Tiến Sĩ Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon và thử nghiệm ứn

1
NỘI DUNG
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ðẦU . 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 5
1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 5
1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình . 5
1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô 7
1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon 9
1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon 13
1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon . 20
1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25
1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon . 25
1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon . 34
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 38
2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng . 38
2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết 38
2.1.2. Phương pháp mô phỏng 38
2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 39
2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo . 39
2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon . 40
2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon . 41
2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 43
2.3. Các phương pháp phân tích ño ñạc vật liệu 44
2.3.1. Hiển vi ñiện tử quét 44
2.3.2. Phổ tán xạ Raman . 45
2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại . 45
2.3.4. Phổ huỳnh quang tia X 46
2.3.5. Phổ phân tán Zeta-Sizer 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 482
3.1. Mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48
3.1.1. ðánh giá một số mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48
3.1.2. ðề xuất mô hình tính toán cải tiến . 54
3.1.3. ðánh giá ñộ chính xác của mô hình với thực nghiệm 60
3.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt 63
3.2.1. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm 63
3.2.2. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu 69
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79
4.1. Kết quả biến tính ống nanô cácbon 79
4.1.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại truyền qua 79
4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman . 80
4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 81
4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs . 81
4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU 87
4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho ñèn LED 97
4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs . 110
4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs . 113
4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113
4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý . 117
4.3.3. Tính toán mô phỏng ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs . 121
KẾT LUẬN CHUNG 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 132
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH . 144
1. Các bài báo và báo cáo liên quan ñến luận án . 144
1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI . 144
1.2. Bài báo quốc tế khác 144
1.3. Bài báo ñăng trên tạp chí quốc gia . 145
1.4. Báo cáo ñăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học 145
2. Sáng chế và giải thưởng liên quan ñến luận án . 145
2.1. Sáng chế ñược chấp nhận ñơn 145
2.2. Giải thưởng khoa học . 146DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Viết tắt Tên ñầy ñủ
CNTs Ống nanô cácbon
SWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường
MWCNTs Ống nanô cácbon ña tường
CVD Lắng ñọng hóa học từ pha hơi
EDX Phổ tán sắc năng lượng
FTIR Phổ hồng ngoại biến ñổi Fourier
SEM Kính hiển vi ñiện tử quét
TEM Kính hiển vi ñiện tử truyền qua
AFM Kính hiển vi lực nguyên tử
LED ðiốt phát quang
CPU Vi xử lý máy tính
EG Ethylene Glycol
DEG Diethylene Glycol
DW Nước cất
EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất
STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars
AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5
STARS/CNTs Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs
AS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Trang
1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14
2 Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17
3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29
4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94
5 Bảng 4.2 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và
STARS/2%CNTs
116
6 Bảng 4.3 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs 117
7 Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt 128DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Trang
1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp 1 , sp 2 và sp 3 và ñịnh hướng trong
không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong
phân tử C 2 H 2 , C 2 H 4 và C 2 H 6
5
2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6
3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng
lục giác (b)
7
4 Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9
5 Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10
6 Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs 10
7 Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag
(9, 0) và chiral (10, 5)
11
8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và
7 cạnh
12
9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So
sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp
graphit (graphene)
15
10 Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng
graphit
16
11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral
khác nhau
17
12 Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu 19
13 Hình 1.13 (a) Sơ ñồ nguyên lý phương pháp nghiền bi ñể tổng hợp CNTs,
(b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi
20
14 Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 21
15 Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 23
16 Hình 1.16 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt 24
17 Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 28Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong
chất lỏng
18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng
cách sử dụng kem tản nhiệt
35
19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp
của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs
35
20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir
Singh cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36
21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B.
Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36
22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt
CNTs
40
23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42
24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết
quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán
CNTs vào nước cất
52
25 Hình 3.2 Cấu trúc hình ống của CNTs 53
26 Hình 3.3 Mô hình tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs 58
27 Hình 3.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
tán MWCNTs vào nước cất
60
28 Hình 3.5 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp
phân tán MWCNTs vào nước cất
61
29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường
hợp phân tán SWCNTs vào nước cất
61
30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
62tán MWCNTs vào EG
31 Hình 3.8 Mô hình cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất
64
32 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử theo thời gian
với các nồng ñộ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất
lỏng
69
33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa
thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất
70
34 Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối
lưu dùng trong mô phỏng
71
35 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng trong
hệ thống tản nhiệt theo thời gian hoạt ñộng của linh kiện ñiện
tử ở các công suất nhiệt khác nhau
77
36 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử công suất 50
W trong hệ thống tản nhiệt tự bằng chất lỏng ñối lưu theo thời
gian và nồng ñộ CNTs
78
37 Hình 4.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
79
38 Hình 4.2 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
80
39 Hình 4.3 Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước
cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40
phút (c)
82
40 Hình 4.4 Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với
CNTs không biến tính
83
41 Hình 4.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của (a) vật liệu CNTs trước khi
biến tính và phân tán vào nước cất; (b) vật liệu CNTs sau khi
biến tính và phân tán vào nước cất
83
42 Hình 4.6 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm là 10 phút: ño ngay sau khi phân
84tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH
vào EG/DW (b)
43 Hình 4.7 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút
(c)
85
44 Hình 4.8 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
88
45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
89
46 Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan 90
47 Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 90
48 Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
91
49 Hình 4.13 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự
nhiên
92
50 Hình 4.14 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng quạt
92
51 Hình 4.15 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
93
52 Hình 4.16 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core-i5
95
53 Hình 4.17 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng quạt
95
54 Hình 4.18 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
96
55 Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho chip LED 50 W
98
56 Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
chip LED 50 W chế tạo ñược
99
57 Hình 4.21 ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả 99tản nhiệt
58 Hình 4.22 ðồ thị nhiệt ñộ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường
hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng
phương pháp tản nhiệt bằng nước cất và nước cất chứa thành
phần CNTs (1,0 g/lit)
100
59 Hình 4.23 ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với
các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất
100
60 Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W
101
61 Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công
suất 450W
102
62 Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt
chứa CNTs
102
63 Hình 4.27 ðồ thị nhiệt ñộ của ñèn pha LED 450W theo thời gian khi sử
dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ñộ
khác nhau của CNTs
103
64 Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào
hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
104
65 Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần CNTs ñược lắp vào hộp ñèn chiếu sáng công cộng
107
66 Hình 4.30 Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của moñun ñèn LED 108
67 Hình 4.31 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt
bằng chất lỏng CNTs ñược lắp vào vỏ ñèn ñường chiếu sáng
công cộng
108
68 Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt ñộng
109
69 Hình 4.33 ðồ thị nhiệt ñộ của chip LED và nhiệt ñộ của chất lỏng CNTs
trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi ñèn LED hoạt ñộng
110
70 Hình 4.34 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ ñế tản
nhiệt vào chất lỏng khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần
CNTs
11171 Hình 4.35 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng
ra giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs
112
72 Hình 4.36 Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b) 113
73 Hình 4.37 Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs 114
74 Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs 114
75 Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs 115
76 Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs 116
77 Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs 117
78 Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản
nhiệt chứa thành phần CNTs
118
79 Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên
CPU
119
80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS /
CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
81 Hình 4.45 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs
với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
82 Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính 122
83 Hình 4.47 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý 122
84 Hình 4.48 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản
hóa
122
85 Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi không sử
dụng kem tản nhiệt
124
86 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt STARS
125
87 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs
126
88 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt AS5
127
89 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs
12890 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU trong quá
trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
1291
MỞ ðẦU
Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) ñã ñược giới khoa học-công nghệ quan tâm
ñặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển,
ñến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs ñã ra ñời với
nhiều tính năng vượt trội. Vật liệu ống nanô cácbon có rất nhiều tính chất ñộc ñáo,
dễ chế tạo nên có tiềm năng ứng dụng rất phong phú. Lý do chính ñể loại vật liệu
này trở thành trung tâm chú ý là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học
ñặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính ñột phá.
Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống,
ñộ dẫn nhiệt của CNTs biến ñổi trong khoảng từ 1800 ñến 6000 W/mK. Ngoài khả
năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt ñộ rất cao trong chân
không và trong các môi trường khí trơ (lên ñến 2800 o C). CNTs cũng ñược biết là
vật liệu dẫn ñiện linh hoạt với ñộ dẫn ñiện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. ðộ dẫn
của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m). Với
nhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi ñược ñưa vào các nền vật liệu khác sẽ
giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt ñiện của vật liệu ñó. Chẳng hạn với việc gia
cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, ñộ cứng, ñộ chống mài
mòn, ñộ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v . ñược
tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn ñiện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề
mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ ñiện
có ñiện dung cực lớn, chế tạo ñiện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo
vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện ñiện tử công suất. Với tính chất phát xạ ñiện tử
mạnh ở ñiện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon ñã và ñang ñược
nghiên cứu ñể chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các
nguồn phát xạ ñiện tử kích thước bé với phân bố năng lượng ñiện tử hẹp. Ngoài ra
vật liệu nanô cácbon cũng là ñối tượng quan trọng cho các nghiên cứu về ñiện tử
nanô, các linh kiện cảm biến, v.v .
