VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26388.pdfVIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

NGUYỄN MẠNH HỒNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT

CHỨA ỐNG NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT

CHỨA ỐNG NANO - CACBON CHO ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

GS.TS Phan Ngọc Minh

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới

sự hƣớng dẫn của GS.TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu và kết quả trong

luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố ở bất kỳ công trình nào

khác.

Tác giả luận án


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc

tới thầy hƣớng dẫn là GS.TS. Phan Ngọc Minh, ngƣời thầy đã định hƣớng

cho tôi trong tƣ duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho

tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phan Hồng Khôi, PGS.TS. Phạm

Văn Hội, PGS.TS Vũ Đình Lãm, TS. Nguyễn Văn Thao, TS. Bùi Hùng

Thắng, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn

Hồng, KS. Lê Đình Quang, ThS. Cao Thị Thanh - những ngƣời đã luôn giúp

đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng điểm

Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Phòng hóa

nghiệm xăng dầu, Viện kỹ thuật xăng dầu quân đội, Viện kỹ thuật cơ giới

quân sự, Trƣờng sĩ quan lục quân 1, Cục xe máy 384 quân đội, Phòng thí

nghiệm hóa dầu, Đại học mỏ địa chất, Viện hóa học công nghiệp Việt Nam

đã giúp tôi thực hiện các phép đo trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện khoa học và công nghệ,

Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận

lợi cho tôi làm luận án.

Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những ngƣời

thân trong gia đình tôi đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và động viên,

hỗ trợ tôi thực hiện thành công luận án..!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Hồng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON ... 5

1.1. Tổng quan về ống nano-cacbon ........................................................................ 5

1.1.1. Giới thiệu về ống nano-cacbon .................................................................. 5

1.1.2. Cấu trúc và tính chất của ống nan- cacbon ................................................ 5

1.1.3. Các phƣơng pháp chế tạo ống nano-cacbon .............................................. 9

1.1.4. Một số tính chất của ống nano-cacbon ............................................. 12

1.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon .................................. 16

1.2.1. Khái niệm chất lỏng nano ........................................................................ 16

1.2.2. Các phƣơng pháp chế tạo ......................................................................... 16

1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs .................................................... 18

1.2.4. Ứng dụng của chất lỏng nano .................................................................. 26

1.3. Dầu bôi trơn tản nhiệt ..................................................................................... 29

1.3.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn ........................................................................ 29

1.3.2. Một số thông số của dầu bôi trơn ............................................................ 32

1.3.3. Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn .................................................... 32

1.3.4. Pha trộn dầu bôi trơn ............................................................................... 37

1.3.5. Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon ......................................... 37

1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án ......... 39

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ............................................................ 39

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................. 40

1.4.3. Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt

chứa ống nano - cacbon ........................................................................... 41

1.5. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................... 41

CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 43

2.1. Phƣơng pháp thực nghiệm .............................................................................. 43

2.1.1. Phƣơng pháp biến tính CNTs .................................................................. 43

2.1.2. Phƣơng pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano .................................. 44

2.1.3. Phƣơng pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu ..................................... 46

2.1.4. Phƣơng pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano .................................... 49

2.2. Phƣơng pháp mô hình hóa và tính toán lý thuyết ........................................... 49

2.3. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 50

2.3.1. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt ....................................... 50

2.3.2. Nguyên liệu tản nhiệt ............................................................................... 51

2.4. Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 52

2.4.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn ............................................... 52

2.4.2. Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần

nano cacbon ............................................................................................. 52

2.5. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 52

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU

BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON ................. 53

3.1. Kết quả biến tính CNTs .................................................................................. 53

3.2. Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon ................................... 56

3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO ............................................... 56

3.2.2. Tối ƣu hàm lƣợng CNTs trong trong dầu bôi trơn tản nhiệt .................. 60

3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs ............................................................................. 62

3.2.4. Tối ƣu hàm lƣợng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt ....... 64

3.3. Xây dựng mô hình truyền nhiệt tính toán độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn

tản nhiệt .......................................................................................................... 68

3.3.1. Xây dựng mô hình truyền nhiệt ............................................................... 68

3.3.2. So sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới .. 73

3.3.3. So sánh mô hình truyền nhiệt lý thuyết với kết quả thực nghiệm

của dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................................................ 76

3.4. Đánh giá một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo đƣợc ...... 79

3.4.1. Độ nhớt .................................................................................................... 79

3.4.2. Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano ............................ 80

3.5. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................... 83

CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG

NANO CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA

THIẾT BỊ QUÂN SỰ ........................................................................... 85

4.1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ .......................................... 85

4.1.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ........ 87

4.1.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ .................... 88

4.1.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ........................ 90

4.1.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử ........... 92

4.2. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng........................................................ 94

4.2.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ........ 95

4.2.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ .................... 97

4.2.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ........................ 98

4.2.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử ........... 99

4.3. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp ............................................. 102

4.3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ...... 103

4.3.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ .................. 105

4.3.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ...................... 106

4.3.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử ......... 108

4.4. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự .............................. 110

4.4.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ...... 111

4.4.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ .................. 113

4.4.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ...................... 114

4.4.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử ......... 116

4.5. Khảo sát dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực địa ...... 118

4.5.1. Thử nghiệm thực địa trên xe thiết giáp .................................................. 118

4.5.2. Thử nghiệm thực địa trên xe chở khí tài quân sự .................................. 120

4.6. Thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt

cho đèn LED công suất lớn .......................................................................... 122

4.7. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................ 124

KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 126

KIẾN NGHỊ VÀ KẾ HOẠCH TIẾP THEO ........................................................... 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................... 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 131

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Diễn giải

CNT Ống nano cacbon – Carbon nanotube

CNF Sợi nano cacbon - Carbon nanofibers

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử - Atomic Force Microscope

STM Kính hiển vi xuyên hầm quét - Scanning Tunneling Microscope

CVD Lắng đọng hoá học pha hơi - Chemical Vapor Deposition

CPU Vi xử lý trung tâm - Central Processing Unit

LED Điốt phát quang - Light Emitting Diode

SEM Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope

FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng - Field Emitting Scanning

Electron Microscope

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscope

HRTEM Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao - High Resolution

Transmission Electron Microscope

TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng - Thermogravimetric Analysis

XRD Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction

MWCNT Ống nano cacbon đa tƣờng - Muti-walled Carbon Nanotube

SWCNT Ống nano cacbon đơn tƣờng - Single-walled Carbon Nanotube

PAO Dầu gốc - Poly AlphaOlefine

FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi fourier - Fourrier Transformation InfraRed

UV – VIS Quang phổ hấp thụ phân tử - Ultraviolet visible

SDS Sodium dodecyl Sulfate

EG Ethylen Glycol

DW Nƣớc cất

FHP Ống dẫn nhiệt phẳng – Flat heat pipe

SAE Chỉ số phân loại dầu nhớt – Society of automobile engineers

API American Petroleum Institute

DOS Electronic density of states

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet%E2%80%93visible_spectroscopy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh một số tính chất cơ học của CNTs với các vật liệu khác [18] . 13

Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt [46] .................. 19

Bảng 1.3. Thành phần dầu bôi trơn thƣơng phẩm [83, 84] .................................... 37

Bảng 3.1. Tổng hợp các thông số theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, ГОСТ

6360-83, ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga kết hợp

thêm một số tiêu chuẩn khác đối với dầu bôi trơn ................................ 64

Bảng 3.2. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt cho tàu thủy

cỡ nhỏ theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 sau quá trình nghiên cứu

tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích .............. 65

Bảng 3.3. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe

tăng theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 sau quá trình nghiên cứu tối

ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích .................... 66


thiết giáp theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 sau quá trình nghiên cứu

tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích .............. 66


chở khí tài quân sự theo tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85 sau quá trình

nghiên cứu tối ƣu hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12%

thể tích ................................................................................................... 67

Bảng 3.6. So sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo đƣợc

với dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu không chứa thành phần nano

dùng cho tàu thủy cỡ nhỏ ..................................................................... 81

Bảng 3.7. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano

đã chế tạo đƣợc, dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano

cho động cơ xe tăng ............................................................................... 81


chế tạo đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa

nano cho động cơ xe thiết giáp .............................................................. 82


chế tạo đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa

nano cho động cơ xe chở khí tài quân sự .............................................. 83

Bảng 4.1. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ tàu thủy

cỡ nhỏ .................................................................................................... 89

Bảng 4.2. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản

nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy

cỡ nhỏ .................................................................................................... 93

Bảng 4.3. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe tăng .............. 97


nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng....... 101

Bảng 4.5. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe thiết giáp .... 105


nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết

giáp ...................................................................................................... 109

Bảng 4.7. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ

xe chở khí tài quân sự .......................................................................... 113


nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở

khí tài quân sự...................................................................................... 117

Bảng 4.9: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt

thƣờng và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe thiết giáp ..................... 119

Bảng 4.10. Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt

thƣờng và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe ZIL 131 ...................... 121

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có đƣợc CNTs [6] ............................... 6

Hình 1.2. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNT [7] .................... 6

Hình 1.3. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)

và chiral (10,5) [8, 9] ................................................................................ 8

Hình 1.4. Các loại defect trên ống CNTs: a) ở đầu ống, b) ở thân ống [10] ........... 8

Hình 1.5. Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu đƣợc

bằng phƣơng pháp này [13] ..................................................................... 9

Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [13] ............................................................... 11

Hình 1.7. Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT (đƣờng nét liền) và của

graphit (đƣờng nét đứt) vào nhiệt độ [26] ............................................. 15

Hình 1.8. Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT vào nhiệt độ [27] ............ 15

Hình 1.9. Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nƣớc cất (DW) và Ethylen

Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48] ... 20

Hình 1.10. So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết

quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trƣờng hợp phân tán

CNTs vào nƣớc cất [103] ...................................................................... 25

Hình 1.11. Cấu trúc hình ống của CNTs [8] ........................................................... 25

Hình 1.12. Một số loại dầu bôi trơn trên thế giới .................................................... 38

Hình 2.1. Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề

mặt CNTs ............................................................................................... 43

Hình 2.2. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano

tại phòng thí nghiệm .............................................................................. 45

Hình 2.3. Quá trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs ............................. 46

Hình 3.1. Phổ FTIR của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính gắn

nhóm chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH .............. 53

Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính

gắn nhóm chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH.......55

Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần

vật liệu nano cacbon cho thiết bị quân sự ............................................. 57

Hình 3.4. Quy trình để phân tán CNTs trong dầu gốc........................................... 59

Hình 3.5. Phổ phân bố kích thƣớc của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đo

trên thiết bị Zeta-Sizer với các trƣờng hợp khác nhau: Rung siêu âm

40 phút (a), rung siêu âm 50 phút (b) và rung siêu âm 60 phút (c) ....... 60

Hình 3.6: Dầu bôi trơn chứa thành phần ống nano - cacbon chế tạo đƣợc ........... 61

Hình 3.7: Phổ phân bố kích thƣớc đo trên thiết bị Zeta-Sizer của CNTs trong

dầu bôi trơn tản nhiệt với hàm lƣợng 0,13% thể tích và thời gian

rung siêu âm là 60 phút ......................................................................... 62

Hình 3.8: Mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs ................................... 72

Hình 3.9. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm

của nhóm Hwang ................................................................................... 73

Hình 3.10: So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm

của nhóm Lifei Chen ............................................................................. 74

Hình 3.11. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của

nhóm Gensheng Wu .............................................................................. 74

Hình 3.12. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của

nhóm Hwang ......................................................................................... 75

Hình 3.13: So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của

nhóm Hwang ......................................................................................... 76

Hình 3.14. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo đạc khảo sát

độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt với các hàm lƣợng CNTs

khác nhau ............................................................................................... 77

Hình 3.15. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm về

độ dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs do nhóm S.U.S. Choi và tập thể

nghiên cứu thực hiện ............................................................................. 78

Hình 3.16. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo

nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC ....................................... 79

Hình 3.17. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo

nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 100oC ..................................... 79

Hình 4.1: Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ dùng để thử

nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới

quân sự ................................................................................................... 85

Hình 4.2: Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ ......... 86

Hình 4.3. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau .................... 87

Hình 4.4. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau ... 88

Hình 4.5. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong

trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm ..................................... 90


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ............ 91


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................... 91

Hình 4.8. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe tăng dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự ................... 94

Hình 4.9. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe tăng ....................... 95

Hình 4.10. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau .................... 96

Hình 4.11. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau ... 96


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm ..................................... 98


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ............ 98


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................... 99

Hình 4.15. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe thiết giáp dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự ................. 102

Hình 4.16. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe thiết giáp ............ 103

Hình 4.17. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau .................. 104

Hình 4.18. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau . 105


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm ................................... 106


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano .......... 107


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................. 107

Hình 4.22. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe ZIL 131 dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự ................. 110

Hình 4.23. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe ZIL131 ............... 111

Hình 4.24. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau .................. 112

Hình 4.25. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau . 113


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm. .................................. 114


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano .......... 115


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................. 116

Hình 4.29: Ảnh chụp xe thiết giáp BTR-60 PB dùng trong chạy thử nghiệm

thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Trƣờng Sỹ quan Lục quân 1

thực hiện .............................................................................................. 118

Hình 4.30. Ảnh chụp xe chở khí tài quân sự ZIL 131 dùng trong chạy thử

nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Viện Kỹ thuật

cơ giới quân sự thực hiện .................................................................... 120

Hình 4.31: Đồ thị nhiệt độ của đèn pha LED 300W và giàn tỏa nhiệt theo thời

gian khi sử dụng và không sử dụng phƣơng pháp tản nhiệt bằng dầu

bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs ........................................... 123

1

MỞ ĐẦU

Các trang thiết bị nhƣ xe chở khí tài quân sự, xe tăng, xe thiết giáp, tàu

thủy... là những thiết bị nòng cốt của quân đội. Đây là những thiết bị đặc chủng, đắt

tiền khó mua và có tính bảo mật cao. Việc gia tăng độ bền, tuổi thọ và công suất

hoạt động của các động cơ của xe chở khí tài, xe tăng, xe thiết giáp, tàu thủy... có ý

nghĩa rất quan trọng. Hiện nay, quân đội ta vẫn nhập các loại dầu bôi trơn thƣơng

phẩm từ Cộng Hòa Liên Bang Nga. Tuy nhiên, những loại dầu bôi trơn này có hệ số

ma sát khá cao và dầu chỉ sử dụng trong thời gian tƣơng đƣơng với phạm vi hoạt

động từ 3000 – 5000 km đã phải thay dầu bôi trơn mới. Điều này làm giảm đi khả

năng tác chiến trong chiến đấu và huấn luyện cũng nhƣ những hạn chế trong việc

nâng cao độ bền, tuổi thọ, công suất, tiêu hao nhiên liệu, khí thải và thời gian sử

dụng của động cơ.

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ nano, nhiều loại vật liệu

mới có kích thƣớc nano với nhiều tính năng ƣu việt, vƣợt trội đã đƣợc nghiên cứu

phát triển và ứng dụng. Nhiều nghiên cứu cho thấy việc đƣa thêm các vật liệu có

cấu trúc nano trong đó có vật liệu nano cacbon (CNTs) đã tạo ra nhiều vật liệu mới

có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống. Các nghiên cứu lý

thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao,

với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên tới 2000 W/mK [1, 2]. Tính chất ƣu việt

này của CNTs đã mở ra hƣớng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các

vật liệu trong các hệ thống tản nhiệt.

Một số nghiên cứu trên thế giới cho thấy việc sử dụng vật liệu CNTs vào dầu

bôi trơn giúp làm giảm hệ số ma sát của động cơ, tăng độ dẫn nhiệt qua đó nâng cao

hiệu suất hoạt động của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao độ bền,

tuổi thọ cho động cơ. Các sản phẩm dầu bôi trơn, tản nhiệt sử dụng vật liệu nano

cacbon đã đƣợc chế tạo ở Hoa Kỳ, một số nƣớc ở Châu Âu, Hàn Quốc,... trong đó có

các loại dầu đặc chủng dùng trong quân đội nhƣng không đƣợc thƣơng mại hóa. Vì

vậy, việc làm chủ công nghệ để có thể tự sản xuất đƣợc ở trong nƣớc là vấn đề rất cần

thiết. Khi có chiến tranh xảy ra, việc nhập khẩu dầu bôi trơn trở nên khó khăn.

Từ tình hình thực tế đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo

2

dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị

quân sự" làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình.

Mục đích của luận án:

– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng ống nano-cacbon từ dầu gốc

– Xây dựng mô hình truyền nhiệt của động cơ sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt

có thành phần CNTs và đánh giá một số tính chất của nó

– Ứng dụng dầu bôi trơn tản nhiệt cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây

đã được triển khai thực hiện:

– Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nano-cacbon

- Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát các tính chất lý, nhiệt, điện của các vật

liệu tản nhiệt chế tạo đƣợc

– Tính toán, xây dựng mô hình tản nhiệt của động cơ đốt trong sử dụng dầu bôi

trơn tản nhiệt có chứa ống nano - cacbon và so sánh với kết quả thực nghiệm

– Nghiên cứu thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo cho động cơ đốt trong

của một số thiết bị quân sự

– Trên cơ sở thực nghiệm và tính toán có đƣợc, tiến hành tối ƣu hóa điều kiện

công nghệ chế tạo đồng thời định hƣớng ứng dụng thực tiễn của dầu bôi trơn

tản nhiệt chế tạo đƣợc.

Đối tượng nghiên cứu

Dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần CNTs sử dụng cho động cơ đốt

trong của một số thiết bị quân sự

Phương pháp nghiên cứu

- Phƣơng pháp thực nghiệm bao gồm phƣơng pháp để biến tính CNTs với các

nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt sử dụng cho động cơ đốt

trong của một số thiết bị quân sự (tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp, xe chở khí

tài quân sự).

- Phƣơng pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính

3

toán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn

nhiệt của chất lỏng tản nhiệt CNTs với độ chính xác cao.

- Phƣơng pháp đo đạc một số tính chất của dầu bôi trơn chứa thành phần

CNTs chế tạo đƣợc.

Bố cục và nội dung của luận án

Luận án bao gồm 142 trang với 22 bảng, 62 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 đƣợc cũng nhƣ một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục. Luận án đƣợc

cấu trúc trong 4 Chƣơng:

Chương 1: Trình bày tổng quan về ống nano-cacbon, chất lỏng tản nhiệt chứa

thành phần ống nano-cacbon, dầu bôi trơn tản nhiệt và tổng quan đƣợc tình hình

nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án. Phần tổng quan về ống

nano-cacbon trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các

phƣơng pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày

về chất lỏng chứa thành phần CNTs và các phƣơng pháp chế tạo chất lỏng chứa

thành phần CNTs. Dầu bôi trơn, các thông số của dầu bôi trơn, các phụ gia có trong

dầu bôi trơn cũng nhƣ cách pha trộn dầu bôi trơn cũng đã đƣợc trình bày. Phần

nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án đã khái quát, tìm hiểu

một số nghiên cứu của tác giả trên thế giới từ năm 2012 đến năm 2017. Đồng thời

cũng tìm hiểu việc nghiên cứu trong nƣớc cho đến thời điểm hiện tại.

Chương 2: Trình bày các phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao

gồm: Hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ

huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tán Zeta-Sizer. Chƣơng 2 cũng đã trình bày về

nguyên liệu, hóa chất sử dụng trong luận án và các trang thiết bị chế tạo sử dụng

trong nghiên cứu.

Chương 3: Trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –

OH và –COOH, kết quả chế tạo và xác định một số tính chất của dầu bôi trơn tản

nhiệt chứa thành phần CNTs. Trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính

toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần ống nano-

cacbon. Từ đó so sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới.

4

Chương 4: Trình bày kết quả thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành

phần CNTs chế tạo đƣợc cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe

thiết giáp, xe chở khí tài quân sự. Đồng thời nghiên cứu định hƣớng, mở rộng ứng

dụng của dầu bôi trơn tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn.

Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh

mục các tài liệu tham khảo đã đƣợc liệt kê.

Luận án đƣợc thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam.

Những đóng góp mới của luận án

- Đã làm chủ đƣợc công nghệ chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-

cacbon trên cơ sở dầu gốc PAO sử dụng cho động cơ đốt trong của thiết bị

quân sự.

- Đã chế tạo đƣợc 4 loại dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon sử dụng

cho động cơ đốt trong của tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở

khí tài quân sự.

- Đã tiến hành thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho

động cơ đốt trong của thiết bị quân sự với hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu

từ 10-15%, tăng tuổi thọ của dầu lên 4 lần so với dầu thông thƣờng và giảm

ma sát.

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG CHỨA ỐNG NANO-CACBON

1.1. Tổng quan về ống nano-cacbon

1.1.1. Giới thiệu về ống nano-cacbon

Năm 1976, bằng phƣơng pháp CVD nhóm nghiên cứu M. Endo lần đầu tiên

đã phát hiện ra cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thƣớc nano mét. Đến

năm 1991, trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene chế tạo bằng phƣơng

pháp hồ quang bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, Tiến sỹ S. Iijima (Nhật Bản)

một lần nữa phát hiện ra một dạng thù hình mới của cacbon - đó là ống nano-cacbon

(carbon nanotubes - CNTs) [3]. Kể từ đó đến nay, CNTs đã trở thành một trong

những đối tƣợng đƣợc tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính

chất độc đáo hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng. Một điều lý thú là kể từ khi S.

Iijima giới thiệu ống nano-cacbon, nhiều công bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã

đƣợc ngẫu nhiên tạo ra trƣớc thời gian đó nhƣng chƣa đƣợc quan tâm chú ý.

Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, CNTs có nhiều tính năng nhƣ: Độ dẫn điện thay

đổi theo kích thƣớc và cấu trúc của ống nhẹ hơn thép 6 lần nhƣng lại bền hơn thép cỡ

100 lần, chịu đƣợc nhiệt độ rất tốt (~ 2800oC trong chân không và ~ 700

oC trong

không khí), có tính đàn hồi tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả năng phát xạ điện từ ở từ

trƣờng thấp. Bên cạnh khả năng tạo đƣợc vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị

điện tử kích thƣớc nano thì CNTs còn có thể ứng dụng trong vật liệu tản nhiệt.

Xét về cấu trúc, do diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNTs đƣợc

sử dụng nhƣ vật liệu hấp phụ. Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNTs có thể hoạt hóa

bằng các oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano -

cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ

làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ.

1.1.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano- cacbon

Bản chất của liên kết trong ống nano-cacbon đƣợc giải thích bởi hóa học

lƣợng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano - cacbon

đƣợc cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tƣơng tự than chì. Cấu trúc liên kết

này mạnh hơn các liên kết sp3 trong kim cƣơng, tạo ra những phân tử có độ bền đặc

biệt. Các ống nano - cacbon thông thƣờng đƣợc xếp thành các "sợi dây thừng" đƣợc

giữ với nhau bằng lực Van der Waals [4, 5].

6

Ở đây chúng ta quan tâm đến các mặt graphen vì có thể coi CNTs đƣợc tạo

thành bằng cách cắt các tấm graphen ra, sau đó cuộn tròn lại. Có rất nhiều kiểu cuộn

khác nhau dựa theo hƣớng cuộn, chính sự khác nhau này làm cho CNTs có các tính

chất vật lý, hóa học phong phú đa dạng và có thể thay đổi.

Tuy nhiên, không phải lúc nào ống nano - cacbon cũng có hình dạng giống

nhƣ hình dạng của tấm graphen cuộn lại. Bởi vì tấm graphen gồm các nguyên tử

cacbon xếp trên 6 đỉnh của hình lục giác, còn CNTs lại có sự xuất hiện của các đa

giác là ngũ giác.

Hình 1.1. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có đƣợc CNTs [6]

Có hai loại ống nano - cacbon là: Ống nano cacbon đơn lớp hay còn đƣợc gọi

là ống nano - cacbon đơn tƣờng (SWCNT), đƣợc cấu tạo bởi một lớp duy nhất các

nguyên tử cacbon và ống nano - cacbon đa lớp với kích thƣớc cỡ nanomet và có

dạng hình ống, hay còn đƣợc gọi là ống nano - cacbon đa tƣờng (MWCNTs) (hình

1.2a, hình 1.2b).

Hình 1.2. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNT [7]

(a) (b)

7

Ống nano-cacbon đơn tƣờng có cấu trúc giống nhƣ là sự cuộn lại của một lớp

than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphen) thành một hình trụ liền và đƣợc

khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fulleren. Do đó CNTs còn đƣợc biết đến

nhƣ là fulleren có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng

liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững. Ống nano cacbon đa tƣờng gồm nhiều ống đơn

tƣờng đƣờng kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp

từ 0,34 nm đến 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thƣờng tự liên kết với nhau để tạo

thành từng bó xếp chặt (đƣợc gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác

hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT

nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm.

Cấu trúc của vật liệu CNTs đƣợc đặc trƣng bởi vectơ Chiral, kí hiệu là Ch. Vectơ

này chỉ hƣớng cuộn của các mạng graphen và độ lớn đƣờng kính ống (hình 1.3a).

1 2 ( , )hC na ma n m (1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên.

a1 và a2 là các vectơ đơn vị của mạng graphen

Có nhiều cách chọn vectơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong

hình 1.3a dƣới đây.

2

1,

2

31 aa ,

2

1,

2

32 aa (1.2)

Với a là hằng số mạng của graphit: a = 0,246 nm.

Góc của vectơ Chiral θ:

)(2

2cos

22 nmmn

mn

(1.3)

Đƣờng kính D của ống đƣợc tính theo công thức sau:

2 2

( )

D k n m nm

k N

(nm) (1.4)

Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tƣơng ứng với

các cặp chỉ số (n, m) khác nhau. Ba cấu trúc thƣờng gặp đó là: amchair, zigzag và

chiral tƣơng ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.4b).

8

CNTs có đƣờng kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều dài từ

một vài micromet đến vài milimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đƣờng kính và diện tích bề

mặt của nó là rất lớn.

Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tƣởng của CNTs. Trên thực tế, cấu trúc của

CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect. Các sai hỏng này

đƣợc phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon

cấu thành nên CNTs.

(a) (b)

Hình 1.3. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5,5), zigzag (9,0)

và chiral (10,5) [8, 9]

Các sai hỏng theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các

vòng cacbon không phải 6 cạnh. Các vòng cacbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8

cạnh, chủ yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.4).

Các sai hỏng theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử

cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do đó cấu trúc của

CNTs không chỉ gồm các liên kết C-C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp

2+α (-1 < α < 1).

Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs.

Hình 1.4. Các loại defect trên ống CNTs: a) ở đầu ống, b) ở thân ống [10]

9

Ngoài các dạng sai hỏng trên, còn một số dạng sai hỏng khác nhƣ liên kết

không hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí. Các sai hỏng có vai trò rất quan trọng, chúng

là đầu mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs. Các sai hỏng

này có thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức

hoạt động nhƣ carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu

để hoạt hóa, biến tính vật liệu CNTs. Tuy nhiên, các sai hỏng này cũng ảnh hƣởng

tới các tính chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện. Nó có thể làm giảm độ

bền về mặt cơ học và làm thay đổi cấu trúc dải điện tử của CNTs.

1.1.3. Các phương pháp chế tạo ống nano-cacbon

Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu CNTs,

nhƣng trong luận án này chúng tôi chỉ tập trung quan tâm đến phƣơng pháp bốc bay

laze và phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD). Sau hơn 20 năm kể từ

ngày đƣợc phát hiện, vật liệu CNTs đã đƣợc chế tạo với số lƣợng lớn và đã đƣợc

thƣơng mại hóa [11, 12]. Tùy vào tính chất vật liệu CNTs cần tổng hợp mà mỗi

phƣơng pháp có ƣu thế riêng.

1.1.3.1. Phương pháp bốc bay laze

Hình 1.5. Hệ bốc bay bằng laze và sản phẩm CNT thu đƣợc

bằng phƣơng pháp này [13]

Phƣơng pháp bốc bay bằng laze là một phƣơng pháp có hiệu quả cao cho quá

trình tổng hợp bó SWCNT với vùng phân bố hẹp. Trong phƣơng pháp này, một

miếng graphit dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dƣới áp suất cao trong môi

trƣờng khí trơ. MWCNTs đƣợc tạo ra trên bia graphit sạch. Chất lƣợng và hiệu suất

10

của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lƣợng sản phẩm tốt

nhất ở nhiệt độ 1200ºC. Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lƣợng cấu trúc giảm và CNTs

bắt đầu xuất hiện những sai hỏng. Trong phƣơng pháp bốc bay bằng chùm laser,

năng lƣợng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite đƣợc đặt ở trong lò đốt bằng

điện ở nhiệt độ khoảng 1200ºC. Luồng khí Ar (áp suất ~500 Torr) thổi hơi cacbon

từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng đƣợc làm lạnh bằng nƣớc

nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.5. Nếu dùng bia graphit tinh khiết ta sẽ thu đƣợc

MWCNTs. Nếu bia đƣợc pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lƣợng

Ni và Co bằng nhau sẽ thu đƣợc SWCNT. Trong sản phẩm còn có các dây nano tạo

bởi các SWCNT với đƣờng kính từ 10 nm đến 20 nm và dài trên 100 m.

Giá trị trung bình của đƣờng kính ống và mật độ phân bố đƣờng kính ống tuỳ

thuộc vào nhiệt độ tổng hợp và thành phần xúc tác. Để tạo SWCNT, ngƣời ta còn

dùng phƣơng pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự do (FEL) hoặc phƣơng pháp

xung laser liên tục.

Phƣơng pháp này có ƣu điểm là sản phẩm thu đƣợc có độ sạch cao (trên

90%) so với phƣơng pháp hồ quang điện. Tuy nhiên, đây chƣa phải là phƣơng pháp

có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lƣợng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó

nguồn laser yêu cầu công suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao, ...

1.1.3.2. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi

Lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) là một trong những phƣơng pháp chế

tạo CNTs phổ biến nhất. CVD có rất nhiều điểm khác so với phƣơng pháp phóng

điện hồ quang và phƣơng pháp bốc bay bằng laze. Phóng điện hồ quang và bốc bay

bằng laze là hai phƣơng pháp thuộc nhóm nhiệt độ cao (> 3000K), thời gian phản

ứng ngắn (µs-ms), còn phƣơng pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700-1473K)

và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho đến hàng giờ. Mặt hạn chế chính của

phƣơng pháp phóng điện hồ quang và phƣơng pháp bốc bay bằng laze là: Sản phẩm

CNTs đƣợc tạo ra không đồng đều, sắp xếp hỗn độn, không theo một quy tắc cho

trƣớc hoặc định hƣớng trên bề mặt. Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp CVD sử dụng

các nguồn năng lƣợng khác nhau để tổng hợp CNTs, ví dụ nhƣ: Phƣơng pháp CVD

nhiệt, phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma, phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol,

phƣơng pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v….

11

Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một ống thạch anh đƣợc bao quanh bởi một lò

nhiệt (hình 1.6). Bản chất và hiệu suất tổng hợp của tiền chất trong các phản ứng bị

ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố khác nhau nhƣ bản chất tự nhiên của xúc tác kim

loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn hydrocacbon, tốc độ khí, nhiệt độ

phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phƣơng pháp CVD nhiệt thƣờng đƣợc

dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocacbon thƣờng dùng là axetylen (C2H2)

hoặc etylen (C2H4) và các hạt nano Fe, Ni, Co nhƣ là các chất xúc tác. Nhiệt độ mọc

CNTs thông thƣờng nằm trong dải nhiệt độ 500-900ºC. Ở dải nhiệt độ này các

hydrocacbon phân tách thành cacbon và hydro. Cacbon lắng đọng trên các hạt nano

kim loại và khuếch tán vào trong các hạt nano này. Khi lƣợng cacbon đạt đến giá trị

bão hoà thì bắt đầu quá trình mọc CNTs. Đƣờng kính của CNTs phụ thuộc vào kích

thƣớc của các hạt xúc tác kim loại. Với hạt kim loại xúc tác có kích thƣớc là 13nm

thì đƣờng kính của ống CNTs vào khoảng 30 - 40nm. Khi kích thƣớc của hạt xúc

tác là 27nm thì đƣờng kính của ống CNTs dao động từ 100 - 200nm [13].

Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [13]

Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện nhƣ:

Nhiệt độ, tỷ lệ liều lƣợng khí cũng nhƣ chất xúc tác kim loại, ngƣời ta còn sử dụng

thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn nhƣ CaCO3, MgCO3,…Có thể tạo lƣợng lớn ống

nano - cacbon bằng cách cho acetylen ngƣng đọng trên zeolit có xúc tác là Co và Fe.

Vì zeolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân tử dễ dàng lọt vào các lỗ trống

đó nên khi cho axetylen ngƣng tụ trên Co/Zeolit, ta có đƣợc ống nano - cacbon nhiều

vách nhƣng đồng thời cũng có fulleren và ống nano - cacbon đơn vách.

12

1.1.4. Một số tính chất của ống nano-cacbon

1.1.4.1. Tính chất cơ học

CNT chỉ gồm các nguyên tử cacbon nên nhẹ và liên kết giữa các nguyên tử

cacbon là liên kết cộng hoá trị nên rất bền. Vật liệu CNTs có nhiều tính chất cơ học

rất đặc biệt nhƣ: độ bền cao, độ đàn hồi cao, độ cứng lớn hơn hẳn so với một số vật

liệu khác.

