Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: 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 điện tử

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (cid:1)(cid:2)(cid:3) BÙI HÙNG THẮNG 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 ðIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU -------- (cid:1)(cid:2)(cid:3)

Vũ ðức Chính BÙI HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe VỚI CẤU TRÚC LÕI/VỎ NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG VÀ ðỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ

Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang ñiện tử và quang tử Mã số: 62 44 50 05

Chuyên ngành: Vật liệu ñiện tử Mã số: 62.44.01.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Phan Ngọc Minh

2. TS. Hoàng Anh Sơn

1: TS. Phan Tiến Dũng 2: PGS.TS. Phạm Thu Nga

Hà Nội- 2011

HÀ NỘI 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời ñầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy hướng dẫn là PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn, những người thầy ñã ñịnh 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, TS. Ngô Thị Thanh Tâm, KS. Lê ðình Quang, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn Hồng, ThS. Phạm Văn Trình, ThS. Cao Thị Thanh, ThS. Nguyễn Văn Tú, NCS. Nguyễn Mạnh Hồng - những người ñã luôn giúp ñỡ, khích lệ, ñộng viên tôi trong suốt thời gian làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng ñiểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện ñiện tử, Viện Khoa học vật liệu ñã giúp tôi thực hiện phép ño phân tích trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và ðào tạo, Lãnh ñạo Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận ðào tạo sau ñại học ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án nghiên cứu sinh.

Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người thân trong gia ñình: Cha, mẹ, anh, chị, em ñã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và ñộng viên, hỗ trợ tôi.

Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm ñặc biệt và biết ơn của mình tới vợ và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, ñã cho tôi nghị lực, tạo ñộng lực cho tôi thực hiện thành công luận án.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Nghiên cứu sinh

Bùi Hùng Thắng

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Nghiên cứu sinh

Bùi Hùng Thắng

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 ................ 48

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 ................................................................................. 146

DANH 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

Ethylene Glycol

DEG

Diethylene Glycol

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

tích EDX trên mẫu kem STARS và 116

5 Bảng 4.2 Kết quả phân STARS/2%CNTs

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 128

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT Trang

1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñịnh hướng trong không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C2H2, C2H4 và C2H6

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 7

lục giác (b)

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 11

(a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5)

8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 12

7 cạnh

9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So 15

sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp graphit (graphene)

10 Hình 1.10 16

(a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit

11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral 17

khác nhau

12 Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu 19

13 Hình 1.13 20

(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

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 28

Ethylen 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 35

cách sử dụng kem tản nhiệt

19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp 35

của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs

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

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

22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt 40

CNTs

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 52

quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất

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 60

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

28 Hình 3.5 61

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

29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 61

với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường hợp phân tán SWCNTs vào nước cất

30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 62

với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân

tán MWCNTs vào EG

31 Hình 3.8 Mô hình cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành 64

phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất

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

33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa 70

thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất

34 Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối 71

lưu dùng trong mô phỏng

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

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

37 Hình 4.1 79

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

38 Hình 4.2 80

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

39 Hình 4.3 Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước 82

cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút (c)

40 Hình 4.4 83

Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với CNTs không biến tính

41 Hình 4.5 83

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

42 Hình 4.6 84

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

tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH vào EG/DW (b)

43 Hình 4.7 85

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)

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

45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho 89

vi xử lí máy tính Intel Pentium IV

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 91

cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV

49 Hình 4.13 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự 92

nhiên

50 Hình 4.14 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt 92

bằng quạt

51 Hình 4.15 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt 93

bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

52 Hình 4.16 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 95

CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core-i5

53 Hình 4.17 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương 95

pháp tản nhiệt bằng quạt

54 Hình 4.18 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương 96

pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

55 Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 98

CNTs cho chip LED 50 W

56 Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho 99

chip LED 50 W chế tạo ñược

57 Hình 4.21 ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả 99

tản nhiệt

58 Hình 4.22 ðồ thị nhiệt ñộ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường 100

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)

59 Hình 4.23 ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với 100

các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất

60 Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 101

CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W

61 Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công 102

suất 450W

62 Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt 102

chứa CNTs

103

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

64 Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào 104

hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

65 Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành 107

phần CNTs ñược lắp vào hộp ñèn chiếu sáng công cộng

66 Hình 4.30 Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của moñun ñèn LED 108

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

68 Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt 109

bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt ñộng

69 Hình 4.33 ðồ thị nhiệt ñộ của chip LED và nhiệt ñộ của chất lỏng CNTs 110

trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi ñèn LED hoạt ñộng

111

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

112

71 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

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 118

nhiệt chứa thành phần CNTs

79 Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên 119

CPU

80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 120

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.

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 122

hóa

85 Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi không sử 124

dụng kem tản nhiệt

86 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 125

kem tản nhiệt STARS

87 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 126

kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs

88 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 127

kem tản nhiệt AS5

89 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 128

kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs

90 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU trong quá 129

trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS

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 2800oC). 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.

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.

- 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).

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon

1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình

Nguyên tố cácbon ñứng ở vị trí thứ 6, thuộc chu kỳ thứ 2 và nhóm 4B trong bảng

tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu tạo của nguyên tử cácbon C12 (dạng ñồng vị phổ

biến nhất của nguyên tố cácbon) gồm có 6 proton, 6 nơtron và 6 ñiện tử, nguyên tử lượng của cácbon là 12. Cấu hình ñiện tử của cácbon là 1s22s22p2. Cácbon liên kết hóa

học với các nguyên tử xung quanh bằng kiểu liên kết cộng hóa trị. Theo lý thuyết lai hóa, nguyên tử cácbon ñóng góp các electron dùng chung từ ba trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3. [1]

Hình 1.1 biểu diễn trạng thái lai hóa và ñịnh hướng không gian tương ứng của chúng. Lai hóa sp1 là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai hóa sp ñồng nhất, hướng về hai phía của một ñường thẳng. Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan

120o

109,5o

180o

sp2

sp1

sp3

Phân tử C2H6

Phân tử C2H2

Phân tử C2H4

s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 ñồng nhất, hướng về 3 ñỉnh của tam giác ñều. Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 ñồng nhất hướng về 4 ñỉnh của hình tứ diện ñều. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon. [1]

[1]

Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñịnh hướng trong không gian và sự

tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C2H2, C2H4 và C2H6

Trong tự nhiên, cácbon xuất hiện ở ba dạng thù hình tiêu biểu ñó là than, graphit

và kim cương. Dạng thù hình phổ biến nhất xét về mặt số lượng ñó là than, có màu

ñen, dễ cháy, xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than ñá, than cốc, than nâu, than gỗ, v.v... [1]

Dạng thù hình phổ biến thứ hai xét về mặt số lượng ñó là graphit, ñây là dạng thù

hình dẫn ñiện tốt của cácbon. Người ta cũng có thể coi graphit như là một dạng ñặc

biệt của than, vì vậy nó còn ñược gọi với một tên khác là “than chì”. Graphit có hàm

lượng cácbon cao xấp xỉ 100%. Về mặt cấu trúc, các nguyên tử cácbon trong graphit

ñược sắp xếp theo các lớp, mỗi lớp có cấu trúc tinh thể như một mạng tổ ong (hình lục

giác) với ñỉnh là các nguyên tử cácbon. Các nguyên tử cácbon trong graphit liên kết

với nhau bằng hai liên kết ñơn (σ) và một liên kết ñôi (π). Trong hầu hết dạng tinh thể

lục giác, các lớp graphit nằm song song với cấu trúc xếp lớp ABA,… hay còn gọi là

ñống Bernal như mô tả trên hình 1.2. Trong cùng mặt phẳng, khoảng cách gần nhất

của hai nguyên tử cácbon aC-C là 0,142 nm, hằng số mạng của mặt tinh thể là a0 =

0,246 nm. Hằng số mạng trục c là c0 = 0,668 nm và khoảng cách giữa hai lớp mạng liền kề nhau là c0/2 = 0,334 nm. [1]

Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) [1]

Graphit có khối lượng riêng khoảng 2,26 g/cm3. Liên kết giữa các ñơn lớp

graphite khá yếu do sự chồng phủ của các quỹ ñạo nguyên tử của các lớp lân cận là

nhỏ. Lực liên kết giữa các ñơn lớp graphit chủ yếu là lực Van der Waals do khoảng

cách giữa các lớp graphit vào khoảng 0,334 nm. Tuy nhiên lực Van der Waals khá yếu

nên các lớp graphit rất dễ trượt lên nhau. Ngược lại, do liên kết giữa các nguyên tử

cácbon trong một ñơn lớp graphite rất mạnh (liên kết σ và π) nên mặt graphit rất bền

vững về mặt cơ học. Lợi dụng ñặc tính này, graphit ñược sử dụng làm chất bôi trơn dạng rắn, chổi than, lõi bút chì, v.v... [1]

Dạng thù hình phổ biến và rất nổi tiếng thứ ba của cácbon là kim cương. Kim

cương ñược biết ñến là một dạng thù hình rất quý hiếm của cácbon tồn tại ở hai cấu

trúc tinh thể cơ bản là lập phương và lục giác với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong

dạng cấu trúc tinh thể lập phương, mỗi nguyên tử cácbon ñược liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác bằng bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp3 trong một mạng tứ diện với

ñộ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm. Cấu trúc tinh thể kim cương dạng này là cấu

trúc lập phương tâm mặt (FCC), với một ô cơ sở có hai nguyên tử, nguyên tử thứ nhất

có ở vị trí (0,0,0), nguyên tử cácbon thứ hai ở vị trí (1/4, 1/4, 1/4) và hằng số mạng là

a0=3,567 Ǻ. Trong dạng cấu trúc tinh thể lục giác (wurzite), ñộ dài kiên kết C-C vào

khoảng 0,152 nm. Kim cương có cấu trúc tinh thể lục giác cũng ñược gọi với một tên

khác là kim cương sáu phương (lonsdaleite), chỉ ñược tìm thấy ở một số thiên thạch. Hình 1.3 mô tả cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương và dạng lục giác. [1]

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b) [1]

1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần ñây ñã

khám phá ra một loạt các cấu trúc mới của nguyên tố cácbon, ñó là vật liệu cácbon cấu

trúc nanô. Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể ñộc ñáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý,

hóa học, cơ học ưu việt. Chính vì vậy, cácbon cấu trúc nanô là ñối tượng ñược tập

trung nghiên cứu mạnh mẽ trên cả hai phương diện, khoa học cơ bản và khoa học ứng

dụng. Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu của

nguyên tố cácbon ñiển hình gồm nanô kim cương, quả cầu fullerene, ống nanô cácbon ña tường (MWCNTs), ống nanô cácbon ñơn tường (SWCNTs) và graphene. [1]

Nanô kim cương là tên gọi chung cho sự tồn tại của kim cương ở kích thước

nanô. Chúng có thể tồn tại ở dạng hạt, ñám, hoặc sự pha trộn của cả hai. Nanô kim

cương ñược nghiên cứu và tổng hợp bằng phản ứng tại áp suất cao - nhiệt ñộ cao

(High Pressure and High Temperature - HPHT) của các hợp chất chứa nguyên tử

cácbon. Môi trường HPHT có thể ñược tạo ra bởi sóng xung kích (Shock wave). Ở

ñiều kiện này cho phép hình thành kim cương ña tinh thể trong ñó chứa pha nanô kim cương ở kích thước 10 nm - 20 nm (1961) [72]. Năm 1963, Danilenko và các cộng sự

ñã tổng hợp thành công các hạt nanô kim cương kích thước 5 nm - 20 nm ở dạng tụ ñám bằng cách kích nổ hợp chất chứa nguyên tử cácbon (graphit) [3]. Vật liệu nanô kim

cương thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó có tính chất tiêu biểu như trơ về mặt hóa

học, bền về mặt cơ học và chịu ñược nhiệt ñộ cao, dẫn nhiệt tốt. Bột nanô kim cương

ñược sử dụng làm màng bảo vệ ñể tăng khả năng chống mài mòn, chịu ñược nhiệt ñộ

cao của vật liệu nền. Ngoài ra, ngành y sinh cũng tìm thấy sự hấp dẫn từ nanô kim

cương do vật liệu này có tính tương thích sinh học và khả năng thụ ñộng hóa bề mặt.

Vì những ñặc ñiểm này nanô kim cương ñược nghiên cứu sử dụng trong y khoa như là

chất vận chuyển thuốc và dán nhãn sinh học.

Bên cạnh phương pháp HPHT, phương pháp lắng ñọng pha hơi hóa học (CVD)

cũng ñược sử dụng rộng rãi ñể chế tạo màng mỏng nanô kim cương và ứng dụng trong

lĩnh vực cảm biến, linh kiện ñiện tử chân không. Sử dụng màng mỏng kim cương cho

phép các thiết bị ñiện tử hoạt ñộng trong môi trường không thuận lợi như nhiệt ñộ cao,

bức xạ hạt nhân và nhiễu từ mạnh.

Vật liệu fullerene ñược chính thức thừa nhận năm 1985. Vật liệu này là tập hợp

các nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác với hình dạng phổ biến là

hình cầu. Cũng như nanô kim cương, vật liệu fullerene có nhiều tính chất lý thú xuất

phát từ cấu trúc tinh thể kỳ lạ của nó.

Carbon nanotubes (CNTs) ñược phát hiện ñầu tiên từ năm 1991 [4]. Kể từ ñó ñến

nay, có hàng vạn công bố về vật liệu này trên phương diện khoa học cũng như ứng

dụng của nó trong vật liệu ñiện tử, vật liệu tổ hợp (composite), vật liệu tích trữ năng lượng. [104-110]

Vật liệu graphene là dạng thù hình mới nhất của cácbon ñược tạo ra trong phòng thí nghiệm (2004) [5]. Có thể nói rằng những gì xảy ra ñối với ống nanô cácbon dường

như ñang lặp lại với graphene từ sự kỳ vọng, tính chất kỳ lạ và ñặc biệt là tiềm năng

ứng dụng trong linh kiện ñiện tử, quang ñiện tử và tích trữ năng lượng. Chỉ sau 6 năm

kể từ khi ñược tìm thấy, hai nhà khoa học khám phá ra nó ñã nhận giải thưởng Nobel

vật lý danh giá (2010), qua ñó chúng ta có thể hình dung ñược tính hấp dẫn, tiềm năng

hứa hẹn của vật liệu graphene.

Hình 1.4 mô tả tổng thể về “gia ñình” vật liệu cácbon ở các dạng hình thù và cấu

trúc khác nhau.

1D

3D

0D

Multi-wall CNTs 1991 Single-wall CNTs 1993

Buckyball 1985 (Giải Nobel 1996)

2D

Graphite

Graphene 2004 (Giải Nobel 2010)

Kim cương

Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau [1]

1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon

Năm 1976, bằng phương pháp CVD nhóm nghiên cứu M. Endo lần ñầu tiên ñã phát hiện ra cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thước nano mét[103]. ðến

năm 1991, trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene chế tạo bằng phương pháp

hồ quang bằng kính hiển vi ñiện tử truyền qua, Tiến sỹ S. Iijima (Nhật Bản) một lần

nữa phát hiện ra một dạng thù hình mới của cácbon - ñó là ống nanô cácbon (carbon 9

nanotubes - CNTs). Kể từ ñó ñến nay, CNTs ñã trở thành một trong những ñối tượng

ñược tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính chất ñộc ñáo hứa hẹn

nhiều ứng dụng tiềm năng. Một ñiều lý thú là kể từ khi S. Iijima giới thiệu ống nanô

cácbon, nhiều công bố sau ñó khẳng ñịnh rằng CNTs ñã ñược ngẫu nhiên tạo ra trước thời gian ñó nhưng chưa ñược quan tâm chú ý. [6]

Khác với fullerene có cấu trúc dạng cầu hoặc elip rỗng, ống nanô cácbon (CNTs) có dạng hình trụ dài. Trạng thái lai hóa của các nguyên tử cácbon trong CNTs là sp2.

Quan sát CNTs bằng kính hiển vi ñiện tử cho thấy ñó là những ống rỗng, dài, ñường

kính từ một vài nanomet ñến hàng chục nanomet, chiều dài có thể ñến micromet. Với

cấu trúc hình học như vậy, CNTs có tỉ lệ chiều dài / ñường kính và diện tích bề mặt rất

lớn. Một cách ñơn giản ñể hình dung, CNTs có cấu trúc giống như lá graphit cuộn tròn

(hình 1.5).

Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon [7]

Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphit, ống nanô cácbon ñược chia thành hai

loại cơ bản ñó là ống cácbon ñơn tường (Single Wall Carbon Nanotubes - SWCNTs)

và ống cácbon ña tường (Multi Wall Carbon Nanotubes - MWCNTs).

Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs [8]

SWCNTs có thể hình dung như là một ñơn lớp graphit cuộn lại, thường tồn tại

dạng bó và liên kết yếu với nhau bằng lực Van der Waals (hình 1.6 a). SWCNTs có

ñường kính nhỏ hơn 5 nm và chiều dài có thể tới hàng chục micromet. Bởi vậy, chúng

ñược xem như là các cấu trúc một chiều (1D).

MWCNTs có thể hình dung gồm các SWCNTs ñồng trục xếp lồng vào nhau.

Theo các tính toán lý thuyết khoảng cách giữa hai lớp là d = 3,39 Å (hình 1.6 b). Giá

trị này gần với khoảng cách giữa hai lớp mạng graphit (d = 3,44 Å). ðường kính trong

của MWCNTs khoảng 1,5 - 15 nm; ñường kính ngoài từ 2,5 nm ñến vài chục nm.

Cấu trúc của CNTs ñược mô tả thông qua véctơ Chiral (Ch). Véctơ Ch chỉ hướng

+ na ma

n m ( ,

)

cuộn của lớp graphit như minh họa trên hình 1.7.a.

(1.1)

Trong ñó: n và m là các số nguyên; a1 và a2 là các véctơ ñơn vị của mạng graphit.

Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a1, a2, một trong những cách chọn ñược mô tả như

−

trong hình 1.7.a.

a 1

3 1 , 2 2

3 2

1 2

 =  a  

   

   

   

, (1.2)

Trong ñó a là hằng số mạng của graphite và a = 0.246 nm. Góc của véctơ Chiral

cos

θ ñược tính theo công thức:

2 2

+ n m 2 n m nm

)

2 (

(1.3)

(a) (b)

Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5) [9]

2 + D k n m nm

ðường kính D của ống nanô cácbon ñược tính theo công thức:

(

∈ k N

)

(nm) (1.4)

CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n, m) khác nhau

của véctơ chiral. Ba cấu trúc ñiển hình của CNTs thường gặp ñó là: amchair, zigzag và

chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) như minh họa trên hình

1.7.b.

Trên thực tế, CNTs luôn tồn tại các sai hỏng về mặt cấu trúc và về kiểu liên kết

hóa học giữa các nguyên tử cácbon với nhau. Ví dụ các vòng cácbon trong thành ống

không phải 6 cạnh mà có thể là 5 cạnh hoặc 7 cạnh như mô tả trên hình 1.8. Các liên kết C-C không ñơn thuần là kiểu lai hóa sp2 mà là sự kết hợp giữa lai hóa sp2 và sp3, có thể biểu diễn như là lai hóa sp2+α (0 < α < 1). Sai hỏng kiểu lai hóa dị biệt này là

nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs mà thực tế thường gặp khi chế

tạo CNTs.

Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 7 cạnh [71]

Một kiểu sai hỏng phổ biến khác ở CNTs ñó là sự khuyết và dịch vị trí nguyên tử

cácbon ở thành ống. Kiểu sai hỏng này thực ra lại có vai trò rất quan trọng, nhờ chúng

mà các quá trình gắn các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, ester, v.v… lên bề mặt

CNTs ñược thực hiện dễ dàng hơn. Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu ñể hoạt

hóa, biến tính CNTs, làm cho CNTs có thể phân tán ñược trong các môi trường khác

nhau. Tuy nhiên, kiểu sai hỏng này cũng ảnh hưởng nhất ñịnh tới các tính chất của

CNTs, ñặc biệt là các tính chất cơ, ñiện. Nó có thể làm giảm ñộ bền về mặt cơ học và

làm thay ñổi cấu vùng năng lượng của CNTs.

1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon

Với cấu trúc như ñã trình bày ở trên, vật liệu CNTs xuất hiện nhiều tính chất ñặc

biệt, ưu việt hơn nhiều so với các vật liệu thông thường khác về ñộ bền cơ học, môñun

ứng suất, ñộ dẫn nhiệt, ñộ dẫn ñiện và khả năng phát xạ ñiện tử ở ñiện thế thấp. Các

tính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới, do ñó CNTs thu hút sự quan tâm của

nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới.

• Tính chất cơ

CNTs có các ñặc tính cơ học tốt như ñộ cứng, ñộ bền trục và môñun ứng suất cao. Có ñược các tính chất này là do các liên kết bền vững C-C dạng lai hóa sp2 tại

vách ống CNTs. Mặc dù các mạng graphit cũng ñược cấu tạo bởi các liên kết tương tự

song sự khác biệt về mặt cấu trúc làm cho cơ tính của mạng graphit không bằng CNTs.

Tuy nhiên, các thông số cơ học như suất Young, hệ số ñàn hồi và ñộ bền kéo của

CNTs thường dao ñộng trong khoảng rộng, tuỳ thuộc vào cấu trúc vách ống, ứng với

mỗi quá trình tổng hợp khác nhau. Với các cấu trúc khác nhau thì các thông số cơ tính

của CNTs cũng khác nhau. Hai thông số cơ bản và ñặc trưng của CNTs về mặt cơ học

là suất Young và ñộ bền kéo. Suất Young liên quan trực tiếp ñến lực cố kết của vật rắn

và liên kết hóa học của các nguyên tử thành phần. Nếu ta tác dụng một lực F lên một

F A 0

= E str

ess strain

thanh vật liệu mỏng ñẳng hướng có ñộ dài lo và tiết diện ngang là A0 thì suất Young của vật liệu ñược xác ñịnh bởi công thức: [1]

l lδ 0

(1.5)

Trong ñó δl là sự thay ñổi ñộ dài của thanh vật liệu khi có lực tác dụng F. ðộ bền

kéo của một vật liệu là lực tác dụng tối ña mà vật liệu có thể chịu ñược trên một ñơn vị

diện tích. Nó ñặc trưng cho khả năng chịu tác dụng lực, liên quan trực tiếp ñến cấu trúc

của vật liệu và các liên kết trong vật liệu ñó.

Suất Young trung bình của một ñơn ống MWCNTs khoảng 1,8 TPa và của

SWCNTs khoảng 1,25 TPa cao hơn nhiều so với sợi cácbon thông thường (680 GPa).

ðộ bền liên kết trung bình của MWCNTs là 14,2 GPa và ñộ bền kéo khoảng 11 - 63

GPa. Kết quả các phép ño này cho thấy CNTs có môñun ứng suất ñàn hồi và ñộ bền cơ

học rất cao. Môñun ñàn hồi trung bình của ống nanô cácbon xấp xỉ 600 GPa và ñộ bền

kéo khoảng 13 - 52 GPa. Bảng 1.1 là các thông số cơ tính của vật liệu CNTs so sánh

với một số vật liệu khác.

Vật liệu

Suất Young (GPa)

ðộ bền kéo (GPa)

Mật ñộ khối (g/cm3)

SWCNTs

1054

150

1.4

MWCNTs

1200

150

2.6

Thép

208

0.4

7.8

Epoxy

3.5

0.005

1.25

Gỗ

0.008

0.6

Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác [11]

Từ bảng số liệu 1.1, có thể thấy rằng suất Young của CNTs lớn hơn 5 ñến 6 lần

so với thép và ñộ bền kéo lớn hơn khoảng 375 lần trong khi khối lượng riêng của

CNTs nhẹ hơn của thép tới 2 hoặc 3 lần. ðiều này chứng tỏ rằng CNTs có các ñặc tính

cơ học siêu bền và nhẹ, thích hợp cho việc làm vật liệu gia cường kết hợp với vật liệu

nền như cao su, polymer, ñể chế tạo các vật liệu tổ hợp (composit) mới có ñộ bền cao,

khả năng chịu mài mòn và ma sát tốt.

Tính chất nhiệt •

Nhiệt dung riêng và ñộ dẫn nhiệt của CNTs ñược xác ñịnh chủ yếu bởi các quá

trình hấp thụ và phát xạ phonon. Nhiều thực nghiệm ño nhiệt dung riêng của

MWCNTs và bó SWCNTs với các ñường kính khác nhau, trên các khoảng nhiệt ñộ

khác nhau cho thấy rằng nhiệt dung riêng phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt ñộ trong vùng

nhiệt ñộ thấp. So với graphit khối, nhiệt dung riêng của CNTs thấp hơn khoảng 100

J/kg.K. Nhiệt dung riêng của MWCNTs và bó SWCNTs phụ thuộc vào các tương tác

C T V ( ).

. τ

giữa các ống trong bó hay các lớp graphit trong MWCNTs và ñường kính của chúng [12-14]. ðộ dẫn nhiệt λ của CNTs ñược xác ñịnh bởi công thức (1.6):

group

= ∑

stat

es of phonons

là vận tốc nhóm của các

(1.6)

Trong ñó, C(T) là nhiệt dung riêng, T là nhiệt ñộ, Vgroup

phonon và τ là thời gian phục hồi của phonon.

Hình 1.9a cho thấy ñộ dẫn nhiệt của CNTs tỉ lệ nghịch với nhiệt ñộ. Ở nhiệt ñộ phòng, ñộ dẫn nhiệt khoảng 3x104 W/m.K và ñạt giá trị cao nhất là 4x104 W/m.K ở

khoảng 100 K. Tính toán lý thuyết cho thấy ở nhiệt ñộ thấp thì ñộ dẫn nhiệt của CNTs

cao hơn nhiều so với ñộ dẫn nhiệt của graphit khối, và thấp hơn so với ñộ dẫn nhiệt

của ñơn lớp graphit [66]. Ở nhiệt ñộ trên 270 K thì ñộ dẫn nhiệt của CNTs xấp xỉ ñộ dẫn

nhiệt của ñơn lớp graphit (hình 1.9b).

)

/

K m W

( t ệ i h n n ẫ d ộ ð

Nhiệt ñộ (K)

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) [66]

Tính chất dẫn nhiệt tốt của CNTs mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc chế

tạo các ñế tản nhiệt trong các linh kiện ñiện tử công suất, chế tạo các vật liệu tản nhiệt

dạng lỏng, dạng keo.

Tính chất ñiện •

CNTs là vật liệu dẫn ñiện tốt song tính dẫn ñiện của nó phụ thuộc mạnh vào cấu

trúc tinh thể hay là giá trị véctơ Chiral. Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) của véc tơ

Chiral mà ñộ dẫn của CNTs có thể thuộc vùng bán dẫn hay kim loại. ðể xem xét tính

chất ñiện của CNTs ta xét phân bố năng lượng và mật ñộ trạng thái của CNTs. Các

tính toán lý thuyết ñã chỉ ra ñộ dẫn của mạng graphit là nằm giữa bán dẫn và kim loại.

Tuy nhiên khi tồn tại ở dạng ống, các liên kết C-C vuông góc với trục ống ñược hình

thành, dẫn ñến cấu trúc ñiện tử của ống CNTs bị biến ñổi. Tùy vào giá trị cặp chỉ số

(n, m) mà ống CNTs hoặc có khe năng lượng bằng không, tương tự các kim loại dẫn

ñiện tốt như Cu, Au, hoặc có khe năng lượng nhỏ tương ứng với ñộ dẫn của các chất

bán dẫn.

Cấu trúc vùng năng lượng của CNTs có thể suy ra từ cấu trúc vùng năng lượng

của mạng graphit bằng phép xấp xỉ. Ta xét cấu trúc vùng năng lượng của một mạng

graphit ñơn lớp như trên hình 1.10a. Ô ñơn vị của mạng gồm hai nguyên tử cácbon,

mỗi nguyên tử cácbon có bốn ñiện tử hóa trị. Do ñó, một mối liên kết chặt tạo thành

tám dải: bốn dải hóa trị và bốn dải dẫn. Một orbital 2s và hai orbital 2px và 2py nằm trong mặt phẳng liên kết của mỗi nguyên tử cácbon tạo ra trạng thái lai hóa sp2. Các

orbital lai hóa sp2 hình thành các dải hóa trị σ và dải dẫn σ*. Orbital 2pz của các

nguyên tử cácbon ñịnh hướng vuông góc mạng hình thành lên dải hóa trị π và dải dẫn

π*.

Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit [16]

Cấu trúc của CNTs (n, m) ñược rút ra từ cấu trúc dải của mạng graphit bằng cách

sử dụng phương pháp liên kết chặt với ñiều kiện biên tuần hoàn dọc theo hướng chu vi

(

)

(1.7)

E k

E 2

K µ 1

K K

−

t b 2 1

t b 2 2

mb 1

nb 2

của ống CNTs như sau:

K 1

+ N

− N

; (1.8)

Trong ñó:

+ k là véctơ sóng (-π/T < k < π/T)

+ T là chu kì dịch của mạng graphit

+ µ là số lượng tử rời rạc (µ =1, 2,…, N)

+ N là số cặp nguyên tử cácbon trong ô ñơn vị của CNTs.

+ K1 và K2 ñược biểu diễn thông qua các véctơ ñơn vị b1 và b2 của mạng

graphit.

Ta thấy ñộ dẫn của CNTs thuộc vùng kim loại khi véctơ sóng ñược phép bao

gồm ñiểm K trong mạng ñảo của graphit, ngược lại chúng là bán dẫn khi tồn tại khe

π= 2

năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Từ cấu trúc vùng năng lượng, ñiều kiện

(cid:1)(cid:1)(cid:2) (cid:1)(cid:1)(cid:2) . k C K

hay (n - m)/3 là số chung ñể CNTs có ñộ dẫn thuộc vùng kim loại là

(cid:1)(cid:1)(cid:2) nguyên ( Kk

mô tả một véctơ sóng của sáu ñiểm K trong vùng Brillouin thứ nhất của

mạng graphit) và CNTs là bán dẫn khi (n – m)/3 không phải là số nguyên. Ví dụ như

SWCNTs (5, 5) SWCNTs (9, 0) SWCNTs (10, 0)

trên hình 1.11 biểu diễn CNTs (5, 5) và (9, 0) có khe năng lượng bằng 0 ứng với tính dẫn của kim loại, CNTs (10, 0) khe năng lượng nhỏ tương ứng với bán dẫn [12].

Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral khác nhau [17]

Bảng 1.2 phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs. Trên thực tế, người ta có

thể ño ñược ñiện trở ở từng phần của ống CNTs. Với CNTs có tính dẫn ñiện như kim

loại thì ñiện trở không thay ñổi dọc theo ống. Tuy nhiên ñối với các CNTs có tính dẫn

ñiện như bán dẫn, khi kết lại thành sợi dài thì ñiện trở phụ thuộc rất nhiều vào các vị

trí ñặt các ñầu dò trong phép ño ñiện trở.

Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs [1]

Loại CNTs (n, m) Tính dẫn ñiện

Armchair (n, n) Kim loại

Zigzag (n, 0), n/3 nguyên Kim loại

Zigzag (n, 0), n/3 không nguyên Bán dẫn

Chiral (n-m)/3 nguyên Kim loại

Chiral (n-m)/3 không nguyên Bán dẫn

• Tính chất quang

ðể nghiên cứu tính chất quang của vật liệu CNTs, các phương pháp phân tích

phổ quang học như: phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang UV-VIS-NIR là những

công cụ hữu dụng. Sai hỏng cấu trúc, ñặc biệt là ñối với SWCNTs sẽ dẫn tới sự xuất

hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn ñược xác ñịnh. ðây chính là cơ sở

cho những ứng dụng quang và quang ñiện của CNTs. Tính chất quang và quang ñiện

của CNTs có thể biết ñược từ cấu trúc vùng hoặc mật ñộ trạng thái (DOS) của

SWCNTs. DOS một chiều của SWCNTs có thể ñược suy ra từ graphit với biểu thức

∞

như sau:

( ) ρ ε

)

( ε ε , m

∑

4 l

2 γα 3

=−∞

(1.9)

)

( ε ε , m

ε ε> m

2 2 ε ε − m

Với khi (1.10)

(

) g ε ε = 0 m

ε ε< m

− − q n m 3

γα

(1.12)

ε m

khi (1.11)

Trong trường hợp ống nanô cácbon là kiểu armchair (n = m) thì nó có tính kim

loại, nhưng trong trường hợp thỏa mãn ñiều kiện n - m = 3q thì CNTs lại là bán dẫn

với ñộ rộng vùng cấm nhỏ. Khi ñó với dải năng lượng trong khoảng γ = 2.5 - 3.0 eV

thì bước sóng ñể xảy ra hiện tượng quang ñiện (giới hạn quang ñiện) của ống CNTs

bán dẫn thay ñổi từ 300 ñến 3000 nm. ðiều này dẫn ñến khả năng sử dụng CNTs bán

dẫn trong các thiết bị cảm biến quang và quang ñiện từ vùng ánh sáng xanh cho ñến vùng hồng ngoại. [1]

Tính chất hóa •

Sự uốn cong bề mặt và các sai hỏng trên thành ống CNTs quyết ñịnh hoạt tính

hóa học của CNTs. Hoạt tính hóa học của CNTs liên quan trực tiếp ñến sự ghép ñôi

không ñối xứng của các orbital π, cái mà gây ra sự uốn cong của ống. Các liên kết σ

trong mặt phẳng ống hầu như không tham gia vào các phản ứng mà chỉ có các liên kết

π nằm ngoài mặt phẳng ống mới tham gia vào các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, thực

tế cho thấy CNTs khá bền về mặt hóa học. Do ñó ñể tăng hoạt tính hóa học của CNTs

ta phải tạo ra các sai hỏng trên bề mặt của ống. ðây là các vị trí hoạt ñộng hóa học

mạnh, thuận lợi cho việc biến tính, gắn kết CNTs với các phân tử, nhóm chức khác.