Từ những tính chất lý thú và tiềm năng ứng dụng lớn của CNTs, luận án
hướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt của CNTs ñể nâng cao hệ số
dẫn nhiệt cho một số loại vật liệu nền hữu cơ ở dạng lỏng (ethylen glycol / nước
cất) và dạng kem (STARS, AS5). Vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và dạng kem chứa
thành phần CNTs với ñộ dẫn nhiệt tốt sẽ ñược thử nghiệm ứng dụng trong một số
linh kiện ñiện tử công suất lớn như vi xử lý máy tính (CPU), ñiốt phát quang
(LED), v.v nhằm nâng cao hiệu quả tản nhiệt, công suất làm việc và kéo dài tuổi
thọ cho linh kiện. 2
Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh ñã lựa chọn thực
hiện luận án: “Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn
ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực ñiện tử”.
Mục ñích luận án
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền
hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho
linh kiện ñiện tử công suất lớn.
Nhằm ñạt ñược mục ñích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau ñây ñã
ñược triển khai thực hiện:
– Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa
thành phần ống nanô cácbon.
– Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần ống nanô cácbon cho linh kiện ñiện tử công suất.
– Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanô cácbon với nhóm chức -COOH và -OH.
– Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành
phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện
ñiện tử công suất lớn (CPU và LED).
– Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử
nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.
– Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm ñể xác ñịnh ñộ dẫn
nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.
ðối tượng nghiên cứu
Chất lỏng nền hữu cơ ethylen glycol / nước cất chứa thành phần CNTs, kem tản
nhiệt Stars và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với
phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, trong ñó:
- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính
toán lý thuyết ñã có trên thế giới ñể xây dựng mô hình cải tiến tính toán ñộ dẫn nhiệt
của chất lỏng tản nhiệt CNTs với ñộ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm.
- Phương pháp mô phỏng ñược sử dụng nhằm dự ñoán hiệu quả và tìm hiểu cơ
chế tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ thống tản nhiệt cho linh
kiện ñiện tử công suất lớn. Phương pháp mô phỏng ñược thực hiện thông qua việc chia
hệ thống tản nhiệt cho linh kiện thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần
ñủ ngắn, sau ñó tiến hành thiết lập các phương trình ñộng lực học, truyền nhiệt và trao
ñổi nhiệt dựa trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C ñể thu ñược kết quả mô phỏng. 3
- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp ñể biến tính CNTs với các
nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo chất lỏng nền ethylene glycol/nước cất chứa
thành phần ống nanô cácbon, chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon
và thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo ñược trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử
công suất (CPU và ñèn LED).
Bố cục và nội dung của luận án
Luận án bao gồm 146 trang với 7 bảng, 90 hình vẽ và ñồ thị. Ngoài phần Mở
ñầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn ñề nghiên cứu và Kết luận về những kết
quả ñã ñạt ñược cũng như một số vấn ñề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án ñược cấu
trúc trong 4 Chương:
Chương 1 trình bày trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, chất lỏng tản nhiệt và
kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phần tổng quan về vật liệu CNTs 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 ống
nanô cácbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon.
Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao
gồm phương pháp tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng, thực nghiệm chế tạo và
thử nghiệm ứng dụng. Chương 2 cũng trình bày về các phương pháp nghiên cứu phân
tích ño ñạc sử dụng trong luận án, bao gồm: phép phân tích kính hiển vi ñiện tử, phổ
tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy ño phổ phân tán
Zeta-Sizer.
Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ
dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 3 cũng
trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống
tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho
linh kiện ñiện tử công suất.
Chương 4 trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH
và –COOH, kết quả chế tạo chất lỏng tản nhiệt (nền glycol/nước cất) và kem tản nhiệt
(nền Stars và AS5) chứa thành phần CNTs. Chương 4 cũng trình bày kết quả thử
nghiệm chất lỏng và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo ñược trong tản nhiệt
cho linh kiện ñiện tử công suất lớn (CPU và ñèn LED).
Ở cuối luận án, danh sách những công trình ñã công bố liên quan và danh mục
các tài liệu tham khảo ñã ñược liệt kê.
Luận án ñược thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. Những ñóng góp mới của luận án
Luận án ñã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của
chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợp
với kết quả thực nghiệm ñã công bố trên các tạp chí quốc tế.
Luận án ñã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành
phần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện ñiện tử
công suất (CPU và ñèn LED).