NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26386.pdf · – Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số : 9.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ

– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

GS.TS Phan Ngọc Minh

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

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

tại Học viện Khoa học và Công nghệ-Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam vào hồi.....giờ.....ngày....tháng......năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1. Tính chấp thiết của luận án

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. 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.

Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy việc sử dụng vật liệu

CNTs vào dầu tản nhiệt 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 tản nhiệt đặc chủng dùng trong quân đội sử

dụng vật liệu nano cacbon đã được chế tạo ở Hoa Kỳ, một số nước ở

Châu Âu, Hàn Quốc,... 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 nhất là 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 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.

2. Mục tiêu nghiên cứu 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 dầu tản nhiệt

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

bị quân sự

2

3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

– 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 được

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.

4. Bố cục của luận án

Luận án gồm 142 trang: Mở đầu - 04 trang; Chương 1: Tổng quan

về chất lỏng chứa nano cacbon – 39 trang; Chương 2: Các phương

pháp thực nghiệm – 10 trang; Chương 3: Kết quả chế tạo dầu tản

nhiệt chứa nano cacbon – 31 trang; Chương 4: Ứng dụng dầu bôi trơn

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

quân sự - 41 trang; Kết luận chung – 02 trang; Danh mục các công

trình đã công bố - 03 trang; Tài liệu tham khảo – 11 trang.

5. 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.

3

- 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.

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

Vật liệu nano cacbon là một trong những vật liệu có kích thước

nano đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao, thường tồn

tại ở hai dạng: Ống nano-cacbon (CNTs) và sợi nano cacbon (CNF).

Năm 1991 Sumio Iijma làm việc ở hãng NEC (Nhật) đã phát hiện

những tinh thể nhỏ dạng như cái ống rỗng đường kính ống vào cỡ 1,4

nm còn dài có thể đến vài µm thậm chí là milimet. Ngay sau đó, phát

hiện này được công bố trên tạp chí Nature và người ta gọi đó là ống

nano cacbon (CNTs).

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

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 thường được xếp

thành các "sợi dây thừng" giữ với nhau bằng lực Van der Waals.

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

được gọi là ống nano cacbon đơn tường (SWCNT) và ống nano

cacbon đa lớp hay còn được gọi là ống nano cacbon đa tường

(MWCNTs).

4

1.1.3. Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật

liệu CNTs, phổ biến nhất là phương pháp bốc bay laze và phương

pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD).

1.1.4. Một số tính chất của vật liệu ống nano cacbon

1.1.4.1. Tính chất cơ học

Vật liệu CNT có nhiều tính chất cơ học rất đặc biệt như: độ bền cao,

độ đàn hồi cao, độ cứng lớn hơn hẳn so với một số vật liệu khác.

1.1.4.2. Tính chất quang và quang điện

Những sai hỏng cấu trúc của ống nano cacbon đặc biệt là đối với

SWCNT, dẫn tới sự xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng

hoàn toàn được xác định, đó chính là cơ sở cho những ứng dụng

quang và quang điện của CNTs.

1.1.4.3. Tính chất nhiệt

CNT có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống. Độ dẫn

nhiệt tốt của vật liệu CNT đã mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng

vật liệu CNT tản nhiệt trong các linh kiện điện tử công suất cao như

LED, CPU, v.v…

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

1.2.1. Khái niệm chất lỏng nano

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

cách phân tán các vật liệu kích thước nanomet trong một nền chất lỏng cơ

sở như: Nước, dầu, ethylene glycol… Nói cách khác, chất lỏng nano là hệ

thống hai pha bao gồm một pha rắn nằm trong một pha lỏng.

1.2.2. Các phương pháp chế tạo

Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay người ta sử dụng hai phương

pháp chính, bao gồm: Phương pháp hai bước (Two - Step Method) và

phương pháp một bước (One - Step Method).

5

1.2.3. Chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

1.2.3.1. Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs

Cho đến nay phương pháp hai bước được sử dụng ở tất cả các

nghiên cứu được biết đến. Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo chất

lỏng nano chứa thành phần CNTs là tránh được sự tụ đám và tạo độ

ổn định lâu dài trong chất lỏng.

