Luận văn thạc sĩ về mô phỏng và thực nghiệm tản nhiệt cho vi xử lý sử dụng ống nanô cácbon

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nanô cácbon, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ
• Đề tài: Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Tản Nhiệt Cho Vi Xử Lý Bằng Ống Nanô Cácbon
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Cấu trúc của ống nanô cácbon
• 1.1.3. Các phương pháp chế tạo ống nanô cácbon
• 1.1.4. Tính chất của vật liệu CNTs
• 1.2. Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính
• 1.2.1. Tổng quan về CPU
• 1.2.2. Vai trò của tản nhiệt và các phương pháp tản nhiệt
• 1.2.3. Vai trò, tác dụng của kem tản nhiệt
• 1.2.4. Một số loại kem tản nhiệt trên thị trường
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Ý tưởng ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt
• 2.2. Phương án thực nghiệm
• 2.3. Hệ thiết bị và phương án thí nghiệm
• 2.3.1. Hệ thí nghiệm
• 2.3.2. Thiết bị phần cứng
• 2.3.3. Các phần mềm hỗ trợ
• 2.3.4. Các hóa chất và vật liệu sử dụng
• 2.4. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 2.4.1. Quá trình chế tạo kem
• 2.4.2. Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý
• 2.5. Các phương pháp phân tích
• 2.5.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.3. Phổ huỳnh quang tia X (EDX)
• 2.6. Phương pháp mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chụp SEM
• 3.4. Xác định nồng độ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt
• 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt
• 3.5.1. Không sử dụng kem tản nhiệt
• 3.5.2. Kem tản nhiệt STARS
• 3.5.3. Kem tản nhiệt STARS pha CNTs
• 3.5.4. Kem tản nhiệt AS5
• 3.5.5. Kem tản nhiệt AS5 pha CNTs
• 3.5.6. Quá trình giảm nhiệt độ của CPU
• 3.6. Tính ổn định và tuổi thọ của kem tản nhiệt
• 3.7. Bước đầu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho LED
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon

Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật liệu mới. CNTs được phát hiện vào năm 1991 và được chia thành hai loại chính: ống nanô cácbon đơn tường (SWCNT) và ống nanô cácbon đa tường (MWCNT). Cấu trúc của CNTs tương tự như các lớp graphene cuộn lại thành hình trụ, với các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị sp2. Đặc điểm nổi bật của CNTs là độ dẫn nhiệt cao, giúp chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho vi xử lý. Theo nghiên cứu, CNTs có khả năng dẫn nhiệt gấp nhiều lần so với các vật liệu truyền thống như đồng hay nhôm. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong việc phát triển các loại kem tản nhiệt mới, giúp giảm nhiệt độ hoạt động của CPU, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.

1.1 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của ống nanô cácbon bắt đầu từ những năm 1980 với sự phát hiện của fullerenes. Năm 1991, Iijima đã phát hiện ra SWCNT, đánh dấu sự ra đời của một lĩnh vực nghiên cứu mới. CNTs nhanh chóng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhờ vào tính chất vật lý và hóa học độc đáo của chúng. Sự phát triển của công nghệ chế tạo CNTs đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như điện tử, y tế và năng lượng. Đặc biệt, trong lĩnh vực tản nhiệt, CNTs đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là vi xử lý. Việc ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt không chỉ giúp giảm nhiệt độ mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của các linh kiện điện tử.

1.2 Tính chất của vật liệu CNTs

Vật liệu ống nanô cácbon có nhiều tính chất nổi bật, bao gồm độ dẫn nhiệt cao, độ bền cơ học lớn và tính linh hoạt. Đặc biệt, độ dẫn nhiệt của CNTs có thể đạt tới 3000 W/m·K, cao hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Tính chất này làm cho CNTs trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc phát triển các loại kem tản nhiệt hiệu quả. Ngoài ra, CNTs còn có khả năng tương tác tốt với các chất khác, giúp cải thiện tính chất của kem tản nhiệt khi được pha trộn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung CNTs vào kem tản nhiệt có thể làm tăng đáng kể hiệu suất tản nhiệt, từ đó giảm nhiệt độ hoạt động của vi xử lý. Điều này không chỉ giúp bảo vệ các linh kiện điện tử mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của chúng.

II. Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

Tản nhiệt cho vi xử lý là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành máy tính. Khi CPU hoạt động, nó sinh ra một lượng nhiệt lớn, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Các phương pháp tản nhiệt hiện tại chủ yếu bao gồm tản nhiệt bằng không khí và tản nhiệt bằng chất lỏng. Tuy nhiên, hiệu quả của các phương pháp này thường bị hạn chế bởi độ dẫn nhiệt của các vật liệu sử dụng. Việc sử dụng kem tản nhiệt có chứa ống nanô cácbon đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng tản nhiệt. Kem tản nhiệt với sự bổ sung của CNTs không chỉ giúp tăng cường độ dẫn nhiệt mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến nhiệt độ cao, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của vi xử lý.

2.1 Vai trò của tản nhiệt

Tản nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của vi xử lý. Khi nhiệt độ của CPU vượt quá ngưỡng cho phép, hiệu suất xử lý sẽ giảm sút, thậm chí có thể dẫn đến hỏng hóc. Do đó, việc thiết kế hệ thống tản nhiệt hiệu quả là rất cần thiết. Các phương pháp tản nhiệt hiện tại như sử dụng quạt gió hay tản nhiệt bằng chất lỏng đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, việc sử dụng kem tản nhiệt có chứa ống nanô cácbon đã mở ra một hướng đi mới, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất tản nhiệt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung CNTs vào kem tản nhiệt có thể làm giảm nhiệt độ hoạt động của CPU một cách hiệu quả.

2.2 Các loại kem tản nhiệt trên thị trường

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại kem tản nhiệt khác nhau, mỗi loại có những đặc điểm và hiệu suất riêng. Các loại kem tản nhiệt phổ biến bao gồm kem tản nhiệt gốc silicone, gốc kim loại và gốc carbon. Kem tản nhiệt gốc carbon, đặc biệt là kem có chứa ống nanô cácbon, đang ngày càng được ưa chuộng nhờ vào khả năng dẫn nhiệt vượt trội. Nghiên cứu cho thấy rằng kem tản nhiệt có chứa CNTs có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tản nhiệt so với các loại kem truyền thống. Việc lựa chọn loại kem tản nhiệt phù hợp không chỉ giúp bảo vệ vi xử lý mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của máy tính.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng ống nanô cácbon trong kem tản nhiệt mang lại hiệu quả tản nhiệt vượt trội. Các thí nghiệm thực nghiệm đã chỉ ra rằng kem tản nhiệt có chứa CNTs có khả năng giảm nhiệt độ hoạt động của CPU một cách đáng kể. Cụ thể, khi sử dụng kem tản nhiệt STARS pha CNTs, nhiệt độ của CPU giảm xuống thấp hơn so với khi không sử dụng kem tản nhiệt. Điều này chứng tỏ rằng ống nanô cácbon không chỉ cải thiện độ dẫn nhiệt mà còn giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho vi xử lý. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sự tương đồng với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính chính xác của mô hình mô phỏng. Những phát hiện này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các loại kem tản nhiệt hiệu quả hơn, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị điện tử.

3.1 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy kem tản nhiệt có chứa ống nanô cácbon cho hiệu suất tản nhiệt tốt hơn so với các loại kem truyền thống. Các thí nghiệm đã được thực hiện với nhiều loại kem khác nhau, bao gồm kem STARS, kem AS5 và kem STARS pha CNTs. Kết quả cho thấy kem STARS pha CNTs có khả năng giảm nhiệt độ CPU xuống thấp nhất, chứng tỏ rằng việc bổ sung CNTs vào kem tản nhiệt là một giải pháp hiệu quả. Điều này không chỉ giúp bảo vệ vi xử lý mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của máy tính. Các số liệu thu được từ thí nghiệm đã được phân tích và so sánh, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các loại kem tản nhiệt.

3.2 Phân tích mô phỏng

Mô phỏng quá trình tản nhiệt của CPU đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của kem tản nhiệt có chứa ống nanô cácbon. Kết quả mô phỏng cho thấy sự giảm nhiệt độ rõ rệt khi sử dụng kem tản nhiệt pha CNTs. Mô hình mô phỏng đã được xây dựng dựa trên các thông số thực nghiệm, cho phép dự đoán chính xác hiệu suất tản nhiệt. Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt. Điều này mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu mới, giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các thiết bị điện tử trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vi xử lý máy tính (CPU) là bộ phận trung tâm, chịu trách nhiệm xử lý lệnh và dữ liệu, với mật độ transistor ngày càng tăng từ 55 triệu ở Pentium 4 Prescott lên đến khoảng 400 triệu ở vi xử lý lõi tứ hiện đại. Sự gia tăng này kéo theo lượng nhiệt tỏa ra lớn, có thể lên tới 100 W/cm², gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của CPU. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả là vấn đề cấp thiết trong công nghệ máy tính hiện đại.

