HEBM cải tiến Hình 4.2. Phân bố của MWCNT trong hỗn hợp bột với các hàm lượng MWCNT khác nhau Hình 4.3 a) Phổ raman và b) tỷ lệ ID/IG của hỗn hợp bột MWCNT/Cu theo các hàm lượng khác nhau Như được thể hiện trên hình 4.2, sau quá trình nghiền MWCNT được phân tán đồng đều khi hàm lượng MWCNT đạt đến 1,5 % theo khối lượng, khi tỷ lệ MWCNT cao hơn được đưa vào thì thấy xuất hiện những đám MWCNT như thể hiện trên hình 4.2d. Điều này cho thấy rằng khả năng phân tán đồng đều MWCNT bằng phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiển có thể đạt được đến 1,5 %m CNT. 17 4.2. Kết khối hỗn hợp bột MWCNT/Cu và đặc trưng tính chất vật liệu compozit 4.2.1. Gia công biến dạng compozit sau HIP bằng phương pháp xoắn áp lực cao Kích thước trung bình của các hạt trong vật liệu tổng hợp là 50 nm (Hình 4.4b). Trong kim loại nguyên chất, phương pháp HPT hiếm khi tạo được hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Hình 4.4. Ảnh TEM của compozit MWCNT/Cu sau HPT quan sát ở chế độ: (a) trường sáng và (b) trường tối. 4.2.1.1. Độ cứng Độ cứng theo phương pháp HPT thì các vị trí bên ngoài biên luôn lớn hơn các vị trí tâm mẫu. Cụ thể, với tỷ lệ gia cường 3% MWCNT thì độ cứng đo được ngoài biên là 235 HV cao hơn so với giá trị độ cứng đo tại tâm mẫu 201 HV. Hình 4.5. Sự phụ thuộc của độ cứng của vật liệu theo a) hàm lượng MWCNT và vị trí đo của mẫu b) nhiệt độ ủ 18 4.2.2. Kết khối và gia công compozit MWCNT/Cu bằng kỹ thuật cán nguội Quy trình chế tạo compozit được thể hiện như trên hình 4.8 Hình 4.8. Sơ đồ mô tả quy trình gia công compozit MWCNT/Cu bằng kỹ thuật cán 4.2.2.1. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu Hình 4.10. Cấu trúc tế vi của mẫu compozit Cu+0,5%m CNT với số lần cán khác nhau a-b) cán lần 1 và c-d) cán lần 2 Hình 4.11. a-b) Sự phân bố của CNT trong mẫu compozit MWCNT/Cu với hàm lượng MWCNT là 1,5 % và c-d mẫu compozit chứa hàm lượng MWCNT là 2%m sau khi cán Hình 4.11 thể hiện sự phân bố của CNT trong nền Cu sau quá trình cán. Với mẫu chứa hàm lượng CNT là 1,5%m ta thấy rằng CNT được 19 phân bố tương đối đồng đều và định vị tại các biên của hạt Cu. Sự phân bố đồng đều của CNT làm tăng độ cứng đồng thời làm giảm hệ số ma sát của vật liệu sẽ được thảo luận ở phần sau. Trong khi đó với mẫu compozit chứa hàm lượng CNT là 2%m thì một số vết nứt đã được quan sát sau khi cán như thể hiện trên hình 4.11c. Sự hình thành các vết nứt này nguyên nhân là do sự kết đám của CNT (hình 4.11d). Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu phân tán CNT và bột Cu đã được trình bày ở phần trên. 4.2.2.2. Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu Sau lần cán thứ nhất tỷ trọng được cải thiện hơn khoảng từ 8-10% so với mẫu thiêu kết trong môi trường Ar, và sau khi cấn lần hai thì cải thiện được khoảng 13-17 Hình 4.12. So sánh tỷ trọng của vật liệu compozit sau khi trong môi trường Ar và biến dạng bằng phương pháp cán Hình 4.13. Độ cứng của vật liệu composzit CNT/Cu theo các tỷ lệ thành phần CNT và số lần cán nguội khác nhau Độ cứng của vật liệu tăng lên khi hàm lượng MWCNT tăng lên đến 1,5 %m với độ cứng đạt được là 104 HV lớn hơn gần gấp 1,5 lần so với mẫu Cu được chế tạo ở cùng điều kiện. 4.2.2.3. Hệ số ma sát Hình 4.14. Hệ số ma sát của vật liệu CNT/Cu được khảo sát theo các tải trọng khác nhau a) 1N, b) 5N, c) 10N và hệ số ma sát trung bình của vật liệu theo tỷ lệ %CNT 20 Hình 4.15. Ảnh chụp bề mặt của rãnh ma sát sau khi được kiểm tra ma sát với tải là 1N Hệ số ma sát của vật liệu được thể hiện như trên hình 4.14. Từ hình 4.14 cho thấy hệ số ma sát của vật liệu sau khi được gia cường bằng vật liệu MWCNT đều giảm xuống, càng nhiều MWCNT được đưa vào thì hệ số ma sát của vật liệu càng giảm. Với tải trọng lớn hơn thì có hệ số ma sát thấp hơn. Khi được gia cường với tỷ lệ MWCNT là 1,5% và được kiểm tra với tải trọng 10 N thì hệ số ma sát của vật liệu compozit là 0,21 thấp hơn 1/3 lần so với mẫu vật liệu Cu (0,68). Hình 4.18. So sánh hiệu suất làm giảm hệ số ma sát của các loại compozit CNT/Cu được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: thiêu kết xung plasma (SPS), thiêu kết chân không (VC), hàn ma sát (FSP) và thiêu kết trong môi trường khí bảo vệ và cán nguội (CS+CR). 