1.2.3.2. Tính chất nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs

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

tính chất ưu việt. CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt

lớn hơn từ 4.000 - 12.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng.

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

Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth:

1(1 )

p m

eff m

m p

k rk k

k r

Mô hình dẫn nhiệt của H E Patel

1(1 )

s leff l

l s

k rk k

k r

Tuy nhiên có thể thấy mô hình của H E Patel vẫn chưa hoàn toàn

chính xác và kết quả tính toán vẫn cao hơn so với kết quả thực nghiệm.

1.2.4. Ứng dụng của chất lỏng nano

Chất lỏng nano có nhiều ứng dụng trong thực tế đặc biệt là trong

các lĩnh vực như: tản nhiệt cho linh kiện điện tử, tản nhiệt cho động

cơ, tản nhiệt trong công nghiệp và tản nhiệt trong lĩnh vực không

quân và quốc phòng

1.3. Dầu bôi trơn tản nhiệt

1.3.1. Giới thiệu về dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn là sản phẩm cuối cùng từ hai thành phần dầu gốc và

các chất phụ gia. Dầu bôi trơn có nhiều công dụng như: bôi trơn,

chống ăn mòn kim loại, làm sạch chi tiết, mát máy và kín máy…

6

1.3.2. Một số thông số của dầu bôi trơn

Có 2 chỉ số quan trọng cần lưu ý là SAE và API:

- Chỉ số SAE: Chỉ số SAE là chỉ số phân loại dầu nhớt theo nhiệt

độ ở 1000C và -18

0C của hiệp hội kĩ sư Hoa Kỳ.

- Chỉ số API: Chỉ số API la chỉ số đánh giá chất lượng dầu nhớt

của Viện dầu Hoa Kỳ (American Petroleum Institute).

1.3.3. Các chất phụ gia có trong dầu bôi trơn

Phụ gia là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ thậm chí là những

nguyên tố hóa học được thêm vào chất bôi trơn nhằm nâng cao hay

mang lại những tính chất mong muốn. Các loại phụ gia thường sử

dụng trong dầu tản nhiệt là: phụ gia tăng chỉ số độ nhớt, phụ gia

chống oxy hóa, phụ gia tẩy rửa, phụ gia phân tán, phụ gia ức chế ăn

mòn, phụ gia ức chế tẩy gỉ, phụ gia biến tính giảm ma sát…

1.3.4. Pha trộn dầu bôi trơn

Vấn đề pha chế dầu bôi trơn động cơ là một công việc phức tạp,

tốn kém, đòi hỏi nhiều ngành kỹ thuật tham gia, nó cũng là sức cạnh

tranh của các công ty dầu bôi trơn. Thành phần, tỷ lệ các chất phụ gia

trong dầu gốc là yếu tố quan trọng ra dầu thành phẩm chất lượng cao,

không những làm giảm những mặt hạn chế của dầu gốc, nâng cao

phẩm cấp đối với các chất đã có sẵn của dầu và tạo cho dầu bôi trơn

những tính chất mới cần thiết.

1.3.5. Dầu tản nhiệt chứa ống nano-cacbon

Trong dầu bôi trơn nano, các phân tử nano cacbon phân tán đều

trong dầu với kích thước nhỏ khi tiếp xúc với bề mặt kim loại nó sẽ

tạo thành một lớp màng bảo vệ cho các chi tiết. Khi nhiệt độ và áp

suất trong động cơ tăng thì các phân tử nano cacbon tạo thành một

lớp màng bảo vệ bền chắc, điều này giúp cho việc bôi trơn chống ma

sát càng trở nên hữu hiệu, các chi tiết của động cơ đốt trong không bị

7

mài mòn, giảm ma sát tối đa.

Dầu bôi trơn sử dụng vật liệu nano cacbon chịu được áp lực cao,

làm kín buồng đốt trong động cơ, do đó giảm thiểu tối đa sự rò rỉ

nhiên liệu và các tạp chất sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu,

giúp cho động cơ luôn sạch, tiết kiệm nhiên liệu và chống được sự

hình thành cặn bẩn ở đáy caste động cơ.

