Vecto Chỉral Có Thể Dùng Để Xác Định Đường Kính Ống [6]

hoạt động trong dải nhiệt độ cho phép là điều rất quan trọng. Điều này có thể thực hiện bằng việc truyền dẫn nhiệt từ vùng nóng có nhiệt độ cao sang vùng lạnh có nhiệt độ thấp hơn: vùng nóng giảm nhiệt và vùng lạnh tăng nhiệt. Để thực hiện nhiệm vụ này, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp sử dụng chất lỏng tản nhiệt, đặc biệt là loại chất lỏng chứa thành phần CNTs có tính chất cơ lý tốt và hệ số dẫn nhiệt cao như đã đề cập đến ở trên.

Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh”.

Mục đích luận án:

Nghiên cứu lý thuyết, kết hợp thực nghiệm và thử nghiệm ứng dụng chất lỏng đa thành phần chứa CNTs nhằm giám sát nhiệt độ cho vệ tinh mô hình trong phòng thí nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu:

Một số chất lỏng chứa vật liệu CNTs đáp ứng khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường không gian.

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó:

- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển và xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs với độ chính xác cao khi so sánh với thực nghiệm.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với các nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs, chế tạo mô hình buồng chân không và thử nghiệm ứng dụng các chất lỏng chế tạo được trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh.

Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án gồm các chương:

Nhằm đạt được mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã được triển khai thực hiện:

– Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng đa

thành phần chứa vật liệu CNTs.

– Biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức -COOH và -OH để nâng cao hiệu quả phân tán trong chất lỏng tản nhiệt.

– Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng khả năng ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.

– Chế tạo mô hình vệ tinh để giả lập điều kiện làm việc của vệ tinh trong quỹ đạo.

– Thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh.

Luận án bao gồm 124 trang với 9 bảng, 71 hình vẽ và đồ thị. Ngoài phần mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và kết luận về những kết quả đã đạt được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án được cấu trúc trong 4 chương:

Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, và chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phần tổng quan về vật liệu CNTs trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về chất lỏng tản nhiệt trình bày về hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs. Chương này cũng trình bày về tổng quan quản lý nhiệt cho vệ tinh, cũng như đưa ra lý do tại sao quản lý nhiệt bằng chất lỏng là phương án được chọn.

Chương 2 trình bày lý do cần thiết để đưa ra mô hình mới nhằm tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền đa thành phần chứa CNTs. Sau đó, luận án đưa ra các phương trình tính toán mô hình lý thuyết của mình và so sánh với kết quả thực nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình của luận án đưa ra các con số phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.

Chương 3 trình bày kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, kết quả chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả cho thấy CNTs đã tăng đáng kể khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng đa thành phần.

Chương 4 trình bày kết quả chế tạo chế tạo mô hình vệ tinh. Cùng với đó, một hệ mô phỏng môi trường không gian cũng được xây dựng để thử nghiệm mô hình vệ tinh. Chương này cũng trình bày kết quả thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs chế tạo được trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh.

Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê.

Luận án được thực hiện tại khoa Khoa học Vật liệu và Năng lượng, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Những đóng góp mới của luận án:

Luận án đã phát triển thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng đa thành phần chứa CNTs. Mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm và đã được công bố trên các tạp chí quốc tế.

Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng thông số kỹ thuật trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.

Luận án cũng đã xây dựng mô hình vệ tinh đơn giản để thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa CNTs trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1.1. Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon

1.1.1. Lịch sử phát triển

Cácbon là một nguyên tố hóa học có ký hiệu C và số nguyên tử 6. Nó là phi kim và hóa trị 4 - tạo ra 4 electron để tạo thành liên kết hóa học cộng hóa trị. Nó thuộc nhóm 14 của bảng tuần hoàn. Cácbon chỉ chiếm khoảng 0,025% vỏ Trái đất [1]. Ba đồng vị của Cácbon tồn tại trong tự nhiên, với đồng vị 12C và 13C là ổn định, trong khi đồng vị 14C là một hạt nhân phóng xạ, phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Trước đây người ta biết đến 3 dạng thù hình chính của Cácbon là kim cương, Graphit và Cácbon vô định hình (Fullerenes).

Kim cương là một dạng rắn của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp trong một cấu trúc tinh thể được gọi là khối kim cương. Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển, một dạng rắn khác của Cácbon được gọi là than chì là dạng Cácbon ổn định về mặt hóa học, nhưng kim cương hầu như không bao giờ chuyển đổi thành dạng này. Kim cương có độ cứng và độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ vật liệu tự nhiên nào, do vậy được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như cắt và đánh bóng các đồ vật. Đây cũng chính là lý do mà kim cương có thể chịu được áp lực sâu trong lòng đất, nơi chúng được tìm thấy.