Kem tản nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tản nhiệt bằng quạt, giúp lấp đầy các khe hở giữa bề mặt CPU và đế tản nhiệt kim loại, từ đó tăng cường hiệu quả truyền nhiệt. Tuy nhiên, các loại kem tản nhiệt truyền thống như silicon, đồng hay bạc có giới hạn về độ dẫn nhiệt, lần lượt khoảng 0,5 W/mK, 4,5 W/mK và 8 W/mK. Trong khi đó, vật liệu ống nanô cacbon (CNTs) được biết đến với độ dẫn nhiệt rất cao, lên đến khoảng 3000 W/mK, mở ra tiềm năng ứng dụng vượt trội trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho vi xử lý.

Luận văn này tập trung vào việc mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính bằng cách ứng dụng vật liệu CNTs vào kem tản nhiệt thương mại. Mục tiêu cụ thể gồm: thử nghiệm pha trộn CNTs với các loại kem tản nhiệt phổ biến ở nồng độ từ 1-5% khối lượng, khảo sát nhiệt độ CPU khi sử dụng các loại kem này, xây dựng mô hình mô phỏng quá trình tản nhiệt và so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng để đánh giá hiệu quả và tính ổn định của kem tản nhiệt ứng dụng CNTs. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học Vật liệu, trong điều kiện nhiệt độ phòng ổn định và môi trường kiểm soát độ ẩm, đảm bảo tính khách quan và chính xác của số liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất vật liệu ống nanô cacbon (CNTs): CNTs gồm ống nanô đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT), có cấu trúc graphene cuộn tròn với các trạng thái lai hóa sp2, mang lại tính chất dẫn nhiệt, dẫn điện và cơ học ưu việt. Độ dẫn nhiệt của CNTs dao động từ 1800 đến 6000 W/mK ở nhiệt độ phòng, vượt trội so với các vật liệu truyền thống như graphite hay kim loại bạc.

• Mô hình truyền nhiệt trong hệ thống tản nhiệt CPU: Mô hình mạch điện tương đương được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt, trong đó nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt (R1) là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả tản nhiệt. Hệ phương trình vi phân mô tả sự thay đổi nhiệt độ của CPU và quạt tản nhiệt được giải để dự đoán nhiệt độ CPU theo thời gian.

• Khái niệm nhiệt trở và nhiệt dung: Nhiệt trở thể hiện khả năng cản trở dòng nhiệt, trong khi nhiệt dung phản ánh khả năng tích trữ nhiệt của các thành phần trong hệ thống. Việc giảm nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt sẽ làm tăng hiệu quả truyền nhiệt từ CPU ra môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu CNTs được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) với độ sạch trên 95%, đường kính 10-50 nm, chiều dài 1-100 µm. Kem tản nhiệt thương mại Stars 350 (silicon) và Arctic Silver 5 (bạc) được sử dụng làm vật liệu nền.

• Phương pháp chế tạo kem tản nhiệt: CNTs được pha trộn vào kem tản nhiệt với các nồng độ từ 1% đến 5% khối lượng bằng phương pháp trộn cơ học và phương pháp hỗ trợ dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ để tăng khả năng phân tán.

• Phương pháp phân tích: Cấu trúc và thành phần kem tản nhiệt được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ Raman và phổ huỳnh quang tia X (EDX) để xác định sự phân tán CNTs và thành phần hóa học.

• Phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ CPU được đo bằng sensor nhiệt tích hợp trong CPU (Thermal Diode) và phần mềm SpeedFan 4.33, trong khi phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS được sử dụng để tạo tải tối đa cho CPU nhằm khảo sát nhiệt độ trong điều kiện hoạt động cao.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và mô phỏng được tiến hành trong môi trường phòng thí nghiệm ổn định, với các bước chuẩn bị vật liệu, chế tạo kem, đo nhiệt độ và phân tích dữ liệu kéo dài trong khoảng thời gian theo kế hoạch nghiên cứu thạc sĩ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân tán CNTs trong kem tản nhiệt: Ảnh SEM cho thấy khi sử dụng phương pháp trộn cơ học đơn thuần, CNTs bị tụ đám và phân tán không đều trong kem. Tuy nhiên, khi sử dụng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ, CNTs phân tán đều, không bị tụ đám, tạo thành mạng liên kết tốt trong kem (ảnh SEM độ phóng đại 80.000 lần).