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

luận án

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến dầu bôi trơn

chứa thành phần nano cacbon. Dầu tản nhiệt chứa thành phần CNTs

nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên thế giới.

1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay tại Việt Nam chưa có tác giả nào công bố các kết quả

nghiên cứu về dầu tản nhiệt chứa thành phần CNTs sử dụng cho động

cơ đốt trong mà chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu phân tán CNTs trong

dầu gốc.

Từ đó chúng tôi mong muốn có thể làm chủ trong việc chế tạo

được dầu tản nhiệt, tiếp đó mở rộng nghiên cứu sâu hơn về khả năng

bôi trơn, chống mài mòn, giảm ma sát, tiết kiệm nhiên liệu của dầu

bôi trơn nano cho động cơ đốt trong.

Chƣơng 2 – CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phƣơng pháp thực nghiệm

2.1.1. Phương pháp biến tính CNTs

Sử dụng phương pháp biến tính hóa học bằng cách sử dụng chất

oxi hóa mạnh. Các nhóm chức dùng để gắn kết lên bề mặt CNTs

nhóm chức –COOH và nhóm chức –OH.

8

2.1.2. Phương pháp pha trộn dầu bôi trơn tản nhiệt nano

Mỗi loại động cơ có đặc điểm riêng về cấu trúc, công suất, nhiên

liệu, điều kiện môi trường hoạt động... nên mỗi loại động cơ có

những đòi hỏi riêng về tiêu chuẩn kỹ thuật của dầu bôi trơn.

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

Để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu CNTs cũng như dầu

tản nhiệt nano, chúng tôi đã sử dụng một số phương pháp đo như:

Hiển vi điện tử quét SEM, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng

ngoại FTIR và phép đo phổ phân tán theo kích thước Zeta-Sizer.

2.1.4. Phương pháp đo đạc thông số kỹ thuật dầu nano

Để đo đạc khảo sát các thông số kỹ thuật dầu tản nhiệt nano sử

dụng một số thiết bị đo như: Máy đo độ nhớt động học 9410P (Bỉ),

thiết bị đo giá trị kiềm tổng, thiết bị đo chỉ số căng mặt ngoài, tổng

hàm lượng kim loại, điểm đông đặc của dầu, thiết bị đo độ dẫn nhiệt.

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

Tìm hiểu các mô hình tính toán lý thuyết của các nhóm nghiên

cứu khác nhau trên thế giới. Từ đó xây dựng một mô hình tính toán

lý thuyết khắc phục các hạn chế còn tồn tại với độ chính xác cao hơn

so với các mô hình tính toán lý thuyết được biết đến trước đó.

2.3. Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

2.3.1. Nguyên liệu phụ gia cho dầu bôi trơn

Sử dụng một số phụ gia như: Phụ gia chống mài mòn

(Triphenylphosphorothionat), phụ gia ức chế gỉ (Alkylated Succinic

axit), phụ gia biến tính giảm ma sát (Molybdenum Disulfit), phụ gia

ức chế bọt (Etylen bis Stearamit), phụ gia chống oxy hóa (Kẽm di-

ankyl di-thiophotphat)…

2.3.2. Nguyên liệu tản nhiệt

- Vật liệu ống nano-cacbon.

9

- Dầu gốc Poly-Alpha-Olefins (Mỹ)

- Chất hoạt động bề mặt Tween-80 (Sigma Aldrich)

- Các hóa chất biến tính CNTs: HNO3 (Merck), H2SO4 (Merck),

SOCl2 (Sigma Aldrich), H2O2 (Merck), ...

- Một số dung môi khác: Nước cất, etanol, axeton, ...

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

2.4.1. Thiết bị phân tán CNT trong dầu bôi trơn

Các trang thiết bị được sử dụng để phục vụ cho việc phân tán

CNTs trong dầu bôi trơn sử dụng trong luận án bao gồm: máy rung

siêu âm Microson XL2000; bể rung siêu âm Elma S40H; máy khuấy.

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

phần nano cacbon

+ Một số thiết bị chế tạo vật liệu khác như: Máy lọc hút chân

không, cân vi lượng, tủ hút, tủ sấy chân không, ...

