Nghiên Cứu Chế Tạo và Khảo Sát Tính Chất Kem Tản Nhiệt Silicon Chứa Graphene Nanoplatelets

• Tác giả: Mai Thị Phƣợng
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Hùng Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Kem Tản Nhiệt Silicon Chứa Thành Phần Graphene Nanoplatelets
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp cao học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano
• 1.2. Các vật liệu cácbon cấu trúc nano
• 1.3. Vật liệu vật liệu Graphene
• 1.4. Tính chất nhiệt của vật liệu graphene
• 1.5. Ứng dụng của vật liệu graphene
• 1.6. Tổng quan về kem tản nhiệt
• 1.7. Vật liệu tiếp giáp
• 1.8. Phân loại vật liệu tiếp giáp
• 1.9. Thành phần và tính chất kem tản nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Đề xuất ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt
• 2.2. Các hóa chất và thiết bị sử dụng chế tạo vật liệu
• 2.2.1. Các hóa chất và vật liệu sử dụng
• 2.2.2. Các trang thiết bị
• 2.3. Phương pháp chế tạo
• 2.3.1. Phương pháp biến tính Gr-COOH
• 2.3.2. Quy trình chế tạo kem tản nhiệt graphene
• 2.4. Các phương pháp phân tích và khảo sát tính chất vật liệu
• 2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)
• 2.4.2. Phổ tán xạ Raman
• 2.4.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier
• 2.4.4. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả biến tính vật liệu graphene
• 3.2. Kết quả phân tán graphene trong nền kem silicon
• 3.3. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt
• 3.4. Kết quả mô hình tính toán lý thuyết
• 3.5. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Kem Tản Nhiệt Graphene Giới Thiệu Tổng Quan Và Tiềm Năng Lớn

Kem tản nhiệt là vật liệu quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ bền của linh kiện điện tử. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nhu cầu tản nhiệt hiệu quả ngày càng tăng. Kem tản nhiệt truyền thống thường sử dụng các chất kết dính có độ dẫn nhiệt thấp, làm giảm hiệu quả tản nhiệt. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện kem tản nhiệt silicon bằng cách bổ sung graphene nanoplatelets, một vật liệu có độ dẫn nhiệt vượt trội. Mục tiêu là tạo ra một loại kem tản nhiệt hiệu năng cao hơn, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các thiết bị điện tử hiện đại. Tài liệu gốc chỉ ra rằng: "Do kem tản nhiệt thông thường có chứa rất nhiều chất kết dính với độ dẫn nhiệt thấp làm ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của toàn bộ kem tản nhiệt."

1.1. Vật Liệu Tản Nhiệt Nano Xu Hướng Phát Triển Mới

Công nghệ nano mang đến những vật liệu mới với đặc tính vượt trội, trong đó có graphene. Graphene nanoplatelets thể hiện tiềm năng lớn trong việc tăng cường độ dẫn nhiệt của vật liệu composite. Việc ứng dụng công nghệ nano vào kem tản nhiệt hứa hẹn mang lại những giải pháp tản nhiệt hiệu quả hơn, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị điện tử. Nghiên cứu và phát triển vật liệu tản nhiệt nano là một xu hướng tất yếu trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

1.2. Tại Sao Chọn Graphene Nanoplatelets Cho Kem Tản Nhiệt

Graphene sở hữu độ dẫn nhiệt cực cao, vượt trội so với nhiều vật liệu khác. Graphene nanoplatelets có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường tiếp xúc nhiệt giữa các thành phần trong kem tản nhiệt. Việc sử dụng graphene trong kem tản nhiệt có thể cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt, giúp các thiết bị điện tử hoạt động ổn định và bền bỉ hơn. Hơn nữa, graphene nanoplatelets có thể được tổng hợp và xử lý với chi phí tương đối hợp lý, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi.

II. Vấn Đề Hiệu Quả Tản Nhiệt Kém Của Kem Truyền Thống

Mặc dù kem tản nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt từ bề mặt linh kiện đến bộ tản nhiệt, hiệu quả của kem tản nhiệt truyền thống vẫn còn nhiều hạn chế. Các chất kết dính trong kem có độ dẫn nhiệt thấp, tạo ra rào cản cho dòng nhiệt. Ngoài ra, sự phân bố không đều của các hạt dẫn nhiệt trong kem cũng làm giảm hiệu quả tản nhiệt. Vì vậy, cần có những giải pháp mới để cải thiện hiệu suất tản nhiệt của kem tản nhiệt, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao. Như tài liệu đã đề cập: "Do bề mặt nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt có độ mấp mô, không tiếp xúc hoàn toàn với nhau nên hiệu quả tản nhiệt bị giảm đi đáng kể tại lớp tiếp giáp".

