VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

PHẠM VĂN TRÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ
COMPOZIT NỀN KIM LOẠI GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU
ỐNG NANÔ CÁCBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Phan Ngọc Minh
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Đoàn Đình Phương

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại

Đề tài hướng tới những mục tiêu chính sau đây:
 Phát triển công nghệ nền chế tạo một số compozit kim loại dạng khối
được gia cường bằng ống nano cácbon theo phương pháp luyện kim
bột và nghiên cứu hiệu ứng gia cường của CNT đến một số tính chất
cơ - lý của vật liệu chế tạo.
 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu compozit CNT/kim loại trong ngành kỹ
thuật điện và điện tử, cụ thể ở đây là làm bộ phận tản nhiệt cho linh
kiện bán dẫn, điốt phát quang LED.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
 Nghiên cứu các phương pháp phân tán đều CNT lên bề mặt các hạt
kim loại (hạt thô) bằng phương pháp hoá học và vật lý.
 Nghiên cứu quy trình công nghệ kết khối bằng phương pháp ép nóng
đẳng tĩnh (HIP), phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS), kỹ thuật
biến dạng dẻo mãnh liệt và cán nguội.
 Nghiên cứu đặc trưng tính chất của vật liệu chế tạo
 Nghiên cứu chế tạo mẫu đế tản nhiệt cho đèn LED và thử nghiệm
1


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC TÍNH CHẤT
1.1. Vật liệu compozit nền kim loại
Compozit là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật
liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt hơn so
với các vật liệu ban đầu.
1.2. Vật liệu nanô cácbon
1.2.1. Cấu trúc vật liệu nano cácbon
Vật liệu CNT có chứa các nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hóa sp2.
CNTs có cấu trúc dạng ống được hình thành bới các tấm graphene cuộn
vào nhau, khoảng cách giữa các lớp graphene này được xác định bằng


1.3.1. Các phương pháp chế tạo
Có nhiều phương pháp chế tạo nanocompozit kim loại/CNTs và
chúng có thể được phân loại như sơ đồ hình 1.17 dưới đây.

Hình 1.17. Các phương pháp chế tạo compozit CNT/kim loại

1.3.2. Các tính chất của vật liệu
1.3.3. Các ứng dụng của vật liệu
Vật liệu compozit thông thường có chứa sợi cácbon được ứng dụng
rộng rãi như là vật liệu cấu trúc cho các ngành công nghiệp hàng không
vũ trụ, ô tô, giao thông vận tải, và làm bộ phận tản nhiệt cho các thiết bị
điện tử
3


Chương 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Một số phương pháp nghiên cứu được sử dụng được trình bày trên
hình 2.1.

Hình 2.1. Các phương pháp nghiên cứu

2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Khảo sát tính chất vật liệu ban đầu
2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu
Các phương pháp chế tạo vật liệu được trình bày như trên hình 2.8.

Hình 2.8. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu

Al+1,5%MWCNT (a-c) và mẫu bột Al+
2%MWCNT (d)

Phương pháp nghiền năng lượng cao cải tiến cho phép phân tán đều
CNT với bột nhôm và đồng đến hàm lượng 1,5% CNT. Tuy nhiên,
phương pháp này gây ra nhiều sai hỏng trong cấu trúc của CNT nhất so
với hai phương pháp còn lại.
5


3.1.3. Bằng phương pháp nghiền năng lượng thấp kết hợp chất kết dính
hữu cơ
Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp nghiền năng
lượng thấp kết hợp chất kết dính hữu cơ là EG được mô tả như hình 3.9

Hình 3.9. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Al bằng phương pháp
nghiền năng lượng thấp và sử dụng EG là chất kết dính

Hình 3.11. a) Ảnh SEM của hỗn hợp bột
CNT/Al với các hàm lượng CNT khác
nhau b) Al+0,5% CNT, c) Al+ 1%CNT,
d) Al+1,5% CNT và e-f) Al+2% CNT

Hình 3.12. a) Phổ Raman của vật
liệu CNT và hỗn hợp bột CNT/Al
sau khi nghiền và b) tỷ lệ ID/IG theo
tỷ lệ thành phần CNT khác nhau

Phương pháp sử dụng chất kết dính hữu cơ không những cải thiện
được khả năng phân tán của CNT mà còn tránh được những sai hỏng về

compozit MWCNT/Al với các tỷ lể
gia cường khác nhau

Hình 3.18. Phổ tán xạ raman mẫu
vât liệu MWCNT, P1 và S1

Từ kết quả này ta có thể kết luận rằng thành phần gia cường CNT
không ảnh hưởng gì đến quá trình lớn lên của hạt kim loai trong suốt quá
trình thiêu kết, khi nhiệt độ thiêu kết càng cao thì sự lớn lên của hạt càng
lớn.