Việc đo trực tiếp các thông số cơ học của đơn sợi CNTs rất khó, nên các

thông số cơ học của vật liệu CNTs chủ yếu thu đƣợc từ mô phỏng trên máy tính

hoặc thông qua các phép đo gián tiếp. Năm 1996, Ebbessen T. và các cộng sự của

hãng NEC đã công bố suất Young trung bình của CNTs vào khoảng 1,8 TPa

(tetrapascal- 1012

pascal) [14]. Giá trị này đƣợc tính từ sự thay đổi vị trí của ống ở

các nhiệt độ khác nhau qua kính hiển vi điện tử. Năm 1997, Wong công bố giá trị

suất Young trung bình của CNTs là 1,28 TPa, kết quả này đƣợc xác định thông

qua lực tƣơng tác của đầu típ kính hiển vi lực nguyên tử (AFM - Atomic Force

Microscope) và độ lệch của ống CNTs khỏi vị trí cân bằng [15]. Năm 1998, Gao

G., Cagin T. và Goddard W. công bố giá trị suất Young của CNTs phụ thuộc vào

véctơ chiral. Với ống armchair (10, 10) giá trị suất Young là 640,3 GPa

(gigapascal-109 pascal), ống zigzag (17, 0) có giá trị 673,94 GPa và ống chiral (12,

6) có giá trị 673 GPa [16].

Tuy nhiên, các thông số cơ học nhƣ suất Young, hệ số đàn hồi và độ bền kéo

của CNTs thƣờng dao động trong khoảng rộng, tuỳ thuộc vào cấu trúc vách ống,

ứng với mỗi quá trình tổng hợp khác nhau. Với các cấu trúc khác nhau thì các thông

số cơ tính của CNTs cũng khác nhau. Hai thông số cơ bản và đặc trƣng của CNTs

về mặt cơ học là suất Young và độ bền kéo. Suất Young liên quan trực tiếp đến lực

cố kết của vật rắn và liên kết hóa học của các nguyên tử thành phần. Nếu ta tác

dụng một lực F lên một thanh vật liệu mỏng đẳng hƣớng có độ dài lo và tiết diện

ngang là A0 thì suất Young của vật liệu đƣợc xác định bởi công thức:

0

0

F AE

l l (1.5)

Trong đó δl là sự thay đổi độ dài của thanh vật liệu khi có lực tác dụng F. Độ

bền kéo của một vật liệu là lực tác dụng tối đa mà vật liệu có thể chịu đƣợc trên một

13

đơn vị diện tích. Nó đặc trƣng cho khả năng chịu tác dụng lực, liên quan trực tiếp

đến cấu trúc của vật liệu và các liên kết trong vật liệu đó.

Suất Young đàn hồi của MWCNT thƣờng lớn hơn của SWCNT và có giá trị

trung bình trong khoảng từ 1,1÷1,8 TPa. Khi SWCNT liên kết với nhau thành từng

bó thì suất Young đàn hồi nói chung bị giảm đi. Ngoài ra biến dạng đàn hồi của

CNTs cũng có những điểm rất đáng chú ý. Thông thƣờng những vật liệu có độ cứng

cao thì độ biến dạng chỉ khoảng 1% hoặc ít hơn, tỉ lệ với sai hỏng và lệch mạng.

Còn đối với CNTs có thể biến dạng đến 40% mà chƣa thấy biến dạng dẻo, chƣa

thấy có triệu chứng có vết nứt hoặc đứt gãy liên kết.

Quan sát bằng hiển vi điện tử quét cho thấy khi biến dạng, CNTs có lúc bị

bẹt lại, có lúc ống bị xoắn có khi ống thắt eo nhiều nấc. Về mặt năng lƣợng, ống thu

nhận năng lƣợng cơ học để biến dạng nhƣng khi cấu trúc ống thay đổi đột ngột, ống

lại giải phóng năng lƣợng [17]. Vì thế nên độ bền kéo của mỗi ống tối đa có thể lên

đến 150 GPa. Kết quả so sánh một số tính chất cơ học của vật liệu CNTs với các vật

liệu khác đƣợc chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1. So sánh một số tính chất cơ học của CNTs với các vật liệu khác [18]

Vật liệu Suất Young

(GPa)

Độ bền kéo

(GPa)

Khối lƣợng riêng

(g/cm3)

MWCNT 1200 150 2,6

SWCNT 1054 75 1,3

Graphit 350 2,5 2,6

Thép 208 0,4 7,8

Gỗ 16 0,008 0,6

Nhựa 3,5 0,005 1,25

Vật liệu CNTs với tính chất cơ học đặc biệt trên đây sẽ tạo ra một cuộc cách

mạng trong nhiều lĩnh vực công nghệ, đặc biệt là làm vật liệu gia cƣờng tăng cƣờng

độ cứng, độ bền cho các vật liệu tổ hợp bằng cách pha trộn một lƣợng nhỏ CNTs

vào trong quá trình chế tạo [19-25].

1.1.4.2. Tính chất quang và quang điện

Những sai hỏng cấu trúc của CNTs đặc biệt là đối với SWCNT, dẫn tới sự

xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn đƣợc xác định, đó chính là

14

cơ sở cho những ứng dụng quang và quang điện của CNTs. Phổ quang học của từng

SWCNT riêng lẻ hoặc bó SWCNT đã đƣợc chứng minh bằng cách sử dụng phổ

cộng hƣởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng ngoại (UV-

VIS-NIR).

Tính chất quang và quang điện của CNTs có thể biết đƣợc từ cấu trúc vùng

hoặc DOS của SWCNT. DOS một chiều của SWCNT có thể đƣợc suy ra từ graphit

với biểu thức nhƣ sau:

m

mgl

,3

24 (1.6)

Với 22

,

m

mg

khi m (1.7)

0, mg khi m (1.8)

D

mnqm

3

3

(1.9)

Với tính chất quang và quang điện của CNTs đã mở ra nhiều hƣớng ứng

dụng mới. Ví dụ nhƣ trƣờng hợp ống nano - cacbon là armchair (n = m) là kim loại

nhƣng trái lại trong trƣờng hợp khi thỏa mãn đƣợc điều kiện n – m = 3q thì CNTs

lại là bán kim loại với độ rộng vùng cấm nhỏ. Khi đó với dải năng lƣợng γ = 2,5 ÷

3,0 eV thì bƣớc sóng của ống CNTs bán dẫn thay đổi từ 300 đến 3000 nm. Điều này

dẫn đến khả năng ứng dụng của ống nano - cacbon bán dẫn trong các thiết bị quang

và quang điện từ laser xanh đến các đầu dò hồng ngoại.

1.1.4.3. Tính chất nhiệt

Nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của CNTs đƣợc xác định chủ yếu bởi các

quá trình hấp thụ và phát xạ phonon. Nhiều thực nghiệm đo nhiệt dung riêng của

MWCNTs và bó SWCNTs với các đƣờng kính khác nhau, trên các khoảng nhiệt độ

khác nhau cho thấy rằng nhiệt dung riêng phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ trong

vùng nhiệt độ thấp. So với graphit khối, nhiệt dung riêng của CNTs thấp hơn

khoảng 100 J/kg.K. Nhiệt dung riêng của MWCNTs và bó SWCNTs phụ thuộc vào

các tƣơng tác giữa các ống trong bó hay các lớp graphit trong MWCNTs và đƣờng

kính của chúng. Độ dẫn nhiệt λ của CNTs đƣợc xác định bởi công thức (1.10):

15

es of phonons

( ). .group

stat

C T V (1.10)

Trong đó, C(T) là nhiệt dung riêng, T là nhiệt độ, Vgroup là vận tốc nhóm của

các phonon và τ là thời gian phục hồi của phonon.

CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống. Về lý thuyết, tại

nhiệt độ phòng độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT biến đổi trong khoảng từ 1800 đến

6000 W/m.K (hình 1.7) [26].

Hình 1.7. Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT (đƣờng nét liền) và của

graphit (đƣờng nét đứt) vào nhiệt độ [26]

Do độ dẫn nhiệt của vật liệu CNT phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: đƣờng

kính ống, chiều dài ống, sai hỏng trên thành ống, mật độ giữa các ống, v.v… Vì

vậy, thực tế ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của các đơn sợi CNT đo đƣợc chỉ đạt

khoảng 750 W/m.K (hình 1.8) [27].

Hình 1.8. Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT vào nhiệt độ [27]

16

Fujii cũng đã công bố độ dẫn nhiệt của đơn sợi CNT với đƣờng kính 28,2 nm

là 500 W/m.K [27]. Đối với các mẫu CNT khối, bao gồm các màng CNT, bó CNT,

và VA- CNT, độ dẫn nhiệt chỉ đạt giá trị từ 15÷200 W/m.K. Sự khác nhau giữa độ

dẫn nhiệt của đơn sợi CNT với các màng khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Đặc biệt

do tiếp xúc giữa ống-ống, tiếp xúc mạng nền và ống, và tăng mật độ sai hỏng do các

phƣơng pháp chuẩn bị mẫu đo có thể làm giảm quãng đƣờng tự do trung bình

phonon dẫn tới làm giảm độ dẫn nhiệt của các mẫu CNT khối so với các đơn sợi

CNT [28]. Mặc dù vậy, độ dẫn nhiệt của các đơn sợi CNT vẫn cao hơn nhiều so với

các kim loại có độ dẫn nhiệt tốt nhất nhƣ Ag, Cu và Al, cụ thể độ dẫn nhiệt của Ag

là 429 W/m.K, của Cu là 401 W/m.K và của Al là 237 W/m.K [29]. Độ dẫn nhiệt

tốt của vật liệu CNT đã mở ra hƣớng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu CNT tản

nhiệt trong các linh kiện điện tử công suất cao nhƣ LED, CPU, v.v…

1.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon

1.2.1. Khái niệm chất lỏng nano

Chất lỏng nano (nanofluilds) là một loại chất lỏng đƣợc tạo ra bằng cách

phân tán các vật liệu kích thƣớc nanomet (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống

nano, dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v...) trong một nền chất lỏng cơ sở nhƣ:

Nƣớc, dầu, ethylen glycol, vv… Nói cách khác, chất lỏng nano là hệ thống hai pha

bao gồm một pha rắn nằm trong một pha lỏng. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy

chất lỏng nano có nhiều tính chất tăng cƣờng so với các chất lỏng cơ sở, nhƣ tính

dẫn nhiệt, dẫn điện, độ nhớt, và hệ số truyền nhiệt đối lƣu. Các kết quả nghiên cứu

gần đây cũng đã chứng minh đƣợc tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nano

trong nhiều lĩnh vực khác nhau [30-35]

1.2.2. Các phương pháp chế tạo

Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp

chính, bao gồm: Phƣơng pháp hai bƣớc (Two - Step Method) và phƣơng pháp một

bƣớc (One - Step Method) [30]

1.2.2.1. Phương pháp hai bước

Phƣơng pháp hai bƣớc là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất cho việc

chế tạo chất lỏng nano. Trƣớc hết, các vật liệu nano (hạt nano, sợi nano, ống nano,

hay vật liệu nano khác) đƣợc sản xuất ở dạng bột khô bằng phƣơng pháp hóa học hay

17

vật lý. Sau đó, bột nano sẽ đƣợc phân tán vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ trợ của

các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v... Phƣơng pháp hai

bƣớc là phƣơng pháp kinh tế nhất để sản xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, bởi vì

kỹ thuật tổng hợp các hạt nano đã đƣợc mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Tuy

nhiên, chất lỏng nano đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp này không đạt đƣợc tính ổn

định cao do tỷ số diện tích bề mặt lớn, các hạt nano có xu hƣớng tụ đám lại với nhau.

Vì vậy, kỹ thuật quan trọng để tăng cƣờng sự ổn định của các hạt nano trong chất

lỏng là việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, chức năng của các bề mặt

ở nhiệt độ cao cũng là một vấn đề đáng chú ý trong việc nâng cao độ phân tán của vật

liệu nano trong chất lỏng… [30]. Với những nhƣợc điểm nhất định của phƣơng pháp

hai bƣớc trong việc phân tán hạt nano trong chất lỏng, một kỹ thuật mới đƣợc phát

triển để chế tạo chất lỏng nano đó là phƣơng pháp một bƣớc.

1.2.2.2. Phương pháp một bước

Phƣơng pháp một bƣớc là phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp CNTs trong chất

lỏng bằng cách áp dụng các phƣơng pháp hóa học hay vật lý. Phƣơng pháp này bao

gồm đồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán các hạt nano trong chất lỏng.

Phƣơng pháp một bƣớc có thể chế tạo các hạt nano phân tán đồng đều hơn, và sự ổn

định của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn.

Để giảm sự tích tụ của các hạt nano trong quá trình bảo quản, nhóm nghiên

cứu Choi đã phát triển phƣơng pháp một bƣớc dựa trên việc ngƣng tụ hơi vật lý

trong chất lỏng để tạo thành chất lỏng nano Cu/Etylen Glycol [36]. Phƣơng pháp

này bỏ qua đƣợc các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt

nano, do đó sự tích tụ của các hạt nano đƣợc giảm thiểu, và sự ổn định của chất lỏng

đƣợc tăng lên [37]. Hệ thống chế tạo hạt nano bằng phƣơng pháp hồ quang trong

chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System - SANSS) là một lựa

chọn hiệu quả để chế tạo chất lỏng nano với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau

[38, 39]. Các hình dạng khác nhau của vật liệu nano hình thành bởi phƣơng pháp

này chủ yếu bị ảnh hƣởng và quyết định bởi tính dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng

cơ sở. Các hạt nano chế tạo đƣợc có các hình dạng bao gồm hình đa giác, hình

vuông, và hình tròn. Phƣơng pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết

hợp, tập hợp hay tụ đám của các hạt nano.

18

Tuy nhiên, phƣơng pháp vật lý không thể tổng hợp đƣợc chất lỏng nano ở

quy mô lớn, và giá thành dựa trên phƣơng pháp này cũng cao, chính vì thế mà các

phƣơng pháp hóa học đã nhanh chóng đƣợc phát triển. Nhóm nghiên cứu Zhu đã

đƣa ra một phƣơng pháp hóa học để chế tạo chất lỏng nano Cu bằng cách phản ứng

CuSO4.5H2O với NaH2PO2.H2O trong ethylen glycol dƣới tác dụng của lò vi sóng

[40]. Kết quả thu đƣợc chất lỏng nano với sự phân tán tốt và ổn định của hạt nano

Cu trong ethylen glycol.

Chất lỏng nano trên cơ sở dầu có chứa các hạt nano bạc với sự phân bố hẹp

của kích thƣớc các hạt nano cũng đã đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp này [41]. Chất

lỏng nano trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn định cao cũng đƣợc

nhóm A. K. Singh chế tạo bằng phƣơng pháp hóa học một bƣớc với sự hỗ trợ của

sóng siêu âm, trong đó polyvinylpyrrolidone (PVP) đƣợc sử dụng nhƣ là chất hoạt

động bề mặt tạo sự ổn định của bạc và giảm sự tụ đám cho bạc trong dung dịch [42].

Mặc dù, phƣơng pháp một bƣớc mang lại sự phân tán tốt hơn và đạt đƣợc

tính ổn định của chất lỏng nano nhƣng không phổ biến vì phƣơng pháp vật lý không

thể thực hiện trên quy mô lớn và chi phí cao, phƣơng pháp hóa học có thể còn tồn

tại các tạp chất do các phản ứng hóa học còn tồn tại trong chất lỏng nano.

1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

1.2.3.1. Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

Nhƣ ta đã biết, hiện nay có hai phƣơng pháp chính để chế tạo chất lỏng nano

là phƣơng pháp một bƣớc và phƣơng pháp hai bƣớc. Phần lớn các nghiên cứu hiện

nay về chất lỏng nano đều thực hiện chế tạo dựa trên phƣơng pháp hai bƣớc vì nó

không đòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nano đã đƣợc chế

tạo sẵn với số lƣợng lớn. Đối với chất lỏng nano chứa thành phần CNTs, cho đến

nay phƣơng pháp một bƣớc vẫn chƣa khả thi và phƣơng pháp hai bƣớc đƣợc sử

dụng ở tất cả các nghiên cứu đƣợc biết đến [43].

Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs là tránh

đƣợc sự tụ đám và tạo độ ổn định lâu dài trong chất lỏng. Các ống nano-cacbon

chƣa biến tính, dƣới sự tác động của lực Van - der - Waals, cũng nhƣ do tỷ số diện

tích bề mặt lớn dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng xuống đáy ngay sau khi

phân tán trong các chất lỏng, ngay cả việc sử dụng phƣơng pháp rung siêu âm trong

19

thời gian dài cũng không đạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng.

Nhóm nghiên cứu Xie đã chứng tỏ rằng hầu hết các ống nano-cacbon chƣa biến tính

khi phân tán trong nƣớc với nồng độ 0,175% đều bị lắng đọng chỉ 5 phút sau khi

chế tạo [44]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính gắn nhóm chức, sử

dụng các chất hoạt động bề mặt và rung siêu âm sẽ đặt đƣợc sự ổn định mong muốn

trong việc chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs. Các chất hoạt động bề mặt thƣờng

đƣợc sử dụng trong CNTs nanofluids bao gồm: Sodium Dodecyl Sulfat (SDS),

Polyvinyl Pyrrolidon (PVP), Gum Arabic (GA), Cety Trimethyl Ammonium

Bromid (CTAB), và Sodium Dodecyl Benzen Sulfonat (SDBS).

Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự đã chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs

trên nền nƣớc cất bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfat

(SDS). SDS là một chất hoạt động bề mặt ation có chứa một đầu ƣa Sulfat và một

phân đoạn hydrocacbon kỵ nƣớc. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại

một lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs

kết hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này

đƣợc giải thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các bề mặt tích điện

âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs [45].

1.2.3.2. Tính chất nhiệt của chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

Trong số các loại vật liệu nano thì CNTs là loại vật liệu có nhiều tính chất ƣu

việt. Bảng 1.2 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt,

kết quả cho thấy CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ 4.000 -

12.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng.

Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt [46]

STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

1 Ống nano cacbon 2000

2 Axit axetic 0,193

3 Axeton 0,180

4 Anilin 0,172

5 Benzen 0,167

20

STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

6 Cloroform 0,129

7 Dầu động cơ 0,145

8 Phenol 0,190

9 Nƣớc cất 0,609

Để khảo sát tính chất nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs, nhóm nghiên cứu

Choi đã khảo sát độ dẫn nhiệt của dầu poly (α - olefin) chứa thành phần SWCNTs.

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lƣợng của

SWCNTs tăng. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên đến 160% khi tỷ lệ thể tích của

SWCNTs đƣợc thêm vào là 1,75%. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen đã khảo sát độ dẫn

nhiệt của nƣớc cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích của

CNTs phân tán trong chất lỏng, hình 1.9 là kết quả đồ thị thu đƣợc cho thấy việc đƣa

CNTs vào chất lỏng tản nhiệt có thể nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng EG từ 10 –

15 % [47]. Với những ƣu việt về tính chất nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs, nhóm

nhà khoa học Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học Công

nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đƣa CNTs vào chất lỏng Ethylen Glycol với nồng độ từ

0,12 - 0,4% về thể tích để ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho ôtô.

Hình 1.9. Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nƣớc cất (DW) và Ethylen Glycol

(EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48]

21

1.2.3.3. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs

a. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth

Năm 2004, nhóm nghiên cứu Hemanth (Viện Công nghệ Madras – Ấn Độ) đã

đề xuất mô hình về độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa các hạt nano. Kết quả nghiên cứu

của nhóm đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Physical Review Letters [99].

Trong mô hình này, Hemanth giả thiết dòng nhiệt đƣợc truyền đi trong môi

trƣờng chất lỏng theo hai thành phần với phƣơng trình mô tả nhƣ sau:

m pQ Q Q (1.11)

Trong đó:

+ Q là dòng nhiệt tổng cộng truyền qua môi trƣờng chất lỏng

nano

+ Qm là dòng nhiệt truyền qua các phân tử chất lỏng

+ Qp là dòng nhiệt truyền qua các hạt nano

Phƣơng trình trên có thể viết lại dƣới dạng nhƣ sau:

m m p p

m p

dT dTQ k A k A

dx dx

(1.12)

Trong đó:

+ km là độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền

+ kp là độ dẫn nhiệt của vật liệu nano

+ Am là diện tích của phân tử chất lỏng

+ Ap là diện tích của hạt nano

+ m

dT

dx

là gradien nhiệt độ của nền chất lỏng

+ p

dT

dx

là gradien nhiệt độ của hệ thống các hạt nano

Do cả chất lỏng và hạt nano đều tham gia quá trình truyền nhiệt nhƣ một

khối thống nhất đan xen vào nhau nên gradien nhiệt độ của chất lỏng và hạt nano

bằng nhau, và đƣợc coi nhƣ bằng gradien nhiệt độ của chất lỏng nano, do vậy ta có:

22

m p

dT dT dT

dx dx dx

(1.13)

Từ đây, phƣơng trình (1.12) có thể viết lại dƣới dạng:

m m p p

dT dTQ k A k A

dx dx

(1.14)

1p p

m m

m m

k AdTQ k A

dx k A

(1.15)

Để xác định hệ số tỷ lệ Ap/Am, Hemanth đã coi tỷ lệ này bằng tỷ lệ tổng diện

tích bề mặt của tất cả các hạt nano trên tổng diện tích bề mặt của tất cả phân tử chất

lỏng có trong một đơn vị thể tích của chất lỏng nano.

Giả sử hạt nano chiếm tỷ lệ về thể tích là ε, khi đó chất lỏng sẽ chiếm tỷ lệ về

thể tích là (1 - ε). Số phân tử chất lỏng chứa trong một đơn vị thể tích của chất lỏng

nano đƣợc tính bởi công thức:

1m

m

nv

(1.16)

Trong đó:

+ nm là số phân tử chất lỏng có trong một đơn vị thể tích chất lỏng nano.

+ vm là thể tích của một phân tử chất lỏng.

Ta coi phân tử chất lỏng có dạng cầu với bán kính rm, khi đó thể tích của

phân tử chất lỏng đƣợc tính là:

34

3m mv r (1.17)

Nhƣ vậy số phân tử chất lỏng chứa trong một đơn vị thể tích của chất lỏng

nano sẽ là:

3

1 1

4

3

m

mm

nv

r

(1.18)

Tƣơng tự nhƣ vậy, số hạt nano chứa trong một đơn vị thể tích của chất lỏng

nano cũng đƣợc xác định bởi công thức:

34

3

p

pp

nv

r

(1.19)

23

Do phân tử chất lỏng có dạng hình cầu với bán kính rm, do vậy diện tích bề

mặt của phân tử chất lỏng có thể xác định bằng công thức:

24m ms r (1.20)

Tƣơng tự, diện tích bề mặt của hạt nano đƣợc xác định bởi công thức:

24p ps r (1.21)

Từ công thức (1.18) và công thức (1.20) ta có thể tính đƣợc tổng diện tích bề

mặt của phân tử chất lỏng là:

.m m mS n s (1.22)

2

3

1.4

4

3

m m

m

S r

r

(1.23)

13m

m

Sr

(1.24)

Tƣơng tự nhƣ vậy, từ công thức (1.19) và công thức (1.21) ta có thể tính

đƣợc tổng diện tích bề mặt của hạt nano là:

3p

p

Sr

(1.25)

Nhƣ giả thiết đã đƣợc nêu ở trên, ta có mối liên hệ nhƣ sau:

p p

m m

A S

A S (1.26)

1

13 . 3

p

m p m

A

A r r

(1.27)

.1

p m

m p

A r

A r

(1.28)

Thay biểu thức (1.27) vào biểu thức (1.15) ta có:

1(1 )

p m

m m

m p

k rdTQ k A

dx k r

(1.29)

Mặt khác ta cũng có:

.eff m

dTQ k A

dx

(1.30)

24

Trong đó keff là hệ số dẫn nhiệt tƣơng đƣơng của chất lỏng tản nhiệt nano.

Kết hợp biểu thức (1.29) và biểu thức (1.30) ta có:

1(1 )

p m

eff m

m p

k rk k

k r

(1.31)

Biểu thức (1.31) chính là biểu thức tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa các

hạt nano theo mô hình của Hemanth.

b. Mô hình độ dẫn nhiệt của H E Patel

Năm 2008, nhóm nghiên cứu H E Patel (Viện Công nghệ Madras – Ấn Độ)

đã ứng dụng mô hình của Hemanth để tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành

phần ống nano - cacbon. Kết quả nghiên cứu của nhóm đã đƣợc đăng trên tạp chí

Bulletin of Materials Science [103].

Để tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nano - cacbon, nhóm

nghiên cứu H E Patel đã viết lại biểu thức (1.31) dƣới dạng:

1(1 )

s leff l

l s

k rk k

k r

(1.32)

Trong đó:

+ ε là tỷ lệ phần trăm về thể tích của CNTs trong chất lỏng

+ kl là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng nền

+ ks là hệ số dẫn nhiệt của CNTs

+ rl là bán kính của phân tử chất lỏng

+ rs là đƣờng kính của CNTs

Hình 1.10 là so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với

kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang trong trƣờng hợp phân tán CNTs

vào nƣớc cất. Kết quả so sánh cho thấy mô hình tính toán lý thuyết của H E Patel

gần với kết quả thực nghiệm hơn trong khi mô hình tính toán Hamilton-Crosser cho

kết quả thấp hơn nhiều so với thực nghiệm.

25

Hình 1.10. So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết quả thực

nghiệm của nhóm Hwang trong trƣờng hợp phân tán CNTs vào nƣớc cất [103]

Tuy nhiên có thể thấy mô hình của H.E. Patel vẫn chƣa hoàn toàn chính xác và

kết quả tính toán vẫn cao hơn so với kết quả thực nghiệm. Chính vì lý do này, nhóm

nghiên cứu chúng tôi đề xuất một mô hình cải tiến để đạt đƣợc kết quả tính toán lý

thuyết chính xác hơn so với mô hình của H.E. Patel.

Có thể nhận thấy trong mô hình của H.E. Patel vẫn còn có một số điểm chƣa

hợp lý dẫn tới kết quả tính toán không chính xác, cụ thể nhƣ sau:

- H.E. Patel đã áp dụng mô hình tính toán của Hemanth để tính độ dẫn nhiệt

của chất lỏng chứa thành phần CNTs. Tuy nhiên mô hình tính toán của Hemanth chỉ

áp dụng cho các hạt nano dạng cầu, trong khi hình dạng của CNTs lại là dạng ống

(nhƣ trên hình 1.11), điều này dẫn đến kết quả tính toán lý thuyết chƣa gần với kết

quả thực nghiệm.

Hình 1.11. Cấu trúc hình ống của CNTs [8]

26

- Trong tính toán, H E Patel đã sử dụng đƣờng kính rs của CNTs để thay vào vị

trí bán kính rp của hạt nano, H E Patel đã không giải thích rõ ràng tại sao lại dùng

đƣờng kính của CNTs để thay vào vị trí bán kính của hạt nano.

- Mô hình của H E Patel dựa trên mô hình Hemanth vốn sử dụng cho các hạt

nano với độ dẫn nhiệt đẳng hƣớng. Tuy nhiên tính chất dẫn nhiệt của CNTs lại

không đẳng hƣớng. Cụ thể CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống, nhƣng lại dẫn nhiệt

kém theo chiều vuông góc với ống. Đặc điểm dẫn nhiệt quan trọng này của CNTs

đã không đƣợc sử dụng đến trong tính toán của H E Patel, dẫn đến kết quả tính toán

lý thuyết chƣa gần với kết quả thực nghiệm.

Một số mô hình tính toán lý thuyết khác

Ngoài mô hình tính toán lý thuyết của H E Patel và Hemanth còn một số mô

hình tính toán lý thuyết khác về độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành

phần CNTs. Tuy nhiên tất cả những mô hình này còn tồn tại nhiều nhƣợc điểm.

Nhƣ vậy cho đến nay vẫn chƣa có mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất

lỏng chứa thành phần CNTs cho kết quả thực sự thuyết phục.

1.2.4. Ứng dụng của chất lỏng nano

1.2.4.1. Tản nhiệt cho linh kiện điện tử

Do mật độ ngày càng cao hơn của chíp, đồng thời linh kiện điện tử ngày càng

đƣợc thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện điện tử đã trở thành bài toán cho các

nhà khoa học và công nghệ. Thiết bị điện tử tiên tiến ngày nay phải đối mặt với những

thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhƣng lại giảm diện tích bề mặt tiếp xúc

trong khi vẫn phải đảm bảo đƣợc nhiệt độ hoạt động ổn định. Vì vậy, hệ thống tản

nhiệt đáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt động ổn định cũng nhƣ kéo dài tuổi thọ

của các thiết bị điện tử tiên tiến. Hiện nay, có hai hƣớng chính để cải thiện việc tản

nhiệt cho các thiết bị điện tử đó là: Tìm một mô hình tối ƣu của hệ thống tản nhiệt, thứ

hai là nâng cao khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu trong hệ thống làm mát. Nhƣ đã

biết, nanofluids có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các chất lỏng cơ sở, các nghiên cứu

gần đây chứng minh rằng nanofluids có thể làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào

việc sử dụng thêm các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao trong chất lỏng.

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tính

trở nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong

27

những giải pháp đã đƣợc nghiên cứu là sử dụng chất lỏng nano chứa thành phần

CNTs. Nhóm nghiên cứu Tsaia đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của nanofluids chứa hạt

nano vàng với nƣớc trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [49]. Các kết

quả đo cho thấy nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay đổi theo kích thƣớc của các hạt nano

vàng. Trong quá trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nano còn có tác dụng bắn phá

các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng, ngăn cản sự tăng lên của nhiệt trở chất

lỏng, qua đó giữ nguyên đƣợc hiệu quả truyền nhiệt trong suốt quá trình hoạt động.

Nhóm nghiên cứu Chen đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt

phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng chất lỏng nano bạc [37]. Kết quả nghiên cứu

cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng

36 chất lỏng nano bạc tốt hơn so với việc sử dụng nƣớc tinh khiết. Điều này đƣợc

giải thích thông qua việc tăng cƣờng thông lƣợng nhiệt truyền qua chất lỏng. Một số

nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ống dẫn nhiệt chỉ ra rằng chất lỏng nano chứa bạc

hoặc nano titan có thể đƣợc sử dụng nhƣ một chất lỏng làm mát hiệu quả cho các

thiết bị có mật độ năng lƣợng cao. Đối với chất lỏng nano bạc, sự khác biệt nhiệt độ

giảm 0,56ºC - 0,65ºC so với việc sử dụng nƣớc cất khi công suất linh kiện là 30W -

50W [50]. Đối với các ống dẫn nhiệt dùng chất lỏng nano titan ở nồng độ 0,10% thể

tích, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông thƣờng

[51]. Những kết quả đạt đƣợc ở trên đã thúc đẩy những nghiên cứu và phát triển tiếp

theo của chất lỏng nano cho các ứng dụng cho linh kiện điện tử công suất lớn.

1.2.4.2. Tản nhiệt cho động cơ

Chất lỏng nano có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho động

cơ ôtô và các động cơ khác bằng cách tăng hiệu quả, giảm khối lƣợng và giảm sự

phức tạp của hệ thống tản nhiệt. Với hiệu quả tản nhiệt đƣợc cải thiện, ngƣời ta có

thể tản nhiệt cho các động cơ ôtô và xe tải với mã lực cao hơn trong khi hệ thống

tản nhiệt có kích thƣớc không thay đổi. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống làm mát nhỏ

gọn hơn, nhẹ hơn sẽ mang lại nhiều lợi ích trong lợi ích kinh tế và sản xuất công

nghiệp. Nanofluids trên nền etylen glycol đã thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm trong

các ứng dụng làm mát động cơ [52-56] do nó hoạt động ở áp suất thấp hơn và hiệu

quả cao hơn so với một hỗn hợp 50 : 50 của etylen glycol và nƣớc cất (tỷ lệ phổ

biến của nƣớc làm mát động cơ ôtô đƣợc sử hiện nay). Chất lỏng nano có nhiệt độ

28

sôi cao hơn so với chất lỏng nền, do vậy đƣợc sử dụng để làm tăng nhiệt độ hoạt

động của chất lỏng làm mát đồng thời giảm nhiệt trở cho hệ thống làm mát [57].

Nhóm nghiên cứu Kole đã sử dụng chất lỏng nano chứa Al2O3 để làm mát

động cơ xe hơi với chất lỏng cơ sở là một chất làm mát động cơ xe tiêu chuẩn (HP

KOOLGARD) [58] và nghiên cứu tính dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt

độ phòng. Các chất lỏng nano chế tạo đƣợc chứa 3,5% thể tích là hạt nano Al2O3,

nhƣng độ dẫn nhiệt tăng lên đáng kể và đạt giá trị tối đa là 10,41% ở nhiệt độ

phòng. Nhóm nghiên cứu Tzeng [59] đã ứng dụng chất lỏng nano để làm mát cho

hộp số tự động. Chất lỏng nano đƣợc chế tạo bằng cách phân tán các hạt nano CuO

và Al2O3 vào dầu động cơ. Kết quả cho thấy chất lỏng nano chứa CuO cho độ

chênh lệch về nhiệt độ thấp hơn khi hoạt động ở cả hai chế độ: Tốc độ cao và tốc độ

thấp của động cơ. Từ quan điểm hiệu suất truyền nhiệt, việc sử dụng chất lỏng nano

trong việc tản nhiệt cho động cơ mang lại nhiều lợi thế một cách rõ ràng.

