Nghiên Cứu Chế Tạo Và Ứng Dụng Chất Lỏng Tản Nhiệt Chứa Thành Phần Ống Nanô Cacbon Trong Quản Lý Nhiệt Cho Vệ Tinh

• 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
• 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

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.