Hình 3.19. Ảnh hiển vi quang học và phân bố kích thước hạt sau khi thiêu kết
tại cùng nhiệt độ là 600oC (a-c): a) Al, b) Al+1%CNT, c)Al+2%CNT và tại các
nhiệt độ thiêu kết khác nhau của mẫu vật liệu compozit Al+1.5%CNT (d-f): d)
600oC, e) 620oC và f) 640oC

Trên giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột P1 và S1 (hình 3.20), sự
tồn tại của các đỉnh đặc trưng Al và pha -Al2O3. Điều này chứng tỏ rằng
sự hình thành các pha ôxít được hình thành cả ở các mẫu hỗn hợp bột và
mẫu sau thiêu kết, các pha oxit này có thể được hình thành trong quá trình
nghiền năng lượng cao.
Tỷ trọng của vật liệu được xác định bằng phương pháp Archimedes.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ trọng vào nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh
8


và hàm lượng MWCNT như thể hiện trên hình 3.21. Từ đồ thị trên ta
thấy, khi hàm lượng CNT càng tăng thì tỷ trọng của vật liệu càng giảm.
với nhiệt độ ép nóng đẳng tĩnh 620oC tỷ trọng của vật liệu đạt giá trị lớn
nhất

Mẫu bột được chế tạo bằng kỹ thuật nghiền năng lượng thấp và chất hỗ
trợ kết dính

Hình 3.26. Mô hình khảo sát vi
cấu trúc và độ cứng của mẫu S1

Hình 3.27. Vi cấu trúc của mẫu S1
tại các vị trí khác nhau; ảnh bề mặt
a) từ tâm mẫu ra ngoài biên b)
vùng 1 c) vùng 2 và d) vùng 3; ảnh
mặt cắt e) từ tâm mẫu ra ngoài biên
f) vùng 1, g) vùng 2, và h) vùng 3.

Hình 3.28. Ảnh SEM bề mặt của mẫu S1 a-b) và
ảnh mặt cắt vùng 1 (c-d) vùng 2 (e-f), và vùng 3 (g-h).
10


Ảnh SEM của mẫu S1 được ăn mòn hóa học theo các mặt khác nhau
được thể hiện trên hình 3.28. Sự phân bố của MWCNT trên bề mặt được
hiện trên hình 3.28a-b, chứng tỏ sự phân bố của MWCNT trên bề mặt các
tấm Al. Trong khi đó ở các vùng mặt cắt ngang, ta thấy sự khác nhau về
quá trình kết khối cũng như sự phân bố của MWCNT giữa các lớp Al.
Độ cứng của vật liệu tăng khi hàm lượng MWCNT tăng lên từ S0
(43,5 HV) tới S1.5 (82,5 HV) và giảm với S2 (61,9 HV). Điều này có thể
ảnh hưởng bởi mật độ của mẫu S2 thấp và sự kết đám của MWCNT khi
hàm lượng MWCNT lớn hơn 1,5%.
Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của compozit được đo trong dải nhiệt độ
20-250oC được thể hiện trên hình 3.30a. Từ đồ thị ta thấy rằng CTE giảm

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của độ cứng vào các nhiệt độ ủ khác
nhau được thể hiện trên hình 3.35. Đối với mẫu compozit không có thành
phần MWCNT, xu hướng tăng giảm độ cứng tương tự như các mẫu chứa
MWCNT ngoại trừ với nhiệt độ ủ 100oC có giá trị là 104 HV cao hơn so
với mẫu không được ủ nhiệt (101 HV). Các mẫu được ủ với nhiệt độ lớn
hơn thì có giá trị độ cứng thấp hơn hơn hẳn.

Hình 3.35. Sự phụ thuộc của độ
cứng vật liệu compozit MWCNT/Al
theo hàm lượng MWCNT và nhiệt
độ ủ khác nhau

Hình 3.36. Giản đồ XRD của vật
liệu compozit MWCNT/Al có chứa
1,5%m CNT

Đã phát hiện hiệu ứng hóa bền thứ cấp đối với compozit CNT/Al kết
khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh, sau đó gia công xoắn áp lực
cao
3.2.3. Kết khối bằng kỹ thuật SPS
Bảng 3.5. Tính chất của vật liệu compozit DWCNT/Al chế tạo bằng SPS

13


Từ ảnh 3.39. ta thấy được sự phân bố của DWCNT trong nền kim loại
Al tương đối đồng đều, các sợi CNT phân bố riêng lẻ, khi hàm lượng
DWCNT tăng lên thì mật độ DWCNT trong các mẫu khối cũng tăng lên.

Hình 3.39. Sự phân bố của DWCNT trong nền Al sau khi thiêu kết bằng SPS

nhôm được sử dụng thì hệ số ma sat của compozit cũng giảm đi đáng kể
khoảng 3 lần (1N) và gần 4 lần (5N).

Hình 3.43. Đường COF đặc trưng của một số compozit DWCNT/Al đặc trưng
tương ứng với lực tải và bi khác nhau a) 1N- bi thép, b) 5N – bi thép, c)1N –
ôxít nhôm, và 5N- ôxít nhôm
15


Chương 4
CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU COMPOZIT CNTCu
4.1. Phương pháp phân tán MWCNT với bột Cu
Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu được mô tả như trên
hình 4.1.