Các nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm quốc gia Argonn đã đánh giá hiệu

quả các ứng dụng của chất lỏng nano cho ngành giao thông vận tải. Việc sử dụng

chất lỏng nano có độ dẫn nhiệt cao hơn trong bộ tản nhiệt có thể dẫn đến việc giảm

diện tích mặt trƣớc của bộ tản nhiệt lên đến 10%, đồng thời có thể tiết kiệm nhiên

liệu lên đến 5% do sự giảm kéo khí động học. Nó mở ra cánh cửa cho các thiết kế

khí động học ôtô của thế hệ mới giảm lƣợng khí thải bằng cách giảm lực cản. Việc

áp dụng các chất lỏng nano cũng góp phần làm giảm ma sát và mài mòn điều này

giúp hoạt động của các thành phần nhƣ máy bơm và máy nén khí tiết kiệm hơn 6%

nhiên liệu. Trong thực tế, chất lỏng nano không chỉ nâng cao hiệu quả tản nhiệt và

hiệu quả kinh tế của động cơ xe hơi, mà còn có ảnh hƣởng đến thiết kế cấu trúc của

ôtô. Ví dụ, bộ tản nhiệt động cơ làm mát bằng chất lỏng nano sẽ nhỏ hơn và nhẹ

hơn, nó có thể đƣợc đặt ở những nơi khác nhau trong xe. Bằng cách giảm kích

thƣớc và thay đổi vị trí của bộ tản nhiệt, giảm trọng lƣợng và sức đề kháng gió có

thể cho phép tiết kiệm nhiên liệu và lƣợng khí thải thấp hơn sau đó. Mô phỏng máy

tính của cơ quan năng lƣợng Mỹ từ các bộ phận của công nghệ xe cho thấy chất

lỏng nano có thể làm giảm kích thƣớc của bộ tản nhiệt xe tải 5%. Điều này sẽ dẫn

đến một sự tiết kiệm nhiên liệu 2,5% ở tốc độ đƣờng cao tốc [60].

29

1.2.4.3. Tản nhiệt trong công nghiệp

Việc áp dụng các chất lỏng nano để tản nhiệt công nghiệp sẽ giúp tiết kiệm

năng lƣợng và giảm lƣợng khí thải. Dự đoán đối với ngành công nghiệp Mỹ, việc

thay nƣớc làm mát và sƣởi ấm bằng chất lỏng nano có tiềm năng tiết kiệm 1 nghìn

tỷ Btu năng lƣợng [61, 62]. Mặt khác, đối với ngành công nghiệp điện lực của Hoa

Kỳ, việc sử dụng chất lỏng nano trong chu kỳ làm mát khép kín dự đoán có thể tiết

kiệm đƣợc khoảng 10.000 - 30.000 tỷ Btu mỗi năm (tƣơng đƣơng với mức tiêu thụ

năng lƣợng hàng năm của khoảng 50.000 – 150.000 hộ gia đình). Việc cắt giảm

lƣợng khí thải liên quan là khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn Oxit Nitơ, và 21.000

tấn SO2 [63].

1.2.4.4. Lĩnh vực không quân và quốc phòng

Do sự hạn chế về không gian, năng lƣợng và cân nặng trong trạm không gian

và máy bay nên việc chế tạo hệ thống làm mát hiệu quả cao với kích thƣớc nhỏ hơn

đã trở thành một vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu sâu hơn về chất lỏng nano sẽ dẫn đến

sự phát triển của thế hệ tiếp theo của các thiết bị có sự kết hợp chất lỏng nano với

hệ thống điện tử, mở ra khả năng tăng tốc độ của chip trong linh kiện điện tử hoặc

đơn giản hóa yêu cầu làm mát cho các ứng dụng không gian. Một số thiết bị quân

sự và hệ thống đòi hỏi thông lƣợng nhiệt cao làm mát với mức độ hàng chục

MW/m2. Ở cấp độ này, làm mát các thiết bị quân sự và hệ thống là rất quan trọng

cho các hoạt động đáng tin cậy. Chất lỏng nano có tiềm năng làm mát trong các ứng

dụng cũng nhƣ trong các hệ thống quân sự khác, bao gồm cả xe quân sự, tàu ngầm,

rađa, và laze công suất cao. Vì vậy, chất lỏng nano có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh

vực không quân và quốc phòng.

1.3. Dầu bôi trơn tản nhiệt

1.3.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn là sản phẩm cuối cùng từ hai thành phần dầu gốc và các chất

phụ gia (là những sản phẩm chƣng cất từ dầu mỏ dƣới áp suất thấp hoặc tổng hợp

đƣợc gọi là dầu bôi trơn khi chúng dùng để bôi trơn – còn gọi là dầu nhớt, dầu

nhờn) [64-67]. Dầu bôi trơn cho động cơ đốt trong (gọi tắt là dầu động cơ) là nhóm

dầu bôi trơn chiếm tỷ trọng lớn nhất và không ngừng đƣợc nghiên cứu và hoàn

thiện để đáp ứng những yêu cầu của động cơ đốt trong có cƣờng độ làm việc ngày

30

càng cao. Dầu gốc chứa các phân tử hydrocacbon nặng và có tính chất lý hóa tƣơng

tự dầu thành phẩm. Tuy nhiên chƣa thể sử dụng đƣợc bởi tính chất của nó chƣa đáp

ứng đƣợc yêu cầu bảo vệ động cơ [68, 69].

Dầu bôi trơn có nhiều công dụng, trong đó có một số công dụng quan trọng

nhất sau đây [68, 70].

- Dầu bôi trơn có nhiều công dụng trong đó công dụng quan trọng nhất là bôi

trơn các bề mặt có chuyển động trƣợt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát do đó

giảm mài mòn, tăng tuổi thọ của các chi tiết. Nguyên nhân của việc giảm ma sát là

do khi bôi trơn sẽ có sự thay thế ma sát trực tiếp giữa các chi tiết máy bằng ma sát

nội tại của màng chất bôi trơn thể lỏng ngăn cách các chi tiết máy. Ma sát nội tại

giữa các màng chất lỏng này luôn nhỏ hơn nhiều so với các dạng ma sát khác. Do

vậy tổn thất cơ giới trong động cơ giảm và hiệu suất cơ giới sẽ tăng, điều này đƣợc

thể hiện trong công thức sau:

Ƞm = Ne / Ni (1.33)

Trong đó: - Ƞm : hiệu suất cơ giới

- Ne : công suất có ích

- Ni: công suất chỉ thị

Thông thƣờng, hiệu suất cơ giới Ƞm = 65,93%

Từ đó, hiệu suất có ích của động cơ là: Ƞe = Ƞi Ƞm

Trong đó : - Ƞe: hiệu suất có ích của động cơ

- Ƞi : hiệu suất chỉ thị

Trong thực tế thì Ƞi = 22,56%

Ƞe = 15,50%

Hiệu suất có ích tăng lên tức là tăng tính kinh tế của động cơ.

- Chống ăn mòn kim loại: Nƣớc là nguyên nhân gây nên sự rỉ sét của các chi

tiết đƣợc cấu tạo từ kim loại. Một thể tích nhiên liệu đốt cháy trong động cơ sẽ sinh

ra một thể tích nƣớc. Mặc dù phần lớn nƣớc ở thể hơi và thoát ra ống xả, tuy nhiên

vẫn còn một ít đọng lại trong xylanh. Hiện tƣợng này thƣờng xảy ra khi thời tiết

lạnh hay khi động cơ chƣa đƣợc sƣởi ấm, thêm vào đó các sản phẩm phụ sinh ra do

nhiên liệu cháy dở, ngoài ra còn các chất axit đƣợc tạo thành do sự oxy hóa dầu. Vì

31

vậy khả năng tạo rỉ sét và ăn mòn càng trở nên trầm trọng. Khi sử dụng dầu bôi

trơn, nó sẽ tạo một lớp màng mỏng phủ lên trên bề mặt các chi tiết ma sát, có tác

dụng chống rỉ trong thời gian ngừng hoạt động, nhất là những bộ phận ẩm ƣớt.

Ngoài ra dầu bôi trơn còn có tác dụng hạn chế tối đa sự lan truyền các chất axit

đƣợc sinh ra từ các loại nhiên liệu nhiều lƣu huỳnh trong động cơ diezen.

- Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết: Trên bề mặt ma sát, trong quá trình

làm việc thƣờng có các vẩy rắn tróc ra khỏi bề mặt. Dầu bôi trơn sẽ cuốn trôi các

vẩy tróc sau đó đƣợc giữ lại ở các phần tử lọc của hệ thống bôi trơn, tránh cho việc

bề mặt bị cào xƣớc. Trong động cơ diesel, khi nhiên liệu cháy sẽ tạo ra muội than

bám cặn trên thành pittong gây cháy xecmang, làm nghẽn các bộ lọc. Trong động

cơ dùng xăng pha chì, khi xăng cháy cũng tạo ra một lƣợng muội chì, từ đó tạo

thành cặn trong quá trình làm việc. Vì vậy, khi động cơ chạy rà sau khi lắp ráp, sửa

chữa, khi đó còn rất nhiều mạt kim loại còn sót lại trong quá trình lắp ráp và nhiều

vẩy rắn bị tróc ra khi chạy rà, do vậy phải dùng dầu bôi trơn có độ nhớt nhỏ để tăng

khả năng rửa trôi các mạt bẩn trên bề mặt. Dầu bôi trơn với phụ gia tẩy rửa có tác

dụng ngăn cản sự tích tụ của cặn giữ cho bề mặt các chi tiết luôn đƣợc sạch sẽ tạo

điều kiện cho động cơ hoạt động tốt.

- Làm mát máy: Nhiều ngƣời cho rằng việc làm mát động cơ hoàn toàn dựa

vào hệ thống nƣớc làm mát. Trên thực tế cho thấy hệ thống nƣớc làm mát chỉ thực

hiện đƣợc 60% công việc làm mát. Nƣớc chỉ làm mát phần trên động cơ là các đỉnh

xylanh, lòng xylanh và các van còn trục khuỷu, các ổ đỡ, trục cam, các bánh răng,

pittong và nhiều chi tiết khác đƣợc làm mát bằng dầu bôi trơn. Do ma sát tại các bề

mặt làm việc nhƣ piston-xy lanh, trục khuỷ-bạc lót,... sinh nhiệt. Mặt khác, một số

chi tiết nhƣ piston, vòi phun còn nhận nhiệt của khí cháy truyền đến. Do đó nhiệt độ

của một số chi tiết rất cao, có thể bị gãy, bị kẹt, giảm độ bền của các chi tiết. Nhằm

làm giảm nhiệt độ của các chi tiết này, ngƣời ta sử dụng dầu bôi trơn để làm mát.

Dầu bôi trơn ở trạng thái lỏng chảy qua các bề mặt ma sát và mang nhiệt đi. Chức

năng làm mát đòi hỏi dầu phải chịu đƣợc nhiệt độ cao, không bị biến chất do tác

dụng của oxy trong không khí ở nhiệt độ cao.

- Làm kín máy: Ở một số động cơ ô tô tại vị trí pittong, máy phát, bơm thủy

lực làm việc ở áp suất cao, do đó yêu cầu độ kín cao. Vì vậy dầu bôi trơn dựa vào

32

khả năng bám dính và tạo màng lấp kín các khe hở, bảo đảm quá trình làm việc bình

thƣờng cho thiết bị.

- Rút ngắn quá trình chạy rà động cơ: Khi chạy rà động cơ phải dùng dầu có

độ nhớt thấp. Ngoài ra, dầu còn đƣợc pha một số các chất phụ gia đặc biệt có tác

động làm mềm tổ chức vi kim loại tạo thành lớp rất mỏng trên bề mặt chi tiết. Do

đó các chi tiết nhanh chóng rà khớp với nhau rút ngắn thời gian và chi phí chạy rà.

1.3.2. Một số thông số của dầu bôi trơn

Trên bao bì của các sản phẩm dầu bôi trơn đều ghi rõ tính năng và phạm vi

sử dụng. Hiện nay qua các kỹ thuật chủ yếu đều trên các tiêu chuẩn của các tổ chức

Hoa Kỳ. Có 2 chỉ số quan trọng cần lƣu ý là SAE và API sau đây [68, 70]

Chỉ số SAE: Chỉ số SAE là chỉ số phân loại dầu nhớt theo nhiệt độ ở 100ºC

và -18ºC của hiệp hội kĩ sƣ Hoa Kỳ (Society of Automobile Engineers) ban hành

tháng 6 năm 1989. Tại một nhiệt độ nhất định, ví dụ ở 100ºC chỉ số SAE lớn tức là

độ nhớt của dầu cao và ngƣợc lại. Các phân loại của SAE tùy thuộc vào sản phẩm

dầu lúc đó là đơn cấp hay đa cấp.

Loại đơn cấp: Là loại chỉ có một chỉ số độ nhớt (SAE40, SAE50, SAE10W).

Loại đa cấp: Là loại có 2 chỉ số độ nhớt (SAE15W-40, SAE20W-50). Dầu có

chỉ số độ nhớt đa cấp có phạm vi nhiệt độ môi trƣờng sử dụng rộng hơn so với loại

đơn cấp.

Chỉ số API: Chỉ số API la chỉ số đánh giá chất lƣợng dầu nhớt của Viện dầu

Hoa Kỳ (American Petroleum Institute). API phân ra hai loại dầu chuyên dụng và

dầu đa dụng.

- Dầu chuyên dụng: Là loại dầu chỉ dùng cho một trong hai loại động cơ xăng

hoặc dầu diesel. Cấp S dùng cho động cơ xăng, cấp C dùng cho động cơ diezen.

- Dầu đa dụng: Là loại dầu bôi trơn có thể dùng cho cả 2 loại động cơ xăng

hoặc diezen.

1.3.3. Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn thƣơng phẩm để sử dụng cho mục đích bôi trơn là hỗn hợp của

dầu gốc và phụ gia. Do đó, chất lƣợng của dầu bôi trơn ngoài phụ thuộc vào dầu

gốc còn phụ thuộc vào phụ gia.

33

Dầu gốc chủ yếu đƣợc sử dụng để sản xuất dầu bôi trơn nhất là dầu động cơ.

Phƣơng pháp truyền thống sản xuất dầu gốc là chƣng cất chân không phân đoạn từ

tháp chƣng cất khí quyển, phần sản phẩm có thể tiếp tục qua quá trình xử lý hay

xƣởng chiết dung môi (solvent extraction) nhằm loại bỏ thành phần không mong

muốn nhƣ wax, lƣu huỳnh và aromatics [71]. Trong lĩnh vực sử dụng dầu động cơ

chỉ số độ nhớt, điểm đông đặc, độ ổn định oxy hóa và thành phần bay hơi là các chỉ

tiêu quan trọng.

Phụ gia là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ thậm chí là những nguyên tố hóa

học đƣợc thêm vào chất bôi trơn nhằm nâng cao hay mang lại những tính chất mong

muốn. Thông thƣờng, hàm lƣợng phụ gia chiếm từ vài phần triệu đến vài phần trăm

khối lƣợng. Do là những hợp chất hoạt động, vì vậy khi tồn tại trong dầu phụ gia có

thể tác dụng với nhau và làm mất chức năng của dầu bôi trơn. Ngƣợc lại, chúng cũng

có thể tác động tƣơng hỗ với nhau tạo ra tính chất mới có lợi cho dầu bôi trơn, do đó

việc phối trộn các phụ gia cần đƣợc nghiên cứu kĩ lƣỡng để loại trừ những hiệu ứng

đối kháng và nâng cao tính tƣơng hỗ. Sự tác động tƣơng hỗ giữa phụ gia và dầu gốc

cũng là một yếu tố cần đƣợc quan tâm khi sản xuất dầu bôi trơn [72].

Ngày nay, để đạt đƣợc các tính năng bôi trơn thì dầu có chứa nhiều loại phụ

gia khác nhau. Chúng có thể đƣợc pha riêng lẻ vào dầu bôi trơn hoặc phối trộn lại

với nhau để tạo thành một phụ gia đóng gói rồi mới đƣa vào dầu bôi trơn.

Yêu cầu chung của một số loại phụ gia [72]:

Dễ hòa tan trong dầu

Không hoặc ít hòa tan trong nƣớc

Không ảnh hƣởng đến tốc độ nhũ hóa của dầu

Không bị phân hủy bởi nƣớc và kim loại

Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc của hệ thống dầu bôi trơn

Không làm tăng tính hút ẩm của dầu bôi trơn

Hoạt tính có thể kiểm tra đƣợc

Không độc, rẻ tiền, dễ kiếm

- Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt

Phụ gia đƣợc sử dụng để làm tăng chỉ số độ nhớt là các polyme tan trong dầu

34

có tác dụng tăng độ nhớt của dầu mỏ, nghĩa là làm cho tốc độ thay đổi độ nhớt theo

nhiệt độ của dầu giảm đi (tăng chỉ số độ nhớt) cũng nhƣ để tạo ra các loại dầu mùa

đông. Các phụ gia này đƣợc chia làm hai nhóm: Dạng hydrocacbon và dạng este.

Dạng hydrocacbon có các loại: Copolyme etylen-propylen, polyizobutilen,

copolyme styren-butadien clo hóa, copolyme styren-izopren. Dạng este gồm:

Polymetacrylat, polyacrylat và các copolyme của este styrenmaleic.

Các chất cải thiện độ nhớt đƣợc dùng rộng rãi nhất hiện nay là các polyme của

etylen-propylen (có thể lên đến 10%) và polyizobutylen (hàm lƣợng nhỏ 0,2%-0,5%).

- Phụ gia chống oxy-hóa

Phụ gia này nhằm mục đích làm chậm quá trình oxy hóa của dầu (tăng độ

bền oxy hóa), khắc phục hiện tƣợng cháy vòng găng, giảm bớt hiện tƣợng ăn mòn

chi tiết và tạo cặn. Có hai nhóm phụ gia chống oxy hóa [73]:

Phụ gia kìm hãm quá trình oxy hóa ở một lớp dày ngay trong khối dầu: Nhóm

này quan trọng nhất là chất ức chế oxy hóa, đó là các hợp chất chứa nhóm phenol hay

nhóm amin, cũng có thể chứa hai nhóm đồng thời nhƣ các phenol có chứa nito hoặc

lƣu huỳnh, các kẽm di-ankyl di-thiophotphat (ZnDDP), các hợp chất của photpho, lƣu

huỳnh.... Các chất ức chế này có nồng độ thấp, khoảng 0,005 đến 0,5%.

Ngoài ra còn có tác dụng bảo vệ, chống rò rỉ ổ đỡ. Các chất thơm nhiệt đƣợc

dùng là các hợp chất hữu cơ có chứa photpho, lƣu huỳnh, kẽm (tri-butylaphotphit,

di-tiophotphat kẽm...). Phụ gia kìm hãm quá trình oxy hóa dầu ở lớp mỏng trên bề

mặt kim loại, đó là các chất thơm nhiệt đƣợc pha với tỷ lệ 0,5%-3%, chúng sẽ làm

chậm quá trình oxy hóa dầu ở lớp mỏng trên chi tiết động cơ ở nhiệt độ tƣơng đối

cao (200ºC -300ºC).

Các loại chất thơm nhiệt dƣờng nhƣ là chất thơm quan trọng nhất vì khi động

cơ ngừng hoạt động là lúc dầu ngừng tuần hoàn và khi đó chất thơm tẩy rửa cũng

ngừng hoạt động còn chất thơm nhiệt thì ngƣợc lại, sẽ hoạt động mạnh hơn, nó

không cho lớp dầu mỏng trên các chi tiết nguội có khả năng biến thành sạn.

- Phụ gia tẩy rửa

Với nồng độ 2-10%, các chất tẩy rửa có thể ngăn cản, loại trừ các cặn không

tan trong dầu, cặn sạn, cacbon và các hợp chất chì trên các bộ phận của động cơ đốt

trong. Chúng tác dụng bằng cách hấp thụ lên các hạt không tan, giữ chúng lại trong

35

dầu nhằm giảm tối thiểu cặn lắng và giữ sạch các chi tiết của động cơ. Tác nhân

quan trọng nhất có tính tẩy rửa là các phụ gia có tính kim loại, chúng bao gồm:

sunphonat, phenolat, salixylat. Phần lớn sunphonat, phenolat, salixylat của canxi

hoặc magie đƣợc sử dụng nhƣ các chất tẩy rửa kim loại [74].

- Phụ gia phân tán

Dùng để ngăn ngừa, làm chậm quá trình tạo cặn và lắng đọng trong điều kiện

hoạt động ở nhiệt độ thấp. Các phụ gia phân tán quan trọng nhất bao gồm:

Ankenyl-poly-amin-suxinimit

Ankyl-hydrobenzyl-polyamin

Este-polyhydroxy-suxinic

Poly-aminamit-imidazolin

Polyamin suxinimit.

Nhƣ vậy các chất phân tán đƣợc sử dụng đều có chứa các nhóm chức nhƣ

amin, imit, amit hoặc các nhóm hydroeste nên các polyme nhƣ poly metacrylat cũng

cho khản năng phân tán. Mặt khác, do chúng có tính nhớt (chất tăng chỉ số độ nhớt)

nên chúng đƣợc sử dụng nhƣ các phụ gia phân tán nhiều tác dụng. Lƣợng chất phân

tán đƣợc sử dụng nói chung phụ thuộc vào lƣợng chất rắn cần phải phân tán trong

dầu và thƣờng là chiếm từ 0,1% đến 2%. Các dầu bôi trơn cacte chất lƣợng hàng

đầu hiện nay có chứa tới 8% các phụ gia phân tán không tro. Hiệu quả của các chất

phân tán là kết quả của sự tác động qua lại đặc biệt giữa tác nhân đƣợc chặn và chất

phân tán.

- Phụ gia ức chế ăn mòn

Là phụ gia có chức năng làm giảm thiểu việc tạo thành các peoxit hữu cơ,

axit và các thành phần oxy hóa khác làm xuống cấp dầu động cơ, bảo vệ ổ đỡ và các

bề mặt khác nhau khỏi ăn mòn. Có thể nói chất ức chế ăn mòn bổ sung trong thực tế

có tác dụng nhƣ các chất chống oxy hóa. Các phụ gia này bao gồm: Di-thiophotphat

kim loại (đặc biệt là kẽm); sunphonat kim loại và kim loại kiềm cao và các tác nhân

hoạt động bề mặt nhƣ các axit béo, amin, axit alkylsuxinic, clo hóa parafin...[75-77]

- Phụ gia ức chế gỉ

Nếu nhƣ động cơ làm việc không có thời gian ngừng lâu thì dầu bôi trơn làm

36

chức năng chống gỉ tƣơng đối tốt vì khi động cơ ngừng trong thời gian thì dầu chƣa

kịp chảy hết khỏi các chi tiết. Nhƣng nếu động cơ ngừng lâu hoặc bảo quản lâu

ngày thì xylanh, cổ trục khủy và các chi tiết đánh bóng hoặc mài sẽ bị gỉ. Gỉ là sự

hình thành sắt hydroxit Fe(OH)3 là một dạng đặc biệt quan trọng của ăn mòn trên bề

mặt. Có nhiều hợp chất đƣợc dùng để ức chế gỉ nhƣ: Các axit béo, các este của các

axit napetic và axit béo, các amin hữu cơ, các xà phòng kim loại của axit béo...[78,

79] thƣờng pha vào dầu với tỷ lệ 0,1-1%.

- Phụ gia chống mài mòn

Mài mòn là sự tổn thất kim loại giữa các bề mặt chuyển động tƣơng đối với

nhau. Yếu tố chính gây mài mòn là do sự tiếp xúc giữa kim loại và kim loại (mài

mòn dính). Sự có mặt của các hạt mài (mài mòn hạt) gây ra mài mòn là do ăn mòn

hay mài mòn hóa học. Để chống lại sự mài mòn, cần thiết phải cho vào các phụ gia

chống mài mòn gồm các nhóm hóa chất có chứa hợp chất phot pho, hợp chất chứa

lƣu huỳnh, các dẫn xuất béo có khả năng bám dính trên bề mặt kim loại nhằm giảm

bớt sự cọ xát, tỏa nhiệt trong quá trình làm việc [69, 80, 81]. Phụ gia chống mài

mòn thƣờng có hàm lƣợng nhỏ khoảng 0,01%.

- Phụ gia biến tính, giảm ma sát

Phụ gia biến tính, giảm ma sát (FM) có chức năng tăng độ bền của màng

dầu, giữ bề mặt kim loại tách rời nhau, ngăn không cho lớp dầu bị phá hoại trong

điều kiện tải trọng lớn, nhiệt độ cao.

Phụ gia biến tính FM làm giảm hệ số ma sát, bảo tồn đƣợc năng lƣợng, tiết

kiệm đƣợc 2-3% nhiên liệu cho ô tô. Phụ gia FM đƣợc sử dụng khi cần tạo ra rung

động trƣợt mà không có rung động và khi cần có hệ số ma sát nhỏ nhất.

Phụ gia FM bao gồm nhiều loại hợp chất chứa oxy, nito, lƣu huỳnh,

molipden, đồng và các nguyên tố khác [82]. Các phụ gia này làm tăng độ bền của

màng dầu chủ yếu do hiện tƣợng hấp thụ vật lý, nhờ đó giảm ma sát. Phụ gia này

thƣờng đƣợc pha với tỷ lệ 0,1-0,3%.

- Phụ gia hạ điểm đông đặc

Ở nhiệt độ thấp thì khả năng đông đặc của dầu sẽ giảm, vì vậy cần pha các

chất phụ gia hạ điểm đông đặc nhằm hạ thấp nhiệt độ đông đặc của dầu. Cần cho

thêm một ít parafin có lƣợng O.R.azolin không quá 1%.

37

- Phụ gia ức chế tạo bọt

Bọt do không khí trộn mạnh vào dầu bôi trơn ảnh hƣởng xấu đến tính chất

bôi trơn, làm tăng sự oxy hóa của chúng, làm dầu bị tổn thất, ngăn cản sự lƣu thông

của dầu trong sự tuần hoàn, gây ra hiện tƣợng bôi trơn không đầy đủ. Để tránh hoặc

làm giảm sự tạo bọt ngƣời ta sử dụng các loại phụ gia chống tạo bọt. Chúng đƣợc

gọi là các chất hủy hoặc phá bọt. Đó là các hợp chất silicon và hydro có khả năng

làm tan sủi bọt nhƣng tỷ lệ này rất nhỏ: 0,001-0,004%. Phụ gia cho dầu bôi trơn là

một hợp phần của công nghệ chất bôi trơn hiện đại, đặc biệt là đối với dầu động cơ.

1.3.4. Pha trộn dầu bôi trơn

Vấn đề pha chế dầu bôi trơn động cơ là một công việc phức tạp, tốn kém, đòi

hỏi nhiều ngành kỹ thuật tham gia, nó cũng là sức cạnh tranh của các công ty dầu

bôi trơn. Thành phần, tỷ lệ các chất phụ gia trong dầu gốc là yếu tố quan trọng ra

dầu thành phẩm chất lƣợng cao, không những làm giảm những mặt hạn chế của dầu

gốc, nâng cao phẩm cấp đối với các chất đã có sẵn của dầu và tạo cho dầu bôi trơn

những tính chất mới cần thiết. Trong thực tế, một vài loại dầu động cơ có thể chứa

hơn 20% phụ gia các loại.

Bảng 1.3. Thành phần dầu bôi trơn thƣơng phẩm [83, 84]

Thành phần dầu bôi trơn thƣơng phẩm Trọng lƣợng (%)

Dầu gốc 71,5 – 96,2

Chất tẩy rửa 2 – 10

Chất phân tán không tro 1 – 9

Kẽm di-ankyl di-thiophotphat 0,5 – 3

Phụ gia chống oxy hóa và chống mài mòn 0,1 – 2

Chất biến tính ma sát 0,1 – 3

Chất hạ điểm đông đặc 0,1 – 1,5

Chất ức chế tạo bọt 2 – 15 ppm

1.3.5. Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon

Dầu bôi trơn có chứa thành phần vật liệu nano trong đó có vật liệu nano

cacbon (CNTs) đã đƣợc một số nƣớc nhƣ Mỹ, Châu Âu, Hàn Quốc đƣa vào sử dụng

trong các trang thiết bị quân sự.

Trong dầu bôi trơn nano, các phân tử nano cacbon phân tán đều trong dầu

38

với kích thƣớc nhỏ khi tiếp xúc với bề mặt kim loại nó sẽ xâm nhập vào bề mặt của

kim loại tạo thành một lớp màng bảo vệ cho các chi tiết trong động cơ đốt trong.

Khi nhiệt độ và áp suất trong động cơ tăng thì các phân tử nano cacbon liên kết với

nhau tạo thành một lớp màng bảo vệ bền chắc. Màng bảo vệ này càng bền vững khi

nhiệt độ càng tăng, điều này giúp cho việc bôi trơn chống ma sát càng trở nên hữu

hiệu, các chi tiết của động cơ đốt trong không bị mài mòn, giảm ma sát tối đa và

làm cho động cơ đốt trong giảm đƣợc nhiệt độ tối ƣu khoảng 9 – 11ºC [85, 86].

Ngoài ra, các hạt nano cacbon còn gia cố mạch cacbon của dầu bôi trơn giúp

cho các mạch cacbon bền vững hơn và không bị phá hủy dƣới tác dụng của nhiệt độ

và các tác nhân lý hóa. Đây cũng chính là nguyên tắc giúp tăng tuổi thọ của dầu bôi

trơn (dầu bôi trơn có chứa nano cacbon có thể sử dụng tối đa tới 150.000 km).

Hệ số ma sát của dầu bôi trơn có chứa nano cacbon là 0,025 trong khi đó hệ

số ma sát của các loại dầu bôi trơn thƣơng phẩm là 0,063. Dầu bôi trơn có tác dụng

tiết kiệm nhiên liệu từ 15 – 30% (50 – 70% năng lƣợng tiêu hao vào ma sát), chống

mài mòn và tăng tuổi thọ của động cơ từ 3 – 5 lần so với các loại dầu bôi trơn

thƣơng phẩm. Giảm nhiệt độ của dầu bôi trơn và động cơ khi đang hoạt động với

cƣờng độ cao, thời gian kéo dài. Do đó, dầu bôi trơn sử dụng nano cacbon có nhiều

ƣu điểm vƣợt xa so với các loại dầu bôi trơn hiện tại có mặt trên thế giới và thị

trƣờng Việt Nam, vƣợt xa tiêu chuẩn của các cơ quan chứng nhận chất lƣợng nhƣ

API, SAE, JASO.

Hình 1.12. Một số loại dầu bôi trơn trên thế giới

Dầu bôi trơn sử dụng vật liệu nano cacbon chịu đƣợc áp lực cao, làm kín

buồng đốt trong động cơ, do đó giảm thiểu tối đa sự rò rỉ nhiên liệu và các tạp chất

39

sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, giúp cho động cơ luôn sạch, tiết kiệm

nhiên liệu và chống đƣợc sự hình thành cặn bẩn ở đáy caste động cơ. Giảm tiếng

ồn, giảm khí thải lên đến 70% và thân thiện với môi trƣờng xung quanh. Động cơ

đốt trong có thể vận hành an toàn trong trƣờng hợp bị sự số rò rỉ dầu bôi trơn vƣợt

quá giới hạn cho phép, nhờ màng bảo vệ nano cacbon bám trên bề mặt chi tiết của

động cơ đốt trong.

1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực của luận án

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến dầu bôi trơn tản nhiệt

chứa thành phần ống nano-cacbon. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ khảo sát một

số ít tính chất của dầu sau khi phân tán CNTs hoặc một số nghiên cứu có đi sâu vào

khảo sát các tính chất của dầu bôi trơn có chứa thành phần nano nhƣng không thử

nghiệm các sản phẩm này trên động cơ thực tế.

Năm 2012, nhóm tác giả Gholamreza Vakili-Nezhaa và cộng sự của Viện

khoa học nano và Công nghệ nano, Đại học Kashan, Iran đã công bố kết quả nghiên

cứu về ảnh hƣởng của nhiệt độ và nồng độ SWCNTs đến độ nhớt của dầu bôi trơn

trên tạp chí Energy Procedia. Trong nghiên cứu này nồng độ SWCNTs thay đổi từ

0,01-0,2% khối lƣợng và nhiệt độ dao động từ 25ºC - 100ºC. Ống nano cacbon đơn

tƣờng đƣợc sử dụng để nghiên cứu có đƣờng kính ~ 2 nm và chiều dài từ 10 – 15

µm. Kết quả công bố cho thấy độ nhớt động học của chất lỏng nano tăng lên khi

giảm nhiệt độ và tăng nồng độ SWCNTs. Đối với chất lỏng nano có chứa 0,2%

trọng lƣợng SWCNTs độ nhớt tăng tối đa 32,94% [87].

Năm 2013, nhóm tác giả Hojjat Ahmadi và các cộng sự của Trƣờng đại học

Tehran, Mesbah cross, Karaj, Iran đã công bố kết quả nghiên cứu về sự ảnh hƣởng

của các ống nano - cacbon đa tƣờng (MWCNTs) với nồng độ khác nhau đối với một

số tính chất của dầu động cơ đƣợc đăng trên tạp chí International Communications in

Heat and Mass Transfer. Độ nhớt, điểm nóng chảy, điểm chớp cháy và tính dẫn nhiệt

là bốn tham số dùng để đánh giá chất lƣợng dầu sau khi phân tán CNTs. Trong số các

phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để phân tán các ống nano vào trong dầu gốc, nhóm

nghiên cứu này đã thấy rằng phƣơng pháp phân tán MWCNTs bằng cách sử dụng

máy nghiền bi là phƣơng pháp tốt nhất để ổn định MWCNTs trong dầu gốc. Theo các

40

kết quả công bố, độ dẫn nhiệt và điểm chớp cháy của dầu bôi trơn với 0,1% trọng

lƣợng nano đã đƣợc cải thiện lần lƣợt là 13,2% và 6,7% so với dầu gốc [88].