Nhiều nghiên cứu ñã chỉ ra rằng CNTs có ñường kính càng nhỏ thì hoạt ñộng hóa học

càng mạnh. Tuy nhiên ñường kính càng nhỏ thì hiện tượng tụ ñám càng nhiều. ðó là

ảnh hưởng của hiệu ứng suy giảm kích thước và hiệu ứng bề mặt xảy ra ñối với các vật

liệu kích thước nanô. Sự tụ ñám này làm giảm khả năng hoạt ñộng hóa học của các 18

ống CNTs. Vì vậy, vấn ñề quan trọng là phải phân tán CNTs từ bó thành các ống riêng rẽ bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học phù hợp. [1]

Tính chất phát xạ ñiện tử •

Phát xạ ñiện tử trường là một trong những tính chất quan trọng của CNTs. Hiện

nay, nhiều ứng dụng của CNTs ñược phát triển dựa trên tính chất này, chẳng hạn như

chế tạo nguồn phát xạ ñiện tử kích thước nhỏ, các màn hình hiển thị phẳng công suất

thấp, hay chế tạo các ñầu dò dùng trong thiết bị hiển vi lực nguyên tử (AFM) và hiển

vi dòng xuyên hầm (STM). Phát xạ trường là quá trình phát xạ ñiện tử từ bề mặt của một vật rắn vào chân không dưới tác dụng của một ñiện trường tĩnh (khoảng 108

V/cm). Khi ñiện trường ñủ lớn, các ñiện tử tại bề mặt sẽ xuyên hầm qua hàng rào thế

và thoát ra ngoài. Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt trong lý

1 2

(

exp -6,8 10

× 6, 2 10

thuyết phát xạ trường ñược thể hiện trên hình 1.12. Mật ñộ dòng phát xạ ñiện tử ñược xác ñịnh bởi công thức (A.cm-2):

E F E

3 θ 2 E

θ / ) − θ

    

    

(1.13)

Trong ñó:

+ EF là năng lượng mức Fermi.

+ θ là công thoát ñiện tử. + E là ñiện trường ngoài (V.cm-1).

Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu [1]

Với CNTs, do ñường kính ống bé và tỷ lệ chiều dài so với ñường kính lớn nên nó

có khả năng phát xạ ñiện tử rất mạnh ngay ở ñiện trường thấp do hiệu ứng khuếch ñại

trường. Cụ thể, với cấu trúc dạng tip như CNTs thì ta có:

V Rα

tip

(4.13)

Khi E ≈ 108 V.cm-1, với Rtip ≈ 1nm, α ≈ 10 (hệ số) thì V ≈ 10 V. Tức là với ñiện

thế khoảng 10 V thì các ống CNTs ñã có thể phát xạ ñiện tử trong chân không. Cộng

với ñộ ổn ñịnh hóa, nhiệt tốt và ñộ dẫn nhiệt, dẫn ñiện cũng rất tốt nên CNTs ñược cho

là vật liệu phát xạ ñiện tử ñầy tiềm năng ứng dụng.

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau ñể tổng hợp vật liệu CNTs, phổ

biến nhất là phương pháp nghiền bi, phương pháp phóng ñiện hồ quang, phương pháp

sử dụng laser và phương pháp lắng ñọng pha hơi hóa học (CVD). Sau hơn 20 năm kể

từ ngày ñược phát hiện, vật liệu CNTs ñã ñược chế tạo với số lượng lớn và ñã ñược

thương mại hóa. Tùy vào tính chất vật liệu CNTs cần tổng hợp mà mỗi phương pháp

có ưu thế riêng.

• Phương pháp nghiền bi

Phương pháp nghiền bi thường ñược sử dụng ñể sản xuất CNTs số lượng lớn

nhưng sản phẩm có lẫn nhiều tạp chất. Sản phẩm CNTs sản xuất bằng phương pháp

này cần qua quá trình làm sạch khá phức tạp và do ñó chi phí cao.

(b)

(a)

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 [1,18]

Phương pháp nghiền bi ñể chế tạo CNTs ñược thực hiện như sau: bột graphit

ñược cho vào máy nghiền bi. Khi nghiền các hòn bi lăn và rơi xuống làm cho bột

graphit ngày càng trở nên mịn, ñồng thời khí trơ ñược ñưa vào trong quá trình nghiền.

Kết thúc quá trình nghiền, bột graphite nghiền ñược ñưa vào lò ñể ủ nhiệt trong thời gian ñủ dài, nhiệt ñộ cao (1500oC, 6-10 giờ) và ống nanô cácbon hình thành trong quá

trình này. ðể tăng hiệu suất mọc CNTs, các hạt xúc tác như Co hoặc Fe ñược bổ sung

trong quá trình nghiền. Mặc dù phương pháp này có thể sản xuất số lượng lớn CNTs

nhưng sản phẩm tạo ra lẫn nhiều tạp graphit và hạt xúc tác kim loại ñòi hỏi phải có

thêm quy trình làm sạch CNTs chi phí cao và không triệt ñể. Trên thực tế nghiền bi không phải là phương pháp chủ ñạo sản xuất vật liệu CNTs thương mại hóa. [1] • Phương pháp hồ quang

Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang [19]

Trên thực tế, phương pháp hồ quang ñược sử dụng rộng rãi ñể sản xuất fullerene.

Người ta phát hiện ra rằng trong sản phẩm sau chế tạo tồn tại cả hai dạng thù hình

cácbon là fullerene và CNTs. Do ñó phương pháp này ñược ñiều chỉnh, cải tiến ñể chế

tạo vật liệu CNTs. Quá trình phóng ñiện hồ quang ñược thực hiện giữa hai ñiện cực

graphit ñặt ñối diện và cách nhau khoảng vài mm trong một buồng kín có chứa khí trơ

(Ar hay He) với áp suất khoảng 50 - 700 mbar như mô tả trên hình 1.14. Giữa hai ñiện

cực có dòng ñiện một chiều trong khoảng 50 - 100 A và hiệu ñiện thế trong khoảng 20

- 25 V. Trong quá trình phóng ñiện, khí giữa hai ñiện cực graphit bị ion hoá trở nên

dẫn ñiện. Hiện tượng này còn gọi là plasma, vì vậy phương pháp chế tạo này còn gọi

là phương pháp hồ quang plasma. Nhiệt ñộ tại vùng hồ quang trong quá trình phóng

lên tới 3000 - 4000 K. Hồ quang plasma làm cho ñiện cực anốt bị bốc bay và bám vào ñiện cực catốt ñối diện, từ ñây hình thành CNTs. [1]

ðối với phương pháp hồ quang ñiện, kết quả sản phẩm thu ñược phụ thuộc nhiều

vào những nguyên tố vi lượng có trong ñiện cực graphit. Những nguyên tố vi lượng

này ñóng vai trò là xúc tác cho sự hình thành của ống nanô cácbon. Nếu cả hai ñiện

cực làm bằng than chì tinh khiết thì sản phẩm chính thu ñược là MWCNTs, ngoài ra

còn có lẫn các sản phẩm khác của cácbon, chẳng hạn như cácbon vô ñịnh hình,

fullerene và graphit. ðể tổng hợp vật liệu SWCNTs thì ñiện cực anốt cần phải có thêm

các chất xúc tác, chẳng hạn như Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Cu, Pd, Pt, hoặc là các hỗn hợp

như Fe/Co, Fe/Ni, Fe/Co/Ni, Co/Ni, Co/Pb, v.v… Phương pháp phóng ñiện hồ quang

là phương pháp ñơn giản ñể chế tạo CNTs. Tuy nhiên thời gian phóng hồ quang ngắn

nên khó có thể tổng hợp ñược số lượng lớn vật liệu CNTs. ðể khắc phục ñiều này,

người ta có thể tổng hợp vật liệu CNTs bằng phương pháp hồ quang ở ngoài không

khí, trong môi trường nitơ lỏng, hay phóng ñiện hồ quang với plasma quay. Tuy nhiên

với phương pháp hồ quang ñiện thì sản phẩm CNTs tạo ra không ñồng nhất về kích

thước, về ñơn tường / ña tường và rất khó ñể tách thành từng loại sản phẩm riêng biệt.

• Phương pháp sử dụng tia laser

Trong phương pháp này, chùm tia laser Nd:YAG hoặc các loại laser công suất

lớn khác chiếu vào bia graphit ở dạng liên tục hoặc dạng xung làm bốc bay nguyên tử cácbon từ bia graphit ở nhiệt ñộ cao khoảng 1200oC. Áp suất trong buồng tạo mẫu

(500 Torr) ñược duy trì bởi các nguồn khí trơ là He hoặc Ar. Cácbon hình thành ñược

ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh bởi ñiện cực ñồng, từ ñây hình thành vật liệu CNTs.

Phương pháp này có thể tổng hợp ñược MWCNTs và SWCNTs với ñường kính và ñộ

dài khác nhau. Hiệu suất tổng hợp CNTs phụ thuộc nhiều vào loại chất xúc tác và các

thông số khác như nhiệt ñộ, thời gian, v.v... ðể sản phẩm thu ñược chỉ có SWCNTs thì

bia graphit phải chứa thành phần các kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như Ni, Co hay

Fe. Hình 1.15 mô tả hệ bốc bay bằng laser và sản phẩm CNTs thu ñược từ phương pháp này [20].

So với phương pháp hồ quang ñiện thì phương pháp bốc bay bằng chùm tia laser

có ưu ñiểm là sản phẩm thu ñược có ñộ sạch cao (trên 90%). Tuy nhiên ñể có thể tổng

hợp vật liệu CNTs số lượng lớn, chất lượng tốt thì ñây không phải là phương pháp tối

ưu do ñòi hỏi bia graphit phải sạch và nguồn laser có công suất lớn.

Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang [20]

• Phương pháp lắng ñọng pha hơi hóa học

Lắng ñọng pha hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp phổ biến

nhất hiện nay ñể chế tạo vật liệu CNTs số lượng lớn, mọc có ñịnh hướng và chi phí sản

xuất thấp. CVD có rất nhiều ñiểm khác so với phương pháp phóng ñiện hồ quang và

phương pháp bốc bay bằng laser. Phóng ñiện hồ quang và bốc bay bằng laser là hai

phương pháp thuộc nhóm nhiệt ñộ cao (>3000K), thời gian phản ứng ngắn (µs-ms),

còn phương pháp CVD lại có nhiệt ñộ trung bình (700-1473K) và thời gian phản ứng

dài tính bằng phút cho ñến hàng giờ. Mặt hạn chế chính của phương pháp phóng ñiện

hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser là: sản phẩm CNTs ñược tạo ra không

ñồng ñều, sắp xếp hỗn ñộn, không theo một quy tắc cho trước hoặc ñịnh hướng trên bề

mặt. Hiện nay, có nhiều phương pháp CVD sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau

ñể tổng hợp CNTs, ví dụ như: phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng

cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ,

v.v…

Ở phương pháp này, CNTs ñược hình thành từ sự phân ly của các loại khí hyñrô

cácbon như acetylene (C2H2), metan (CH4), etan (C2H6), v.v… trong ñiều kiện có xúc tác là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni ở nhiệt ñộ từ 600oC - 1200oC. So với

các phương pháp chế tạo khác như phương pháp hồ quang ñiện, bốc bay laser, nhiệt ñộ trong quá trình tổng hợp thường rất cao (> 1500oC) và thời gian phản ứng ngắn (µs -

ms) nên khó khống chế. Phương pháp CVD có thể tổng hợp vật liệu CNTs ở nhiệt ñộ

thấp hơn nhiều và thời gian tổng hợp dài hơn. Chính vì có nhiều ưu thế như vậy,

phương pháp CVD ñã ñược cải tiến thành nhiều dạng ñể tổng hợp vật liệu CNTs. Sự

khác nhau giữa chúng chính là nguồn năng lượng dùng ñể phân chia các hydrô cácbon

hoặc là kiểu chất xúc tác. Nguồn năng lượng có thể là nhiệt từ lò ñốt, dây vôn fram,

plasma, laser v.v… Xúc tác có thể là ở pha lỏng, rắn hoặc ở pha khí. Trong số ñó,

CVD nhiệt là phương pháp thông dụng nhất ñể tổng hợp vật liệu CNTs số lượng lớn,

chi phí thấp.

Hình 1.6 mô tả cấu tạo cơ bản của một hệ CVD nhiệt, hệ thống bao gồm nguồn

cấp khí vào, buồng phản ứng và hệ thống khí ra. Bản chất và hiệu suất tổng hợp của

tiền chất trong các phản ứng bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất

tự nhiên của xúc tác kim loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn

hydrocácbon, tốc ñộ khí, nhiệt ñộ phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phương

pháp CVD nhiệt thường sử dụng nguồn hydrocácbon là acetylene (C2H2) hoặc

ethylene (C2H4) và chất xúc tác là các hạt nanô Fe, Ni, Co,... Nhiệt ñộ tổng hợp CNTs nằm trong dải từ 500-9000C, ở dải nhiệt ñộ này các hydrocácbon bị phân tách thành

cácbon và hydro, sau ñó cácbon lắng ñọng trên các hạt nanô kim loại và khuếch tán

vào trong các hạt nano này, khi lượng cacbon ñạt ñến giá trị bão hoà thì quá trình mọc

CNTs bắt ñầu. ðường kính của CNTs phụ thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác

kim loại, với hạt kim loại xúc tác có kích thước là 13 nm thì ñường kính của ống CNTs

vào khoảng 30 - 40 nm, với hạt kim loại xúc tác có kích thước là 27 nm thì ñường kính

của ống CNTs vào khoảng 100-200 nm.

Hình 1.16. Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt [1,21-23]

ðể tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc lựa chọn thích hợp các ñiều kiện tổng

hợp như nhiệt ñộ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn sử

dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3,... ñể tăng hiệu quả lắng

ñọng của cácbon lên chất xúc tác.

1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

1.2.1.1 Chất lỏng nanô

Chất lỏng nano là khái niệm dùng ñể chỉ loại chất lỏng ñược tạo ra bằng cách

phân tán các vật liệu kích thước nano mét (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống nano,

dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v...) trong một nền chất lỏng cơ sở. Nói cách khác,

chất lỏng nanô là hệ thống bao gồm các vật liệu có kích thước nano ñược phân tán

ñồng ñều và ổn ñịnh trong chất lỏng nền. Chất lỏng nanô là hệ thống ổn ñịnh bao gồm hai pha trong ñó có một pha rắn nằm trong một pha lỏng [24]. Các kết quả nghiên cứu

cho thấy chất lỏng nanô có nhiều tính chất ưu việt hơn so với các chất lỏng cơ sở, như tính dẫn nhiệt, dẫn nhiệt, ñộ nhớt, và hệ số truyền nhiệt ñối lưu [2]. Những kết quả

nghiên cứu gần ñây ñã chứng minh ñược tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nanô trong nhiều lĩnh vực khác nhau [25].

Có rất nhiều phương pháp khác nhau ñể chế tạo chất lỏng nanô, tuy nhiên tổng

hợp lại chúng ñược phân thành hai phương pháp chính như sau:

+) Phương pháp hai bước

Phương pháp hai bước là phương pháp ñược sử dụng rộng rãi nhất cho việc chế

tạo chất lỏng nanô. Ở bước thứ nhất, các vật liệu nanô (hạt nano, sợi nano, ống nano,

hay vật liệu nano khác) ñược chế tạo ở dạng bột khô bằng phương pháp hóa học hay

vật lý. Ở bước thứ hai, vật liệu nano ñược phân tán vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ

trợ của các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v... Phương pháp

hai bước là phương pháp kinh tế nhất ñể sản xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, bởi

vì kỹ thuật tổng hợp các vật liệu nano ở bước thứ nhất ñã ñược phát triển ñến mức sản

xuất ở quy mô công nghiệp. Do diện tích bề mặt và bề mặt hoạt ñộng cao, các hạt nano

có xu hướng tụ ñám lại với nhau, do vậy một kỹ thuật quan trọng ñể tăng cường sự ổn

ñịnh của các hạt nano trong chất lỏng là sử dụng các chất hoạt ñộng bề mặt. Ngoài ra,

chức năng của các bề mặt ở nhiệt ñộ cao cũng là một phương pháp nhằm nâng cao ñộ phân tán của vật liệu nanô trong chất lỏng. [24]

Tuy nhiên phương pháp hai bước có những nhược ñiểm nhất ñịnh trong việc

phân tán vật liệu nanô trong chất lỏng, chẳng hạn như sự biến ñối và tụ ñám của vật

liệu nanô trong thời gian lưu trữ từ lúc chế tạo ở bước thứ nhất ñến khi thực hiện chế

tạo ở bước thứ hai, vì vậy một kỹ thuật mới ñược phát triển ñể chế tạo chất lỏng nanô

ñó là phương pháp một bước.

+) Phương pháp một bước

ðể giảm sự tích tụ của các hạt nano trong quá trình bảo quản, nhóm nghiên cứu

Eastman ñã phát triển phương pháp một bước dựa trên nguyên lý ngưng tụ hơi vật lý trong chất lỏng ñể tạo thành chất lỏng nanô Cu/Ethylene Glycol [67]. Phương pháp một

bước dựa trên nguyên tắc thực hiện ñồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán

vật liệu nano trong chất lỏng. Phương pháp này có ưu ñiểm là bỏ qua ñược các quá

trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt nanô, do ñó sự tích tụ của các hạt nano ñược giảm thiểu, và sự ổn ñịnh của chất lỏng ñược tăng lên [68]. Vì vậy

phương pháp một bước có thể chế tạo các hạt nano phân tán ñồng ñều hơn, và sự ổn

ñịnh của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn. Hệ thống chế tạo hạt nanô bằng

phương pháp hồ quang trong chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis

System - SANSS) là một phương pháp hiệu quả ñể chế tạo chất lỏng nanô với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau [27, 28].

Các cấu trúc khác nhau của vật liệu nanô hình thành bởi phương pháp này chủ

yếu bị ảnh hưởng và quyết ñịnh bởi tính dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng cơ sở. Các

hạt nano chế tạo ñược có nhiều hình dạng khác nhau bao gồm hình ña giác, hình

vuông, và hình tròn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết hợp,

tập hợp hay tụ ñám của các hạt nanô.

Tuy nhiên phương pháp vật lý một bước không thể tổng hợp ñược chất lỏng nanô

ở quy mô lớn, và giá thành dựa trên phương pháp này cũng cao, chính vì thế mà các

phương pháp hóa học một bước ñã nhanh chóng ñược phát triển. Nhóm nghiên cứu

Zhu ñã ñưa ra một phương pháp hóa học ñể chế tạo chất lỏng nanô Cu bằng cách phản ứng CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới tác dụng của vi sóng [29]. Kết quả thu ñược chất lỏng nanô với sự phân tán tốt và ổn ñịnh của hạt nanô Cu

trong ethylene glycol. Chất lỏng nanô trên cơ sở dầu gốc có chứa các hạt nano bạc với

sự phân bố hẹp của kích thước các hạt nanô cũng ñã ñược chế tạo bằng phương pháp này [30].

Chất lỏng nanô trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn ñịnh cao cũng

ñược nhóm A. K. Singh chế tạo bằng phương pháp hóa học một bước với sự hỗ trợ của

sóng siêu âm, trong ñó polyvinylpyrrolidone (PVP) ñược sử dụng như là chất hoạt ñộng bề mặt tạo sự ổn ñịnh của bạc và giảm sự tụ ñám cho bạc trong dung dịch [31].

1.2.1.2 Chất lỏng chứa ống nanô cácbon

+) Chế tạo chất lỏng nanô cácbon

Như ñã trình bày ở trên, có hai phương pháp chính ñể chế tạo chất lỏng nanô là

phương pháp một bước và phương pháp hai bước. Phần lớn các nghiên cứu hiện nay

về chất lỏng nanô ñều thực hiện chế tạo dựa trên phương pháp hai bước vì nó không

ñòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nanô ñã ñược chế tạo sẵn với

số lượng lớn. ðối với chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon, cho ñến nay

phương pháp một bước vẫn chưa khả thi và phương pháp hai bước ñược sử dụng ở tất cả các nghiên cứu ñược biết ñến. [32]

Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo chất lỏng CNTs là tránh ñược sự tụ ñám

và tạo ñộ ổn ñịnh lâu dài trong chất lỏng. Các ống nanô cácbon chưa biến tính, dưới sự

tác ñộng của lực Van-der-Waals, cũng như do tỷ số diện tích bề mặt lớn dẫn ñến CNTs

dễ bị tụ ñám và lắng ñọng ngay sau khi phân tán trong các chất lỏng, ngay cả việc sử

dụng phương pháp rung siêu âm trong thời gian dài cũng không ñạt kết quả tốt trong

việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu Xie ñã chứng tỏ rằng hầu hết

các ống nanô cácbon chưa biến tính khi phân tán trong nước với nồng ñộ 0,175% ñều bị lắng ñọng chỉ 5 phút sau khi chế tạo [33]. Vì vậy, trong việc chế tạo chất lỏng CNTs,

việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng các chất hoạt ñộng bề mặt, và rung siêu âm là

quan trọng ñể phân tán CNTs trong chất lỏng.

Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự ñã chế tạo chất lỏng CNTs trên nền nước

cất bằng cách sử dụng chất hoạt ñộng bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS). SDS là

một chất hoạt ñộng bề mặt cation có chứa một ñầu ưa Sulfate và một phân ñoạn

hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại một lực hút

mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs kết hợp với SDS

cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs ñơn thuần, ñiều này ñược giải thích là do

có sự xuất hiện của lực ñẩy tĩnh ñiện giữa các bề mặt tích ñiện âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs. [34]

+) Tính chất nhiệt của chất lỏng nanô cácbon

ðể khảo sát tính chất nhiệt, nhóm nghiên cứu Choi ñã khảo sát ñộ dẫn nhiệt của

dầu poly(α-olefin) chứa thành phần SWCNTs. Kết quả thực nghiệm cho thấy ñộ dẫn

nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lượng của SWCNTs tăng. ðộ dẫn nhiệt của chất

lỏng tăng lên ñến 160% khi tỷ lệ thể tích của SWCNTs ñược thêm vào là 1,75%.

Với MWCNTs, có nhiều nhóm khác nhau ñã khảo sát ñộ dẫn nhiệt khi thêm vào

chất lỏng nền. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen ñã khảo sát ñộ dẫn nhiệt của nước cất

(DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng ñộ % về thể tích của CNTs phân tán trong

chất lỏng. Hình 1.17 là kết quả mà nhóm nghiên cứu Lifei Chen ñã thu ñược, ñồ thị kết

quả cho thấy việc ñưa CNTs vào chất lỏng ethylene glycol có thể nâng cao ñộ dẫn nhiệt từ 10 – 15 % [35]. Nhóm nghiên cứu Salma Halelfadl cũng chỉ ra rằng vật liệu MWCNTs giúp tăng ñộ dẫn nhiệt của nước cất lên ñến 40% ở nhiệt ñộ 40oC khi hàm lượng của CNTs chỉ khoảng 0,28% [48]. Với những kết quả ưu việt thu ñược về tính

chất nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, nhóm nhà khoa học Narendra Singh,

Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn ðộ) ñã ñưa

CNTs vào chất lỏng Ethylene Glycol với nồng ñộ từ 0,12 – 0,4% về thể tích ñể ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho ô tô [36-37].

)

%

Nước cất

Ethylen Glycol

( t ệ i h n n ẫ d ố s ệ h o a c g n â n ộ ð

Nồng ñộ theo thể tích (%)

Hình 1.17. ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [35]

Nhóm nghiên cứu Sandesh S. Chougule cũng ñã tiến hành so sánh hiệu quả tản

nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs với chất lỏng chứa thành phần Al2O3 dùng

trong tản nhiệt cho ñộng cơ ô tô. Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng chứa thành

phần CNTs có hiệu quả tản nhiệt cao hơn so với chất lỏng chứa thành phần Al2O3,

ñiều này góp phần khẳng ñịnh sự ưu việt của CNTs trong việc gia cường vào chất lỏng tản nhiệt nanô. [69]

Nhóm nghiên cứu Salma Halelfadl cũng ñã tiến hành khảo sát hiệu quả dẫn nhiệt

của chất lỏng chứa thành phần CNTs trên cơ sở nước cất và ethylene glycol với hàm

lượng của CNTs là 0,05% về khối lượng. Với nhiều quy trình chế tạo chất lỏng nanô

khác nhau, các kết quả Salma Halelfadl thu ñược ñều cho thấy hiệu quả dẫn nhiệt ñược nâng lên ít nhất 10%. [10]

1.2.1.3 Ứng dụng chất lỏng nanô

Kể từ khi khái niệm chất lỏng nanô ñược hình thành, hướng nghiên cứu ứng

dụng chất lỏng nanô ñể nâng cao hiệu quả truyền nhiệt ñã thu hút ñược sự quan tâm

của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Cho ñến nay, trên thế giới ñã có nhiều công

trình công bố khác nhau về chất lỏng nanô, bao gồm chế tạo và tính chất nhiệt, lý

thuyết và mô hình tính toán, và truyền nhiệt ñối lưu.

Nhóm nghiên cứu của Xie ñã tiến hành khảo sát tính dẫn nhiệt của chất lỏng

ethylene glycol (EG) có chứa các loại oxit bao gồm MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2 và các hạt nano [65], và kết quả như trên bảng 1.3 cho thấy chất lỏng nanô MgO/EG

nanofluid ñã ñược tìm thấy có tính năng vượt trội với ñộ dẫn nhiệt cao nhất trong khi

ñộ nhớt thấp nhất.

Crystalline

Density (g/cm3)

Thermal conductivity* W/(m·K)

Viscosity (Cp) with 5.0 vol. % 30℃

Thermal conductivity enhancement of nanofluids (%) with 5.0 vol. %

48.4 8.4 13.0 36.0 10.4

2.9 4.1 5.6 3.6 2.6

Cubic Anatase Wurtzite γ noncrystalline

17.4 31.2 129.2 28.2 31.5

40.6 27.2 26.8 28.2 25.3

MgO TiO2 ZnO Al2O3 SiO2

Bảng 1.3. Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng

Với tính chất nhiệt ưu việt, chất lỏng nano mở ra nhiều hướng ứng dụng khác

nhau trong các lĩnh vực của cuộc sống.

Tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử

Do mật ñộ ngày càng cao hơn của chíp, ñồng thời linh kiện ñiện tử ngày càng

ñược thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử ñã trở thành bài toán cho các

nhà khoa học và công nghệ. Thiết bị ñiện tử tiên tiến ngày nay phải ñối mặt với những

thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhưng lại giảm diện tích bề mặt tiếp xúc

trong khi vẫn phải ñảm bảo ñược nhiệt ñộ hoạt ñộng ổn ñịnh. Vì vậy, hệ thống tản

nhiệt ñáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt ñộng ổn ñịnh cũng như kéo dài tuổi thọ

của các thiết bị ñiện tử tiên tiến. Hiện nay có hai hướng chính ñể cải thiện việc tản

nhiệt cho các thiết bị ñiện tử ñó là: tìm một mô hình tối ưu của hệ thống tản nhiệt, thứ

hai là nâng cao khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu trong hệ thống làm mát. Như ñã

biết, chất lỏng nanô có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các chất lỏng cơ sở, các nghiên

cứu gần ñây chứng minh rằng chất lỏng nanô có thể làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào việc sử dụng thêm các hạt nanô có ñộ dẫn nhiệt cao trong chất lỏng [102].

Nhóm nghiên cứu Jang và Choi thiết kế một hệ thống tản nhiệt mới trong ñó kết hợp vi kênh tản nhiệt với chất lỏng nanô [39]. Hiệu suất làm mát thu ñược cao hơn khi so sánh

với các thiết bị sử dụng nước tinh khiết. Chất lỏng nanô giúp giảm nhiệt trở và giảm sự

khác biệt về nhiệt ñộ giữa các bức tường của vi kênh dòng nước nóng và dòng nước

mát. Một vi kênh tản nhiệt kết hợp với chất lỏng nanô ñã mở ra tiềm năng ứng dụng

như các thiết bị làm mát thế hệ tiếp theo ñể loại bỏ nhiệt lượng lớn khỏi linh kiện ñiện

tử công suất. Hệ thống tản nhiệt vi kênh silic sử dụng chất lỏng nano có chứa các hạt

nano Cu cũng ñã ñược nghiên cứu, kết quả cho thấy chất lỏng nanô có thể nâng cao hiệu suất so với sử dụng nước tinh khiết như nước làm mát [40]. Việc tăng cường hiệu

quả tản nhiệt ñược giải thích là do sự gia tăng dẫn nhiệt của chất lỏng nhờ có thêm các

hạt nano. Một thuận lợi khác trong việc sử dụng chất lỏng nanô là các hạt nano với

kích thước nhỏ và phần trăm về thể tích thấp nên nó không gây thêm ra áp suất phụ

trong quá trình vận chuyển của chất lỏng trong hệ thống làm mát.

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tính trở

nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong những

giải pháp ñã ñược nghiên cứu là sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng nanô. Nhóm

nghiên cứu Tsaia ñã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nanô chứa hạt nanô vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [41]. Các kết quả ño cho thấy

nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay ñổi theo kích thước của các hạt nano vàng. Trong quá

trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nanô còn có tác dụng bắn phá các bong bóng hơi

hình thành trong chất lỏng, ngăn cản sự tăng lên của nhiệt trở chất lỏng, qua ñó giữ

nguyên ñược hiệu quả truyền nhiệt trong suốt quá trình hoạt ñộng.

Nhóm nghiên cứu Rashmi Walvekar cũng thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chứa

thành phần CNTs trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử với hàm lượng của CNTs từ

0,051 wt% ñến 0,085 wt%. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả trao ñổi nhiệt tăng lên từ 9% ñến 67% tùy vào hàm lượng của CNTs và nhiệt ñộ hoạt ñộng. [26]

Nhóm nghiên cứu Chen ñã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng chất lỏng chứa nanô bạc [42]. Kết quả nghiên cứu cho

thấy sự khác biệt về nhiệt ñộ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng chất lỏng

nano bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết. ðiều này ñược giải thích thông

qua việc tăng cường thông lượng nhiệt truyền qua chất lỏng.

Một số nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ống dẫn nhiệt chỉ ra rằng chất lỏng

nanô chứa bạc hoặc hạt nano titan có thể ñược sử dụng như một chất lỏng làm mát

hiệu quả cho các thiết bị có mật ñộ năng lượng cao. ðối với chất lỏng nanô bạc, sự khác biệt nhiệt ñộ giảm 0,56 - 0,65oC so với việc sử dụng nước cất khi công suất linh kiện là 30-50 W [43]. ðối với các ống dẫn nhiệt dùng chất lỏng nano titan ở nồng ñộ

0,10% thể tích, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông thường [44]. Những kết quả ñạt ñược ở trên ñã thúc ñẩy những nghiên cứu và phát triển

tiếp theo của chất lỏng nanô cho các ứng dụng cho linh kiện ñiện tử công suất lớn.

Tản nhiệt cho ñộng cơ

Chất lỏng nanô có tiềm năng to lớn ñể cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho ñộng cơ ô

tô và các ñộng cơ khác bằng cách tăng hiệu quả, giảm khối lượng và giảm sự phức tạp

của hệ thống tản nhiệt. Với hiệu quả tản nhiệt ñược cải thiện, người ta có thể tản nhiệt

cho các ñộng cơ ô tô và xe tải với mã lực cao hơn trong khi hệ thống tản nhiệt có kích

thước không thay ñổi. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống làm mát nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn

sẽ mang lại nhiều lợi ích trong lợi ích kinh tế và sản xuất công nghiệp. Chất lỏng nanô

trên nền ethylene glycol ñã thu hút ñược nhiều sự quan tâm trong các ứng dụng làm mát ñộng cơ [45-47] do nó hoạt ñộng áp suất thấp hơn và hiệu quả cao hơn so với một

hỗn hợp 50:50 của ethylene glycol và nước cất (tỷ lệ phổ biến của nước làm mát ñộng

cơ ô tô ñược sử hiện nay). Các chất lỏng nanô có nhiệt ñộ sôi cao hơn so với chất lỏng

nền, do vậy ñược sử dụng ñể làm tăng nhiệt ñộ hoạt ñộng của chất lỏng làm mát ñồng thời giảm nhiệt trở cho hệ thống làm mát [70].

Nhóm nghiên cứu Kole ñã sử dụng chất lỏng nanô Al2O3 ñể làm mát ñộng cơ xe

hơi với chất lỏng cơ sở là một chất làm mát ñộng cơ xe tiêu chuẩn (HP KOOLGARD)

[49] và nghiên cứu tính dẫn nhiệt và ñộ nhớt của chất lỏng ở nhiệt ñộ phòng. Các chất

lỏng nanô chế tạo ñược chứa 3,5% thể tích của các hạt nano Al2O3, nhưng ñộ dẫn nhiệt

tăng lên ñáng kể và ñạt giá trị tối ña là 10,41% ở nhiệt ñộ phòng. Nhóm nghiên cứu Tzeng [50] ñã ứng dụng chất lỏng nanô ñể làm mát cho hộp số tự ñộng. Chất lỏng nanô

ñược chế tạo bằng cách phân tán các hạt nanô CuO và Al2O3 vào dầu ñộng cơ. Kết quả

cho thấy chất lỏng nanô CuO cho ñộ chênh lệch về nhiệt ñộ thấp hơn khi hoạt ñộng ở

cả hai chế ñộ tốc ñộ cao và tốc ñộ thấp của ñộng cơ. Từ quan ñiểm hiệu suất truyền

nhiệt, việc sử dụng chất lỏng nanô trong việc tản nhiệt cho ñộng cơ mang lại nhiều lợi

thế một cách rõ ràng.

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ñã ñánh giá hiệu

quả các ứng dụng của chất lỏng nanô cho ngành giao thông vận tải. Việc sử dụng chất

lỏng nanô có ñộ dẫn ñiện cao hơn trong bộ tản nhiệt có thể dẫn ñến việc giảm diện tích

mặt trước của bộ tản nhiệt lên ñến 10%, ñồng thời có thể tiết kiệm nhiên liệu lên ñến

5% do sự giảm kéo khí ñộng học. Nó mở ra cánh cửa cho các thiết kế khí ñộng học ô

tô của thế hệ mới giảm lượng khí thải bằng cách giảm lực cản. Việc áp dụng các chất

lỏng nanô cũng góp phần làm giảm ma sát và mài mòn, giảm tổn thất ký sinh, ñiều này

giúp hoạt ñộng của các thành phần như máy bơm và máy nén khí tiết kiệm hơn 6%

nhiên liệu. Trong thực tế, chất lỏng nanô không chỉ nâng cao hiệu quả tản nhiệt và

hiệu quả kinh tế của ñộng cơ xe hơi, mà còn có rất nhiều sẽ ảnh hưởng ñến thiết kế cấu

trúc của ô tô. Ví dụ, bộ tản nhiệt ñộng cơ làm mát bằng chất lỏng nanô sẽ nhỏ hơn và

nhẹ hơn, nó có thể ñược ñặt ở những nơi khác trong xe cho phép việc thiết kế lại một

khung khí ñộng học nhiều hơn. Bằng cách giảm kích thước và thay ñổi vị trí của bộ

tản nhiệt, giảm trọng lượng và sức ñề kháng gió có thể cho phép tiết kiệm nhiên liệu

và lượng khí thải thấp hơn sau ñó. Mô phỏng máy tính từ các bộ phận của cơ quan

năng lượng Mỹ của công nghệ xe cho thấy chất lỏng nanô có thể làm giảm kích thước

của bộ tản nhiệt xe tải 5%. ðiều này sẽ dẫn ñến một sự tiết kiệm nhiên liệu 2,5% ở tốc ñộ ñường cao tốc. [51]

Ứng dụng trong công nghiệp

Việc áp dụng các chất lỏng nanô trong làm mát công nghiệp sẽ giúp tiết kiệm

năng lượng và giảm lượng khí thải. Dự ñoán ñối với ngành công nghiệp Mỹ, việc thay

nước làm mát và sưởi ấm với chất lỏng nanô có tiềm năng tiết kiệm 1 nghìn tỷ Btu năng lượng [52, 53].