Chƣơng 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ CHẾ

TẠO DẦU TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG NANO-CACBON

3.1. Kết quả biến tính CNTs

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

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

10

Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs - COOH cho thấy sự xuất

hiện thêm một số đỉnh sau khi CNTs được xử lý bằng hỗn hợp axit

H2SO4 và HNO3. Kết quả đã khẳng định hỗn hợp axit trên đã tạo ra

các nhóm chức trên bề mặt của CNTs.

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

biến tính gắn nhóm –COOH và CNTs biến tính gắn nhóm –OH

Trên phổ tán xạ thấy hai dải phổ đặc trưng là dải D (1333,69 cm-1

)

và dải G (1583,10 cm-1

). Tỷ lệ cường độ đỉnh (ID /IG) tại dải D và

dải G là 0,99 và 1,87 tương ứng với vật liệu CNTs - COOH và CNTs

- OH, lớn hơn so với CNTs chưa biến tính (ID/IG = 0,79). Tỷ lệ

cường độ của đỉnh D và đỉnh G thay đổi đã khẳng định sự thay đổi về

cấu trúc trên bề mặt của CNTs.

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

3.2.1. Phân tán CNTs – OH trong dầu gốc PAO

Kết hợp với quá trình nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi đã tìm ra

quy trình phân tán CNTs-OH đồng đều vào trong dầu gốc PAO như

được mô tả trên hình 3.4

11

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

3.2.2. Tối ưu hàm lượng CNTs trong trong dầu tản nhiệt nano

Qua nghiên cứu chúng tôi thấy rằng thời gian rung siêu âm tối thiểu

để phân tán tốt CNTs cùng chất phụ gia trong dầu gốc là 60 phút.

Khả năng phân tán của CNTs trong dầu đạt đến giá trị bão hòa là

0,12% thể tích, khi vượt quá giá trị này CNTs sẽ không phân tán tốt

trong dầu và sẽ xảy ra hiện tượng tụ đám khi hàm lượng của CNTs

trong dầu là 0,13% thể tích.

3.2.3. Cơ chế phân tán CNTs

Việc CNTs có thể phân tán tốt trong dầu tản nhiệt một cách đồng

đều với quy trình như trên có thể được giải thích thông qua các cơ

chế như sau:

- Biến tính hóa học: giúp tăng khả năng tương tác hóa học với

môi trường hoặc tạo tương tác đẩy giữa các ống với nhau.

- Chất hoạt động bề mặt: làm tăng lực liên kết giữa nước với

vật liệu CNTs, góp phần vào việc tăng cường khả năng phân

tán của CNTs vào trong nền chất lỏng.

Hoạt động bề

mặt Tween-80

CNTs biến

tính

Khuấy trộn

Hỗn hợp

CNTs/Tween 80

Dầu gốc

PAO

Khuấy

trộn

Hỗn hợp

dầu gốc

Rung siêu âm

công suất

100W (2 giai đoạn)

Dầu gốc

PAO chứa

CNTs phân

tán đều

12

- Rung siêu âm: cung cấp năng lượng dạng nhiệt hoặc tăng tính

linh động, tính hoạt động và khả năng di chuyển của các ống

3.2.4. Tối ưu hàm lượng phụ gia đối với từng loại dầu tản nhiệt nano

Do mỗi loại động cơ có đặc điểm riêng về cấu trúc, công suất,

nhiên liệu, điều kiện môi trường hoạt động, v.v... nên mỗi loại động

cơ này có những đòi hỏi riêng về tiêu chuẩn kỹ thuật của dầu bôi trơn

dành cho nó.

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

dầu bôi trơn nano

3.3.1. Xây dựng mô hình truyền nhiệt

Công thức tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs

sau khi đã xét đến hình dạng ống của CNTs cũng như xét đến độ dẫn

nhiệt bất đẳng hướng của CNTs:

11

3 1

eff CNT l

l l CNT

k k r

k k r

3.3.2. So sánh mô hình truyền nhiệt với các nhóm thực nghiệm

trên thế giới

Qua tính toán lý thuyết của chúng tôi so sánh với kết quả thực

nghiệm của nhóm nghiên cứu trên thế giới như Hwang (2006), nhóm

Lifei Chen (2008), nhóm Gensheng Wu (2009). Kết quả nghiên cứu

cho thấy tính toán lý thuyết của chúng tôi phù hợp với kết quả thực

nghiệm của các nhóm này trong trường hợp phân tán CNTs trong

nước cất, ethylen glycol, chất lỏng R113.