Năm 2014, nhóm tác giả Nor Azwadi Che Sidik và cộng sự của trƣờng Đại

học Công nghệ, Malaysia đã công bố các nghiên cứu liên quan đến tính dẫn nhiệt,

truyền nhiệt, ứng dụng của chất lỏng nano cacbon trên tạp chí International

Communications in Heat and Mass Transfer. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi

khi thêm các hạt nano vào sẽ làm tăng cƣờng khả năng truyền nhiệt và hệ số truyền

nhiệt sẽ tăng lên cùng với sự gia tăng của nồng độ nano [89].

Năm 2015, nhóm tác giả K. P. Lijesh và các cộng sự của Học viện Công

nghệ Ấn Độ ở Delhi đã công bố kết quả nghiên cứu thử nghiệm đánh giá hiệu quả

của dầu bôi trơn nano sử dụng các ống nano - cacbon đa tƣờng (MWCNTs) trên

International Journal of Applied Engineering Research. Kết quả công bố cho thấy

rằng dầu bôi trơn nano có chứa MWCNTs phân tán cùng với chất hoạt động bề mặt

có sự mài mòn và ma sát thấp, đột nhớt cao hơn so với các mẫu chỉ chứa thành phần

dầu bôi trơn, mẫu chứa dầu bôi trơn và chất hoạt động bề mặt và mẫu chứa dầu bôi

trơn và MWCNTs [90].

Năm 2016, nhóm tác giả Mohsen Baratpour, Arash Karimipour, Masoud

Afrand, Somchai Wongwises của trƣờng Đại học Islamic Azad, Najafabad, Iran đã

công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hƣởng của nhiệt độ và nồng độ SWCNTs đến độ

nhớt của chất lỏng có chứa SWCNTs trong ethylen glycol trên tạp chí International

Communications in Heat and Mass Transfer. Nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu

trong khoảng nhiệt độ từ 30ºC - 60ºC ở các nồng độ phần trăm SWCNTs là

0,0125%; 0,025%; 0,05 %; 0,075% và 0,1%. Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả

cho thấy độ nhớt của chất lỏng nano tăng gấp 3,18 lần so với chất lỏng không chứa

nano CNTs ở nhiệt độ 30ºC và nồng độ phần trăm SWCNTs là 0,1% [91].

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay tại Việt Nam chƣa có bất kì tác giả nào công bố các kết quả nghiên

cứu về dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs sử dụng cho động cơ đốt trong

mà chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu phân tán CNTs trong dầu gốc. Nhƣ trong hƣớng

nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano cacbon trong dầu bôi trơn, tập thể nhóm nghiên

cứu Hà Quốc Báng và cộng sự tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự thực hiện

41

đã đạt đƣợc một số kết quả ban đầu trong việc biến tính hóa học CNTs theo quy

trình hai bƣớc bằng axit và amin, đồng thời tiến hành phân tán CNTs biến tính vào

dầu gốc khoáng với các nồng độ khác nhau. Những nghiên cứu ban đầu của tập thể

nhóm Hà Quốc Báng đã cho thấy CNTs phân tán ổn định trong dầu gốc, giúp cải

thiện độ bền oxy hóa và khả năng chống ăn mòn kim loại của dầu [92]. Từ đó chúng

tôi mong muốn có thể làm chủ trong việc chế tạo đƣợc dầu bôi trơn tản nhiệt, tiếp

đó mở rộng nghiên cứu sâu hơn về khả năng bôi trơn, chống mài mòn, giảm ma sát,

tiết kiệm nhiên liệu của dầu bôi trơn nano cho động cơ đốt trong.

1.4.3. Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt chứa

ống nano - cacbon

Qua tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về chất lỏng chứa nano cacbon cụ thể

là dầu bôi trơn tản nhiệt có thể thấy đƣợc rằng việc sử dụng vật liệu CNTs vào dầu

bôi trơn giúp làm giảm hệ số ma sát của động cơ, tăng độ dẫn nhiệt qua đó nâng cao

hiệu suất hoạt động của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao độ bền,

tuổi thọ cho động cơ. Từ đó, những vấn đề cần đƣợc nghiên cứu trong lĩnh vực dầu

bôi trơn chứa nano cacbon bao gồm:

– Nghiên cứu các điều kiện công nghệ ảnh hƣởng đến tính chất truyền nhiệt

của vật liệu tản nhiệt sử dụng vật liệu CNTs đa tƣờng, đơn tƣờng, vật liệu

CNTs định hƣớng

– Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát các tính chất lý, nhiệt, điện của các vật

liệu tản nhiệt. Từ đó, nghiên cứu tìm kiếm các chất phụ gia giúp tăng cƣờng

các tính năng tốt của dầu bôi trơn tản nhiệt nhƣ độ truyền nhiệt cao, giảm ma

sát, chống gỉ, chống oxy hóa....

– Tối ƣu hàm lƣợng CNTs và các chất phụ gia để có thể chế tạo đƣợc loại dầu

bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano với chất lƣợng cao và giá thành

hợp lý.

1.5. Kết luận chƣơng 1

Chƣơng này đã tập trung giới thiệu khái quát về vật liệu ống nano - cacbon

(CNTs) và ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực tản nhiệt. Vật liệu CNTs có cấu

trúc dạng ống, đƣờng kính < 100 nm và chiều dài từ một vài μm trở lên, bao gồm

hai loại: CNTs đơn tƣờng (SWCNTs) và CNTs đa tƣờng (MWCNTs). Vật liệu

42

CNTs có nhiều tính chất ƣu việt nhƣ độ cứng Young lớn (1054 – 1200 Gpa), độ bền

kéo cao (150 Gpa), khả năng dẫn điện linh hoạt (có thể là chất dẫn điện hoặc bán

dẫn tùy theo cấu trúc), khối lƣợng riêng nhỏ (1,0 – 1,3 g/cm3), bền về hóa học, khả

năng phát xạ điện tử tốt, bền vững ở nhiệt độ lên đến 2800oC trong chân không và

môi trƣờng khí trơ. Đặc biệt, với khả năng dẫn nhiệt rất tốt (độ dẫn nhiệt từ 1800

đến 6000 W/mK tùy theo cấu trúc), vật liệu CNTs trở thành đối tƣợng tiềm năng

trong ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn. Trong chƣơng này

chúng tôi cũng đã khái quát đƣợc tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về lĩnh

vực liên quan.

Từ những lý do trên, luận án hƣớng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất

nhiệt của CNTs để nâng cao hệ số dẫn nhiệt cho một số loại vật liệu nền là dầu bôi

trơn. Những vấn đề mới mà luận án đặt ra để tập trung giải quyết bao gồm:

- Hƣớng nghiên cứu lý thuyết: Tiến hành xây dựng mô hình tính toán lý

thuyết hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

- Hƣớng nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo thành công dầu bôi trơn tản nhiệt

chứa thành phần CNTs với sự phân tán đồng đều, ổn định và có độ dẫn nhiệt tốt,

đồng thời thử nghiệm ứng dụng vật liệu chế tạo đƣợc cho động cơ đốt trong của một

số thiết bị quân sự nhằm gia tăng độ bền, tuổi thọ và công suất hoạt động của các

động cơ.

43

CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phƣơng pháp thực nghiệm

2.1.1. Phương pháp biến tính CNTs

Để tăng cƣờng khả năng phân tán ống nano-cacbon (CNTs) vào các loại vật

liệu nền nói chung hay dầu bôi trơn tản nhiệt nano nói riêng thì bề mặt của vật liệu

CNTs cần phải đƣợc biến tính để gắn kết với các nhóm chức hóa học. Hiện nay có

nhiều phƣơng pháp khác nhau để biến tính gắn nhóm chức hóa học lên bề mặt của

CNTs, trong các phƣơng pháp đó thì phổ biến nhất là phƣơng pháp biến tính hóa

học bằng cách sử dụng chất oxi hóa mạnh. Các nhóm chức dùng để gắn kết lên bề

mặt CNTs cũng khá đa dạng, trong đó phổ biến nhất là nhóm chức –COOH và

nhóm chức –OH. Dựa trên mục tiêu nghiên cứu, chúng tôi tập trung vào quy trình

công nghệ biến tính gắn nhóm chức–OH lên bề mặt CNTs.

Hình 2.1. Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs

Ngoài ra việc biến tính nhóm chức lên CNTs cũng giúp nâng cao hơn hiệu quả

dẫn nhiệt nhƣ nhóm nghiên cứu SZ Heris đã công bố [93]. Để biến tính gắn nhóm

chức –OH lên bề mặt vật liệu CNTs chúng tôi sử dụng quy trình tổng quan nhƣ

đƣợc thể hiện trên hình 2.1. Quy trình này đƣợc thực hiện qua các bƣớc nhƣ sau

[94, 95]:

- Bƣớc 1: 1 gam CNTs đƣợc đƣa vào bình cầu chứa 100 ml hỗn hợp axit

HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ về số mol là 1:3.

- Bƣớc 2: Khuấy trộn đều hỗn hợp trên bằng máy khuấy từ ở 80ºC trong 4 giờ.

- Bƣớc 3: Rung siêu âm toàn bộ hỗn hợp thu đƣợc ở bƣớc trên trong 4 giờ.

- Bƣớc 4: Tiến hành lọc rửa sản phẩm thu đƣợc ở bƣớc trên bằng máy lọc hút

chân không để loại bỏ thành phần axit dƣ.

CNTs 0,1 mol HNO3

0,3 mol H2SO4

Dung dịch A Rung siêu âm

CNTs-

COOH

ƣớt

CNTs-COOH

khô

Sấy khô CNTs-COCl

CNTs-OH

Ngâm trong

SOCl2

Lọc rửa với H2O2 Lọc với

nƣớc cất

Máy lọc hút

chân không

Khuấy đều

4 h 4 h

24 h 24 h

44

Trong đó: Việc kiểm tra lƣợng axit dƣ đƣợc thực hiện bằng cách tiến hành xác

định độ pH của dịch lọc khi đƣa giấy chỉ thị pH vào hỗn hợp, khi giấy chỉ thị không

đổi màu thì chứng tỏ CNTs đã sạch, không còn axit dƣ.

- Bƣớc 5: Chất bột sau khi lọc rửa đƣợc sấy khô ở 80ºC trong 24 giờ để thu

đƣợc sản phẩm biến tính CNTs-COOH.

- Bƣớc 6: Để biến tính gắn thêm nhóm chức -OH thì vật liệu CNTs-COOH

đƣợc ngâm trong dung dịch SOCl2 trong máy rung siêu âm với thời gian 24h tại

nhiệt độ 24ºC để thu đƣợc CNTs-COCl.

- Bƣớc 7: Cuối cùng, vật liệu CNTs-COCl đƣợc lọc rửa bằng H2O2 để thu

đƣợc vật liệu CNTs biến tính gắn nhóm chức OH.

Hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 đóng vai trò là chất oxi hóa mạnh tạo ra các

khuyết tật ở bề mặt của CNTs. Từ những vị trí khuyết tật trên bề mặt CNTs, nguyên

tử cacbon sẽ liên kết với các nhóm chức bên ngoài nhƣ –OH và – COOH để tạo

thành CNTs biến tính. Việc biến tính sẽ không ảnh hƣởng nhiều đến tính chất cơ,

nhiệt, điện của MWCNTs vì chỉ lớp ngoài cùng của MWCNTs bị biến đổi về mặt

hóa học, còn tất cả các lớp phía trong của MWCNTs vẫn giữ nguyên đóng vai trò

ổn định tính chất độc đáo vốn có của CNTs.

2.1.2. Phương pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Sau khi đã biến tính thành công CNTs với nhóm chức –OH, chúng tôi tiến

hành pha chế dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho 4 loại động cơ bao gồm: Tàu thủy cỡ

nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự.

Có thể thấy rằng do mỗi loại động cơ có đặc điểm riêng về cấu trúc, công

suất, nhiên liệu, điều kiện môi trƣờng hoạt động, v.v... nên mỗi loại động cơ này có

những đòi hỏi riêng về tiêu chuẩn kỹ thuật của dầu bôi trơn dành cho nó. Với động

cơ của thiết bị quân sự cũng vậy, chúng tôi nhận ra rằng vì phần lớn các trang thiết

bị quân sự hiện nay của quân đội ta (nhƣ xe tăng, thiết giáp, chở khí tài,...) có nguồn

gốc từ Nga, do vậy việc đảm bảo đƣợc đặc tính kỹ thuật của dầu bôi trơn nano chế

tạo từ hợp phần dự án này đáp ứng đƣợc theo tiêu chuẩn Nga là điều hết sức quan

trọng. Đây cũng chính là lý do mà chúng tôi chọn tiêu chuẩn của Nga để so sánh với

thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano mà hợp phần dự án chế tạo đƣợc

để tìm ra quy trình chế tạo tối ƣu.

45

Hình 2.2. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano

tại phòng thí nghiệm

Để đạt đƣợc quy trình chế tạo dầu nano tối ƣu tại phòng thí nghiệm, chúng

tôi tiến hành phƣơng pháp thực nghiệm pha trộn dầu nhƣ đƣợc mô tả trên hình 2.2.

Phƣơng pháp nghiên cứu chế tạo bao gồm các bƣớc cơ bản nhƣ sau:

- Bƣớc 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, thiết bị.

- Bƣớc 2: Pha chế dầu bôi trơn tản nhiệt nano dựa trên quy trình định trƣớc.

- Bƣớc 3: Đo đạc, khảo sát các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano.

- Bƣớc 4: So sánh thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano với tiêu

chuẩn kỹ thuật dầu bôi trơn của Nga cho từng loại động cơ trang thiết bị quân sự.

- Bƣớc 5: Nếu thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano không đạt so

với tiêu chuẩn kỹ thuật dầu bôi trơn của Nga cho từng loại động cơ trang thiết bị

quân sự, chúng tôi tiếp tục tiến hành cải tiến quy trình công nghệ và quay lại bƣớc 1

để bắt đầu quy trình mới cho đến khi đạt đƣợc các tiêu chuẩn kỹ thuật nhƣ đã đặt ra.

Không đạt

tiêu chuẩn

Dầu bôi trơn

tản nhiệt nano

cho trang thiết

bị quân sự

Bƣớc 2: Pha chế dầu bôi trơn

tản nhiệt nano

Bƣớc 3: Đo đạc, khảo sát các thông số kỹ

thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Bƣớc 4: So sánh thông số kỹ thuật của dầu

bôi trơn tản nhiệt nano với tiêu chuẩn dầu

bôi trơn của Nga cho từng loại động cơ

Bƣớc 5: Cải tiến quy

trình công nghệ

Đạt tiêu chuẩn

Bƣớc 1: Chuẩn bị

vật liệu, thiết bị

46

Quá trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần CNTs đƣợc trình

bày trong hình 2.3

Hình 2.3. Quá trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs

Để chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs, chúng tôi sử dụng

vật liệu CNTs biến tính, loại dầu dùng để phân tán CNTs vào là dầu PAO. CNTs

biến tính đƣợc phân tán đồng đều vào dầu PAO bằng cách sử dụng chất hoạt động

bề mặt Tween-80 kết hợp với phƣơng pháp rung siêu âm. Dầu bôi trơn tản nhiệt

chứa thành phần CNTs đƣợc chế tạo thông qua các bƣớc nhƣ sau:

- Bƣớc 1: Tiến hành biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức –COOH hoặc

nhóm chức –OH.

- Bƣớc 2: Đƣa chất hoạt động bề mặt (Tween-80) vào chất dầu PAO với hàm

lƣợng 0,5 ml Tween-80 / lít chất lỏng.

- Bƣớc 3: Đƣa vật liệu CNTs biến tính với nhóm chức phù hợp vào dầu bôi

trơn với hàm lƣợng CNTs từ 0 – 0,13% thể tích.

- Bƣớc 4: Rung siêu âm trong thời gian thích hợp (trên 30 phút) để phân tán

đồng đều CNTs vào nền dầu bôi trơn tản nhiệt.

2.1.3. Phương pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu

Để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu CNTs cũng nhƣ dầu bôi trơn tản

nhiệt nano, chúng tôi đã sử dụng một số phƣơng pháp đo nhƣ: Hiển vi điện tử quét

SEM, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR và phép đo phổ phân tán

theo kích thƣớc Zeta-Sizer.

Dầu bôi trơn tản

nhiệt chứa CNTs PAO

Phụ gia Chất hoạt động

bề mặt

CNTs biến

tính

CNTs Phân tích và đo

lƣờng

47

2.1.3.1. Hiển vi điện tử quét

Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM)

đƣợc sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu với độ phân giải

nano mét. Nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo

ảnh của mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đƣợc tạo ra từ catốt qua hai tụ quang sẽ

đƣợc hội tụ lên mẫu cần nghiên cứu, khi chùm điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các

điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử thứ cấp này khi qua điện thế gia tốc sẽ vào

phần thu và biến đổi thành tín hiệu điện, chúng đƣợc khuếch đại đƣa vào mạng lƣới

điều khiển tạo độ sáng trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình tuỳ thuộc lƣợng

điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu nhiều hay ít, đồng thời còn phụ thuộc sự khuyết tật

bề mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do sự hội tụ các chùm tia nên có thể nghiên

cứu cả cấu trúc ở phần bên trong của mẫu.

Hiển vi điện tử quét đƣợc sử dụng rộng rãi để quan sát vi cấu trúc ở trên bề

mặt của mẫu với độ phóng đại và độ phân giải lớn gấp hàng nghìn lần so với kính

hiển vi quang học. Độ phóng đại của SEM nằm trong một dải rộng từ 10 đến 1 triệu

lần (so sánh với độ phóng đại của hiển vi quang học từ 1 đến 1000 lần). Độ phân

giải của SEM khoảng vài nanomet (10-9

m), trong khi của kính hiển vi quang học là

vài micromet (10-6

m). Ngoài ra SEM còn cho độ sâu trƣờng ảnh lớn hơn so với

kính hiển vi quang học. Để đo đƣợc bằng phƣơng pháp SEM, mẫu nghiên cứu cần

phải đƣợc xử lý sạch bề mặt và đảm bảo điều kiện thao tác đƣợc trong chân không.

Trong nghiên cứu này, kính hiển vi điện tử quét đƣợc sử dụng để nghiên cứu

là loại Hitachi S-4800 tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam).

2.1.3.2. Phổ tán xạ Raman

Phƣơng pháp phổ tán xạ Raman lại cho phép phân tích về cấu trúc pha, cấu

trúc tinh thể và thành phần của vật liệu. Đây là phƣơng pháp mang tên nhà Vật lý

ngƣời Ấn Độ C.V Raman. Phổ tán xạ raman dựa trên nguyên lý tán xạ không đàn

hồi của ánh sáng đơn sắc chiếu tới mẫu, thông thƣờng là từ một nguồn sáng laze.

Tán xạ không đàn hồi là tán xạ mà tần số của các photon từ nguồn sáng đơn sắc

chiếu tới sẽ thay đổi khi nó tƣơng tác với mẫu vật. Các photon của ánh sáng laser bị

hấp thụ bởi mẫu và sau đó bị tán xạ. Tần số của các photon tán xạ có thể thay đổi

48

tăng hoặc giảm so với tần số của nguồn sáng đơn sắc khi chiếu tới, đây đƣợc gọi là

hiệu ứng Raman. Sự thay đổi này sẽ cung cấp thông tin về độ dao động, độ quay và

các tần số truyền khác của các phân tử. Phƣơng pháp Raman có thể đƣợc dùng để

phân tích các mẫu ở cả dạng rắn, lỏng và khí.

Các phép đo Raman thực hiện trong nghiên cứu đƣợc tiến hành trên thiết bị

Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) đặt tại Viện Khoa

học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

Thiết bị dùng nguồn sáng là Laze He - Ne, với cấu hình tán xạ ngƣợc. Mẫu

đƣợc kích thích bằng ánh sáng có bƣớc sóng 514,5 nm của laze Ar. Mật độ công

suất kích thích thấp đƣợc sử dụng để tránh ảnh hƣởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ đo

đƣợc lắp thêm camera và màn hình để quan sát vị trí tạo ra tán xạ không đàn hồi

ánh sáng kích thích trên một diện tích rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở

trên bề mặt của mẫu. Các mẫu đo đƣợc đặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bƣớc

dịch chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ đo còn đƣợc nối với kính hiển vi cho

phép ghi phổ với độ phân giải không gian tốt hơn. Máy tính điện tử kết nối trong hệ

đo với chƣơng trình cài đặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng đã xử lý. Phổ đƣợc hiển thị

trên màn hình dƣới dạng sự phụ thuộc cƣờng độ dao động vào số sóng của các vạch

dao động.

2.1.3.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier

Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi fourier (Fourier Transform

Infrared Spectroscopy – FTIR) là một phƣơng pháp không phá huỷ mẫu, nhanh

chóng và hiệu quả với mục đích xác định các nhóm chức hoá học.

Bằng cách so sánh phổ của mẫu với các phổ đặc trƣng ứng với từng loại nhóm

chức xác định, phƣơng pháp này giúp nhận biết đƣợc các nhóm chức trong mẫu cần

phân tích, tuy nhiên đây là phƣơng pháp phân tích định tính giúp xác định thành

phần nhóm chức chứ không xác định đƣợc hàm lƣợng của các nhóm chức đó có

trong mẫu. Yêu cầu để có kết quả phân tích chính xác là mẫu phân tích phải sạch và

đặc biệt không phải là hỗn hợp chứa các nhóm chức khác nhau.

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phƣơng pháp phân tích phổ hồng

ngoại biến đổi fourier để xác định sự hình thành của các nhóm chức –COOH và –

OH trên bề mặt của CNTs sau quá trình biến tính. Trong nghiên cứu, phép đo phổ

49

FTIR đƣợc thực hiện trên máy IMPAC 410 Nicolet tại Viện Hoá học (Viện Hàn

lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

2.1.3.4. Phổ phân tán Zeta-Sizer

Chúng tôi cũng sử dụng thiết bị Zetasizer Nano ZS tại Viện Khoa học vật liệu

(Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Đây là thiết bị cho phép đo phổ

phân bố theo kích thƣớc của vật liệu nano trong chất lỏng và qua đó đánh giá đƣợc

sự ổn định của vật liệu nano trong chất lỏng. Thiết bị Zetasizer Nano ZS đƣợc thiết

kế để đo kích thƣớc hạt dựa trên nguyên lý tán xạ tia laser đỏ (bƣớc sóng 532 nm)

khi chiếu vào vật liệu nano, do vật liệu nano luôn chuyển động trong chất lỏng theo

định luật Brown nên ánh sáng tán xạ cũng thay đổi theo. Dựa trên các thuật toán

phân tích tốc độ thay đổi của cƣờng độ ánh sáng mà có xác định đƣợc phổ phân tán

theo kích thƣớc của vật liệu nano trong chất lỏng.

2.1.4. Phương pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano

Để đo đạc khảo sát các thông số kỹ thuật dầu bôi trơn tản nhiệt nano, chúng

tôi đã sử dụng một số thiết bị đo nhƣ: Máy đo độ nhớt động học 9410P (Bỉ), thiết bị

đo giá trị kiềm tổng, v.v... tại Viện Kỹ thuật xăng dầu quân đội.

Ngoài ra chúng tôi cũng sử dụng nhiều thiết bị đo đạc khác tại Viện Khoa học

vật liệu, Phòng thí nghiệm hóa dầu, Đại học mỏ địa chất, Viện hóa học công nghiệp

Việt Nam nhƣ thiết bị đo chỉ số sức căng bề mặt, tổng hàm lƣợng kim loại, điểm

đông đặc của dầu, v.v... Bên cạnh đó, sử dụng thiết bị đo độ dẫn nhiệt Thermal

Conductivity of Liquids HTL-04 của hãng Eternal Engineering Equipment để phục

vụ cho việc khảo sát tính chất nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt nano.

2.2. Phƣơng pháp mô hình hóa và tính toán lý thuyết

Để nhằm mục đích nghiên cứu cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng

chứa thành phần CNTs, đặc biệt là đối với dầu bôi trơn tản nhiệt dùng cho động cơ

đốt trong, chúng tôi đã tìm hiểu các mô hình tính toán lý thuyết của các nhóm

nghiên cứu khác nhau trên thế giới (nhƣ nhóm nghiên cứu Hemanth, H E Patel,

Yingsong Zheng, Rashmi Walvekar, S.U.S Choi, v.v...). Việc nghiên cứu các mô

hình tính toán lý thuyết đã có giúp tập thể nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế, bản

chất của việc nâng cao độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt khi đƣợc gia cƣờng thêm

thành phần CNTs. Sau quá trình nghiên cứu và tìm hiểu các mô hình này, chúng tôi

50

đã xây dựng đƣợc một mô hình tính toán lý thuyết khắc phục các hạn chế còn tồn

tại và cải tiến mô hình để xác định độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa thành phần

ống nano - cacbon và dầu bôi trơn tản nhiệt nano với độ chính xác cao hơn so với

các mô hình tính toán lý thuyết đƣợc biết đến trƣớc đó trên thế giới.

2.3. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

2.3.1. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt

- Phụ gia tăng chỉ số nhớt: Là các polyme tan trong dầu có tác dụng tăng độ

nhớt của dầu mỏ, nghĩa là làm cho tốc độ thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ của dầu

giảm đi (tăng chỉ số độ nhớt) cũng nhƣ để tạo ra các loại dầu mùa đông. Các phụ gia

này đƣợc chia làm hai nhóm: Dạng hydrocacbon và dạng este. Dạng hydrocacbon

có các loại: Copolymer etylen-propylen, polyizobutilen, copolymer styren-butadien

clo hóa, copolymer styren-izopren. Dạng este gồm: Polymetacrylat, polyacrylat và

các copolymer của este styrenmaleic. Các chất phụ gia tăng độ nhớt đƣợc dùng

trong nghiên cứu của luận án gồm: Hydrocacbon Polyizobutylen (Sigma-Andrich,

khối lƣợng riêng 0,92 g/ml, phân tử khối khoảng 420), Ethylen-Propylene

Copolymer (Sigma-Andrich, khối lƣợng riêng 0,88 g/ml, phân tử khối khoảng 250),

Styrene-Butadien Copolymer (Merck, khối lƣợng riêng 0,91 g/ml, phân tử khối

158) và Styrene-Isopren Copolymer (Merck, khối lƣợng riêng 0,92 g/ml, phân tử

khối 250).

- Phụ gia tẩy rửa: Với nồng độ 2-10%, các chất tẩy rửa có thể ngăn cản, loại

trừ các cặn không tan trong dầu, cặn sạn, cacbon và các hợp chất chì trên các bộ

phận của động cơ đốt trong. Chúng tác dụng bằng cách hấp thụ lên các hạt không

tan, giữ chúng lại trong dầu nhằm giảm tối thiểu cặn lắng và giữ sạch các chi tiết

của động cơ. Tác nhân quan trọng nhất có tính tẩy rửa là các phụ gia có tính kim

loại, chúng bao gồm: Sunphonat, phenolat, salixylat. Phần lớn sunphonat, phenolat,

salixylat của canxi hoặc magie đƣợc sử dụng nhƣ các chất tẩy rửa kim loại [74].

Các chất phụ gia tẩy rửa đƣợc dùng trong nghiên cứu của luận án gồm: Canxi

Sunphonat, Canxi Phenolat, Magie Sunphonat, Magie Phenolat.

- Phụ gia phân tán: Dùng để ngăn ngừa, làm chậm quá trình tạo cặn và lắng

đọng trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ thấp. Mặt khác, do chúng có tính nhớt

(chất tăng chỉ số độ nhớt) nên chúng đƣợc sử dụng nhƣ các phụ gia phân tán nhiều

51

tác dụng. Lƣợng chất phân tán đƣợc sử dụng nói chung phụ thuộc vào lƣợng chất

rắn cần phải phân tán trong dầu và thƣờng là chiếm từ 0,1% đến 2%. Các dầu bôi

trơn cacte chất lƣợng hàng đầu hiện nay có chứa tới 8% các phụ gia phân tán không

tro. Hiệu quả của các chất phân tán là kết quả của sự tác động qua lại đặc biệt giữa

tác nhân đƣợc chặn và chất phân tán. Các phụ gia phân tán sử dụng trong nghiên

cứu của luận án bao gồm: Ankyl hydrobenzyl polyamine, Ankenyl poly amin

suxinimit, Este polyhydroxy suxinic, Poly aminamit Imidazolin.

- Phụ gia ức chế ăn mòn: Là phụ gia có chức năng làm giảm thiểu việc tạo

thành các peoxit hữu cơ, axit và các thành phần oxy hóa khác làm xuống cấp dầu

động cơ, bảo vệ ổ đỡ và các bề mặt khác nhau khỏi ăn mòn. Có thể nói chất ức chế

ăn mòn bổ sung trong thực tế có tác dụng nhƣ các chất chống oxy hóa. Các phụ gia

này bao gồm: Di-thiophotphat kim loại (đặc biệt là kẽm); sunphonat kim loại và

kim loại kiềm cao và các tác nhân hoạt động bề mặt nhƣ các axit béo, amin, axit

alkylsuxinic, clo hóa parafin...[75-77]. Các phụ gia ức chế ăn mòn sử dụng trong

nghiên cứu của luận án bao gồm: Kẽm di-thiophotphat, Kẽm sunphonat.

- Ngoài ra còn sử dụng một số phụ gia khác nhƣ: Phụ gia chống mài mòn

(Triphenylphosphorothionat), phụ gia ức chế gỉ (Alkylat Succinic axit), phụ gia biến

tính giảm ma sát (Molybdenum Disulfid), phụ gia ức chế bọt (Etylen bis Stearamit),

phụ gia chống oxy hóa (Kẽm di-ankyl di-thiophotphat).

2.3.2. Nguyên liệu tản nhiệt

- Vật liệu ống nano-cacbon (CNTs) là loại đa tƣờng, đƣợc chế tạo tại Viện Khoa

học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) bằng phƣơng pháp

CVD nhiệt, với đƣờng kính của CNTs từ 15 – 80 nm và chiều dài CNTs từ 1 - 10 μm,

độ sạch > 90%, cacbon vô định hình < 6%, Fe: 2,68%, Al: 0,26%, Si: 0,73%.

- Dầu gốc Poly-Alpha-Olefins (PAO) (Mỹ) khối lƣợng riêng 0,8620 g/ml

(15ºC), độ nhớt động học tại 100ºC 8,0 cSt, độ nhớt động học tại 40ºC 48 cSt, chỉ số

nhớt 139, điểm đông đặc -48ºC, điểm chớp cháy 260ºC (chi tiết phần phụ lục).

- Chất hoạt động bề mặt Tween-80 (Sigma Aldrich): Công thức C64H124O26,

khối lƣợng mol 1310, khối lƣợng riêng 1,06 g/cm3, độ nhớt 300–500 cSt.

- Các hóa chất biến tính ống nano - cacbon bao gồm: HNO3 (Merck), H2SO4

(Merck), SOCl2 (Sigma Aldrich), H2O2 (Merck), ...

52

- Một số dung môi khác phục vụ thí nghiệm nhƣ: Nƣớc cất, etanol, axeton, ...

2.4. Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu

2.4.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn

Các trang thiết bị đƣợc sử dụng để phục vụ cho việc phân tán CNTs trong

dầu bôi trơn sử dụng trong luận án bao gồm:

+ Máy rung siêu âm Microson XL2000: Công suất 100 W, tần số rung 22,5 kHz,

các loại kích thƣớc đầu rung 3,2 mm, 4,8 mm, 2,4 mm và 6,4 mm.

+ Bể rung siêu âm Elma S40H: Công suất 340 W, tần số rung 37 kHz, công suất

rung siêu âm hiệu dụng 140 W, dung tích bể 40 lít.

+ Máy khuấy: Công suất 1kW, tốc độ tối đa 1000 vòng/phút, đƣờng kính cánh

khuấy 20 cm.

2.4.2. Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần nano-

cacbon

+ Một số thiết bị chế tạo vật liệu khác nhƣ: Máy lọc hút chân không, cân vi

lƣợng, tủ hút, tủ sấy chân không, ...


Chƣơng này đã trình bày các phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm sử

dụng trong luận án, bao gồm:

Phƣơng pháp tính toán lý thuyết: Đây là phƣơng pháp để hƣớng tới mục đích

nghiên cứu cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, mô

hình tính toán lý thuyết của luận án đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển từ mô

hình tính toán lý thuyết của các nhóm nghiên Hemanth, H E Patel, v.v...

Phƣơng pháp biến tính CNTs: Nhằm tăng cƣờng khả năng phân tán ống nano

- cacbon (CNTs) vào các loại vật liệu nền nói chung hay chất lỏng, chất kem. Dựa

trên mục tiêu nghiên cứu, luận án tập trung vào phƣơng pháp biến tính bằng cách sử

dụng các chất oxy hóa mạnh (nhƣ H2SO4, HNO3,...) để gắn nhóm chức –COOH và

–OH lên bề mặt CNTs.

Ngoài ra, luận án còn sử dụng một số phƣơng pháp phân tích đo đạc vật liệu

khác, bao gồm: Kính hiển vi điện tử quét, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng

ngoại, phổ phân tán Zeta-Sizer.