2. Xác định nồng độ CNTs tối ưu: Thí nghiệm với các nồng độ CNTs từ 1% đến 5% khối lượng cho thấy hiệu quả tản nhiệt cao nhất đạt được ở nồng độ 2% wt. Khi vượt quá 2%, hiệu quả giảm do mất tính nhớt của kem, làm giảm khả năng phủ đều trên bề mặt CPU.

3. Hiệu quả tản nhiệt thực nghiệm: So sánh nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt Stars và Arctic Silver 5 với và không có CNTs cho thấy kem pha CNTs giảm nhiệt độ CPU trung bình từ 3 đến 5°C so với kem gốc. Ví dụ, kem Stars pha 2% CNTs giảm nhiệt độ CPU từ khoảng 60°C xuống còn 55°C khi CPU hoạt động ở công suất tối đa.

4. Kết quả mô phỏng: Mô hình mạch điện nhiệt cho thấy nhiệt trở lớp kem tản nhiệt giảm đáng kể khi sử dụng kem pha CNTs, phù hợp với kết quả thực nghiệm. Nhiệt độ CPU mô phỏng giảm tương ứng với thực tế, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả tản nhiệt là do CNTs có độ dẫn nhiệt rất cao, tạo thành mạng dẫn nhiệt hiệu quả trong lớp kem, giảm nhiệt trở giữa CPU và đế tản nhiệt. Việc phân tán đều CNTs trong kem là yếu tố quyết định, vì tụ đám CNTs sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt do tạo thành các vùng không đồng nhất.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt, đồng thời chỉ ra giới hạn nồng độ tối ưu để đảm bảo tính chất cơ học và khả năng phủ đều của kem. Việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm giúp đánh giá chính xác hiệu quả và hướng phát triển sản phẩm kem tản nhiệt mới.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ CPU theo thời gian với các loại kem khác nhau, bảng so sánh nhiệt độ trung bình và nhiệt trở lớp kem, cũng như ảnh SEM minh họa sự phân tán CNTs.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng phương pháp phân tán CNTs bằng dung môi và rung siêu âm: Khuyến nghị các nhà sản xuất kem tản nhiệt áp dụng kỹ thuật này để đảm bảo CNTs phân tán đều, tăng hiệu quả truyền nhiệt, với mục tiêu giảm nhiệt độ CPU ít nhất 3°C trong vòng 6 tháng.

2. Tối ưu nồng độ CNTs trong kem tản nhiệt: Đề xuất duy trì nồng độ CNTs ở mức 2% khối lượng để cân bằng giữa hiệu quả tản nhiệt và tính chất cơ học của kem, áp dụng trong các sản phẩm kem tản nhiệt thương mại trong 1 năm tới.

3. Phát triển mô hình mô phỏng nhiệt nâng cao: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng mô hình mô phỏng để bao gồm các yếu tố như biến đổi công suất CPU, điều kiện môi trường thực tế, nhằm hỗ trợ thiết kế hệ thống tản nhiệt tối ưu, thực hiện trong 12 tháng.

4. Nghiên cứu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất cao khác: Mở rộng nghiên cứu sang các thiết bị như LED công suất lớn, hệ thống laser, nhằm tận dụng tính chất dẫn nhiệt ưu việt của CNTs, với kế hoạch thử nghiệm trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu vật liệu nano và vật liệu dẫn nhiệt: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết về ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt, hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống tản nhiệt cho máy tính và thiết bị điện tử: Thông tin về hiệu quả và phương pháp chế tạo kem tản nhiệt ứng dụng CNTs giúp cải tiến thiết kế hệ thống làm mát.