Mặt khác, ñối với ngành công nghiệp ñiện lực của Hoa Kỳ, việc sử dụng chất

lỏng nanô trong chu kỳ làm mát khép kín dự ñoán có thể tiết kiệm ñược khoảng

10.000-30.000 tỷ Btu mỗi năm (tương ñương với mức tiêu thụ năng lượng hàng năm

của khoảng 50,000-150,000 hộ gia ñình). Việc cắt giảm lượng khí thải liên quan là khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn Oxit Nitơ, và 21.000 tấn SO2 [54].

Ứng dụng trong sưởi ấm và giảm ô nhiễm

Chất lỏng nanô có thể ñược áp dụng trong xây dựng hệ thống sưởi ấm. Nhóm

nghiên cứu Kulkarni ñã ñánh giá việc thực hiện công trình sưởi ấm ở các vùng lạnh sử

dụng chất lỏng nanô. Ở các vùng lạnh, người ta sử dụng ethylene glycol hoặc

propylene glycol pha với nước theo tỷ lệ khác nhau như một chất lỏng truyền nhiệt.

Thông thường chất lỏng cơ sở ñược sử dụng là ethylene glycol pha với nước theo tỷ lệ

60:40 về trọng lượng. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng chất lỏng nanô trong bộ trao

ñổi nhiệt có thể làm giảm tỷ lệ lưu lượng thể tích và khối lượng, ñiều này giúp tiết

kiệm ñáng kể năng lượng bơm. Chất lỏng nanô giúp hệ thống sưởi ấm nhỏ hơn nhưng

tương ñương với hệ thống sưởi ấm lớn hơn mà lại ít tốn kém. ðiều này làm giảm chi

phí thiết kế ban ñầu không bao gồm chi phí chất lỏng nanô. ðiều này cũng sẽ làm

giảm ô nhiễm môi trường, vì các bộ phận truyền nhiệt nhỏ hơn với ít chất lỏng hơn sẽ giúp giảm vật liệu phế thải vào cuối vòng ñời của nó. [55]

Nhóm nghiên cứu Sandesh S. Chougule [38] và Z. Said [101] cũng ñã thử nghiệm

ứng dụng chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon trong thiết bị thu nhiệt từ năng

lượng mặt trời dùng trong mục ñích sưởi ấm, kết quả cho thấy hiệu suất thu năng

lượng mặt trời lên ñến 63% khi hàm lượng CNTs trong chất lỏng là 60%.

Ứng dụng trong hệ thống hạt nhân

Viện Công nghệ Massachusetts ñã thành lập một trung tâm ña ngành về công

nghệ chất lỏng nanô cho ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân. Các nhà nghiên cứu

ñang khám phá các ứng dụng hạt nhân của chất lỏng nanô, ñặc biệt là cho ba bộ phận

sau ñây:

(1) Chất lỏng làm mát cho loại phản ứng nước áp lực (Pressurized Water

Reactors - PWR), nó cho phép nâng cao công suất ñáng kể cho các PWR hiện tại và

tương lai, do ñó nâng cao hiệu quả kinh tế. Cụ thể, việc sử dụng chất lỏng nanô với

thông lượng nhiệt nâng cao hơn 32% cho phép tăng 20% công suất trong các nhà máy

hiện tại mà không thay ñổi thiết kế, lắp ráp và nhiên liệu.

(2) Chất lỏng tản nhiệt cho hệ thống làm mát lõi khẩn cấp (Emergency Core

Cooling Systems - ECCSs) của cả hai loại lò PWR và lò phản ứng nước sôi (Boiling

Water Reactors - BWR);

(3) Chất lỏng tản nhiệt trong mạch của lõi nóng chảy nhằm ñảm bảo an toàn

trong trường hợp xảy ra tai nạn nghiêm trọng ở các lò phản ứng. [56-57]

Ứng dụng trong không gian và quốc phòng

Do sự hạn chế về không gian, năng lượng, và cân nặng trong trạm không gian

và máy bay nên việc chế tạo hệ thống làm mát hiệu quả cao với kích thước nhỏ hơn ñã

trở thành một vấn ñề cấp thiết. Nghiên cứu sâu hơn về chất lỏng nanô sẽ dẫn ñến sự

phát triển của thế hệ tiếp theo của các thiết bị có sự kết hợp chất lỏng nanô với hệ

thống ñiện tử, mở ra khả năng tăng tốc ñộ của chip trong linh kiện ñiện tử hoặc ñơn

giản hóa yêu cầu làm mát cho các ứng dụng không gian. Một số thiết bị quân sự và hệ thống ñòi hỏi thông lượng nhiệt cao làm mát với mức ñộ hàng chục MW/m2. Ở cấp ñộ

này, làm mát các thiết bị quân sự và hệ thống là rất quan trọng cho các hoạt ñộng ñáng

tin cậy. Chất lỏng nanô với dòng nhiệt cao quan trọng có tiềm năng ñể cung cấp các

yêu cầu làm mát trong các ứng dụng cũng như trong các hệ thống quân sự khác, bao

gồm cả xe quân sự, tàu ngầm, raña, và laser công suất cao. Vì vậy, chất lỏng nanô có

ứng dụng rộng rãi trong không gian và quốc phòng các lĩnh vực, trong ñó mật ñộ năng lượng cao trong khi hệ thống tản nhiệt nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn. [52]

1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

Với tính chất dẫn nhiệt tốt, CNTs cũng trở thành vật liệu tiềm năng ứng dụng

trong các loại kem tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn (như vi xử lý máy tính,

ñèn LED).

Trong các hệ thống tản nhiệt, kem tản nhiệt ñóng vai trò quan trọng trong việc

nâng cao hiệu quả truyền nhiệt ở lớp tiếp giáp giữa linh kiện và ñế tản nhiệt. Hình 1.18

mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt tại lớp tiếp giáp khi sử dụng kem tản nhiệt.

Có thể thấy giữa bề mặt của linh kiện ñiện tử và ñế tản nhiệt luôn luôn có sự mấp mô

tạo thành các khe hở không khí, những khe hở không khí với ñộ dẫn nhiệt kém sẽ làm

tăng nhiệt trở lớp tiếp giáp và làm giảm hiệu quả truyền nhiệt từ linh kiện sang ñế tản

nhiệt, làm cho nhiệt ñộ của linh kiện sẽ tăng lên và tuổi thọ của linh kiện giảm xuống.

ðể khắc phục nhược ñiểm này, người ta phải dùng kem tản nhiệt ñể lấp ñầy các

khoảng trống nhằm giảm nhiệt trở lớp tiếp giáp và tăng cường sự trao ñổi nhiệt.

Hình 1.18. Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng cách sử dụng kem tản nhiệt [76]

Các loại kem tản nhiệt tuy có ñộ dẫn nhiệt khá tốt nhưng vẫn nhỏ hơn nhiều lần

so với các kim loại trong hệ thống tản nhiệt. Do vậy nếu tăng ñược ñộ dẫn nhiệt của

kem tản nhiệt thì sẽ giúp giảm nhiệt trở của lớp tiếp giáp và tăng hiệu quả tản nhiệt

cho linh kiện. Một trong những giải pháp ñã ñược nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới

thực hiện ñó là ñưa vật liệu nano vào nền kem tản nhiệt nhằm nâng cao ñộ dẫn nhiệt cho kem [77]. Ống nanô cácbon với ñộ dẫn nhiệt cao ñã trở thành vật liệu tiềm năng cho hướng ứng dụng này và ñã ñược nhiều nhóm trên thế giới tập trung nghiên cứu [78].

Chẳng hạn nhóm Yunsheng Xu ñã ñưa CNTs vào nền PEG với hàm lượng từ 0,3%vol

ñến 3%vol, kết quả cho thấy với hàm lượng 0,6%vol của CNTs thì vật liệu tản nhiệt có ñộ dẫn nhiệt tối ưu như ñược mô tả trên hình 1.19 [96].

)

C

o

.

2 /

m W

4 0 1 ( t ệ i h n n ẫ d ộ ð

Nồng ñộ CNTs theo thể tích (%)

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 [96]

)

%

( t ệ i h n n ẫ d ố s ệ h o a c

g n â n ộ ð

Nồng ñộ theo thể tích (%)

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 [97]

Nồng ñộ theo khối lượng (%)

)

/

Xử lý DMF (HiPco) Xử lý DMF (Lò Laser) Xử lý chất hoạt ñộng bề mặt

K m W

Thấm ñiện

( t ệ i h n n ẫ d ộ ð

Nồng ñộ theo thể tích (%)

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 [98]

Trong nghiên cứu của nhóm Sashi Kiran C ñược công bố vào năm 2013, vật

liệu CNTs ñã ñược phân tán vào nền kem tản nhiệt LS6006 với nồng ñộ tối ưu thu ñược là 2% cho ñộ dẫn nhiệt tương ứng tăng lên 1,4 lần [99].

Một số nhóm nghiên cứu cũng ñã phát triển mô hình tính toán lý thuyết cho ñộ

dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, chẳng hạn như nhóm nghiên cứu Indra Vir Singh với kết quả tính toán ñược mô tả như trên hình 1.20 [97]. Nhóm nghiên

cứu M. B. Bryning cũng ñề xuất một mô hình tính toán lý thuyết ñồng thời so sánh với kết quả thực nghiệm như trên hình 1.21 [98]. Các kết quả tính toán lý thuyết ñều cho

thấy khi tăng hàm lượng của CNTs thì ñộ dẫn nhiệt của kem cũng tăng tuyến tính.

Bên cạnh ñó, một số hãng công nghiệp như Intel cũng ñã quan tâm và tiến hành

nghiên cứu ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt ñể nâng cao hiệu quả hoạt ñộng cho vi xử lý máy tính [79]. Ngoài ra, ñể tăng cường hiệu quả dẫn nhiệt, một số nhóm nghiên

cứu như nhóm Amy M. Marconnet ñã sử dụng CNTs ñịnh hướng trong nền polymer,

kết quả cho thấy khi sử dụng CNTs ñịnh hướng thì hiệu quả dẫn nhiệt của vật liệu tăng lên ít nhất 2 lần so với việc sử dụng CNTs không ñịnh hướng [100].

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng

ðể nghiên cứu cơ chế nâng cao ñộ dẫn nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs

cũng như ảnh hưởng của chúng ñến hiệu quả tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất

lớn (CPU, LED, ...) chúng tôi ñã sử dụng ñến phương pháp tính toán lý thuyết và

phương pháp mô phỏng.

2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết

Nhằm mục ñích nghiên cứu cơ chế nâng cao ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa

thành phần CNTs, chúng tôi ñã tìm hiểu các mô hình tính toán lý thuyết của các nhóm

nghiên cứu khác nhau trên thế giới (như nhóm nghiên cứu Hemanth, H E Patel,

Yingsong Zheng, Rashmi Walvekar, S.U.S Choi, v.v...). Việc nghiên cứu các mô hình

tính toán lý thuyết ñã có giúp tập thể nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế, bản chất của

việc nâng cao ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt khi ñược gia cường thêm thành phần

CNTs. Sau quá trình nghiên cứu và tìm hiểu, chúng tôi ñã xây dựng ñược một mô hình

tính toán lý thuyết cải tiến ñể xác ñịnh ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô chứa thành

phần ống nanô cácbon với ñộ chính xác cao hơn so với các mô hình tính toán lý thuyết

ñược biết ñến trước ñó trên thế giới.

2.1.2. Phương pháp mô phỏng

ðể dự ñoán hiệu quả tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ

thống tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn, chúng tôi ñã sử dụng phương pháp

mô phỏng. Ngôn ngữ lập trình ñược chúng tôi sử dụng trong mô phỏng là ngôn ngữ

Visual Basic. Phương pháp mô phỏng ñã ñược áp dụng ñể mô phỏng cho kết cấu tản

nhiệt bằng chất lỏng tuần hoàn sử dụng bơm và kết cấu tản nhiệt bằng chất lỏng tuần

hoàn tự ñối lưu. 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 ñể thu ñược kết quả mô phỏng. Phương pháp mô

phỏng cũng ñã ñược sử dụng kết hợp với kết quả thực nghiệm ñể dự ñoán ñộ dẫn nhiệt

của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs khi ñược áp dụng thử nghiệm cho vi xử lý

máy tính.

2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu

2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo

Các nguyên liệu và hóa chất:

Các nguyên liệu và hóa chất chính phục vụ chế tạo vật liệu trong luận án bao

gồm:

- Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) là loại ña tường, ñược chế tạo tại Viện Khoa

học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) bằng phương pháp

CVD nhiệt, với ñường kính của CNTs từ 15 – 80 nm, và chiều dài CNTs từ 1 - 10 µm,

ñộ sạch > 90%, cácbon vô ñịnh hình < 6%, Fe: 2,68%, Al: 0,26%, Si: 0,73%.

- Các hóa chất biến tính ống nanô cácbon bao gồm: HNO3 (Merck), H2SO4

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

- Một số loại chất lỏng nền ñể phân tán CNTs như: nước cất 2 lần, ethylene

glycol, v.v...

- Một số loại chất hoạt ñộng bề mặt ñể phân tán CNTs trong chất lỏng như:

Tween-60, Tween-80, PVP, ...

- Một số loại kem tản nhiệt nền ñể pha trộn với CNTs như: kem tản nhiệt Stars

350 (màu trắng, thành phần chủ yếu là silicon, ñộ dẫn nhiệt khoảng 0,5 W/m.K), kem

tản nhiệt AS5 (màu xám, thành phần chủ yếu là bạc, ñộ dẫn nhiệt khoảng 8 W/m.K).

- Dung môi chloroform (CHCl3) dùng ñể phân tán ñồng ñều vật liệu CNTs

trong nền kem tản nhiệt.

- Một số dung môi khác phục vụ thí nghiệm như: nước cất, etanol, axeton, ...

Các thiết bị chế tạo vật liệu

Các thiết bị chính phục vụ chế tạo vật liệu trong luận án bao gồm:

- Máy lọc hút chân không: sử dụng trong quá trình biến tính vật liệu CNTs.

- Máy rung siêu âm: Microson XL2000 và Elma S40H sử dụng ñể biến tính vật

liệu CNTs và phân tán CNTs vào nền chất lỏng.

- Máy khuấy từ: tốc ñộ tối ña 2000 vòng/phút, dùng ñể pha trộn dung dịch và

phân tán CNTs vào nền chất lỏng.

- Một số thiết bị chế tạo vật liệu khác như: cân vi lượng, tủ hút, tủ sấy chân

không, ...

2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon

ðể tăng cường khả năng phân tán ống nanô cácbon (CNTs) vào các loại vật liệu

nền nói chung hay chất lỏng, chất keo nói riêng thì bề mặt của vật liệu CNTs cần phải

ñược biến tính ñể gắn kết với các nhóm chức hóa học. Hiện nay có nhiều phương pháp

khác nhau ñể biến tính gắn nhóm chức hóa học lên bề mặt của CNTs, trong các

phương pháp ñó thì phổ biến nhất là phương pháp biến tính hóa học bằng cách sử dụng

chất oxi hóa mạnh. Các nhóm chức dùng ñể gắn kết lên bề mặt CNTs cũng khá ña

dạng, trong ñó phổ biến nhất là nhóm chức –COOH và nhóm chức –OH. Dựa trên mục

CNTs

Dung dịch A

0,1 mol HNO3 0,3 mol H2SO4

Rung siêu âm 4 h

Khuấy ñều 4 h

Lọc rửa với H2O2

Máy lọc hút chân không

Lọc với nước cất

CNTs-OH

CNTs-COOH khô

Sấy khô 24 h

CNTs-COCl

Ngâm trong SOCl2 24 h

CNTs- COOH ướt

tiêu nghiên cứu của luận án, chúng tôi tập trung vào quy trình công nghệ biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs. [58-60]

Hình 2.1. Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs

Ngoài ra việc biến tính nhóm chức lên CNTs cũng giúp nâng cao hơn hiệu quả dẫn nhiệt của chất lỏng như nhóm nghiên cứu SZ Heris ñã công bố [15]. ðể biến tính

gắn nhóm chức –COOH hoặc –OH lên bề mặt vật liệu CNTs chúng tôi sử dụng quy

trình tổng quan như ñược thể hiện trên hình 2.1. Quy trình này ñược thực hiện qua các bước như sau [58-60]:

- Bước 1: 1 gam CNTs ñược ñưa vào bình cầu chứa 100 ml hỗn hợp axít HNO3

và H2SO4 với tỉ lệ về số mol là 1:3.

- Bước 2: khuấy trộn ñều hỗn hợp trên bằng máy khuấy từ ở 80oC trong 4 giờ.

- Bước 3: Rung siêu âm toàn bộ hỗn hợp thu ñược ở bước trên trong 4 giờ.

- Bước 4: Tiến hành lọc rửa sản phẩm huyền phù thu ñược ở bước trên bằng máy

lọc hút chân không ñể loại bỏ thành phần axít dư.

Trong ñó: Việc kiểm tra lượng axít dư ñược thực hiện bằng cách tiến hành xác

ñịnh ñộ pH của dịch lọc khi ñưa giấy chỉ thị pH vào hỗn hợp, khi giấy chỉ thị không

ñổi màu thì chứng tỏ CNTs ñã sạch, không còn axít dư.

- Bước 5: Chất bột sau khi lọc rửa ñược sấy khô ở 80oC trong 24 giờ ñể thu ñược

sản phẩm biến tính CNTs-COOH.

- Bước 6: ðể biến tính gắn thêm nhóm chức –OH thì vật liệu CNTs-COOH ñược

ngâm trong dung dịch SOCl2 trong máy rung siêu âm với thời gian 24h tại nhiệt ñộ 24oC ñể thu ñược CNTs-COCl.

- Bước 7: Cuối cùng, vật liệu CNTs-COCl ñược lọc rửa bằng H2O2 ñể thu ñược

vật liệu CNTs biến tính gắn nhóm chức OH.

Cơ chế của việc hình thành nhóm chức –COOH và –OH trên bề mặt CNTs ñã

ñược trình bày trong nhiều công trình công bố trên thế giới, trong ñó giải thích hỗn

hợp axit HNO3 và H2SO4 ñóng vai trò là chất oxi hóa mạnh tạo ra các khuyết tật ở bề

mặt của CNTs. Từ những vị trí khuyết tật trên bề mặt CNTs, nguyên tố Cacbon sẽ liên

kết với các nhóm chức bên ngoài như –OH và – COOH ñể tạo thành CNTs biến tính.

Việc biến tính sẽ không ảnh hưởng nhiều ñến tính chất cơ, nhiệt, ñiện của MWCNTs

vì chỉ lớp ngoài cùng của MWCNTs bị biến ñổi về mặt hóa học, còn tất cả các lớp phía

trong của MWCNTs vẫn giữ nguyên ñóng vai trò ổn ñịnh tính chất ñộc ñáo vốn có của CNTs. [61-62]

2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon

ðể thực hiện luận án, nghiên cứu sinh ñã lựa chọn 2 loại chất lỏng ñể phân tán

CNTs, bao gồm: nước cất (DW) và hỗn hợp ethylene glycol với nước cất (EG/DW).

Việc lựa chọn nước cất trong nghiên cứu phân tán CNTs vì ñây là loại chất lỏng thông

dụng, phổ biến, có hệ số dẫn nhiệt cao, có nhiệt dung riêng lớn nên phù hợp với mục

ñích tản nhiệt, ngoài ra nước cất cũng là nền chất lỏng thuận tiện ñể làm trung gian pha

chế thêm các dung môi và chất lỏng khác. Tuy nhiên nước cất lại không phải là loại

chất lỏng ñược ứng dụng thực ñể tản nhiệt trong thực tế. Vì vậy luận án ñã lựa chọn

thêm hỗn hợp ethylene glycol với nước cất trong nghiên cứu vì ñây là loại chất lỏng

ñược ứng dụng ñể tản nhiệt trong thực tế, trong ñó ethylene glycol có tác dụng giảm

nhiệt ñộ ñông ñặc cũng như tăng nhiệt ñộ bay hơi trong ñiều kiện hoạt ñộng khắc nhiệt

của hệ thống tản nhiệt ở các vùng môi trường và khí hậu khác nhau. Cũng chính vì lý

do ñó mà các chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong luận án ñược thử

nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho các linh kiện ñiện tử công suất (CPU, LED) với

sự phân chia như sau:

- Nước cất chứa thành phần CNTs ñược thử nghiệm ứng dụng trong vi xử lý

cấu hình vừa phải (Intel Pentium IV) và ñèn LED công suất trung bình (50 W) với

ý nghĩa ñây là những thử nghiệm ứng dụng mang tính khởi ñầu.

- Hỗn hợp EG/DW chứa thành phần CNTs ñược thử nghiệm ứng dụng trong vi

xử lý cấu hình cao (Intel Core i5) và ñèn LED công suất lớn (100 W, 450 W) với ý

nghĩa ñây là những thử nghiệm mang tính ứng dụng thực tế.

CNTs biến tính ñược phân tán ñồng ñều vào nước cất hoặc hỗn hợp ethylene

glycol/nước cất (EG/DW) bằng cách sử dụng thêm chất hoạt ñộng bề mặt Tween-80

kết hợp với phương pháp rung siêu âm. Với chất lỏng là nước cất (Distilled Water –

DW), chúng tôi lựa chọn loại CNTs-COOH trong quá trình phân tán, vì việc biến tính

gắn nhóm chức –COOH là ñơn giản hơn so với biến tính gắn nhóm chức –OH, ñồng

thời nhóm chức –COOH cũng tương thích và có khả năng phân li trong môi trường

nước. Với chất lỏng là ethylene glycol (EG), chúng tôi lựa chọn CNTs-OH trong quá

trình phân tán vì nếu sử dụng CNTs-COOH sẽ xảy ra phản ứng giữa gốc –COOH trên

bề mặt CNTs với gốc –OH trên bề mặt ethylene glycol, dẫn ñến mất ñi nhóm chức

phân li –COOH trên bề mặt CNTs.

CNTs

CNTs biến tính -COOH hoặc -OH

Chất hoạt ñộng bề mặt Tween

Phương pháp rung siêu âm

Chất lỏng chứa thành phần CNTs

Chất lỏng DW, EG/DW

Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng

Quy trình ñể phân tán CNTs trong chất lỏng (DW hoặc EG/DW) ñược mô tả

như trên hình 2.2 bao gồm các bước như sau:

• Bước 1: Tiến hành biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức –COOH hoặc nhóm

chức –OH.

• Bước 2: ðưa chất hoạt ñộng bề mặt (Tween-80) vào chất lỏng DW hoặc

EG/DW với hàm lượng 0,5 ml Tween-80 / lít chất lỏng.

• Bước 3: ðưa vật liệu CNTs biến tính với nhóm chức phù hợp vào chất lỏng

DW hoặc EG/DW với hàm lượng CNTs từ 0 – 1,3 g/lít.

• Bước 4: Rung siêu âm trong thời gian thích hợp (trên 30 phút) ñể phân tán

ñồng ñều CNTs vào nền chất lỏng DW hoặc EG/DW.

2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

ðể chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, chúng tôi sử dụng vật liệu

CNTs-COOH như ñã ñược trình bày ở phần trên. Các loại kem dùng ñể phân tán

CNTs vào bao gồm kem Star350 và kem AS5. ðể thuận lợi cho quá trình phân tán

chúng tôi sử dụng dung môi Chloroform với công thức hóa học là CHCl3, vì ñây là

chất lỏng dễ bay hơi, có tính chất phân tán ñều CNTs như nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới ñã công bố. [63-64]. Ngoài ra Chloroform có khả năng hòa tan kem tản nhiệt

Stars và AS5, sau khi bay hơi Chloroform không phá vỡ cấu trúc kem của vật liệu nền

là Stars và AS5.

Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs ñược chế tạo thông qua các bước như sau: • Bước 1: Tiến hành biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức –COOH. • Bước 2: Phân tán ñồng ñều vật liệu CNTs biến tính vào dung môi Chloroform

bằng máy rung siêu âm với hàm lượng 1g CNTs trong 20 ml Chloroform và

thời gian rung siêu âm là 1 giờ.

• Bước 3: Pha trộn dung môi Chloroform chứa thành phần CNTs với kem tản

nhiệt (Stars hoặc AS5) theo tỉ lệ 3:1 về thể tích.

• Bước 4: Tiếp tục khuấy và rung siêu âm trong thời gian 3 giờ ñể tăng sự phân

tán ñồng ñều CNTs trong nền kem, ñồng thời ñể dung môi Chloroform bay hơi

một phần trong quá trình phân tán.

• Bước 5: ðưa kem tản nhiệt vào lò ủ nhiệt ở nhiệt ñộ lớn hơn nhiệt ñộ sôi của Chloroform (61oC) và nhỏ hơn nhiệt ñộ hoạt ñộng tối ña của nền kem tản nhiệt (100oC) ñể bay hơi hoàn toàn Chloroform. Cụ thể, chúng tôi lựa chọn nhiệt ñộ ủ là 80oC và thời gian ủ là 48 giờ ñể bay hơi hoàn toàn Chloroform. Kết quả

cuối cùng thu ñược kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Các mẫu kem tản nhiệt ñược tiến hành nghiên cứu hình thái học bề mặt qua phép

ño SEM. ðể kiểm tra sự bay hơi hoàn toàn của Chloroform chúng tôi tiến hành phân

tích EDX ñể kiểm tra còn hay không sự tồn tại của nguyên tố Clo. Các mẫu kem tản

nhiệt cũng ñược tiến hành ño phổ tán xạ Raman ñể tìm hiểu có hay không sự hình

thành liên kết hóa học sau quá trình phân tán CNTs vào nền kem tản nhiệt.

2.3. Các phương pháp phân tích ño ñạc vật liệu

ðể khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu CNTs, luận án ñã sử dụng một số

phương pháp ño như: SEM, TEM, phổ tán xạ Raman, giản ñồ nhiễu xạ tia X, phép

phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), và phép ño phổ phân tán theo kích

thước Zeta-Sizer.

2.3.1. Hiển vi ñiện tử quét

Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM)

ñược sử dụng ñể xác ñịnh hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu với ñộ phân giải

nano mét.

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm ñiện tử ñể tạo ảnh của

mẫu nghiên cứu. Chùm ñiện tử ñược tạo ra từ catốt qua hai tụ quang sẽ ñược hội tụ lên

mẫu cần nghiên cứu, khi chùm ñiện tử ñập vào mẫu sẽ phát ra các ñiện tử phản xạ thứ

cấp. Mỗi ñiện tử thứ cấp này khi qua ñiện thế gia tốc sẽ vào phần thu và biến ñổi thành

tín hiệu ñiện, chúng ñược khuếch ñại ñưa vào mạng lưới ñiều khiển tạo ñộ sáng trên

màn hình. ðộ sáng tối trên màn hình tuỳ thuộc lượng ñiện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu

nhiều hay ít, ñồng thời còn phụ thuộc sự khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu. ðặc

biệt do sự hội tụ các chùm tia nên có thể nghiên cứu cả cấu trúc ở phần bên trong của

mẫu.

Hiển vi ñiện tử quét ñược sử dụng rộng rãi ñể quan sát vi cấu trúc ở trên bề mặt

của mẫu với ñộ phóng ñại và ñộ phân giải lớn gấp hàng nghìn lần so với kính hiển vi

quang học. ðộ phóng ñại của SEM nằm trong một dải rộng từ 10 ñến 1 triệu lần (so

sánh với ñộ phóng ñại của hiển vi quang học từ 1 ñền 1000 lần). ðộ phân giải của SEM khoảng vài nanomet (10-9m), trong khi của kính hiển vi quang học là vài micromet (10-6 m). Ngoài ra SEM còn cho ñộ sâu trường ảnh lớn hơn so với kính hiển

vi quang học. ðể ño ñược bằng phương pháp SEM, mẫu nghiên cứu cần phải ñược xử

lý sạch bề mặt và ñảm bảo ñiều kiện thao tác ñược trong chân không.

Trong luận án này, kính hiển vi ñiện tử quét ñược sử dụng ñể nghiên cứu là loại

Hitachi S-4800 tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam). Thiết bị cho ñộ phân giải ảnh ñiện tử thứ cấp là 1 – 2nm, kiểu phóng ñại

thấp LM từ 20-2000 lần, kiểu phóng ñại cao HM từ 100-800000 lần

2.3.2. Phổ tán xạ Raman

Phương pháp phổ tán xạ Raman lại cho phép phân tích về cấu trúc pha, cấu trúc

tinh thể và thành phần của vật liệu. ðây là phương pháp mang tên nhà Vật lý người Ấn

ðộ C.V Raman. Phổ tán xạ raman dựa trên nguyên lý tán xạ không ñàn hồi của ánh

sáng ñơn sắc chiếu tới mẫu, thông thường là từ một nguồn sáng laser. Tán xạ không

ñàn hồi là tán xạ mà tần số của các photon từ nguồn sáng ñơn sắc chiếu tới sẽ thay ñổi

khi nó tương tác với mẫu vật. Các photon của ánh sáng laser bị hấp thụ bởi mẫu và sau

ñó bị tán xạ. Tần số của các photon tán xạ có thể thay ñổi tăng hoặc giảm so với tần số

của nguồn sáng ñơn sắc khi chiếu tới, ñây ñược gọi là hiệu ứng Raman. Sự thay ñổi

này sẽ cung cấp thông tin về ñộ dao ñộng, ñộ quay và các tần số truyền khác của các

phân tử. Phương pháp Raman có thể ñược dùng ñể phân tích các mẫu ở cả dạng rắn,

lỏng và khí.

Các phép ño Raman thực hiện trong luận án ñược tiến hành trên thiết bị Micro -

Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) ñặt tại Viện Khoa học vật liệu

(Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

Thiết bị dùng nguồn sáng là Laser He - Ne, với cấu hình tán xạ ngược. Mẫu ñược

kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 514,5 nm của laser Ar. Mật ñộ công suất kích

thích thấp ñược sử dụng ñể tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ ño ñược lắp thêm

camera và màn hình ñể quan sát vị trí tạo ra tán xạ không ñàn hồi ánh sáng kích thích

trên một diện tích rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở trên bề mặt của mẫu.

Các mẫu ño ñược ñặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch chuyển nhỏ nhất là

0,5 mm. Ngoài ra, hệ ño còn ñược nối với kính hiển vi cho phép ghi phổ với ñộ phân

giải không gian tốt hơn. Máy tính ñiện tử kết nối trong hệ ño với chương trình cài ñặt

sẵn, cho ta kết quả cuối cùng ñã xử lý. Phổ ñược hiển thị trên màn hình dưới dạng sự

phụ thuộc cường ñộ dao ñộng vào số sóng của các vạch dao ñộng.

2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại

Phương pháp phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared

Spectroscopy – FTIR) là một phương pháp không phá huỷ mẫu, nhanh chóng và hiệu

quả với mục ñích xác ñịnh các nhóm chức hoá học.

Bằng cách so sánh phổ của mẫu với các phổ ñặc trưng ứng với từng loại nhóm

chức xác ñịnh, phương pháp này giúp nhận biết ñược các nhóm chức trong mẫu cần

phân tích, tuy nhiên ñây là phương pháp phân tích ñịnh tính giúp xác ñịnh thành phần

nhóm chức chứ không xác ñịnh ñược hàm lượng của các nhóm chức ñó có trong mẫu.

Yêu cầu ñể có kết quả phân tích chính xác là mẫu phân tích phải sạch và ñặc biệt

không phải là hỗn hợp chứa các nhóm chức khác nhau.

Trong luận án này chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ hồng

ngoại ñể xác ñịnh sự hình thành của các nhóm chức –COOH và –OH trên bề mặt của

CNTs sau quá trình biến tính. Trong luận án, phép ño phổ FTIR truyền qua ñược thực

hiện trên máy IMPAC 410 Nicolet tại Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam).

2.3.4. Phổ huỳnh quang tia X

Phổ huỳnh quang tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX, EDS) là

là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X

phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ, trong ñó bức xạ ñược sử dụng chủ yếu

là chùm ñiện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi ñiện tử.

Kỹ thuật EDX chủ yếu ñược thực hiện trong các kính hiển vi ñiện tử, ở ñó ảnh vi

cấu trúc vật rắn ñược ghi lại thông qua việc sử dụng chùm ñiện tử có năng lượng cao

tương tác với vật rắn. Khi chùm ñiện tử có năng lượng lớn ñược chiếu vào vật rắn, nó

sẽ ñâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp ñiện tử bên trong của

nguyên tử. Tương tác này dẫn ñến việc tạo ra các tia X có bước sóng ñặc trưng tỉ lệ với

nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo ñịnh luật Mosley.

(2.1)

Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là ñặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt

trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các

nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu ñồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên

tố này.

Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX ñược phát triển trong các

kính hiển vi ñiện tử, ở ñó các phép phân tích ñược thực hiện nhờ các chùm ñiện tử có

năng lượng cao và ñược thu hẹp nhờ hệ các thấu kính ñiện từ. Trong luận án này, phép

ño EDX ñược thực hiện ñồng thời trên kính hiển vi ñiện tử Hitachi S-4800 tại Viện

Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

2.3.5. Phổ phân tán Zeta-Sizer

Luận án cũng sử dụng thiết bị Zetasizer Nano ZS tại Viện Khoa học vật liệu

(Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). ðây là thiết bị cho phép ño phổ

phân bố theo kích thước của vật liệu nano trong chất lỏng và qua ñó ñánh giá ñược sự

ổn ñịnh của vật liệu nanô trong chất lỏng. Thiết bị Zetasizer Nano ZS ñược thiết kế ñể

ño kích thước hạt dựa trên nguyên lý tán xạ tia laser ñỏ (bước sóng 532 nm) khi chiếu

vào vật liệu nanô, do vật liệu nanô luôn chuyển ñộng trong chất lỏng theo ñịnh luật

Brown nên ánh sáng tán xạ cũng thay ñổi theo. Dựa trên các thuật toán phân tích tốc

ñộ thay ñổi của cường ñộ ánh sáng mà có xác ñịnh ñược phổ phân tán theo kích thước

của vật liệu nanô trong chất lỏng.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG

ðể xác ñịnh cơ chế nâng cao ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành

phần ống nanô cácbon, luận án ñã thực hiện 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. Mô hình cải tiến dựa trên việc phát triển một số mô hình tính toán lý thuyết ñã có trên thế giới ñể xây dựng mô hình với ñộ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm.

