Ngành công nghiệp xi mạ ngày càng đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực để tạo ra lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại khỏi các tác nhân bên ngoài. Nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 - 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá hủy nặng nề chỉ sau 10 - 15 năm sử dụng nguyên nhân chủ yếu do hiện tượng ăn mòn cốt thép gây ra. Thiệt hại do ăn mòn bê tông cốt thép gây ra rất nghiêm trọng, chi phí cho sửa chữa, khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30 - 70% mức đầu tư xây dựng công trình. Các thiệt hại sẽ không thể phục hồi được nếu không kiểm soát được hiện tượng ăn mòn và mài mòn.

Để bảo vệ bề mặt kim loại, những chi tiết máy khỏi những tác hại của hiện tượng ăn mòn và mài mòn do môi trường, kỹ thuật mạ điện là một trong các phương pháp đơn giản, dễ thiết lập, chi phí thấp được sử dụng để tạo ra lớp phủ bề mặt bằng những kim loại hoặc hợp kim có độ cứng cao, có khả năng ngăn chặn làm chậm lại quá trình ăn mòn và mài mòn của bề mặt kim loại. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng lớp phủ để lựa chọn vật liệu thích hợp để tạo nên lớp phủ, một số kim loại điển hình dùng cho mạ điện như: kẽm (Zn), đồng (Cu), niken (Ni), crôm (Cr), sắt (Fe), bạc (Ag), vàng (Au)… Để nâng cao các tính chất cơ lý của lớp mạ điện người ta đã ứng dụng nhiều kỹ thuật và công nghệ khác nhau. Một trong những kỹ thuật được đặc biệt quan tâm và mang lại hiệu quả cao đó là mạ điện nanô. Trong kỹ thuật này, các cấu trúc nanô được sử dụng có vai trò gia cường cho kim loại nền, làm tăng tính chất cơ học, chất lượng lớp mạ điện đồng thời giảm giá thành sản xuất. Một số nghiên cứu cho thấy lớp mạ điện niken gia cường vật liệu nanô như W, Cr, Fe, C, Mo... đã giúp nâng cao đáng kể độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn cho lớp mạ điện. Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, nhiều loại vật liệu nanô mới ra đời, trong đó ống nanô cácbon (CNTs) và graphene được biết đến là loại vật liệu có nhiều tính chất cơ học ưu việt. Những nghiên cứu đã cho thấy ống nanô cácbon và graphene là hai loại vật liệu có độ cứng và độ bền cơ học lớn nhất hiện nay. Độ bền kéo trung bình của một đơn ống MCNTs có thể lên đến 63 GPa, của SWCNTs lên đến 150 GPa, và của Graphene có thể lên đến 130 GPa, trong khi độ bền kéo của loại thép tốt nhất hiện nay là 1,8 GPa. CNTs và Graphene cũng được biết đến là loại vật liệu có môđun ứng suất đàn hồi cao nhất, với suất Young đàn hồi của SWCNTs lên đến 1000 GPa, của Graphene là 1050 GPa, trong khi của thép vào khoảng 209 GPa. Chính vì vậy mà vật liệu CNTs và Graphene có tiềm năng ứng dụng lớn trong lớp mạ điện công nghiệp để nâng cáo các tính chất cơ học cho lớp mạ. Để chế tạo lớp mạ điện gia cường vật liệu CNTs và Graphene thì đòi hỏi phải có sự phân tán tốt của CNTs, Graphene trong lớp mạ cũng như trong dung dịch mạ điện. Trong quá trình mạ điện có nhiều hiện tượng lý hóa xảy ra làm cho vật liệu CNTs và Graphene bị tụ đám. Chính vì vậy, các kỹ thuật, phương pháp chế tạo mới cần được nghiên cứu và phát triển để phát huy tối đa hiệu quả phân tán, qua đó phát huy những tính chất ưu việt của vật liệu CNTs và Graphene trong lớp mạ điện. Để có thể phân tán tốt vật liệu Graphene và vật liệu CNTs trong nền dung dịch mạ điện thì ngoài việc biến tính gắn kết với nhóm chức hóa học phù hợp với dung dịch mạ điện, cần phải sử dụng phương pháp phân tán đủ mạnh để thắng được lực Vander Wall trong dung dịch mạ điện.

