Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt với ống nanô cácbon, ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh, nâng cao hiệu suất và độ bền.

• Tác giả: Tô Anh Đức
• Người hướng dẫn: GS. Phan Ngọc Minh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Chất Lỏng Tản Nhiệt Chứa Ống Nanô Cacbon Trong Quản Lý Nhiệt Vệ Tinh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Cấu trúc của CNTs
• 1.1.3. Sơ lược các phương pháp chế tạo
• 1.1.4. Tính chất của CNTs
• 1.2. CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA CNTS
• 1.2.1. Khái niệm chất lỏng nanô
• 1.2.2. Các phương pháp chế tạo
• 1.2.2.1. Phương pháp 2 bước
• 1.2.2.2. Phương pháp 1 bước
• 1.2.3. Chất lỏng chứa CNTs
• 1.2.3.1. Chế tạo chất lỏng nanô
• 1.2.3.2. Tính chất nhiệt của chất lỏng nanô
• 1.2.4. Ứng dụng chất lỏng nanô
• 1.2.4.1. Chất lỏng nanô trong nhiên liệu
• 1.2.4.2. Khai thác điện địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác
• 1.2.4.3. Quản lý nhiệt trong công nghiệp
• 1.2.4.4. Quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử
• 1.2.4.5. Làm mát hệ thống hạt nhân
• 1.2.4.6. Chất lỏng thông minh
• 1.2.4.7. Lĩnh vực không gian và quốc phòng
• 1.2.4.8. Sưởi ấm và giảm ô nhiễm
• 1.3. CHẤT LỎNG NANÔ TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH
• 1.3.1. Tổng quan về quản lý nhiệt cho vệ tinh
• 1.3.1.1. Nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp
• 1.3.1.2. Nhiệt từ bức xạ mặt trời phản xạ lại bề mặt trái đất (Albedo)
• 1.3.1.3. Bức xạ của trái đất phát ra
• 1.3.1.4. Ma sát với các phân tử chuyển động tự do (FHM)
• 1.3.1.5. Các phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh
• 1.3.2. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh
• 1.3.2.1. Hiệu quả dẫn nhiệt của CNTs so với chất lỏng nền thông thường
• 1.3.2.2. Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung vào lĩnh vực này
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS
• 2.1. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT ĐÃ CÔNG BỐ
• 2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG NANO CHỨA CNTS
• 2.2.1. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth và Patel
• 2.2.2. Mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền một thành phần
• 2.2.3. So sánh mô hình chất lỏng nền một thành phần với thực nghiệm
• 2.3. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CHO CHẤT LỎNG NANO ĐA THÀNH PHẦN
• 2.3.1. Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết
• 2.3.2. So sánh mô hình với thực nghiệm
• 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS CHO VỆ TINH
• 3.1. QUY TRÌNH CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐẶC CHỦNG CHỨA CNTS TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH
• 3.1.1. Vật liệu dùng trong chế tạo chất lỏng nano
• 3.1.2. Thiết bị dùng trong chế tạo chất lỏng nanô
• 3.1.3. Quá trình biến tính CNTs
• 3.1.4. Phân tán CNTs trong chất lỏng nền
• 3.1.5. Các phương pháp khảo sát và đo đạc
• 3.1.5.1. Phổ tán xạ Raman
• 3.1.5.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại
• 3.1.5.3. Phổ phân tán Zeta-Sizer
• 3.2. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG ĐẶC CHỦNG CHẾ TẠO ĐƯỢC
• 3.2.1. Kết quả biến tính
• 3.2.2. Kết quả phân tán
• 3.2.3. Dải nhiệt độ hoạt động
• 3.2.4. Khảo sát độ dẫn nhiệt
• 3.2.5. Tính toán độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ
• 3.2.6. Khảo sát tính chất khác
• 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS TRÊN MÔ HÌNH VỆ TINH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM
• 4.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH BUỒNG CHÂN KHÔNG NGHIÊN CỨU PHỎNG VỆ TINH CHO QUÁ TRÌNH QUẢN LÝ NHIỆT
• 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý của buồng chân không
• 4.1.2. Bản vẽ thiết kế mặt cắt của mô hình buồng chân không
• 4.1.3. Bản vẽ thiết kế 3D của mô hình buồng chân không
• 4.2. CHẾ TẠO MÔ HÌNH BUỒNG CHÂN KHÔNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VỆ TINH CHO QUÁ TRÌNH QUẢN LÝ NHIỆT
• 4.2.1. Chế tạo vỏ buồng chân không
• 4.2.2. Chế tạo bộ phận bức xạ nhiệt
• 4.2.3. Chế tạo bộ phận nhiệt độ thấp
• 4.2.4. Chế tạo hệ thống cảm biến và điều khiển
• 4.2.5. Lắp ráp hoàn thiện buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh
• 4.3. THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG NANO TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO MÔ HÌNH VỆ TINH
• 4.3.1. Mô hình vệ tinh
• 4.3.2. Tình huống giả định tản nhiệt cho linh kiện công suất vệ tinh ra vỏ vệ tinh
• 4.3.3. Tình huống giả định lấy nhiệt linh kiện công suất để sưởi ấm linh kiện lạnh
• 4.3.4. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs
• 4.3.4.1. Phương pháp mô phỏng
• 4.3.4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI CẢM ƠN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chất Lỏng Tản Nhiệt Cho Vệ Tinh