Trong chương này, luận án 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. 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.

3.1. Mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs

3.1.1. ðánh giá một số mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs

3.1.1.1. Mô hình ñộ dẫn nhiệt của Hemanth

Năm 2004, nhóm nghiên cứu Hemanth (Viện Công nghệ Madras – Ấn ðộ) ñã

ñề xuất mô hình về ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa các hạt nanô. Kết quả nghiên cứu của nhóm ñã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Physical Review Letters. [80]

Trong mô hình này, Hemanth giả thiết dòng nhiệt ñược truyền ñi trong môi

trường chất lỏng theo hai thành phần với phương trình mô tả như sau:

(3.1)

Trong ñó:

+ q là dòng nhiệt tổng cộng truyền qua môi trường chất lỏng nanô

+ qm là dòng nhiệt truyền qua các phân tử chất lỏng

+ qp là dòng nhiệt truyền qua các hạt nanô

= −

−

Phương trình trên có thể viết lại dưới dạng như sau:

k A m m

k A p p

dT dx

  

  

  

  

(3.2)

Trong ñó:

+ km là ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng nền

+ kp là ñộ dẫn nhiệt của vật liệu nanô

+ Am là diện tích của phân tử chất lỏng

+ Ap là diện tích của hạt nanô

dT dx

  

  

là gradien nhiệt ñộ của nền chất lỏng +

dT dx

  

  

+ là gradien nhiệt ñộ của hệ thống các hạt nanô

Do cả chất lỏng và hạt nanô ñều tham gia quá trình truyền nhiệt như một khối

thống nhất ñan xen vào nhau nên gradien nhiệt ñộ của chất lỏng và hạt nanô bằng

nhau, và ñược coi như bằng gradien nhiệt ñộ của chất lỏng nanô, do vậy ta có:

dT dx

  

  

  

  

  

  

(3.3)

= −

−

Từ ñây, phương trình (3.2) có thể viết lại dưới dạng:

k A m m

k A p p

dT dx

  

  

  

  

= −

(3.4)

k A m m

dT dx

  

k A p p k A m m

  1 +   

  

(3.5)

ðể xác ñịnh hệ số tỷ lệ Ap/Am, Hemanth ñã coi tỷ lệ này bằng tỷ lệ tổng diện

tích bề mặt của tất cả các hạt nanô trên tổng diện tích bề mặt của tất cả phân tử chất

lỏng có trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng nanô.

Giả sử hạt nanô chiếm tỷ lệ về thể tích là ε, khi ñó chất lỏng sẽ chiếm tỷ lệ về

thể tích là (1 - ε). Số phân tử chất lỏng chứa trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng

nanô ñược tính bởi công thức:

n m

ε− 1 v m

(3.6)

Trong ñó:

+ nm là số phân tử chất lỏng có trong một ñơn vị thể tích chất lỏng

nanô.

+ vm là thể tích của một phân tử chất lỏng.

Ta coi phân tử chất lỏng có dạng cầu với bán kính rm, khi ñó thể tích của phân

tử chất lỏng ñược tính là:

v m

4 3 rπ= m 3

(3.7)

Như vậy số phân tử chất lỏng chứa trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng nanô

−

sẽ là:

n m

− 1 v m

3 π r m

1 4 3

(3.8)

Tương tự như vậy, số hạt nanô chứa trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng

nanô cũng ñược xác ñịnh bởi công thức:

ε v

3 π r p

4 3

(3.9)

Do phân tử chất lỏng có dạng hình cầu với bán kính rm, do vậy diện tích bề mặt

của phân tử chất lỏng có thể xác ñịnh bằng công thức:

s m

2 rπ= 4 m

(3.10)

Tương tự, diện tích bề mặt của hạt nanô ñược xác ñịnh bởi công thức:

2 rπ= 4 p

(3.11)

Từ công thức (3.8) và công thức (3.10) ta có thể tính ñược tổng diện tích bề mặt

của phân tử chất lỏng là:

n s . m m

−

(3.12)

2 π r m

3 π r m

1 4 3

(3.13)

ε− r m

(3.14)

Tương tự như vậy, từ công thức (3.9) và công thức (3.11) ta có thể tính ñược

tổng diện tích bề mặt của hạt nanô là:

ε r p

(3.15)

A p

Như giả thiết ñã ñược nêu ở trên, ta có mối liên hệ như sau:

A m

1 −

A p

(3.16)

A m

ε r p

 . 3  

− ε  r  m

A p

(3.17)

ε −

A m

r m r p

(3.18)

= −

Thay biểu thức (3.18) vào biểu thức (3.5) ta có:

k A m m

dT dx

r ε p m − ) (1 ε

  

r p

  1 +    

   

(3.19)

Mặt khác ta cũng có:

= −

k A . eff m

dT dx

  

  

(3.20)

Trong ñó keff là hệ số dẫn nhiệt tương ñương của chất lỏng tản nhiệt nanô. Kết

hợp biểu thức (3.19) và biểu thức (3.20) ta có:

eff

r ε p m ) (1 ε

−

r p

 + 1  

   

(3.21)

Biểu thức (3.21) chính là biểu thức tính ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa các hạt

nanô theo mô hình của Hemanth.

3.1.1.2. Mô hình ñộ dẫn nhiệt của H E Patel

Năm 2008, nhóm nghiên cứu H E Patel (Viện Công nghệ Madras – Ấn ðộ) ñã

ứng dụng mô hình của Hemanth ñể tính ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

ống nanô cácbon. Kết quả nghiên cứu của nhóm ñã ñược ñăng trên tạp chí Bulletin of Materials Science. [81]

ðể tính ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon, nhóm

nghiên cứu H E Patel ñã viết lại biểu thức (3.21) dưới dạng:

eff

ε k r s l ε − (1 )

r s

 1 + 

  

(3.22)

Trong ñó:

+ ε là tỷ lệ phần trăm về thể tích của CNTs trong chất lỏng

+ kl là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng nền

+ ks là hệ số dẫn nhiệt của CNTs

+ rl là bán kính của phân tử chất lỏng

+ rs là ñường kính của CNTs

Hình 3.1 là so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang [81] trong trường hợp phân tán CNTs

vào nước cất. Kết quả so sánh cho thấy mô hình tính toán lý thuyết của H E Patel gần

với kết quả thực nghiệm hơn trong khi mô hình tính toán Hamilton-Crosser cho kết

quả thấp hơn nhiều so với thực nghiệm.

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 [81]

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. Chính vì lý do này, nhóm

nghiên cứu chúng tôi ñề xuất một mô hình cải tiến ñể ñạt ñược kết quả tính toán lý

thuyết chính xác hơn so với mô hình của H E Patel.

Có thể nhận thấy trong mô hình của H E Patel vẫn còn có một số ñiểm chưa hợp

lý dẫn tới kết quả tính toán không chính xác, cụ thể như sau:

- H E Patel ñã áp dụng mô hình tính toán của Hemanth ñể tính ñộ dẫn nhiệt của

chất lỏng chứa thành phần CNTs. Tuy nhiên mô hình tính toán của Hemanth chỉ áp

dụng cho các hạt nanô dạng cầu, trong khi hình dạng của CNTs lại là dạng ống (như

trên hình 3.2), ñiều này dẫn ñến kết quả tính toán lý thuyết chưa gần với kết quả thực

nghiệm.

Hình 3.2. Cấu trúc hình ống của CNTs [95]

- Trong tính toán, H E Patel ñã sử dụng ñường kính rs của CNTs ñể thay vào vị

trí bán kính rp của hạt nanô, H E Patel ñã không giải thích rõ ràng tại sao lại dùng

ñường kính của CNTs ñể thay vào vị trí bán kính của hạt nanô.

- Mô hình của H E Patel dựa trên mô hình Hemanth vốn sử dụng cho các hạt

nanô với ñộ dẫn nhiệt ñẳng hướng. Tuy nhiên tính chất dẫn nhiệt của CNTs lại không

ñẳng hướng. Cụ thể CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống, nhưng lại dẫn nhiệt kém theo

chiều vuông góc với ống. ðặc ñiểm dẫn nhiệt quan trọng này của CNTs ñã không

ñược sử dụng ñến trong tính toán của H E Patel, dẫn ñến kết quả tính toán lý thuyết

chưa gần với kết quả thực nghiệm.

3.1.1.3. Một số mô hình tính toán lý thuyết khác

Ngoài mô hình tính toán lý thuyết của H E Patel và Hemanth còn một số mô hình

tính toán lý thuyết khác về ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Tuy nhiên tất cả những mô hình này còn tồn tại nhiều nhược ñiểm. Các mô hình tính toán cổ ñiển như Maxwell [82], Hamilton–Crosser [83], Jeffrey [84], Davis [85], v.v... ñều

cho kết quả tính toán sai lệch so với kết quả thực nghiệm. Mô hình tính toán của Yingsong Zheng model [86] sử dụng chiều dài hiệu dụng của CNTs ñể dự ñoán ñộ dẫn

nhiệt của chất lỏng CNTs, tuy nhiên chiều dài hiệu dụng của CNTs là giá trị khó xác

ñịnh trong thực tế, do vậy thay vì ñể dự ñoán ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng thì mô hình 53

này dùng lại dùng ñể dự ñoán chiều dài hiệu dụng của CNTs. Mô hình của Rashmi Walvekar model [87] cũng cho kết quả tính toán với giá trị cao hơn nhiều so với thực nghiệm. Trong mô hình tính toán của S.U.S Choi [88], một thống số thực nghiệm α phải

ñược sử dụng trong tính toán, vì vậy phép tính toán vẫn phải dựa trên kết quả thực

nghiệm ñể chọn một thông số α phù hợp. Tương tự như vậy, mô hình tính toán của Seyed Masoud Hosseini [89] phải sử dụng ñến 3 thông số thực nghiệm cho quá trình

tính toán. Như vậy cho ñến nay vẫn chưa có mô hình tính toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt

của chất lỏng chứa thành phần CNTs cho kết quả thực sự thuyết phục.

3.1.2. ðề xuất mô hình tính toán cải tiến

ðể khắc phục những nhược ñiểm trong tính toán của nhóm H E Patel và tạo ra

công thức cho kết quả tính toán chính xác hơn, chúng tôi ñề xuất một mô hình cải tiến.

Trong mô hình cải tiến, chúng tôi vẫn giả thiết dòng nhiệt truyền trong chất lỏng nanô

bao gồm hai thành phần ñược biểu diễn dưới dạng phương trình:

q l

q CNT

(3.23)

Trong ñó:

+ q là dòng nhiệt tổng cộng truyền qua môi trường chất lỏng chứa

thành phần CNTs

+ ql là dòng nhiệt truyền qua các phân tử chất lỏng

+ qCNT là dòng nhiệt truyền qua hệ thống các ống CNTs

= −

−

Phương trình trên có thể viết lại dưới dạng như sau:

k A l l

A CNT CNT

dT dx

  

  

  

  

CNT

(3.24)

Trong ñó:

+ kl là ñộ dẫn nhiệt của nền chất lỏng

+ kCNT là ñộ dẫn nhiệt của vật liệu CNTs

+ Al là diện tích của phân tử chất lỏng

+ ACNT là diện tích của CNTs

dT dx

  

  

+ là gradien nhiệt ñộ của nền chất lỏng

dT dx

  

  

CNT

+ là gradien nhiệt ñộ của hệ thống các ống CNTs

Do cả chất lỏng và hạt nanô ñều tham gia quá trình truyền nhiệt như một thể

thống nhất nên gradien nhiệt ñộ của chất lỏng và CNTs ñều như nhau và ñược coi là

bằng với gradien nhiệt ñộ của chất lỏng nanô, do vậy ta có:

dT dx

  

  

  

  

  

  

CNT

(3.25)

= −

−

Do vậy, biểu thức (3.24) có thể viết lại dưới dạng:

k A l l

A CNT CNT

dT dx

  

  

  

= −

(3.26)

k A l l

dT dx

  

A CNT CNT k A l l

  1 +   

  

(3.27)

ðể xác ñịnh hệ số tỷ lệ ACNT/Al, chúng tôi dựa trên nguyên lý mà Hemanth ñã ñề

xuất, tức là coi thể coi tỷ lệ này bằng tỷ lệ tổng diện tích bề mặt của CNTs trên tổng

diện tích bề mặt của phân tử chất lỏng có trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng nanô.

Giả sử trong chất lỏng nanô, CNTs chiếm tỷ lệ về thể tích là ε, khi ñó chất lỏng

sẽ chiếm tỷ lệ về thể tích là (1 - ε). Số phân tử chất lỏng chứa trong một ñơn vị thể tích

của chất lỏng nanô ñược tính bởi công thức:

n l

ε− v l

(3.28)

Trong ñó:

+ nl là số phân tử chất lỏng trong một ñơn vị thể tích chất lỏng

nanô.

+ vl là thể tích của một phân tử chất lỏng.

Ta coi phân tử chất lỏng có dạng cầu với bán kính rl, khi ñó thể tích của phân tử

chất lỏng ñược tính là:

v l

4 rπ= l 3

(3.29)

Do vậy số phân tử chất lỏng chứa trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng nanô

−

sẽ là:

n l

− v l

r π l

1 4 3

(3.30)

Với CNTs, do có dạng hình ống với hai ñầu giống như hai bán cầu, công thức

tính thể tích của CNTs là:

v CNT

3 . r π CNT

2 r π CNT

3 . r π CNT

1 4 . 2 3

(3.31)

v CNT

3 . r π CNT

2 r π CNT

4 3

(3.32)

Như vậy, ta có số CNTs chứa trong một ñơn vị thể tích của chất lỏng nanô sẽ

là:

n CNT

v CNT

3 . r π CNT

2 r π CNT

4 3

(3.33)

Do phân tử chất lỏng có dạng hình cầu với bán kính rl, do vậy ta có thể tính

diện tích bề mặt của phân tử chất lỏng bằng công thức:

s l

rπ= 4 l

(3.34)

.4.

Trong khi CNTs lại có dạng hình trụ với hai bán cầu ở hai ñầu nên:

s CNT

2 r π CNT

1 2

(3.35)

s CNT

2 4 r π CNT

2 r π CNT

(3.36)

Từ công thức (3.30) và công thức (3.34) ta có thể tính ñược tổng diện tích bề

mặt của phân tử chất lỏng là:

n s . l l

−

(3.37)

r π l

1 4 3 56

(3.38)

ε− r l

(3.39)

Tương tự như vậy, từ công thức (3.33) và công thức (3.36) ta có thể tính ñược

tổng diện tích bề mặt của CNTs là

CNT

s . n CNT CNT

π 2

CNT

(3.40)

)

CNT

3 π . r CNT

2 π r CNT

(3.41)

( 2 ε π r 4 CNT 4 3

3 ε

CNT

4 r CNT 2 + r CNT

+ 2 r 3 CNT

(3.42)

Như giả thiết như ñã nói ở trên, ta có mối liên hệ như sau:

S CNT S

A CNT A l

(3.43)

r ε l − 1 ε

A CNT A l

4 r CNT 2 + r CNT

+ 2 3 r CNT

(3.44)

= −

Thay biểu thức (3.44) vào biểu thức (3.27) ta có:

k A l l

dT dx

k (1

L 2 ) + L 3 )

  

ε r CNT l ε − ) r CNT

r CNT r (4 CNT

  1 +   

  

(3.45)

= −

Mặt khác ta cũng có:

k A . eff l

dT dx

  

  

(3.46)

Trong ñó keff là hệ số dẫn nhiệt tương ñương của chất lỏng tản nhiệt nanô. Kết

(

hợp biểu thức (3.45) và biểu thức (3.46) ta có:

eff

2 L +

) 3

)

r k ε CNT l ) ( − r 1 ε CNT

r CNT ( r 4 CNT

 1 + 

  

(3.47)

(

= + 1

Biểu thức (3.47) có thể viết lại dưới dạng như sau:

eff k

2 L +

) 3

)

ε r k CNT l ) ( ε − r 1 CNT

r CNT ( r 4 CNT

(3.48)

r ε l

CNT

r CNT L

  

  

= + 1

eff k

−

( 1

) ε

r CNT

r CNT L

  

  

(3.49)

Chú ý rằng do CNTs luôn có chiều dài lớn hơn nhiều lần so với bán kính, vì vậy

≃ (3.50)

CNTr L

ta có:

≃

Từ biểu thức (3.49) và (3.50) ta có:

eff k

2 3

ε r k CNT l ) ( ε − r 1 CNT

(3.51)

Mặt khác chúng ta cũng biết rằng CNTs dẫn nhiệt tốt dọc theo ống, trong khi dẫn

nhiệt kém theo phương vuông góc với ống. Hơn nữa, trong chất lỏng nanô thì CNTs

phân tán ñồng ñều theo mọi hướng, do vậy chúng ta không thể dùng kCNT trong biểu

thức (3.51) mà phải dùng ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-CNT của CNTs trong trường hợp

≃

CNTs phân tán ngẫu nhiên theo mọi hướng. Khi ñó công thức (3.51) có dạng như sau:

eff k

2 3

ε r k eff CNT l − ) ( ε − 1

r CNT

(3.52)

t ệ i h n n ề y u r t u ề i h C

Hình 3.3. Mô hình tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs

ðể tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-CNT của CNTs, chúng tôi ñề xuất một mô hình

như trên hình 3.3. Trong mô hình này, ta giả thiết dòng nhiệt truyền theo chiều Oz, còn

CNTs phân tán ngẫu nhiên và có góc lệch φ so với phương Oz. Theo nguyên lý phân

tán ngẫu nhiên, số ống CNTs hợp với Oz một góc lệch φ sẽ tỷ lệ thuận với chu vi vòng

tròn do một ñầu của ống CNTs quay tròn quanh trục Oz, cụ thể:

sin

ϕ π ϕ L

(3.53)

Mặt khác, khi lệch so với phương truyền nhiệt một góc φ thì CNTs có ñộ dẫn

cos

nhiệt hiệu dụng là:

= kϕ k

CNT

(3.54)

Từ công thức (3.53) và (3.54) chúng tôi tính ñược ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng keff-CNT

/ 2

C k d ϕ ϕ

của CNTs khi phân tán ngẫu nhiên là:

∫

eff CNT −

/ 2

0 π

C d ϕ

(3.55)

∫

/ 2

2 k sin . π ϕ

d cos . ϕ ϕ

CNT

∫

eff CNT −

/ 2

2 d sin . π ϕ ϕ

(3.56)

∫

/ 2

d sin 2 . ϕ ϕ

∫

eff CNT −

CNT

1 2 / 2

0 π

d sin . ϕ ϕ

(3.57)

∫

eff CNT −

CNT

1 2

(3.58)

Từ biểu thức (3.52) và (3.58) ta có ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

≃

CNTs là:

eff k

1 3

r k ε CNT l ) ( − r 1 ε CNT

(3.59)

ðể xác ñịnh hiệu quả nâng cao ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

≃

.100%

CNTs, công thức 3.59 cũng có thể viết lại dưới dạng:

eff

1 3

r k ε l CNT ) ( r ε− 1 CNT

(3.60)

Trên ñây chính là công thức tính ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

CNTs sau khi ñã xét ñến hình dạng ống của CNTs cũng như xét ñến ñộ dẫn nhiệt bất

ñẳng hướng của CNTs. Kết quả so sánh giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm sẽ

ñược trình bày trong phần tiếp theo của luận án này.

3.1.3. ðánh giá ñộ chính xác của mô hình với thực nghiệm

MWCNTs trong nước cất

Hình 3.4 là ñồ thị so sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của chúng tôi với kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang (2006) [90] trong trường hợp

chất lỏng nanô là MWCNTs phân tán trong nước cất. Trong thực nghiệm của nhóm

Hwang, CNTs có chiều dài và ñường kính trung bình lần lượt là 10–50 µm và 10–30 nm [90], như vậy ñường kính trung bình của CNTs là 20 nm, và bán kính trung bình của

CNTs là rCNT = 10 nm. Trong tính toán, chúng tôi sử dụng ñộ dẫn nhiệt của CNTs là

1800 W/mK và của nước cất là 0,6 W/mK. Bán kính của phân tử nước là 0,1 nm. Hình

3.7 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả thực nghiệm của

nhóm Hwang.

Tương tự như trên, chúng tôi cũng tiến hành so sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen (2008) [91]. Trong tính toán này, ñường kính trung bình và chiều dài của CNTs lần lượt là 15 nm và 30 µm [91], như vậy bán

kính trung bình của CNTs là rCNT = 7,5 nm. Trong tính toán này chúng tôi vẫn sử dụng

ñộ dẫn nhiệt của CNTs và nước cất là 1800 W/mK và 0,6 W/mK, bán kính của phân tử

nước là 0,1 nm. Hình 3.5 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả

thực nghiệm của nhóm Lifei Chen.

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

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

SWCNTs trong nước cất

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

Hình 3.6 là kết quả so sánh mô hình tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu (2009) [92] trong trường hợp chất lỏng nanô là nước cất chứa

SWCNTs. Trong thực nghiệm, ñường kính của SWCNTs là 1-2 nm và chiều dài không vượt quá 30 µm [92], như vậy ñường kính trung bình của CNTs là 1,5 nm bán kính

trung bình của CNTs là rCNT = 0,75 nm. Trong tính toán này chúng tôi vẫn sử dụng ñộ

dẫn nhiệt của CNTs và nước cất là 1800 W/mK và 0,6 W/mK, bán kính của phân tử

nước là 0,1 nm. Hình 3.6 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là phù hợp so với kết quả

thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu.

MWCNTs trong ethylene glycol

Hình 3.7 là kết quả so sánh tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang (2006) [90] trong trường hợp phân tán MWCNTs trong ethylene glycol. Trong

thực nghiệm của nhóm Hwang, CNTs có chiều dài và ñường kính trung bình lần lượt là 10–50 µm và 10–30 nm [90], như vậy ñường kính trung bình của CNTs là 20 nm, và

bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 10 nm. Trong tính toán chúng tôi sử dụng ñộ

dẫn nhiệt của CNTs là 1800 W/mK và của ethylene glycol là 0,26 W/mK, bán kính

phân tử ethylene glycol là 0,12 nm. Hình 3.7 cho thấy kết quả tính toán lý thuyết là

phù hợp so với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán

MWCNTs trong ethylene glycol.

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 tán MWCNTs vào EG

MWCNTs trong một số chất lỏng khác

Ngoài những loại chất lỏng ñã ñược nêu ở trên, mô hình tính toán lý thuyết còn

cho thấy sự phù hợp với nhiều loại chất lỏng khác, như trường hợp CNTs phân tán

trong dầu poly-alpha-olefin (PAO) ñã ñược thử nghiệm bởi nhóm nghiên cứu S. U. S. Choi (2001) [73], hay CNTs phân tán trong chất lỏng R113 ñược thử nghiệm nhóm nghiên cứu Weiting Jiang (2009) [74]. Chi tiết kết quả so sánh ñược chúng tôi trình bày trong công bố ñăng trên tạp chí Physics of Fluids (2015) [75].

3.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt

Sau khi xây dựng mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần

CNTs như ñã trình bày ở phần trên, chúng tôi tiếp tục tiến hành mô phỏng một số hệ

thống tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất sử dụng chất lỏng chứa thành phần

CNTs, qua ñây nhằm giải thích cơ chế tản nhiệt cho hệ thống tản nhiệt khi ứng dụng

vật liệu CNTs. Trong phần này, chúng tôi trình bày các kết quả mô phỏng cho hệ

thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu.

3.2.1. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm

Cấu trúc hệ thống

ðể mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt ứng dụng chất lỏng CNTs, chúng tôi xây

dựng một mô hình cấu trúc ñơn giản như trên hình 3.8.

Trong mô hình trên, ñể ñơn giản trong quá trình mô phỏng thì chúng tôi bỏ qua

các quá trình trao ñổi nhiệt phụ diễn ra ở ống dẫn chất lỏng, bơm cũng như ở bình

ñựng chất lỏng. Chúng tôi chủ yếu tập trung vào quá trình trao ñổi nhiệt ở ñế tản nhiệt

cũng như ở giàn tỏa nhiệt. Ngoài ra chúng tôi cũng thiết lập các phương trình trao ñổi

nhiệt giữa chất lỏng ở trong bình chứa với lượng chất lỏng từ giàn tỏa nhiệt chảy vào

bình chứa.

Phương pháp mô phỏng

ðể thực hiện quá trình mô phỏng, chúng tôi chia thời gian mô phỏng thành nhiều

khoảng rất nhỏ ∆t, sau ñó thiết lập các phương trình trao ñổi nhiệt trong khoảng thời

gian ∆t rất ngắn ñó ñể xác lập trạng thái mới của hệ thống tản nhiệt. Sau khi thiết lập

xong trạng thái mới sau khoảng thời gian ∆t, chúng tôi tiến hành bước tương tự trong

khoảng thời gian rất nhỏ ∆t tiếp theo và lặp lại quá trình này rất nhiều lần cho ñến khi

ñạt ñược kết quả mô phỏng với thời gian như mong muốn.

Tỏa nhiệt

Áp suất thấp

Nhiệt ñộ cao

Bình chứa chất lỏng

ðế tản nhiệt

Áp suất cao

Nhiệt ñộ thấp

CNTs lỏng

Bơm

Linh kiện tỏa nhiệt

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

Mô phỏng ñược thực hiện dựa trên thuật toán như sau:

Giả sử:

+ v là lưu lượng của chất lỏng chảy trong hệ thống (m3/s)

+ ∆t là thời gian của một bước nhảy trong mô phỏng (s)

+ ∆V là thể tích khối chất lỏng dịch chuyển trong hệ thống

trong khoảng thời gian ∆t.

V v t

∆ = ∆ (3.61)

Ta có mối liên hệ:

Do chúng ta bỏ qua quá trình trao ñổi nhiệt trên các ñường ống nên chất lỏng

chảy từ bình chứa vào ñế tản nhiệt sẽ vẫn giữ nguyên nhiệt ñộ như ở trong bình chứa

chất lỏng. Khi một lượng nhỏ ∆V chất lỏng từ bình chứa ñược ñưa vào ñế tản nhiệt thì

nhiệt ñộ trung bình của cả khối chất lỏng trong ñế tản nhiệt sẽ thay ñổi. Phương trình

(

− ∆

+ ∆

[

]

C D V cl d

V T . b

C T . d d

trao ñổi nhiệt này ñược thể hiện qua công thức:

' T d

V T ) d . C D V C

(3.62)

Trong ñó:

+ Vd là thể tích khối chất lỏng trong ñế tản nhiệt (m3) + Td là nhiệt ñộ của khối chất lỏng và ñế tản nhiệt (oC) + Tb là nhiệt ñộ của khối chất lỏng trong bình chứa (oC)

dT là nhiệt ñộ mới của khối chất lỏng trong ñế tản nhiệt (oC)

sau khi lượng chất lỏng ∆V chảy từ bình chứa vào ñế tản nhiệt

+ Cd là nhiệt dung của ñế tản nhiệt (J/K)

+ C0 là nhiệt dung riêng của chất lỏng tản nhiệt (J/kg.K) + Dcl là khối lượng riêng của chất lỏng tản nhiệt (kg/m3)

Mặt khác chất lỏng trong ñế tản nhiệt có sự trao ñổi nhiệt với linh kiện tỏa nhiệt,

dòng nhiệt này ñược xác ñịnh bởi công thức:

− l d

' − T T ( ) l d + + R R d cl

R tg

(3.63)

Trong ñó:

+ Il-d là dòng nhiệt từ linh kiện vào ñế tản nhiệt và chất lỏng

(W) + Tl là nhiệt ñộ của linh kiện tỏa nhiệt (oC)

+ Rtg là nhiệt trở của lớp tiếp giáp giữa ñế tản nhiệt với linh

kiện tỏa nhiệt (K/W)

+ Rd là nhiệt trở của ñế tản nhiệt (K/W)

+ Rcl là nhiệt trở hiệu dụng của chất lỏng tản nhiệt (K/W)

Nhiệt trở hiệu dụng của khối chất lỏng nằm trong ñế tản nhiệt ñược xác ñịnh bởi

công thức:

R cl

1 1 . 2

d . k S

1 1 . 2

d . k a b .

(3.64)

Trong ñó:

+ k là ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt (W/mK)

+ d là chiều dày của lớp chất lỏng trong ñế tản nhiệt (m) + S là diện tích mặt cắt của ñế tản nhiệt chứa chất lỏng (m2)

+ a, b kích thước bề ngang và bề rộng của ñế tản nhiệt chứa

chất lỏng (m)

Sau quá trình trao ñổi nhiệt với chất lỏng và ñế tản nhiệt, nhiệt ñộ mới của linh

kiện ñiện tử ñược xác ñịnh bởi công thức:

)

∆ t

(

T l

∆ Q C l

−− P I l d C l

(3.65)

Trong ñó:

lT là nhiệt ñộ mới của linh kiện tỏa nhiệt (oC)

+ ∆Q là nhiệt lượng bị lưu lại ở linh kiện (J)

+ P là công suất tỏa nhiệt của linh kiện ñiện tử (W)

+ Cl là nhiệt dung của linh kiện tỏa nhiệt (J/K)

Nhiệt ñộ mới của chất lỏng tản nhiệt trong ñế tản nhiệt sau khoảng thời gian ∆t

ñược xác ñịnh bởi công thức:

'' T d

' T d

Q ∆ d + C

I C

. ∆ t − l d + C

(3.66)

'' T d

' T d

I +

− ∆ . t l d C D V . cl d

(3.67)

Trong ñó:

dT là nhiệt ñộ mới của chất lỏng và ñế tản nhiệt (oC)

+ ∆Qd là nhiệt lượng chuyển tới ñế tản nhiệt và chất lỏng tản

nhiệt (J)

+ Ccl là nhiệt dung của chất lỏng trong ñế tản nhiệt (J/K)

Tại giàn tỏa nhiệt, sau khi lượng chất lỏng ∆V chảy từ ñế tản nhiệt tới giàn tỏa

(

− ∆

+ ∆

C D V cl g

V T . d

C T . g g

 

 

nhiệt trong khoảng thời gian ∆t, ta có nhiệt ñộ của chất lỏng tản nhiệt là:

' T g

V T ) g C D V C .

(3.68)

Trong ñó:

+ Vg là thể tích khối chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (m3) + Tg là nhiệt ñộ của khối chất lỏng trong giàn tản nhiệt (oC)

+ Td là nhiệt ñộ của khối chất lỏng chảy ñến giàn tỏa nhiệt và cũng là nhiệt ñộ của ñế tản nhiệt ban ñầu (oC)

gT là nhiệt ñộ của khối chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (oC)

sau khi mà lượng chất lỏng ∆V chảy từ ñế tản nhiệt vào giàn

tỏa nhiệt.

+ Cg là nhiệt dung của giàn tỏa nhiệt (J/K)

Mặt khác chất lỏng và giàn tỏa nhiệt cũng có sự trao ñổi nhiệt với môi trường bên

−

' T ( g

ngoài, quá trình trao ñổi nhiệt này ñược thể hiện thông qua phương trình sau:

− g m

T ) m ' R cl

− g m

(3.69)

Trong ñó:

+ Ig-m là dòng nhiệt từ giàn tỏa nhiệt ra môi trường (W) + Tm là nhiệt ñộ của môi trường (oC)

+ Rg-m là nhiệt trở từ giàn tỏa nhiệt ñến môi trường (K/W)

clR là nhiệt trở của chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (K/W)

+ '

Giả thiết ñường dẫn của chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt có dạng hình hộp chữ nhật.

Khi ñó nhiệt trở hiệu dụng của khối chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt ñược xác ñịnh bởi

công thức:

' R cl

1 1 . 2

d . k S

1 1 . 2

d . ' k a b .

(3.70)

Trong ñó:

+ d’ là chiều dày của ñường dẫn chứa chất lỏng trong giàn tỏa

nhiệt (m) + S’ là diện tích mặt cắt của ñường dẫn chứa chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (m2) + a’, b’ kích thước bề ngang và bề rộng của ñường dẫn chứa

chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (m)

Sau quá trình trao ñổi nhiệt với môi trường, nhiệt ñộ của chất lỏng tản nhiệt trong

∆

∆ .

−

giàn tỏa nhiệt ñược xác ñịnh bởi công thức:

'' T g

' T g

g m − +

g m − ' + C cl

t ' cl

−

(3.71)

'' T g

' T g

− ∆ . g m + C D V . cl

(3.72)

Trong ñó:

gT là nhiệt ñộ mới của chất lỏng và giàn tỏa nhiệt (oC)

+ ∆Qg-m là nhiệt lượng chuyển từ giàn tỏa nhiệt ra ngoài môi

trường (J)

clC là nhiệt dung của chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt (J/K)

Tại bình chứa chất lỏng, ta có sự trao ñổi nhiệt giữa lượng chất lỏng ∆V chảy từ

giàn tỏa nhiệt về bình chứa, quá trình trao ñổi nhiệt này sẽ làm cho nhiệt ñộ của chất

lỏng trong bình tăng lên. Nhiệt ñộ mới của chất lỏng trong bình chứa ñược xác ñịnh

(

− ∆

+ ∆

C D V cl b

V T . g

C T . b b

 

 

bởi công thức sau:

' T b

V T ) b C D V C . b

(3.73)

Trong ñó:

+ Vb là thể tích khối chất lỏng trong bình chứa (m3) + Tb là nhiệt ñộ của khối chất lỏng và bình chứa (oC) + Tg là nhiệt ñộ của khối chất lỏng từ giàn tỏa nhiệt (oC)

bT là nhiệt ñộ của khối chất lỏng trong bình chứa (oC) sau

khi mà lượng chất lỏng ∆V ñược chảy từ giàn tỏa nhiệt vào

bình chứa.