53

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU

BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON

Khi phân tán CNTs trong nền dầu bôi trơn thƣờng xảy ra hiện tƣợng tụ đám

do CNTs có khuynh hƣớng kết tụ. Do đó, để phân tán đồng đều CNTs trong nền

dầu bôi trơn chúng tôi đã sử dụng chất hoạt động bề mặt Tween-80. Các chất hoạt

động bề mặt này có vai trò làm thay đổi năng lƣợng bề mặt và hình thành mixen tạo

thuận lợi cho sự ổn định của hệ huyền phù.

Các mẫu dầu bôi trơn tản nhiệt đƣợc tiến hành nghiên cứu hình thái học bề

mặt qua phép đo SEM. Các mẫu dầu bôi trơn tản nhiệt cũng đƣợc tiến hành đo phổ

FTIR để tìm hiểu có hay không sự hình thành liên kết hóa học sau quá trình phân

tán CNTs vào nền dầu bôi trơn tản nhiệt.

3.1. Kết quả biến tính CNTs

Để khảo sát sự hình thành liên kết CNTs - OH sau quá trình biến tính, chúng tôi

sử dụng phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi fourier để xác định sự tồn tại của các

nhóm chức -OH. Kết quả đo phổ hồng ngoại truyền qua thu đƣợc nhƣ trên hình 3.1

Hình 3.1. Phổ FTIR của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm

chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH

54

Kết quả đo phổ hồng ngoại biến đổi fourier (FTIR) cho thấy cả 3 mẫu CNTs

chƣa biến tính, CNTs-COOH và CNTs-OH đều xuất hiện đỉnh dao động tại 3431,81

cm-1

, đây là đỉnh đặc trƣng cho liên kết -OH trong H2O. Các đỉnh dao động trong

vùng 3431,81 cm-1

có xu hƣớng mở rộng về phía tần số thấp sau khi biến tính là do

ảnh hƣởng của các liên kết -OH trong nhóm cacboxyl (-COOH) và CNTs-OH. Phổ

FTIR của CNTs-COOH và CNTs-OH cho thấy sự xuất hiện thêm hai đỉnh trong

vùng 2810 cm-1

đến 2950 cm-1

sau khi đƣợc xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và

HNO3, đỉnh này tƣơng ứng với dao động của liên kết -OH trong nhóm cacboxyl

(-COOH). Ngoài ra sự xuất hiện của đỉnh 1707,31 cm-1

trên vật liệu CNTs-COOH

cho thấy sự tồn tại của dao động ứng với liên kết C=O trong nhóm cacboxyl. Những

kết quả trên đã chứng minh đƣợc sự tồn tại của nhóm cacboxyl xuất hiện trên bề

mặt CNTs do quá trình oxy hóa xảy ra sau khi xử lý bằng hỗn hợp axit nitric và axit

sunfuric, kết quả đã khẳng định hỗn hợp axit trên đã tạo ra nhóm chức –COOH trên

bề mặt của CNTs. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier của vật liệu CNTs-OH cho thấy

vùng dao động ứng với liên kết O-H trong nhóm C-OH tại 2810 cm-1

vẫn còn tồn

tại, trong khi đỉnh dao động 1707,31 cm-1

ứng với liên kết C=O biến mất đã cho

thấy các nhóm hydroxyl (-OH) đƣợc hình thành trên bề mặt của CNTs để thay thế

cho các nhóm cacboxyl đã tồn tại trƣớc đó.

Để kiểm tra những biến đổi cấu trúc của vật liệu CNTs sau khi biến tính gắn

nhóm chức - OH chúng tôi sử dụng phổ tán xạ Raman. Hình 3.2 là phổ tán xạ

Raman của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH

và CNTs biến tính gắn nhóm chức - OH.

55

Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chƣa biến tính, CNTs biến tính gắn

nhóm chức –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH

Trên phổ tán xạ chúng ta có thể nhận thấy hai dải phổ đặc trƣng là dải D

(1333,69 cm-1

) và dải G (1583,10 cm-1

). Dải G sinh ra từ mạng graphen của CNTs,

dải G đặc trƣng cho tính trật tự của cấu trúc trong đó các nguyên tử cacbon sắp xếp

theo trật tự dạng vòng sáu cạnh. Trong khi đó, dải D lại đặc trƣng cho các khuyết tật

trong cấu trúc của CNTs, dải D đƣợc hình thành từ dao động của các nguyên tử

cacbon ở trạng thái sp3. Tỉ lệ giữa cƣờng độ hai đỉnh của dải D và dải G phụ thuộc

vào độ sạch và độ tinh thể hoá của CNTs. Với CNTs chƣa biến tính, tỉ lệ giữa

cƣờng độ hai đỉnh ID /IG nhỏ hơn so với CNTs biến tính, tức là mức độ khuyết tật

trong CNTs biến tính cao hơn so với CNTs chƣa biến tính. Tỷ lệ cƣờng độ đỉnh (ID

/IG) tại dải D và dải G là 0,99 và 1,87 tƣơng ứng với vật liệu CNTs - COOH và

CNTs - OH, lớn hơn so với CNTs chƣa biến tính (ID/IG = 0,79). Tỷ lệ cƣờng độ của

đỉnh D và đỉnh G thay đổi đã khẳng định sự thay đổi về cấu trúc trên bề mặt của

CNTs. Kết quả này chỉ ra rằng một số các nguyên tử cacbon sp2

(C = C) đã đƣợc

chuyển đổi thành các nguyên tử cacbon sp3

(C - C) trên bề mặt của CNTs sau khi xử

56

lý trong hỗn hợp axit HNO3 /H2SO4. Tỷ lệ cƣờng độ ID /IG của CNTs - OH cao hơn

so với CNTs - COOH đã chỉ ra rằng sau hai quá trình xử lý hóa học, các khuyết tật

mới đã đƣợc hình thành trên bề mặt của MWCNTs - OH nhiều hơn trên bề mặt của

MWCNTs – COOH [96].

Kết quả biến tính trong luận án là phù hợp với công bố của các nhóm nghiên

cứu khác trên thế giới, chẳng hạn nhƣ kết quả của nhóm Antonio Sánchez [18].

Ngoài ra việc biến tính nhóm chức lên CNTs cũng giúp nâng cao hơn hiệu quả dẫn

nhiệt của chất lỏng nhƣ nhóm nghiên cứu SZ Heris đã công bố [93].

Cơ chế biến tính gắn nhóm chức lên bề mặt của vật liệu CNTs đƣợc thực hiện

thông qua việc gắn các nhóm chức vào các vị trí khuyết tật trên bề mặt của vật liệu

CNTs trong quá trình đƣợc oxy hóa bằng axit mạnh, điều này cũng đã đƣợc thể hiện

trong kết quả của các nhóm nghiên cứu Steven R. Hunt [97] và In-Yup Jeon [98].

3.2. Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon

3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO

Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, chúng tôi đã tìm ra quy trình chung chế

tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho các loại động cơ tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, thiết

giáp, và xe chở khí tài quân sự, bao gồm các bƣớc cơ bản nhƣ sau:

57

Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần vật liệu

nano cacbon cho thiết bị quân sự

Quy trình chung chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano nhƣ trên hình 3.3 bao

gồm các bƣớc cơ bản nhƣ sau:

* Bƣớc 1: Chuẩn bị vật liệu và thiết bị, trong đó:

- Các loại vật liệu:

+ Dầu gốc Poly-Alpha-Olefins (PAO) khối lƣợng riêng 0,8620 g/ml (15ºC),

độ nhớt động học tại 100ºC là 8,0 cSt, độ nhớt động học tại 400C là 48 cSt, chỉ số

nhớt 139, điểm đông đặc -48ºC, điểm chớp cháy 260ºC.

+ Vật liệu ống nano - cacbon (CNTs) là loại đa tƣờng, đƣợc chế tạo tại Viện

Khoa học Vật liệu bằng phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD), với

đƣờng kính của CNTs từ 15 – 80 nm, và chiều dài CNTs từ 1 - 10 μm, độ sạch >

95%, cacbon vô định hình < 3%, Fe: 1,18%, Al: 0,16%, Si: 0,13%.

Sử dụng phƣơng pháp biến

tính hóa học để biến tính vật

liệu CNTs với nhóm chức -OH

Phân tán các loại phụ gia tăng chỉ

số nhớt, phụ gia chống oxy hóa,

phụ gia tẩy rửa, phụ gia phân tán,

phụ gia ức chế ăn mòn, phụ gia ức

chế gỉ, phụ gia chống mài mòn,

phụ gia biến tính giảm ma sát và

phụ gia ức chế tạo bọt vào hỗn

hợp thu đƣợc ở bƣớc 3

Sử dụng chất hoạt động bề mặt

Tween-80 và phƣơng pháp rung

siêu âm để phân tán CNTs

trong dầu gốc

Dầu bôi trơn

tản nhiệt nano

Bƣớc 3: Phân tán CNTs-OH đồng đều vào

trong dầu gốc PAO

Bƣớc 2: Biến tính ống nano cácbon với

nhóm chức -OH

Bƣớc 1: Chuẩn bị

vật liệu, thiết bị

Vật liệu ống nano cácbon đa

tƣờng (MWCNTs), hóa chất biến

tính ống nano cácbon, dầu gốc,

các loại phụ gia dầu bôi trơn và

chất hoạt động bề mặt

Bƣớc 4: Phân tán phụ gia vào dầu gốc PAO

có chứa thành phần CNTs

Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cácbon

cho tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe

thiết giáp và xe chở khí tài quân sự

58

+ Chất hoạt động bề mặt Tween-80 (Sigma Aldrich): Công thức C64H124O26,

khối lƣợng mol 1310, khối lƣợng riêng 1,06 g/cm3, độ nhớt 300–500 cSt.

- Các hóa chất biến tính ống nano - cacbon bao gồm: HNO3 (Merck), H2SO4

(Merck), SOCl2 (Sigma Aldrich), H2O2 (Merck), ...

- Các chất phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt: Hydrocacbon Polyizobutylen,

Kẽm di-ankyl di-thiophotphat (ZnDDP), Canxi Sunphonat, Ankyl-hydrobenzyl-

polyamine, Kẽm di-thiophotphat, Alkylated Succinic Acids, Triphenyl phosphoro

thionate (TPPT), Molybdenum Disulfide, Ethylen bis Stearamide (EBS).

- Một số dung môi khác phục vụ chế tạo nhƣ: Nƣớc cất, etanol, axeton, ...

+ Các loại thiết bị:

- Máy lọc hút chân không: Sử dụng trong quá trình biến tính vật liệu CNTs.

- Máy rung siêu âm: Microson XL2000 và Elma S40H sử dụng để biến tính

vật liệu CNTs và phân tán CNTs vào dầu gốc PAO.

- Máy khuấy tốc độ tối đa 2000 vòng/phút, dùng để pha trộn và phân tán phụ

gia vào dầu gốc PAO chứa thành phần CNTs.

- Một số thiết bị chế tạo vật liệu khác nhƣ: Cân vi lƣợng, tủ hút, tủ sấy chân

không, ...

* Bƣớc 2: Biến tính ống nano - cacbon với nhóm chức –OH bằng phƣơng

pháp hóa học, bƣớc này đã đƣợc mô tả ở phần trên của báo cáo.

* Bƣớc 3: Phân tán CNTs-OH đồng đều vào trong dầu gốc PAO. Có thể thấy

rằng biến tính hóa học nhƣ đã nói ở trên là một phƣơng pháp giúp tăng cƣờng khả

năng phân tán của CNTs trong dung môi hữu cơ nói chung và dầu gốc nói riêng.

Việc biến tính hóa học gắn các nhóm chức hoạt hóa lên bề mặt của ống giúp tăng

khả năng tƣơng tác hóa học với môi trƣờng dầu gốc hoặc tƣơng tác đẩy giữa các

ống với nhau. Tuy nhiên để phân tán MWCNTs trong dầu gốc thì ngoài phƣơng

pháp biến tính hóa học thì cần phải cung cấp năng lƣợng dạng nhiệt hoặc rung siêu

âm để tăng tính linh động, tính hoạt động và khả năng di chuyển của các ống tƣơng

tự nhƣ các chuyển động Brown của các nguyên tử, phân tử. Ngoài ra trong một số

trƣờng hợp do sức căng bề mặt của dầu gốc mà các sợi MWCNTs bị kết đám và

khó phân tán vào dầu gốc. Do đó, để làm đổi năng lƣợng bề mặt và hình thành

mixen tạo thuận lợi cho sự ổn định của hệ huyền phù thì việc sử dụng các chất hoạt

động bề mặt nhƣ Tween 80 là cần thiết.

59

Hình 3.4. Quy trình để phân tán CNTs trong dầu gốc

Kết hợp với quá trình nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi đã tìm ra quy trình

phân tán CNTs-OH đồng đều vào trong dầu gốc PAO nhƣ đƣợc mô tả trên hình 3.4

bao gồm các bƣớc nhỏ nhƣ sau:

Bƣớc 1: Sử dụng phƣơng pháp khuấy trộn để phân tán đồng đều chất hoạt

động bề mặt Tween-80 vào trong dầu gốc với nồng độ 1,5 ml Tween-80/lít dầu gốc,

tốc độ khuấy 200 vòng/phút, thời gian khuấy 15 phút ở nhiệt độ 80ºC.

Bƣớc 2: Pha trộn MW-CNTs vào trong hỗn hợp dầu gốc/Tween thu đƣợc ở

bƣớc trên với nồng độ của CNTs là 0,01 – 0,12% thể tích, tốc độ khuấy 200

vòng/phút, thời gian khuấy 10 phút ở nhiệt độ 80ºC.

Bƣớc 3: Phân tán sơ bộ MW-CNTs ở trong hỗn hợp thu đƣợc ở bƣớc trên

bằng cách đƣa hỗn hợp vào bể rung siêu âm Elma S40H trong thời gian 120 phút ở

nhiệt độ 80ºC.

Bƣớc 4: Phân tán đồng đều MW-CNTs trong hỗn hợp thu đƣợc ở bƣớc trên

bằng cách đƣa vào máy rung siêu âm đầu típ Microson XL2000 trong thời gian 60

phút ở nhiệt độ 80ºC.

Bƣớc 5: Phân tán phụ gia vào dầu gốc PAO có chứa thành phần CNTs. Nhƣ

đã biết dầu bôi trơn thƣơng phẩm để sử dụng cho mục đích bôi trơn là hỗn hợp của

dầu gốc và phụ gia, vì vậy chất lƣợng của dầu bôi trơn ngoài sự phụ thuộc rất nhiều

vào dầu gốc, còn phụ thuộc lớn vào các phụ gia.

Hoạt động bề

mặt Tween 80

CNTs biến tính

Khuấy trộn

Hỗn hợp

CNTs/Tween 80

Dầu gốc PAO Khuấy

trộn

Hỗn hợp dầu gốc

Rung siêu âm

công suất 100 W

(2 giai đoạn)

Dầu gốc PAO

chứa CNTs phân

tán đều

60

3.2.2. Tối ưu hàm lượng CNTs trong trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Để tối ƣu hàm lƣợng của CNTs trong dầu gốc, chúng tôi dựa trên 2 nguyên

tắc chính: phân tán CNTs ở hàm lƣợng cao nhất nhằm tối ƣu hệ số dẫn nhiệt của

dầu, đồng thời vẫn đảm bảo đƣợc yếu tố phân tán tốt của CNTs trong dầu gốc.

Để đánh giá khả năng phân tán CNTs trong dầu gốc chúng tôi sử dụng phổ

phân tán theo kích thƣớc Zeta-Sizer. Hình 3.5 là kết quả đo phổ phân tán CNTs biến

tính cùng phụ gia và chất hoạt động bề mặt trong dầu gốc theo kích thƣớc với thời

gian rung siêu âm chính trên máy Microson XL2000 là 40 - 60 phút.

Hình 3.5. Phổ phân bố kích thƣớc của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đo trên

thiết bị Zeta-Sizer với các trƣờng hợp khác nhau: Rung siêu âm 40 phút (a), rung

siêu âm 50 phút (b) và rung siêu âm 60 phút (c)

(a)

(b)

(c)

61

Hình 3.5a cho thấy sau khi rung siêu âm 40 phút, vẫn còn xuất hiện sự tụ

đám của CNTs trong dầu gốc. Để loại bỏ sự tụ đám nhỏ này, chúng tôi kéo dài thời

gian rung siêu âm lên 50 phút, 60 phút để tăng cƣờng khả năng phân tán, kết quả

thu đƣợc của phổ phân tán nhƣ trên hình 3.5b và hình 3.5c.

Từ hình 3.5b, chúng tôi nhận thấy rằng với thời gian rung siêu âm là 50 phút

khả năng phân tán của CNTs tốt hơn so với trƣờng hợp rung siêu âm 40 phút, với

phổ kích thƣớc CNTs phân tán từ 18 nm – 95 nm. Khi tăng thêm thời gian rung siêu

âm đến 50 phút và 60 phút thì kết quả phân tán tƣơng đƣơng với phổ phân tán theo

kích thƣớc của CNTs trong dầu gốc, từ 16 nm – 82 nm, kết quả này phù hợp với

đƣờng kính của CNTs dùng trong thí nghiệm là từ 15 nm – 80 nm. Từ đây chúng tôi

đi đến kết luận thời gian rung siêu âm tối thiểu để phân tán tốt CNTs cùng chất phụ

gia trong dầu gốc là 60 phút. Hình 3.6 ảnh chụp thực tế sản phẩm dầu bôi trơn chứa

thành phần ống nano - cacbon.

Hình 3.6: Dầu bôi trơn chứa thành phần ống nano - cacbon chế tạo đƣợc

Chúng tôi cũng tiến hành khảo sát sự phân tán theo các hàm lƣợng khác nhau

của CNTs trong dầu. Kết quả cho thấy rằng với quy trình nhƣ đã đề ra ở trên, khả

năng phân tán của CNTs trong dầu đạt đến giá trị bão hòa là 0,12% thể tích, khi

vƣợt quá giá trị này CNTs sẽ không phân tán tốt trong dầu và sẽ xảy ra hiện tƣợng

tụ đám nhƣ đƣợc thể hiện trong phép đo ở trên hình 3.7 ứng với trƣờng hợp hàm

lƣợng của CNTs trong dầu là 0,13% thể tích.

62

Hình 3.7: Phổ phân bố kích thƣớc đo trên thiết bị Zeta-Sizer của CNTs trong dầu

bôi trơn tản nhiệt với hàm lƣợng 0,13% thể tích và thời gian rung siêu âm là 60 phút

Giá trị bão hòa của CNTs là 0,12% thể tích trong dầu bôi trơn tản nhiệt đƣợc

giải thích là do các vị trí xảy ra sự tƣơng tác giữa bề mặt của CNTs với nền dầu đã

hoàn toàn bị chiếm đóng. Để nâng cao hệ số dẫn nhiệt ở mức tốt nhất cho dầu bôi

trơn tản nhiệt nano đồng thời vẫn đảm bảo khả năng phân tán tốt, chúng tôi đã lựa

chọn hàm lƣợng tối ƣu của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano là 0,12% thể tích.

3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs

Nhƣ đã trình bày ở trên, bản thân vật liệu CNTs có nhiều đặc tính ƣu việt,

nhƣng thực tế ứng dụng cho thấy vật liệu này tƣơng đối trơ về mặt hóa học và tƣơng

thích kém với các vật liệu khác khi pha trộn. Khi pha trộn với các vật liệu hay các

dung môi khác, vật liệu CNTs thƣờng tụ thành các đám nhỏ, tƣơng tác kém với các

vật liệu khác, dẫn tới sự bất đồng nhất, cục bộ, ảnh hƣởng không tốt tới các tính

chất chung của vật liệu pha trộn đƣợc. Do đó, cần phải biến tính để vật liệu CNTs

có thể phân tán đồng đều và hòa tan tốt trong các dung môi hay các vật liệu khác, để

tận dụng các tính năng tốt của vật liệu CNTs nhằm tăng cƣờng, cải thiện các tính

chất của vật liệu đƣợc pha trộn.

Sự tụ đám đó có thể giải thích theo hai nguyên nhân chính:

- CNTs có dạng sợi dài với đƣờng kính ống nhỏ. Từ quá trình tổng hợp cho

đến khi tạo thành sản phẩm, các sợi đan xen, chằng chéo lẫn nhau (dạng

cuộn chỉ rối) rất khó tách riêng.

63

- CNTs có kích thƣớc nhỏ với đƣờng kính dƣới 100 nm, dẫn tới diện tích bề

mặt lớn (khoảng 1000 m2/g), làm cho tƣơng tác bề mặt giữa các ống với

nhau lớn. Các tƣơng tác chủ yếu là tƣơng tác Van der Walls. Lực Van der

Walls là lực tƣơng tác tĩnh điện trong khoảng nhỏ. Lực này làm cho các ống

CNTs hút nhau. Thế năng Van der Walls có thể biểu diễn nhƣ sau:

2 6

1 11 1 2( )totalV q b r dv dv (3.1)

Trong đó:

+ q1: Số phân tử trên đơn vị thể tích

+ v1 và v2: Thể tích của các vật thể vĩ mô

+ r: Khoảng cách giữa các tâm điểm của các phân tử, nguyên tử.

Với CNTs, diện tích bề mặt lớn nên số điểm tƣơng tác rất lớn, thể tích các ống

nhỏ mà khoảng cách giữa các ống lại nhỏ (kích thƣớc ống cỡ nanomet), do đó thế

năng tƣơng tác rất lớn, dẫn đến lực Van der Walls là lớn.

Nhƣ vậy, việc CNTs có thể phân tán tốt trong dầu bôi trơn tản nhiệt một cách

đồng đều với quy trình nhƣ trên có thể đƣợc giải thích thông qua các cơ chế nhƣ sau:

- Biến tính hóa học: Việc gắn các nhóm chức hoạt hóa lên bề mặt của ống sẽ

giúp tăng khả năng tƣơng tác hóa học với môi trƣờng hoặc tạo tƣơng tác

đẩy giữa các ống với nhau (nhƣ tƣơng tác điện giữa các ống, tƣơng tác điện

bề mặt với các hạt tích điện trong dung môi).

- Chất hoạt động bề mặt: Do CNTs là vật liệu không ƣa dầu nên khi phân

tán CNTs vào dầu sẽ dẫn tới sự tụ đám. Việc sử dụng các chất hoạt động bề

mặt nhƣ Tween-80 (Polysorbate 80) với cấu trúc một đầu ƣa dầu (nhóm

polyoxyethylen) một đuôi bao gồm 80 nhóm oxyethylen -(CH2CH2O)- là

phần ƣa CNTs (monooleate) sẽ làm tăng lực liên kết giữa dầu với vật liệu

CNTs, góp phần vào việc tăng cƣờng khả năng phân tán của CNTs vào

trong nền chất lỏng.

- Rung siêu âm: Phƣơng pháp này cung cấp năng lƣợng dạng nhiệt hoặc rung

siêu âm để tăng tính linh động, tính hoạt động và khả năng di chuyển của các

ống tƣơng tự nhƣ các chuyển động Brown của các nguyên tử, phân tử.

64

3.2.4. Tối ưu hàm lượng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Do mỗi loại động cơ có đặc điểm riêng về cấu trúc, công suất, nhiên liệu,

điều kiện môi trƣờng hoạt động, v.v... nên mỗi loại động cơ này có những đòi hỏi

riêng về tiêu chuẩn kỹ thuật của dầu bôi trơn dành cho nó.

Với động cơ của thiết bị quân sự cũng vậy, chúng tôi nhận ra rằng vì phần

lớn các trang thiết bị quân sự hiện nay của quân đội ta (nhƣ xe tăng, thiết giáp, chở

khí tài,...) có nguồn gốc từ Nga, do vậy việc đảm bảo đƣợc đặc tính kỹ thuật của

dầu bôi trơn nano chế tạo từ luận án này đáp ứng đƣợc theo tiêu chuẩn Nga là điều

hết sức quan trọng. Từ những lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn tiêu chuẩn ГОСТ

12.337-84, ГОСТ 6360-83, ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga đối với

dầu bôi trơn tàu thủy, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự nhằm định

hƣớng cho việc chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano trong luận án.

Bên cạnh đó chúng tôi cũng kết hợp thêm một số tiêu chuẩn khác để đảm bảo

sự vƣợt trội của dầu nano so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Bảng 3.1 tổng hợp các

thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 của Nga kết hợp với một số tiêu

chuẩn khác đối với dầu bôi trơn cho một số thiết bị quân sự mà chúng tôi sẽ chế tạo.

Bảng 3.1. Tổng hợp các thông số theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, ГОСТ 6360-83,

ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga kết hợp thêm một số

tiêu chuẩn khác đối với dầu bôi trơn

STT Tính chất Đơn vị Tàu thủy Xe tăng Xe thiết

giáp

Xe chở

khí tài

quân sự

1 Độ nhớt động học ở

100oC

CSt 15,5÷17,0 15,5÷16,5 16,0÷17,5 14,5÷16,3

2 Độ nhớt động học ở

40oC

CSt 100÷150 100÷150 110÷150 100÷150

3 Chỉ số độ nhớt CSt 90÷150 85÷150 90÷150 100÷160

4 Trị số kiềm tổng mg KOH/g 9÷15 4÷8 7÷8,5 7÷10

5 Điểm chớp cháy cốc hở ºC 210÷250 210÷270 200÷260 225÷250

6 Tổng hàm lƣợng kim

loại ppm 30÷90 30÷90 30÷90 30÷90

7 Khối lƣơng riêng 15oC g/l 0,85 ÷ 0,88

0,85 ÷

0,90 0,85 ÷ 0,87 0,85÷ 0,87

65

8 Sức căng bề mặt N/m 25,5 ÷ 30 25,5 ÷ 30 25,5 ÷ 30 25,5÷30

9 Điểm đông đặc ºC -50 ÷ -10 -50 ÷ -25 -50 ÷ -25 -50 ÷ -25

Từ những yêu cầu kỹ thuật đặt ra trong tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, ГОСТ

6360-83, ГОСТ 6360-85 và ГОСТ 17479.1-85 của Nga đối với dầu bôi trơn tản

nhiệt tàu thủy, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự, chúng tôi đã lựa chọn

các thông số tối ƣu của phụ gia để pha vào dầu gốc chứa thành phần CNTs nhằm

tạo ra dầu bôi trơn tản nhiệt nano đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đã đặt ra. Bảng

3.2 tổng hợp hàm lƣợng tối ƣu của các phụ gia mà chúng tôi tìm ra sau nhiều lần

thực nghiệm để pha chế dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho tàu thủy. Tƣơng tự bảng

3.3, bảng 3.4, bảng 3.5 là hàm lƣợng tối ƣu của các phụ gia để pha chế dầu bôi trơn

tản nhiệt nano cho xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự sau quá trình

nghiên cứu tối ƣu hóa tại phòng thí nghiệm.

Bảng 3.2. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt cho tàu thủy cỡ nhỏ

theo tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 sau quá trình nghiên cứu tối ƣu hóa trên cơ sở

hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích

STT Tên phụ gia Vai trò phụ gia Hàm

lƣợng

1 Hydrocacbon Polyizobutylen Tăng chỉ số nhớt 8,7%

2 Canxi Sunphonat Phụ gia tẩy rửa 4,3%

3 Ankyl-hydrobenzyl-polyamin Phụ gia phân tán 0,87%

4 Kẽm di-thiophotphat Phụ gia ức chế ăn mòn 0,47%

5 Alkylat Succinic axit Phụ gia ức chế gỉ 0,10%

6 Triphenylphosphorothionat (TPPT) Phụ gia chống mài mòn 0,011%

7 Molybdenum Disulfit Phụ gia biến tính giảm ma sát 0,23%

8 Ethylen bis Stearamit (EBS) Ức chế tạo bọt 0,0029%

9 Kẽm di-ankyl di-thiophotphat

(ZnDDP) Chống oxy hóa 2,1%

10 Và một số phụ gia khác 4,1%

66

Bảng 3.3. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano

cho xe tăng theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 sau quá trình nghiên cứu tối ƣu hóa

trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích


lƣợng

1 Ethylen-Propylen Copolyme Tăng chỉ số nhớt 8,6%



3 Canxi Phenolat Phụ gia tẩy rửa 4,5%

4 Ankenyl-poly-amin-suxinimit Phụ gia phân tán 0,85%

5 Kẽm sunphonat Phụ gia ức chế ăn mòn 0,48%


7 Molybdenum Disulfit Phụ gia biến tính giảm ma

sát 0,25%


9 Triphenylphosphorothionat

(TPPT) Phụ gia chống mài mòn 0,013%


Bảng 3.4. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano

cho xe thiết giáp theo tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 sau quá trình nghiên cứu tối ƣu

hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích


lƣợng

1 Styren-Butadien Copolyme Tăng chỉ số nhớt 9,0%

2 Magie Sunphonat Phụ gia tẩy rửa 4,4%

3 Este-Polyhydroxy Suxinic Phụ gia phân tán 0,88%

4 Kẽm di-thiophotphat Phụ gia ức chế ăn mòn 0,48%



67

6 Molybdenum Disulfit Phụ gia biến tính giảm ma sát 0,24%






Bảng 3.5. Hàm lƣợng chất phụ gia trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe chở khí

tài quân sự theo tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85 sau quá trình nghiên cứu tối ƣu

hóa trên cơ sở hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích

STT Tên phụ gia Vai trò phụ gia Hàm lƣợng

1 Styren-Isopren Copolyme Tăng chỉ số nhớt 8,1%



3 Magie Phenolat Phụ gia tẩy rửa 4,1%

4 Poly-aminamit Imidazolin Phụ gia phân tán 0,86%

5 Kẽm sunphonat Phụ gia ức chế ăn mòn 0,46%



7 Molybdenum Disulfit Phụ gia biến tính giảm ma

sát 0,20%




Từ các kết quả tối ƣu hàm lƣợng phụ gia cho thấy mỗi loại động cơ có một

hàm lƣợng chất phụ gia khác nhau. Điều này có thể đƣợc giải thích do mỗi loại

động cơ có đặc điểm riêng về cấu trúc, công suất, nhiên liệu, điều kiện môi trƣờng

hoạt động khác nhau. Tuy nhiên, việc cho thêm các chất phụ gia phải đảm bảo tan

trong dầu, không làm phá vỡ cấu trúc của dầu, không làm tăng tính hút ẩm của dầu

và phải đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn kỹ thuật của thế giới.

68

3.3. Xây dựng mô hình truyền nhiệt tính toán độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn

tản nhiệt

3.3.1. Xây dựng mô hình truyền nhiệt

Giả thiết dòng nhiệt truyền trong chất lỏng nano bao gồm hai thành phần

đƣợc biểu diễn dƣới dạng phƣơng trình:

l CNTQ Q Q (3.2)

Trong đó:

Q : Dòng nhiệt tổng cộng truyền qua môi trƣờng chất lỏng chứa

thành phần CNTs

Ql : Dòng nhiệt truyền qua các phân tử chất lỏng

QCNT : Dòng nhiệt truyền qua hệ thống các ống CNTs

Phƣơng trình trên có thể viết lại dƣới dạng nhƣ sau:

l l CNT CNT

l CNT

dT dTQ k A k A

dx dx

(3.3)

Trong đó:

kl : Độ dẫn nhiệt của nền chất lỏng

kCNT: Độ dẫn nhiệt của vật liệu CNTs

Al: Diện tích của phân tử chất lỏng

ACNT : Diện tích bề mặt của CNTs

l

dT

dx

: Gradien nhiệt độ của nền chất lỏng

CNT

dT

dx

: Gradien nhiệt độ của hệ thống các ống CNTs

Do cả chất lỏng và hạt nano đều tham gia quá trình truyền nhiệt nhƣ một thể

thống nhất nên gradien nhiệt độ của chất lỏng và CNTs đều nhƣ nhau và đƣợc coi là

bằng với gradien nhiệt độ của chất lỏng nano, do vậy ta có:

l CNT

dT dT dT

dx dx dx

(3.4)

Do vậy, biểu thức (3.3) có thể viết lại dƣới dạng:

69

l l CNT CNT

dT dTQ k A k A

dx dx

(3.5)

1 CNT CNTl l

l l

k AdTQ k A

dx k A

(3.6)

Để xác định hệ số tỷ lệ ACNT/Al, chúng ta dựa trên nguyên lý mà Hemanth đã

đề xuất [99], tức là có thể tỷ lệ này bằng tỷ lệ tổng diện tích bề mặt của CNTs trên

tổng diện tích bề mặt của phân tử chất lỏng có trong một đơn vị thể tích của chất

lỏng nano.

Giả sử trong chất lỏng nano, CNTs chiếm tỷ lệ về thể tích là ε, khi đó chất

lỏng sẽ chiếm tỷ lệ về thể tích là (1 - ε). Số phân tử chất lỏng chứa trong một đơn vị

thể tích của chất lỏng nano đƣợc tính bởi công thức:

1l

l

nv

(3.7)

Trong đó:

nl : Số phân tử chất lỏng trong một đơn vị thể tích chất lỏng nano.

vl : Thể tích của một phân tử chất lỏng.

Ta coi phân tử chất lỏng có dạng cầu với bán kính rl, khi đó thể tích của phân

tử chất lỏng đƣợc tính là:

34

3l lv r (3.8)

Do vậy số phân tử chất lỏng chứa trong một đơn vị thể tích của chất lỏng

nano sẽ là:

3

1 1

4

3

l

ll

nv

r

(3.9)

Với CNTs, do có dạng hình ống với hai đầu giống nhƣ hai bán cầu, công

thức tính thể tích của CNTs là:

3 2 31 4 1 4. . . .

2 3 2 3CNT CNT CNT CNTv r r L r (3.10)

3 24.

