Luận án Nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano - Cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

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 Người hướng 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 dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa được 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 hướng dẫn là GS.TS. Phan Ngọc Minh, người thầy đã định hướng cho tôi trong tư 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 người 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, Trường 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 người 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 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 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 nano- cacbon .............................................. 5 1.1.3. Các phương 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 phương pháp chế tạo ......................................................................... 16 1.2.3.Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs .................................................... 17 1.2.4. Ứng dụng của chất lỏng nano .................................................................. 19 1.3. Dầu bôi trơn tản nhiệt ..................................................................................... 20 1.3.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn ........................................................................ 20 1.3.2. Một số thông số của dầu bôi trơn ............................................................ 22 1.3.3. Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn .................................................... 23 1.3.4. Pha trộn dầu bôi trơn ............................................................................... 27 1.3.5. Dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon ......................................... 28 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực của luận án ......... 29 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 29 1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 31 1.4.3. Những vấn đề cần nghiên cứu trong lĩnh vực dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano - cacbon .................................................................................... 31 1.5. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 32 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 34 2.1. Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 34 2.1.1. Phương pháp biến tính CNTs .................................................................. 34 2.1.2. Phương pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano .................................. 35 2.1.3. Phương pháp đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu ..................................... 37 2.1.4. Phương pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano .................................... 40 2.2. Phương pháp mô hình hóa và tính toán lý thuyết ........................................... 40 2.3. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 41 2.3.1. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn tản nhiệt ....................................... 41 2.3.2. Nguyên liệu tản nhiệt ............................................................................... 42 2.4. Trang thiết bị chế tạo sử dụng trong nghiên cứu ............................................ 43 2.4.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn ............................................... 43 2.4.2. Một số thiết bị dùng trong chế tạo dầu bôi trơn chứa thành phần nano- cacbon ...................................................................................................... 43 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON ......................... 44 3.1. Kết quả biến tính CNTs .................................................................................. 44 3.2. Chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon ................................... 46 3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO ............................................... 46 3.2.2. Tối ưu hàm lượng CNTs trong trong dầu bôi trơn tản nhiệt nano ........... 48 3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs ............................................................................. 50 3.2.4. Tối ưu hàm lượng phụ gia đối với từng loại dầu bôi trơn tản nhiệt nano ................................................................................................................. 52 3.3. Tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn tản nhiệt ........................... 56 3.3.1. Tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt dầu bôi trơn ......................................... 56 3.3.2. So sánh kết quả với các nhóm nghiên cứu trên thế giới .......................... 57 3.4. Đánh giá một số tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được ...... 58 3.4.1. Độ nhớt .................................................................................................... 58 3.4.2. Các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt nano ............................ 59 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 62 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO- CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA THIẾT BỊ QUÂN SỰ ............................................................................................................... 64 4.1. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ .......................................... 64 4.1.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ bệ thử động cơ trong quá trình chạy thử ........ 66 4.1.2. Kết quả khảo sát độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ .................... 67 4.1.3. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động cơ ........................ 69 4.1.4. Kết quả khảo sát tính chất dầu bôi trơn trong quá trình chạy thử ........... 71 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 tế ........ 118 4.5.1. Thử nghiệm thực tế trên xe thiết giáp .................................................... 118 4.5.2. Thử nghiệm thực tế 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 chương 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 ....................................................................................... 130 PHỤ LỤC 141 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 trường - 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 lượng - Thermogravimetric Analysis XRD Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction MWCNT Ống nano cacbon đa tường - Muti-walled Carbon Nanotube SWCNT Ống nano cacbon đơn tường - 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 Nước 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] ..................... 18 Bảng 1.3. Thành phần dầu bôi trơn thương phẩm [83, 84] ...................................... 28 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 ..................................................... 52 Bảng 3.2. Hàm lượng 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 ưu hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích ................................ 53 Bảng 3.3. Hàm lượng 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 ưu hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích ....................................... 54 Bảng 3.4. Hàm lượng 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 ưu hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích ......................... 54 Bảng 3.5. Hàm lượng 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 ưu hóa trên cơ sở hàm lượng của CNTs là 0,12% thể tích .............. 55 Bảng 3.6. So sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo được với dầu bôi trơn thương phẩm và dầu không chứa thành phần nano dùng cho tàu thủy cỡ nhỏ .............................................................................. 60 Bảng 3.7. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano đã chế tạo được, dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe tăng ............................................................................... 61 Bảng 3.8. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được với dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe thiết giáp ...................................................................................... 61 Bảng 3.9. Tổng hợp và so sánh các tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt nano chế tạo được với dầu thương phẩm và dầu bôi trơn không chứa nano cho động cơ xe chở khí tài quân sự ....................................................... 62 Bảng 4.1. Kết quả đo độ giảm hệ số ma sát trên bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ ... 68 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 ........................................................ 1 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 .............................................. 1 động cơ xe tăng ........................................................................................................... 1 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 ........... 1 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 ................................................................ 1 Bảng 4.9: Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm thực tế dầu bôi trơn tản nhiệt thường 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 thường 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 được 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 được bằng phương 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 (đường nét liền) và của graphit (đường 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 nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [48] ............... 18 Hình 1.12. Một số loại dầu bôi trơn trên thế giới ..................................................... 29 Hình 2.1. Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs .. 34 Hình 2.2. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt nano tại phòng thí nghiệm ................................................................................... 36 Hình 2.3. Quá trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa CNTs ................................ 37 Hình 3.1. Sơ đồ quy trình chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nano cacbon cho thiết bị quân sự .......................................................... 46 Hình 3.2. Quy trình để phân tán CNTs trong dầu gốc.............................................. 47 Hình 3.3. Phổ phân bố kích thước của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt đo trên thiết bị Zeta-Sizer với các trường hợp khác nhau: Rung siêu âm 40 phút (a), rung siêu âm 50 phút (b) và rung siêu âm 60 phút (c) .................... 49 Hình 3.4: Dầu bôi trơn chứa thành phần ống nano - cacbon chế tạo được .............. 50 Hình 3.5: Phổ phân bố kích thước đo trên thiết bị Zeta-Sizer của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt với hàm lượng 0,13% thể tích và thời gian rung siêu âm là 60 phút ......................................................................................... 50 Hình 3.6. 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 lượng CNTs khác nhau .. 56 Hình 3.7. 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 ................................................................................................ 58 Hình 3.8. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 40oC ........................................................... 58 Hình 3.9. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu bôi trơn tản nhiệt theo nồng độ của CNTs trong dầu ở nhiệt độ 100oC ......................................................... 59 Hình 4.1: Ảnh c