+ Cb là nhiệt dung của bình chứa (J/K)

Kết quả mô phỏng

Chúng tôi tiến hành quá trình mô phỏng trong trường hợp chất lỏng là nước cất

chứa thành phần ống nanô cácbon. Các thông số ñược lựa chọn trong quá trình mô

phỏng như sau:

- Khối lượng riêng nước cất: Dcl = 1000 kg/m3

- Nhiệt dung riêng của nước cất: C0 = 4200 J/kg.K

- ðộ dẫn nhiệt của nước cất: kcl = 0,6 W/mK

- Bán kính phân tử nước: rl = 0,1 nm

- Hệ số dẫn nhiệt của CNTs: kCNT = 1750 W/mK

- Kích thước của ñế tản nhiệt: 100 mm x 90 mm x 6 mm

- Kích thước của khối chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt: 300mm x 10 mm x 0,5mm

- Thể tích của bình chứa: 0,5 lít - Nhiệt ñộ môi trường: Tm = 20oC

- Công suất tỏa nhiệt của linh kiện: P = 80 W - Lưu lượng của chất lỏng: v = 5 cm3/s - Thời gian của một bước nhảy trong mô phỏng: ∆t = 10-8 s

)

C

o

( n ệ i

k h n

i l ộ ñ t ệ i

h N

Thời gian hoạt ñộng (phút)

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

Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện tỏa nhiệt theo nồng ñộ của CNTs ñược

mô tả như trên hình 3.9. Kết quả mô phỏng cho thấy ñồ thị nhiệt ñộ của linh kiện ñiện

tử tăng theo thời gian với quy luật của hàm số mũ và ñạt tới giá trị bão hòa sau khoảng

thời gian khoảng 55 phút. Tính toán mô phỏng cho thấy khi tăng dần nồng ñộ của

CNTs thì nhiệt ñộ bão hòa của linh kiện giảm xuống. ðiều này có thể ñược giải thích

là sau khi có thêm thành phần CNTs thì ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt tăng lên

ñáng kể, ñộ dẫn nhiệt tăng sẽ làm cho các quá trình trao ñổi nhiệt ở ñế tản nhiệt cũng

như ở giàn tỏa nhiệt ñược tăng cường, giúp giảm nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử xuống từ 1 – 4oC như mô tả trên ñồ thị. Kết quả mô phỏng giúp giải thích ñược cơ chế nâng

cao hiệu quả tản nhiệt của hệ thống từ việc ñưa thêm thành phần CNTs vào chất lỏng

tản nhiệt.

3.2.2. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu

Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc của hệ thống tản nhiệt sử dụng chất lỏng tự ñối lưu ñược mô tả như trên

hình 3.10. Trong cấu trúc này, linh kiện ñiện tử công suất (LED, CPU,...) ñược ñặt

phía dưới của ống hình trụ ñựng chất lỏng tản nhiệt, phía trên ống hình trụ là hệ thống

vây tản nhiệt làm bằng ñồng hoặc nhôm, ở hai bên là các bình chứa chất lỏng. Khi

hoạt ñộng nhiệt lượng tỏa ra từ linh kiện sẽ làm nóng phần chất lỏng tiếp giáp với linh

kiện ñiện tử, dẫn ñến phần chất lỏng phía dưới dãn nở và khối lượng riêng giảm

xuống, trong khi khối lượng riêng của chất lỏng ở phía trên vẫn không ñổi. Sự chênh

lệch về khối lượng riêng của chất lỏng sẽ dẫn tới sự chênh lệch về áp suất của chất

lỏng giữa hình trụ với các bình chứa chất lỏng ở hai bên, kết quả sẽ tạo ra dòng ñối lưu

của chất lỏng tự chảy trong hệ thống và mang theo nhiệt lượng như ñược mô tả trên

hình 3.10. Sau ñó phần chất lỏng có nhiệt ñộ cao mang theo nhiệt lượng sẽ ñi tới hệ

thống vây tản nhiệt, tại ñây nhiệt lượng thông qua vây tản nhiệt sẽ ñược tỏa ra môi

trường bên ngoài. Sau quá trình trao ñổi nhiệt, nhiệt ñộ chất lỏng giảm xuống rồi quay

trở lại bình chứa ñể thực hiện tiếp các chu trình trao ñổi nhiệt mới.

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

Mô hình mô phỏng

ðể mô phỏng quá trình tự ñối lưu và trao ñổi nhiệt của hệ thống tản nhiệt bằng

chất lỏng ở trên, chúng tôi sử dụng mô hình gần ñúng của hệ thống như trên hình 3.11.

Trong mô hình này, chúng tôi ñã ñơn giản hóa hệ thống bằng cách ñưa ra hai hình trụ

ñựng chất lỏng: hình trụ thứ nhất ñặt ở phía trên linh kiện ñiện tử công suất lớn ñể trao

ñổi nhiệt với linh kiện ñiện tử và mang dòng nhiệt tới ñế tản nhiệt, hình trụ thứ hai

ñựng chất lỏng ở nhiệt ñộ thấp có vai trò như là bình chứa chất lỏng. Cả hai hình trụ

ñựng chất lỏng ñều có ñường kính 5 cm và chiều cao là 10 cm. Khoảng cách giữa hai

cột chất lỏng ñược chúng tôi bỏ qua ñể ñơn giản trong tính toán mô phỏng. Mô phỏng

ñược thực hiện bằng cách chia hệ thống tản nhiệt thành nhiều phần nhỏ, sau ñó lập các

phương trình nhiệt và phương trình ñộng lực học chất lưu ñối với từng phần nhỏ của

hệ thống, và sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic ñể thực hiện các phương trình

tính toán ở trên. Chi tiết của các phương trình nhiệt, ñộng lực học và thông số dùng

trong mô phỏng ñược trình bày trong phần tiếp theo của bài báo.

Hình 3.11. Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối lưu dùng

trong mô phỏng

Phương pháp mô phỏng

ðể mô phỏng quá trình tự ñối lưu và tản nhiệt cho hệ thống, chúng tôi chia cột

chất lỏng hình trụ làm nhiều ô ñơn vị nhỏ, mỗi ô là một hình trụ có ñường kính 5 cm

và chiều cao h = 10 cm. Khi ñó nhiệt dung của ô ñơn vị thứ i ñược tính theo công thức:

C .

R h C

C m C V . i

ρ . i

π ρ 2 . . i

(3.74)

Trong ñó:

+ Ci là nhiệt dung ô ñơn vị thứ i;

+ mi là khối lượng của ô ñơn vị thứ i;

+ C0 là nhiệt dung riêng của chất lỏng;

+ V là thể tích của một ô ñơn vị;

+ ρi là khối lượng riêng của ô ñơn vị thứ i;

+ R là bán kính của cột chất lỏng.

Nhiệt trở giữa hai ô ñơn vị ñược tính theo công thức:

h 1 k S

1 k

h Rπ 2

(3.75)

Trong ñó:

+ Z là nhiệt trở giữa hai ô ñơn vị;

+ k là ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng;

+ S là thiết diện của cột chất lỏng.

Dòng nhiệt truyền từ ô ñơn vị thứ i sang ô ñơn vị thứ (i + 1) ñược tính bởi công

∆

thức:

(

)

+ ~( 1) i

− T T i i

+ 1

T + ~( 1) i i Z

Rk π 2 h

(3.76)

Trong ñó:

+ Ji~(i+1) là dòng nhiệt truyền từ ô ñơn vị thứ i sang ô ñơn vị thứ (i + 1);

+ ∆Ti~(i+1) là ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa ô ñơn vị thứ i với ô ñơn vị thứ (i

+ 1);

+ Ti là nhiệt ñộ của ô ñơn vị thứ i;

+ Ti + 1 là nhiệt ñộ của ô ñơn vị thứ (i + 1).

Nhiệt ñộ của ô ñơn vị thứ i sau một bước nhảy thời gian trong quá trình mô

−

∆ t

(

)

phỏng là:

T i

= + ∆ = + T i

T i

= + T i

∆ Q i C i

− ( 1)~ i 2 . . π ρ i

+ ~( 1) i i i R h C . 0

(3.77)

i là nhiệt ñộ của ô ñơn vị thứ i sau thời gian ∆t;

Trong ñó: + T’

+ ∆Ti là ñộ thay ñổi nhiệt ñộ của ô ñơn vị thứ i sau thời gian ∆t;

+ ∆Qi là nhiệt lượng biến thiên của ô ñơn vị thứ i trong thời gian ∆t;

+ J(i – 1)~i là dòng nhiệt chuyển từ ô ñơn vị thứ (i – 1) ñến ô ñơn vị thứ i;

+ Ji~(i + 1) là dòng nhiệt chuyển từ ô ñơn vị thứ i ñến ô ñơn vị thứ (i + 1);

+ ∆t là thời gian của một bước nhảy trong mô phỏng.

Ngoài ra ta cũng có các phương trình trao ñổi nhiệt giữa linh kiện ñiện tử công

−

T 1

suất lớn với lớp chất lỏng tiếp xúc với linh kiện như sau:

Com

T Com Z

Com

(3.78)

Trong ñó:

+ JCom~1 là dòng nhiệt từ linh kiện ñến lớp chất lỏng tiếp giáp với linh

kiện (ô ñơn vị số 1);

+ TCom là ñộ của linh kiện;

+ T1 là ñộ của lớp chất lỏng tiếp giáp linh kiện (ô ñơn vị số 1);

+ ZCom~1 là nhiệt trở giữa linh kiện với lớp chất lỏng tiếp giáp linh kiện (ô

ñơn vị số 1);

Nhiệt ñộ của lớp chất lỏng tiếp xúc với linh kiện ñiện tử sau một bước nhảy thời

ComJ

1~2

∆ (3.79) t

' T 1

T 1

− ~1 C 1

gian ∆t là:

Trong ñó:

1 là nhiệt ñộ của ô ñơn vị số 1 sau một bước nhảy thời gian ∆t;

+ T1 là nhiệt ñộ của ô ñơn vị số 1; + T’

+ J1~2 dòng nhiệt từ ô ñơn vị số 1 ñến ô ñơn vị số 2;

+ C1 là nhiệt dung riêng của ô ñơn vị số 1.

P Com

Com

∆ (3.80) t

' T Com

T Com

− C

Com

Nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử công suất lớn sau một bước nhảy thời gian ∆t là:

Trong ñó:

Com là nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử sau một bước nhảy thời gian ∆t;

+ TCom là nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử; + T’

+ PCom là công suất tỏa nhiệt của linh kiện ñiện tử công suất lớn;

+ CCom là nhiệt dung riêng của linh kiện ñiện tử công suất lớn.

Ngoài ra ta cũng có các phương trình trao ñổi nhiệt giữa lớp chất lỏng tiếp xúc

−

Enviroment

với ñế tản nhiệt với môi trường như sau:

N Enviroment

T N Z

N Enviroment

(3.81)

Trong ñó:

+ N là số thứ tự của lớp chất lỏng tiếp giáp với ñế tản nhiệt;

+ JN~Environment là dòng nhiệt từ lớp chất lỏng thứ N với môi trường;

+ TN là nhiệt ñộ của lớp chất lỏng thứ N;

+ TEnvironment là nhiệt ñộ của môi trường;

+ ZN~Environment là nhiệt trở giữa lớp chất lỏng thứ N với môi trường;

Nhiệt ñộ của lớp chất lỏng tiếp xúc với ñế tản nhiệt sau một bước nhảy thời gian

−

(

−

1)~

N Enviroment

∆ (3.82) t

' T N

T N

∆t là:

N là nhiệt ñộ của lớp chất lỏng thứ N sau thời gian ∆t;

Trong ñó: + T’

+ J(N-1)~N là dòng nhiệt từ lớp chất lỏng thứ (N – 1) ñến lớp chất lỏng thứ

+ CN là nhiệt dung của lớp chất lỏng thứ N.

Do sự ảnh hưởng của hiện tượng dãn nở nhiệt, mỗi một ô ñơn vị sẽ có một giá trị

khối lượng riêng khác nhau ñược biểu diễn bởi công thức:

ρ i

)

ρ 0 − iT T ( α

(3.83)

Trong ñó:

+ ρ0 là khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt ñộ T0;

+ ρi là khối lượng riêng của chất lỏng ở ô ñơn vị thứ i;

+ α là hệ số dãn nở nhiệt của chất lỏng.

Mỗi một lớp chất lỏng khi ñó sẽ gây ra một áp suất tính theo công thức:

P i

g hρ= . . i

(3.84)

Trong ñó:

+ Pi là áp suất do lớp chất lỏng ở ô ñơn vị thứ i gây ra;

+ g là gia tốc rơi tự do.

P i

= ∑ (3.85)

= 1

Áp suất do cả cột chất lỏng thứ nhất ở phía trên linh kiện ñiện tử gây ra là:

P i

= ∑ (3.86)

= 1

Và áp suất do cả cột chất lỏng thứ hai ở phía bình chứa chất lỏng gây ra là:

∆ =

P P P

− (3.87) '

ðộ chênh lệch về áp suất giữa hai cột chất lỏng ñược tính theo công thức:

ðể khảo sát chuyển ñộng tự ñối lưu của dòng chất lỏng, chúng tôi xét ñến

phương trình ñộng lực học chất lưu. Theo ñó, trở lực của ô ñơn vị thứ i là:

8 i h η 4 R π

(3.88)

Trong ñó:

+ Xi là trở lực của ô ñơn vị thứ i;

+ ηi là hệ số nhớt của ô ñơn vị thứ i.

Tổng trở lực của cột chất lỏng thứ nhất là:

= ∑ (3.89)

1 =

' i

= ∑ (3.90)

= 1

Tổng trở lực của cột chất lỏng thứ hai là:

Khi ñó lưu lượng của chất lỏng chảy trong hệ thống ñược xác ñịnh bởi ñịnh luật

P i

∑ ∑ P − i

Poiseuille như sau [93]:

= 1 i N

P ∆ + X X

' i

∑ ∑ X +

= 1

(3.91)

Tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng chạy trong hệ thống ñược xác ñịnh bởi công

thức:

F S

F Rπ 2

(3.92)

Trong ñó:

+ F là lưu lượng của dòng chất lỏng chảy trong hệ thống tản nhiệt;

+ S là thiết diện của cột chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt.

Chúng ta cũng nhận thấy rằng trong thời gian của một bước nhảy ∆t thì chất lỏng

v t .

∆ = ∆ (3.93)

sẽ chảy ñược một quãng ñường:

Như vậy quá trình tản nhiệt trong hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu bao gồm hai quá

trình: quá trình truyền nhiệt giữa các lớp chất lỏng sẽ mang theo nhiệt lượng, và quá

trình tự ñối lưu của chất lỏng tạo thành dòng chảy trong hệ thống cũng mang theo

nhiệt lượng. ðể ñảm bảo mô phỏng có ñộ chính xác thì cần phải có yêu cầu về bước

∆ < ⇔ ∆ <

h v /

nhảy thời gian như sau:

(3.94)

Khi ñó nhiệt ñộ thực sự của lớp chất lỏng thứ i sau một bước nhảy thời gian ∆t sẽ

∆

− ∆

s T . i

' − 1

s T ) i

ñược tính theo công thức:

T i

( h h

(3.95)

ðể thực hiện quá trình mô phỏng, chúng tôi lựa chọn loại chất lỏng trong hệ

thống là nước cất với các thông số như sau:

+ Khối lượng riêng của chất lỏng ở 20oC: ρ0 = 1000 kg/m3

+ Hệ số dãn nở nhiệt của chất lỏng: α = 0.000214

+ Nhiệt dung riêng của chất lỏng: C = 4190 J/kgK

+ Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng: k = 0,609 W/mK + Hệ số nhớt của chất lỏng ở 20oC: η = 10-3 Pa.s

Mặt khác khi nhiệt ñộ thay ñổi thì hệ số nhớt của chất lỏng cũng thay ñổi theo, ñể

B + C T

eη =

tính ñến sự thay ñổi này trong quá trình mô phỏng, chúng tôi ñưa vào công thức biểu diễn sự thay ñổi của ñộ nhớt theo nhiệt ñộ thông qua phương trình Vogel [94]:

(mPa.s) (3.96)

Trong ñó với nước ta có các hệ số tương ứng như sau: A = -3.7188, B = 578.919,

C = -137.546, Tmin = 273 K, Tmax = 373 K.

Một số thông số khác ñược chúng tôi sử dụng trong mô phỏng bao gồm: + Gia tốc rơi tự do: g = 9,8 m/s2 + Thời gian của một bước nhảy trong lập trình: ∆t = 10-6 s + ðộ cao một lớp chất lỏng: h = 2.10-5 m + Nhiệt ñộ môi trường: TEnvironment = 20oC

+ Công suất tỏa nhiệt của linh kiện ñiện tử: PCom = 10 W - 50 W

+ Nhiệt dung của linh kiện ñiện tử: CCom = 5,5 J/K

+ Nhiệt trở giữa ñế lớp chất lỏng tiếp xúc ñế tản nhiệt với môi trường:

ZN~Environment = 0,1 J/K

ðể mô phỏng quá trình tản nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng tản nhiệt là

nước cất chứa thành phần CNTs, chúng tôi sử dụng các thông số về ñộ dẫn nhiệt ñược

xác ñịnh từ mô hình tính toán lý thuyết ñã ñược nêu ở phần trên. Các phương trình

nhiệt và phương trình ñộng lực học chất lưu ñược thực hiện mô phỏng dựa trên ngôn

ngữ lập trình Visual Basic.

Kết quả mô phỏng

Hình 3.12 là kết quả mô phỏng tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng trong hệ

thống theo các công suất tỏa nhiệt khác nhau của linh kiện ñiện tử công suất. Kết quả

cho thấy khi công suất tỏa nhiệt của linh kiện tăng thì tốc ñộ tự ñối lưu của chất lỏng

cũng tăng lên, cụ thể khi công suất P = 10 W thì tốc ñộ tự ñối lưu ñạt 0,2 mm/s, và khi

công suất P = 50 W thì tốc ñộ tự ñối lưu ñạt 0,2 cm/s. ðiều này ñược giải thích như

sau: khi công suất của linh kiện tăng thì nhiệt ñộ của linh kiện cũng tăng theo, ñiều này

làm cho ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai cột chất lỏng cũng tăng theo, dẫn ñến sự

chênh lệch áp suất giữa hai cột chất lỏng ngày càng lớn, vì vậy lưu lượng của chất lỏng 76

sẽ tăng lên như theo ñịnh luật Poiseuille. Trên hình 3.12 ta cũng nhận thấy rằng tốc ñộ

tự ñối lưu của chất lỏng tăng dần theo thời gian và ñạt giá trị bão hòa sau khoảng thời

gian t = 300 s. ðiều này ñược giải thích vì ban ñầu nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử thấp,

sau một thời gian hoạt ñộng nhiệt ñộ của linh kiện tăng lên theo thời gian, dẫn ñến sự

chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai cột chất lỏng cũng tăng dần, ñồng nghĩa với tốc ñộ dòng

chất lỏng tự ñối lưu cũng tăng lên theo ñịnh luật Poiseuille. Khi tốc ñộ ñối lưu ñủ lớn,

công suất tỏa nhiệt của linh kiện ñiện tử bằng với dòng nhiệt từ hệ thống tỏa ra môi

trường bên ngoài, khi ñó trạng thái cân bằng sẽ ñược xác lập, và vận tốc chất lỏng sẽ

ñạt tới giá trị bão hòa.

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

Nếu xét tốc ñộ bão hòa của chất lỏng theo công suất của linh kiện ñiện tử, ta nhận

thấy tốc ñộ bão hòa không tăng tuyến tính theo công suất tỏa nhiệt P của linh kiện ñiện

tử. Cụ thể khi P = 10 W thì vmax = 0,019 cm/s, khi P = 20 W thì vmax = 0,049 cm/s, khi

P = 30 W thì vmax = 0,098 cm/s, khi P = 40 W thì vmax = 0,135 cm/s, và khi P = 50W

thì vmax = 0,201 cm/s. Có thể nhận thấy tốc ñộ tự ñối lưu bão hòa tăng rất mạnh theo

công suất P, ñiều này ñược giải thích như sau: khi P càng tăng thì nhiệt ñộ của chất

lỏng trong cột thứ nhất cũng tăng theo, ñiều ñó không những làm cho sự chênh lệch áp

suất giữa hai cột chất lỏng tăng lên, mà còn làm cho hệ số nhớt của chất lỏng giảm mạnh. Cụ thể, theo phương trình Vogel thì ñộ nhớt của nước khi ở nhiệt ñộ 55oC là η = 0.506 mPa.s, giảm xuống một nửa so với trường hợp nước ở nhiệt ñộ 20oC (ứng với η

= 1.002 mPa.s). Như vậy, khi nhiệt ñộ chất lỏng tăng lên sẽ làm cho ñộ nhớt chất lỏng

giảm mạnh, dẫn ñến tổng trở lực của cột chất lỏng giảm xuống và làm tăng tốc ñộ tự

ñối lưu của chất lỏng theo ñịnh luật Poiseuille như mô tả trên hình 3.12.

ðể mô phỏng quá trình tản nhiệt với chất lỏng chứa thành phần CNTs, chúng tôi

sử dụng các thông số về ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs ñã ñược

tính theo như mô hình tính toán lý thuyết ñã nói ñến ở phần trên. Nồng ñộ của CNTs

trong chất lỏng tản nhiệt ñược mô phỏng từ 0,3 – 1 % theo thể tích, công suất tỏa nhiệt

của linh kiện ñiện tử ñược lựa chọn trong mô phỏng là 50 W. Kết quả mô phỏng ñược

thể hiện trên ñồ thị ở hình 3.13. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt ñộ của linh kiện khi

ñạt ñến giá trị bão hòa sau khoảng thời gian 250 s. Khi không sử dụng CNTs thì nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử ñạt giá trị bão hòa là 57oC. Khi tăng dần nồng ñộ của CNTs

trong chất lỏng tản nhiệt thì nhiệt ñộ bão hòa của linh kiện ñiện tử giảm xuống, cụ thể khi sử dụng 0,3% CNTs theo thể tích thì nhiệt ñộ bão hòa ñạt 55,5oC. Khi sử dụng 1%

thể tích CNTs trong chất lỏng tản nhiệt thì nhiệt ñộ linh kiện ñiện tử ñạt giá trị bão hòa là 52,5oC, giảm ñi 4,5oC so với trường hợp không sử dụng CNTs. Kết quả này ñã

khẳng ñịnh tính ưu việt của CNTs trong việc nâng cao hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng

cũng như làm tăng hiệu quả của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng dùng cho các linh

kiện ñiện tử công suất lớn.

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

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm của luận án bao gồm: 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 ứng dụng 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).

4.1. Kết quả biến tính ống nanô cácbon

4.1.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại truyền qua

ðể khảo sát sự tạo thành của liên kết CNTs-OH sau quá trình biến tính, chúng tôi

sử dụng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại truyền qua ñể xác ñịnh sự tồn tại của

các nhóm chức –OH và –COOH. Kết quả ño phổ hồng ngoại truyền qua thu ñược như

trên hình 4.1.

MWCNTs chưa biến tính

MWCNT-COOH

MWCNT-OH

2810

2950

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

Kết quả ño phổ hồng ngoại truyền qua cho thấy cả 3 mẫu CNTs, CNTs-COOH và CNTs-OH ñều xuất hiện ñỉnh dao ñộng quanh vị trí 3500 cm-1, ñây là ñỉnh ñặc trưng

cho liên kết O-H trong H2O. Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs-COOH và CNTs- OH cho thấy sự xuất hiện thêm hai ñỉnh trong vùng 2810 cm-1 ñến 2950 cm-1 sau khi

ñược xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3, ñỉnh này tương ứng với dao ñộng của liên kết O-H trong nhóm cacboxyl (-COOH). Ngoài ra sự xuất hiện của ñỉnh 1707 cm-1

trên vật liệu CNTs-COOH cho thấy sự tồn tại của dao ñộng ứng với liên kết C=O

trong nhóm cacboxyl. Những kết quả trên ñã chứng minh ñược sự tồn tại của nhóm

cacboxyl xuất hiện trên bề mặt CNTs do quá trình oxy hóa xảy ra sau khi xử lý bằng

hỗn hợp axit nitric và axit sunfuric, kết quả ñã khẳng ñịnh hỗn hợp axit trên ñã tạo ra

nhóm chức –COOH trên bề mặt của CNTs. Phổ hồng ngoại truyền qua của vật liệu

CNTs-OH cho thấy vùng dao ñộng ứng với liên kết O-H trong nhóm C-OH tại 2810 cm-1 vẫn còn tồn tại, trong khi ñỉnh dao ñộng 1707 cm-1 ứng với liên kết C=O biến mất

ñã cho thấy các nhóm hydroxyl (-OH) ñược hình thành trên bề mặt của CNTs ñể thay

thế cho các nhóm cacboxyl ñã tồn tại trước ñó.

4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman

Hình 4.2 là phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, vật liệu CNTs

biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức -OH.

) ñ t v ñ ( ộ ñ g n ờ ư C

Số sóng (cm-1)

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

Trên phổ tán xạ chúng ta có thể nhận thấy hai dải phổ ñặc trưng là dải D (1333,69 cm-1) và dải G (1583,10cm-1). Dải G sinh ra từ mạng graphene của CNTs, dải G ñặc

trưng cho tính trật tự của cấu trúc trong ñó các nguyên tử cacbon xắp xếp theo trật tự

dạng vòng sáu cạnh. Trong khi ñó, dải D lại ñặc trưng cho các khuyết tật trong cấu

trúc trong cấu trúc của CNTs, dải D ñược hình thành từ dao ñộng của các nguyên tử cacbon ở trạng thái sp3. Tỉ lệ giữa cường ñộ hai ñỉnh của dải D và dải G phụ thuộc vào

ñộ sạch và ñộ tinh thể hoá của CNTs. Với CNTs chưa biến tính, tỉ lệ giữa cường ñộ hai

ñỉnh ID /IG nhỏ hơn so với CNTs biến tính, tức là mức ñộ khuyết tật trong CNTs biến

tính cao hơn so với CNTs chưa biến tính. Tỷ lệ cường ñộ ñỉnh (ID /IG) tại dải D và dải

G là 0,99 và 1,87 tương ứng với vật liệu CNT-COOH và CNT-OH, lớn hơn so với

CNTs chưa biến tính (ID/IG = 0,79). Tỷ lệ cường ñộ của ñỉnh D và ñỉnh G thay ñổi ñã

khẳng ñịnh sự thay ñổi về cấu trúc trên bề mặt của CNTs. Kết quả này chỉ ra rằng một số các nguyên tử cácbon sp2 (C=C) ñã ñược chuyển ñổi thành các nguyên tử cácbon sp3 (C-C) trên bề mặt của CNTs sau khi xử lý trong hỗn hợp axit HNO3/H2SO4. Tỷ lệ

cường ñộ ID /IG của CNTs-OH cao hơn so với CNT-COOH ñã chỉ ra rằng sau hai quá

trình xử lý hóa học, các khuyết tật mới ñã ñược hình thành trên bề mặt của CNTs-OH

nhiều hơn trên bề mặt của CNTs-COOH.

4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs

4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs

4.2.1.1. Kết quả phân tán CNTs trong nước cất

ðể khảo sát sự phân tán của CNTs-COOH trong nước cất, chúng tôi sử dụng thiết

bị phân tích phổ phân tán Malvern Zetasizer Nano ZS Instrument. Hình 4.3 là phổ

phân tán theo kích thước của CNTs-COOH trong nước cất, hình 4.3a cho thấy rằng với

thời gian 20 phút rung siêu âm thì CNTs-COOH vẫn tụ lại thành ñám với kích thước

phân tán từ 20 nm ñến 450 nm. Trong trường trường hợp rung siêu âm với thời gian 30

phút hay 40 phút thì CNTs-COOH phân tán tốt hơn như trong hình 4.3b và hình 4.3c.

Phổ phân tán theo kích thước của CNTs-COOH trong nước cất như trên hình 4.3b và

3.11c phù hợp với ñường kính của CNTs-COOH trong khoảng 15-90 nm. Kết quả cho

thấy rằng thời gian tối thiểu cần thiết cho quá trình phân tán CNTs-COOH trong nước

cất là 30 phút.

Hình 4.4 cho thấy CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất với thời gian rung siêu

âm là 30 phút và sử dụng chất hoạt ñộng bề mặt Tween-8, trong khi ñó với vật liệu

MWCNTs chưa biến tính thì hầu như không phân tán tốt trong chất lỏng.

Hình 4.5 là kết quả so sánh ảnh SEM của vật liệu MWCNTs ban ñầu và vật liệu

MWCNTs sau khi ñã biến tính gắn nhóm chức –COOH và phân tán vào nước cất. ðể

thu ñược ảnh SEM của CNTs-COOH sau khi ñã phân tán vào nước cất, chúng tôi ñưa chất lỏng chứa thành phần CNTs lên ñế Cu sau ñó sấy khô ở nhiệt ñộ 200oC trong 24h

ñể thu ñược CNTs-COOH trên ñế Cu. Ảnh SEM trên hình 4.5b cho thấy sau khi biến 81

tính, sử dụng chất hoạt ñộng bề mặt Tween-80 kết hợp với phương pháp rung siêu âm

năng lượng cao ñể phân tán CNTs-COOH vào chất lỏng, các ống CNTs-COOH không

còn tụ ñám và co cụm như ban ñầu (hình 4.5a). Kết quả này góp phần khẳng ñịnh khả

năng phân tán ñồng ñều của CNTs trong nền chất lỏng.

(a)

)

(

% % ố b n â h P

ố b n â h P

Kích thước (nm) Kích thước (nm)

(b)

)

%

( ố b n â h P

Kích thước (nm)

(c)

)

%

( ố b n â h P

Kích thước (nm)

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)

Hình 4.4. Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất

so sánh với CNTs không biến tính

(b) (a)

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

4.2.1.2. Kết quả phân tán CNTs trong hỗn hợp ethylene glycol

ðể phân tán CNTs trong hỗn hợp ethylene glycol/nước cất, chúng tôi sử dụng sử

dụng quy trình như ñã nói ở phần thực nghiệm.

Hình 4.6 là kết quả ño phổ phân tán CNTs-OH trong chất lỏng tản nhiệt EG/DW

theo kích thước CNTs với thời gian rung siêu âm là 10 phút trên thiết bị Zeta-Sizer.

Hình 4.6a cho thấy ngay sau khi rung siêu âm 10 phút, vẫn còn xuất hiện sự tụ ñám

của CNTs trong EG/DW, sự tụ ñám này tương ứng với ñỉnh phổ ở kích thước 437 nm,

trong khi ñó ñỉnh phổ ở kích thước 93,5 nm thể hiện sự phân tán tốt hơn của CNTs,

tuy nhiên vẫn còn sự tồn tại của những tụ ñám nhỏ ứng với ñỉnh phổ 93,5 nm. ðể loại

bỏ sự tụ ñám của CNTs ra khỏi chất lỏng, chúng tôi ñể lắng ñọng chất lỏng thu ñược

trong thời gian 72 h, sau ñó tiến hành ño lại phổ phân tán theo kích thước, kết quả cho

thấy ñỉnh phổ tương ứng với sự tụ ñám lớn của CNTs ñã không còn nữa như trên hình

4.6b. Tuy nhiên chúng tôi nhận thấy vẫn còn xuất hiện những tụ ñám nhỏ của CNTs

do phổ phân bố theo kích thước trải rộng từ 80 nm - 250 nm, trong khi ñó ñường kính

của CNTs trong khoảng từ 15 – 80 nm. ðể loại bỏ sự tụ ñám nhỏ này, chúng tôi kéo

dài thời gian rung siêu âm lên 20 phút, 30 phút và 40 phút ñể tăng cường khả năng

phân tán, kết quả thu ñược của phổ phân tán như trên hình 4.7.

)

%

(

ố b n â h P

Kích thước (nm)

)

%

( ố b n â h P

Kích thước (nm)

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 tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ

lúc phân tán CNTs-OH vào EG/DW (b)

Từ hình 4.7, chúng tôi nhận thấy rằng với thời gian rung siêu âm là 20 phút khả

năng phân tán của CNTs tốt hơn so với trường hợp rung siêu âm 10 phút, với phổ kích

thước CNTs phân tán từ 18 nm – 95 nm như trên hình 4.7a. Khi tăng thêm thời gian

rung siêu âm ñến 30 phút và 40 phút thì kết quả phân tán tương ñương với phổ phân

tán theo kích thước của CNTs trong chất lỏng, từ 17 nm – 83 nm như trên hình 4.7b và

hình 4.7c, kết quả này phù hợp với ñường kính của CNTs dùng trong thí nghiêm là từ

15 nm – 80 nm. Từ ñây chúng tôi ñi ñến kết luận thời gian rung siêu âm tối thiểu ñể

phân tán tốt CNTs trong EG/DW là 30 phút.

)

%

(

ố b n â h P

Kích thước (nm)

)

%

(

ố b n â h P

Kích thước (nm)

)

%

( ố b n â h P

Kích thước (nm)

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)

4.2.1.3. Nồng ñộ của CNTs trong chất lỏng

Với nghiên cứu thực nghiệm, ñơn vị nồng ñộ của CNTs trong chất lỏng ñược lựa

chọn là g/lít thay vì %vol như ñã trình bày trong phần nghiên cứu lý thuyết. Lý do mà

chúng tôi ñã lựa chọn nồng ñộ %vol trong phần nghiên cứu lý thuyết là vì các công

thức tính toán sử dụng ñến kích thước phân tử cũng như phần trăm về thể tích của

CNTs trong chất lỏng thay vì khối lượng, do vậy việc lựa chọn ñơn vị %vol sẽ tạo sự

thuận lợi trong quá trình tính toán. Tuy nhiên trong nghiên cứu thực nghiệm việc lựa

chọn ñơn vị %vol sẽ khó ño ñạc và dễ dẫn ñến sai số, do việc xác ñịnh tổng thể tích

của CNTs không chính xác vì bản thân trong khối CNTs luôn tồn tại các khe hở không

khí giữa các sợi CNTs, các khe này không ñược tính vào tổng thể tích của CNTs, do

vậy việc xác ñịnh tổng thể tích thực tế của CNTs là khó hơn so với việc ño khối lượng

CNTs. Chính vì lý do ñó mà ñơn vị nồng ñộ của CNTs trong chất lỏng ở phần thực

nghiệm ñược lựa chọn là g/lít. ðể tiện cho việc chuyển ñổi giữa hai ñơn vị trên có thể

sử dụng công thức biến ñổi sau ñây:

- Với nước DW: C%vol = 0,795.Cg/lít (4.1)

- Với nước ED/DW: C%vol = 0,825.Cg/lít (4.2)

Các kết quả nghiên cứu sự phân tán của CNTs trong DW và EG/DW ñã cho thấy

nồng ñộ của CNTs không thể tăng ñến một giá trị mất kỳ mà bị giới hạn ở một giá trị

bão hòa nhất ñịnh, ñối với DW giá trị bão hòa của CNTs khảo sát ñược là 1,2 g/lít, ñối

với EG/DW giá trị bão hòa của CNTs khảo sát ñược là 1,3 g/lít. Chính vì lý do ñó mà

các nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho

linh kiện ñiện tử công suất (CPU, LED) ñược khảo sát với nồng ñộ của CNTs trong

khoảng từ 0 - 1,2 g/lít với DW, và trong khoảng từ 0 - 1,3 g/lít với EG/DW.