Graphit là một dạng tinh thể của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc hình lục giác. Nó xuất hiện tự nhiên ở dạng này và là dạng Cácbon ổn định nhất trong các điều kiện tiêu chuẩn. Dưới áp suất và nhiệt độ cao, nó chuyển thành kim cương. Graphit được sử dụng trong bút chì và chất bôi trơn. Nó là một chất dẫn nhiệt và điện tốt. Độ dẫn điện cao của Graphit làm cho nó hữu ích trong các sản phẩm điện tử như điện cực, pin và tấm pin mặt trời [2].

Những phân tử Fullerene đầu tiên được phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1985 bởi các nhà khoa học Richard Smalley, Robert Curl, và Harry Kroto đến từ Đại học Rice và họ đã được trao giải Nobel cho khám phá này. Fullerene là các phân tử nanô cácbon đối xứng. Đây là những hợp chất có độ ổn định nhiệt độ và độ dẫn điện cao, do vậy mà thường được sử dụng trong vật liệu nanô tổng hợp. Fullerene được cấu tạo bởi các đa giác khác nhau, và các phân tử này được đặt tên theo số nguyên tử Cácbon có trong cấu trúc của chúng (Hình 1.1). Phân tử Fullerene

có các nguyên tử Cácbon lai hóa sp2 và sp3. Một dạng Fullerene phổ biến là C60. Nó được đặt tên là Buckminster Fullerene, theo tên của một kiến trúc sư người Mỹ, Buckminster. Nó được tạo thành từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác. Độ dài liên kết C-C trung bình trong C60 được tìm thấy là 1,44 A°, trong khi phân tử có đường kính là 7,09 A°. Fullene thường được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật graphite mài mòn bằng laser và phóng điện hồ quang. Do các điện tử π bị phân chia, các Fullerene có đáp ứng quang học phi tuyến lớn, ái lực điện tử cao và khả năng vận chuyển điện tích tốt. Các phân tử Fullerene có độ bền đặc biệt cao, do vậy có thể được sử dụng để làm cứng kim loại và hợp kim mà không làm giảm độ dẻo. Fullerene cũng có tiềm năng trong các tụ điện xen kẽ, cảm biến, sợi phân tử, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [3].

Fullerene C60 (a)

Fullerene C70 (b)

Fullerene C80 (c)

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của các Fullerene: a) C60 b) C70 c) C80

Năm 1991, trong quá trình chế tạo Fullerene, S. Iijima đã khám phá ra một cấu trúc mới của Cácbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này được gọi là ống nanô cácbon đa tường (Multi Walled Cacrbon Nanotubes - MWCNTs). Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô cácbon đơn tường (Single Walled Carbon Nanotubes - SWCNTs) có đường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường và CNTs đa tường (hình 1.2a và 1.2b) [4].

Mặc dù có sự tương đồng nhất định, SWCNTs và MWCNTs có các tính chất vật lý khác nhau đáng kể vì sự khác biệt về cấu trúc của chúng. Đặc điểm quan trọng nhất giúp phân biệt SWCNTs là thành ống nano chỉ bao gồm một lớp graphene. Nói cách khác, ống nano cácbon đơn tường có thể được mô tả như những

tấm graphene được cuộn lại liền mạch để tạo thành một hình trụ rỗng. Đó là lý do tại sao chúng còn được gọi là ống nano graphene (Graphene Nanotubes).

Không giống như CNTs đơn tường, CNTs đa tường có thể được xem như một sự sắp xếp đồng tâm của các SWCNTs, tức là bao gồm nhiều lớp graphene được cuộn lại liền mạch thành các ống đồng trục.

Những khác biệt này giữa CNTs đơn tường và đa tường dẫn đến các đặc tính khác nhau đáng kể và các tác động khác nhau lên vật liệu sau khi chúng được đưa vào sử dụng.

(a)

(b)

Hình 1.2. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs b) MWCNTs

Luận án này tập trung nghiên cứu chế tạo chất lỏng nanô chứa thành phần CNTs đa tường ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.

1.1.2. Cấu trúc của CNTs

Cácbon có thể liên kết theo nhiều cách khác nhau để tạo ra các cấu trúc với các đặc tính hoàn toàn khác nhau. Sự lai hóa sp2 của Cácbon tạo ra một cấu trúc phân lớp với liên kết ngoài mặt phẳng yếu của dạng Van Der Waals và các giới hạn trong mặt phẳng mạnh. Để tạo thành MWCNTs, một vài đến vài chục hình trụ đồng tâm được đặt xung quanh một lõi rỗng ở trung tâm. Phép phân tích không gian thực của các hình ảnh ống nanô đa tường đã chỉ ra một dải khoảng cách giữa các lớp (0,34 đến 0,39 nm) [5].

Tùy thuộc vào số lớp, đường kính trong của MWCNTs khác nhau từ 0,4 nm đến vài nanomet và đường kính ngoài thay đổi từ 2 nm đến 20 hoặc 30 nm. Cả hai đầu của MWCNTs thường đóng lại và các đầu được bao phủ bởi các phân tử nửa

Fullerene hình vòm (khuyết tật hình ngũ giác), với kích thước trục khác nhau từ 1 μm đến vài cm. Vai trò của các phân tử nửa Fullerene (khuyết tật vòng ngũ giác) là giúp đóng ống ở hai đầu.

Mặt khác, đường kính SWCNTs khác nhau từ 0,4 đến 2 hoặc 3 nm, và chiều dài của chúng thường thuộc phạm vi micromet. Các SWCNTs thường có thể kết hợp với nhau và tạo thành các bó (dây). Trong cấu trúc bó, SWCNTs được sắp xếp theo hình lục giác để tạo thành một cấu trúc giống như tinh thể [5].

Phụ thuộc vào hình dạng sắp xếp của các đa giác, có ba dạng SWCNTs khác nhau là: armchair, chiral và zigzag (Hình 1.3). Cấu trúc của SWCNTs được đặc trưng bởi một cặp chỉ số (n, m) mô tả vectơ bất đối xứng và có ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính điện của ống nanô. Số lượng vectơ đơn vị trong mạng tinh thể dạng tổ ong của graphene dọc theo hai hướng được xác định bởi các số nguyên n và m. Theo quy ước chung, khi m = 0, các ống nanô được đặt tên là ống nanôzigzag; khi n

= m, các ống nanô được đặt tên là ống nanô armchair, và ở các trạng thái khác được gọi là chiral [6].

Hình 1.3. Vecto Chỉral có thể dùng để xác định đường kính ống [6]

Vectơ chiral C = n.a1 + m.a2 (a1 và a2 là vectơ ô cơ sở của than chì) cũng được dùng để xác định đường kính ống (d), và vectơ này có thể tìm ra hướng lăn của tấm graphene. Do đó, đường kính của một ống cácbon có thể được tính bằng:

a (n2 m2 nm )

d 

(1.1)

trong đó 𝑎 = 1,42 × √3Å tương ứng với hằng số mạng trong tấm graphit.

Nếu (n – m) là bội số của 3, thì ống nanô được mô tả là “kim loại” hoặc ống nanô dẫn điện cao, và nếu không, thì ống nanô là bán kim loại hoặc bán dẫn.

Tại mọi thời điểm, CNTs dạng armchair là kim loại, trong khi các dạng khác có thể làm cho ống nanô trở thành chất bán dẫn.

Nhiều tham số và vectơ có thể ảnh hưởng đến cấu trúc ống nanô, chẳng hạn

như sau [6]:

(1) Vectơ tịnh tiến = T = t 1a 1 + t 2a2 » (t 1, t 2)

(2) Vectơ chiral = Ch = na1 + na2 » (n, m)

(3) Độ dài của vectơ bất đối: L = a √ (n2 + m2 + n * m); trong đó a là hằng số mạng

(4) Góc chiral = cosθ = (2n + m) / (2 * √ (n2 + m2 + n * m))

(5) Số hình lục giác trong ô đơn vị = N = (2 * (n2 + m2 + n * m) / dR)

(6) Đường kính = dt = L / π

(7) Góc quay của vectơ đối xứng = ψ = 2π / N (tính bằng radian)

(8) Vectơ đối xứng = R = pa1 + qa2 » (p, q)

(9) Pitch của vectơ đối xứng = τ = ((m * p – n * q) * T) / N

CNTs đa tường có thể được hình thành theo hai mô hình cấu trúc có tên lần lượt là cấu trúc “Búp bê Nga” và cấu trúc “Giấy da”. Khi một ống CNT chứa một ống CNT khác bên trong, nó được gọi là mô hình “Búp bê Nga”. Mặt khác, khi một tấm graphene đơn lẻ được quấn quanh chính nó nhiều lần, giống như một cuộn giấy được cuộn lại, nó được gọi là cấu trúc “Giấy da”. CNTs đa tường và đơn tường có các thuộc tính khá tương đồng. Tuy nhiên, do tính chất đa lớp của MWCNTs, các lớp bên ngoài không chỉ có thể che chắn các lớp bên trong khỏi các tương tác hóa học với các chất bên ngoài mà còn thể hiện các đặc tính độ bền kéo cao, không tồn tại trong SWCNTs (hoặc tồn tại một phần) [6].

Vì CNTs có liên kết sp2 giữa các nguyên tử Cácbon riêng lẻ nên chúng có độ bền kéo cao hơn thép và Kevlar. Liên kết này thậm chí còn mạnh hơn liên kết sp3 được tìm thấy trong kim cương. Do vậy về mặt lý thuyết, SWCNTs có thể có độ bền kéo mạnh hơn thép hàng trăm lần.

Một đặc tính đáng chú ý khác của CNTs là tính đàn hồi. Dưới tác dụng của lực nén và lực ép cao hoặc khi chịu lực nén trục dọc lớn, nó có thể uốn cong, xoắn, gấp khúc, hoặc thậm chí là biến dạng mà không làm hỏng ống nanô. Ống nanô sẽ trở lại