Ống Cácbon Na Nô Đa Lớp: A) Ống Cácbon 5 Lớp Với Đường Kính 6,5 Nm; B) Ống

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TẤM VÀ ỐNG NA NÔ

CÓ CẤU TRÚC LỤC GIÁC

1.1 Giới thiệu

Ngày nay công nghệ vật liệu na nô đang phát triển mạnh mẽ và trở thành một lĩnh vực quan trọng của đời sống kể từ khi Sumio Iijima tìm thấy ống na nô các-bon đa lớp (MWCNTs) năm 1991. Kết quả nghiên cứu về ống na nô các-bon (CNT) của Iijima đã được đăng trên tạp trí Nature [59]. Trong nghiên cứu này các điện cực làm bằng các-bon được phóng hồ quang điện ở môi trường khí hê li với nhiệt độ là 30000 C, kết quả thu được là có nhiều cấu trúc dạng ống kín hai đầu, lồng đồng trục với nhau, đó chính là ống na nô các-bon nhiều lớp (Multi walled carbon na nô tubes - MWCNTs) (Hình 1.1).

Hình 1.1 Ống cácbon na nô đa lớp: a) ống cácbon 5 lớp với đường kính 6,5 nm; b) ống cácbon 2 lớp với đường kính 5,5 nm; c) ống cácbon 7 lớp với đường kính 6,5 nm [1, 59].

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 133 trang tài liệu này.

Hai năm sau đó vào năm 1993 Iijima cùng cộng sự đã tổng hợp được ống na nô các-bon đơn lớp (Single walled carbon na nôtube – SWCNT) đường kính ống 1 nm [58]. Đến năm 2004 hai nhà khoa học Kostya Novoselov và Andre Geim đã bóc tách thành công tấm graphene (tấm graphite đơn lớp) [46, 84]. Hai nhà khoa học Kostya Novoselov và Andre Geim đã nhận được giải Noben Vật lý năm 2010 cho nghiên cứu của họ về các đặc tính cơ học của tấm graphene.

Sau tấm những nghiên cứu về tấm graphene và ống các-bon đã có thêm nhiều các nghiên cứu về các loại vật liệu na nô dạng lục giác khác [32, 53, 101, 104, 119, 131]. Hai trong số đó là tấm, ống BN và tấm, ống SiC. Các công trình nghiên cứu [88, 103, 106, 114] cho thấy đã tổng hợp được vật liệu na nô lục giác BN. Gần đây tấm vật liệu SiC độ dày 0,5-1,5 nm được tổng hợp thành công trong phòng thí nghiệm [70]. Cùng với các nghiên cứu tổng hợp thành công tấm SiC thì có nhiều nghiên cứu dự đoán tấm SiC có tồn tại trên lý thuyết dạng cấu trúc low-buckled (các nguyên tử Si nằm trên hai mặt phẳng song song với nhau) [24, 51, 100, 113]. Vào năm 2010 và năm 2012, tấm SiC cũng đã được tổng hợp thành công trên nền bạc [14, 35, 36, 43]. Trên một số nền khác như nền Zirconium diboride (ZrB2) và Iridium (Ir) cũng đã tổng hợp được tấm SiC [44, 76].

Sau việc phát hiện, dự đoán và tổng hợp, các vật liệu này cần được khảo sát, nghiên cứu những đặc trưng về cơ học, lý, hóa để ứng dụng, phục vụ cho thực tiễn đời sống. Nhiều nghiên cứu về tấm và ống na nô các-bon được công bố với nhiều phương pháp khác nhau một phần là do CNT và graphene được phát hiện sớm phần còn lại vật liệu này ẩn chứa nhiều tính chất ưu việt so với các vật liệu truyền thống. Có thể kể ra như mô đun đàn hồi hai chiều của graphene là 345 N/m được tìm ra bằng phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT) bởi Sahin và cộng sự [101]. Cũng bằng phương pháp lý thuyết hàm mật độ Kudin và cộng sự

[62] tìm ra mô đun đàn hồi hai chiều của graphene là 345 N/m. Đặc trưng đàn hồi, đặc trưng dao động của ống na nô các-bon được Sánchez-Portal và cộng sự [65] sử dụng nguyên lý tính toán ban đầu (ab initio) để khảo sát. Kết quả tính toán của họ chỉ ra khoảng cách của hai nguyên tử các-bon liền kề thuộc tấm graphene ở trạng thái cân bằng là 0,1436 nm, modun đàn hồi của ống na nô các-bon đơn lớp tăng theo đường kính, tiến tới tiệm cận với tấm na nô các-bon.