4.2.1.4. Cơ chế phân tán CNTs

Như ñã trình bày ở trên, bản thân vật liệu CNTs có nhiều ñặc tính ưu việt, nhưng

thực tế ứng dụng cho thấy vật liệu này tương ñối trơ về mặt hóa học và tương thích

kém với các vật liệu khác khi pha trộn. Khi pha trộn với các vật liệu hay các dung môi

khác, vật liệu CNTs thường tụ thành các ñám nhỏ, tương tác kém với các vật liệu khác,

dẫn tới sự bất ñồng nhất, cục bộ, ảnh hưởng không tốt tới các tính chất chung của vật

liệu pha trộn ñược. Vì vậy, cần thiết phải biến tính ñể vật liệu CNTs có thể phân tán

ñồng ñiều và hòa tan tốt trong các dung môi hay các vật liệu khác, ñể tận dụng các tính

năng tốt của vật liệu CNTs nhằm tăng cường, cải thiện các tinh chất của vật liệu ñược

pha trộn.

Sự tụ ñám ñó có thể giải thích theo hai nguyên nhân chính:

- CNTs có dạng sợi dài với ñường kính ống nhỏ. Từ quá trình tổng hợp cho ñến

khi tạo thành sản phẩm, các sợi ñan xen, chằng chéo lẫn nhau (dạng cuộn chỉ

rối) rất khó tách riêng.

- CNTs có kích thước nhỏ với ñường kính dưới 100 nm, dẫn tới diện tích bề mặt lớn (khoảng 1000 m2/g) , làm cho tương tác bề mặt giữa các ống với nhau lớn.

Các tương tác chủ yếu là tương tác Van der Walls. Lực Van der Walls là lực

tương tác tĩnh ñiện trong khoảng nhỏ. Lực này làm cho các ống CNTs hút

)

nhau. Thế năng van der Walls có thể biểu diễn như sau:

totalV

2 q b 1 11

6 r dv dv 2

−∫∫ (

(4.3)

Trong ñó:

+ q1: số phân tử trên ñơn vị thể tích

+ v1 và v2: thể tích của các vật thể vĩ mô

+ r: khoảng cách giữa các tâm ñiểm của các phân tử, nguyên tử.

Với CNTs, diện tích bề mặt lớn nên số ñiểm tương tác rất lớn, thể tích các ống

nhỏ mà khoảng cách giữa các ống lại nhỏ (vì kích thước ống cơ nanomét), do ñó thế

năng tương tác rất lớn, dẫn ñến lực van der Walls là lớn.

Như vậy, việc CNTs có thể phân tán tốt trong chất lỏng tản nhiệt một cách ñồng

ñều với quy trình như trên có thể ñược giải thích thông qua các cơ chế như sau:

- Biến tính hóa học: gắn các nhóm chức hoạt hóa lên bề mặt của ống, tăng khả

năng tương tác hóa học với môi trường hoặc tạo tương tác ñẩy giữa các ống

với nhau (như tương tác ñiện giữa các ống, tương tác ñiện bề mặt với các hạt

tích ñiện trong dung môi).

- Chất hoạt ñộng bề mặt: Giúp giảm sức căng bề mặt giữa chất lỏng với vật

liệu CNTs, góp phần vào việc ngăn cản sự tụ ñám của CNTs trong chất lỏng

do sức căng bề mặt.

- Rung siêu âm: Cung cấp năng lượng dạng nhiệt hoặc rung siêu âm ñể tăng

tính linh ñộng, tính hoạt ñộng và khả năng di chuyển của các ống tương tự như

các chuyển ñộng Brown của các nguyên tử, phân tử.

4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU

4.2.2.1. Tản nhiệt cho Intel Pentium IV

Xây dựng hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho Intel Pentium IV

Tỏa nhiệt

Áp suất thấp

Nhiệt ñộ cao

Bình chứa dung dịch pha CNTs

CPU

Áp suất cao

Nhiệt ñộ thấp

ðế tản nhiệt Cu

CNTs lỏng

Bơm

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

Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính ñược mô tả như trên

hình 4.8 bao gồm:

– Bình chứa dung dịch (thể tích 500ml). – Máy bơm (lưu lượng 3 cm3/s , công suất 2,5W). – Ống dẫn chất lỏng Φ 8cm. – ðế tản nhiệt bằng ñồng kích thước 4 cm x 5 cm. – Bộ phận tản nhiệt ngoài.

Trong hệ thống này, dung dịch tản nhiệt chứa thành phần CNTs từ bình chứa

ñược ñẩy vào ñế qua máy bơm theo các ống dẫn, tại ñế tản nhiệt sẽ diễn ra quá trình

trao ñổi nhiệt giữa chất lỏng và linh kiện ñiện tử công suất, sau ñó chất lỏng ñược ñưa

ñến giàn tỏa nhiệt bên ngoài, tại ñây nhiệt ñộ ñược ñưa ra môi trường bên ngoài thông

qua giàn tỏa nhiệt, sau ñó chất lỏng ñược ñưa trở lại bình chứa dung dịch và tiếp tục

chu trình tản nhiệt.

Hệ thiết bị máy tính

Hệ thí nghiệm bao gồm một máy tính ñược ñặt trong phòng kính khép kín, nhiệt

ñộ phòng ñược giữ ổn ñịnh nhờ ñiều hòa nhiệt ñộ, ñược kiểm soát bằng nhiệt kế, ñộ

ẩm phòng ñược giữ cố ñịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt ñộng liên tục, việc này ñảm bảo ñiều kiện môi trường bên ngoài là 20oC và như nhau trong mọi thí nghiệm.

Hình 4.9. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lí máy

tính Intel Pentium IV

Các bộ phận của máy tính ñược tháo rời và ñặt xa nhau như hình trên, nhằm

ñảm bảo nhiệt ñộ các linh kiện không ảnh hưởng tới nhiệt ñộ của CPU, ñồng thời cũng

tạo thuận lợi cho việc vận hành thí nghiệm.

Máy vi tính ñược sử dụng trong nghiên cứu này có cấu hình như sau: – CPU: Intel Pentium (R) IV 3.06GHz. – RAM: 512 MB. – HDD: 80 Gb. – OS: Microsoft Windows XP Professional Service Pack 2. – Sensor tích hợp trong CPU ñang dùng là loại TDiode (Thermal Diode) với

sai số ± 0.5 oC. Sự thay ñổi nhiệt ñộ của CPU ñược các sensor này nhận biết

và thông qua một mạch biến ñổi ADC chuyển thành tín hiệu số.

Các phép ño khảo sát nhiệt ñộ ñược thực hiện nhiều lần, kết quả ño lặp lại nhiều

nhất và phù hợp với giá trị trung bình của nhiều lần ño sẽ ñược lựa chọn ñể phân tích.

Các phần mềm hỗ trợ

Phần mềm Speedfan:

Phần mềm Speedfan có khả năng hiển thị nhiệt ñộ một số linh kiện và thiết bị

trong máy vi tính như ổ cứng, bo mạch, CPU. Phần mềm Speedfan hiển thị nhiệt ñộ

của CPU bằng cách ñọc các sensor nhiệt có trong CPU, các sensor nhiệt này có chức

năng kiểm tra sự biến ñổi nhiệt ñộ bên trong CPU, sự thay ñổi này thông qua một

mạch biến ñổi ADC chuyển thành tín hiệu số, tín hiệu số này ñược Speedfan 4.33 ñọc

và hiển thị lên màn hình.

Hình 4.10. Giao diện phần mềm Speedfan

Phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS:

ðể khảo sát chính xác nhiệt ñộ của CPU trong các lần ño, hoạt ñộng của CPU

trong các thời ñiểm tiến hành ño phải giống nhau, ñồng thời máy tính phải hoạt ñộng ở

chế ñộ khắc nhiệt nhất. ðể thực hiện ñược ñiều này chúng tôi sử dụng phần mềm

StressPrime ORTHOS ñể ñẩy CPU hoạt ñộng ở mức tối ña (full load).

Hình 4.11. Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS

Các bước thực nghiệm :

– Chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs với nồng ñộ từ 0 – 1,2 g/lit. – ðưa chất lỏng chứa thành phần CNTs vào hệ thống tản nhiệtcủa vi xử lý.

Hình 4.12. Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lí

máy tính Intel Pentium IV – ðiều chỉnh nhiệt ñộ phòng bằng ñiều hòa nhiệt ñộ, kiểm tra bằng nhiệt kế trước

khi tiến hành thí nghiệm.

– Khởi ñộng máy tính. – Bật phần mềm Speedfan và phần mềm StressPrime. – ðể máy tính hoạt ñộng ở chế ñộ nhàn rỗi trong thời gian 15 phút ñến khi nhiệt

ñộ của CPU ñạt giá trị ổn ñịnh.

– Kích hoạt chế ñộ full-load từ phần mềm StressPrime ñể ñấy CPU hoạt ñộng ở

chế ñộ công suất 100%.

– Ghi lại số liệu nhiệt ñộ của CPU từ phần mềm Speedfan trong thời gian CPU

hoạt ñộng ở chế ñộ full-load.

Kết quả thực nghiệm quá trình tản nhiệt

+) Tản nhiệt tự nhiên

ðể ñánh giá vai trò của hệ thống tản nhiệt nói chung ñối với CPU, chúng tôi tiến

hành thí nghiệm trong trường hợp không có bất cứ hình thức tản nhiệt nào. Kết quả

thực nghiệm cho thấy khi CPU hoạt ñộng ở chế ñộ nhàn rỗi thì nhiệt ñộ CPU ñã rất

cao với giá trị 67ºC. Ngay sau khi hoạt ñộng ở chế ñộ 100% công suất thì nhiệt ñộ của

CPU tăng nhanh và máy tính tự ñộng ngắt vì nhiệt ñộ CPU vượt quá giới hạn cho

phép. ðiều này cho thấy khi không sử dụng bất cứ hình thức tản nhiệt nào thì nhiệt ñộ

CPU sẽ vượt quá giới hạn cho phép và ngừng hoạt ñộng trong thời gian rất ngắn.

Hình 4.13. ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên

+) Tản nhiệt bằng quạt

Hình 4.14. ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng quạt

ðây là một hình thức tản nhiệt thông dụng nhất hiện nay. Hình 4.14 là kết quả

quá trình tản nhiệt bằng quạt. Khi CPU ở chế ñộ nhàn rỗi thì nhiệt ñộ CPU có khoảng

21ºC, ngay sau khi CPU hoạt ñộng ở chế ñộ 100% thì nhiệt ñộ của CPU tăng lên theo

thời gian, sau 100 giây nhiệt ñộ CPU ñạt giá trị 53ºC. Nhiệt ñộ của CPU ñạt tới giá trị bão hòa là 57oC sau khoảng thời gian hoạt ñộng là 200 giây.

(a)

(g)

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)

+) Tản nhiệt bằng chất lỏng

Hình 4.15. ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất

lỏng chứa thành phần CNTs

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dùng nước cất trong hệ thống tản nhiệt

bằng chất lỏng thì nhiệt ñộ CPU ở trạng chế ñộ nhàn rỗi là 19ºC. Khi sử dụng chất

lỏng chứa thành phần CNTs thì nhiệt ñộ của CPU giảm xuống, cụ thể là với nước cất

pha 0,2g CNTs/lít – 0,6g CNTs/lít thì nhiệt ñộ CPU ở chế ñộ nhàn rỗi 18ºC, và với

nước cất pha 0,8g – 1,2g CNTs/lít thì nhiệt ñộ CPU ở chế ñộ nhàn rỗi là 17 ºC.

Khi sử dụng nước cất ở trạng thái CPU hoạt ñộng 100% nhiệt ñộ bão hoà của

CPU ñạt 35ºC sau khoảng thời gian 30 phút. Khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần

CNTs thì nhiệt ñộ bão hòa của CPU giảm xuống. Cụ thể, tương ứng với nước cất pha

0,2g CNTs/lít, 0,4g CNTs/lít, 0,6g CNTs/lít, 0,8g CNTs/lít, 1,0g CNTs/lít và 1,2g

CNTs/lít thì nhiệt ñộ bão hòa của CPU lần lượt là 34ºC, 32ºC, 30ºC, 29ºC, 28ºC và

28ºC. Tổng hợp kết quả thực nghiệm ñược thể hiện như trên bảng 4.1 cho thấy với

việc thêm thành phần CNTs vào chất lỏng sẽ giúp tăng ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản

nhiệt, từ ñó giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt của hệ thống và làm giảm nhiệt ñộ CPU xuống 7oC ứng với nồng ñộ tối ưu của CNTs là 1,0 g/lít.

Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng

Loại dung dịch Nhiệt ñộ CPU ở Nhiệt ñộ CPU ở Thời gian bão

chế ñộ nhàn rỗi chế ñộ 100% hoà (phút)

(ºC) công suất (ºC)

Nước 19 ºC 35 ºC 26

0,2g CNTs/lít 18 ºC 34 ºC 26

0.4g CNTs/lít 18 ºC 32 ºC 26

0.6g CNTs/lít 18 ºC 30 ºC 26

0.8g CNTs/lít 17 ºC 29 ºC 26

1.0g CNTs/lít 17 ºC 28 ºC 26

1.2g CNTs/lít 17 ºC 28 ºC 26

4.2.2.2. Tản nhiệt cho Intel Core-i5

Hình 4.15 là sơ ñồ của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

cho vi xử lý Intel Core-i5. Trong hệ thống này, ñế tản nhiệt làm từ vật liệu ñồng ñược

tiếp xúc trực tiếp với vi xử lý máy tính, bên trong ñế ñồng có các rãnh dẫn chất lỏng

với hình zic-zắc cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt lượng tỏa ra từ CPU. Phía

trên của ñế ñồng là một bơm mini với ông suất vào khoảng 1,8 W. Kích thước và công suất của hai quạt tản nhiệt lần lượt là 120 x 120 x 38 mm3 và 3,6 W. Giàn tỏa nhiệt

ñược làm từ vật liệu nhôm với các vây tản nhiệt nhỏ xung quanh, kích thước giàn tỏa nhiệt là 150 x 120 x 25 mm3. Nhiệt ñộ của môi trường ñược giữ ổn ñịnh ở 20oC trong

các quá trình làm thí nghiệm bằng cách sử dụng một ñiều hòa nhiệt ñộ, ñộ ẩm phòng

ñược giữ cố ñịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt ñộng liên tục. Nhiệt ñộ của CPU ñược ño

trực tiếp bằng 4 sensor tích hợp sẵn bên trong CPU kết hợp với việc sử dụng phần

mềm chuyên dụng.

Chúng tôi lựa chọn máy tính với cấu hình như sau ñể thử nghiệm: vi xử lý Intel

Core i5 – 3570K (6M Cache, 3.4 GHz), bộ nhớ trong Corsair’s 4 GB DDR3

SODIMM, ổ cứng Toshiba’s 1 TB, bo mạch chính Asrock H61M-VS3, hệ ñiều hành

Window 7 Ultimate Service Pack 1. Nhiệt ñộ của CPU ñược ño bằng phần mềm chuyên dụng Core Temp 1.0 RC5-32bit với ñộ chính xác ±0,5oC, CPU ñược ñẩy lên

chế ñộ fullload (chế ñộ hoạt ñộng với hiệu suất 100% CPU) bằng cách sử dụng phần

mềm Prime 95 v27.9 build 1.

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

Hình 4.17. ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng

phương pháp tản nhiệt bằng quạt

ðể khảo sát hiệu quả của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần MWCNT-OH trong

EG/DW, chúng tôi tiến hành so sánh với phương pháp tản nhiệt bằng quạt. Nhiệt ñộ

của vi xử lý máy tính ñược ño trực tiếp ở chế ñộ full-load (chế ñộ sử dụng 100% hiệu

suất CPU) khi sử dụng quạt. Hình 4.17 là kết quả ño nhiệt ñộ của CPU theo thời gian

khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng quạt. Như hiển thị trên hình 4.17, tại thời ñiểm ban ñầu nhiệt ñộ của CPU ñạt 35oC, sau ñó nhiệt ñộ bão hòa của CPU ñạt ñến 71oC sau khoảng thời gian hoạt ñộng 200 s.

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

ðể giảm nhiệt ñộ bão hòa và làm chậm thời gian tăng nhiệt của CPU, chúng tôi sử

dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý

máy tính. Hình 4.18 là kết quả thực nghiệm ño nhiệt ñộ của vi xử lý máy tính theo thời

gian khi sử dụng các loại chất lỏng tản nhiệt với hàm lượng CNTs khác nhau. Tại thời ñiểm ban ñầu, nhiệt ñộ của CPU vào khoảng 30-32oC. Nhiệt ñộ của CPU ñạt ñến giá trị bão hòa 57oC, 54oC và 51oC khi sử dụng lần lượt các loại chất lỏng không chứa

CNTs, chất lỏng chứa 0,5 g CNT/lit, và chất lỏng chứa 1g CNTs/lit sau thời gian hoạt

ñộng 350s.

Các kết quả thử nghiệm trên ñã cho thấy: so sánh với phương pháp tản nhiệt sử

dụng quạt thì phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng giúp giảm nhiệt ñộ bão hòa của CPU xuống khoảng 14oC - 20oC. Phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng cũng giúp kéo

dài thời gian của quá trình tăng nhiệt CPU từ 200 s ñến 350 s. Khi pha CNTs vào chất

lỏng tản nhiệt với hàm lượng 1,2 g/l, chúng tôi có thể giảm nhiệt ñộ của CPU xuống 6oC so với chất lỏng không chứa thành phần CNTs.

4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho ñèn LED

Hiện nay, hướng nghiên cứu ứng dụng ñèn LED trong chiếu sáng ñang ñược

nhiều các nhóm nghiên cứu cũng như các nhà công nghệ quan tâm phát triển do những

ưu ñiểm vượt trội của ñèn LED về hiệu suất phát quang, tuổi thọ, ñộ bền cũng như an

toàn cho môi trường sống. Tuy nhiên việc chế tạo các ñèn LED có công suất lớn ñể

mở rộng các ứng dụng trong thực tế hiện ñang là một thử thách cho nhà nghiên cứu

khoa học và công nghệ. Do nhiệt ñộ hoạt ñộng của LED ảnh hưởng mạnh ñến hiệu

suất phát quang cũng như tuổi thọ của ñèn LED, ñể chế tạo các ñèn LED có công suất

lớn do tất cả các ñèn LED ñòi hỏi phải ñảm bảo ñược nhiệt ñộ hoạt ñộng thấp và ổn

ñịnh trong suốt quá trình hoạt ñộng, do vậy ñèn LED ñòi hỏi phải có các hệ thống tản

nhiệt tốt. ðể chế tạo ñèn LED công suất lớn, hương pháp chủ yếu hiện nay là ghép

nhiều module ñèn LED có công suất nhỏ với nhau trên một nền diện tích ñế tản nhiệt

và giàn tỏa nhiệt ñủ lớn ñể ñảm bảo khả năng tản nhiệt cho các module LED. Bên cạnh

ñó việc tìm ra các kết cấu tản nhiệt và vật liệu mới ñang ñặc biệt ñược chú trọng.

Với những kết quả ñạt ñược trong việc ứng dụng chất lỏng chứa thành phần ống

nanô cácbon cho vi xử lý máy tính, chúng tôi tiến ñến những ứng dụng tiếp theo của

chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho một số loại ñèn LED có công suất lớn.

4.2.3.1. Tản nhiệt cho ñèn LED 50 W

ðể ứng dụng chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho chip LED 50 W, chúng tôi

sử dụng hệ thống có sơ ñồ như trên hình 4.19. Trong hệ thống này, ñế tản nhiệt

bằng ñồng ñược tiếp xúc trực tiếp với chip LED 50W. Chất lỏng CNTs ñược vận

chuyển tuần hoàn trong hệ thống bởi máy bơm có công suất 1,8 W. ðể tạo sự gọn

nhẹ cho hệ thống, chúng tôi không sửa dụng bình chứa chất lỏng trong trường hợp

này. Kích thước và tổng công suất của 2 quạt tản nhiệt trong hệ thống này lần lượt

là 120 mm x 120 mm x 38 mm và 3,6 W. Giàn tỏa nhiệt ñược chế tạo từ vật liệu

nhôm với kích thước là 150 mm x 120 mm x 25 mm.

Nhiệt ñộ môi trường ñược giữ ở 20oC cho tất cả các phép ño bằng cách sử

dụng một ñiều hòa nhiệt ñộ, ñộ ẩm phòng ñược giữ cố ñịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt

ñộng liên tục. Nhiệt ñộ của chip LED ñược ño trực tiếp bởi một sensor nhiệt gắn

ngay tại ñế LED và ñược hiển thị trực tiếp trên một ñồng hồ ño nhiệt hiện số. Hình

4.20 là ảnh chi tiết của hệ thống tản nhiệt cho chip LED sử dụng chất lỏng CNTs

mà chúng tôi ñã chế tạo ñược. Ngoài ra, ñể so sánh hiệu quả tản nhiệt bằng phương

pháp chất lỏng CNTs với phương pháp thông thường ñang sử dụng hiện nay cho ñèn

LED, chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt ñộ của ñèn pha LED 50 W ñang ñược thương

mại hóa trên thị trường như trên hình 4.21.

Tỏa nhiệt

ðồng hồ ño nhiệt ñộ

Quạt 2

Áp suất thấp

Nhiệt ñộ cao

Quạt 1

LED 50 W

Nhiệt ñộ thấp

Áp suất cao

ðế tản nhiệt Cu

CNTs lỏng

Bơm

Hình 4.19. Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

cho chip LED 50 W

Chất lỏng sử dụng trong thí nghiệm này là nước cất pha thêm thành phần

CNTs với hàm lượng từ 0 ñến 1,0 gam/lít. Hình 4.22 hiển thị nhiệt ñộ của LED

50W theo thời gian trong các trường hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông

thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng không có thành phần CNTs

và chất lỏng có chứa thành phần CNTs. Trong cả ba trường hợp thì nhiệt ñộ ban ñầu của chíp LED ñều bằng 20oC và bằng nhiệt ñộ của môi trường. Trong trường

hợp sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên thông thường, nhiệt ñộ bão hòa của

chip LED ñạt ñến 66oC sau thời gian hoạt ñộng 1200 s. Trong trường hợp sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng, nhiệt ñộ bão hòa của chíp LED ñạt 34oC - 36oC sau khoảng thời gian 1200 s, như vậy phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng

giúp giảm nhiệt ñộ xuống khoảng 30°C so với việc sử dụng phương pháp tản nhiệt

tự nhiên.

Hình 4.20. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho chip LED

50 W chế tạo ñược

Hình 4.21. ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả tản nhiệt

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)

Hình 4.23. ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với các nồng

100

ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất

Hình 4.23 là ñồ thị so sánh chi tiết về hiệu quả tản nhiệt trong trường hợp sử

dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs với các hàm lượng khác nhau. Trong trường hợp sử dụng chất lỏng là nước cất thì nhiệt ñộ bão hòa của chíp LED là 36oC.

Khi tăng hàm lượng của CNTs trong chất lỏng tản nhiệt thì nhiệt ñộ bão hòa của chíp LED giảm xuống và ñạt giá trị thấp nhất là 33,5oC trong trường hợp chất lỏng chứa

hàm lượng 1,0 g CNTs/lít.

Như vậy, bằng cách sử dụng CNTs với hàm lượng 1 g/lít trong chất lỏng tản nhiệt, chúng ta có thể giảm nhiệt ñộ của chíp LED xuống khoảng 2,5oC. Với kết

quả ñạt ñược, chúng tôi tiến ñến chế tạo hệ ñèn LED công suất lớn hơn bằng cách

sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs như ñược trình bày trong phần sau ñây.

4.2.3.2. Tản nhiệt cho ñèn LED 450 W

ðể mở rộng hướng ứng dụng chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho LED, chúng tôi

tiến hành xây dựng một hệ ñèn pha LED công suất 450 W. Hình 4.24 là sơ ñồ hệ thống

tản nhiệt của ñèn pha LED công suất 450W mà chúng tôi ñã chế tạo ñược.

Khí nóng

Giàn tỏa nhiệt

Quạt 1

Nhiệt ñộ cao

Nhiệt ñộ thấp

Quạt 2

Rãnh chất lỏng

Khí lạnh

Nhiệt ñộ thấp

Bình chứa

Chất lỏng CNTs

ðế tản nhiệt bằng nhôm cho LED

Bơm mini

Hình 4.24. Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho ñèn

pha LED công suất 450W

Trong hình 4.24, ñế tản nhiệt ñược làm từ vật liệu nhôm ñược tiếp xúc trực tiếp

với 9 chíp LED, các rãnh chất lỏng hình zíc-zắc bên trong ñế tản nhiệt cho phép chất

lỏng chảy qua và lấy nhiệt từ các chíp LED. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống

101

nanô cácbon ñược ñối lưu trong hệ thống này bằng một bơm mini với lưu lượng 3 cm3/s. Công suất của máy bơm trong hệ thống tản nhiệt là 2,5 W. Kích thước và công

suất của quạt tản nhiệt lần lượt là 120 x 120 x 38 mm3 và 3,6 W. Thể tích của bình

chứa chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt là 500 ml. Giàn tỏa nhiệt ñược chế tạo từ vật

liệu nhôm với kích thước của giàn tỏa nhiệt là 150 x 120 x 25 mm. Hình 4.25 là sơ ñồ

và ảnh thực của 9 chíp LED ñược gắn trực tiếp trên ñế nhôm tản nhiệt. Kích thước của

ñế nhôm tản nhiệt và của chip LED lần lượt là 210mm x 210mm x 17mm và 40mm x

40mm x 3mm. Công suất của chip LED và của cả hệ thống ñèn LED lần lượt là 50W

và 450W. Loại chất lỏng ñược chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu là dung dịch hỗn

hợp nước cất với ethylene glycol theo tỷ lệ 45:55 có chứa CNTs với hàm lượng từ 0 –

1,3 g/lít. Sở dĩ chúng tôi dùng hỗn hợp nước cất với ethylene glycol vì hỗn hợp này

ñược sử dụng rộng rãi làm chất lỏng tản nhiệt hiện nay.

Chíp LED 50W

(a)

(b)

Hình 4.25. Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công suất 450W

Hình 4.26. ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs

Nhiệt ñộ của môi trường ñược giữ ổn ñịnh ở 20oC cho tất cả các thí nghiệm bằng

102

cách sử dụng một ñiều hòa nhiệt ñộ, ñộ ẩm phòng ñược giữ cố ñịnh nhờ một máy hút

ẩm hoạt ñộng liên tục. Nhiệt ñộ của chip LED ñược ño trực tiếp bằng các sensor nhiệt

ñộ gắn ngay trên bề mặt ñế của chip LED.

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

Hình 4.26 là ảnh của ñèn LED công suất 450W LED sử dụng phương pháp tản

nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả thực nghiệm ño nhiệt ñộ của ñèn

LED 450W theo thời gian khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt với các nồng ñộ khác nhau

của CNTs ñược thể hiện như trên hình 4.27. Nhiệt ñộ của chíp LED ở thời ñiểm ban ñầu là 20oC, sau ñó nhiệt ñộ của chip LED ñạt ñến giá trị bão hòa sau khoảng 40 phút

hoạt ñộng. Khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt không chứa thành phần CNTs cho hệ thống tản nhiệt, nhiệt ñộ bão hòa của chíp LED vào khoảng 55oC. Nhiệt ñộ của chíp LED ñạt giá trị bão hòa 53,7oC, 52,5oC, 51,9oC và 50,6oC khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa

thành phần CNTs với hàm lượng tương ứng là 0,3g/l, 0,5g/l, 0,7g/l, 1,0g/l và 1,2g/l.

Những kết quả này chỉ ra rằng với hàm lượng tối ưu của CNTs là 1,2 g/l, nhiệt ñộ bão hòa của chíp LED giảm xuống 4,5oC khi so sánh với chất lỏng không chứa CNTs.

103

Dựa vào bảng ñặc tính kỹ thuật của chíp LED do hãng sản xuất cung cấp, chúng tôi nhận thấy rằng cứ giảm nhiệt ñộ hoạt ñộng của chíp LED xuống 10oC thì thời gian

sống của chíp LED tăng lên gấp ñôi. Vì vậy, thời gian sống của chíp LED theo ñộ

∆ t 10

≃ L L

giảm nhiệt ñộ hoạt ñộng có thể ước lượng bởi công thức sau:

0.2

(4.4)

ở ñây L0, L, và ∆t lần lượt là thời gian sống cơ bản, thời gian sống khi hoạt ñộng ở

chế ñộ tản nhiệt tốt hơn, và ñộ giảm nhiệt ñộ của LED. Như vậy phần trăm thời gian

kéo dài tuổi thọ của chíp LED ñược xác ñịnh bởi công thức:

1 .100%

−

L L − 0 L 0

∆ t .100% 2 10  

  

(4.5)

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

Từ công thức 2, chúng tôi ước lượng ñược phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ và

biểu thị như trên hình 4.28. Kết quả cho thấy rằng khi thêm hàm lượng CNTs vào

trong chất lỏng tản nhiệt thì thời gian kéo dài tuổi thọ của ñèn LED tăng lên. Phần

trăm thời gian kéo dài tuổi thọ ñạt ñến giá trị bão hòa ở 33% với nồng ñộ 1,2 g/l. Phần

trăm thời gian kéo dài tuổi thọ gần như không tăng ở hàm lượng 1,3 g/l. Vì vậy, chúng

tôi nhận thấy hàm lượng tối ưu của CNTs trong chất lỏng cho ñèn LED 450 W là 1,2

104

g/l.

4.2.3.3. Tản nhiệt cho ñèn LED chiếu sáng công cộng

Xuất phát từ nhu cầu thực tế kết hợp với kết quả ñã ñạt ñược trong ứng dụng

chất lỏng tản nhiệt CNTs cho ñèn LED 450 W, chúng tôi ñã ñề ra một giải pháp công

nghệ ñể ứng dụng cho ñèn LED chiếu sáng công cộng. Giải pháp ñã ñược chúng tôi

ñăng ký sáng chế và ñã ñược Cục sở hữu trí tuệ chấp nhận ñơn.

Về mặt ứng dụng thực tế, theo số liệu thống kê của Tập ñoàn ðiện lực Việt

Nam (EVN), lượng ñiện tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng trên toàn quốc chiếm khoảng

25% tổng lượng ñiện tiêu thụ. Tổng ñiện năng tiêu thụ của cả nước trong một năm là

trên 100 tỉ kWh, như vậy năng lượng dùng trong chiếu sáng công cộng trên cả nước

chiếm trên 20 tỉ kWh, tương ñương với khoảng 30.000 tỷ VNð. Có nghĩa là lượng

ñiện năng cấp cho hệ thống chiếu sáng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng tiêu thụ

ñiện. Tiết kiệm ñiện năng (TKðN) trong hệ thống chiếu sáng nói chung, trong hệ

thống chiếu sáng công cộng (HTCSCC) nói riêng, là một yêu cầu cấp bách ñặt ra cho

các nhà tư vấn thiết kế chiếu sáng, các ñơn vị chủ quản, chủ ñầu tư công trình chiếu

sáng… phải quan tâm và chú trọng.

Bóng ñèn LED có hiệu suất cao hơn từ 5 - 10 lần so với bóng ñèn sợi ñốt, gắp

khoảng 2 lần so với bóng ñèn compact, như vậy nếu thay thế ñược toàn bộ bóng ñèn

hiện nay bằng bóng ñèn LED sẽ giúp tiết kiệm hàng nghìn tỷ ñồng mỗi năm. Do vậy

việc ứng dụng ñèn LED trong chiếu sáng công cộng là vấn ñề ñang rất ñược quan tâm

hiện nay. Tuy nhiên ñể ñảm bảo khả năng hoạt ñộng ổn ñịnh, ñảm bảo tuổi thọ và ñộ

bền cho ñèn LED thì cần phải có hệ thống tản nhiệt tốt, trong khi các vỏ ñèn chiếu

sáng công cộng cũ hiện nay không ñáp ứng ñược yêu cầu này. Do vậy mà ñèn LED

dùng trong chiếu sáng công cộng hiện nay có kết cấu hoàn toàn mới cùng với bộ phận

tản nhiệt gắn trên vỏ ñèn. Việc cải tiến các vỏ ñèn chiếu sáng công cộng cũ ñể lắp

thêm bộ phận tản nhiệt cũng phức tạp, ñòi hỏi nhiều khâu gia công cơ khí dẫn ñến tốn

kém trong khi hiệu quả lại không thực sự cao. ðiều này dẫn tới hệ quả là muốn dùng

ñèn LED trong chiếu sáng công cộng thì phải bỏ ñi cơ sở hạ tầng của ñèn chiếu sáng

công cộng cũ (bao gồm cả vỏ ñèn và bóng ñèn), dẫn tới sự lãng phí và tốn kém về mặt

kinh phí. Hơn nữa, hiện nay giá thành chip LED khá ñắt, lại cần phải có một vỏ ñèn có

khả năng tản nhiệt tốt cho chip LED, do vậy giá thành của ñèn LED trong chiếu sáng

công cộng là khá cao và không phù hợp với nền kinh tế hiện nay của Việt Nam. Và với

105

lãng phí cũng như tốn kém như vậy cho nên giải pháp ñược sử dụng chủ yếu hiện nay

(không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều nước khác trên thế giới) ñó là chỉ lắp mới ñèn

LED ở những công trình mới, và hạn chế việc thay thế ñèn LED ở những nơi ñã có

bóng ñèn chiếu sáng công cộng cũ. ðiều này cho thấy việc thay thế toàn bộ bóng ñèn

chiếu sáng công cộng hiện nay bằng ñèn LED là mục tiêu rất khó thực hiện.

