Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-cacbon cho động cơ đốt trong của thiết bị quân sự

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nhằm 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 được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Phương pháp nghiên cứu, kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: 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 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường - Field Emitting Scanning FESEM Electron Microscope TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao - High Resolution HRTEM 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 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 ............64 Hình 4.2: Dầu bôi trơn tản nhiệt nano cho bệ thử động cơ tàu thủy cỡ nhỏ ............65 Hình 4.3. Kết quả khảo sát nhiệt độ dầu với các loại dầu khác nhau .......................66 Hình 4.4. Kết quả khảo sát nhiệt độ nước động cơ với các loại dầu khác nhau ......67 Hình 4.5. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm ................................................69 Hình 4.6. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn không chứa thành phần nano .......................70 Hình 4.7. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano ...............................................70 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 nước 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 trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm .....................................98 Hình 4.13. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường 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 trường 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 nước 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 trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm ...................................106 Hình 4.20. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường 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 trường 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 nước 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 trường hợp sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm. ..................................114 Hình 4.27. Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu của động cơ trên bệ thử trong trường 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 trường hợp sử dụng dầu bôi trơn tản nhiệt nano .................................115 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 Trường 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 phương pháp tản nhiệt bằng dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs .........................................................123
MỞ ĐẦU Các trang thiết bị như 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 thương 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 tương đương 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 như 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 thước nano với nhiều tính năng ưu việt, vượt trội đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng. Nhiều nghiên cứu cho thấy việc đưa 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 như 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 ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng 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 được chế tạo ở Hoa Kỳ, một số nước ở Châu Âu, Hàn Quốc,... trong đó có các loại dầu đặc chủng dùng trong quân đội nhưng không được thương mại hóa. Vì vậy, việc làm chủ công nghệ để có thể tự sản xuất được ở trong nước 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 được – 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 được, tiến hành tối ưu hóa điều kiện công nghệ chế tạo đồng thời định hướng ứng dụng thực tiễn của dầu bôi trơn tản nhiệt chế tạo được. 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 - Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương 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). - Phương 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. - Phương pháp đo đạc một số tính chất của dầu bôi trơn chứa thành phần CNTs chế tạo được. 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 được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục. Luận án được cấu trúc trong 4 Chương: Chương 1: Trình bày tổng quan về ống nano-cacbon, chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano-cacbon, dầu bôi trơn tản nhiệt và tổng quan được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 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 phương 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 phương 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 như cách pha trộn dầu bôi trơn cũng đã được trình bày. Phần nghiên cứu trong và ngoài nước 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 nước cho đến thời điểm hiện tại. Chương 2: Trình bày các phương 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. Chương 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. 3
Chương 4: Trình bày kết quả thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo được 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 hướng, 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 được liệt kê. Luận án được 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 được 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 được 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 thường và giảm ma sát. 4
CHƯƠNG 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 Vật liệu cacbon cấu trúc nano dạng sợi lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1976 bằng phương pháp CVD bởi nhóm nghiên cứu M. Endo. Sau 15 năm, Tiến sỹ S. Iijima (Nhật Bản) trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene được tạo ra từ phương pháp hồ quang điện đã phát hiện ra một dạng thù hình mới của cacbon thông qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đặt tên vật liệu này là ống nano-cacbon (carbon nanotubes - CNTs) [3]. Kể từ năm 1991 đến nay đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng loại vật liệu mới này và đã cho nhiều kết quả nổi bật. Vật liệu CNTs đã mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn do sở hữu những tính chất hết sức độc đáo và ưu việt. Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, CNTs có nhiều tính năng như: Độ dẫn điện thay đổi theo kích thước và cấu trúc của ống nhẹ hơn thép 6 lần nhưng lại bền hơn thép cỡ 100 lần, chịu được 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 trường thấp. Bên cạnh khả năng tạo được vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị điện tử kích thước 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 được sử dụng như 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 được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano - cacbon được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự than chì. Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp3 trong kim cương, tạo ra những phân tử có độ bền đặc biệt. Các ống nano - cacbon thông thường được xếp thành các "sợi dây thừng" được giữ với nhau bằng lực Van der Waals [4, 5]. 5