3. Doanh nghiệp sản xuất kem tản nhiệt và linh kiện máy tính: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm kem tản nhiệt mới có hiệu suất cao, cạnh tranh trên thị trường.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, cơ điện tử, công nghệ nano: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích vật liệu và mô phỏng quá trình tản nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần sử dụng CNTs trong kem tản nhiệt?
   CNTs có độ dẫn nhiệt rất cao (khoảng 3000 W/mK), giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt trong kem tản nhiệt, giảm nhiệt độ CPU và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

2. Nồng độ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt là bao nhiêu?
   Nồng độ 2% khối lượng được xác định là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả tản nhiệt và tính chất cơ học, tránh hiện tượng tụ đám CNTs làm giảm hiệu quả.

3. Phương pháp phân tán CNTs nào hiệu quả nhất?
   Sử dụng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ giúp CNTs phân tán đều, hạn chế tụ đám, cải thiện tính đồng nhất của kem.

4. Kem tản nhiệt pha CNTs có ổn định và bền lâu không?
   Thí nghiệm cho thấy kem tản nhiệt pha CNTs có tính ổn định tốt trong thời gian dài, không bị phân tách hay giảm hiệu quả khi sử dụng liên tục.

5. Mô hình mô phỏng có chính xác không?
   Mô hình mạch điện nhiệt đơn giản hóa phù hợp với kết quả thực nghiệm, giúp dự đoán nhiệt độ CPU và đánh giá hiệu quả kem tản nhiệt một cách tin cậy.

Kết luận

• Ứng dụng ống nanô cacbon (CNTs) vào kem tản nhiệt giúp cải thiện hiệu quả truyền nhiệt, giảm nhiệt độ CPU từ 3-5°C so với kem truyền thống.
• Nồng độ CNTs tối ưu là 2% khối lượng, đảm bảo phân tán đều và duy trì tính nhớt của kem.
• Phương pháp phân tán CNTs bằng dung môi chloroform kết hợp rung siêu âm và khuấy từ là hiệu quả nhất.
• Mô hình mô phỏng nhiệt dựa trên mạch điện tương đương phù hợp với kết quả thực nghiệm, hỗ trợ thiết kế hệ thống tản nhiệt.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng CNTs trong các thiết bị điện tử công suất cao và phát triển sản phẩm kem tản nhiệt thương mại hiệu quả.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng về tính ổn định lâu dài của kem tản nhiệt pha CNTs và phát triển mô hình mô phỏng chi tiết hơn. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả này để nâng cao hiệu suất tản nhiệt trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon 1.1 Lịch sử phát triển Trong bảng hệ thống tuần hoàn cácbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6 ñiện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình ñiện tử là 1s22s22p2 do ñó nguyên tử cácbon có bốn ñiện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [20], vì vậy các hàm sóng của bốn ñiện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các ñiện tử gọi là các trạng thái lai hóa. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon.

Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1a) ñược tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cácbon. Dạng lai hóa này có thể ñược tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 ñược tạo thành còn lại là một obital 2p.

Ba obital ñồng phẳng tạo với nhau một góc 1200 (hình1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cácbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế tiếp. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cácbon tưởng tượng giống như một tấm cácbon ñơn 2D phẳng trong ñó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cácbon là 1200 trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc graphene.

Sp1- hybrid Sp2- Hybrid Sp3- Hybrid Linear Trigonal Tetrhedral (a) Planar (c) (b)+ Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của các bon a) sp1 b) sp2 c) sp3 4 z Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1. Trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3 tương ñương nhau ñược tạo thành ñịnh hướng theo các ñỉnh của tứ diện ñều quanh một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ ñiển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết σ Csp3 - Csp3 (C-C) ñược tạo thành giữa hai nguyên tử cácbon bởi sự chồng chập các orbital sp3 và ba liên kết σ Csp3 - H1s ñược tạo thành tại mỗi nguyên tử cácbon. Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc kim cương.

Graphit Một dạng khác của cácbon hay gặp trong kĩ thuật, ñó là graphit, hay còn gọi là than chì. Graphit là một dạng tinh thể khác của cácbon, có cấu trúc lớp, mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van Der Waals. Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200 [22]. Trong graphite, nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song.

Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như ñược thể hiện trên (hình 1. Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu ñen như lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cácbon vô ñịnh hình trong ñó các nguyên tử cácbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp. Cấu trúc Graphit: a) Chiều ñứng b)Chiều ngang [22] Kim cương 5 z Như ñã biết cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3.

Các trạng thái lai hóa này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên. a) Cấu trúc tinh thể của kim cương b) Kim cương dạng khối Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cácbon. ðây là dạng tinh thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cácbon, tồn tại ở dạng lập phương và lục giác. Cấu trúc của mạng tinh thể kim cương ñược thể hiện trên hình 1.