Giải pháp chúng tôi ñề ra nhằm giải quyết những vấn ñề ñược nêu ở trên, ñảm

bảo thay thế ñược ñèn LED nhưng vẫn giữ lại ñược cơ ở hạ tầng chiếu sáng công cộng

cũ dựa trên cách tiếp cận: xây dựng môñun LED mà có thể lắp vào các hệ hệ thống

ñèn chiếu sáng công cộng cũ một cách tiện lợi, môñun LED này sử dụng phương pháp

tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs ñể ñảm bảo khả năng ñưa toàn bộ

nhiệt lượng từ Chip LED ra ñế tỏa nhiệt ngoài môi trường, giúp nâng cao tuổi thọ và

hiệu suất phát quang cho ñèn LED. Loại bơm sử dụng trong sáng chế là bơm thông

thường hoặc bơm piezo. Với bơm piezo, hoạt ñộng dựa trên hiệu ứng áp ñiện với công

suất cực nhỏ, kích thước nhỏ gọn, không có ñộng cơ, không có trục quay do vậy bơm

có ñộ bền rất cao và phù hợp với tuổi thọ ñèn LED. Ngoài loại bơm piezo cũng có thể

sử dụng các loại bơm thông thường hoạt ñộng bằng ñộng cơ ñiện, những ñộng cơ này

có tuổi thọ có thể lên ñến 150.000 giờ nên hoàn toàn ñáp ứng ñược thời gian hoạt ñộng

của ñèn LED. Việc sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nanô sẽ giúp

nâng cao ñộ dẫn nhiệt và tăng cường hiệu quả tản nhiệt cho ñèn LED.

Sơ ñồ của môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng ñược lắp vào hộp ñèn chiếu

sáng công cộng ñược mô tả như trên hình 4.29. ðui ñực 1 là loại ñui xoáy hoặc ñui cài

với kích thước phù hợp ñể có thể gắn vào ñui cái 2 trên vỏ bóng ñèn chiếu sáng công

cộng, ñồng thời ñui ñực 1 ñược gắn với ñế LED 3 thông qua hệ thống ốc vít 4. Hệ

thống ốc vít 4 ñược thiết kế ñể ñảm bảo vừa có tác dụng gắn chặt ñế LED 3 với ñui

ñực 1, ñồng thời có tác dụng ñiều chỉnh ñược ñộ nghiêng của ñế LED 3 theo trục xoáy

của ñui ñèn. Khối các chip LED 5 ñược gắn chặt với ñế LED 3 thông qua hệ thống ốc

vít 6, giúp cho việc thay thế khối các chip LED ñược thuận lợi. Giữa khối các chip

LED 5 và ñế LED 3 có bôi một lớp kem tản nhiệt ñể tăng cường hiệu quả tản nhiệt ở

lớp tiếp giáp. Trên ñui ñực 1 có dây nguồn 7 ñể cấp ñiện áp hoạt ñộng cho khối các

chip LED 5, dây nguồn 7 lấy nguồn ñiện từ ñui cái 2 của bóng ñèn chiếu sáng công

cộng. Trên dây nguồn 7 có cầu nối dây ñiện 8 dùng ñể nối với dây ñiện 9 của khối các

chip LED, ñiều này góp phần tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc thay thế khối các chip

LED khi cần. Hai ñầu dây ñiện của ñui cái 2 ñược nối với nguồn nuôi LED 10 ñể sau 106

ñó ñược cung cấp cho khối các chip LED. Nguồn nuôi LED 10 ñược gắn chặt với trục

của ñèn chiếu sáng 21 nhờ bộ gá 11, ñồng thời nguồn nuôi LED 10 ñược nối với mạng

ñiện lưới của hệ thống ñèn chiếu sáng công cộng.

ðế LED 3 ñược chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim có ñộ dẫn nhiệt tốt, bên trong

có các rãnh dẫn chất lỏng 12 cho phép chất lỏng tản nhiệt ñi qua ñể trao ñổi và lấy

nhiệt lượng từ ñế LED ñưa ra bên ngoài. Rãnh dẫn chất lỏng 12 có thể ở dạng hình

zic-zắc, hình xoắn ốc, hình hộp chữ nhật hoặc ở hình dạng bất kỳ khác mà không bị

giới hạn trong sáng chế này. ðế LED có thể có dạng hình khối và mặt cắt ngang là

vuông hoặc hình chữ nhật với các rãnh dẫn chất lỏng bên trong.

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

Trên ñế LED 3 có lối chất lỏng vào ñế LED 13 và lối chất lỏng ra ñế LED 14.

Lối chất lỏng vào ñế LED 13 ñược nối với bơm chất lỏng 15 thông qua ống dẫn chất

lỏng 16. Lối chất lỏng ra ñế LED 14 ñược nối với giàn tỏa nhiệt 17 thông qua ống dẫn

chất lỏng 18. Bơm chất lỏng 15 có thể là loại bơm áp ñiện hoặc loại bơm chất lỏng sử

dụng ñộng cơ ñiện thông thường. Bơm chất lỏng 15 ñược gắn chặt với trục của ñèn

chiếu sáng 21 nhờ bộ gá 19. Bơm chất lỏng 15 ñược lối với giàn tỏa nhiệt 17 thông

qua ống dẫn chất lỏng 20. Hình 4.30 là ảnh chụp của giàn tỏa nhiệt của môñul ñèn

LED mà chúng tôi ñã chế tạo ñược, trong giàn tỏa nhiệt có lắp sẵn một thiết bị bơm

chìm. Hình 4.31 là ảnh chụp sản phẩm moñul ñèn LED công suất 100 W ñược lắp vào

vỏ ñèn ñường chiếu sáng công cộng. Hình 4.32 là ảnh chụp của moñul ñèn LED công

107

suất 100 W phát sáng vào buổi tối.

Hình 4.30. Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của moñun ñèn LED

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

Chúng tôi cũng tiến hành khảo sát hiệu quả tản nhiệt của hệ thống khi sử dụng

chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Loại chất lỏng ñược chúng tôi sử dụng là

hỗn hợp Ethylene Glycol với nước cất với tỷ lệ về thể tích của hai thành phần này là

50:50, nồng ñộ CNTs trong hỗn hợp trên là 0 g/lít và 1,2 g/lit. Nhiệt ñộ ñược khảo sát

tại hai vị trí: vị trí ngay tại ñế chip LED, và vị trí chất lỏng tản nhiệt ở bên trong giàn

108

tỏa nhiệt. Kết quả ño thể hiện như trên hình 4.33 cho thấy rằng khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt không chứa CNTs thì nhiệt ñộ của chip LED ñạt giá bị bão hòa là 67oC sau

khoảng thời gian hoạt ñộng 52 phút, khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs với hàm lượng 1,2 g/lít thì nhiệt ñộ bão hòa của chip LED giảm xuống 64oC.

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

Như vậy với việc gia cường CNTs với nồng ñộ 1,2 g/lit vào chất lỏng ñã giúp giảm nhiệt ñộ LED xuống 3oC. Mặt khác, khảo sát nhiệt ñộ của chất lỏng trong giàn

tỏa nhiệt cho thấy khi không có CNTs trong chất lỏng thì nhiệt ñộ bão hòa tại giàn tỏa nhiệt là 59oC, còn khi sử dụng chất lỏng chứa CNTs với hàm lượng 1,2 g/lít thì ñộ bão hòa tại giàn tỏa nhiệt là 58oC. ðộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng thông thường là 8oC, còn ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa chip LED và giàn tỏa nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng CNTs là 6oC.

ðiều này cho ta thấy CNTs ñóng 2 vai trò quan trọng trong quá trình tản nhiệt của hệ

thống: làm tăng hiệu quả nhận nhiệt lượng từ chíp LED vào chất lỏng, ñồng thời cũng

làm tăng hiệu quả tuyền nhiệt lượng từ chất lỏng ra ngoài giàn tỏa nhiệt. Sở dĩ CNTs

giúp tăng hiệu quả của 2 quá trình trên là do vài trò của CNTs trong chất lỏng làm tăng

ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng, qua ñó giúp cho quá trình truyền nhiệt từ chíp LED vào

chất lỏng cũng như từ chất lỏng ra giàn tỏa nhiệt (theo phương vuông góc với dòng 109

chảy của chất lỏng trong hệ thống) ñược tăng cường. Cụ thể về cơ chế tản nhiệt sẽ

ñược giải thích chi tiết hơn ở trong phần tiếp theo của luận án.

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

4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs

Cơ chế giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho chất lỏng tản nhiệt chứa thành

phần CNTs ñược giải thích qua những vấn ñề sau:

- Thứ nhất: CNTs có ñộ dẫn nhiệt lớn (lên ñến 2000 W/mK), nên khi phân tán

CNTs vào trong chất lỏng sẽ giúp nâng cao hơn ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng. Cơ

chế nâng cao ñộ dẫn nhiệt ñã ñược giải thích chi tiết trong phần mô hình tính

toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Kết

quả tính toán lý thuyết ñã cho thất ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa

1 = +

thành phần CNTs ñược xác ñịnh thông qua biểu thức:

1 3

eff k

ε r k CNT l ) ( ε 1 − r CNT

(4.6)

Trong ñó:

110

+ keff là ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs.

+ kl là ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng nền.

+ kCNT là ñộ dẫn nhiệt của CNTs.

+ rl là bán kính của phân tử chất lỏng nền.

+ rCNT là bán kính của CNTs.

+ ε là phần trăm về thể tích của CNTs trong chất lỏng CNTs.

Chất lỏng chứa thành phần CNTs

Chất lỏng không chứa thành phần CNTs

Vùng nhiệt ñộ cao Vùng nhiệt ñộ trung bình Vùng nhiệt ñộ thấp

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

- Thứ hai: ðộ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi có thêm thành phần CNTs,

ñiều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả của trình truyền nhiệt từ chíp LED vào chất

lỏng, nguyên lý ñược thể hiện chi tiết hơn như trên hình 4.34. Dựa trên mô tả ở

hình 4.34, ta có thể tính dòng nhiệt di chuyển từ ñế tản nhiệt vào chất lỏng

∆

thông qua phương trình như sau:

T +

R d

(4.7)

Trong ñó:

+ ∆T là ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa vùng nhiệt ñộ cao và thấp (K)

+ R là nhiệt trở của chất lỏng (K/W)

+ Rd là nhiệt trở của ñế tản nhiệt (K/W)

111

+ J là dòng nhiệt truyền trong chất lỏng (W)

Như vậy trong trường hợp chất lỏng có ñộ dẫn nhiệt thấp thì dòng nhiệt từ ñế

tản nhiệt vào chất lỏng sẽ chậm, và dẫn ñến kết quả nhiệt ñộ của chất lỏng tản

nhiệt khi chảy ra khỏi ñế tản nhiệt sẽ không cao. Ngược lại trong trường hợp

chất lỏng có ñộ dẫn nhiệt cao thì thì dòng nhiệt từ ñế tản nhiệt vào chất lỏng sẽ

nhanh, và dẫn ñến kết quả nhiệt ñộ của chất lỏng tản nhiệt khi chảy ra khỏi ñế

tản nhiệt sẽ cao hơn. Chúng ta cũng nhận thấy rằng nhiệt trở của ñế tản nhiệt là

nhỏ hơn rất nhiều so với ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng (vì kim loại vốn có ñộ dẫn

nhiệt cao hơn vài trăm ñến hàng nghìn lần chất lỏng), do vậy giảm nhiệt trở của

chất lỏng sẽ mang lại hiệu quả truyền nhiệt mạnh hơn nhiều so với việc giảm

nhiệt trở của ñế tản nhiệt, ñiều này lần nữa nhấn mạnh hơn ý nghĩa của việc pha

thêm CNTs vào chất lỏng tản nhiệt ñể làm tăng ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng.

Mặt khác ta có công thức tính nhiệt lượng mang ra khỏi ñế tản nhiệt là:

∆∫(cid:4) . . C t D dV

(4.8)

Giàn tỏa nhiệt

Chất lỏng tản nhiệt

Chất lỏng không có CNTs

Chất lỏng có CNTs

Vùng nhiệt ñộ trung bình Vùng nhiệt ñộ thấp

Vùng nhiệt ñộ cao Vùng nhiệt ñộ khá cao

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

Trong ñó:

+ ∆t là ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa chất lỏng chảy ra khỏi ñế tản

112

nhiệt so với nhiệt ñộ chất lỏng trong bình chứa (K)

+ C là nhiệt dung riêng của chất lỏng (J/kg.K) + D là khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)

Có thể nhận thấy rằng khi có ống nanô cácbon trong chất lỏng tản nhiệt thì ∆t

tăng, ñồng thời khối lượng riêng D của chất lỏng cũng tăng, như vậy nhiệt

lượng truyền ñi trong quá trình tản nhiệt là cao hơn so với chất lỏng tản nhiệt

không có CNTs. Hình 4.34 cho ta cách nhìn trực quan hơn về cơ chế này.

- Thứ ba: ðộ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi có thêm thành phần CNTs sẽ

giúp nâng cao hiệu quả của trình truyền nhiệt từ chất lỏng ra ngoài giàn tỏa

nhiệt, ñiều này ñược thể hiện chi tiết hơn như trên hình 4.35 với cách giải thích

hoàn toàn tương tự như trường hợp nhiệt lượng truyền từ chíp LED vào chất

lỏng tản nhiệt.

4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs

4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs

4.3.1.1. Ảnh SEM

ðể nghiên cứu hình thái học của kem tản nhiệt chúng tôi tiến hành chụp ảnh

SEM. Hình 4.36 là ảnh SEM của kem tản nhiệt Stars và kem tản nhiệt Arctic silver 5.

Kem Stars có thành phần chủ yếu là silicon, ảnh SEM cho thấy cấu trúc của nó bao

gồm nhiều hạt với kích thước hạt trong khoảng từ 100 nm ñến 400 nm. Kem Arctic

silver 5 có thành phần chủ yếu là bạc, với kích thước hạt trong khoảng từ 100nm ñến

500 nm.

113

(a) (b) Hình 4.36. Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b)

ðể tăng khả năng phân tán của CNTs trong nền kem tản nhiệt, chúng tôi sử dụng

phương pháp rung siêu âm kết hợp với dung môi chloroform như ñã trình bày ở phần

thực nghiệm.

Hình 4.37 là ảnh SEM của hỗn hợp kem tản nhiệt Star với 2% khối lượng CNTs

(STARS / 2% CNTs), kết quả cho thấy trong nền kem tản nhiệt có sự xuất hiện của

CNTs

các sợi CNTs phân tán ñồng ñều.

CNTs

Hình 4.37. Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs

Hình 4.38. Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs

Hình 4.38 là SEM của mẫu kem tản nhiệt AS5 pha 2% khối lượng CNTs (AS5 /

2% CNTs), kết quả cho thấy CNTs ñã phân tán ñều trong kem mới chế tạo ñược, các

sợi CNTs không bị tụ ñám. Như vậy phương pháp sử dụng dung môi chloroform, rung 114

siêu âm, khuấy từ ñã cho kết quả phân tán tốt và hạn chế ñược hiện tượng tụ ñám của

CNTs trong nền kem.

4.3.1.2. Phổ Raman

ðể kiểm tra sự phân tán của CNTs, ñồng thời nghiên cứu những biến ñổi hóa

học có thể xảy ra trong quá trình pha trộn CNTs vào kem chúng tôi tiến hành ño phổ

Raman. Hình 4.39 là phổ Raman thu ñược của mẫu kem tản nhiệt Stars và kem tản

nhiệt Stars/2%CNTs. Kết quả cho thấy phổ Raman của kem tản nhiệt Stars có sự xuất hiện của ñỉnh tại 1090 cm-1. Sau khi pha CNTs vào kem tản nhiệt Stars, kết quả cho thấy có 3 vạch phổ, trong ñó vạch ứng với ñỉnh là 1090 cm-1 tương ứng và vạch phổ

của kem Stars ban ñầu, vạch phổ này không có sự dịch chuyển hay thay ñổi cường ñộ,

chứng tỏ thành phần trong kem Stars không có thay ñổi về mặt hóa học, mặt khác có xuất hiện của hai vạch phổ có ñỉnh là 1325 cm-1 và 1580 cm-1, ñây là hai ñỉnh ñặc

trưng của CNTs, chứng tỏ trong thành phần của kem mới chế tạo ñược chứa thành

phần CNTs, ñồng thời không có sự biến ñổi hóa học giữa CNTs với vật liệu nền.

Hình 4.39. Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs

4.3.1.3. Phổ EDX

Hình 4.40 là kết quả phân tích trên mẫu kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs. Kết

quả ño cho thấy sự xuất hiện của các nguyên tố Si, Ca, O, và C trong cả mẫu kem tản

115

nhiệt STARS và mẫu kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs. Kết quả ño hàm lượng của

nguyên tố C trong mẫu kem tản nhiệt STARS là 16,12% thấp hơn hàm lượng của

nguyên tố C trong mẫu kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs là 19,56%.

Hình 4.10. Kết quả phân tích EDX kem Stars / 2% CNTs

Bảng 4.2. Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và STARS/2%CNTs

Tên nguyên tố % khối lượng % khối lượng

(kem STARS) (kem STARS /2%CNTs)

C 16,12 19,56

O 10,35 9,67

Si 44,94 43,25

Ca 28,59 27,52

Có thể giải thích sự xuất hiện của nguyên tố C trong mẫu kem tản nhiệt STARS

là do lưới chụp SEM có phủ lớp Cacbon ñể tăng ñộ dẫn, ñiều này làm cho phép phân

tích EDX luôn ño ñược thành phần Cacbon. Tuy nhiên phép phân tích cho thấy mẫu

kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs có hàm lượng Cacbon cao so với hơn mẫu kem tản

nhiệt STARS, ñiều này ñã gián tiếp chứng minh ñược sự xuất hiện thêm của thành

phần CNTs trong mẫu kem STARS / 2% CNTs.

Hình 4.41 là kết quả phân tích trên mẫu kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs. Kết quả

phân tích cho thấy trong cả mẫu kem AS5 và mẫu kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs ñều

có sự xuất hiện của các nguyên tố Ag, Zn, O và C. Tuy nhiên tương tự như trường hợp

của kem STARS, phép phân tích cho thấy mẫu kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs có hàm 116

lượng Cacbon (19,89%) cao so với hơn mẫu kem tản nhiệt AS5 (17,21%), ñiều này ñã

gián tiếp chứng minh ñược sự xuất hiện thêm của thành phần CNTs trong mẫu kem

AS5 / 2% CNTs.

Hình 4.41. Kết quả phân tích EDX kem AS5 / 2% CNTs

Bảng 4.3. Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs

Tên nguyên tố % khối lượng % khối lượng

(kem AS5) (kem AS5/2%CNTs)

C 17,21 19,89

O 11,21 10,34

Zn 27,92 27,21

Ag 43,66 42,56

4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý

4.3.2.1. Phương án thực nghiệm

Phương án thực nghiệm dùng ñể nghiên cứu ứng dụng CNTs trong kem tản

nhiệt cho vi xử lý ñược lựa chọn như sau:

- Chế tạo kem tản nhiệt mới bằng cách bổ sung thêm thành phần CNTs vào các

vật liệu nền khác nhau, bằng các phương pháp và tỷ lệ khác nhau.

117

- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt của các loại kem ứng dụng CNTs. - So sánh các kết quả ño ñược, từ ñó tìm ra loại kem tốt nhất.

4.3.2.2. Hệ máy tính dùng trong thí nghiệm

ðể khảo sát hiệu quả tản nhiệt của các loại kem ta sử dụng một sensor ño nhiệt

ñộ tích hợp sẵn trên vi xử lý, hoạt ñộng của sensor này ñược quản lý bằng phần mềm

ñể trực tiếp ño nhiệt ñộ của vi xử lý.

Hệ thí nghiệm bao gồm 1 máy tính ñược ñặt trong phòng kính khép kín, nhiệt ñộ phòng ñược giữ ổn ñịnh ở 20oC nhờ ñiều hòa nhiệt ñộ, ñược kiểm soát bằng nhiệt kế,

ñộ ẩm phòng ñược giữ cố ñịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt ñộng liên tục, việc này ñảm

bảo ñiều kiện môi trường bên ngoài là như nhau trong mọi thí nghiệm.

Hình 4.42. Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt

chứa thành phần CNTs

Các bộ phận của máy tính ñược tháo rời và ñặt xa nhau như hình 4.42, nhằm

ñảm bảo nhiệt ñộ các linh kiện không ảnh hưởng tới nhiệt ñộ của CPU, ñồng thời cũng

tạo thuận lợi cho việc vận hành thí nghiệm.

CPU: Intel Pentium (R) IV 3.06GHz.

RAM: 512 MB.

HDD: 80 Gb.

OS: Microsoft Windows XP Professional Service Pack 2.

Máy vi tính ñược sử dụng trong nghiên cứu này có cấu hình như sau • • • • •

Sensor tích hợp trong CPU ñang dùng là loại TDiode (Thermal Diode) với sai số ± 0.5 oC. Sự thay ñổi nhiệt ñộ của CPU ñược các sensor này nhận biết và thông

qua một mạch biến ñổi ADC chuyển thành tín hiệu số. Các phép ño khảo sát nhiệt ñộ

ñược thực hiện nhiều lần, kết quả ño lặp lại nhiều nhất và phù hợp với giá trị trung

118

bình của nhiều lần ño sẽ ñược lựa chọn ñể phân tích.

Ngoài ra còn có các phần mềm hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu như ñã nói ở

các phần trên bao gồm: phần mềm Speedfan 4.33 ñể hiển thị nhiệt ñộ một số linh kiện

và thiết bị trong máy vi tính như ổ cứng, bo mạch, CPU; và phần mềm StressPrime

2004 ORTHOS ñể kích hoạt cho CPU hoạt ñộng ở công suất tối ña (full load).

Các bước thực nghiệm tản nhiệt : • Bôi kem tản nhiệt vào CPU • ðiều chỉnh nhiệt ñộ phòng chính xác, kiểm tra bằng nhiệt kế. • Khởi ñộng máy tính. • Bật chương trình ño nhiệt ñộ CPU (Speedfan 4.33). • ðể máy tính chạy ở chế ñộ bình thường trong 1h. • Bật chương trình chạy full load ñể CPU hoạt ñộng 100% công suất. • Tắt chế ñộ Full load, ñể CPU hoạt ñộng ở công suất bình thường trong 3h. • Ghi lại số liệu.

Hình 4.43. Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên CPU

4.3.2.3. Kết quả thử nghiệm

ðể xác ñịnh nồng ñộ tối ưu của CNTs pha trong kem tản nhiệt, chúng tôi tiến

hành thí nghiệm với kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs ở các nồng ñộ từ 1% wt.

ñến 7% w.t. Hình 4.44 là ñồ thị khảo sát nhiệt ñộ ứng với kem STARS / CNTs với các

nồng ñộ CNTs từ 0 % wt. ñến 7 %wt. Kết quả khảo sát với các loại kem này cho thấy

nhiệt ñộ của CPU tăng theo thời gian với quy luật của hàm số mũ và sau khoảng thời

gian 200 s thì nhiệt ñộ của CPU ñạt tới giá trị bão hòa. Kết quả trên ñồ thị hình 4.44

119

cho thấy với nồng ñộ của CNTs là 2% wt. thì hiệu quả của kem tản nhiệt là cao nhất

tương ứng với nhiệt ñộ bão hòa của CPU là 63oC, giảm xuống 3oC so với trường hợp

chỉ dùng kem tản nhiệt STARS.

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.

Hình 4.45. ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs với nồng

120

ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.

Kết quả khảo sát nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 chứa thành

phần CNTs ñược thể hiện trên ñồ thị hình 4.45. Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt ñộ của

CPU cũng tăng theo thời gian với quy luật của hàm số mũ và sau khoảng thời gian 200

s thì nhiệt ñộ của CPU ñạt tới giá trị bão hòa. Với nồng ñộ của CNTs là 2% wt. thì

hiệu quả của kem tản nhiệt là cao nhất tương ứng với nhiệt ñộ bão hòa của CPU là 57oC, giảm xuống 2oC so với trường hợp chỉ dùng kem tản nhiệt AS5.

Chúng ta nhận thấy ñối với cả hai loại kem tản nhiệt STARS và AS5 thì khi

nâng cao nồng ñộ của CNTs trong kem vượt quá 2% wt. sẽ làm giảm hiệu quả của

kem tản nhiệt, ñiều này ñược giải thích là do khi nồng ñộ CNTs quá lớn sẽ làm kem

tản nhiệt bị mất ñi tính nhớt, do vậy khả năng dàn ñều cũng như khả năng lấp ñầy các

khe trống của kem trên bề mặt vi xử lý giảm xuống làm cho hiệu quả tản nhiệt suy

giảm. Xuất phát từ kết quả này, các nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi ñược thực hiện

với các loại kem STARS và AS5 pha với nồng ñộ CNTs là 2% wt.

4.3.3. Tính toán mô phỏng ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs

4.3.3.1. Phương pháp mô phỏng

ðể ñánh giá ñộ dẫn nhiệt và hiệu quả tản nhiệt của các loại kem tản nhiệt ứng

dụng CNTs chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với kết quả thực

nghiệm ñể dự ñoán nhiệt trở của lớp kem cũng như ñộ dẫn nhiệt của kem. Hình 4.46 là

mô hình của hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.

Mô hình tản nhiệt ở trên ñược mô tả thông qua một mạch ñiện thể hiện quá trình

tản nhiệt như trong hình 4.47. Trong mô hình này:

• I : là công suất nhiệt tỏa ra từ vi xử lý máy tính

• C1 : nhiệt dung của vi xử lý

• CT : nhiệt dung của kem tản nhiệt

• R1a : nhiệt trở giữa vi xử lý và lớp kem tản nhiệt

• R1b : nhiệt trở giữa kem tản nhiệt và quạt tản nhiệt

• C2 : nhiệt dung của quạt tản nhiệt

• R2 : nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt với môi trường

• U : nhiệt ñộ của môi trường

Vì nhiệt dung của lớp kem tản nhiệt là nhỏ so với nhiệt dung của vi xử lý cũng

như quạt tản nhiệt nên trong mô hình trên có thể bỏ qua CT, như vậy mô hình ñược

121

ñơn giản hóa thành sơ ñồ ở hình 4.48.

Air

FAN

Aluminum

Heat

Aluminum Flake

Copper plate

CNTs/Diamond thermal paste

Air

`µ-Processor

Air

CPU Slot Mainboard

Hình 4.46. Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính

R1a

R1b

R2

CT

C1

C2

I

U

Evironment

Cooling fan

µ-processor

Thermal Paste

Hình 4.47. Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý

I2

I1

R1

R2

C1

U1

C2

U2

I

U

Hình 4.48. Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản hóa

Trong sơ ñồ hình 4.48 ta có:

122

• R1 = R1a + R1b: nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt

• U1 : nhiệt ñộ của vi xử lý

• U2 : nhiệt ñộ của kem tản nhiệt

Từ mô hình ñã ñược ñơn giản hóa, chúng ta có thể suy ra hệ phương trình vi

− U U 2 R 1

phân mô tả quá trình tản nhiệt như sau:

− U U R 2 (

−

(

C dU 1 1 C dU 2

I dt ) 1 I dt ) 2

I 1

 = I 1   = I    

(4.9)

Trong ñó:

• I1: dòng nhiệt từ vi xử lý ñến quạt tản nhiệt

• I2: dòng nhiệt từ quạt tản nhiệt ra môi trường

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng loại vi xử lý Intel® Pentium® 4

Processors 524 (3.06GHz) với kích thước 1,476” x 1,476”, khối lượng là 21,86 gam,

công suất tỏa nhiệt là 84 W và có nhiệt dung là 15,6 J/K.

Quạt tản nhiệt ñược làm bằng vây nhôm và có ñế ñồng với diện tích 7 cm2, tổng

khối lượng là 220 g. ðể ñơn giản cho quá trình mô phỏng, chúng tôi giả thiết nhiệt ñộ

của vây tản nhiệt bằng với nhiệt ñộ môi trường, ñồng thời bỏ qua nhiệt trở của phần

vây bên ngoài. Khi ñó chúng tôi tính ñược nhiệt dung của hệ thống quạt tản nhiệt vào

khoảng 89 J/K và nhiệt trở giữa quạt và môi trường là 0,43 K/W.

Như vậy chúng ta có ñược: I= 84 W, U = 20oC, C1 = 15,6 J/K, C2 = 89 J/K, R2 =

0,43 K/W. Tại thời ñiểm ban ñầu chúng tôi giả thiết nhiệt ñộ vi xử lý, nhiệt ñộ quạt tản nhiệt bằng nhiệt ñộ môi trường, như vậy U1 = U2 = U = 200C. Quá trình mô phỏng

ñược thực hiện với những giá trị khác nhau của R1, là nhiệt trở của các lớp kem tản

nhiệt khác nhau.

4.3.3.2. Trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt

ðể ñánh giá vai trò của kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thí nghiệm trong

trường hợp không có kem tản nhiệt giữa CPU và ñế quạt tản nhiệt. Kết quả thực

nghiệm và mô phỏng cho ta kết quả như ñồ thị ở hình 2.49. Có thể thấy rằng khi CPU hoạt ñộng ở chế ñộ nhàn rỗi thì nhiệt ñộ CPU khá cao với giá trị 37oC. Ngay sau khi hoạt ñộng ở chế ñộ 100% công suất, nhiệt ñộ của CPU tăng nhanh và ñạt 85oC sau 20

giây, sau ñó máy tính tự ñộng ngắt vì nhiệt ñộ CPU vượt quá giới hạn cho phép. ðiều 123

này cho thấy khi không sử dụng kem tản nhiệt, nhiệt ñộ CPU sẽ vượt quá giới hạn cho

phép và hoạt ñộng không hiệu quả. Kết quả mô phỏng trong trường hợp không sử

dụng kem tản nhiệt cho thấy nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt và CPU là R1 = 0,81 K/W.

Hình 4.49. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi

không sử dụng kem tản nhiệt

4.3.3.3. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt Stars

Hình 4.50 là kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi

sử dụng kem tản nhiệt STARS. Kết quả cho thấy khi ở chế ñộ nhàn rỗi, nhiệt ñộ CPU vào khoảng 20oC, thấp hơn 17oC so với khi không sử dụng kem tản nhiệt, ñiều này ñã

cho thấy vai trò của việc sử dụng kem tản nhiệt giữa CPU và ñế quạt. Ngay sau khi

CPU hoạt ñộng ở chế ñộ 100% thì nhiệt ñộ của CPU tăng lên, sau 195 giây nhiệt ñộ CPU ñạt giá trị bão hòa 67oC. Như vậy máy tính không bị ngắt như trong trường hợp

không sử dụng kem tản nhiệt. Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết

quả nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem

STARS giảm 6,23 lần so với khi không sử dụng kem tản nhiệt.

Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết quả nhiệt trở của lớp kem

124

tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem STARS giảm 6,23 lần so với

khi không sử dụng kem tản nhiệt. ðộ dẫn nhiệt của kem STARS ñược xác ñịnh qua

công thức:

STARS

µ 170( / K W

) m )x7cm

0.13(

1.87 (

W mK /

)

(4.11)

STARS

(4.10)

Hình 4.50. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU

khi sử dụng kem tản nhiệt STARS

4.3.3.4. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt Stars pha CNTs

Các kết quả nghiên cứu trước ñây của chúng tôi ñã cho thấy kem tản nhiệt khi

pha 2% wt. CNTs sẽ cho kết quả tản nhiệt tốt nhất. Hình 4.51 là kết quả mô phỏng và

thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2%

CNTs.

Kết quả cho thấy khi ở chế ñộ nhàn rỗi, nhiệt ñộ CPU vào khoảng 20oC. Ngay

125

sau khi CPU hoạt ñộng ở chế ñộ 100% thì nhiệt ñộ của CPU tăng lên, sau 190 giây nhiệt ñộ CPU ñạt giá trị bão hòa 64oC. Như vậy nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs giảm ñi 3oC khi so với kem STARS không pha CNTs. Kết

hợp với phương pháp mô phỏng chúng tôi xác ñịnh ñược nhiệt trở của lớp kem tản

nhiệt STARS / 2% CNTs là R1 = 0,095 K/W. ðộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt ñược xác

(4.12)

CNTs STARS /

m ) )x7cm

0.095(

µ 170( / K W

2.56 (

W mK /

)

(4.13)

CNTs STARS /

ñịnh theo công thức:

Như vậy với việc thêm 2% CNTs vào kem tản nhiệt STARS, ñộ dẫn nhiệt của

kem tăng lên 1,37 lần.

Hình 4.51. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU

khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs

4.3.3.5. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt AS5

Hình 4.52 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho CPU khi

sử dụng kem tản nhiệt AS5.

Kem tản nhiệt AS5 có thành phần chủ yếu là bạc nên hiệu quả tản nhiệt cao hơn

126

so với kem tản nhiệt STARS. ðiều này ñược thể hiện ở nhiệt ñộ bão hòa của CPU khi hoạt ñộng ở chế ñộ 100% công suất là 55oC, thấp hơn 12oC so với kem tản nhiệt

STARS. Kết quả cho thấy nhiệt trở của lớp kem là 0,027 K/W, tương ứng với ñộ dẫn

nhiệt là 8,89 W/mK.

Hình 4.52. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU

khi sử dụng kem tản nhiệt AS5

4.3.3.6. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt AS5 pha CNTs

ðể nghiên cứu ảnh hưởng của CNTs ñến kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thử

nghiệm với mẫu kem AS5 / 2% CNTs. Hình 4.53 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng

quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi pha 2% CNTs trong kem tản nhiệt AS 5, nhiệt ñộ bão hòa của CPU là 53oC, giảm 2oC so với khi không sử dụng vật

liệu CNTs. Nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,015 W/mK, từ ñây có thể xác

(4.14)

CNTs AS

µ 170( / K W

) m )x7cm

0.015(

/ W mK

)

(4.15)

CNTs AS

5 16.2(

127

ñịnh ñược ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs là :

Hình 4.53. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU

khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs

Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt

Kem tản nhiệt Nhiệt trở ðộ dẫn Nhiệt ñộ bão Nhiệt ñộ bão

(K/W) nhiệt

(W/mK) hòa của CPU (oC) hòa của quạt (oC)

- Không có kem 0,81 - -

55,7 STARS 0,13 1,87 66

55,6 STARS/ 2% CNTs 0,095 2,56 63

55,7 AS5 0,027 8,89 58

55,6 AS5/ 2% CNTs 0,015 16,2 56

Như vậy ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5/ 2% CNTs cao hơn 1,82 lần so với

ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 thông thường. ðiều này một lần nữa khẳng ñịnh

hiệu quả của CNTs trong việc ứng dụng cho kem tản nhiệt.

Bảng 4.4 tổng kết các giá trị ño ñạc và tính toán của nhiệt trở R1, ñộ dẫn nhiệt k

của các loại kem tản nhiệt khác nhau. Từ bảng kết quả này chúng ta thấy ñược loại

128

kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs có ñộ dẫn nhiệt cao nhất.