3CNT CNT CNTv r r L (3.11)

Nhƣ vậy, ta có số CNTs chứa trong một đơn vị thể tích của chất lỏng nano sẽ là:

70

3 24.

3

CNT

CNTCNT CNT

nv

r r L

(3.12)

Do phân tử chất lỏng có dạng hình cầu với bán kính rl, do vậy ta có thể tính

diện tích bề mặt của phân tử chất lỏng bằng công thức:

24l ls r (3.13)

Trong khi CNTs lại có dạng hình trụ với hai bán cầu ở hai đầu nên:

2 21 1.4. 2 .4.

2 2CNT CNT CNT CNTs r r L r (3.14)

24 2CNT CNT CNTs r r L (3.15)

Từ công thức (3.9) và công thức (3.13) ta có thể tính đƣợc tổng diện tích bề

mặt của phân tử chất lỏng là:

.l l lS n s (3.16)

13l

l

Sr

(3.17)

Tƣơng tự nhƣ vậy, từ công thức (3.12) và công thức (3.15) ta có thể tính

đƣợc tổng diện tích bề mặt của CNTs là

.CNT CNT CNTS n s (3.18)

2

4 23

4 3

CNTCNT

CNT CNT

r LS

r r L

(3.19)

Nhƣ giả thiết nhƣ đã nói ở trên, ta có mối liên hệ nhƣ sau:

CNT CNT

l l

A S

A S (3.20)

2

4 2

1 4 3

CNT l CNT

l CNT CNT

A r r L

A r r L

(3.21)

Thay biểu thức (3.21) vào biểu thức (3.6) ta có:

(4 2 )1

(1 ) (4 3 )

CNT l CNTl l

l CNT CNT

k r r LdTQ k A

dx k r r L

(3.22)

Mặt khác ta cũng có:

.eff l

dTQ k A

dx

(3.23)

71

Trong đó keff là hệ số dẫn nhiệt tƣơng đƣơng của chất lỏng tản nhiệt nano.

Kết hợp biểu thức (3.22) và biểu thức (3.23) ta có:

4 21

1 4 3

CNT l CNT

eff l

l CNT CNT

k r r Lk k

k r r L

(3.24)

Biểu thức (3.24) có thể viết lại dƣới dạng nhƣ sau:

4 2

1

1 4 3

CNTCNT l

eff

CNTll CNT

rk r

k L

rkk r

L

(3.25)

Chú ý rằng do CNTs luôn có chiều dài lớn hơn nhiều lần so với bán kính, vì

vậy ta có:

0CNTr

L (3.26)

Từ biểu thức (3.25) và (3.26) ta có:

21

3 1

eff CNT l

l l CNT

k k r

k k r

(3.27)

Mặt khác chúng ta cũng biết rằng CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống, trong khi

dẫn nhiệt kém theo phƣơng vuông góc với ống. Hơn nữa, trong chất lỏng nano thì

CNTs phân tán đồng đều theo mọi hƣớng, do vậy chúng ta không thể dùng kCNT

trong biểu thức (3.27) mà phải dùng độ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-CNT của CNTs trong

trƣờng hợp CNTs phân tán ngẫu nhiên theo mọi hƣớng. Khi đó công thức (3.27) có

dạng nhƣ sau:

21

3 1

eff eff CNT l

l l CNT

k k r

k k r

(3.28)

Để tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-CNT của CNTs, chúng tôi đề xuất một mô

hình nhƣ trên hình 3.8. Trong mô hình này, ta giả thiết dòng nhiệt truyền theo chiều

Oz, còn CNTs phân tán ngẫu nhiên và có góc lệch φ so với phƣơng Oz. Theo nguyên

lý phân tán ngẫu nhiên, số ống CNTs hợp với Oz một góc lệch φ sẽ tỷ lệ thuận với

chu vi vòng tròn do một đầu của ống CNTs quay tròn quanh trục Oz, cụ thể:

2 sinC L (3.29)

72

Mặt khác, khi lệch so với phƣơng truyền nhiệt một góc φ thì CNTs có độ dẫn

nhiệt hiệu dụng là:

cosCNTk k (3.30)

Từ công thức (3.29) và (3.30) chúng ta tính đƣợc độ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-

CNT của CNTs khi phân tán ngẫu nhiên là:

/ 2

0

/ 2

0

eff CNT

C k d

k

C d

(3.31)

/ 2

0

/ 2

0

2 sin . cos .

2 sin .

CNT

eff CNT

L k d

k

L d

(3.32)

1

2eff CNT CNTk k (3.33)

Hình 3.8: Mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs

Từ biểu thức (3.29) và (3.33) ta có độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành

phần CNTs là:

11

3 1

eff CNT l

l l CNT

k k r

k k r

(3.34)

Trên đây chính là công thức tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

CNTs sau khi đã xét đến hình dạng ống của CNTs cũng nhƣ xét đến độ dẫn nhiệt

bất đẳng hƣớng của CNTs. Từ công thức này ta có thể thấy, để tăng độ dẫn nhiệt

73

cẩn sử dụng vật liệu ống nano - cacbon có bán kính nhỏ và tỷ lệ phần trăm về thể

tích của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đạt giá trị lớn nhất.

3.3.2. So sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới

3.3.2.1. MWCNTs trong nước cất

Hình 3.9. là đồ thị kết quả tính toán lý thuyết của chúng tôi so sánh với kết

quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang (2006) [52] trong trƣờng hợp chất

lỏng nano là MWCNTs phân tán trong nƣớc cất. Trong thực nghiệm của nhóm

Hwang, CNTs có chiều dài và đƣờng kính trung bình lần lƣợt là 10–50 μm và 10–

30 nm, nhƣ vậy đƣờng kính trung bình của CNTs là 20 nm, và bán kính trung bình

của CNTs là rCNT = 10 nm. Trong tính toán, chúng tôi sử dụng độ dẫn nhiệt của

CNTs là 1800 W/mK và của nƣớc cất là 0,6 W/mK. Bán kính của phân tử nƣớc là

0,1 nm. Hình 3.9 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả thực

nghiệm của nhóm Hwang [52].


của nhóm Hwang

Tƣơng tự nhƣ trên, chúng tôi cũng so sánh tính toán lý thuyết với kết quả

thực nghiệm của nhóm Lifei Chen (2008) [47]. Trong tính toán này, đƣờng kính

trung bình và chiều dài của CNTs lần lƣợt là 15 nm và 30 μm, nhƣ vậy bán kính

trung bình của CNTs là rCNT = 7,5 nm. Trong tính toán này chúng tôi vẫn sử dụng

74

độ dẫn nhiệt của CNTs và nƣớc cất là 1800 W/mK và 0,6 W/mK, bán kính của phân

tử nƣớc là 0,1 nm. Hình 3.10 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với

kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen [47].


của nhóm Lifei Chen

3.3.2.2. SWCNTs trong nước cất


của nhóm Gensheng Wu

75

Hình 3.11 là kết quả so sánh mô hình tính toán lý thuyết với kết quả thực

nghiệm của nhóm Gensheng Wu (2009) [100] trong trƣờng hợp chất lỏng nano là

nƣớc cất chứa SWCNTs. Trong thực nghiệm, đƣờng kính của SWCNTs là 1-2 nm

và chiều dài không vƣợt quá 30 μm, nhƣ vậy đƣờng kính trung bình của CNTs là

1,5 nm bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 0,75 nm. Trong tính toán này chúng

tôi vẫn sử dụng độ dẫn nhiệt của CNTs và nƣớc cất là 1800 W/mK và 0,6 W/mK,

bán kính của phân tử nƣớc là 0,1 nm. Hình 3.11 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết

là phù hợp so với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu [100].

3.3.2.3. MWCNTs trong ethylen glycol


của nhóm Hwang

Hình 3.12 là kết quả so sánh tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của

nhóm Hwang (2006) [52] trong trƣờng hợp phân tán MWCNTs trong ethylen

glycol. Trong thực nghiệm của nhóm Hwang, CNTs có chiều dài và đƣờng kính

trung bình lần lƣợt là 10–50 μm và 10–30 nm, nhƣ vậy đƣờng kính trung bình của

CNTs là 20 nm, và bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 10 nm. Trong tính toán

chúng tôi sử dụng độ dẫn nhiệt của CNTs là 1800 W/mK và của ethylen glycol là

0,26 W/mK, bán kính phân tử ethylen glycol là 0,12 nm. Hình 3.12 cho thấy kết quả

tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong

trƣờng hợp phân tán MWCNTs trong ethylen glycol.

76

3.3.2.4. MWCNTs trong chất lỏng R113


của nhóm Hwang

Hình 3.13 là kết quả so sánh tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của

nhóm Hwang (2006) trong trƣờng hợp phân tán MWCNTs trong chất lỏng R113.

Trong thực nghiệm của nhóm Hwang [52], CNTs bao gồm 2 loại có đƣờng kính

trung bình lần lƣợt là 15 nm và 80 nm, nhƣ vậy bán kính trung bình của CNTs là 7,5

nm và 40 nm. Trong tính toán chúng tôi sử dụng độ dẫn nhiệt của CNTs là 1800

W/mK và của R113 là 0,068 W/mK, bán kính phân tử ethylen glycol là 0,115 nm.

Hình 3.13 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là tƣơng đối phù hợp so với kết quả

thực nghiệm của nhóm Hwang trong trƣờng hợp phân tán MWCNTs trong chất lỏng

R113.

3.3.3. So sánh mô hình truyền nhiệt lý thuyết với kết quả thực nghiệm của dầu

bôi trơn tản nhiệt nano

Công thức để tính toán độ dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs theo mô hình tính

toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu chúng tôi là:

11

3 1

CNT leff l

l CNT

k rk k

k r

(3.35)

77

Hình 3.14 là kết quả so sánh giữa tính toán lý thuyết với phép đo thực

nghiệm trên thiết bị đo độ dẫn nhiệt. Trong thực nghiệm của chúng tôi, CNTs có

đƣờng kính nằm trong khoảng 15–80 nm, nhƣ vậy đƣờng kính trung bình của CNTs

là dCNT = 47,5 nm và bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 23,75 nm. Nồng độ

của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đƣợc khảo sát trong khoảng từ 0 – 0,15% thể

tích. Trong tính toán chúng tôi sử dụng độ dẫn nhiệt của CNTs là 1800 W/mK và

của dầu gốc PAO là 0,1448 W/mK. Bán kính phân tử dầu gốc PAO đƣợc sử dụng

trong tính toán là 0,48 nm.

Hình 3.14. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo đạc khảo sát

độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt với các hàm lƣợng CNTs khác nhau

Hình 3.14 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả thực

nghiệm mà chúng tôi đã tiến hành khảo sát trong khoảng nồng độ CNTs từ 0 –

0,12% thể tích. Cả kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng độ dẫn

nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt nano tăng tuyến tính với hàm lƣợng của CNTs trong

dầu từ 0 – 0,12% thể tích. Tuy nhiên khi hàm lƣợng CNTs vƣợt quá giá trị 0,12%

thể tích thì kết quả thực nghiệm cho độ dẫn nhiệt của dầu hầu nhƣ không tăng. Điều

này đƣợc giải thích khi hàm lƣợng của CNTs vƣợt quá giá trị 0,12% thể tích thì

CNTs không còn phân tán tốt trong nền dầu, đồng thời xuất hiện sự tụ đám của

CNTs nhƣ kết quả khảo sát phổ phân bố theo kích thƣớc trên thiết bị ZetaSizer đã

78

đƣợc trình bày. Sự tụ đám của CNTs trong nền dầu không giúp nâng cao hệ số dẫn

nhiệt cho dầu, do vậy mà hệ số dẫn nhiệt hầu nhƣ không tăng với hàm lƣợng cao

hơn của CNTs. Kết quả khảo sát cũng cho thấy khi hàm lƣợng của CNTs là 0,12%

thể tích thì độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn đạt đến giá trị 0,292 W/mK theo tính toán

lý thuyết, và 0,298 W/mK theo kết quả thực nghiệm. Kết quả này khá phù hợp với

thực nghiệm của một số nhóm nghiên cứu trên thế giới nhƣ của nhóm S. U. S. Choi,

Z. G. Zhang, W. Yu, F. E. Lockwood, và E. A. Grulke [101], hay nhóm nghiên cứu

F.D.S. Marquis và L.P.F. Chibante [102].

Hình 3.15. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm về độ dẫn

nhiệt của dầu PAO/CNTs do nhóm S.U.S. Choi và tập thể nghiên cứu thực hiện

Chẳng hạn trong công bố của nhóm S.U.S. Choi [101], CNTs sử dụng có

đƣờng kính trung bình là dCNT = 25 nm ứng với bán kính trung bình là rCNT = 12,5

nm. Các thông số khác sử dụng trong tính toán đƣợc sử dụng nhƣ đã nói ở trên. Kết

quả so sánh trên hình 3.15 cho thấy mô hình tính toán lý thuyết phù hợp với cả kết

quả thực nghiệm của nhóm S.U.S. Choi lẫn kết quả thực nghiệm của tập thể nghiên

cứu. Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs mà hợp phần chế tạo đƣợc có

phần thấp hơn hệ số dẫn nhiệt của dầu PAO/CNTs do nhóm S.U.S. Choi chế tạo,

điều này đƣợc giải thích là do CNTs của nhóm S.U.S. Choi sử dụng có đƣờng kính

đồng đều và nhỏ hơn so với đƣờng kính của CNTs mà chúng tôi sử dụng [102].

79

3.4. Đánh giá một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo đƣợc

3.4.1. Độ nhớt

Để khảo sát độ nhớt của dầu bôi trơn tản nhiệt nano, chúng tôi sử dụng thiết

bị đo độ nhớt động học 9410P (Bỉ) tại Viện Kỹ thuật xăng dầu. Hình 3.16 và hình

3.17 là kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ của

CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC và 100

oC.

Hình 3.16. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ

của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC

Hình 3.17. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ

của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 100oC

80

Kết quả đo đạc cho thấy rằng khi nồng độ của CNTs tăng lên thì về cơ bản

độ nhớt của dầu bôi trơn tản nhiệt cũng tăng theo. Tuy nhiên ở nồng độ 0,03% thể

tích của CNTs, độ nhớt của dầu bôi trơn tản nhiệt ở cả nhiệt độ 100ºC và 40ºC đều

có xu hƣớng giảm nhẹ. Kết quả này phù hợp với kết quả thu đƣợc của nhóm nghiên

cứu Ehsan-o-llah Ettefaghi [54]. Kết quả này đƣợc giải thích rằng khi các ống nano

- cacbon đƣợc thêm vào dầu, chúng sẽ xen vào giữa các lớp dầu làm cho các lớp

dầu dễ dàng di chuyển và trƣợt lên nhau, do đó mà độ nhớt của dầu giảm xuống.

Tuy nhiên khi nồng độ của CNTs tăng lên, mật độ dày đặc của CNTs sẽ ngăn cản

khiến cho các lớp dầu khó di chuyển hơn, do vậy mà độ nhớt của dầu tăng lên.

Thông qua sự khảo sát độ nhớt của dầu bôi trơn theo hàm lƣợng của CNTs

có thể nhận thấy rằng CNTs có sự ảnh hƣởng nhất định đến độ nhớt của dầu, tuy

nhiên sự ảnh hƣởng này là không quá lớn. Chính vì vậy trong quá trình pha chế dầu

bôi trơn tản nhiệt nano cho động cơ tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng, xe thiết giáp và xe chở

khí tài quân sự, chúng tôi vẫn phải sử dụng đến một số chất phụ gia khác (nhƣ

Hydrocacbon Polyizobutylen) để điều chỉnh các thông số về độ nhớt của dầu bôi

trơn theo đúng các tiêu chuẩn kỹ thuật đã đề ra.

3.4.2. Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Sau nhiều bƣớc thí nghiệm và chế tạo thành công, các tính chất của dầu bôi

trơn tản nhiệt nano bao gồm độ nhớt động học, chỉ số nhớt, trị số kiềm tổng, điểm

bốc cháy, tổng hàm lƣợng kim loại, sức căng bề mặt, điểm đông đặc đƣợc chúng tôi

đo đạc tại Viện Kỹ thuật xăng dầu - Cục xăng dầu (Tổng Cục Hậu Cần, Bộ Quốc

Phòng). Phép đo hệ số dẫn nhiệt đƣợc tiến hành trên thiết bị Thermal Conductivity

of Liquids HTL-04 của hãng Eternal Engineering Equipment tại Trung tâm Phát

triển Công nghệ cao. Bảng 3.6 tổng hợp các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt

nano cho tàu thủy cỡ nhỏ mà chúng tôi chế tạo đƣợc trƣớc khi tiến hành chạy thử

trên bệ thử động cơ.

81

Bảng 3.6. So sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo đƣợc với

dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu không chứa thành phần nano dùng cho

tàu thủy cỡ nhỏ

STT Tính chất Đơn vị

Dầu bôi

trơn tản

nhiệt nano

chế tạo

đƣợc

Dầu thƣơng

phẩm của

Nga

Dầu bôi

trơn không

chứa nano

1 Độ nhớt động học ở 100oC cSt 15,7 15,8 15,5


3 Chỉ số độ nhớt cSt 143,8 139,2 148,4

4 Trị số kiềm tổng mg KOH/g 14,5 15,0 13,5

5 Điểm chớp cháy ºC 248 245 242

6 Tổng hàm lƣợng kim loại ppm 62 65 56

7 Khối lƣợng riêng 15oC g/l 0,859 0,856 0,857

8 Sức căng bề mặt N/m 28,8 27,4 27,7

9 Điểm đông đặc ºC -20,0 -15,0 -18

10 Độ dẫn nhiệt ở 27ºC

W/mK 0,287 0,180 -

Tƣơng tự, bảng 3.7, bảng 3.8 và bảng 3.9 tổng hợp và so sánh các tính chất

của dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho xe tăng, xe thiết giáp và xe chở khí tài quân sự

mà chúng tôi chế tạo đƣợc với dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không

chứa nano trƣớc khi chạy thử.

Bảng 3.7. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế

tạo đƣợc, dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano

cho động cơ xe tăng


Dầu bôi trơn

tản nhiệt

nano chế tạo

đƣợc

Dầu thƣơng

phẩm của

Nga

Dầu bôi trơn

không chứa

nano

1 Độ nhớt động học ở 100 ºC cSt 15,6 15,6 15,5

2 Độ nhớt động học ở 40ºC cSt 122,5 120 119,5

3 Chỉ số độ nhớt cSt 133,8 136,8 136,0

82



6 Tổng hàm lƣợng kim loại Ppm 40 35 35

7 Khối lƣợng riêng 15ºC g/l 0,860 0,855 0,854

8 Sức căng bề mặt N/m 28,1 27,0 27,8

9 Điểm đông đặc ºC -28,0 -270 -26,5

10 Độ dẫn nhiệt ở 27ºC W/mK 0,298 0,180 -

Bảng 3.8. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo

đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe

thiết giáp

STT Tính chất Đơn vị Dầu bôi trơn

tản nhiệt nano

chế tạo đƣợc

Dầu thƣơng

phẩm của

Nga

Dầu bôi

trơn không

chứa nano



3 Chỉ số độ nhớt cSt 148,7 149,1 149,5





8 Sức căng bề mặt N/m 28,5 27,1 27,9

9 Điểm đông đặc ºC -28,5 -26 -26,5


83

Bảng 3.9. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo

đƣợc với dầu thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano

cho động cơ xe chở khí tài quân sự


Dầu bôi trơn

tản nhiệt nano

chế tạo đƣợc

Dầu thƣơng

phẩm của

Nga

Dầu bôi

trơn không

chứa nano



3 Chỉ số độ nhớt cSt 148,1 143,2 140,3


5 Điểm bốc cháy ºC 245 245 243



8 Sức căng bề mặt N/m 28,9 27,5 27,8

9 Điểm đông đặc ºC -25,3 -25,0 -25,2


Việc xác định các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt cho từng loại

động cơ khác nhau cho thấy khi cho thêm CNTs dầu bôi trơn tản nhiệt giúp giảm

ma sát, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ dẫn nhiệt mà vẫn đảm bảo yêu cầu không phá

vỡ cấu trúc của dầu và vẫn đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn thế giới.


Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về biến tính

CNTs, chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần CNTs, kết quả nghiên cứu về mô hình

tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs và đánh giá

một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt đã chế tạo đƣợc:

- Vật liệu CNTs đã đƣợc biến tính thành công với các nhóm chức –OH và –

COOH. Kết quả biến tính thành công đã đƣợc chứng minh qua phép phân tích phổ

FTIR và phổ tán xạ Raman. Việc biến tính thành công vật liệu CNTs có ý nghĩa

quyết định đến việc phân tán CNTs trong chất lỏng và hiệu quả tản nhiệt.

- Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs đã chế tạo thành công với sự

84

phân tán đồng đều, ổn định và không còn sự tụ đám CNTs trong nền chất lỏng.

- Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs mang lại hiệu quả tản nhiệt

tốt khi hàm lƣợng CNTs đạt tối ƣu là 0,12% thể tích.

- Đã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt

của chất lỏng chứa thành phần CNTs, với việc đƣa thêm tính toán cấu trúc dạng

ống, cùng tính chất dẫn nhiệt bất đẳng hƣớng dọc theo trục ống cũng nhƣ phƣơng

pháp xác định độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs khi phân tán ngẫu nhiên đồng đều

theo mọi hƣớng vào mô hình tính toán. Kết quả tính toán của mô hình cải tiến đã

đƣợc so sánh và cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm đã công bố trên các

tạp chí quốc tế.

85

CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG

NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ

Sau giai đoạn thực hiện chế tạo thành công dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại

phòng thí nghiệm với các đặc tính kỹ thuật của dầu đạt tiêu chuẩn của Nga với từng

loại động cơ dùng trong quân sự, chúng tôi tiến hành chạy thử nghiệm các loại dầu

chế tạo đƣợc trên bệ thử động cơ để đánh giá độ bền, tuổi thọ, khả năng tản nhiệt,

giảm ma sát, khí thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu cho các động cơ sau:

- Động cơ tàu thủy cỡ nhỏ

- Động cơ xe tăng

- Động cơ xe thiết giáp

- Động cơ xe chở khí tài quân sự

4.1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ

Hình 4.1: Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ dùng để thử nghiệm

dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự

Quy trình thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ

nhỏ đƣợc thực hiện thông qua các bƣớc nhƣ sau:

Bƣớc 1: Chuẩn bị dầu bôi trơn sử dụng để chạy thử.

Bƣớc 2: Vận hành hệ thống điều hòa nhiệt độ trong phòng thử.

86

Bƣớc 3: Vệ sinh làm sạch toàn bộ phía ngoài của bệ thử động cơ.

Bƣớc 4: Kiểm tra hoạt động của các sensor đo nhiệt độ dầu, nƣớc, động cơ.

Bƣớc 5: Tiến hành tháo dầu bôi trơn cũ trong máy.

Bƣớc 6: Sử dụng khí hơi áp suất lớn để đẩy và làm sạch phần dầu bôi trơn cũ

còn xót lại trong động cơ.

Bƣớc 7: Đổ dầu bôi trơn cần chạy thử vào động cơ, lƣu ý dung tích dầu bôi

trơn đƣa vào cần phải chính xác và giống nhau giữa các lần thử.

Bƣớc 8: Kiểm tra bình nhiên liệu, đo mức nhiên liệu trƣớc khi chạy.

Bƣớc 9: Kiểm tra nhiệt độ của môi trƣờng trƣớc khi chạy.

Bƣớc 10: Vận hành động cơ để bắt đầu quá trình chạy thử nghiệm.

Bƣớc 11: Ghi chép các thông số về nhiệt độ của nƣớc, dầu, động cơ, tiêu hao

nhiên liệu theo thời gian chạy thử.

Bƣớc 12: Tiến hành tắt động cơ sau khi đạt thời gian một quá trình chạy thử

để lấy mẫu dầu phục vụ quá trình phân tích đo đạc.

Bƣớc 13: Lấy lƣợng nhỏ mẫu dầu để phục vụ công tác phân tích kiểm tra.

Bƣớc 14: Sau khi phân tích đo đạc kiểm tra mẫu dầu thấy vẫn đạt tiêu chuẩn

chạy tiếp thì quay lại bƣớc 7 để vận hành các quá trình thử nghiệm.

Bƣớc 15: Sau khi phân tích đo đạc kiểm tra mẫu dầu thấy không đạt tiêu

chuẩn chạy tiếp thì kết thúc quá trình chạy thử nghiệm.

Dầu bôi trơn nano đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là SAE - NANO đƣợc

chúng tôi chế tạo với các thông số nhƣ đã trình bày ở phần trên. Hình 4.2 là ảnh

chụp của mẫu dầu bôi trơn nano dùng cho tàu thủy cỡ nhỏ.

Hình 4.2: Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ

87

4.1.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử

Để xác định hiệu quả tản nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt nano khi so sánh

với dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không chứa thành phần nano, chúng

tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ của dầu và của nƣớc động cơ trong quá trình chạy

thử. Để đảm bảo độ chính xác cho phép đo, nhiệt độ của môi trƣờng đƣợc giữ ở giá

trị không đổi là 20oC nhờ máy điều hòa nhiệt độ và máy hút ẩm, các phép đo đƣợc

tiến hành lặp lại 5 lần sau đó lấy giá trị trung bình thu đƣợc các kết quả nhƣ sau:

Hình 4.3. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau

Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ

của dầu đạt đến giá trị bão hòa là 50,6oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi

chạy máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano,

nhiệt độ bão hòa của dầu đạt 49,8oC, thấp hơn gần 1

oC so với dầu bôi trơn thƣơng

phẩm. Điều này cho thấy việc sử dụng dầu gốc PAO vốn có chất lƣợng tốt hơn,

phần nào giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho động cơ khi so sánh với dầu bôi trơn

thƣơng phẩm. Với dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ bão hòa của dầu đạt đến giá

trị bão hòa là 46,1oC, giảm đi khoảng 4,5

oC so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm.

Từ các kết quả khảo sát nhiệt độ dầu cho thấy với sự xuất hiện của thành

phần CNTs trong dầu bôi trơn giúp cho động cơ tản nhiệt ra môi trƣờng bên ngoài

nhanh hơn nhờ vào tính chất truyền nhiệt của CNTs, do đó nhiệt độ của dầu giảm đi

đáng kể, điều này đã giúp nâng cao khả năng tản nhiệt cho động cơ.

88

Nhiệt độ của nƣớc làm mát ngoài động cơ cho thấy khả năng làm giảm ma sát

của dầu bôi trơn tản nhiệt đƣợc sử dụng. Hình 4.4 là kết quả khảo sát nhiệt độ của nƣớc

trong quá trình chạy động cơ với các loại dầu khác nhau tính theo giá trị trung bình

trong nhiều lần chạy thử. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng

phẩm, nhiệt độ của nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 51,4oC sau khoảng thời gian 20 phút

kể từ khi chạy máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần

nano, nhiệt độ bão hòa của nƣớc đạt 50,5oC, thấp hơn gần 1

oC so với dầu bôi trơn

thƣơng phẩm. Tƣơng tự với dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ của nƣớc đạt đến giá

trị bão hòa là 46,9oC, giảm đi khoảng 4,5


Từ các kết quả này cho thấy với sự xuất hiện của thành phần CNTs trong dầu

bôi trơn tản nhiệt giúp giảm ma sát do đó giảm nhiệt độ của động cơ đồng thời tăng

độ dẫn nhiệt của dầu giúp nâng cao khả năng tản nhiệt cho động cơ.

Hình 4.4. Kết quả khảo sát nhiệt độ nƣớc động cơ với các loại dầu khác nhau

4.1.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ

Do hệ số ma sát phụ thuộc trực tiếp vào bề mặt của hai vật liệu tiếp xúc nhau,

vì vậy để xác định đƣợc độ giảm hệ số ma sát của động cơ khi sử dụng dầu bôi trơn

tản nhiệt nano chúng tôi phải tiến hành đo độ giảm này ngay trên bệ thử động cơ.

Việc xác định độ giảm hệ số ma sát đƣợc tiến hành thông qua nguyên lý đo lực tác

dụng tối thiểu lên bánh đà để có thể làm vận chuyển bánh đà khi động cơ ngừng

89

hoạt động với các loại dầu bôi trơn tản nhiệt khác nhau. Việc lấy tỉ lệ các giá trị lực

đo đƣợc sẽ giúp xác định đƣợc độ giảm hệ số ma sát khi sử dầu bôi trơn tản nhiệt

nano so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Cụ thể quy trình đo đƣợc tiến hành nhƣ sau:

Bƣớc 1: Chuẩn bị thiết bị lực kế cùng chi tiết cơ học trung gian để có thể kết

nối vào bánh đà.

Bƣớc 2: Vệ sinh làm sạch toàn bộ phía ngoài của bệ thử động cơ.

Bƣớc 3: Tiến hành tháo dầu bôi trơn cũ trong máy.

Bƣớc 4: Sử dụng khí hơi áp suất lớn để đẩy và làm sạch phần dầu bôi trơn cũ

còn xót lại trong động cơ.

Bƣớc 5: Đổ dầu bôi trơn cần đo độ giảm hệ số ma sát vào động cơ, lƣu ý

dung tích dầu bôi trơn đƣa vào cần phải chính xác và giống nhau giữa các lần thử.

Bƣớc 6: Vận hành động cơ chạy trong 5 phút để dầu bôi trơn đƣợc phân bố

đồng đều vào các chi tiết máy động cơ, đồng thời dầu bôi trơn đạt đến nhiệt độ của

chế độ động cơ hoạt động.

Bƣớc 7: Tắt động cơ.

Bƣớc 8: Kết nối nhanh lực kế cùng chi tiết cơ học trung gian để gắn vào bánh

đà động cơ.

Bƣớc 9: Đo giá trị lực để có thể bắt đầu làm quay bánh đà, tiến hành đo

nhiều lần để lấy giá trị trung bình.

Bƣớc 10: Quay lại bƣớc 3 để tiến hành đo với các mẫu dầu khác.

Bƣớc 11: Lấy tỉ lệ các giá trị lực đo đƣợc giữa các loại dầu nano với dầu

thƣơng phẩm để xác định độ giảm hệ số ma sát.

Sau quá trình đo đạc xác định độ giảm hệ số ma sát, các phép đo đƣợc tiến

hành lặp lại 5 lần kết quả giá trị trung bình đƣợc trình bày trong bảng 4.1

Bảng 4.1. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ

STT Loại dầu bôi trơn Độ giảm hệ số ma sát

1 Dầu thƣơng phẩm 1,00

2 Dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần CNTs 1,05

3 Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs 1,22

Kết quả cho thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát của

động cơ xuống 1,22 lần so với dầu thƣơng phẩm.

90

4.1.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ

Kết quả nghiên cứu cũng nhƣ nhiều công trình công bố đã cho thấy rằng khi

có thêm thành phần nano trong dầu bôi trơn tản nhiệt, ma sát trƣợt giữa các chi tiết

máy của động cơ sẽ đƣợc chuyển đổi thành dạng ma sát lăn, qua đó làm giảm hệ số

ma sát của động cơ. Bên cạnh đó, việc nâng cao độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản

nhiệt động cơ sẽ làm tăng hiệu quả tản nhiệt cho động cơ đồng nghĩa với việc giảm

nhiệt độ của nguồn lạnh của động cơ, qua đó sẽ góp phần nâng cao hiệu suất chuyển

đổi năng lƣợng từ nhiệt năng thành cơ năng của động cơ. Từ những yếu tố trên có

thể thấy rằng việc sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano sẽ góp phần tiết kiệm nhiên

liệu đáng kể cho động cơ đốt trong. Hình 4.5 là kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu

của động cơ trên bệ thử trong trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm.

Hình 4.5. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trƣờng

hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm

Kết quả khảo sát trên hình 4.5 cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng

phẩm trên bệ thử ở chế độ có tải, động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình

khoảng 38,6 lít/giờ. Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano

thì kết quả khảo sát trên hình 4.6 cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của

động cơ vào khoảng 37,9 lít/giờ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đƣợc khoảng 2% so

với dầu bôi trơn thƣơng phẩm.

91


hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano

Với trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả khảo sát đƣợc

thể hiện nhƣ trên hình 4.7 cho thấy động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình vào

khoảng 34,4 lít/giờ trên bệ thử ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy rằng dầu bôi

trơn tản nhiệt nano giúp tiết kiệm 10,88% nhiên liệu cho động cơ khi chạy thử

nghiệm trên bệ thử ở chế độ có tải.


hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano

92

4.1.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử

Để khảo sát độ bền tuổi thọ của dầu bôi trơn khi chạy trên bệ thử động cơ,

chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số kỹ thuật của dầu trƣớc và sau quá trình

chạy thử. Các thông số của dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử đƣợc so sánh với

tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 của Nga về dầu bôi trơn tàu thủy nhằm đánh giá chất

lƣợng, độ bền và tuổi thọ của dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử, kết quả đƣợc

trình bày trong bảng 4.2.

Kết quả cho thấy sau 120 giờ chạy trên bệ thử, một số thông số của dầu bôi

trơn thƣơng phẩm không còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84 của Nga và

do đó cần phải thay thế bằng dầu bôi trơn mới.

Với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano thì kết quả cho thấy

các thông số của dầu bôi trơn vẫn còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84

của Nga. Tuy nhiên, các tính chất của dầu không có thành phần nano suy giảm

nhanh hơn so với dầu bôi trơn tản nhiệt nano.

Dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả đo cho thấy sau 250 giờ chạy các tính

chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, dựa trên sự suy giảm

chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy của

dầu lên đến 500 giờ. Điều này có đƣợc là nhờ tính chất ƣu việt của vật liệu nano

cacbon với vai trò nâng cao hệ số dẫn nhiệt và giữ ổn định các thông số kỹ thuật của

dầu bôi trơn tản nhiệt cũng nhƣ giảm ma sát, mài mòn cho động cơ.

93

Bảng 4.2. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm

trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị

Tiêu chuẩn

ГОСТ

12.337-84

Dầu

thƣơng

phẩm

0 giờ

Dầu

thƣơng

phẩm

120 giờ

Chƣa

nano

0 giờ

Chƣa

nano

120 giờ

Dầu

nano

0 giờ

Dầu

nano

120 giờ

Dầu

nano

190 giờ

Dầu

nano

250 giờ

1 Độ nhớt động học ở 100ºC cSt 15,7 ÷ 17,0 15,8 17,1 15,5 16,3 15,7 15,8 15,9 16,0

2 Độ nhớt động học ở 40ºC cSt 100 ÷ 150 120,2 150,5 110,2 129,8 115,6 119,2 122,1 125,5

3 Chỉ số độ nhớt cSt 90 ÷ 150 139,2 123,1 148,4 134,2 143,8 140,4 138,1 135,3

4 Trị số kiểm tổng mg KOH/g 9 ÷ 15 15,0 9,2 13,5 11,2 14,5 14,0 13,5 12,9

5 Điểm chớp cháy cốc hở ºC 210 ÷ 250 245 208 242 225 248 245 242 238

6 Tổng hàm lƣợng kim loại ppm 30 ÷ 90 65 89 56 71 62 65 68 71

7 Khối lƣợng riêng g/l 0,85 ÷ 0,88 0,856 0,881 0,857 0,867 0,859 0,861 0,862 0,864

8 Sức căng bề mặt N/m 25,5 ÷ 30 27,4 25,4 27,7 26,7 28,8 28,6 28,4 28,2

9 Điểm đông đặc ºC -50 ÷ -10 -15,0 -21,0 -18 -20,5 -20,0 -21,3 -22,7 -23,9

94

4.2. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng

Hình 4.8. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe tăng dùng để thử nghiệm dầu bôi

trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự

Quy trình thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt trên bệ thử động cơ xe tăng đƣợc

thực hiện thông qua các bƣớc nhƣ sau:

- Bƣớc 1: Chuẩn bị dầu bôi trơn sử dụng để chạy thử.

- Bƣớc 2: Vận hành hệ thống điều hòa nhiệt độ trong phòng thử.

- Bƣớc 3: Vệ sinh làm sạch toàn bộ phía ngoài của bệ thử động cơ.

- Bƣớc 4: Kiểm tra hoạt động của các sensor đo nhiệt độ dầu, nƣớc, động cơ.

- Bƣớc 5: Tiến hành tháo dầu bôi trơn cũ trong máy.

- Bƣớc 6: Sử dụng khí hơi áp suất lớn để đẩy và làm sạch phần dầu bôi trơn

cũ còn xót lại trong động cơ.

- Bƣớc 7: Đổ dầu bôi trơn cần chạy thử vào động cơ, lƣu ý dung tích dầu bôi


- Bƣớc 8: Kiểm tra bình nhiên liệu, đo mức nhiên liệu trƣớc khi chạy.

- Bƣớc 9: Kiểm tra nhiệt độ của môi trƣờng trƣớc khi chạy.

- Bƣớc 10: Vận hành động cơ để bắt đầu quá trình chạy thử nghiệm.

- Bƣớc 11: Ghi chép các thông số về nhiệt độ của nƣớc, dầu, động cơ, tiêu

95

hao nhiên liệu theo thời gian chạy thử.

- Bƣớc 12: Tiến hành tắt động cơ sau khi đạt thời gian một quá trình chạy thử


- Bƣớc 13: Lấy lƣợng nhỏ mẫu dầu để phục vụ công tác phân tích kiểm tra.

- Bƣớc 14: Sau khi phân tích đo đạc kiểm tra mẫu dầu thấy vẫn đạt tiêu

chuẩn chạy tiếp thì quay lại bƣớc 7 để vận hành các quá trình thử nghiệm.

- Bƣớc 15: Sau khi phân tích đo đạc kiểm tra mẫu dầu thấy không đạt tiêu


Hình 4.9. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe tăng


Để đảm bảo độ chính xác cho phép đo, nhiệt độ của môi trƣờng đƣợc giữ ở

giá trị không đổi là 20oC nhờ máy điều hòa nhiệt độ và máy hút ẩm, các phép đo

đƣợc tiến hành lặp lại 5 lần sau đó lấy giá trị trung bình thu đƣợc kết quả nhƣ hình

4.10. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ của

dầu đạt đến giá trị bão hòa là 54,6oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi chạy

máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano, nhiệt độ

bão hòa của dầu đạt 53,8oC. Với dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ bão hòa của

dầu đạt đến giá trị bão hòa là 45,0oC, giảm đi khoảng 4,6


thƣơng phẩm. Kết quả này đƣợc giải thích: với sự xuất hiện của thành phần CNTs

96

trong dầu bôi trơn đã giúp giảm ma sát do đó giảm nhiệt độ của động cơ đồng thời

tăng độ dẫn nhiệt của dầu giúp nâng cao khả năng tản nhiệt cho động cơ.


Tƣơng tự nhƣ vậy hình 4.11 là kết quả khảo sát nhiệt độ của nƣớc trong quá

trình chạy động cơ với các loại dầu khác nhau tính theo giá trị trung bình trong

nhiều lần chạy thử.


97

Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ

của nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 55,5oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi

chạy máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano,

nhiệt độ bão hòa của nƣớc đạt 54,6oC. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ của

nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 50,8oC, giảm đi khoảng 4,7


thƣơng phẩm. Kết quả này đƣợc giải thích: với sự xuất hiện của thành phần CNTs

trong dầu bôi trơn đã giúp giảm ma sát do đó giảm nhiệt độ của động cơ đồng thời

tăng độ dẫn nhiệt của dầu giúp nâng cao khả năng tản nhiệt cho động cơ.








đo đƣợc sẽ giúp xác định đƣợc độ giảm hệ số ma sát khi sử dụng dầu bôi trơn tản

nhiệt nano so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm.

Sau quá trình đo đạc xác định độ giảm hệ số ma sát, các phép đo đƣợc lặp lại

5 lần kết quả giá trị trung bình thu đƣợc đƣợc thể hiện trong bảng 4.3

Bảng 4.3. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe tăng





Kết quả đo đạc cho thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma

sát của động cơ xuống khoảng 1,21 lần so với dầu thƣơng phẩm.

98



trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm

Hình 4.12 là kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử

trong trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm Kết quả khảo sát cho thấy khi

sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm trên bệ thử ở chế độ có tải, động cơ tiêu thụ

lƣợng nhiên liệu trung bình khoảng 89,5 lít/giờ.


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano

99

Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano thì kết quả

khảo sát trên hình 4.13 cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của động cơ vào

khoảng 88,1 lít/giờ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đƣợc 1,6% so với dầu bôi trơn

thƣơng phẩm. Với trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả khảo sát

đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 4.14 cho thấy động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung

bình vào khoảng 80,2 lít/giờ trên bệ thử ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy rằng

dầu bôi trơn tản nhiệt nano giúp tiết kiệm 10,39% nhiên liệu cho động cơ khi chạy

thử nghiệm trên bệ thử ở chế độ có tải.


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano


Bảng 4.2 trình bày kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn tản nhiệt trong quá

trình chạy thử. Kết quả khảo sát độ bền tuổi thọ của dầu bôi trơn khi chạy trên bệ

thử động cơ cho thấy sau 120 giờ chạy trên bệ thử, một số thông số của dầu bôi trơn

thƣơng phẩm không còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 của Nga và do đó

cần phải thay thế bằng dầu bôi trơn mới


các thông số của dầu bôi trơn vẫn còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83 của

Nga. Tuy nhiên, các tính chất của dầu không có thành phần nano suy giảm nhanh

100

hơn so với dầu bôi trơn tản nhiệt nano.

Với dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả đo cho thấy sau 250 giờ chạy các

tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83, dựa trên sự suy giảm

chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy của

dầu lên đến 500 giờ. Điều này là do tính chất ƣu việt của vật liệu nano cacbon với

vai trò nâng cao hệ số dẫn nhiệt và giữ ổn định các thông số kỹ thuật của dầu bôi

trơn tản nhiệt cũng nhƣ giảm ma sát, mài mòn cho động cơ.

101

Bảng 4.4. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử

động cơ xe tăng


Tiêu chuẩn

ГОСТ

6360-83

Dầu

thƣơng

phẩm

0 giờ

Dầu

thƣơng

phẩm

120 giờ

Chƣa

nano

0 giờ

Chƣa

nano

120 giờ

Dầu

nano

0 giờ

Dầu

nano

120 giờ

Dầu

nano

190 giờ

Dầu

nano

250 giờ


2 Độ nhớt động học ở 40ºC cSt 100 ÷ 150 120 152,5 119,5 123,7 122,5 124,5 126,3 128,8

3 Chỉ số độ nhớt cSt 85 ÷ 150 136,8 114,6 136,0 138,7 133,8 132,7 131,9 130,4





8 Sức căng bề mặt N/m 25,5 ÷ 30 27,0 25,0 27,8 26,7 28,1 27,9 27,7 27,4

9 Điểm đông đặc ºC -50 ÷ -25 -27,0 -31,0 -26,5 -27,8 -28,0 -28,4 -28,7 -29,1

102

4.3. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe thiết giáp

Hình 4.15. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe thiết giáp dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự

Quy trình thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt trên bệ thử động cơ xe thiết giáp

đƣợc thực hiện thông qua các bƣớc nhƣ sau:











103












Hình 4.16. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe thiết giáp





104

4.17. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ của

dầu đạt đến giá trị bão hòa là 44,6oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi chạy

máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano, nhiệt độ

bão hòa của dầu đạt 43,7oC, thấp hơn gần 1

oC so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Với

dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ bão hòa của dầu đạt đến giá trị bão hòa là

40,4oC, giảm đi khoảng 4,2

oC so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Kết quả này cho

thấy với sự xuất hiện của thành phần CNTs trong dầu bôi trơn, độ dẫn nhiệt của dầu

tăng lên đáng kể, đã giúp nâng cao đáng kể khả năng tản nhiệt cho động cơ.


Tƣơng tự nhƣ vậy hình 4.18 là kết quả khảo sát nhiệt độ của nƣớc trong quá

trình chạy động cơ với các loại dầu khác nhau tính theo giá trị trung bình trong

nhiều lần chạy thử. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng

phẩm, nhiệt độ của nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 45,2oC sau khoảng thời gian 20

phút kể từ khi chạy máy. Trong khi đó với dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành

phần nano, nhiệt độ bão của nƣớc hòa đạt 44,5oC; dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt

độ của nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 41,1oC, giảm đi khoảng 4,1

oC so với dầu bôi

trơn thƣơng phẩm. Kết quả này đƣợc giải thích: với sự xuất hiện của thành phần

CNTs trong dầu bôi trơn đã giúp giảm ma sát do đó giảm nhiệt độ của động cơ đồng

thời tăng độ dẫn nhiệt của dầu giúp nâng cao khả năng tản nhiệt cho động cơ.

105













Bảng 4.5. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe thiết giáp





106

Kết quả đo cho thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát

của động cơ xuống khoảng 1,24 lần so với dầu thƣơng phẩm.










liệu đáng kể cho động cơ đốt trong. Hình 4.19 là kết quả khảo sát tiêu hao nhiên

liệu của động cơ trên bệ thử trong trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm.


trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm

Kết quả khảo sát trên hình 4.19 cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng

phẩm trên bệ thử ở chế độ có tải, động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình

khoảng 23,2 lít/giờ. Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano

thì kết quả khảo sát trên hình 4.20 cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của

107

động cơ vào khoảng 22,8 lít/giờ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đƣợc khoảng 2% so

với dầu bôi trơn thƣơng phẩm.





108

Với trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả khảo sát đƣợc

thể hiện nhƣ trên hình 4.21 cho thấy động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình

vào khoảng 20,6 lít/giờ trên bệ thử ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy rằng dầu

bôi trơn tản nhiệt nano giúp tiết kiệm 11,21% nhiên liệu cho động cơ khi chạy thử

nghiệm trên bệ thử ở chế độ có tải. Đây là một kết quả tốt nhằm đặt nền tảng cho

việc thử nghiệm công cơ trên đƣờng trƣờng thực tế.


Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn tản nhiệt trong quá trình chạy thử

đƣợc trình bày trong bảng 4.6. Kết quả cho thấy sau 120 giờ chạy trên bệ thử, một

số thông số của dầu bôi trơn thƣơng phẩm không còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn

ГОСТ 6360-85 của Nga và do đó cần phải thay thế bằng dầu bôi trơn mới.


các thông số của dầu bôi trơn vẫn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 của Nga.

Tuy nhiên, các tính chất của dầu không có thành phần nano suy giảm nhanh hơn so

với dầu bôi trơn tản nhiệt nano.


tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85, và dựa trên sự suy

giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian

chạy của dầu lên đến 500 giờ. Điều này có đƣợc là nhờ tính chất ƣu việt của vật liệu

nano cacbon với vai trò nâng cao hệ số dẫn nhiệt và giữ ổn định các thông số kỹ

thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt cũng nhƣ giảm ma sát, mài mòn cho động cơ.

109

Bảng 4.6. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe

thiết giáp


Tiêu chuẩn

ГОСТ

6360-85

Dầu

thƣơng

phẩm

0 giờ

Dầu

thƣơng

phẩm

120 giờ

Chƣa

nano

0 giờ

Chƣa

nano

120 giờ

Dầu

nano

0 giờ

Dầu

nano

120 giờ

Dầu

nano

190 giờ

Dầu

nano

250 giờ



3 Chỉ số độ nhớt cSt 90 ÷ 150 149,1 121,9 149,5 136,1 148,7 146,2 144,4 141,7

4 Trị số kiểm tổng mg KOH/g 7 ÷ 8,5 7,8 7,1 7,9 7,5 8,4 8,3 8,1 7,9




8 Sức căng bề mặt N/m 25,5 ÷ 30 27,1 25,5 27,9 26,7 28,5 28,2 28,0 27,6

9 Điểm đông đặc ºC -50 ÷ -25 -26,0 -30,5 -26,5 -28,3 -28,5 -28,8 -29,1 -29,5

110

4.4. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe chở khí tài quân sự

Hình 4.22. Ảnh chụp thực tế bệ thử động cơ xe ZIL 131 dùng để thử nghiệm dầu

bôi trơn tản nhiệt nano tại Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự

Quy trình thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt trên bệ thử động cơ xe chở khí

tài quân sự đƣợc thực hiện thông qua các bƣớc nhƣ sau:














111









Hình 4.23. Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ xe ZIL131





4.24 là chi tiết kết quả khảo sát nhiệt độ của dầu trong quá trình chạy động cơ với

các loại dầu khác nhau tính theo giá trị trung bình trong nhiều lần chạy thử. Kết quả

112

khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ của dầu đạt đến

giá trị bão hòa là 45,4oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi chạy máy, dầu bôi

trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano, nhiệt độ bão hòa của dầu đạt 44,5oC.

Trong khi đó, đối với dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ bão hòa của dầu đạt đến

giá trị bão hòa là 41,2oC, giảm đi khoảng 4,3


Kết quả này cho thấy với sự xuất hiện của thành phần CNTs trong dầu bôi

trơn, độ dẫn nhiệt của dầu tăng lên đáng kể đồng thời làm giảm ma sát điều này

giúp nâng cao đáng kể khả năng tản nhiệt cho động cơ.


Hình 4.25 là kết quả khảo sát nhiệt độ của nƣớc trong quá trình chạy động cơ

với các loại dầu khác nhau tính theo giá trị trung bình trong nhiều lần chạy thử. Kết

quả cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, nhiệt độ của nƣớc đạt đến giá

trị bão hòa là 46,7oC sau khoảng thời gian 20 phút kể từ khi chạy máy, dầu bôi trơn

tản nhiệt không chứa thành phần nano, nhiệt độ bão hòa của nƣớc đạt 45,9oC. Với

dầu bôi trơn tản nhiệt nano, nhiệt độ của nƣớc đạt đến giá trị bão hòa là 42,5oC,

giảm đi khoảng 4,2oC so với dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Kết quả này đƣợc giải

thích: với sự xuất hiện của thành phần CNTs trong dầu bôi trơn đã giúp giảm ma sát

do đó giảm nhiệt độ của động cơ đồng thời tăng độ dẫn nhiệt của dầu giúp nâng cao

khả năng tản nhiệt cho động cơ.

113













Bảng 4.7. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ

xe chở khí tài quân sự





114

Kết qủa đo cho thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát

của động cơ xuống khoảng 1,29 lần so với dầu thƣơng phẩm.









liệu đáng kể cho động cơ đốt trong.



trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm.

Hình 4.26 là kết quả khảo sát sƣ tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử

trong trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm. Kết quả khảo sát trên hình

4.26 cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm trên bệ thử ở chế độ có tải,

động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình khoảng 24,7 lít/giờ.

115



Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt không chứa thành phần nano thì kết quả

khảo sát trên hình 4.27 cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của động cơ vào

khoảng 24,2 lít/giờ, đồng nghĩa với việc tiết kiệm đƣợc khoảng 2% so với dầu bôi

trơn thƣơng phẩm.Với trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả khảo

sát đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 4.28 cho thấy động cơ tiêu thụ lƣợng nhiên liệu

trung bình vào khoảng 22,8 lít/giờ trên bệ thử ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy

rằng dầu bôi trơn tản nhiệt nano giúp tiết kiệm 15,79% nhiên liệu cho động cơ khi

chạy thử nghiệm trên bệ thử ở chế độ có tải.

116




Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn tản nhiệt trong quá trình chạy thử

đƣợc thể hiện trong bảng 4.8. Kết quả cho thấy sau 120 giờ chạy trên bệ thử, một số

thông số của dầu bôi trơn thƣơng phẩm không còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ

17479.1-85 của Nga và do đó cần phải thay thế bằng dầu bôi trơn mới.


các thông số của dầu bôi trơn vẫn còn đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85

của Nga. Tuy nhiên, các tính chất của dầu không có thành phần nano suy giảm

nhanh hơn so với dầu bôi trơn tản nhiệt nano.


tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85, dựa trên sự suy

giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian

chạy của dầu lên đến 500 giờ. Điều này có đƣợc là do tính chất ƣu việt của vật liệu

nano cacbon với vai trò nâng cao hệ số dẫn nhiệt và giữ ổn định các thông số kỹ

thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt cũng nhƣ giảm ma sát, mài mòn cho động cơ.

117

Bảng 4.8. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của các loại dầu bôi trơn tản nhiệt sau quá trình chạy thử nghiệm trên bệ thử

động cơ xe chở khí tài quân sự


Tiêu chuẩn

ГОСТ

17479.1-85

Dầu

thƣơng

phẩm

0 giờ

Dầu

thƣơng

phẩm

120 giờ

Chƣa

nano

0 giờ

Chƣa

nano

120 giờ

Dầu

nano

0 giờ

Dầu

nano

120 giờ

Dầu

nano

190 giờ

Dầu

nano

250 giờ



3 Chỉ số độ nhớt cSt 100 ÷ 160 143,2 114,4 140,3 128,5 148,1 147,1 146,6 145,9





8 Sức căng bề mặt N/m 25,5 ÷ 30 27,5 25,6 27,8 26,7 28,9 28,7 28,5 28,3

9 Điểm đông đặc ºC -50 ÷ -25 -25,0 -28,0 -25,2 -27,4 -25,3 -27,8 -28,8 -29,5

118

4.5. Khảo sát dầu bôi trơn tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực tế

Sau giai đoạn thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên bệ thử động cơ đạt

kết quả tốt, chúng tôi tiếp tục chạy thử nghiệm thực tế trên xe quân sự nhằm đánh

giá thực tế độ bền, tuổi thọ, khả năng tản nhiệt, giảm ma sát và tiết kiệm nhiên liệu

cho động cơ của 02 loại xe bao gồm:

- Xe thiết giáp BTR-60 PB

- Xe chở khí tài quân sự ZIL 131

Quá trình thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe thiết giáp

BTR-60 PB đƣợc tiến hành tại Trƣờng Sỹ quan Lục quân I (Bộ Quốc Phòng), và xe

chở khí tài quân sự ZIL 131 đƣợc tiến hành tại Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự (Tổng

Cục Kỹ thuật – Bộ Quốc Phòng).

4.5.1. Thử nghiệm thực tế trên xe thiết giáp

- Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu

Hình 4.29: Ảnh chụp xe thiết giáp BTR-60 PB dùng trong chạy thử nghiệm thực tế

dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Trƣờng Sỹ quan Lục quân 1 thực hiện




119






liệu đáng kể cho động cơ đốt trong. Bảng 4.9 là kết quả khảo sát sự tiêu hao nhiên

liệu của động cơ xe thiết giáp sau quá trình chạy thử nghiệm thực tế cùng các thông

số của xe trong quá trình chạy thử.

Bảng 4.9: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thƣờng

và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe thiết giáp

STT Tính chất Đơn vị Giá trị

1 Tốc độ trung bình xe chạy với dầu thƣơng phẩm km/h 52,77

2 Quãng đƣờng xe chạy với dầu thƣơng phẩm km 5.066

3 Sự tiêu hao nhiên liệu của xe với dầu thƣơng

phẩm lít/100 km 60,9

4 Tốc độ trung bình xe chạy với dầu bôi trơn tản

nhiệt nano km/h 52,83

5 Quãng đƣờng xe chạy với dầu bôi trơn tản nhiệt

nano km 20.236

6 Sự tiêu hao nhiên liệu của xe với dầu bôi trơn tản

nhiệt nano lít/100 km 54,8

Dữ liệu trên bảng 4.9 cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, xe

thiết giáp tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình khoảng 60,9 lít trên quãng đƣờng 100

km ở tốc độ trung bình 52,8 km/h. Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết quả

khảo sát cho thấy động cơ xe tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình vào khoảng 54,8

lít/giờ ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy rằng dầu bôi trơn tản nhiệt nano giúp

tiết kiệm khoảng 10,19% nhiên liệu cho động cơ. Kết quả này thấp hơn một chút so

với kết quả trên bệ thử (11,21%), lý do có thể là vì sự ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ

môi trƣờng, địa hình, sức cản, tốc độ không ổn định, v.v... dẫn đến hiệu quả tiết

kiệm nhiên liệu của xe có phần suy giảm. Tuy nhiên đây cũng là kết quả rất tốt cho

thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano có hiệu quả thực tế cao.

120

Từ các kết quả trong bảng cũng cho thấy đối với dầu thƣơng phẩm khi xe

chạy đƣợc quãng đƣờng 5.066 km cần phải thay dầu nhớt mới cho động cơ, tuy

nhiên đối với dầu bôi trơn tản nhiệt mà chúng tôi chế tạo đƣợc thì quãng đƣờng xe

chạy lên đến 20.236 km. Điều này cho thấy khả năng giảm mài mòn cho động cơ

của dầu bôi trơn tản nhiệt.

4.5.2. Thử nghiệm thực tế trên xe chở khí tài quân sự

- Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu

Hình 4.30. Ảnh chụp xe chở khí tài quân sự ZIL 131 dùng trong chạy thử nghiệm

thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt nano do Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự thực hiện









liệu đáng kể cho động cơ đốt trong. Bảng 28 là kết quả khảo sát sự tiêu hao nhiên

121

liệu của động cơ xe chở khí tài sau quá trình chạy thử nghiệm thực tế cùng các

thông số của xe trong quá trình chạy thử.

Bảng 4.10. Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thƣờng

và dầu bôi trơn tản nhiệt nano trên xe ZIL 131

STT Tính chất Đơn vị Giá trị

1 Tốc độ trung bình xe chạy với dầu thƣơng phẩm km/h 63,12

2 Quãng đƣờng xe chạy với dầu thƣơng phẩm km 5.113

3 Sự tiêu hao nhiên liệu của xe với dầu thƣơng

phẩm lít/100 km 49,1

4 Tốc độ trung bình xe chạy với dầu bôi trơn tản

nhiệt nano km/h 63,21

5 Quãng đƣờng xe chạy với dầu bôi trơn tản nhiệt

nano km 20.041

6 Sự tiêu hao nhiên liệu của xe với dầu bôi trơn tản

nhiệt nano lít/100 km 41,5

Kết quả trong bảng 4.10 cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm, xe

chở khí tài tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình khoảng 49,1 lít trên quãng đƣờng

100 km ở tốc độ trung bình 63,1 km/h. Khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano, kết

quả khảo sát cho thấy động cơ xe tiêu thụ lƣợng nhiên liệu trung bình vào khoảng

41,5 lít/giờ ở cùng chế độ. Kết quả trên cho thấy rằng dầu bôi trơn tản nhiệt nano

giúp tiết kiệm khoảng 15,31% nhiên liệu cho động cơ. Kết quả này thấp hơn một

chút so với kết quả trên bệ thử (15,79%), lý do có thể là vì sự ảnh hƣởng của các

yếu tố nhƣ môi trƣờng, địa hình, sức cản, tốc độ không ổn định, v.v... dẫn đến hiệu

quả tiết kiệm nhiên liệu của xe có phần suy giảm. Tuy nhiên đây cũng là kết quả rất

tốt cho thấy dầu bôi trơn tản nhiệt nano có hiệu quả thực tế cao.

Tƣơng tự nhƣ trong thử nghiệm thực địa đối với xe thiết giáp. Đối với xe chở

khí tài quân sự cũng cho thấy đối với dầu thƣơng phẩm khi xe chạy đƣợc quãng

đƣờng 5.113 km cần phải thay dầu nhớt mới cho động cơ, tuy nhiên đối với dầu bôi

trơn tản nhiệt mà chúng tôi chế tạo đƣợc thì quãng đƣờng xe chạy lên đến 20.041

km, gấp 3,9 lần quãng đƣờng xe chạy của dầu thƣơng phẩm. Điều này cho thấy khả

năng giảm mài mòn cho động cơ của dầu bôi trơn tản nhiệt.

122

4.6. Thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt

cho đèn LED công suất lớn

Với những kết quả đạt đƣợc trong việc nghiên cứu về dầu bôi trơn tản nhiệt

cho động cơ đốt trong của một số thiết bị quân sự và mong muốn mở rộng ứng dụng

của dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo đƣợc, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu việc sử

dụng dầu bôi trơn tản nhiệt cho một số loại đèn LED có công suất lớn. Bƣớc đầu đã

đạt đƣợc một số kết quả khả quan, từ đó mở rộng ứng dụng của dầu bôi trơn tản

nhiệt chế tạo đƣợc

Để phân tán MWCNTs-OH trong poly-alpha-olefin (PAO), chúng tôi đã sử

dụng chất hoạt động bề mặt Tween-80 và một số chất phụ gia với dụng cụ siêu âm.

MWCNTs-OH đƣợc phân tán trong PAO với hàm lƣợng là 1% thể tích của

MWCNTs để thu đƣợc dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần nano cacbon. Các

chất lỏng MWCNTs/dầu nano có độ ổn định tốt [105, 106] do sử dụng ống nano -

cacbon và chất hoạt động bề mặt Tween-80. Điều này có đƣợc là do sự chuyển đổi

hydrophobic-hydrophilic của chất hoạt động bề mặt, sự hình thành của một nhóm

hydroxyl và chất hoạt động bề mặt Tween-80 cung cấp sức căng bề mặt thấp hơn

của chất lỏng và tăng độ ngâm của CNT [107, 108] Kết quả thực nghiệm đo nhiệt

độ của đèn LED 300W và đế tản nhiệt theo thời gian khi sử dụng dầu bôi trơn tản

nhiệt có chứa thành phần CNTs đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 4.31.

Nhiệt độ của chíp LED ở thời điểm ban đầu là 28ºC, sau đó nhiệt độ của chip

LED đạt đến giá trị bão hòa sau khoảng 45 phút hoạt động. Khi không sử dụng dầu

bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho hệ thống tản nhiệt thì nhiệt độ bão hòa

của chíp LED vào khoảng 84oC và nhiệt độ giàn tỏa nhiệt là 43ºC. Nhiệt độ của

chíp LED đạt giá trị bão hòa 76ºC và giàn tỏa nhiệt có nhiệt độ là 52ºC khi sử dụng

dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs với hàm lƣợng MWCNT tƣơng ứng là

1% thể tích. Các kết quả này đã chỉ ra rằng việc sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa

thành phần CNTs đã giúp cho nhiệt độ bão hòa của chip LED giảm xuống 8ºC so

với không sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt.

123

Hình 4.31: Đồ thị nhiệt độ của đèn pha LED 300W và giàn tỏa nhiệt theo thời gian

khi sử dụng và không sử dụng phƣơng pháp tản nhiệt bằng dầu bôi trơn tản nhiệt

chứa thành phần CNTs

Hiệu quả tản nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs đƣợc

giải thích qua cơ chế sau:

Thứ nhất: CNTs có độ dẫn nhiệt lớn (lên đến 2000 W/mK), nên khi phân tán

CNTs vào trong dầu PAO sẽ giúp nâng cao hơn độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn [109].

Cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt đã đƣợc giải thích chi tiết trong phần mô hình tính

toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Thứ hai: Độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tăng lên khi có thêm thành phần

CNTs [110], điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả của quá trình truyền nhiệt từ dầu ra

ngoài giàn tỏa nhiệt, với cách giải thích hoàn toàn tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp nhiệt

lƣợng truyền từ chíp LED vào dầu bôi trơn tản nhiệt.

124


Chƣơng này trình bày các kết quả ứng dụng vật liệu dầu bôi trơn nano cho

một số động cơ đốt trong của một số thiết bị quân sự nhƣ động cơ tàu thủy cỡ nhỏ,

động cơ xe tăng, động cơ xe thiết giáp và động cơ xe chở khí tài quân sự kết quả thu

đƣợc nhƣ sau:

- Đối với động cơ tàu thủy cỡ nhỏ, kết quả khảo sát cho thấy nhiệt độ nƣớc

và nhiệt độ dầu của bệ thử động cơ khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano giảm

khoảng 4,5oC so với khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không

có thành phần nano. Nhiên liệu của động cơ cũng tiết kiệm đƣợc 10,88% và hệ số

ma sát của động cơ giảm xuống 1,22 lần. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy sau

250 giờ chạy trên bệ thử vẫn dầu bôi trơn tản nhiệt nano vẫn đáp ứng rất tốt tiêu

chuẩn ГОСТ 12.337-84 và dự đoán có thể tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy

lên đến 500 giờ.

- Đối với động cơ xe tăng V2, kết quả khảo sát cho thấy nhiệt độ nƣớc và nhiệt

độ dầu của bệ thử động cơ khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano giảm khoảng

4,6oC so với khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không có thành

phần nano. Nhiên liệu của động cơ cũng tiết kiệm đƣợc 10,39% và hệ số ma sát của

động cơ giảm xuống 1,21 lần, sau 250 giờ chạy vẫn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ

6360-83 và dự đoán có thể tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy lên đến 500 giờ.

- Đối với động cơ xe thiết giáp BTR-60 PB, kết quả khảo sát cho thấy nhiệt

độ nƣớc và nhiệt độ dầu của bệ thử động cơ khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano

giảm khoảng 4,2oC so với khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn

không có thành phần nano. Nhiên liệu của động cơ cũng tiết kiệm đƣợc 11,21% và

hệ số ma sát của động cơ giảm xuống 1,24 lần, sau 250 giờ chạy vẫn còn đáp ứng

rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85, và dự đoán có thể tiếp tục nâng cao hơn nữa thời

gian chạy lên đến 500 giờ.

- Đối với động cơ xe chở khí tài quân sự ZIL 131, kết quả khảo sát cho thấy

nhiệt độ nƣớc và nhiệt độ dầu của bệ thử động cơ khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt

nano giảm khoảng 4,3oC so với khi sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm và dầu bôi

trơn không có thành phần nano. Nhiên liệu của động cơ cũng tiết kiệm đƣợc

125

15,79% và hệ số ma sát của động cơ giảm xuống 1,29 lần; sau 250 giờ chạy vẫn còn

đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85 và dự đoán có thể tiếp tục nâng cao

hơn nữa thời gian chạy lên đến 500 giờ.

- Đã tiến hành chạy thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thƣơng phẩm

và dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần cacbon nano trên xe thiết giáp BTR-60

PB. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano thì nhiên liệu

của xe thiết giáp tiết kiệm đƣợc khoảng 10,19% so với dầu thƣơng phẩm.

- Đã tiến hành chạy thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thƣơng phẩm

và dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần cacbon nano trên xe ZIL 131. Kết quả

khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano thì nhiên liệu của xe ZIL

131 tiết kiệm đƣợc khoảng 10,18% so với dầu thƣơng phẩm.

- Bƣớc đầu nghiên cứu, mở rộng ứng dụng của dầu bôi trơn tản nhiệt cho chíp

LED có công suất là 300 W. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dầu bôi

trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs giúp giảm nhiệt độ của đèn LED xuống 8ºC.

126

KẾT LUẬN CHUNG

Từ những kết quả nghiên cứu nhận đƣợc, có thể kết luận một số điểm chính

nhƣ sau:

1. Đã thành công trong việc biến tính vật liệu CNTs bằng phƣơng pháp hóa học và

tìm ra quy trình chung chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt. Bằng phƣơng pháp rung

siêu âm trong 60 phút, hàm lƣợng CNTs tối ƣu của CNTs trong dầu bôi trơn tản

nhiệt là 0,12% thể tích.