2.1. Thành Phần Kem Tản Nhiệt Truyền Thống Và Hạn Chế

Kem tản nhiệt truyền thống thường bao gồm các chất kết dính (như silicon), các hạt dẫn nhiệt (như oxit kim loại), và các phụ gia khác. Tuy nhiên, chất kết dính silicon có độ dẫn nhiệt tương đối thấp, làm giảm hiệu quả tản nhiệt tổng thể. Các hạt dẫn nhiệt có thể không phân tán đều trong nền kem, tạo ra các vùng cục bộ có điện trở nhiệt cao. Những hạn chế này làm giảm khả năng tản nhiệt của kem, đặc biệt trong các ứng dụng công suất cao.

2.2. Ảnh Hưởng Của Độ Nhớt Kem Tản Nhiệt Đến Tản Nhiệt

Độ nhớt kem tản nhiệt ảnh hưởng đến khả năng lấp đầy các khe hở siêu nhỏ giữa bề mặt linh kiện và bộ tản nhiệt. Nếu kem quá đặc, nó có thể không lấp đầy hoàn toàn các khe hở, tạo ra các điểm nóng. Nếu kem quá loãng, nó có thể bị tràn ra ngoài hoặc chảy đi sau một thời gian sử dụng. Độ nhớt tối ưu là yếu tố quan trọng để đảm bảo kem tản nhiệt hoạt động hiệu quả và ổn định trong thời gian dài. Cần phải cân bằng giữa khả năng lấp đầy khe hở và khả năng duy trì vị trí của kem.

2.3. Sự Ổn Định Nhiệt Yếu Tố Quan Trọng Của Kem Tản Nhiệt

Kem tản nhiệt cần duy trì ổn định nhiệt trong quá trình hoạt động, không bị phân hủy hoặc biến đổi tính chất ở nhiệt độ cao. Sự phân hủy của kem có thể làm giảm độ dẫn nhiệt, tăng điện trở nhiệt, và thậm chí gây ăn mòn bề mặt linh kiện. Do đó, khả năng chịu nhiệt kem tản nhiệt là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi lựa chọn và sử dụng kem tản nhiệt.

III. Phương Pháp Biến Tính Graphene Nanoplatelets Cải Thiện Phân Tán

Để graphene nanoplatelets phân tán tốt trong nền silicon, cần thực hiện biến tính bề mặt. Biến tính bằng nhóm chức -COOH giúp tăng cường tương tác giữa graphene và silicon, cải thiện độ phân tán và ổn định của graphene trong kem. Quá trình này bao gồm các bước xử lý hóa học để gắn nhóm -COOH lên bề mặt graphene. Các phép đo phổ Raman và FTIR được sử dụng để xác định sự biến đổi cấu trúc và liên kết của graphene sau khi biến tính. Theo nghiên cứu, việc biến tính giúp "biến đổi của cấu trúc và xác định các liên kết của nhóm chức thông qua các phéo đo phổ Raman và phổ FTIR".

3.1. Tổng Hợp Graphene Nanoplatelets Và Quy Trình Biến Tính

Việc tổng hợp graphene nanoplatelets có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, như bóc tách cơ học, oxy hóa khử, hoặc CVD. Sau khi tổng hợp, graphene cần được biến tính bề mặt để cải thiện độ phân tán trong nền kem. Quy trình biến tính thường bao gồm các bước oxy hóa để tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphene, sau đó gắn nhóm -COOH thông qua các phản ứng hóa học.

3.2. Đánh Giá Độ Phân Tán Graphene Bằng Kính Hiển Vi Điện Tử Quét

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ hiệu quả để đánh giá phân tán graphene nanoplatelets trong nền kem tản nhiệt. Ảnh SEM cho phép quan sát trực tiếp sự phân bố của graphene trong kem, xác định kích thước và hình dạng của các hạt graphene, và phát hiện các cụm graphene. Độ phân giải cao của SEM giúp đánh giá chính xác độ phân tán của graphene ở quy mô nanomet.

IV. Nghiên Cứu Khảo Sát Độ Dẫn Nhiệt Kem Chứa Graphene Nanoplatelets

Độ dẫn nhiệt là một trong những thông số quan trọng nhất của kem tản nhiệt. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đo nhiệt THB để xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa graphene nanoplatelets. Các mẫu kem được chế tạo với các nồng độ graphene khác nhau và thời gian nghiền khác nhau. Kết quả đo được so sánh với kem tản nhiệt silicon thông thường để đánh giá hiệu quả của việc bổ sung graphene.

4.1. Phương Pháp Đo Độ Dẫn Nhiệt THB 100 Và Độ Chính Xác

Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100 là một phương pháp dựa trên nguyên lý nguồn nhiệt quá độ. Nó cho phép đo độ dẫn nhiệt của vật liệu một cách nhanh chóng và chính xác. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng của thiết bị đo, điều kiện môi trường, và quy trình đo. Cần thực hiện các phép đo lặp lại và kiểm tra sai số để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

4.2. Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ Graphene Trong Kem Tản Nhiệt

Tỷ lệ graphene trong kem tản nhiệt có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt của kem. Khi tăng tỷ lệ graphene, độ dẫn nhiệt của kem thường tăng lên, nhưng đến một mức nào đó có thể đạt đến điểm bão hòa. Việc tăng quá nhiều graphene có thể làm giảm độ nhớt của kem, gây khó khăn trong quá trình sử dụng. Cần tối ưu hóa tỷ lệ graphene để đạt được độ dẫn nhiệt cao nhất mà vẫn đảm bảo các tính chất cơ lý khác của kem.

V. Ứng Dụng Thử Nghiệm Tản Nhiệt Cho Vi Xử Lý Intel Core i5

Để đánh giá hiệu quả thực tế của kem tản nhiệt graphene, thử nghiệm tản nhiệt cho vi xử lý Intel Core i5 được thực hiện. Nhiệt độ của CPU được theo dõi trong quá trình hoạt động với các tải khác nhau. Kết quả cho thấy kem tản nhiệt graphene giúp giảm nhiệt độ CPU so với kem tản nhiệt silicon thông thường, chứng minh khả năng tản nhiệt vượt trội của nó. Dữ liệu được thu thập và phân tích để so sánh hiệu năng và đánh giá tiềm năng ứng dụng. Theo tài liệu gốc: "Kết quả thử nghiệm ứng dụng kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel Core i5 cho thấy hiệu quả cũng như tiềm năng ứng dụng lớn trong tản cho CPU nói riêng và các linh kiện, thiết bị điện tử công suất lớn nói chung".

5.1. Thiết Lập Thử Nghiệm Và Phần Mềm Đo Nhiệt Độ CPU

Thử nghiệm được thực hiện trên một hệ thống máy tính với vi xử lý Intel Core i5. Phần mềm đo nhiệt độ CPU, như Core Temp, được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của các lõi CPU trong thời gian thực. Các thông số khác của hệ thống, như tốc độ quạt tản nhiệt, cũng được ghi lại để đảm bảo tính nhất quán của thử nghiệm. Cần kiểm soát các yếu tố ngoại vi để đảm bảo kết quả đo chính xác và khách quan.

5.2. So Sánh Nhiệt Độ CPU Khi Sử Dụng Kem Tản Nhiệt Graphene

Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt graphene thấp hơn so với khi sử dụng kem tản nhiệt silicon thông thường. Sự khác biệt về nhiệt độ thể hiện rõ hơn khi CPU hoạt động với tải nặng. Điều này chứng minh rằng kem tản nhiệt graphene có khả năng tản nhiệt hiệu quả hơn, giúp duy trì nhiệt độ CPU ở mức an toàn và ổn định.

VI. Kết Luận Graphene Nanoplatelets Tương Lai Của Kem Tản Nhiệt

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của graphene nanoplatelets trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt của kem tản nhiệt silicon. Việc biến tính bề mặt graphene giúp tăng cường độ phân tán và ổn định của nó trong kem. Kem tản nhiệt graphene cho thấy khả năng tản nhiệt vượt trội trong thử nghiệm thực tế trên vi xử lý Intel Core i5. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho vật liệu tản nhiệt tiên tiến, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các thiết bị điện tử hiện đại. Như đã kết luận trong tài liệu nghiên cứu: "Việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp, điều kiện tối ưu để chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu về mặt khoa học, làm chủ được quy trình và công nghệ chế tạo vật liệu".

6.1. Đánh Giá Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Kem Tản Nhiệt Graphene

Kem tản nhiệt graphene có nhiều ưu điểm, như độ dẫn nhiệt cao, khả năng tản nhiệt hiệu quả, và tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế, như chi phí sản xuất có thể cao hơn so với kem tản nhiệt silicon thông thường, và cần tối ưu hóa quy trình biến tính để đảm bảo độ phân tán tốt của graphene. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế này và tận dụng tối đa tiềm năng của kem tản nhiệt graphene.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Vật Liệu Tản Nhiệt Hiệu Quả

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình biến tính graphene, giảm chi phí sản xuất, và cải thiện độ bền của kem tản nhiệt. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại vật liệu tản nhiệt khác, như ống nanô cácbon, hoặc các vật liệu composite khác. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra những vật liệu tản nhiệt hiệu quả hơn, giá thành hợp lý hơn, và thân thiện với môi trường hơn.