Nghiên cứu về chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (CNTs) đã thu hút sự quan tâm lớn từ giới khoa học và công nghệ kể từ khi CNTs được phát hiện vào năm 1991. Sau hơn hai thập kỷ phát triển, nhiều sản phẩm công nghệ cao ứng dụng CNTs đã ra đời với những tính năng vượt trội. CNTs có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hóa học đặc biệt và tiềm năng ứng dụng đột phá. Vật liệu ống nano cacbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống, với độ dẫn nhiệt biến đổi trong khoảng rộng. Ngoài ra, CNTs còn bền vững ở nhiệt độ cao trong chân không và môi trường khí trơ. CNTs cũng là vật liệu dẫn điện linh hoạt, với độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc. Với nhiều ưu điểm, CNTs khi được đưa vào vật liệu nền khác sẽ giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vệ tinh nhân tạo đòi hỏi sự khắt khe về quản lý nhiệt để đảm bảo các linh kiện hoạt động ổn định, qua đó nâng cao hiệu quả và tuổi thọ cho vệ tinh.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Cấu Trúc Ống Nano Cacbon CNTs

Ống nano cacbon (CNTs) được phát hiện vào năm 1991, mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực vật liệu nano. CNTs có cấu trúc hình ống, được tạo thành từ các lớp graphene cuộn lại. Cấu trúc này mang lại cho CNTs những tính chất độc đáo như độ bền cơ học cao, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện vượt trội. CNTs có thể là đơn lớp (SWCNTs) hoặc đa lớp (MWCNTs), mỗi loại có những đặc tính riêng biệt. Việc kiểm soát cấu trúc của CNTs là yếu tố then chốt để tối ưu hóa các ứng dụng của chúng. Nghiên cứu về cấu trúc và tính chất của CNTs tiếp tục là một lĩnh vực sôi động, với nhiều khám phá mới hứa hẹn những ứng dụng tiềm năng trong tương lai.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của CNTs trong Công Nghệ Tản Nhiệt

Với tính chất dẫn nhiệt cao, CNTs có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt của các thiết bị điện tử và hệ thống quản lý nhiệt. Việc sử dụng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt (nanofluid) có thể tăng cường khả năng truyền nhiệt, giúp làm mát hiệu quả hơn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm quản lý nhiệt cho CPU máy tính, vệ tinh, và các thiết bị điện tử công suất cao. Nghiên cứu về ứng dụng của CNTs trong tản nhiệt đang được tiến hành rộng rãi, với mục tiêu phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