Ở dạng lập phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này ñều là các liên kết cộng hóa trị. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền. Ô mạng cơ sở của kim cương tạo thành trên cơ sở lập phương tâm mặt. Bốn nguyên tử cácbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa ñộ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4).

Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là 1,544 Å. Góc cố ñịnh giữa các liên kết cộng hóa trị trong mạng kim cương là 109,50. Cũng như graphite, kim cương có ñộ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000W/m.K) và nhiệt ñộ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K). Fullerenes Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cácbon Kroto và ñồng nghiệp [22] ñã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cácbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cácbon ñược gọi là Fullerenes.

Fullerenes là một lồng phân tử cácbon khép kín với các nguyên tử cácbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Fullerenes ñược biết ñến ñầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cácbon nằm ở ñỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác ñều và 20 lục giác ñều (hình 1. 6 z Fullerene C60 Fullerene C70 Fullerene C80 (a) (b) (c) Hình 1. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80 Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2.

Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cácbon không có tọa ñộ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip. Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng ñá nhiều múi nên ñể có ñược một mặt cầu, mỗi ngũ giác ñược bao quanh bởi năm lục giác. Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp ñộ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc dạng lồng. Năm 1990, Kratschmer [22] ñã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng ñiện hồ quang giữa 2 ñiện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.

Hiện nay, fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Nhờ có tính chất siêu ñàn hồi ñặc biệt là rất bền nên fullerenes có thể ứng dụng ñể chế tạo các loại áo giáp trong quân sự. Ứng dụng ñang nổi nên hiện nay là dùng fullerenes ñể làm chất mang dược phẩm dùng trong y tế. Người ta ñã cho những ligand bám ở ngoài quả cầu fullerene dùng ñể ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào.

Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerene ñang bắt ñầu ñược bán trên thị trường. Việc kết hợp một số loại vật liệu với fullerenes có thể tạo ra những loại vật liệu mới với các tính chất ña dạng như tạo ra các chất siêu dẫn, chất cách ñiện. Ống nanô cácbon Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S. Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô các bon ñơn tường (SWCNT) có ñường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét.

Kể từ ñó ñến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) ñược biết ñến là: CNTs ñơn tường (SWCNT) và CNTs ña tường (MWCNTs) (hình 1. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì ñộ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và ñược khép kín ở mỗi ñầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do ñó CNTs còn ñược biết ñến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cácbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững. Ống nanô các bon ña tường gồm nhiều ống ñơn tường ñường kính khác nhau lồng vào nhau và ñồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm ñến 0,39 nm.

Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau ñể tạo thành từng bó xếp chặt (ñược gọi là SWNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên ñến vài mm. Phát hiện mới về ống nanô cácbon cũng như những tính chất ñặc biệt của nó ñã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự góp mặt của CNTs ñánh dấu sự ra ñời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên cơ sở các bon - vật liệu mới cho tương lai.2 Cấu trúc của ống nanô các bon CNTs có cấu trúc giống như các lớp mạng graphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng, ñồng trục.

Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs ñược phân thành các loại khác nhau. Cấu trúc của vật liệu CNTs ñược ñặc trưng bởi véc tơ Chiral, kí hiệu là Ch. Véc tơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và ñộ lớn ñường kính ống (hình 1. Ch = na1 + ma2 = (n, m) (1) Trong ñó: n và m là các số nguyên.

a1 và a2 là các véc tơ ñơn vị của mạng graphene Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong hình 1. 8 z  3 1  3 1 a1 = a ,  , a 2 = a ,−  (2)  2 2   2 2 Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm. Góc của véc tơ Chiral θ: 2n + m cos θ = (3) 2 (n 2 + m 2 + nm ) ðường kính D của ống ñược tính theo công thức sau: D = k n 2 + m2 + nm (nm) (4) (k ∈ N ) Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n, m) khác nhau. Ba cấu trúc thường gặp ñó là: amchair, zigzag và chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.

CNTs có ñường kính từ vài nanômét tới vài chục nanômét và chiều dài từ một vài micromét ñến vài minimét, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/ñường kính và diện tích bề mặt của nó là rất lớn. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair(5, 5), zigzag(9, 0) và chiral(10, 5) [19] Tuy nhiên, ñây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs.