BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
TRỊNH MINH HOÀN
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT
LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN
NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
HÀ NỘI – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
TRỊNH MINH HOÀN
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT
LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN
NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 9.44.01.29
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đoàn Đình Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng
Hà Nội – 2022
i
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn là
PGS.TS. Đoàn Đình Phương và PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng đã tận tình hướng dẫn
và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo và Bộ phận đào tạo Viện Khoa học
vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ khoa học tại Viện Khoa học vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đồng hành, động viên và giúp
đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và người
thân, đặc biệt là vợ và con đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học
tập và hoàn thành luận án.
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa
được công bố trong các công trình khác.
Tác giả luận án
Trịnh Minh Hoàn
iii
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ................................................................................................................... i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Mục lục ...................................................................................................................... iii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..................................................................................... vi
Danh mục các bảng .................................................................................................... xi
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ...........................................................................xii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT. 5
1.1 Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển ................................................... 5
1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt .................................................. 6
1.2.1 Ống nhiệt trọng trường.......................................................................... 7
1.2.2 Ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn ............................................................. 8
1.2.2.1 Vỏ ống nhiệt .................................................................................. 9
1.2.2.2 Vật liệu có cấu trúc mao dẫn ....................................................... 10
1.2.2.3 Chất lỏng làm việc bên trong ống nhiệt ...................................... 13
1.2.3 Tính toán thiết kế và chế tạo ống nhiệt ............................................... 16
1.2.3.1 Chế tạo vật liệu xốp thiêu kết ...................................................... 16
1.2.3.2 Tính toán, xác định vỏ ống .......................................................... 19
1.2.3.3 Xác định chất lỏng làm việc trong ống........................................ 20
1.3 Một số vấn đề cơ bản về mao dẫn ................................................................ 22
1.3.1 Hiện tượng mao dẫn ............................................................................ 22
1.3.2 Các phương pháp đo khả năng mao dẫn ............................................. 24
1.3.2.1 Các phương pháp xác định áp suất mao dẫn lớn nhất ................. 24
1.3.2.2 Phương pháp xác định chiều cao cột mao dẫn h ......................... 25
1.3.2.3 Phương pháp xác định khối lượng nước được hút vào trong cấu
trúc mao dẫn ................................................................................................... 27
1.4 Tổng quan những nghiên cứu mới trên thế giới về lớp mao dẫn bằng vật liệu
xốp thiêu kết ....................................................................................................... 30
1.5 Tản nhiệt cho đèn LED công suất cao .......................................................... 33
Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 36
2.1 Nguyên vật liệu thí nghiệm .......................................................................... 36
iv
2.2 Phương pháp chế tạo mẫu............................................................................. 37
2.2.1 Mẫu vật liệu đồng xốp dạng khối ....................................................... 37
2.2.2 Mẫu đo khả năng tự hút ...................................................................... 38
2.2.3 Chế tạo ống nhiệt ................................................................................ 39
2.3 Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 41
2.3.1 Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ......................................................... 41
2.3.1.1 Phương pháp chụp ảnh SEM và phân tích EDS .......................... 41
2.3.1.2 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ........................................ 42
2.3.2 Phương pháp xác định cơ tính của vật liệu ......................................... 42
2.3.3 Phương pháp xác định độ xốp của vật liệu ......................................... 43
2.3.3.1 Phương pháp xác định độ xốp tổng ............................................. 44
2.3.3.2 Phương pháp đo độ xốp hở.......................................................... 45
2.3.3.3 Phương pháp xác định độ xốp trên ảnh SEM .............................. 46
2.3.4 Phương pháp đánh giá khả năng tự hút của vật liệu mao dẫn ............ 48
2.3.5 Phương pháp đo độ dẫn nhiệt của ống nhiệt ....................................... 50
Chương 3: CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ LÝ VÀ TÍNH CHẤT MAO
DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ....................................... 54
3.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc và cơ tính của vật liệu
đồng xốp sau thiêu kết ........................................................................................ 54
3.1.1 Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết .................................................. 54
3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết ....................................................... 61
3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết ...................................................... 66
3.2 Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước bột đồng đến khả năng tự hút
nước do mao dẫn của vật liệu đồng xốp sau thiêu kết .............................. 70
3.2.1 Khảo sát đối với bột đồng nguyên liệu dạng cầu ................................ 70
3.2.1.1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu . 71
3.2.1.2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của
mẫu .......................................................................................................... 74
3.2.2 Khảo sát đối với bột đồng dạng nhánh cây ......................................... 79
3.2.2.1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu . 79
3.2.2.2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của
mẫu .......................................................................................................... 82
3.2.3 So sánh đặc tính xốp và mao dẫn của mẫu sử dụng bột đồng nguyên
liệu dạng cầu và dạng nhánh cây ................................................................. 86
v
Chương 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM
CHO ĐÈN LED CÔNG SUẤT LỚN ............................................................ 91
4.1 Chế tạo ống nhiệt ................................................................................ 91
4.2 Ảnh hưởng của đường kính ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt
của ống nhiệt ................................................................................................... 95
4.3 Ảnh hưởng của chiều dài ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của
ống nhiệt .................................................................................................... 96
4.4 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED công suất lớn ............ 97
4.4.1 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 200 W....................... 97
4.4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 500 W..................... 100
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 105
CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .............................................................. 107
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................................ 108
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ...................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 110
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1
Một số ứng dụng của ống nhiệt trong: a) máy tính, b) đèn LED
và c) điện thoại thông minh
6
Hình 1.2
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của a) ống nhiệt trọng trường và b)
ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn
7
Hình 1.3
Sơ đồ cấu tạo và các vùng hoạt động của ống nhiệt có cấu trúc mao
dẫn
9
Hình 1.4
Mặt cắt ngang ống nhiệt a) kiểu mao dẫn dạng rãnh và b) kiểu
cấu trúc vật liệu xốp kim loại thiêu kết
10
Hình 1.5
Sự thay đổi áp suất lỏng - hơi khi ống nhiệt hoạt động
14
Hình 1.6
Sơ đồ chế tạo và giản đồ thiêu kết vật liệu xốp trong nghiên cứu
của Leong
17
Hình 1.7
Sơ đồ chế tạo ống nhiệt trong nghiên cứu của Li: 1-Nắp nhỏ định
vị trục thép; 2-Vỏ ống đồng; 3-Bột đồng; 4-Trục thép không gỉ; 5Nắp lớn định vị trục thép
18
Hình 1.8
Mô hình chế tạo ống nhiệt (a) và giản đồ thiêu kết mẫu (b) trong
nghiên cứu của Jiang
18
Hình 1.9
Giới hạn mao dẫn của 3 loại chất lỏng: nước, acetone và
methanol
21
Hình 1.10
Nhiệt độ vùng bay hơi với các tỉ lệ điền đầy chất lỏng khác nhau
21
Hình 1.11
Sơ đồ minh họa sức căng (A) và kích thước hình học liên quan
(B) của mặt khum
22
Hình 1.12
Mô hình đo áp suất mao dẫn lớn nhất
24
Hình 1.13
Tương quan giữa áp lực mao dẫn lớn nhất và độ xốp của đồng
xốp
25
Hình 1.14
Mô hình xác định chiều cao cột mao dẫn h sử dụng camera hồng
ngoại được Li và các cộng sự sử dụng
25
Hình 1.15
Ảnh hưởng của kích thước hạt bột nguyên liệu đến chiều cao cột
chất lỏng trong cấu trúc kim loại xốp a) nước và b) aceton
26
Hình 1.16
Chiều cao cột mao dẫn trong mẫu bột Ni và bột đồng thiêu kết
với các chất lỏng khác nhau: a) nước và b) acetone
27
Hình 1.17
Mô hình xác định khối lượng chất lỏng hút vào cấu trúc mao
dẫn
28
Hình 1.18
Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc đồng
xốp sử dụng các chất lỏng thử khác nhau
29
Hình 1.19
Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc thép
hợp kim xốp sử dụng các chất lỏng khác nhau
29
vii
Hình 1.20
Giản đồ cấu trúc mao dẫn chứa hai loại lỗ xốp
31
Hình 1.21
Ảnh SEM ở độ phóng đại khác nhau cấu trúc mao dẫn chứa lỗ
xốp với hai kiểu kích thước khác nhau
31
Hình 1.22
Ảnh SEM bề mặt hạt đồng trong cấu trúc mao dẫn thiêu kết
trước (a,b) và sau khi xử lý bề mặt (c,d)
32
Hình 2.1
Ảnh SEM mẫu bột đồng nguyên liệu dạng cầu và dạng nhánh
cây
36
Hình 2.2
Mô hình máy rung tạo độ xít chặt cho bột đồng
37
Hình 2.3
Mô hình lò ống thiêu kết vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn
38
Hình 2.4
Mô hình khuôn tạo mẫu đồng xốp và giản đồ nhiệt - khí quá
trình thiêu kết chế tạo mẫu đồng xốp
38
Hình 2.5
Mẫu đo khả năng tự hút của vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn
39
Hình 2.6
Sơ đồ quy trình chế tạo ống nhiệt bằng đồng xốp cấu trúc mao
dẫn
40
Hình 2.7
Nguyên lý tạo mẫu chụp ảnh cấu trúc trên SEM a) mẫu chụp
ảnh vi cấu trúc và b) mẫu chụp ảnh cấu trúc macro
42
Hình 2.8
Mô hình mẫu chế tạo để xác định khối lượng riêng và đo độ xốp
hở
45
Hình 2.9
46
Hình 2.11
Sơ đồ thí nghiệm ngâm nước xác định độ xốp hở
Minh họa quá trình xử lý ảnh SEM trên phần mềm ImageJ: a)
Ảnh SEM ban đầu; b) Ảnh xử lý lỗi và bổ sung vị trí hạt; c) Ảnh
xử lý màu phần nền xốp; d) Ảnh tạo đường biên của các lỗ xốp
Mô hình thiết bị đo khả năng tự hút do mao dẫn
Hình 2.12
Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt
51
Hình 2.13
Mô hình nguyên lý đo hệ số dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của
ống nhiệt
52
Hình 2.14
Hệ đo thông số nhiệt của ống nhiệt
52
Hình 3.1
Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết ở các môi trường khác nhau
sử dụng bột đồng dạng cầu
56
Hình 3.2
Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết ở các môi trường khác nhau
sử dụng bột đồng dạng nhánh cây
57
Hình 3.3
Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết đến độ xốp của mẫu
57
Hình 3.4
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết
trong các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng nguyên liệu
dạng cầu
58
Hình 3.5
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết
trong các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng nguyên liệu
dạng nhánh cây
59
Hình 3.6
Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết đến độ bền nén của mẫu
60
Hình 2.10
47
49
viii
Hình 3.7
Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng
cầu thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau
62
Hình 3.8
Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng
nhánh cây thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau
63
Hình 3.9
Độ xốp của mẫu vật liệu đồng xốp thiêu kết ở các nhiệt độ khác
nhau
63
Hình 3.10
Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp
thiêu kết ở 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu
64
Hình 3.11
Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp
thiêu kết ở 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh cây
64
Hình 3.12
Độ bền nén của mẫu vật liệu đồng xốp thay đổi theo nhiệt độ
thiêu kết
65
Hình 3.13
Ảnh SEM ở cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng
dạng nhánh cây sau khi thiêu kết với thời gian 30-120 phút ở
900oC
67
Hình 3.14
Ảnh SEM ở cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng
dạng cầu sau khi thiêu kết với thời gian 30-120 phút ở 900oC
67
Hình 3.15
Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến độ xốp của mẫu
68
Hình 3.16
Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến độ bền nén của mẫu
69
Hình 3.17
Ảnh SEM mặt gãy mẫu đồng xốp với kích thước bột nguyên
liệu khác nhau sử dụng bột đồng dạng cầu
71
Hình 3.18
Sự thay đổi độ xốp của mẫu theo kích thước hạt bột đồng
sử dụng
72
Hình 3.19
Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau thiêu kết với kích thước bột
đồng nguyên liệu ban đầu khác nhau
72
Hình 3.20
Kết quả đo độ xốp của các mẫu bằng phương pháp Image J trên
ảnh SEM
73
Hình 3.21
Phân bố kích thước lỗ xốp (thông qua diện tích lỗ xốp) đối với
các mẫu có kích thước hạt ban đầu khác nhau sử dụng phần
mềm ImageJ trên ảnh SEM
74
Hình 3.22
Sơ đồ gá mẫu xác định khả năng tự hút nước của mẫu với các
góc nghiêng khác nhau a) 90o, b) 60o và c) 30o
75
Hình 3.23
Khả năng tự hút nước của mẫu vật liệu đồng xốp sử dụng bột
dạng cầu tại 3 vị trí góc nghiêng khác nhau
76
Hình 3.24
Lượng nước (a) và chiều cao cột nước hút lên (b) của vật liệu
đồng xốp sử dụng kích thước và góc nghiêng đặt mẫu khác nhau
77
Hình 3.25
Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một loại kích
thước hạt ở các góc nghiêng khác nhau
78
Hình 3.26
Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một góc
nghiêng khác đối với 3 loại kích thước hạt bột đồng
78
ix
Hình 3.27
Ảnh SEM mặt gãy mẫu đồng xốp với kích thước bột nguyên
liệu khác nhau sử dụng bột đồng dạng nhánh cây
79
Hình 3.28
Sự thay đổi của độ xốp theo kích thước hạt bột đồng sử dụng
80
Hình 3.29
Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau thiêu kết và đổ epoxy từ bột
đồng dạng nhánh cây với kích thước hạt ban đầu khác nhau
81
Hình 3.30
So sánh độ xốp của các mẫu sử dụng bột đồng dạng nhánh cây,
đo bằng phần mềm ImageJ trên ảnh SEM và đo bằng phương
pháp thể tích - trọng lượng
81
Hình 3.31
Kết quả đo diện tích lỗ xốp của các mẫu sử dụng bột đồng dạng
nhánh cây bằng phương pháp ImageJ trên ảnh SEM
82
Hình 3.32
Khả năng tự hút nước của mẫu vật liệu đồng xốp sử dụng bột
dạng nhánh cây tại 3 vị trí góc nghiêng khác nhau
83
Hình 3.33
Chiều cao cột nước và khối lượng nước hút được của mẫu sử
dụng bột đồng dạng nhánh cây ở các kích thước và góc nghiêng
đặt mẫu khác nhau
84
Hình 3.34
Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một loại kích
thước hạt ở các góc nghiêng khác nhau
85
Hình 3.35
Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một góc
nghiêng khác đối với 3 loại kích thước hạt bột đồng nhánh cây
85
Hình 3.36
Độ xốp tổng và độ xốp hở của mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng
dạng cầu và bột đồng dạng nhánh cây
86
Hình 3.37
Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 44-74 m)
đến lưu lượng hút nước của mẫu
87
Hình 3.38
Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 74-100
m) đến lưu lượng hút nước của mẫu
88
Hình 3.39
Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 100-150
m) đến lưu lượng hút nước của mẫu
88
Hình 4.1
Mô hình chế tạo lớp mao dẫn bằng vật liệu đồng xốp với vỏ ống
đồng
92
Hình 4.2
Ảnh SEM vị trí liên kết giữa lớp đồng xốp với vỏ ống ở các thời
gian thiêu kết khác nhau
92
Hình 4.3
Ảnh chụp mặt cắt mẫu với thời gian thiêu kết 60 phút và hình
ảnh mẫu khi thiêu kết 90 phút.
93
Hình 4.4
So sánh cấu trúc đồng xốp giữa: a) mẫu thiêu kết nghiên cứu
khảo sát tính chất mao dẫn và b) mẫu khi thiêu kết tạo lớp mao
dẫn trong chế tạo ống nhiệt.
94
Hình 4.5
Quá trình chế tạo ống nhiệt: a) hàn bịt một đầu, b) bơm chất
lỏng, c) hút chân không, d) hàn bịt đầu còn lại và e) ống nhiệt
hoàn chỉnh
94
Hình 4.6
Ảnh hưởng của đường kính ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở
95
x
kháng nhiệt của ống nhiệt
Hình 4.7
Ảnh hưởng của chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở
kháng nhiệt của ống nhiệt
97
Hình 4.8
Bản vẽ bộ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 200
W (b)
98
Hình 4.9
Bộ tản nhiệt sau khi lắp ghép (a), sau sơn (b) và đèn LED 200
W sau khi lắp ghép hoàn chỉnh (c)
98
Hình 4.10
Vị trí đo nhiệt trên bộ tản nhiệt khi thử nghiệm trên đèn LED
200 W
99
Hình 4.11
Đồ thị nhiệt độ tại các vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp
camera nhiệt bộ đèn LED 200 W ở thời điểm 120 phút thử
nghiệm
100
Hình 4.12
Sự phụ thuộc nhiệt độ Ts vào công suất nhiệt và vị trí treo đèn
của đèn LED 200 W sử dụng bộ tản nhiệt HB-WHP-1000-B của
Furukawa
100
Hình 4.13
Bản vẽ bộ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 500
W (b)
101
Hình 4.14
Bộ tản nhiệt sau khi lắp ghép (a, b) và đèn LED 500 W sau khi
lắp ghép hoàn chỉnh (c, d)
101
Hình 4.15
Vị trí đo nhiệt trên bộ tản nhiệt khi thử nghiệm trên đèn LED
500 W
102
Hình 4.16
Đồ thị nhiệt độ tại các vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp
camera nhiệt bộ đèn LED 500 W ở thời điểm 120 phút thử
nghiệm
102
Hình 4.17
Sự thay đổi của nhiệt độ Ts theo hướng chiếu đèn và công suất
nhiệt cấp của bộ tản nhiệt FL-WHP-3100-B của hãng Furukawa
103
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Độ dẫn nhiệt của một số loại ống nhiệt khác nhau
8
Bảng 1.2 Một số tính chất của các cấu trúc mao dẫn khác nhau
12
Bảng 1.3 Khả năng tương thích và phạm vi nhiệt độ làm việc của chất
lỏng và vỏ ống nhiệt
16
Bảng 3.1 Hàm lượng oxy và đồng trong các mẫu thiêu kết
59
xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Việt
d0
Đường kính ngoài vỏ ống
D
Đường kính mẫu
EDS
Phổ tán xạ năng lượng tia X
fmax
Độ bền cực đại
h
Chiều cao mẫu
K
Độ dẫn nhiệt
Le
Chiều dài phần bốc hơi
Lc
Chiều dài phần ngưng tụ
La
Chiều dài phần đoạn nhiệt
LED
P
PC,max
Diode phát quang (light-emitting diode)
Áp suất
Áp suất mao dẫn tối đa
rm
Bán kính hiệu dụng trung bình của lỗ mao quản
R
Trở kháng nhiệt
SEM
t
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
Chiều dày vỏ ống
Te
Nhiệt độ trung bình của ống nhiệt ở phần bốc hơi
Tc
Nhiệt độ trung bình của ống nhiệt ở phần ngưng tụ
V
Thể tích
X
Độ xốp
XRD
Nhiễu xạ tia X
Biến dạng
Ứng suất
Khối lượng riêng
1
MỞ ĐẦU
Tản nhiệt cho các thiết bị điện tử luôn là vấn đề được quan tâm nghiên cứu
kể từ khi các mạch tích hợp đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1950.