II. Thách Thức Quản Lý Nhiệt Vệ Tinh và Giải Pháp Nanofluid

Trong môi trường không gian khắc nghiệt, vệ tinh phải đối mặt với sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt hướng về phía Mặt Trời và bề mặt khuất bóng. Các thiết bị điện tử trên vệ tinh cũng tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động, đòi hỏi hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả để duy trì nhiệt độ ổn định. Các phương pháp quản lý nhiệt truyền thống có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong việc tản nhiệt cho các linh kiện có mật độ công suất cao. Chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (nanofluid) nổi lên như một giải pháp tiềm năng, nhờ khả năng tăng cường truyền nhiệt và hiệu suất tản nhiệt.

2.1. Các Phương Pháp Quản Lý Nhiệt Truyền Thống cho Vệ Tinh

Các phương pháp quản lý nhiệt truyền thống cho vệ tinh bao gồm sử dụng vật liệu cách nhiệt, lớp phủ nhiệt, ống dẫn nhiệt (heat pipe), và hệ thống tản nhiệt thụ động. Vật liệu cách nhiệt giúp giảm thiểu sự trao đổi nhiệt giữa vệ tinh và môi trường xung quanh. Lớp phủ nhiệt được sử dụng để điều chỉnh khả năng hấp thụ và phát xạ nhiệt của bề mặt vệ tinh. Ống dẫn nhiệt truyền nhiệt từ các linh kiện nóng đến bộ tản nhiệt. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể không đủ hiệu quả trong một số trường hợp, đặc biệt là khi vệ tinh có mật độ công suất cao hoặc hoạt động trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt.

2.2. Ưu Điểm của Nanofluid trong Quản Lý Nhiệt Vệ Tinh

Chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (nanofluid) có nhiều ưu điểm so với chất lỏng tản nhiệt truyền thống. Nanofluid có khả năng tăng cường truyền nhiệt nhờ độ dẫn nhiệt cao của ống nano cacbon. Điều này giúp tản nhiệt hiệu quả hơn cho các linh kiện điện tử trên vệ tinh. Nanofluid cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống tản nhiệt chủ động, cho phép điều chỉnh hiệu suất tản nhiệt theo yêu cầu. Việc sử dụng nanofluid có thể giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống quản lý nhiệt trên vệ tinh.

III. Phương Pháp Chế Tạo và Phân Tán Ống Nano Cacbon Hiệu Quả

Để ứng dụng ống nano cacbon (CNTs) trong chất lỏng tản nhiệt, cần có phương pháp chế tạo và phân tán CNTs hiệu quả. Việc chế tạo CNTs đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và độ tinh khiết của vật liệu. Phân tán CNTs trong chất lỏng nền là một thách thức, do CNTs có xu hướng kết tụ lại với nhau. Các phương pháp phân tán bao gồm sử dụng chất hoạt động bề mặt, rung siêu âm, và biến tính bề mặt CNTs. Mục tiêu là tạo ra chất lỏng tản nhiệt ổn định, với CNTs phân tán đều và không bị lắng đọng.

3.1. Các Phương Pháp Chế Tạo Ống Nano Cacbon CNTs Phổ Biến

Có nhiều phương pháp chế tạo ống nano cacbon (CNTs), bao gồm phương pháp hồ quang điện, phương pháp bốc bay laser, và phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD). Phương pháp hồ quang điện là một trong những phương pháp đầu tiên được sử dụng để chế tạo CNTs. Phương pháp bốc bay laser cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và cấu trúc của CNTs. Phương pháp CVD là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, nhờ khả năng sản xuất CNTs với số lượng lớn và chi phí thấp.

3.2. Kỹ Thuật Phân Tán Ống Nano Cacbon CNTs Trong Chất Lỏng

Việc phân tán ống nano cacbon (CNTs) trong chất lỏng là một bước quan trọng để tạo ra chất lỏng tản nhiệt hiệu quả. Các kỹ thuật phân tán bao gồm sử dụng chất hoạt động bề mặt, rung siêu âm, và biến tính bề mặt CNTs. Chất hoạt động bề mặt giúp giảm sức căng bề mặt giữa CNTs và chất lỏng nền, tạo điều kiện cho CNTs phân tán đều hơn. Rung siêu âm cung cấp năng lượng để phá vỡ các cụm CNTs. Biến tính bề mặt CNTs giúp tăng cường khả năng tương tác giữa CNTs và chất lỏng nền.

3.3. Đánh Giá Độ Ổn Định của Nanofluid Chứa Ống Nano Cacbon

Độ ổn định của nanofluid là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất tản nhiệt lâu dài. Nanofluid không ổn định có thể dẫn đến sự lắng đọng của ống nano cacbon (CNTs), làm giảm khả năng truyền nhiệt. Các phương pháp đánh giá độ ổn định bao gồm đo kích thước hạt, đo thế zeta, và quan sát bằng kính hiển vi điện tử. Thế zeta là một chỉ số quan trọng, cho biết mức độ đẩy nhau giữa các hạt CNTs. Thế zeta càng cao, nanofluid càng ổn định.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Chất Lỏng Tản Nhiệt CNTs Cho Vệ Tinh

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất tản nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (CNTs) trong điều kiện mô phỏng môi trường không gian. Các thí nghiệm bao gồm đo độ dẫn nhiệt, độ nhớt, và khả năng chịu nhiệt của nanofluid. Mô hình vệ tinh được sử dụng để thử nghiệm hiệu suất tản nhiệt của nanofluid trong các tình huống khác nhau. Kết quả thực nghiệm cung cấp dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo nanofluid.

4.1. Đo Đạc Tính Chất Nhiệt của Nanofluid Chứa CNTs

Việc đo đạc các tính chất nhiệt của nanofluid là cần thiết để đánh giá khả năng tản nhiệt của nó. Các tính chất nhiệt quan trọng bao gồm độ dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt dung riêng, và hệ số giãn nở nhiệt. Độ dẫn nhiệt cao giúp nanofluid truyền nhiệt hiệu quả hơn. Độ nhớt thấp giúp giảm áp suất bơm và tiêu thụ năng lượng. Các thiết bị đo chuyên dụng được sử dụng để xác định các tính chất nhiệt này.

4.2. Thử Nghiệm Nanofluid Trên Mô Hình Vệ Tinh Trong Phòng Thí Nghiệm

Để đánh giá hiệu suất tản nhiệt của nanofluid trong điều kiện mô phỏng môi trường không gian, các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình vệ tinh trong phòng thí nghiệm. Mô hình vệ tinh được thiết kế để tái tạo các điều kiện nhiệt độ và áp suất tương tự như trên quỹ đạo. Nanofluid được sử dụng để tản nhiệt cho các linh kiện điện tử trên mô hình vệ tinh. Nhiệt độ của các linh kiện được theo dõi để đánh giá hiệu suất tản nhiệt của nanofluid.

V. Kết Quả và Ứng Dụng Chất Lỏng Tản Nhiệt CNTs Cho Vệ Tinh

Nghiên cứu về chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (CNTs) đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong quản lý nhiệt vệ tinh. Nanofluid có khả năng tăng cường truyền nhiệt và hiệu suất tản nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho các linh kiện điện tử trên vệ tinh. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm tản nhiệt cho CPU, GPU, và các thiết bị điện tử công suất cao. Việc sử dụng nanofluid có thể giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống quản lý nhiệt, đồng thời tăng tuổi thọ của vệ tinh.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Tản Nhiệt của Nanofluid Trong Các Tình Huống Khác Nhau

Hiệu quả tản nhiệt của nanofluid phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ ống nano cacbon (CNTs), loại chất lỏng nền, và điều kiện nhiệt độ. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất tản nhiệt của nanofluid trong các tình huống khác nhau, chẳng hạn như tản nhiệt cho CPU ở các mức công suất khác nhau, hoặc tản nhiệt trong môi trường nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy nanofluid có khả năng tản nhiệt tốt hơn so với chất lỏng tản nhiệt truyền thống trong nhiều tình huống.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế của Nanofluid Trong Quản Lý Nhiệt Vệ Tinh

Nanofluid có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong quản lý nhiệt vệ tinh. Việc sử dụng nanofluid có thể giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống quản lý nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất tản nhiệt và tuổi thọ của vệ tinh. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm tản nhiệt cho các linh kiện điện tử, điều khiển nhiệt độ của pin, và quản lý nhiệt cho các hệ thống quang học. Nghiên cứu và phát triển nanofluid tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của vệ tinh.

