BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
VIỆN KHOA HỌC
LÂM
KHOA
VÀVIỆN
CÔNGHÀN
NGHỆ
VIỆT
NAM HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
VIỆN KHOA-------HỌC VẬT LIỆU
ðức Chính
BÙIVũ
HÙNG
THẮNG
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC
LIỆU
TỔLƯỢNG
HỢP NỀN
HỮU
CƠ
PHA
TRỘN
ỐNG
CHẤM
TỬ CdSe
VỚI
CẤU
TRÚC
LÕI/VỎ
VÀ ðỊNH
ỨNG DỤNGỨNG DỤNG
NANÔ CÁCBON
VÀHƯỚNG
THỬ NGHIỆM
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:
NGƯỜI HƯỚNG
HỌC:
1: TS. DẪN
PhanKHOA
Tiến Dũng
2: PGS.TS.
Phạm Thu
1. PGS.TS.
PhanNga
Ngọc Minh
2. TS. Hoàng Anh Sơn
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
1
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
2
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
EG
Ethylene Glycol
DEG
Diethylene Glycol
DW
Nước cất
EG/DW
Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất
STARS
Kem tản nhiệt thương mại Stars
AS5
Kem tản nhiệt thương mại AS5
STARS/CNTs Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs
AS5/CNTs
Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Trang
1
Bảng 1.1
So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác
14
2
Bảng 1.2
Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs
17
3
Bảng 1.3
Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng
29
4
Bảng 4.1
Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng
94
5
Bảng 4.2
Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và
STARS/2%CNTs
116
6
Bảng 4.3
Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs
117
7
Bảng 4.4
Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt
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
5
2
Hình 1.2
Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA)
6
3
Hình 1.3
Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng
lục giác (b)
7
4
Hình 1.4
“Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau
9
5
Hình 1.5
Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon
10
6
Hình 1.6
Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs
10
7
Hình 1.7
(a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag
(9, 0) và chiral (10, 5)
11
8
Hình 1.8
Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và
7 cạnh
12
9
Hình 1.9
(a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So
15
sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp
graphit (graphene)
10
Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng
graphit
16
11
Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral
khác nhau
17
12
Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu
19
13
Hình 1.13 (a) Sơ ñồ nguyên lý phương pháp nghiền bi ñể tổng hợp CNTs,
(b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi
20
14
Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang
21
15
Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang
23
16
Hình 1.16 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt
24
17
Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và
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
cách sử dụng kem tản nhiệt
35
19
Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp
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
36
21
Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B.
Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36
22
Hình 2.1
Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt
CNTs
40
23
Hình 2.2
Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng
42
24
Hình 3.1
So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết
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
So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
tán MWCNTs vào nước cất
60
28
Hình 3.5
So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp
phân tán MWCNTs vào nước cất
61
29
Hình 3.6
So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
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
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
62
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
69
lỏng
33
Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa
thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất
70
34
Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối
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
77
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
78
37
Hình 4.1
Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
79
38
Hình 4.2
Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
80
39
Hình 4.3
Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước
82
cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40
phút (c)
40
Hình 4.4
Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với
CNTs không biến tính
83
41
Hình 4.5
Ảnh SEM hình thái học bề mặt của (a) vật liệu CNTs trước khi
biến tính và phân tán vào nước cất; (b) vật liệu CNTs sau khi
biến tính và phân tán vào nước cất
83
42
Hình 4.6
Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm là 10 phút: ño ngay sau khi phân
84
tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH
vào EG/DW (b)
43
Hình 4.7
Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút
(c)
85
44
Hình 4.8
Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
88
45
Hình 4.9
Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
89
46
Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan
90
47
Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS
90
48
Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
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
nhiên
92
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
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
93
52
Hình 4.16 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core-i5
95
53
Hình 4.17 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng quạt
95
54
Hình 4.18 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
96
55
Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho chip LED 50 W
98
56
Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
chip LED 50 W chế tạo ñược
99
57
Hình 4.21 ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả
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
các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất
100
60
Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W
101
61
Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công
suất 450W
102
62
Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt
102
chứa CNTs
63
Hình 4.27 ðồ thị nhiệt ñộ của ñèn pha LED 450W theo thời gian khi sử
dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ñộ
khác nhau của CNTs
103
64
Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào
hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
104
65
Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
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
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
108
công cộng
68
Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt ñộng
109
69
Hình 4.33 ðồ thị nhiệt ñộ của chip LED và nhiệt ñộ của chất lỏng CNTs
110
trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi ñèn LED hoạt ñộng
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
111
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
112
72
Hình 4.36 Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b)
113
73
Hình 4.37 Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs
114
74
Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs
114
75
Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs
115
76
Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs
116
77
Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs
117
78
Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản
118
nhiệt chứa thành phần CNTs
79
Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên
CPU
119
80
Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS /
CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
81
Hình 4.45 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs
với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
82
Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính
122
83
Hình 4.47 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý
122
84
Hình 4.48 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản
122
hóa
85
Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi không sử
dụng kem tản nhiệt
124
86
Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
125
kem tản nhiệt STARS
87
Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs
126
88
Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
127
kem tản nhiệt AS5
89
Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs
128
90
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
129
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.
1
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.
2
- 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.
3
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).
4
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
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]
120o
180o
sp1
Phân tử C2H2
sp2
Phân tử C2H4
109,5o
sp3
Phân tử C2H6
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 [1]
5
- Xem thêm -