Ống na nô các-bon đơn lớp (SWCNT) chiều dày 0,075 nm có mô đun đàn hồi là 4,7 Tpa và hệ số Poisson là 0,34 được Tu và Ou-Yang [118] tính toán sử dụng phương pháp lý thuyết vỏ mỏng và xấp xỉ mật độ địa phương. Tấm graphene được Yakobson và cộng sự [129] sử dụng phương pháp động lực phân tử (MD) với hàm thế Tersoff-Brenner [23, 115] tính toán ra mô đun đàn hồi hai chiều là 360 N/m và hệ số Poisson 0,19. Với chiều dày ống là 0,066 nm họ tính được mô đun đàn hồi của ống SWCNT là 5,5 TPa. Kết quả mô đun đàn hồi 4,7 TPa và 5,5 TPa là cao bất thường, cho thấy giả thiết về chiều dày của ống trong hai nghiên cứu ở trên (0,066 nm và 0,075 nm) là chưa hợp lý. Sau đó, nhiều nghiên cứu đã chứng minh độ dày tấm và ống na nô đơn lớp bằng với khoảng cách giữa hai lớp ống, cụ thể đối với ống na nô các-bon đa lớp thì khoảng cách đó là 0,335-0,34 nm [56, 65, 73, 101, 134].

Phương pháp động lực học phân tử (MD) với hàm thế Tersoff-Brenner được Cornwell và Wille [33] sử dụng để nghiên cứu đường cong ứng suất-biến dạng của ống na nô các-bon đơn lớp khi chịu nén. Các kết quả chứng minh ứng suất khi nén của ống na nô các-bon tăng tỉ lệ thuận với đường kính ống, khi đường kính ống là 1,663 nm thì ứng suất khi nén đạt giá trị xấp xỉ 45 GPa. Cornwell và Wille cũng cho rằng mô đun đàn hồi của của SWCNT tỉ lệ nghịch với đường kính tức là khi đường kính ống tăng thì mô đun đàn hồi giảm. Giả thiết của Cornwell và Wille không giống với kết quả nghiên cứu của Sánchez-Portal [65] sử dụng mô hình nguyên lý ban đầu. Guanghua Gao và cộng sự [45] nghiên cứu đặc trưng về dao động, cơ học, cấu trúc, năng lượng của ống na nô các-bon sử dụng phương pháp cơ học phân tử và động lực phân tử, kết quả họ tính được mô đun đàn hồi dọc ống na nô cácbon (10,10), (12,6) lần lượt là 640,3 GPa và 673,94 GPa. Cũng với phương pháp động lực phân tử Prylutskyy và cộng sự [94] đã tính toán ra mô đun đàn hồi của ống các-bon zigzag (10,0), ống armchair (5,5) lần lượt là 1,2 TPa và 1,1 TPa. Li và Chou [65] sử dụng phương pháp cơ học phân tử đã tìm được mô đun đàn hồi hai chiều của tấm graphene xấp xỉ 1 TPa. Năm 2004 Pantano và cộng sự [90] sử dụng lý thuyết vỏ tính ra mô đun đàn hồi hai chiều của graphene là 363 N/m khi coi ống na nô các-bon đơn lớp như một vỏ trụ.

Rất nhiều các phương pháp được sử dụng để tính toán cho tấm và ống na nô BN như: Lý thuyết hàm mật độ (DFT) [4, 16, 62, 91, 101, 116]; Tính toán tight-binding [56]; Mô phỏng động lực phân tử (MD) [122]; Mô hình liên tục [86, 105]; Cơ học phân tử (MM) [21, 60]. Qua quan sát biên độ dao động nhiệt dưới kính hiển vi điện tử [30] cho thấy mô đun đàn hồi của ống na nô BN đa lớp khoảng 1,22±0,24 TPa, sử dụng cộng hưởng trong trường điện từ

[112] cho kết quả 722 GPa, và khi sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử [47] thì cho kết quả mô đun đàn hồi 0,5-0,6 TPa. Đối với tấm BN có mô đun đàn hồi bằng 811 GPa khi đo tán xạ tia X [22].