VI. Xu Hướng Phát Triển và Nghiên Cứu Chất Lỏng Tản Nhiệt CNTs

Lĩnh vực nghiên cứu chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon (CNTs) đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều hướng nghiên cứu mới được khám phá. Các nhà khoa học đang tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của nanofluid, tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo, và phát triển các ứng dụng mới trong quản lý nhiệt. Xu hướng phát triển bao gồm sử dụng các loại CNTs mới, kết hợp CNTs với các vật liệu nano khác, và phát triển các hệ thống tản nhiệt thông minh sử dụng nanofluid.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Về Nanofluid Chứa CNTs

Các hướng nghiên cứu mới về nanofluid chứa ống nano cacbon (CNTs) bao gồm: (1) Nghiên cứu về tính chất nhiệt của nanofluid ở quy mô nano, (2) Phát triển các phương pháp phân tán CNTs mới để cải thiện độ ổn định của nanofluid, (3) Nghiên cứu về ảnh hưởng của nanofluid đến các tính chất khác của hệ thống, chẳng hạn như độ bền và độ tin cậy, (4) Phát triển các hệ thống tản nhiệt thông minh sử dụng nanofluid.

6.2. Tương Lai của Công Nghệ Quản Lý Nhiệt Vệ Tinh Với Nanofluid

Công nghệ quản lý nhiệt vệ tinh với nanofluid hứa hẹn một tương lai đầy tiềm năng. Việc sử dụng nanofluid có thể giúp giảm kích thước và trọng lượng của vệ tinh, tăng hiệu suất và độ tin cậy, và mở ra các khả năng mới cho các nhiệm vụ không gian. Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ vệ tinh và khám phá không gian.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, và chất lỏng 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 chất lỏng tản nhiệt trình bày về hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs. Chương này cũng trình bày về tổng quan quản lý nhiệt cho vệ tinh, cũng như đưa ra lý do tại sao quản lý nhiệt bằng chất lỏng là phương án được chọn.

Chương 2 trình bày lý do cần thiết để đưa ra mô hình mới nhằm tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền đa thành phần chứa CNTs. Sau đó, luận án đưa ra các phương trình tính toán mô hình lý thuyết của mình và so sánh với kết quả thực nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình của luận án đưa ra các con số phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Chương 3 trình bày kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, kết quả chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs.

Kết quả cho thấy CNTs đã tăng đáng kể khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng đa thành phần. Chương 4 trình bày kết quả chế tạo chế tạo mô hình vệ tinh. Cùng với đó, một hệ mô phỏng môi trường không gian cũng được xây dựng để thử nghiệm mô hình vệ tinh. Chương này cũng trình bày kết quả thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs chế tạo được trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh.

Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê. Luận án được thực hiện tại khoa Khoa học Vật liệu và Năng lượng, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã phát triển thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng đa thành phần chứa CNTs. Mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm và đã được công bố trên các tạp chí quốc tế.

Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng thông số kỹ thuật trong quản lý nhiệt cho vệ tinh. 4 Luận án cũng đã xây dựng mô hình vệ tinh đơn giản để thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa CNTs trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 1.

Lịch sử phát triển Cácbon là một nguyên tố hóa học có ký hiệu C và số nguyên tử 6. Nó là phi kim và hóa trị 4 - tạo ra 4 electron để tạo thành liên kết hóa học cộng hóa trị. Nó thuộc nhóm 14 của bảng tuần hoàn. Cácbon chỉ chiếm khoảng 0,025% vỏ Trái đất [1].

Ba đồng vị của Cácbon tồn tại trong tự nhiên, với đồng vị 12C và 13C là ổn định, trong khi đồng vị 14C là một hạt nhân phóng xạ, phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 5. Trước đây người ta biết đến 3 dạng thù hình chính của Cácbon là kim cương, Graphit và Cácbon vô định hình (Fullerenes). Kim cương là một dạng rắn của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp trong một cấu trúc tinh thể được gọi là khối kim cương. Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển, một dạng rắn khác của Cácbon được gọi là than chì là dạng Cácbon ổn định về mặt hóa học, nhưng kim cương hầu như không bao giờ chuyển đổi thành dạng này.

Kim cương có độ cứng và độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ vật liệu tự nhiên nào, do vậy được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như cắt và đánh bóng các đồ vật. Đây cũng chính là lý do mà kim cương có thể chịu được áp lực sâu trong lòng đất, nơi chúng được tìm thấy. Graphit là một dạng tinh thể của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc hình lục giác. Nó xuất hiện tự nhiên ở dạng này và là dạng Cácbon ổn định nhất trong các điều kiện tiêu chuẩn.

Dưới áp suất và nhiệt độ cao, nó chuyển thành kim cương. Graphit được sử dụng trong bút chì và chất bôi trơn. Nó là một chất dẫn nhiệt và điện tốt. Độ dẫn điện cao của Graphit làm cho nó hữu ích trong các sản phẩm điện tử như điện cực, pin và tấm pin mặt trời [2].

Những phân tử Fullerene đầu tiên được phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1985 bởi các nhà khoa học Richard Smalley, Robert Curl, và Harry Kroto đến từ Đại học Rice và họ đã được trao giải Nobel cho khám phá này. Fullerene là các phân tử nanô cácbon đối xứng. Đây là những hợp chất có độ ổn định nhiệt độ và độ dẫn điện cao, do vậy mà thường được sử dụng trong vật liệu nanô tổng hợp. Fullerene được cấu tạo bởi các đa giác khác nhau, và các phân tử này được đặt tên theo số nguyên tử Cácbon có trong cấu trúc của chúng (Hình 1.

Phân tử Fullerene 6 có các nguyên tử Cácbon lai hóa sp2 và sp3. Một dạng Fullerene phổ biến là C60. Nó được đặt tên là Buckminster Fullerene, theo tên của một kiến trúc sư người Mỹ, Buckminster. Nó được tạo thành từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác.

Độ dài liên kết C-C trung bình trong C60 được tìm thấy là 1,44 A°, trong khi phân tử có đường kính là 7,09 A°. Fullene thường được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật graphite mài mòn bằng laser và phóng điện hồ quang. Do các điện tử π bị phân chia, các Fullerene có đáp ứng quang học phi tuyến lớn, ái lực điện tử cao và khả năng vận chuyển điện tích tốt. Các phân tử Fullerene có độ bền đặc biệt cao, do vậy có thể được sử dụng để làm cứng kim loại và hợp kim mà không làm giảm độ dẻo.

Fullerene cũng có tiềm năng trong các tụ điện xen kẽ, cảm biến, sợi phân tử, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [3]. Fullerene C60 Fullerene C70 Fullerene C80 (a) (b) (c) Hình 1. Cấu trúc cơ bản của các Fullerene: a) C60 b) C70 c) C80 Năm 1991, trong quá trình chế tạo Fullerene, S. Iijima đã khám phá ra một cấu trúc mới của Cácbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này được gọi là ống nanô cácbon đa tường (Multi Walled Cacrbon Nanotubes - MWCNTs).

Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô cácbon đơn tường (Single Walled Carbon Nanotubes - SWCNTs) có đường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường và CNTs đa tường (hình 1. Mặc dù có sự tương đồng nhất định, SWCNTs và MWCNTs có các tính chất vật lý khác nhau đáng kể vì sự khác biệt về cấu trúc của chúng. Đặc điểm quan trọng nhất giúp phân biệt SWCNTs là thành ống nano chỉ bao gồm một lớp graphene.

Nói cách khác, ống nano cácbon đơn tường có thể được mô tả như những 7 tấm graphene được cuộn lại liền mạch để tạo thành một hình trụ rỗng. Đó là lý do tại sao chúng còn được gọi là ống nano graphene (Graphene Nanotubes). Không giống như CNTs đơn tường, CNTs đa tường có thể được xem như một sự sắp xếp đồng tâm của các SWCNTs, tức là bao gồm nhiều lớp graphene được cuộn lại liền mạch thành các ống đồng trục. Những khác biệt này giữa CNTs đơn tường và đa tường dẫn đến các đặc tính khác nhau đáng kể và các tác động khác nhau lên vật liệu sau khi chúng được đưa vào sử dụng.

Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs b) MWCNTs Luận án này tập trung nghiên cứu chế tạo chất lỏng nanô chứa thành phần CNTs đa tường ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh. Cấu trúc của CNTs Cácbon có thể liên kết theo nhiều cách khác nhau để tạo ra các cấu trúc với các đặc tính hoàn toàn khác nhau. Sự lai hóa sp2 của Cácbon tạo ra một cấu trúc phân lớp với liên kết ngoài mặt phẳng yếu của dạng Van Der Waals và các giới hạn trong mặt phẳng mạnh. Để tạo thành MWCNTs, một vài đến vài chục hình trụ đồng tâm được đặt xung quanh một lõi rỗng ở trung tâm.

Phép phân tích không gian thực của các hình ảnh ống nanô đa tường đã chỉ ra một dải khoảng cách giữa các lớp (0,34 đến 0,39 nm) [5]. Tùy thuộc vào số lớp, đường kính trong của MWCNTs khác nhau từ 0,4 nm đến vài nanomet và đường kính ngoài thay đổi từ 2 nm đến 20 hoặc 30 nm. Cả hai đầu của MWCNTs thường đóng lại và các đầu được bao phủ bởi các phân tử nửa 8 Fullerene hình vòm (khuyết tật hình ngũ giác), với kích thước trục khác nhau từ 1 μm đến vài cm. Vai trò của các phân tử nửa Fullerene (khuyết tật vòng ngũ giác) là giúp đóng ống ở hai đầu.

Mặt khác, đường kính SWCNTs khác nhau từ 0,4 đến 2 hoặc 3 nm, và chiều dài của chúng thường thuộc phạm vi micromet. Các SWCNTs thường có thể kết hợp với nhau và tạo thành các bó (dây). Trong cấu trúc bó, SWCNTs được sắp xếp theo hình lục giác để tạo thành một cấu trúc giống như tinh thể [5]. Phụ thuộc vào hình dạng sắp xếp của các đa giác, có ba dạng SWCNTs khác nhau là: armchair, chiral và zigzag (Hình 1.

Cấu trúc của SWCNTs được đặc trưng bởi một cặp chỉ số (n, m) mô tả vectơ bất đối xứng và có ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính điện của ống nanô. Số lượng vectơ đơn vị trong mạng tinh thể dạng tổ ong của graphene dọc theo hai hướng được xác định bởi các số nguyên n và m. Theo quy ước chung, khi m = 0, các ống nanô được đặt tên là ống nanôzigzag; khi n = m, các ống nanô được đặt tên là ống nanô armchair, và ở các trạng thái khác được gọi là chiral [6]. Vecto Chỉral có thể dùng để xác định đường kính ống [6] Vectơ chiral C = n.a2 (a1 và a2 là vectơ ô cơ sở của than chì) cũng được dùng để xác định đường kính ống (d), và vectơ này có thể tìm ra hướng lăn của tấm graphene.

Do đó, đường kính của một ống cácbon có thể được tính bằng: a (n 2 + m 2 + nm) d= (1.1) P trong đó 𝑎 = 1,42 × √3Å tương ứng với hằng số mạng trong tấm graphit.