4.3.3.7. Quá trình giảm nhiệt ñộ của CPU

Chúng tôi cũng tiến hành mô phỏng và thực nghiệm quá trình giảm nhiệt ñộ của

CPU khi CPU ở chế ñộ 100% công suất chuyển về chế ñộ nhàn rỗi. Kết quả mô phỏng

và thực nghiệm ñược mô tả trên hình 4.54 ñối với kem tản nhiệt STARS.

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

Kết quả mô phỏng cho thấy công suất của CPU khi ở chế ñộ nhàn rỗi là 11 W,

129

nhỏ hơn 7,6 lần công suất của CPU khi ở chế ñộ 100% công suất.

KẾT LUẬN CHUNG

Với mục tiêu nghiên cứu 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, luận án ñã tập trung nghiên cứu ñồng thời cả lý thuyết, mô hình

mô phỏng và thực nghiệm vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và kem chứa thành phần

CNTs. Luận án cũng ñã thử nghiệm ứng dụng của chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt

chứa thành phần CNTs chế tạo ñược cho vi xử lý máy tính và ñèn LED công suất lớn.

Từ những kết quả nghiên cứu nhận ñược, có thể kết luận một số ñiểm chính như sau:

1. Luận án ñã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ dẫn

nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, với việc ñưa thêm tính toán cấu trúc

dạng ống, cùng tính chất dẫn nhiệt bất ñẳng hướng dọc theo trục ống cũng như

phương pháp xác ñịnh ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs khi phân tán ngẫu

nhiên ñồng ñều theo mọi hướng vào mô hình tính toán. Kết quả tính toán của

mô hình cải tiến ñã ñược so sánh và cho kết quả phù hợp với kết quả thực

nghiệm ñã công bố trên các tạp chí quốc tế.

2. Luận án ñã chứng minh ñược cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống

tản nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs thông qua phương pháp

mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm cũng

như hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu cho thấy nhiệt ñộ của linh kiện có thể suy giảm xuống 3 - 5oC.

3. Vật liệu CNTs ñã ñược biến tính thành công với các nhóm chức –OH và –

COOH. Kết quả biến tính thành công ñã ñược chứng minh qua phép phân tích

phổ FTIR và phổ tán xạ Raman. Việc biến tính thành công vật liệu CNTs có ý

nghĩa quyết ñịnh ñến việc phân tán CNTs trong chất lỏng và hiệu quả tản nhiệt. 4. Chất lỏng tản nhiệt nền DW và EG/DW chứa thành phần CNTs ñã chế tạo

thành công với sự phân tán ñồng ñều, ổn ñịnh và không còn sự tụ ñám CNTs

trong nền chất lỏng.

5. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho hiệu quả tản nhiệt tốt khi ñược

ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Intel Pentium IV, Intel Corei5,

130

chíp LED 50 W, ñèn pha LED 450 W và ñèn LED chiếu sáng công cộng 100

W. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs giúp giảm nhiệt ñộ của linh kiện xuống từ 3-5oC.

6. Vật liệu CNTs ñã ñược phân tán ñồng ñều vào nền kem tản nhiệt Stars và AS5

thông qua việc sử dụng dung môi Chloroform, phép phân tích EDX cho thấy

quá trình loại bỏ hoàn toàn Chloroform khỏi kem tản nhiệt ñã ñược thực hiện

thành công.

7. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs mang lại hiệu quả tản nhiệt tốt khi ñược

ứng dụng cho vi xử lý máy tính Intel Pentium IV. Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt ñộ của CPU giảm xuống 3oC khi có thêm 2 % wt. CNTs trong kem tản nhiệt Stars, và giảm xuống 2oC khi có thêm 2% wt. CNTs trong kem tản nhiệt

AS5.

8. Phương pháp tính toán mô phỏng kết hợp với kết quả thực nghiệm ñã cho thấy

ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt tăng lên từ 1,4 - 1,8 lần khi có thêm hàm lượng

2 % wt CNTs trong kem tản nhiệt.

Dù ñã ñạt ñược một số kết quả khoa học có ý nghĩa như trình bày trong luận án,

các vấn ñề khác như tính toán lý thuyết cơ chế nâng cao ñộ dẫn nhiệt của kem tản

nhiệt chứa thành phần CNTs, thực hiện phép ño ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt và

kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, nghiên cứu ứng dụng SWCNTs chất lỏng và

kem tản nhiệt, hay nghiên cứu so sánh giữa việc ứng dụng MWCNTs chế tạo tại Viện

Khoa học vật liệu với các loại MWCNTs khác, … còn cần ñược triển khai nghiên cứu.

Trong thời gian tới, nếu có ñiều kiện, chúng tôi mong muốn ñược tiếp tục triển khai

131

các nghiên cứu trên và hy vọng sẽ có ñược một số kết quả khoa học mới thú vị.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[01] Phan Ngọc Minh, “Vật liệu Cácbon cấu trúc nanô và các ứng dụng tiềm

năng”, Nhà Xuất Bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ (2015). [02] Mauro Lomascoloa, Gianpiero Colangelob , Marco Milaneseb, Arturo de Risi,

“Review of heat transfer in nanofluids: Conductive, convective and radiative

experimental results”, Renewable and Sustainable Energy Reviews (2015) 43,

2015, 1182–1198, doi: 10.1016/j.rser.2014.11.086 [03] Danilenko V, “On the history of the discovery of nanodiamond synthesis”,

Physics of the Solid State (2004) 46, 4, 581, doi: 10.1134/1.1711431 [04] Iijima Sumio, “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature (1991)

354, 56, doi:10.1038/354056a0 [05] Novoselov S, Geim K, Morozov V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos V,

Grigorieva V, Firsov A, “Electric field effect in atomically thin carbon films”,

Science 306 (2004) 306, 666, doi:10.1126/science.1102896 [06] Iijima Sumio, “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature (1991)

354, 56, doi:10.1038/354056a0 [07] http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS05/Thomsen-Vortrag.htm [08] Choudhary V, Gupta A, Polymer/Carbon nanotubes nanocomposites (2011),

Chapter 4 (Http:// http://www.intechopen.com/) [09] Peter Harris, Book “Carbon nanotube science: Synthesis, properties and

applications”, Cambridge University Press (2011), doi: 10.1017/cbo978051160970

1.006 [10] Salma Halelfadl, Patrice Estellé, Thierry Maré, “Heat transfer properties of

aqueous carbon nanotubes nanofluids in coaxial heat exchanger under laminar

regime”, Experimental Thermal and Fluid Science (2014) 55, 174–180, doi: 10.101

6/j.expthermflusci.2014.03.003 [11] Boris I. Yakobson, Phaedon Avouris, “Mechanical properties of carbon

nanotubes”, Topics in Applied Physics (2001) 80, 287, doi: 10.1007/3-540-39947-

X_12 [12] Benedict L, Louie S, Cohen M, “Heat capacity of carbon nanotubes”, Solid

132

State Communications (1996) 100, 3, 177, doi: 10.1016/0038-1098(96)00386-9

[13] Ruan W, Wang Z, Li Y, Liu L, “In-situ heat capacity measurement of carbon

nanotubes using suspended microstructure-based microcalorimetry”, IEEE

Transactions On Nanotechnology (2012) 11, 2, 367, doi: 10.1109/tnano.2011.2176

748 [14] Hepplestone S, Ciavarella A, Janke C, Srivastava G, “Size and temperature

dependence of the specific heat capacity of CNTs”, Surface Science (2006) 600,

3633, doi:10.1016/j.susc.2005.12.070 [15] Saeed Zeinali Heris, Marjan Fallahi, Mehdi Shanbedi, Ahmad Amiri, “Heat

transfer performance of two-phase closed thermosyphon with oxidized CNT/water

nanofluids”, Heat and Mass Transfer (2015) 51, 5, doi:10.1007/s00231-015-1548-9 [16] M. Pourfath, H. Kosina, and S. Selberherr, “Numerical study of quantum

transport in carbon nanotube transistors”, Mathematics and Computers in

Simulation (2008) 79, 4, 1051, doi:10.1016/j.matcom.2007.09.004 [17] Popov V, “Carbon nanotubes: properties and application”, Materials

Science and Engineering: R: Reports (2004) 43, 61, doi:10.1016/j.mser.2003.10

.001 [18] Guler O, Even E, “Carbon nanotubes formation by short-time ball milling

and annealing of graphite”, Optoelectronics and advanced materials – Rapid

communications (2012) 6, 183 [19] http://ipn2.epfl.ch/CHBU/NTproduction1.htm [20] Masarapu, Charan, Book “Carbon nanotubes: Synthesis, properties and

applications in modern electronic devices”, ProQuest (2008) 226, 3337449 [21] Phan Ngoc Minh, Nguyen Van Chuc, Phan Ngoc Hong, Ngo Thi Thanh Tam

and Phan Hong Khoi, “New technique for the synthesis of carbon nanotubes”,

Journal of the Korean Physical Society (2008) 53, 2725, doi: 10.3938/jkps.53.2725 [22] Nguyen Van Chuc, Nguyen Duc Dung, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc

Minh,“Synthesis of carbon nanotubes on steel foils”, Journal of the Korean

Physical Society (2008) 52, 1368, doi:10.3938/jkps.52.1368 [23] Nguyen Duc Dung, Nguyen Hong Quang, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh

“Carbon nanotubes growing over hydrogen reduction formed iron nanoparticles

on CaCO3 support”, Journal of the Korean Physical Society (2008) 52, 1372, doi:

133

10.3938/jkps.52.1372

[24] Wei Yu and Huaqing Xie, “A review on nanofluids: Preparation, stability

mechanisms, and applications”, Journal of Nanomaterials (2012) 2012, 435873,

17, doi:10.1155/2012/435873 [25] S.M. Sohel Murshed, , C.A. Nieto de Castro, “Superior thermal features of

carbon nanotubes-based nanofluids – A review”, Renewable and Sustainable

Energy Reviews (2014) 37, 155–167, doi:10.1016/j.rser.2014.05.017 [26] Rashmi Walvekar, Mohammad Khalid Siddiqui, SeikSan Ong & Ahmad Faris

Ismail, “Application of CNT nanofluids in a turbulent flow heat exchanger”,

Journal of Experimental Nanoscience (2015), doi:10.1080/17458080.2015.

1015461 [27] C. H. Lo, T. T. Tsung, and L. C. Chen, “Shape-controlled synthesis of Cu-

based nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis system (SANSS)”,

Journal of Crystal Growth (2005) 277, 1–4, 636–642, doi:10.1016/j.jcrysgro.2005.

01.067 [28] C. H. Lo, T. T. Tsung, L. C. Chen, C. H. Su, and H. M. Lin, “Fabrication of

copper oxide nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis system

(SANSS)”, Journal of Nanoparticle Research (2005) 7, 2-3, 313-320, doi:10.1007/

s11051-004-7770-x [29] H. T. Zhu, Y. S. Lin, and Y. S. Yin, “A novel one-step chemical method for

preparation of copper nanofluids”, Journal of Colloid and Interface Science (2004)

277, 1, 100 – 103, doi:10.1016/j.jcis.2004.04.026 [30] H. Bönnemann, S. S. Botha, B. Bladergroen, and V. M. Linkov,

“Monodisperse copper- and silver-nanocolloids suitable for heat-conductive

fluids”, Applied Organometallic Chemistry (2005), 19, 6, 768 – 773, doi:10.1002/

aoc.889 [31] A. K. Singh and V. S. Raykar, “Microwave synthesis of silver nanofluids with

polyvinylpyrrolidone (PVP) and their transport properties”, Colloid and Polymer

Science (2008) 286, 14-15, 1667 – 1673, doi: 10.1007/s00396-008-1932-9 [32] Huaqing Xie and Lifei Chen, “Review on the preparation and thermal

performances of carbon nanotube contained nanofluids”, J. Chem. Eng. Data

134

(2011) 56, 4, 1030 – 1041, doi:10.1021/je101026j

[33] Xie H. Q, Lee H., Youn W., Choi M. “Nanofluids containing multi-walled

carbon nanotubes and their enhanced thermal conductivities”, Journal of Applied

Physics (2003) 94, 4971 – 4975, doi:10.1063/1.1613374 [34] Jiang L. Q., Gao L., Sun J., “Production of aqueous colloidal dispersions of

carbon nanotubes”, Journal of Colloid and Interface Science (2003) 260, 89–94,

doi:10.1016/s0021-9797(02)00176-5 [35] Lifei Chen, Huaqing Xie, Yang Li, Wei Yu, “Nano ﬂuids containing carbon

nanotubes treated by mechanochemical reaction”, Thermochimica Acta (2008)

477, 21 – 24, doi:10.1016/j.tca.2008.08.001 [36] Narendra Singha, Gaurav Chanda & S. Kanagaraja, “Investigation of thermal

conductivity and viscosity of carbon nanotubes–ethylene glycol nanofluids”, Heat

Transfer Engineering (2012) 33, 9, 821 – 827, doi:10.1080/01457632.2012.646922 [37] A. Ghadimi, R. Saidur, and H. S. C. Metselaar, “A review of nanofluid

stability properties and characterization in stationary conditions”, International

Journal of Heat and Mass Transfer (2011) 54, 4051 – 4068, doi: 10.1016/j.ijheat

masstransfer.2011.04.014 [38] Sandesh S. Chougule and S. K. Sahu, “Performance of carbon nanotubes–

water nanofluid charged wickless heat pipe flat plate solar collectors having

different filling ratio”, Journal of Solar Energy Engineering (2014) 137, 2, 024501,

doi:10.1115/1.4028701 [39] S. P. Jang and S. U. S. Choi, “Cooling performance of a microchannel heat

sink with nanofluids”, Applied Thermal Engineering (2006) 26, 17-18, 2457–2463,

doi:10.1016/j.applthermaleng.2006.02.036 [40] H. Shokouhmand, M. Ghazvini, and J. Shabanian, “Performance analysis of

using nanofluids in microchannel heat sink in different flow regimes and its

simulation using artificial neural network”, Proceedings of the World Congress on

Engineering (2008) 3 [41] C. Y. Tsaia, H. T. Chiena, P. P. Dingb, B. Chanc, T. Y. Luhd, and P. H.

Chena, “Effect of structural character of gold nanoparticles in nanofluid on heat

pipe thermal performance”, Materials Letters (2004) 58, 1461, doi: 10.1016/j.mat

135

let.2003.10.009

[42] Y. T. Chen, W. C. Wei, S. W. Kang, and C. S. Yu, “Effect of nanofluid on flat

heat pipe thermal performance”, in Proceedings of the 24th IEEE Semiconductor

Thermal Measurement and Management Symposium (2006) [43] S. W. Kang, W. C. Wei, S. H. Tsai, and C. C. Huang, “Experimental

investigation of nanofluids on sintered heat pipe thermal performance”, Applied

Thermal Engineering (2009) 29, 5-6, 973–979, doi: 10.1016/j.applthermaleng

.2008.05.010 [44] P. Naphon, P. Assadamongkol, and T. Borirak, “Experimental investigation

of titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency”, International

Communications in Heat and Mass Transfer (2008) 35, 10, 1316–1319, doi:10.

1016/j.icheatmasstransfer.2008.07.010 [45] H. Xie and L. Chen, “Adjustable thermal conductivity in carbon nanotube

nanofluids” Physics Letters Section A (2009) 373, 21, 1861–1864, doi:10.1016/j.

physleta.2009.03.037 [46] H. Xie, W. Yu, and Y. Li, “Thermal performance enhancement in nanofluids

containing diamond nanoparticles”, Journal of Physics D (2009) 42, 9, 095413,

doi:10.1088/0022-3727/42/9/095413 [47] W. Yu, H. Xie, L. Chen, and Y. Li, “Investigation of thermal conductivity and

viscosity of ethylene glycol based ZnO nanofluid”, Thermochimica Acta (2009)

491, 1-2, 92-96, doi:10.1016/j.tca.2009.03.007 [48] Salma Halelfadl, Thierry Maré, Patrice Estellé, “Efficiency of carbon

nanotubes water based nanofluids as coolants”, Experimental Thermal and Fluid

Science (2014), 53, 104–110, doi:10.1016/j.expthermflusci.2013.11.010 [49] M. Kole and T. K. Dey, “Thermal conductivity and viscosity of Al2O3

nanofluid based on car engine coolant”, Journal of Physics D (2010) 43, 31,

315501, doi:10.1088/0022-3727/43/31/315501 [50] S. C. Tzeng, C. W. Lin, and K. D. Huang, “Heat transfer enhancement of

nanofluids in rotary blade coupling of four-wheel-drive vehicles”, Acta Mechanica

(2005) 179, 1-2, 11-23, doi:10.1007/s00707-005-0248-9 [51] D. Singh, J. Toutbort, G. Chen, et al., “Heavy vehicle systems optimization

merit review and peer evaluation”, Annual Report, Argonne National Laboratory,

136

(2006)

[52] K. V. Wong and O. de Leon, “Applications of nanofluids: current and

future”, Advances in Mechanical Engineering (2010) 2010, 519659, 11, doi:10.

1155/2010/519659 [53] J. Routbort, et al., Argonne National Lab, Michellin North America, St.

Gobain Corp., 2009, http://www1.eere.energy.gov/industry/nanomanufacturing

/pdfs/nanofluids industrial cooling.pdf. [54] http://96.30.12.13/execsumm/VU0319–Nanofluid%20for%20Cooling%20

Enhancement%20of%20Electrical%20Power%20Equipment.pdf. [55] D. P. Kulkarni, D. K. Das, and R. S. Vajjha, “Application of nanofluids in

heating buildings and reducing pollution”, Applied Energy (2009) 86, 12, 2566-

2573, doi:10.1016/j.apenergy.2009.03.021 [56] S. J. Kim, I. C. Bang, J. Buongiorno, and L. W. Hu, “Study of pool boiling

and critical heat flux enhancement in nanofluids”, Bulletin of the Polish Academy

of Sciences - Technical Sciences (2007) 55, 2, 211–216 [57] S. J. Kim, I. C. Bang, J. Buongiorno, and L. W. Hu, “Surface wettability

change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux”,

International Journal of Heat and Mass Transfer (2007) 50, 19-20, 4105–4116, doi:

10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.02.002 [58] G. Ovejero, J. L. Sotelo, M. D. Romero, A. Rodríguez, M. A. Ocaña, G.

Rodríguez, and J. García, “Multiwalled carbon nanotubes for liquid-phase

oxidation: Functionalization, characterization, and catalytic activity”, Industrial

and Engineering Chemistry Research (2006) 45, 7, 2206–2212, doi: 10.1021

/ie051079p [59] Lifei Chen, Huaqing Xie and Wei Yu, “Functionalization methods of carbon

nanotubes and its applications”, Book “Carbon nanotubes applications on

electron devices” edited by Prof. Jose Mauricio Marulanda, InTech (2011) 213 –

232, doi:10.5772/18547 [60] Antonio Sánchez, Rodrigo Cué Sampedro, Laura Peña-Parás & Erika

Palacios-Aguilar, “Functionalization of carbon nanotubes and polymer

compatibility studies”, Journal of Materials Science Research (2014) 3, 1, 12, doi:

137

10.5539/jmsr.v3n1p1

[61] Steven R. Hunt, Elliot J. Fuller, Brad L. Corso, and Philip G. Collins,

“Distinguishing carbon nanotube defect chemistry using scanning gate

spectroscopy”, Physical Review B (2012) 85, 235418, doi:10.1103/physrevb.85.

235418 [62] In-Yup Jeon, Dong Wook Chang, Nanjundan Ashok Kumar and Jong-Beom

Baek, “Functionalization of carbon nanotubes”, Book “Carbon nanotubes -

polymer nanocomposites” edited by Siva Yellampalli, Intech (2011), doi: 10.5772/

18396 [63] Chao-Xuan Liu and Jin-Woo Choi, “Improved dispersion of carbon

nanotubes in polymers at high concentrations”, Nanomaterials (2012) 2, 4, 329-

347, doi:10.3390/nano2040329 [64] Ulrike Staudinger, Beate Krause, Christine Steinbach, Petra Pötschke, Brigitte

Voit, “Dispersability of multiwalled carbon nanotubes in polycarbonate-

chloroform solutions”, Polymer (2014) 55, 24, 6335-6344, doi: 10.1016/j.polymer.

2014.10.012 [65] H. Xie, W. Yu, and W. Chen, “MgO nanofluids: higher thermal conductivity

and lower viscosity among ethylene glycol-based nanofluids containing oxide

nanoparticles” , Journal of Experimental Nanoscience (2010) 5, 5, 463–472, doi:

10.1080/17458081003628949 [66] Berber S, Kwon K, Tomanek D, “Unusually high thermal conductivity of

carbon nanotubes”, Physical Review Letters (2000) 84, 4613, doi:10.1007/0-387-

25100-6_8 [67] J. A. Eastman, S. U. S. Choi, S. Li, W. Yu, and L. J. Thompson,

“Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based

nanofluids containing copper nanoparticles”, Applied Physics Letters (2001) 78,

6, 718–720, doi:10.1063/1.1341218 [68] Y. Li, J. Zhou, S. Tung, E. Schneider, and S. Xi, “A review on development of

nanofluid preparation and characterization”, Powder Technology (2009) 196, 2,

89–101, doi: 10.1016/j.powtec.2009.07.025 [69] Sandesh S. Chougule and S. K. Sahu, “Comparative study of cooling

138

performance of automobile radiator using Al2O3-water and carbon nanotube-water

nanofluid”, Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine (2014) 5, 1,

010901, doi: 10.1115/1.4026971 [70] W. Yu, D. M. France, S. U. S. Choi, and J. L. Routbort, “Review and

assessment of nanofluid technology for transportation and other applications”,

Techrep Marketing (2007) 78, doi: 10.2172/919327 [71] Feng Ding, “Theoretical study of the stability of defects in single-walled

carbon nanotubes as a function of their distance from the nanotube end”, Physical

Review B (2005) 72, 245409, doi: 10.1103/physrevb.72.245409 [72] Mitura S, “Nanodiamonds”, Journal of Achievements in Materials and

Manufacturing Engineering (2012) 24, 1, 166 [73] S. U. S. Choi, Z. G. Zhang, W. Yu, F. E. Lockwood, and E. A. Grulke,

“Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions”, Applied

Physics Letters (2001) 79, 2252, doi: 10.1063/1.1408272 [74] Weiting Jiang, Guoliang Ding, HaoPeng, “Measurement and model on

thermal conductivities of carbon nanotube nanorefrigerants”, International Journal

of Thermal Sciences (2009) 48, 1108–1115, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2008.

11.012 [75] Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, “A modified model for

thermal conductivity of carbon nanotube-nanofluids”, Physics of Fluids (2015) 27,

3, 032002 – 032013, doi:10.1063/1.4914405 [76] Stuart Andrews & Antony Leather, “How TIM works & how to apply it

correctly”, Bit-Tech (2009) [77] Priyanka Jaiswal and C.K. Dwivedi, “Thermal interface materials used for

improving the efficiency and power handling capability of electronic devices: A

review”, International Journal of Innovative Technology & Creative Engineering,

(2011) 1, 5, 9 [78] Farhad Sarvar, Whalley D.C. , Conway P.P., “Thermal interface materials -

A review of the state of the art”, Electronics Systemintegration Technology

Conference (2006) 1292 – 1302 [79] Mark Hachman, “Intel adapting buckyballs for cooling chips”, ExtremeTech

139

(2002)

[80] D. Hemanth, Hrishikesh E. Patel, V. R. Rajeev Kumar, T. Sundararajan, T.

Pradeep, and Sarit K. Das, “Model for heat conduction in nanofluids”, Physical

Review Letters (2004) 93, 14, 144301, doi:10.1103/physrevlett.93.144301 [81] H E Patel, K B Anoop, T Sundararajan and Sarit K Das, “Model for thermal

conductivity of CNT-nanofluids”, Bulletin of Materials Science (2008) 31, 3, 387–

390, doi: 10.1007/s12034-008-0060-y [82] Maxwell JC, “A treatise on electricity and magnetism”, Clarendon Press

(1873) [83] Hamilton RL, Crosser OK, “Thermal conductivity of heterogeneous two-

component systems”, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals (1962) 1,

3, 187–191, doi: 10.1021/i160003a005 [84] Jeffrey DJ, “Conduction through a random suspension of spheres”, Proc

Royal Soc London (1973) A335, 355–367, doi: 10.1098/rspa.1973.0130 [85] Davis, RH., “The effective thermal conductivity of a composite material with

spherical inclusions”, Int J Thermo Phys (1983) 7, 609, doi: 10.1007/bf00502394 [86] Yingsong Zheng and Haiping Hong, “Modified model for effective thermal

conductivity of nanofluids containing carbon nanotubes”, Journal of

Thermophysics and Heat Transfer (2007) 21, 3, doi: 10.2514/1.29178 [87] Rashmi Walvekar, Ismail Ahmad Faris, Mohammad Khalid, “Thermal

conductivity of carbon nanotube nanofluid - Experimental and theoretical study”,

Heat Transfer - Asian Research (2012) 41, 2, doi: 10.1002/htj.20405 [88] W. Yu and S.U.S. Choi, “The role of interfacial layers in the enhanced

thermal conductivity of nanofluids: A renovated Hamilton-Crosser model”, Journal

of Nanoparticle Research (2004) 6, 355–361, doi: 10.1007/s11051-004-2601-7 [89] Seyed Masoud Hosseini, Abdolreza Moghadassi1 and Dale Henneke,

“Modeling of the effective thermal conductivity of carbon nanotube nanofluids

based on dimensionless groups”, The Canadian Journal Of Chemical Engineering,

(2011) 89, 183 – 186, doi:10.1002/cjce.20389 [90] Y.J. Hwang, Y.C. Ahn, H.S. Shin, C.G. Lee, G.T. Kim, H.S. Park, J.K. Lee,

“Investigation on characteristics of thermal conductivity enhancement of

nanofluids”, Current Applied Physics (2006) 6, 1068–1071, doi: 10.1016/j.cap.

140

2005.07.021

[91] Lifei Chen, Huaqing Xie, Yang Li, Wei Yu, “Nanofluids containing carbon

nanotubes treated by mechanochemical reaction”, Thermochimica Acta (477) 21–

24, doi:10.1016/j.tca.2008.08.001 [92] Gensheng Wu, Juekuan Yang, Shulin Ge, Yujuan Wang, Minhua Chen,

Yunfei Chen, “Thermal conductivity measurement for carbon-nanotube

suspensions with 3ω method”, Advanced Materials Research (2009) 60 - 61, 394,

doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.60-61.394 [93] SP Sutera, R Skalak, “The history of Poiseuille's law”, Annual Review of

Fluid Mechanics (1993) 25, 1, 1 – 19, doi:10.1146/annurev.fluid.25.1.1 [94] Christopher J. Seeton, “Viscosity–temperature correlation for liquids”,

Tribology Letters (2006) 22, 1, 67-78, doi: 10.1007/s11249-006-9071-2 [95] Ujjal Kumar Sur, “Carbon Nanotube Radio” in “Carbon nanotubes - from

research to applications”, Stefano Bianco, InTech (2011), doi: 10.5772/17251 [96] Yunsheng Xu, Chia-Ken Leong, and D.D.L. Chung, “Carbon nanotube

thermal pastes for improving thermal contacts”, Journal of Electronic Materials

(2007) 36, 9, 1181-1187, doi: 10.1007/s11664-007-0188-3 [97] Indra Vir Singh, Masataka Tanaka, Morinobu Endo, “Effect of interface on

the thermal conductivity of carbon nanotube composites”, International Journal of

Thermal Sciences (2007) 46, 842–847, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2006.11.003 [98] M. B. Bryning, D. E. Milkie, M. F. Islam, J. M. Kikkawa, and A. G. Yodh,

“Thermal conductivity and interfacial resistance in single-wall carbon nanotube

epoxy composites”, Applied Physics Letters (87) 161909, doi: /10.1063/1.2103398 [99] Sashi Kiran C. and K. K. Nanda, “Enhancement of commercially-available

thermal grease by multiwalled carbon nanotubes for electronic device

applications”, Advanced Materials Letters (2013) 4, 1, 22-25, doi: 10.5185/amlett.

2013.icnano.327 [100] Amy M. Marconnet, Namiko Yamamoto, Matthew A. Panzer, Brian L.

Wardle, and Kenneth E. Goodson, “Thermal conduction in aligned carbon

nanotube–polymer nanocomposites with high packing density”, ACS Nano, (2011)

5, 6, 4818–4825, doi: 10.1021/nn200847u [101] Z. Said, R. Saidur, M.A. Sabiha, N.A. Rahim, M.R. Anisur,

141

“Thermophysical properties of single wall carbon nanotubes and its effect on

exergy efficiency of a flat plate solar collector”, Solar Energy (2015) 115, 757–

769, doi: 10.1016/j.solener.2015.02.037 [102] Shou-Shing Hsieh,corresponding author Hsin-Yuan Leu, and Hao-Hsiang

Liu, “Spray cooling characteristics of nanofluids for electronic power devices”,

Nanoscale Res Lett (2015) 10, 139, doi: 10.1186/s11671-015-0793-7 [103] A. Oberun and M. Endo, “Filamentous growth of carbon through benzene

decomposition”, Journal of Crystal Growth (1976) 32, 335 – 349, doi: 10.1016/

0022-0248(76)90115-9 [104] Che BD, Nguyen BQ, Nguyen LT, Nguyen HT, Nguyen VQ, Van Le T,

Nguyen NH, “The impact of different multi-walled carbon nanotubes on the X-

band microwave absorption of their epoxy nanocomposites”, Chemistry Central

Journal (2015) 4, 9,10, doi: 10.1186/s13065-015-0087-2 [105] Anh Son Hoang, Hong Nhung Nguyen, Hung Thang Bui, Anh Tuan Tran,

Van Anh Duong and Van Binh Nguyen, “Carbon nanotubes materials and their

application to guarantee safety from exposure to electromagnetic fields”,

Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology (2013) 4,

025012, doi: 10.1088/2043-6262/4/2/025012 [106] Gia Vu Pham, Anh Truc Trinh, Thi Xuan Hang To, Thuy Duong Nguyen,

Thu Trang Nguyen and Xuan Hoan Nguyen, “Incorporation of Fe3O4/CNTs

nanocomposite in an epoxy coating for corrosion protection of carbon steel”,

Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology (2014) 5, 035016

doi:10.1088/2043-6262/5/3/035016 [107] Phuong Hoai Nam Nguyen, “Conducting nano films based on multi-walled

carbon nanotubes and poly(3,4-ethylene dioxy thiophene-poly(styrene sulfonate)

for organic light-emitting diode”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and

Nanotechnology (2014) 5, 015011 doi:10.1088/2043-6262/5/1/015011 [108] Franco Tardani and Camillo La Mesa, “Dispersability of carbon nanotubes

in biopolymer-based fluids”,Crystals (2015) 5, 1, 74-90, doi: 10.3390/cryst

5010074 [109] Bibhu Prasad Sahoo, Kinsuk Naskar and Deba Kumar Tripathy,

142

“Multiwalled carbon nanotube-filled ethylene acrylic elastomer nanocomposites:

influence of ionic liquids on the mechanical, dynamic mechanical, and dielectric

properties”, Polymer Composites (2015) doi: 10.1002/pc.23451 [110] Noreen Sher Akbar, “Entropy generation analysis for a CNT suspension

nanofluid in plumb ducts with peristalsis”, Entropy (2015) 17, 3, 1411-1424, doi:

143

10.3390/e17031411

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH

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

1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI

1. Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, “A Modified Model for

Thermal Conductivity of Carbon Nanotube-Nanofluids”, Physics of Fluids

(American Institute of Physic – AIP), Volume 27, Issue3, March 2015, pp.

032002 - 032013

2. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Le Dinh Quang, Nguyen Thi Huong, Phan

Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh, “Heat Dissipation for the Intel Core i5

Processor Using Multiwalled Carbon-nanotube-based Ethylene Glycol”,

Journal of the Korean Physical Society, Volume 65, Number 3, August 2014,

pp. 312 - 316

3. Bui Hung Thang, Le Dinh Quang, Nguyen Manh Hong, Phan Hong Khoi, and

Phan Ngoc Minh, “Application of Multiwalled Carbon Nanotube Nanofluid for

450 W LED Floodlight”, Journal of Nanomaterials, Volume 2014, Article ID

347909, 6 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/347909 (2014)

4. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi, and

Phan Ngoc Minh, “Heat Dissipation for Microprocessor Using Multiwalled

Carbon Nanotubes Based Liquid”, The Scientific World Journal, Volume 2013,

Article ID 305957, 6 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2013/305957 (2013)

1.2. Bài báo quốc tế khác

1. 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”, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 5 (2014) 015014 (5pp),

doi:10.1088/2043-6262/5/1/015014

2. Bui Hung Thang, Phan Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh, “Simulation of Heat

Dissipation for High Power Electronic Component using Carbon Nanotube

Nanofluids”, International Journal of Scientific and Research Publications,

144

ISSN: 2250-3153, 4, 10, 4, 2014

1.3. Bài báo ñăng trên tạp chí quốc gia

1. Nguyễn Thị Hương, Bùi Hùng Thắng, Phạm Văn Trình, Nguyễn Văn Chúc,

Phan Hồng Khôi và Phan Ngọc Minh, “Nghiên cứu phân tán ống nanô cácbon

ña tường trong Ethylene Glycol”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Volume 52,

Number 3B (2014), 297 - 304.

2. Bùi Hùng Thắng, Phạm Văn Trình, Nguyễn Thị Hương, ðinh Văn Trung, Phan

Hồng Khôi và Phan Ngọc Minh, “Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu cho

thiết bị ñiện tử công suất lớn ứng dụng vật liệu ống nanô cácbon”, Tạp chí

Khoa học ðại học Huế, Tập 97, Số 9 (2014), 219 - 230.

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

1. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, “Application of Multi-

Walled Carbon Nanotubes based Liquids for High Brightness Light Emitting Diodes”, The 7th International Workshop on Advanced Materials Science And Nanotechnology, Ha Long City, Vietnam, 2014, ISBN 978-604-913-301-5, 94 -

101

2. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang, Nguyen

Manh Hong, Cao Thi Thanh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc

Minh, “Application of Multi-Walled Carbon Nanotubes based Liquids for Heat

Dissipation in High Power Electronic Devices”, The 2nd International

Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, Hanoi, 2014, ISBN

978-604-911-946-0, 366 - 372

2. Sáng chế và giải thưởng liên quan ñến luận án

2.1. Sáng chế ñược chấp nhận ñơn

1. Tên sáng chế: “Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon,

chất lỏng thu ñược từ quy trình này và cấu trúc tản nhiệt chứa chất lỏng tản

nhiệt”; Chủ ñơn: Viện Khoa học Vật liệu; Tác giả: Phan Ngọc Minh, Bùi Hùng