21 4.2.2.4. Tính chất nhiệt và điện Hệ số giãn nở nhiệt của compozit MWCNT/Cu MWCNT có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và thấp hơn nhiều so với Cu (16.5x10-6K-1), nhờ đó mà vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn Cu nguyên chất. Hình 4.19. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của hệ số giãn nở nhiệt lượng MWCNT Hình 4.20. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT tới điện trở suất của vật liệu Tính chất điện Khi tăng hàm lượng MWCNT thì điện trở suất của vật liệu tăng lên nhiều so với Cu nguyên chất chế tạo ở cùng điều kiện. Như được thể hiện trên hình 4.19, với mẫu vật liệu sau khi thiêu. 4.3. Thử nghiệm vật liệu compozit MWCNT/Cu cho ứng dụng tản nhiệt LED 4.3.1. LED và vấn đề tản nhiệt LED khá nhạy cảm với nhiệt độ hoạt động, hiệu quả của nó, như 1). Độ sáng 2). hiệu suất phát quang, 3). thời gian sống, và 4) độ ổn định màu giảm khi tăng nhiệt độ. Hình 4.21. Công suất ra của chíp LED 4.3.2. Tính chất nhiệt và khả năng ứng dụng tản nhiệt của compozit CNT/Cu Từ những kết quả nghiên cứu, ta có thể thấy rằng vật liệu compozit CNT/Cu có đầy đủ những tính chất vượt trội để ứng dụng làm vật liệu tản nhiệt cho các hệ thống. 22 4.3.3. Thử nghiệm vật liệu compozit CNT/Cu để tản nhiệt cho đèn LED 50W Ý tưởng thử nghiệm Hình 4.26. Mô hình thử nghiệm hiệu quả tản nhiệt của đế compozit CNT/Cu a) Đế LED thương mại công suất 50 W, a) Đế LED 50 W có gắn thêm đế tản nhiệt bằng vật liệu compozit CNT/Cu, c) Cơ chế tản nhiệt ra các vây trên đế LED thương mại và d) Cơ chế tản nhiệt trên đế LED khi có gắn thêm đế tản nhiệt bằng compozit CNT/Cu Mục đích của thử nghiệm  Phân tích thành phần vỏ đèn LED thương mại bán trên thị trường, ước lượng tính chất nhiệt của vỏ đèn  Khảo sát sự phân bố nhiệt độ trên các đế LED 50 W thương mại khi hoạt động  Đánh giá hiệu suất tản nhiệt của đế hỗ trợ làm bằng vật liệu compozit CNT/Cu Đánh giá hiệu suất tản nhiệt  Phương pháp khảo sát Cách bố trí các vị trí đo được thể hiện như trên hình 4.28 với các điểm đo xác định là TCOB là nhiệt độ của chip LED được đặt ngay sau chip LED, các nhiệt độ T1, T2, T3, T4 là nhiệt độ của các vị trí khác nhau được xác định từ tâm chip LED ra ngoài biên của vỏ đèn LED, cách đều nhau một khoảng cách là 1,5 cm. 23 Hình 4.29. Mô hình khảo sát phân bố nhiệt độ trên đế đền LED công suất 50W và cách bố trí các cặp nhiệt điện trên các điểm đo khác nhau  Đánh giá hiệu suất tản nhiệt Phân bố nhiệt độ của đèn LED được đo bởi 5 cặp nhiệt điện được đo ở các vị trí khác nhau và sử dụng các đế tản nhiệt khác nhau. Hình 4.30. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W a) Không sử dụng đế tản nhiệt và b) sử dụng đế tản nhiệt bằng Cu Hình 4.31. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W sử dụng đế compozit MWCNT/Cu -0.5% CNT a) cán 1 lần và b) cán 2 lần 24 Hình 4.32. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W sử dụng đế compozit CNT/Cu -1% MWCNT a) cán 1 lần và b) cán 2 lần Đồ thị biểu diễn sự so sánh hiệu quả tản nhiệt của đèn LED sử dụng các loại tấm tản nhiệt khác nhau được thể hiện như trên hình 4.25. Từ đồ thị này ta có thể thấy rằng khi sử dụng thêm các tấm tản nhiệt thì hiệu quả tản nhiệt cho đèn LED được cải thiện tương đối lớn. Nhiệt độ trên COB của LED giảm từ 12 -15oC. Hình 4.33. So sánh hiệu quả tản nhiệt trên COB của chip LED với các tấm tản nhiệt khác nhau Compozit Cu-0.5%CNT có hiệu quả tản nhiệt cao, có thể cao hơn khi mật độ đạt 100%, có độ bền cơ học cao đồng thời hệ số mài mòn được cải thiện có thể được phát triển làm đế tản nhiệt cho các chip LED nói riêng và các linh kiện điện tử nói chung. 25 KẾT LUẬN CHUNG Luận án đã tập trung nghiên cứu các phương pháp chế tạo và đặc trưng tính chất của 02 loại vật liệu là compozit CNT/Al và CNT/Cu. Từ những kết quả nghiên cứu nhận được, có thể rút ra một số kết luận chính như sau: 1. Đã phát triển thành công 03 phương pháp phân tán đều ống nanô cácbon với bột nhôm và bột đồng. Đã phát hiện thấy, cả ba phương pháp đều tạo ra những sai hỏng nhất định trong cấu trúc của CNT. Trong đó:  Phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến cho phép phân tán đều CNT với bột nhôm và đồng đến hàm lượng 1,5% CNT. Tuy nhiên, phương pháp này gây ra nhiều sai hỏng trong cấu trúc của CNT nhất so với hai phương pháp còn lại.  Phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp với chất kết dính hữu cơ cho phép phân tán đều CNT với bột nhôm đến hàm lượng 1,5% CNT, đồng thời ít gây ra sai hỏng trong cấu trúc của CNT hơn so với phương pháp nghiền năng lượng cao. Hạn chế của phương pháp này là việc chưa thể loại bỏ hoàn toàn chất kết dính hữu cơ sau quá trình phân tán.  Phương pháp rung siêu âm kết hợp với làm lạnh nhanh bằng nitơ lỏng có thể phân tán đều CNT với bột Al đến hàm lượng  6% DWCNT, đồng thời ít gây ra sai hỏng trong cấu trúc của CNT. Nhược điểm của phương pháp này là khả năng bột kim loại bị ôxy hóa trong môi trường nước. 2. Đối với vật liệu compozit CNT/Al, đã sử dụng 03 phương pháp kết khối và gia công biến dạng vật liệu là: (i) kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh; (ii) kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực cao làm nhỏ mịn cấu trúc vật liệu; (iii) kết khối bằng kỹ thuật xung plasma. - Khi kết khối bằng HIP, compozit MWCNT/Al xử lý HIP tại nhiệt độ 620oC có độ cứng và mật độ cao nhất so với vật liệu được HIP tại 2 nhiệt độ khác là 600 và 640oC. Độ cứng của compozit có chứa 1,5% CNT cao gần gấp 2 lần so với mẫu vật liệu Al không gia cường MWCNT được chế tạo ở cùng điều kiện. Hệ số giãn nở nhiệt của compozit giảm khi hàm lượng CNT trong vật liệu tăng, giá trị CTE của compozit CNT/Al chứa 2% CNT giảm hơn 30% so với vật liệu không chứa CNT. - Đã phát hiện hiệu ứng hóa bền thứ cấp đối với compozit MWCNT/Al kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực cao. 3. Đối với vật liệu compozit MWCNT/Cu, đã sử dụng 02 phương pháp kết khối và gia công biến dạng vật liệu là: (a) kết khối bằng phương pháp 26 ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực cao; (b) kết khối bằng phương pháp thiêu kết thông thường trong môi trường khí trơ, sau đó gia công cán nguội làm tăng mật độ của vật liệu. Trong đó, vật liệu MWCNT/Cu chứa 1,5% CNT chế tạo bằng phương pháp thiêu kết + cán nguội có hệ số giãn nở nhiệt giảm 30%, hệ số ma sát giảm 6 lần so với mẫu vật liệu không chứa CNT. Đây là hiệu suất giảm hệ số ma sát lớn nhất, khi so sánh với những kết quả được công bố trên thế giới. 4. Đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu compozit MWCNT/Cu chế tạo bằng phương pháp thiêu kết + cán nguội làm tấm hỗ trợ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn. Việc sử dụng thêm tấm tản nhiệt bằng MWCNT/Cu chứa 0,5% CNT đã giúp nhiệt độ của LED COB công suất 50W giảm 15oC so với khi không có tấm hỗ trợ tản nhiệt. 5. Đối với cả ha