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
……..….***…………
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
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
NGUYỄN MẠNH HỒNG
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
TEM
HRTEM
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng - Field Emitting Scanning
Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscope
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
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
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 ..............66
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 ...................................................................................................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
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 ..............................................................82
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 ..............................................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
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.......101
Bảng 4.5.
Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ xe thiết giáp ....105
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 ......................................................................................................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
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......................................................................................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
Hình 4.6.
Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ............91
Hình 4.7.
Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
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
Hình 4.12. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm .....................................98
Hình 4.13. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ............98
Hình 4.14. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
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
Hình 4.19. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm ...................................106
Hình 4.20. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ..........107
Hình 4.21. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
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
Hình 4.26. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn thƣơng phẩm. ..................................114
Hình 4.27. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
trƣờng hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano ..........115
Hình 4.28. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong
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
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
1
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
2
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 nanocacbon. Từ đó so sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm trên thế giới.
3
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 nanocacbon 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.
4
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 ~ 700oC 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].
5
- Xem thêm -