Nhằm nghiên cứu chế tạo vật liệu CNTs và Graphene cho lớp mạ điện công nghệ; nghiên cứu công nghệ phân tán đồng đều CNTs và Graphene trong lớp mạ điện công nghiệp; nghiên cứu tối ưu công nghệ chế tạo lớp mạ điện Niken gia cường thành phần CNTs và tối ưu công nghệ chế tạo lớp mạ điện Niken gia cường thành phần Graphene; nghiên cứu tối ưu công nghệ chế tạo lớp mạ điện Niken gia cường thành phần Graphene và CNTs. Đồng thời, kết hợp với một số doanh nghiệp để sản xuất thử nghiệm sản phẩm mẫu mạ điện Niken chứa thành phần CNTs và Graphene, nhóm nghiên cứu Viện Khoa Học Vật Liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do GS. TS. Vũ Đình Lãm đứng đầu đã thực hiện dự án: “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cacbon cấu trúc nano trong việc nâng cao các tính chất cơ học của lớp mạ điện công nghiệp”.

Sau một thời gian thực hiện, nhóm nghiên cứu đưa ra các kết luận như sau:

1. Đối với công việc chuẩn bị vật liệu cácbon cấu trúc nanô

- Làm chủ được quy trình chế tạo vật liệu graphen oxít cho mục đích chế tạo lớp mạ điện

- Tiếp thu và làm chủ được quy trình biến tính vật liệu nanô graphen đa lớp cho mục đích chế tạo lớp mạ điện

- Tiếp thu và làm chủ được quy trình biến tính vật liệu CNTs cho mục đích chế tạo lớp mạ điện.

2. Chế tạo và khảo sát tính chất của lớp mạ điện Niken chứa thành phần Graphene và CNTs

- Kết quả chế tạo lớp mạ điện Niken thông thường chứa thành phần cacbon nano không biến tính

-  Kết quả chế tạo lớp mạ điện Niken chứa thành phần graphen oxide

-  Kết quả chế tạo lớp mạ điện Niken chứa thành phần CNTs và Graphene biến tính

3. Sản xuất thử nghiệm lớp mạ điện Niken chứa thành phần cacbon nano

- Thông tin về doanh nghiệp phối hợp sản xuất thử nghiệm

-  Kết quả sản xuất thử nghiệm lớp mạ niken chứa thành phần cacbon nano

Nhóm đề tài đã tiến hành hoạt động sản xuất thử nghiệm tại Công ty TNHH T&C Việt Nam dựa trên dây truyền thu nhỏ của công ty: thử nghiệm lớp mạ điện Niken chứa thành phần CNTs, Graphene và CNTs-Graphene trên nhiều mẫu sản phẩm thực tế.

Các sản phẩm đã được tiến hành đo đạc kiểm định thông số kỹ thuật. Các tính chất cơ lý của lớp mạ bao gồm độ cứng Vicker, độ bền kéo, độ bám dính, khả năng chống mài mòn tăng lên đáng kể khi có thêm thành phần CNTs, Graphene và Gr-CNTs, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn của lớp mạ điện này trong lĩnh vực cơ khí.

Tiểu dự án được thực hiện thành công đã mang lại sự tác động và hiệu quả lâu dài đối với Viện Khoa học vật liệu cùng các đơn vị đối tác của Viện. Các kết quả nghiên cứu của dự án sẽ không chỉ dừng lại ở nghiên cứu mà còn được chuyển giao cho một số doanh nghiệp nhằm tiến tới sản xuất thử nghiệm một số sản phẩm, điều này mang đến sự tác động lâu dài của dự án đến đời sống sản xuất cũng như sẽ tạo ra lợi thế cạnh tranh cho sản phẩm của doanh nghiệp trong thời gian dài sau khi dự án đã kết thúc.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17362/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)