13

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

nghiệm của dầu tản nhiệt nano

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

khảo sát độ dẫn nhiệt của dầu tản nhiệt với các hàm lượng CNTs

khác nhau

Kết quả khảo sát cũng cho thấy khi hàm lượng của CNTs là

0,12% thể tích thì độ dẫn nhiệt của dầu bôi trơn đạt đến giá trị 0,292

W/mK theo tính toán lý thuyết, và 0,298 W/mK theo kết quả thực

nghiệm. Kết quả này tương đối phù hợp với thực nghiệm của một số

nhóm nghiên cứu trên thế giới.

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

3.4.1. Độ nhớt

Kết quả đo đạc cho thấy rằng khi nồng độ của CNTs tăng lên thì

về cơ bản độ nhớt của dầu tản nhiệt cũng tăng theo. Tuy nhiên ở

nồng độ 0,03 vol% của CNTs, độ nhớt của dầu tản nhiệt ở cả nhiệt độ

100oC và 40

oC đều có xu hướng giảm nhẹ. Kết quả này phù hợp với

kết quả thu được của nhóm nghiên cứu Ehsan-o-llah Ettefaghi.

14

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

Các tính chất của dầu tản nhiệt nano bao gồm độ nhớt động học,

chỉ số nhớt, trị số kiềm tổng, điểm bốc cháy, tổng hàm lượng kim

loại, sức căng bề mặt, điểm đông đặc được chúng tôi đo đạc. Kết quả

cho thấy dầu tản nhiệt chế tạo được đáp ứng được các tiêu chuẩn kĩ

thuật đề ra.

Việc xác định các thông số kỹ thuật của dầu bôi trơn tản nhiệt cho

từng loại động cơ khác nhau cho thấy khi cho thêm CNTs dầu bôi

trơn tản nhiệt giúp giảm ma sát, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ dẫn

nhiệt mà vẫn đảm bảo yêu cầu không phá vỡ cấu trúc của dầu và vẫn

đáp ứng được các tiêu chuẩn thế giới.

Chƣơng 4 – ỨNG DỤNG DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA

ỐNG NANO-CACBON CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA

THIẾT BỊ QUÂN SỰ

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

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

Nhiệt độ của dầu thương phẩm đạt đến giá trị bão hòa là 50,6oC

sau khoảng 20 phút chạy máy, với dầu tản nhiệt không chứa nano là

49,8oC, dầu tản nhiệt nano là 46,1

oC, giảm khoảng 4,5

oC so với dầu

thương phẩm.

Nhiệt độ của nước đạt đến giá trị bão hòa là 51,4oC sau khoảng 20

phút chạy máy. Với dầu tản nhiệt không chứa nano đạt 50,5oC.

Tương tự với dầu tản nhiệt nano là 46,9oC, giảm đi khoảng 4,5

oC so

với dầu thương phẩm.

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

Kết quả cho thấy dầu tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát

của động cơ xuống 1,22 lần so với dầu thương phẩm.

15

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

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng dầu tản nhiệt nano giúp tiết

kiệm 10,88% nhiên liệu cho động cơ khi chạy thử nghiệm trên bệ thử

ở chế độ có tải.

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

Dầu tản nhiệt nano, kết quả đo cho thấy sau 250 giờ chạy các tính

chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 12.337-84, dựa trên sự

suy giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao hơn

nữa thời gian chạy của dầu lên đến 500 giờ.

4.2. Thử nghiệm trên bệ thử động cơ xe tăng


Nhiệt độ của dầu đạt đến giá trị bão hòa là 54,6oC sau khoảng thời

gian 20 phút chạy máy, với dầu tản nhiệt không chứa nano, nhiệt độ

là 53,8oC. Với dầu tản nhiệt nano là 45,0

oC, giảm đi khoảng 4,6

oC so


Nhiệt độ của nước đạt đến giá trị bão hòa là 55,5oC, dầu tản nhiệt

là 54,6oC sau khoảng thời gian 20 phút chạy máy. Dầu tản nhiệt

nanolà 50,8oC, giảm đi khoảng 4,7

oC so với dầu thương phẩm.


Kết quả đo đạc cho thấy dầu tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma

sát của động cơ xuống khoảng 1,21 lần so với dầu thương phẩm.



kiệm khoảng 10,39% nhiên liệu cho động cơ khi chạy thử nghiệm

trên bệ thử ở chế độ có tải.


Với dầu tản nhiệt nano, kết quả đo cho thấy sau 250 giờ chạy các

tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 6360-83, dựa trên

16

sự suy giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng cao

hơn nữa thời gian chạy của dầu lên đến 500 giờ.

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


Nhiệt độ của dầu đạt đến giá trị bão hòa là 44,6oC, dầu tản nhiệt

không chứa nano là 43,7oC sau khoảng thời gian 20 phút chạy máy.

Dầu tản nhiệt nano là 40,4oC, giảm đi khoảng 4,2

oC so với dầu

thương phẩm.

Nhiệt độ của nước đạt đến giá trị bão hòa là 45,2oC sau khoảng

thời gian 20 phút chạy máy, với dầu tản nhiệt không chứa nano, nhiệt

độ là 44,5oC, dầu tản nhiệt nano là 41,1

oC, giảm đi khoảng 4,1

oC so



Kết quả đo cho thấy dầu tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát

của động cơ xuống khoảng 1,24 lần so với dầu thương phẩm.




trên bệ thử ở chế độ có tải



tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 6360-85 và dựa

trên sự suy giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng

cao hơn nữa thời gian chạy của dầu lên đến 500 giờ.

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


Nhiệt độ của dầu đạt đến giá trị bão hòa là 45,4oC , dầu tản nhiệt

không chứa nano là 44,5oC sau khoảng thời gian 20 phút chạy máy.

17

Dầu tản nhiệt nano, nhiệt độ là 41,2oC, giảm đi khoảng 4,3

oC so với

dầu thương phẩm.

Nhiệt độ của nước đạt đến giá trị bão hòa là 46,7oC sau khoảng

thời gian 20 phút chạy máy, với dầu tản nhiệt không chứa nano, nhiệt

độ là 45,9oC, dầu tản nhiệt nano nhiệt độ là 42,5

oC, giảm đi khoảng

4,2oC so với dầu thương phẩm.


Kết qủa đo cho thấy dầu tản nhiệt nano đã giúp giảm hệ số ma sát

của động cơ xuống khoảng 1,29 lần so với dầu thương phẩm.




trên bệ thử ở chế độ có tải.



tính chất vẫn còn đáp ứng rất tốt tiêu chuẩn ГОСТ 17479.1-85, dựa

trên sự suy giảm chậm này có thể dự đoán về khả năng tiếp tục nâng

cao hơn nữa thời gian chạy của dầu lên đến 500 giờ.

4.5. Khảo sát dầu tản nhiệt có chứa thành phần nano trên thực tế

4.5.1. Thử nghiệm thực tế trên xe thiết giáp

Khi sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm, xe thiết giáp tiêu thụ

lượng nhiên liệu trung bình 60,9 lít trên quãng đường 100 km ở tốc

độ trung bình 52,8 km/h. Khi sử dụng dầu tản nhiệt nano, động cơ xe

tiêu thụ lượng nhiên liệu trung bình vào 54,8 lít/giờ ở cùng chế độ.

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy rằng dầu tản nhiệt nano giúp tiết

kiệm khoảng 10,19% nhiên liệu cho động cơ.

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

Khi sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm, xe chở khí tài tiêu thụ

18

lượng nhiên liệu trung bình 49,1 lít trên quãng đường 100 km ở tốc

độ trung bình 63,1 km/h. Khi sử dụng dầu tản nhiệt nano, động cơ xe

tiêu thụ lượng nhiên liệu trung bình 41,5 lít/giờ ở cùng chế độ. Kết

quả trên cho thấy rằng dầu tản nhiệt nano giúp tiết kiệm khoảng

15,31% nhiên liệu cho động cơ.

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

nhiệt cho đèn LED công suất lớn

Nhằm nghiên cứu định hướng, mở rộng ứng dụng của dầu bôi

trơn tản nhiệt. Chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm cho đèn LED công

suất lớn. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dầu tản nhiệt

chứa thành phần CNTs đã giúp cho nhiệt độ bão hòa của chip LED

giảm xuống 8ºC so với không sử dụng dầu tản nhiệt.

Hình 4.34: 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 tản nhiệt chứa thành phần CNTs

19

KẾT LUẬN

Từ những kết quả nghiên cứu nhận được, có thể kết luận một số

điểm chính như sau:

1. Đã thành công trong việc biến tính vật liệu CNTs bằng phương pháp

hóa học và tìm ra quy trình chung chế tạo dầu bôi trơn tản nhiệt.

Bằng phương pháp rung siêu âm trong 60 phút, hàm lượng CNTs tối

ưu của CNTs trong dầu bôi trơn tản nhiệt là 0,12% thể tích.

2. Đã xác định được hàm lượng tối ưu của các chất phụ gia để pha

chế dầu bôi trơn tản nhiệt và khảo sát các tính chất của dầu bôi

trơn tản nhiệt chế tạo được.

3. Đã sử dụng mô hình truyền nhiệt để tính toán độ dẫn nhiệt của

dầu bôi trơn tản nhiệt. Với hàm lượng của CNTs là 0,12% thể

tích thì hệ số dẫn nhiệt đạt đến giá trị 0,292 W/mK.

4. Đã tiến hành chạy thử nghiệm dầu bôi trơn tản nhiệt chứa ống nano-

cacbon trên bệ thử động cơ của một số thiết bị quân sự. Kết quả khảo

sát cho thấy nhiệt độ nước và nhiệt độ dầu của bệ thử động cơ giảm

khoảng 4,2oC – 4,6

oC so với khi sử dụng dầu bôi trơn thương phẩm

và dầu bôi trơn không có thành phần nano. Nhiên liệu của động cơ

cũng tiết kiệm được 10,39% - 15,79% và hệ số ma sát của động cơ

giảm xuống 1,21-1,24 lần. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy các

tính chất của dầu bôi trơn tản nhiệt vẫn đáp ứng tốt tiêu chuẩn của

Nga và dự đoán có thể tiếp tục nâng cao hơn nữa thời gian chạy lên

đến 500 giờ. Đồng thời giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm hệ số ma

sát của động cơ đáng kể.

5. Đã tiến hành chạy thử nghiệm thực địa dầu tản nhiệt thương phẩm và

dầu tản nhiệt chứa thành phần cacbon nano trên xe thiết giáp BTR-60

PB, xe ZIL 131. Kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng dầu bôi trơn

tản nhiệt nano thì tiết kiệm nhiên liệu hơn so với dầu thương phẩm.

20

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án

1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI

1. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong,

Nguyen Tuan Hong, Phan Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh,

“Carbon Nanotubes based Lubricating Oils for UAZ 31512

Engines”, Micro & Nano Letters, doi: 10.1049/mnl.2016.0280,

pp. 636-639, (2016).

2. Manh Hong Nguyen, Hung Thang Bui, Van Trinh Pham, Ngoc

Hong Phan, Tuan Hong Nguyen, Van Chuc Nguyen, Dinh

Quang Le, Hong Khoi Phan and Ngoc Minh Phan, “Thermo-

mechanical properties of Carbon nanotubes and applications in

thermal management”, Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology, vol 7, issue 3 (2016).

3. Dang Van Thanh, Nguyen Van Thien, Bui Hung Thang, Nguyen

Van Chuc, Nguyen Manh Hong, Bui Thi Trang, Tran Dai Lam,

Dang Thi Thu Huyen, Phan Ngoc Hong , Phan Ngoc Minh, “A

Highly Efficient and Facile Approach for Fabricating Graphite

Nanoplatelets”, Journal of Electronic Materials 45, 5, 2522-2528

(2016).

1.2. Bài báo quốc tế khác

4. Ngoc Minh Phan, Hung Thang Bui, Manh Hong Nguyen and

Hong Khoi Phan, “Carbon-nanotube-based liquids: a new class

of nanomaterials and their applications”, Advances in Natural

Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, vol 5, 015014

(5pp) (2014).

5. Bui Hung Thang, Le Dinh Quang, Nguyen Manh Hong, Phan

Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh, "Application of Multiwalled

21

Carbon Nanotube Nanofluid for 450 W LED Floodlight",

Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials

Volume 2014, Article ID 347909, (6 pp).

6. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang and Phan Ngoc Minh,

"Calculation the Thermal Conductivity of Nanofluids

Containing Aligned Ultralong Single Walled Carbon

Nanotubes", Physical Science International Journal 10(1): 1-8,

2016, Article no.PSIJ.24520 ISSN: 2348-0130.

7. Pham Van Trinh, Nguyen Ngoc Anh, Bui Hung Thang, Le Dinh

Quang, Nguyen Tuan Hong, Nguyen Manh Hong, Phan Hong

Khoi, Phan Ngoc Minh and Phan Ngoc Hong, "Enhanced

thermal conductivity of nanofl uid-based ethylene glycol

containing Cu nanoparticles decorated on a Gr– MWCNT

hybrid material", RSC Adv., 2017, 7, 318.

1.3. Bài báo đăng trên tạp chí quốc gia

8. Nguyễn Mạnh Hồng, Bùi Hùng Thắng, Phan Hồng Khôi, Phan

Ngọc Minh, “Nghiên cứu dầu tản nhiệt chứa thành phần ống

nano cacbon cho động cơ đốt trong”, Tạp chí Khoa học Đại học

Huế Vol 121, No 7-A (2016).

9. Phạm Văn Trình, Phan Ngọc Hồng, Nguyễn Mạnh Hồng, Lê

Đình Quang, Cao Thị Thanh, Nguyễn Văn Chúc, Bùi Hùng

Thắng, Phan Hồng Khôi và Phan Ngọc Minh, “Ứng dụng chất

lỏng chứa thành phần ống nano cacbon đa tường trong tản nhiệt

cho đèn Led công suất lớn”, Tạp chí khoa học và công nghệ Việt

Nam, Tập 2, 6, (2015).

1.4. Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học

10. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong,

Nguyen Tuan Hong, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh

http://joshueuni.edu.vn/index.php/TCKHDHH/issue/view/119

22

“Carbon Nanotubes based Lubricating Oils for Engines”, The

11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro

Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS 2016),

Matsushima Bay and Sendai MEMS City, Japan, 17-20 April,

2016 (invited speaker).

11. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi, and

Phan Ngoc Minh “Lubricating oils containing multi-walled

carbon nanotubes for engine”, The 5th International Workshop

on Nanotechnology and Application (IWNA 2015), 630-633

12. Nguyen Manh Hong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Hong, Le

Dinh Quang, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, “Heat

Dissipated Structure for High Brightness LightEmitting Diodes

using Carbon Nanotubes based Oil”, The 7th International

Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology

(IWAMSN2014) - November 2-6, 2014 - Ha Long City,

Vietnam

13. Bùi Hùng Thắng, Nguyễn Mạnh Hồng, Phan Hồng Khôi, Phan

Ngọc Minh, “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano cácbon trong

dầu tản nhiệt”, Hội nghị VLCR 2015, 347-350

2. Sáng chế liên quan đến luận án

– Tên sáng chế: "Quy trình chế tạo dầu tản nhiệt chứa ống nano

cacbon"; Chủ đơn: Trung tâm Phát triển công nghệ cao; Tác giả:

Phan Ngọc Minh, Nguyễn Mạnh Hồng, Bùi Hùng Thắng, Phan

Hồng Khôi; Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn theo quyết định số

2563/QĐ-SHTT ngày 18/01/2016.

Documents

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦU BÔI TRƠN TẢN NHIỆT CHỨA ỐNG …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26386.pdf · – Đo đạc, đánh giá cấu trúc và khảo sát