Hình 4.1. Quy trình chế tạo hỗn hợp bột MWCNT/Cu bằng
phương pháp HEBM cải tiến

Hình 4.2. Phân bố của
MWCNT trong hỗn hợp bột
với các hàm lượng MWCNT
khác nhau

Hình 4.3 a) Phổ raman và b) tỷ lệ ID/IG của
hỗn hợp bột MWCNT/Cu theo các hàm
lượng khác nhau

Như được thể hiện trên hình 4.2, sau quá trình nghiền MWCNT
được phân tán đồng đều khi hàm lượng MWCNT đạt đến 1,5 % theo khối

nguội
Quy trình chế tạo compozit được thể hiện như trên hình 4.8

Hình 4.8. Sơ đồ mô tả quy trình gia công
compozit MWCNT/Cu bằng kỹ thuật cán

4.2.2.1. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu

Hình 4.10. Cấu trúc tế vi của mẫu compozit Cu+0,5%m CNT với
số lần cán khác nhau a-b) cán lần 1 và c-d) cán lần 2

Hình 4.11. a-b) Sự phân bố của CNT trong mẫu compozit MWCNT/Cu với
hàm lượng MWCNT là 1,5 % và c-d mẫu compozit chứa hàm lượng MWCNT
là 2%m sau khi cán

Hình 4.11 thể hiện sự phân bố của CNT trong nền Cu sau quá trình
cán. Với mẫu chứa hàm lượng CNT là 1,5%m ta thấy rằng CNT được
18


phân bố tương đối đồng đều và định vị tại các biên của hạt Cu. Sự phân
bố đồng đều của CNT làm tăng độ cứng đồng thời làm giảm hệ số ma sát
của vật liệu sẽ được thảo luận ở phần sau. Trong khi đó với mẫu compozit
chứa hàm lượng CNT là 2%m thì một số vết nứt đã được quan sát sau khi
cán như thể hiện trên hình 4.11c. Sự hình thành các vết nứt này nguyên
nhân là do sự kết đám của CNT (hình 4.11d). Điều này cũng phù hợp với
kết quả nghiên cứu phân tán CNT và bột Cu đã được trình bày ở phần
trên.
4.2.2.2. Tỷ trọng và độ cứng của vật liệu
Sau lần cán thứ nhất tỷ trọng được cải thiện hơn khoảng từ 8-10%

số ma sát của vật liệu càng giảm. Với tải trọng lớn hơn thì có hệ số ma sát
thấp hơn. Khi được gia cường với tỷ lệ MWCNT là 1,5% và được kiểm
tra với tải trọng 10 N thì hệ số ma sát của vật liệu compozit là 0,21 thấp
hơn 1/3 lần so với mẫu vật liệu Cu (0,68).

Hình 4.18. So sánh hiệu suất làm giảm hệ số ma sát của các loại compozit
CNT/Cu được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: thiêu kết xung plasma
(SPS), thiêu kết chân không (VC), hàn ma sát (FSP) và thiêu kết trong môi
trường khí bảo vệ và cán nguội (CS+CR).
20


4.2.2.4. Tính chất nhiệt và điện
Hệ số giãn nở nhiệt của compozit MWCNT/Cu
MWCNT có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và thấp hơn nhiều so với
Cu (16.5x10-6K-1), nhờ đó mà vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn Cu
nguyên chất.

Hình 4.19. Đồ thị biểu thị sự phụ
thuộc của hệ số giãn nở nhiệt
lượng MWCNT

Hình 4.20. Ảnh hưởng của hàm
lượng MWCNT tới điện trở suất
của vật liệu

Tính chất điện
Khi tăng hàm lượng MWCNT thì điện trở suất của vật liệu tăng lên
nhiều so với Cu nguyên chất chế tạo ở cùng điều kiện. Như được thể hiện
trên hình 4.19, với mẫu vật liệu sau khi thiêu.

 Đánh giá hiệu suất tản nhiệt của đế hỗ trợ làm bằng vật liệu
compozit CNT/Cu
Đánh giá hiệu suất tản nhiệt
 Phương pháp khảo sát
Cách bố trí các vị trí đo được thể hiện như trên hình 4.28 với các
điểm đo xác định là TCOB là nhiệt độ của chip LED được đặt ngay sau
chip LED, các nhiệt độ T1, T2, T3, T4 là nhiệt độ của các vị trí khác nhau
được xác định từ tâm chip LED ra ngoài biên của vỏ đèn LED, cách đều
nhau một khoảng cách là 1,5 cm.
22


Hình 4.29. Mô hình khảo sát phân bố nhiệt độ trên đế đền LED công suất
50W và cách bố trí các cặp nhiệt điện trên các điểm đo khác nhau

 Đánh giá hiệu suất tản nhiệt
Phân bố nhiệt độ của đèn LED được đo bởi 5 cặp nhiệt điện được đo
ở các vị trí khác nhau và sử dụng các đế tản nhiệt khác nhau.

Hình 4.30. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W
a) Không sử dụng đế tản nhiệt và b) sử dụng đế tản nhiệt bằng Cu

Hình 4.31. Phân bố nhiệt độ trên đèn LED công suất 50 W sử dụng
đế compozit MWCNT/Cu -0.5% CNT a) cán 1 lần và b) cán 2 lần
23