Peng và cộng sự [92] cho rằng tấm BN có biến dạng phi tuyến trước khi bị phá hủy bởi biến dạng lớn. Họ đã đề xuất mô hình phi tuyến cho tấm BN dựa trên phương pháp lý thuyết hàm mật độ. Topsakal và Ciraci [117] sử dụng phương pháp DFT chỉ ra biến dạng lớn nhất của ống armchair BN là 21% trước khi nó bị phá hủy giòn. Mortazavi và Remond [80] sử dụng phương pháp động lực học phân tử (MD) tính toán được ứng suất phá hủy của ống BN. Ứng suất này có giá trị xấp xỉ 170 GPa, vượt gần 80% so với tính bằng phương pháp DFT. Trên thực tế, phương pháp DFT cho kết quả chính xác hơn mô phỏng MD, điều này cho thấy kết quả nghiên cứu của Mortazavi và Remond [80] có nhiều nhược điểm.

Sau các-bon, BN nhiều vật liệu cấu trúc na nô lục giác khác như SiC, AlN, GaN, InN được tìm thấy và nghiên cứu nhưng chỉ dừng lại ở tìm hiểu cấu trúc, đặc tính vật lý chứ chưa được tính toán các đặc trưng về cơ học, đặc tính về dao động [4, 16, 101].

Để nghiên cứu người ta phải bóc tách thành các tấm và ống vật liệu na nô đơn lớp do các vật liệu này sau khi tổng hợp thường thu được ở dạng đa lớp, bó, cụm. Quá trình bóc tách các tấm và ống vật liệu na nô đơn lớp là rất khó khăn và thường tạo ra các khuyết tật như khuyết tật mất nguyên tử, khuyết tật lệch mạng,... Khuyết tật trong các trường hợp này có ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu như ảnh hưởng tới đặc tính điện của tấm BN [27, 116, 130], tấm SiC [18, 48, 79], tấm Si [74, 87, 100, 107]. Berdiyorov và Peters đã đã nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật tới đặc tính nhiệt của tấm Si [19] vào năm 2014. Chưa có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật tới đặc tính cơ học của các vật liệu trên.

Năm 2014 Zhang và cộng sự [67] đã nghiên cứu tổng quan về phân tích cơ học của các kết cấu composite được gia cường bằng các ống các bon na nô có cơ tính biến đổi. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhờ những tính chất ưu việt của các ống các bon na nô như độ bền, độ cứng cao, tỉ trọng thấp nên chúng có thể gia cường tốt cho các kết cấu composite. Kết quả nghiên cứu cũng nêu bật lên các hướng nghiên cứu liên quan đến kết cấu composite được gia cường bằng ống các bon na nô có cơ tính biến đổi. Vấn đề liên quan đến việc xử lý, phân tán và sắp xếp ống na nô các bon trong các kết cấu na nô composite cũng được nghiên cứu bởi Garima Mittal cùng cộng sự năm 2015 [77]. Cùng năm W. K. Chee [26] đưa ra các đánh giá về tích chất cơ học và các tính chất vật lý khác của graphene gia cường cùng các mối quan hệ trực tiếp của các tính chất này với các tương tác graphene-polymer và sự phân tán của graphene gia cường trong polyme. Năm 2018 Nguyen Van Thanh cùng cộng sự [120] nghiên cứu về đáp ứng động lực học phi tuyến và dao động của các vỏ trụ tròn composite không hoàn hảo được gia cường bằng ống na nô các bon có cơ tính biến đổi dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Reddy. Cùng năm 2018 Hoang Van Tung cùng cộng sự

[121] đã công bố các nghiên cứu về đáp ứng phi tuyến của các vỏ trụ composite na nô có cơ tính biến đổi được gia cường bằng các ống nano các bon đơn lớp chịu nhiệt độ và áp lực không đổi. Trong đó, các thông số vật liệu của kết cấu thay đổi theo nhiệt độ, chiều dày. Phương trình chủ đạo của kết cấu dựa trên lý thuyết tấm của điển của Kármán–Donnell. Nguyen Dinh Duc cùng cộng sự [39] công bố kết quả nghiên cứu về ứng xử cơ và nhiệt phi tuyến sau mất ổn định của các vỏ thoải composite na nô 2 độ cong được gia cường bằng các ống nano các bon đơn lớp đặt trên nền đàn hồi dựa trên tiếp cận giải tích và lý thuyết biến dạng trượt bậc cao có tính đến phi tuyến hình học của Karman–Donnell.

Các lập luận trên đây cho thấy rằng, việc nghiên cứu về đặc tính cơ học, đặc trưng dao động của kết cấu tạo nên từ vật liệu na nô vẫn còn mới mẻ, đặc biệt là đối với các vật liệu mới được phát hiện gần đây như SiC, BN, Si… Vì vậy, luận án sẽ đi tính toán các đặc trưng về dao động cho một vài kết cấu từ vật liệu na nô có cấu trúc lục giác mới được phát hiện như: CNT BN, SiC.

1.2 Cấu trúc hình học tấm và ống vật liệu na nô dạng lục giác

Tấm vật liệu na nô có cấu trúc dạng lục giác là một tấm vật liệu có các nguyên tử nằm tại đỉnh của các hình lục giác xếp khít với nhau tạo nên dạng lưới như hình tổ ong (hình 1.2).

Có hai loại tấm được chứng minh tồn tại là tấm phẳng (các nguyên tử cùng nằm trên một mặt phẳng, hình 1.2a) và tấm low-buckled (các nguyên tử nằm trên hai mặt phẳng song song với nhau, hình 1.2b). Quan sát theo phương vuông góc của tấm thì tấm low-buckled vẫn có cấu trúc lưới lục giác giống như tấm phẳng. Nhìn theo phương cạnh tấm thì thấy rõ các nguyên tử trong tấm low-buckled nằm trên hai mặt phẳng song song với nhau và cách nhau

một khoảng, khoảng đó gọi là khoảng low-buckled được ký hiệu là Lowbuckled

(hình 1.2b).

Như vậy, kích thước hình học của một tấm vật liệu na nô cấu trúc lục giác được xác định

bởi hai thông số độc lập là chiều dài liên kết ban đầu lo và khoảng Lowbuckled . Từ đó rút ra

được các thông số góc liên kết θ và độ dài véc tơ đơn vị a1, a2

theo các biểu thức sau:

a a  3 l 

1 2



2 2

o Lowbuckled



a 

 32

l 2 

, (1.1)

 arccos Low buckled o. (1.2)

o 

Với tấm phẳng

Lowbuckled  0 , nên theo công thức (1.2), góc liên kết θ luôn bằng 120o.

Còn góc liên kết của tấm low-buckled sẽ luôn nhỏ hơn 120o.

Hình 1.2 Hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh của tấm vật liệu na nô cấu trúc lục giác:

a) tấm phẳng với góc liên kết luôn là θ=120o; b) tấm low-buckled với góc liên kết θ<120o [1].

Các tham số hình học để mô tả cấu trúc tấm graphene được nhà khoa học Dresselhaus và cộng sự [37] đưa ra vào năm 1995. Theo ông cuộn tấm graphene sẽ có các ống na nô các- bon. Phương pháp này cũng được áp dụng cho các vật liệu na nô cấu trúc lục giác khác (hình 1.3).

Hình 1.3 Thông số hình học một tấm vật liệu na nô cấu trúc hình lục giác [1].

Như vậy, theo như Dresselhaus [37], một ống na nô xem như được tạo thành bằng cách cuộn một tấm vật liệu theo phương véc tơ Ch .

Hình 1.4 Mô phỏng quá trình cuộn tấm thành ống vật liệu na nô [1].

Trong đó, véc tơ Ch

được định nghĩa như sau [37]:

Ch OA na1 ma2 , (1.3)

trong đó cặp chỉ số n, m

là số bước dọc theo liên kết dích dắc của lưới hình lục giác và

a1, a2

là các véc tơ đơn vị. Véctơ Ch

xác định độ xoắn của ống. Khi Ch

trùng với phương

zigzag ta có ống dạng zigzag n,0, Ch trùng với phương armchair ta có ống dạng armchair

n, n, còn lại là các ống dạng chiral (hình 1.5).

Hình 1.5 Ba dạng cấu trúc ống vật liệu na nô: (a) Zigzag (10,0); (b) Armchair (5,5); (c) Chiral (7,3) [1].

Xét về phương diện toán học, một tấm vật liệu na nô gồm N nguyên tử có (xi, yi, zi) là tọa độ trong không gian của nguyên tử thứ i . Trong đó phương trục z vuông góc với mặt

phẳng tấm. Tọa độ của nguyên tử thứ i sau khi cuộn tấm thành ống là X i ,Yi , Zi 

xác định qua biểu thức sau:

sẽ được

Khi Ch

trùng với phương zigzag (phương x):



XiR sin xi/R

Yi yi

(1.4)

Z R cos x / R1

ii

Khi Ch

trùng với phương armchair (phương y):