Các kỹ thuật tản nhiệt thông dụng như sử dụng các đế, cánh tản nhiệt được chế tạo
từ kim loại đồng, nhôm chỉ tỏ ra hữu hiệu với lượng nhiệt tản ra thấp hoặc trung
bình. Các thiết bị điện tử công suất lớn thường có nguồn phát nhiệt tập trung, nếu
không được dẫn đi kịp thời để đảm bảo nhiệt độ làm việc cho phép, sẽ ảnh hưởng
đến hoạt động và tuổi thọ của linh kiện và thiết bị. Với các cơ cấu tản nhiệt thông
thường sử dụng các tấm tản nhiệt kim loại tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt, khả
năng tản nhiệt phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của kim loại và cấu trúc của các tấm
nhiệt. Như vậy, trong hệ thống tản nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt từ nguồn phát nhiệt
đến bộ phận tản nhiệt đóng vai trò đặc biệt quan trọng, đặc biệt là đối với các thiết
bị có nguồn nhiệt (linh kiện điện tử công suất lớn) nằm trong không gian hẹp, cần
được dẫn ra ngoài để tản đi kịp thời.
Khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, một chip vi xử lý chứa hàng
triệu transistor trên một diện tích rất nhỏ, khi hoạt động lượng nhiệt phát ra rất lớn.
Hay một hệ thống chiếu sáng LED công suất cao với lượng nhiệt sinh ra có thể lên
đến hàng trăm W trên diện tích chỉ vài cm2 thì việc thiết kế và chế tạo các bộ tản
nhiệt có khả năng tản nhiệt nhanh là vấn đề cốt lõi nhằm đảm bảo cho các thiết bị
hoạt động ổn định và lâu dài.
Xuất phát từ các yêu cầu thực tế trên, trong những thập kỷ gần đây các nhà
khoa học đã tập trung nghiên cứu kỹ thuật tản nhiệt sử dụng ống nhiệt (heat pipe) có
lớp mao dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi của chất lỏng bên
trong ống và mao dẫn để vận chuyển chất lỏng trong ống kín. Đây là một trong
những thành tựu nổi bật của kỹ thuật tản nhiệt bởi khả năng dẫn nhiệt cao, được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp điện tử, hàng không, ô tô, năng
lượng, môi trường và chăm sóc sức khỏe [1-4]. Ống nhiệt cấu trúc mao dẫn có khả
năng dẫn nhiệt lên đến hàng trăm nghìn W/m.K [5].
Có thể thấy rằng, so với vật liệu tản nhiệt thông thường như Al (độ dẫn nhiệt
225 W/m.K) và Cu (độ dẫn nhiệt 380 W/m.K) thì khả năng dẫn nhiệt của ống nhiệt
2
cao hơn rất nhiều lần. Thậm chí so với vật liệu có độ dẫn nhiệt rất tốt là kim cương
(độ dẫn nhiệt khoảng 2.000 W/m.K) thì khả năng dẫn nhiệt của ống nhiệt cũng có
thể cao gấp hàng chục lần.
Hiện nay, các nghiên cứu về ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn ở Việt Nam hầu
như mới được tiến hành trong các phòng thí nghiệm, chủ yếu tập trung nghiên cứu
quá trình truyền nhiệt của các ống nhiệt mà chưa nghiên một cách hệ thống quá
trình chế tạo ống nhiệt và tính chất mao dẫn của cấu trúc mao dẫn trong ống nhiệt
dạng này [6, 7]. Các nhà chế tạo trong nước hiện nay chủ yếu nhập khẩu ống nhiệt
để lắp ráp, chế tạo bộ tản nhiệt cho các thiết bị điện tử, do đó việc nghiên cứu công
nghệ chế tạo ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn với các loại vật liệu thông dụng có sẵn
trên thị trường, phù hợp với năng lực và điều kiện thực tế Việt Nam là cần thiết.
Với cách tiếp cận nghiên cứu, chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các thông số
công nghệ đến cấu trúc và tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp ứng dụng làm
ống tản nhiệt cho thiết bị điện tử công suất lớn, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Chế
tạo và khảo sát tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết ứng dụng làm
ống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn” để thực hiện luận án tiến sĩ.
Mục tiêu của luận án
Khảo sát, lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp để chế tạo được vật liệu
đồng xốp thiêu kết có các tính chất mao dẫn tốt nhất từ các loại nguyên liệu có sẵn
trên thị trường.
Ứng dụng kết quả nghiên cứu về tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu
kết, chế tạo được ống nhiệt với tính chất tản nhiệt tốt nhất và ứng dụng làm hệ tản
nhiệt cho thiết bị điện tử công suất lớn (đèn LED công suất 200 W và 500 W).
Đối tượng của luận án
Với mục tiêu nêu trên, đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định là vật
liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao dẫn và ống nhiệt sử dụng vật liệu đồng xốp
thiêu kết làm lớp mao dẫn.
Phạm vi nghiên cứu của luận án
Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu vật liệu có cấu trúc mao dẫn
bằng đồng xốp thiêu kết để chế tạo ống nhiệt có khả năng vận chuyển được lượng
nhiệt nhiều nhất, nhanh nhất và xa nhất từ nguồn nhiệt đến vùng tản nhiệt, thông
qua nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi - lỏng của chất lỏng làm việc trong ống.
3
Phương pháp nghiên cứu
Một số phương pháp nghiên cứu được nghiên cứu sinh sử dụng trong quá
trình thực hiện luận án là: phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá; phương
pháp thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm; phương pháp thống kê; phương
pháp so sánh, ...
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Về khoa học: Thông qua việc nghiên cứu xác định các thông số công nghệ
chế tạo vật liệu đồng xốp, khảo sát ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt bột
đến độ xốp và tính chất mao dẫn của vật liệu sau thiêu kết, luận án đã góp phần làm
phong phú thêm kiến thức về chế tạo vật liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao
dẫn bằng phương pháp luyện kim bột. Luận án cũng làm sáng tỏ được sự phụ thuộc
của khả năng mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết vào hình dạng và kích thước
bột đồng nguyên liệu đã sử dụng. Ngoài ra, luận án cũng góp phần làm sáng tỏ thêm
những kiến thức về sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt
vào đường kính và chiều dài ống nhiệt.
- Về thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm cơ sở để xây
dựng công nghệ chế tạo ống nhiệt và hệ thống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công
suất lớn (đèn LED công suất đến 500 W).
Nội dung của luận án
Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung triển khai các nội dung nghiên
cứu chính như sau:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết đến cấu
trúc và các tính chất của mẫu đồng xốp sử dụng hai loại bột đồng nguyên liệu dạng
cầu (chế tạo bằng phương pháp phun) và dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương
pháp điện phân).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng, kích thước bột đồng nguyên liệu đến
tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính và chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn
nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt.
- Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt trong các bộ tản nhiệt cho đèn
LED công suất lớn.
4
Bố cục luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án được
trình bày trong 4 chương gồm:
- Chương 1: Tổng quan về vật liệu xốp ứng dụng làm ống tản nhiệt.
- Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu.
- Chương 3: Chế tạo, nghiên cứu đặc tính cơ lý và tính chất mao dẫn của
vật liệu đồng xốp thiêu kết.
- Chương 4: Kết quả chế tạo ống nhiệt và ứng dụng thử nghiệm cho đèn LED
công suất lớn.
Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam.
5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT
1.1. Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển
Năm 1942, R.Gauler là nhà khoa học đầu tiên đưa ra ý tưởng về ống nhiệt có
cấu trúc mao dẫn nhằm ứng dụng cho hệ thống làm lạnh [8, 9]. Sau thời gian dài
không ghi nhận các nghiên cứu về ống nhiệt, đến năm 1962, Trefethen đã tiếp tục
có những nghiên cứu sâu về cấu tạo của ống nhiệt, dùng các ống sử dụng vật liệu
xốp có cấu trúc mao dẫn để làm ống nhiệt cho các thiết bị trong lĩnh vực công
nghiệp vũ trụ [10]. Tiếp theo đó, năm 1964, Grover và các cộng sự đã nghiên cứu
và chế tạo được ống nhiệt đầu tiên tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos
bang New Mexico, sử dụng lớp vỏ ngoài là thép không gỉ, chất lỏng làm việc là
nước cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ thường và ống nhiệt sử dụng chất lỏng
làm việc là kim loại lỏng Na cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao, lên đến
1100oK (827oC) [10, 11]. Mặc dù vậy, các nghiên cứu của Grover và cộng sự chủ
yếu tập trung vào các kết quả thử nghiệm về khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt,
chưa chú ý nhiều đến việc phân tích lý thuyết về quá trình truyền nhiệt. Đến năm
1965, các nghiên cứu của Cotter đã làm rõ hơn cơ sở lý thuyết quá trình hoạt động
của ống nhiệt [12].
Nhiều nghiên cứu tiếp theo về lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành
trong phòng thí nghiệm tại các nước có trình độ khoa học phát triển trên thế giới
như Mỹ, Nhật, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô,… Cho đến năm 1970, các sản phẩm
ống nhiệt sử dụng vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn thương mại đầu tiên đã được
các công ty của Nhật, Mỹ đưa ra thị trường [8]. Năm 1990, ống nhiệt bắt đầu
được nghiên cứu ứng dụng để tản nhiệt cho các chip máy tính [13]. Từ đó, các
nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trong tản nhiệt cho các thiết bị điện tử phát triển
mạnh mẽ. Đến đầu những năm 2000, ống nhiệt đã được dùng đại trà trong máy
tính để bàn và máy tính cá nhân [14]. Đến năm 2010, ống nhiệt bắt đầu được sử
dụng để chế tạo bộ phận tản nhiệt cho đèn LED [15, 16] và đến năm 2013, ống
nhiệt được sử dụng nhiều trong điện thoại thông minh [14].
6
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử, viễn
thông, công nghệ thông tin, … ngày càng phát triển theo hướng tối ưu hơn, kích
thước nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn do đó các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất,
thu nhỏ kích thước của ống nhiệt sử dụng trong các thiết bị vẫn liên tục được
thực hiện tại nhiều quốc gia trên thế giới. Hình 1.1 là ví dụ ứng dụng ống nhiệt
trong một số thiết bị điện tử hiện nay như máy tính cá nhân, đèn LED công suất
cao hay điện thoại thông minh.
Hình 1.1. Một số ứng dụng của ống nhiệt trong a) máy tính, b) đèn LED và c) điện
thoại thông minh.
1.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt
Nguyên lý cơ bản nhất của ống nhiệt là sự chuyển pha lỏng - hơi của chất lỏng
làm việc bên trong ống nhiệt [17]. Khi chất lỏng nhận được nhiệt từ nguồn sinh
nhiệt sẽ hóa hơi, làm tăng áp suất hơi tại vùng sinh nhiệt (vùng hóa hơi). Hơi chất
lỏng được đẩy về vùng ngưng tụ của ống nhiệt do sự chênh lệch áp suất. Tại vùng
này, hơi chất lỏng sẽ ngưng tụ do tiếp xúc với bộ phận làm mát và di chuyển ngược
trở lại vùng hóa hơi do lực mao dẫn của lớp vật liệu xốp. Quá trình này được lặp lại
liên tục khi ống nhiệt hoạt động. Hiệu suất của ống nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, trong đó có ẩn nhiệt hóa hơi của chất lỏng làm việc và lưu lượng của dòng chất
lỏng từ vùng ngưng tụ về vùng hóa hơi.
Theo nguyên lý hoạt động, các ống nhiệt được chia làm nhiều loại nhưng thông
dụng và được sử dụng nhiều nhất là ống nhiệt trọng trường và ống nhiệt có cấu trúc
mao dẫn do những ưu điểm trong tính năng sử dụng cũng như phương pháp chế tạo.
- Xem thêm -