2. Đã xác định đƣợc hàm lƣợng tối ƣu của các chất phụ gia để pha chế dầu bôi

trơn tản nhiệt và khảo sát các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo đƣợc.

3. Đã sử dụng mô hình truyền nhiệt để tính toán độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản

nhiệt. Với hàm lƣợng của CNTs là 0,12% thể tích thì hệ số dẫn nhiệt đạt đến giá

trị 0,292 W/mK.

4. Đã tiến hành chạy thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon trên

bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ, xe tăng V2, xe thiết giáp BTR-60 PB, xe chở

khí tài quân sự ZIL 131. Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt độ nƣớc và nhiệt độ

dầu của bệ thử động cơ giảm khoảng 4,2oC – 4,6

oC so với khi sử dụng dầu bôi

trơn thƣơng phẩm và dầu bôi trơn không có thành phần nano. Nhiên liệu của

động cơ cũng tiết kiệm đƣợc 10,39% - 15,79% và hệ số ma sát của động cơ

giảm xuống 1,21-1,24 lần. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy các tính chất của

dầu bôi trơn tản nhiệt vẫn đáp ứng tốt tiêu chuẩn của Nga và dự đoán có thể tiếp

tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy lên đến 500 giờ. Đồng thời giúp tiết kiệm

nhiên liệu và giảm hệ số ma sát của động cơ đáng kể.

5. Đã tiến hành chạy thử nghiệm thực địa dầu bôi trơn tản nhiệt thƣơng phẩm và

dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần cacbon nano trên xe thiết giáp BTR-60

PB, xe ZIL 131. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt

nano giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn so với dầu thƣơng phẩm.

127

KIẾN NGHỊ VÀ KẾ HOẠCH TIẾP THEO

Dù đã đạt đƣợc một số kết quả khoa học có ý nghĩa nhƣ trình bày trong luận

án, các vấn đề khác nhƣ tính toán lý thuyết cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt của dầu

bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs và thực hiện phép đo độ dẫn nhiệt của dầu

bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs, khảo sát độ nhớt của dầu bôi trơn chứa

thành phần CNTs, khảo sát thế Zeta của dầu bôi trơn chứa CNTs, nghiên cứu ứng

dụng SWCNTs chất lỏng tản nhiệt, hay nghiên cứu so sánh giữa việc ứng dụng

MWCNTs chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu với các loại MWCNTs khác, nâng cao

các khả năng chống mài mòn, giảm ma sát… của dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành

phần nano cacbon cần đƣợc triển khai nghiên cứu. Trong thời gian tới, nếu có điều

kiện, chúng tôi mong muốn đƣợc tiếp tục triển khai các nghiên cứu trên và hy vọng

sẽ có đƣợc một số kết quả khoa học mới thú vị.

128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án

1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI

1. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Nguyen Tuan

Hong, Phan Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh, ―Carbon Nanotubes based

Lubricating Oils for UAZ 31512 Engines‖, Micro & Nano Letters, doi:

10.1049/mnl.2016.0280, pp. 636-639, (2016).

2. Manh Hong Nguyen, Hung Thang Bui, Van Trinh Pham, Ngoc Hong Phan,

Tuan Hong Nguyen, Van Chuc Nguyen, Dinh Quang Le, Hong Khoi Phan

and Ngoc Minh Phan, ―Thermo-mechanical properties of Carbon nanotubes

and applications in thermal management‖, Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology, 7, issue 3 (2016).

3. Dang Van Thanh, Nguyen Van Thien, Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc,

Nguyen Manh Hong, Bui Thi Trang, Tran Dai Lam, Dang Thi Thu Huyen,

Phan Ngoc Hong, Phan Ngoc Minh, ―A Highly Efficient and Facile

Approach for Fabricating Graphite Nanoplatelets‖, Journal of Electronic

Materials 45, 5, pp. 2522-2528 (2016).

1.2.Bài báo quốc tế khác

4. Ngoc Minh Phan, Hung Thang Bui, Manh Hong Nguyen and Hong Khoi

Phan, ―Carbon-nanotube-based liquids: a new class of nanomaterials and

their applications‖, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and

Nanotechnology, 5, 015014 (5pp) (2014).

5. Bui Hung Thang, Le Dinh Quang, Nguyen Manh Hong, Phan Hong Khoi,

and Phan Ngoc Minh, "Application of Multiwalled Carbon Nanotube

Nanofluid for 450 W LED Floodlight", Hindawi Publishing Corporation

Journal of Nanomaterials Volume 2014, Article ID 347909, (6 pp).

6. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang and Phan Ngoc Minh, "Calculation

the Thermal Conductivity of Nanofluids Containing Aligned Ultralong

Single Walled Carbon Nanotubes", Physical Science International Journal

10(1): 1-8, 2016, Article no.PSIJ.24520 ISSN: 2348-0130.

129

7. Pham Van Trinh, Nguyen Ngoc Anh, Bui Hung Thang, Le Dinh Quang,

Nguyen Tuan Hong, Nguyen Manh Hong, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc

Minh and Phan Ngoc Hong, "Enhanced thermal conductivity of nanofl uid-

based ethylen glycol containing Cu nanoparticles decorated on a Gr–

MWCNT hybrid material", RSC Adv., 2017, 7, 318.

1.3.Bài báo đăng trên tạp chí quốc gia

8. Nguyễn Mạnh Hồng, Bùi Hùng Thắng, Phan Hồng Khôi, Phan Ngọc Minh,

―Nghiên cứu dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần ống nano - cacbon cho

động cơ đốt trong‖, Tạp chí Khoa học Đại học Huế Vol 121, No 7-A

(2016).

9. Phạm Văn Trình, Phan Ngọc Hồng, Nguyễn Mạnh Hồng, Lê Đình Quang,

Cao Thị Thanh, Nguyễn Văn Chúc, Bùi Hùng Thắng, Phan Hồng Khôi và

Phan Ngọc Minh, ―Ứng dụng chất lỏng chứa thành phần ống nano - cacbon

đa tƣờng trong tản nhiệt cho đèn Led công suất lớn‖, Tạp chí khoa học và

công nghệ Việt Nam, Tập 2, 6, (2015).

1.4. Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học

10. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Nguyen Tuan

Hong, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh ―Carbon Nanotubes based

Lubricating Oils for Engines‖, The 11th Annual IEEE International

Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-

NEMS 2016), Matsushima Bay and Sendai MEMS City, Japan, 17-20 April,

2016 (invited speaker).

11. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi, and Phan Ngoc

Minh ―Lubricating oils containing multi-walled carbon nanotubes for

engine‖, The 5th International Workshop on Nanotechnology and

Application (IWNA 2015), 630-633.

12. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang,

Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, ―Heat Dissipated Structure for High

Brightness Light Emitting Diodes using Carbon Nanotubes based Oil‖, The

7th

International Workshop on Advanced Materials Science and

Nanotechnology (IWAMSN2014) - November 2-6, 2014 - Ha Long City,

http://joshueuni.edu.vn/index.php/TCKHDHH/issue/view/119

http://joshueuni.edu.vn/index.php/TCKHDHH/issue/view/119

130

Vietnam

13. Bùi Hùng Thắng, Nguyễn Mạnh Hồng, Phan Hồng Khôi, Phan Ngọc Minh,

―Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano cacbon trong dầu bôi trơn tản nhiệt‖,

Hội nghị VLCR 2015, 347-350.

2. Sáng chế liên quan đến luận án

– Tên sáng chế: "Quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano -

cacbon"; Chủ đơn: Trung tâm Phát triển công nghệ cao; Tác giả: Phan Ngọc

Minh, Nguyễn Mạnh Hồng, Bùi Hùng Thắng, Phan Hồng Khôi; Cục Sở

hữu trí tuệ chấp nhận đơn theo quyết định số 2563/QĐ-SHTT ngày

18/01/2016.

131

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Walvekar R., Faris I.A., Khalid M., Thermal conductivity of carbon nanotube

nanofluid – experimental and theoretical study, Heat Transfer - Asian

Research, 41, (2), pp. 145–163, 2012.

2. Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Ngo

Thi Thanh Tam, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, Simulation of thermal

dissipation in a μ-processor using carbon nanotubes based composite,

Computational Materials Science, 49, pp. S302–S306, 2010.

3. W. Francisco, F. V. Ferreira, E. V. Ferreira, L. S. Cividanes, A. R. Coutinho,

G. P. Thim, Functionalization of Multi-Walled Carbon Nanotube and

Mechanical Property of Epoxy-Based Nanocomposite, Journal of Aerospace

Technology and Management, vol.7 no.3, 2015.

4. Peter J.F. Harris, Carbon Nanotube Science: Synthesis, Properties and

Applications 2nd Edition, Cambridge University, 2011.

5. Hugh O. Pierson, Handbook of Carbon, Graphite, Diamonds and Fullerenes:

Properties, Processing and Applications, William Andrew, ISBN 0815517394,

2012.

6. Choudhary V, Gupta A, Polymer/Carbon nanotubes nanocomposites, Chapter

4, 2011 (Http:// http://www.intechopen.com/).

7. Mike Brungardt, Dallas Mann, High speed Next Generation Multiwall Carbon,

Mid-project Report, Colorado State University, 2016.

8. Soumia Benguediab, Abdelouahed Tounsi, Mohamed Zidour, Abdelwahed

Semmah, Chirality and scale effects on mechanical buckling properties of

zigzag double-walled carbon nanotubes, Composites Part B: Engineering, 57,

pp 21-24, 2014. .

9. Kumkum Sarangdevot and B. S. Sonigara, The wondrous world of carbon

nanotubes: Structure, synthesis, properties and applications, Journal of

Chemical and Pharmaceutical Research, 7(6):916-933, 2015.

10. M.Sammalkorpi, K.Kautto, A.Kuronenand, K.Kaski, Mechanical Properties of

Carbon Nanotubes,

http://www.lce.hut.fi/research/eas/nanosystems/proj_nanotubes/

http://www.lce.hut.fi/research/eas/nanosystems/proj_nanotubes/

132

11. Saito Y., and Inagaki M., Optical emission studies on chemical species in an

arc flame of fullerene/metallofullerene generator, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L954-

L957, 1993.

12. Meyyappan. M, Carbon nanotubes Science and Applications, NASA Ames

Research Center, 2005.

13. Daenen M., Fouw R. D., Hamers B., Janssen P. G. A., Schoteden K., and Veld

M. A. J., The wondrous world of carbon nanotubes, Eindhoven University of

Technology, 2003.

14. Ebbeesen T. W., Lezec H. J., Hiura H., Bennett J. W., Ghaemi H. F., and Thio

T., Electrical conductivity of individual carbon nanotubes, Nature 382, pp. 54-

56, 1996.

15. Wong E. W., Sheehan P. E., and Lieber C. M., Nanobeam mechanics:

elasticity, strength and toughness of nanorods and nanotubes, Science 277, pp.

1971-1975, 1997.

16. Gao G. H., Cagin T., and Goddard W. A., Energetics, structure, mechanical

and vibrational properties of single-walled carbon nanotubes,

Nanotechnology, 9(3), pp. 184-191, 1998.

17. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, Công nghệ nano điều khiển đến từng phân

tử nguyên tử, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 124- 138, 2005.

18. Antonio Sánchez, Rodrigo Cué Sampedro, Laura Peña-Parás & Erika Palacios-

Aguilar, Functionalization of carbon nanotubes and polymer compatibility

studies, Journal of Materials Science Research 3, 1, 12, doi:

10.5539/jmsr.v3n1p1, 2014.

19. Choongho Yu, Li Shi, Zhen Yao, Deyu Li, Arunava Majumdar, Thermal

conductance and thermopower of an individual singlewall carbon nanotube,

Nano Letters, 5(9):1842-1846, 2005.

20. Eric Pop, David Mann, Qian Wang, Kenneth Goodson, Hongjie Dai, Thermal

conductance of an individual single-wall carbon nanotube above room

temperature. Nano Letters, 6(1):96-100, 2006.

21. Motoo Fujii, Xing Zhang, Huaqing Xie, Hiroki Ago, Koji Takahashi, Tatsuya

Ikuta, Hidekazu Abe, Tetsuo Shimizu, Measuring the thermal conductivity of a

single carbon nanotube, Physical Review Letter, 95:065502, 2005.

133

22. Mingo N, Broido DA, Length dependence of carbon nanotube thermal

conductivity and the ―problem of long waves‖, Nano Letters, 5(7):1221-1225,

2015.

23. Song PC, Liu CH, Fan SS, Improving the thermal conductivity of

nanocomposites by increasing the length efficiency of loading carbon

nanotubes, Applied Physics Letters, 88:153111, 2006.

24. Zhongfan Liu, Liying Jiao, Yagang Yao, Xiaojun Xian Jin Zhang. Aligned,

ultralong single-walled carbon nanotubes: From synthesis, sorting, to

electronic devices, Advanced Materials, 22(21):2285– 2310, 2010.

25. Andrews Rod, Processing and Properties of Composite Materials Containing

Multiwalled Carbon Nanotubes, University of Kentucky, 2002.

26. Berber S., Kwon Y. K., and Tomanek D., Unusually high thermal conductivity

of carbon nanotubes, Physcial Review Letters, 84(20), pp. 4613- 4616, 2000.

27. Xie H., Cai A., and Wang X., Thermal diffusivity and conductivity of

multiwalled carbon nanotube arrays, Physics Letters A 369, pp. 120-123, 2007.

28. Panzer M. A., Zhang G., Mann D., Hu X., Pop E., Dai H., and Goodson K. E.,

Thermal properties of metal-coated vertically aligned single-wall nanotube

arrays, Journal of Heat Transfer, 130, pp. 052401-1-052401-9, 2008.

29. Michael P. Siegal, Thermal Management via Carbon Nanotubes for Power

Electronics, POC RC Seminar, 2016.

30. W. Yu, and Y. Li, Thermal performance enhancement in nanofluids containing

diamond nanoparticles, Journal of Physics D, vol. 42, no. 9, Article ID

095413, 2009.

31. Vincenzo Bianco, Oronzio Manca, Sergio Nardini, Kambiz Vafai, Heat

Transfer Enhancement with Nanofluids, CRC Press, ISBN 1482254026,

9781482254020, 2015.

32. Vikas Kumar, Arun Kumar Tiwari, Subrata Kumar Ghosh, Application of

nanofluids in plate heat exchanger: A review, Energy Conversion and

Management, Volume 105, pp. 1017-1036, 2015.

33. Nor Azwadi Che Sidik, Muhammad Noor Afiq Witri MohdYazid, Rizalman

Mamat, A review on the application of nanofluids in vehicle engine cooling

134

system, International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume

68, pp. 85-90, 2015.

34. Nor Azwadi CheSidik, Syahrullail Samion, Javad Ghaderian, Muhammad

Noor Afiq Witri Muhammad Yazid, Recent progress on the application of

nanofluids in minimum quantity lubrication machining: A review,

International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part A, pp. 79-

89, 2017.

35. M.Raja, R.Vijayan, P.Dineshkumar, M.Venkatesan, Review on nanofluids

characterization, heat transfer characteristics and applications, Renewable and

Sustainable Energy Reviews, Volume 64, pp. 163-173, 2016.

36. J. A. Eastman, S. U. S. Choi, S. Li, W. Yu, and L. J. Thompson, Anomalously

increased effective thermal conductivities of ethylen glycol-based nanofluids

containing copper nanoparticles, Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 6, pp.

718–720, 2001.

37. Y. T. Chen, W. C. Wei, S. W. Kang, and C. S. Yu, Effect of nanofluid on flat

heat pipe thermal performance, in Proceedings of the 24th IEEE

Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-

THERM '08), 2009.

38. C. H. Lo, T. T. Tsung, and L. C. Chen, Shape-controlled synthesis of Cu-based

nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis system (SANSS),

Journal of Crystal Growth, vol. 277, no. 1–4, pp. 636–642, 2005.

39. C. H. Lo, T. T. Tsung, L. C. Chen, C. H. Su, and H. M. Lin, Fabrication of

copper oxide nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis system

(SANSS), Journal of Nanoparticle Research, vol. 7, no. 2-3, pp. 313–320,

2005.

40. H. T. Zhu, Y. S. Lin, and Y. S. Yin, A novel one-step chemical method for

preparation of copper nanofluids, Journal of Colloid and Interface Science,

vol. 277, no. 1, pp. 100–103, 2014.

41. H. Bönnemann, S. S. Botha, B. Bladergroen, and V. M. Linkov, Monodisperse

copper- and silver-nanocolloids suitable for heat- conductive fluids, Applied

Organometallic Chemistry, vol. 19, no. 6, pp. 768–773, 2015.

135

42. A. K. Singh and V. S. Raykar, Microwave synthesis of silver nanofluids with

polyvinylpyrrolidone (PVP) and their transport properties, Colloid and

Polymer Science, vol. 286, no. 14-15, pp. 1667–1673, 2008.

43. Huaqing Xie and Lifei Chen, Review on the Preparation and Thermal

Performances of Carbon Nanotube Contained Nanofluids, J. Chem. Eng. Data,

56 (4), pp 1030–1041, 2011.

44. Y. Li, J. Zhou, S. Tung, E. Schneider, and S. Xi, A review on development of

nanofluid preparation and characterization, Powder Technology, vol. 196, no.

2, pp. 89–101, 2009.

45. Jiang L. Q., Gao L., Sun J, Production of aqueous colloidal dispersions of

carbon nanotubes, J. Colloid Interface Sci, 260, 89–94, 2013.

46. Nguyễn Thị Hƣơng, Nghiên cứu ứng dụng ống nano - cacbon trong chất lỏng

tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Khoa

học Tự nhiên, 2015.

47. Lifei Chen, Huaqing Xie, Yang Li, Wei Yu, Nano fluids containing carbon

nanotubes treated by mechanochemical reaction, Thermochimica Acta, 477,

21–24, 2008.

48. Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj, Investigation of Thermal

Conductivity and Viscosity of Carbon Nanotubes–Ethylen Glycol Nanofluids,

Heat Transfer Engineering, 33(9), pp. 821-827, 2012.

49. C. Y. Tsaia, H. T. Chiena, P. P. Dingb, B. Chanc, T. Y. Luhd, and P. H.

Chena, Effect of structural character of gold nanoparticles in nanofluid on heat

pipe thermal performance, Materials Letters, vol. 58, p. 1461, 2004.

50. S. C. Tzeng, C. W. Lin, and K. D. Huang, Heat transfer enhancement of

nanofluids in rotary blade coupling of four-wheel-drive vehicles, Acta

Mechanica, vol. 179, no. 1-2, pp. 11–23, 2005.

51. P. Naphon, P. Assadamongkol, and T. Borirak, Experimental investigation of

titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency, International

Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 35, no. 10, pp. 1316–1319,

2008.

136

52. Y. Hwang, H. S. Park, Lee J.K., W.H. Jung, Thermal conductivity and

lubrication characteristics of nanofluids, Current Applied Physics, 6, (1), p.

e67- e71, 2006.

53. Hong N. M., Thang B. H., Hong P. N., Hong N. T., Khoi P. H., Minh P. N.,

Carbon nanotubes based lubricating oils for engines, The 11th Annual IEEE

Int. Conf. On Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS

2016), Matsushima Bay and Sendai MEMS City, Japan, 17–20, 2016.

54. Ettefaghi E., Ahmadi H., Rashidi A., Nouralishahi A., Mohtasebi S.S.,

Preparation and thermal properties of oil-based nanofluid from multi-walled

carbon nanotubes and engine oil as nano-lubricant, International

Communications in Heat and Mass Transfer, 46, pp. 142–147, 2013.

55. Yi-Hsuan Hung, Jyun-Hong Chen, and Tun-Ping Teng, Feasibility assessment

of thermal management system for green power sources using nanofluid,

Journal of Nanomaterials, 2013, Article ID 321261:11, 2013.

56. Yulong Ding, Hajar Alias, Dongsheng Wen, Richard A. Williams, Heat

transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids),

International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(1–2), pp. 240–250, 2006.

57. Xie, H. Q.; Lee, H.; Youn, W.; Choi, M., Nanofluids containing multiwalled

carbon nanotubes and their enhanced thermal conductivities, J. Appl. Phys. 94,

4971–4975, 2003.

58. M. Kole and T. K. Dey, Thermal conductivity and viscosity of Al2O3

nanofluid based on car engine coolant, Journal of Physics D, vol. 43, no. 31,

Article ID 315501, 2010.

59. Wang, F., Arai, S., Endo, M., Metallization of multiwalled carbon nanotubes

with copper by an electroless deposition process, Electrochemistry

communications, vol. 6, pp. 1042-1044, 2000.

60. D. Singh, J. Toutbort, G. Chen, et al, Heavy vehicle systems optimization

merit review and peer evaluation,‖ Annual Report, Argonne National

Laboratory, 2006.

61. J. Routbort, et al., Argonne National Lab, Michellin North America, St. Gobain

Corp.,http://www1.eere.energy.gov/industry/nanomanufacturing/pdf

s/nanofluids industrial cooling.pdf, 2009.

http://www1.eere.energy.gov/industry/nanomanufacturing/pdf

137

62. K. V. Wong and O. de Leon, Applications of nanofluids: current and future,

Advances in Mechanical Engineering, vol. 2010, Article ID 519659, 2010.

63. http://96.30.12.13/execsumm/VU0319–Nanofluid%20for%20Cooling%20

Enhancement%20of%20Electrical%20Power%20Equipment.pdf.

64. Bharat Bhushan, Nanotribology and Nanomechanics: An Introduction,

Springer, ISBN 3319514334, 9783319514338, 2017.

65. Marika Torbacke, Ãsa Kassman Rudolphi, Elisabet Kassfeldt, Lubricants:

Introduction to Properties and Performance, John Wiley & Sons, ISBN

1118799712, 9781118799710, 2014.

66. Jun Qu, Huimin Luo, Miaofang Chi, Cheng Ma, Peter J.Blau, Sheng Dai,

Michael B.Viola, Comparison of an oil-miscible ionic liquid and ZDDP as a

lubricant anti-wear additive, Tribology International, Volume 71, pp. 88-97,

2014.

67. Wei Yu, Huaqing Xie, A review on nanofluids: preparation, stability

mechanisms, and applications, Journal of Nanomaterials - Special issue on

Advanced Nanohybrid Materials: Surface Modification and Applications

archive, Volume 2012, 2012.

68. Roy M. Mortier, Malcolm F. Fox, Stefan T. Orszulik, Book “Chemistry and

Technology of Lubricants”, ISBN 978-1-4020-8661-8, 2010.

69. Zhenyu J. Zhang, Dorin Simionesie and Carl Schaschke, Graphite and Hybrid

Nanomaterials as Lubricant Additives, Lubricants, pp. 2(2), 44-65;

doi:10.3390/lubricants2020044, 2014.

70. Wills J.G., Book “Lubrication fundamentals”, New York, Marcel Dekker Inc.,

ISBN 0-8247-6976-7, 1990.

71. Sasson Amir, Blomgren Atle, Knowledge Based Oil and Gas Industry,

Forskningsrapport, Handelshøyskolen BI, 2011.

72. Leslie R. Rudnick, Book “Lubricant Additives: Chemistry and Applications”,

CRC Press 2009.

73. George E. Totten, Book “Handbook of Lubrication and Tribology: Volume I

Application and Maintenance”, CRC Press 2006.

http://96.30.12.13/execsumm/VU0319�Nanofluid%20for%20Cooling

138

74. David W. Johnson and John E. Hils, Phosphate Esters, Thiophosphate Esters

and Metal Thiophosphates as Lubricant Additives, Lubricants, 1(4), pp. 132-

148, doi:10.3390/lubricants1040132, 2013.

75. N. Nunn, Z. Mahbooba, M. G.Ivanov, D. M. Ivanov, D. W. Brenner, O.

Shenderova, Tribological properties of polyalphaolefin oil modified with

nanocarbon additives, Diamond and Related Materials, 54, pp. 97-102, 2015.

76. Jun Qu, Dinesh G. Bansal, Bo Yu, Jane Y. Howe, Huimin Luo, Sheng Dai,

Huaqing Li, Peter J. Blau, Bruce G. Bunting, Gregory Mordukhovich, and

Donald J. Smolenski, Antiwear Performance and Mechanism of an Oil-

Miscible Ionic Liquid as a Lubricant Additive, ACS Applied Materials &

Interfaces, 4(2), pp. 997-1002, 2012.

77. Noura El Mehbad, Evaluation of Additives as Corrosion

Inhibitors/Antioxidants for High Quality Nano Emulsifiable Oils of

Metalworking Fluids, Journal of Surface Engineered Materials and Advanced

Technology, 4, pp. 155-163, 2014.

78. M. A. Kalam, H. H. Masjuki, M. Shahabuddin, M. Mofijur, Tribological

characteristics of amine phosphate and octylated/butylated diphenylamine

additives infused bio-lubricant, Energy Education Science and Technology

Part A: Energy Science and Research, 30(1): 123-136, 2012.

79. Don M. Pirro,Martin Webster,Ekkehard Daschner, Lubrication Fundamentals,

Third Edition, Revised and Expanded, CRC Press, ISBN 1498752918, 2016.

80. Wei Dai, Bassem Kheireddin, Hong Gao, Hong Liang, Roles of nanoparticles

in oil lubrication, Tribology International, Volume 102, pp. 88-98, 2016.

81. Feng Nan, Yi Xu, Binshi Xu, Fei Gao, Yixiong Wu, Zhuguo Li, Tribological

behaviors and wear mechanisms of ultrafine magnesium aluminum silicate

powders as lubricant additive, Tribology International, Volume 81, pp. 199-

208, 2015.

82. Shubrajit Bhaumik, Rishabh Maggirwar, Shubhabrata Datta, S.D.Pathak,

Analyses of anti-wear and extreme pressure properties of castor oil with zinc

oxide nano friction modifiers, Applied Surface Science, 2017.

83. https://vi.wikipedia.org/wiki/D%E1%BA%A7u_nh%E1%BB%9Dn

https://vi.wikipedia.org/wiki/D%E1%BA%A7u_nh%E1%BB%9Dn

139

84. Ou Zhougwen Xu Binshi Ding Peidao Ma Shining Qiao Yulin, Progress in

Application and Research of Nano-lubricating Materials, CNKI, Materials

Review, 2008.

85. Phan Ngọc Minh, Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong dầu bôi trơn, tản

nhiệt cho trang thiết bị quân sự, Dự án KHCN Trọng điểm cấp Viện Hàn lâm

KH&CN Việt Nam, 2016.

86. MG Ivanov, DM Ivanov, Chapter 14 – Nanodiamond Nanoparticles as

Additives to Lubricants, Ultananocrystalline Diamond (Second Edition), pp.

457–492, 2012.

87. Gholamreza Vakili-Nezhaad, Akram Dorany, Effect of Single-Walled Carbon

Nanotube on the Viscosity of Lubricants, Energy Procedia, 14, pp. 512 – 517,

2012.

88. Hojj Ahmadi, Ehsan-o-llah Ettefaghi, Alimorad Rashidi, Amideddin

Nouralishahi, Seyed Saeid Mohtasebi, Preparation and thermal properties of

oil-based nanofluid from multi-walled carbon nanotubes and engine oil as

nano-lubricant, International Communications in Heat and Mass Transfer,

Volume 46, pp. 142-147, 2013.

89. Nor Azwadi Che Sidik, Omer A. Alawi, H.A. Mohammed, A comprehensive

review of fundamentals, preparation and applications of nanorefrigerants,

International Communications in Heat and Mass Transfer, 54, pp. 81–95,

2014.

90. K. P. Lijesh, S. M. Muzakkir and Harish Hirani, Experimental Tribological

Performance Evaluation of Nano Lubricant Using Multi-Walled Carbon Nano-

Tubes (MWCNT), International Journal of Applied Engineering Research,

ISSN 0973-4562 Volume 10, Number 6, pp. 14543-14551, 2015.

91. Mohsen Baratpour, Arash Karimipour, Masoud Afrand, Somchai Wongwises,

Effects of temperature and concentration on the viscosity of nanofluids made

of single-wall carbon nanotubes in ethylen glycol, International

Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 74, pp. 108-113, 2016.

92. Hà Quốc Báng và cộng sự, Phụ gia cho dầu khoáng từ vật liệu ống nano -

cacbon: những nghiên cứu ban đầu, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 51 (3A),

tr. 346-353, 2013.

140

93. SZ Heris, M Fallahi, M Shanbedi, A Amiri, Heat transfer performance of two-

phase closed thermosyphon with oxidized CNT/water nanofluids, Heat and

Mass Transfer, 52 (1), pp. 85-93, 2016.

94. G. Ovejero, J. L. Sotelo, M. D. Romero, A. Rodríguez, M. A. Ocaña, G.

Rodríguez, and J. García, Multiwalled carbon nanotubes for liquid-phase

oxidation: Functionalization, characterization, and catalytic activity, Industrial

and Engineering Chemistry Research, 45, 7, 2206–2212, 2006, doi: 10.1021

/ie051079p.

95. Lifei Chen, Huaqing Xie and Wei Yu, “Functionalization methods of carbon

nanotubes and its applications”, Book “Carbon nanotubes applications on

electron devices” edited by Prof. Jose Mauricio Marulanda, InTech, 213 –

232, 2011, doi:10.5772/18547.

96. Thang B.H., Trinh P.V., Quang L.D., Huong N.T., Khoi P.H., Minh P.N., Heat

dissipation for the Intel Core i5 processor using multiwalled carbon-nanotube-

based ethylen glycol, Journal of the Korean Physical Society, 65, (3), pp. 312–

316, 2014.

97. Steven R. Hunt, Elliot J. Fuller, Brad L. Corso, and Philip G. Collins ,

Distinguishing carbon nanotube defect chemistry using scanning gate

spectroscopy, Phys. Rev. B 85, 235418, 2012.

98. In-Yup Jeon, Dong Wook Chang, Nanjundan Ashok Kumar and Jong-Beom

Baek, Functionalization of Carbon Nanotubes, Book Carbon Nanotubes -

Polymer Nanocomposites, InTech, Chap 5, ISBN 978-953-307-498-6, 2011.

99. D. Hemanth, Hrishikesh E. Patel, V. R. Rajeev Kumar, T. Sundararajan, T.

Pradeep, and Sarit K. Das, Model for heat conduction in nanofluids, Physical

Review Letters, 93, 14, 144301, 2004, doi:10.1103/physrevlett.93.144301

100. Gen Sheng Wu, Jue Kuan Yang, Shu Lin Ge, Yu Juan Wang, Min Hua Chen,

Yun Fei Chen, Thermal conductivity measurement for carbon-nanotube

suspensions with 3ω method, Advanced Materials Research, Vols. 60-61, pp.

394-398, 2009.

101. S. U. S. Choi, Z. G. Zhang, W. Yu, F. E. Lockwood, E. A. Grulke,

Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions,

Applied Physics Letters 79, 2252, 2001.

141

102. F.D.S. Marquis, L.P.F. Chibante, Improving the Heat Transfer of Nanofluids

and Nanolubricants with Carbon Nanotubes, The Journal of the Minerals,

Metals & Materials Society 57, 12, 32-43, 2015.

103. H E Patel, K B Anoop, T Sundararajan and Sarit K Das, Model for thermal

conductivity of CNT-nanofluids, Bulletin of Materials Science, 31, 3, 387–

390, doi: 10.1007/s12034-008-0060-y, 2008.

104. M. Thakur, D. Gangacharyulu, G. Singh, An Experimental Study on

Thermophysical Properties of Multiwalled Carbon Nanotubes, International

Journal of Engineering, 30(30 8), pp.1223-1230, 2017, doi:

10.5829/ije.2017.30.08b.15.

105. Saba Rashidi, Rashmi W., Chuah Teong Guan, Mohammad Khalid, A.

Fakhru'l-Razi, Faizah Md Yasin, Thermal Stability and Conductivity of

Carbon Nanotube Nanoflid using Xanthan Gum as Surfactant, Sains

Malaysiana 46(7), pp.1017–1024, 2017, DOI: 10.17576/jsm-2017-4607-02.

106. Suhaib Umer Ilyas, Rajashekhar Pendyala, Marneni Narahari, Stability and

thermal analysis of MWCNT-thermal oil-based nanofluids, Colloids and

Surfaces A, 527, pp. 11–22, 2017.

107. Sayantan Mukherjee, Somjit Paria, Preparation and Stability of Nanofluids-A

Review, Journal of Mechanical and Civil Engineering, 9, 2, 63-69, 2013.

108. Sandesh S. Chougule, S. K. Sahu, Thermal performance of automobile radiator

using carbon nanotube-water nanofluid—experimental study, Journal of

Thermal Science and Engineering Applications, 6 (4), 041009, 2014.

109. Sidra Aman, Ilyas Khan, Zulkhibri Ismail, Mohd Zuki Salleh & Qasem M. Al-

Mdallal, Heat transfer enhancement in free convection flw of CNTs Maxwell

nanoflids with four diffrent types of molecular liquids, Scientific Reports,

volume 7, Article number: 2445, 2017, doi:10.1038/s41598-017-01358-3

110. Si Chen, Email authorXiaoshu Zeng, Qiuhong Yuan, Effect of carbon

nanotube concentration on cooling behaviors of oil-based nanofluids during

the immersion quenching, Journal of Shanghai Jiaotong University (Science),

Volume 22, Issue 4, pp. 395–401, 2017.

142

PHỤ LỤC

Documents

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26388.pdfVIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC