Chương 1 trình bày trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, chất lỏng tản nhiệt và kem 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 vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao gồm phương pháp tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng, thực nghiệm chế tạo và thử nghiệm ứng dụng.
Chương 2 cũng trình bày về các phương pháp nghiên cứu phân tích ño ñạc sử dụng trong luận án, bao gồm: phép phân tích kính hiển vi ñiện tử, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy ño phổ phân tán Zeta-Sizer. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 3 cũng trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất. Chương 4 trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, kết quả chế tạo chất lỏng tản nhiệt (nền glycol/nước cất) và kem tản nhiệt (nền Stars và AS5) chứa thành phần CNTs.
Chương 4 cũng trình bày kết quả thử nghiệm chất lỏng và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo ñược trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn (CPU và ñèn LED). Ở cuối luận án, danh sách những công trình ñã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo ñã ñược liệt kê. Luận án ñược thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 3 Những ñóng góp mới của luận án Luận án ñã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm ñã công bố trên các tạp chí quốc tế.
Luận án ñã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện ñiện tử công suất (CPU và ñèn LED). TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình Nguyên tố cácbon ñứng ở vị trí thứ 6, thuộc chu kỳ thứ 2 và nhóm 4B trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu tạo của nguyên tử cácbon C12 (dạng ñồng vị phổ biến nhất của nguyên tố cácbon) gồm có 6 proton, 6 nơtron và 6 ñiện tử, nguyên tử lượng của cácbon là 12. Cấu hình ñiện tử của cácbon là 1s22s22p2.
Cácbon liên kết hóa học với các nguyên tử xung quanh bằng kiểu liên kết cộng hóa trị. Theo lý thuyết lai hóa, nguyên tử cácbon ñóng góp các electron dùng chung từ ba trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3.1 biểu diễn trạng thái lai hóa và ñịnh hướng không gian tương ứng của chúng. Lai hóa sp1 là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai hóa sp ñồng nhất, hướng về hai phía của một ñường thẳng. Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 ñồng nhất, hướng về 3 ñỉnh của tam giác ñều.
Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 ñồng nhất hướng về 4 ñỉnh của hình tứ diện ñều. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon. [1] 180o 120o 109,5o sp1 sp2 sp3 Phân tử C2H2 Phân tử C2H4 Phân tử C2H6 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñịnh hướng trong không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C2H2, C2H4 và C2H6 [1] 5 Trong tự nhiên, cácbon xuất hiện ở ba dạng thù hình tiêu biểu ñó là than, graphit và kim cương. Dạng thù hình phổ biến nhất xét về mặt số lượng ñó là than, có màu ñen, dễ cháy, xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than ñá, than cốc, than nâu, than gỗ, v.
[1] Dạng thù hình phổ biến thứ hai xét về mặt số lượng ñó là graphit, ñây là dạng thù hình dẫn ñiện tốt của cácbon. Người ta cũng có thể coi graphit như là một dạng ñặc biệt của than, vì vậy nó còn ñược gọi với một tên khác là “than chì”. Graphit có hàm lượng cácbon cao xấp xỉ 100%. Về mặt cấu trúc, các nguyên tử cácbon trong graphit ñược sắp xếp theo các lớp, mỗi lớp có cấu trúc tinh thể như một mạng tổ ong (hình lục giác) với ñỉnh là các nguyên tử cácbon.
Các nguyên tử cácbon trong graphit liên kết với nhau bằng hai liên kết ñơn (σ) và một liên kết ñôi (π). Trong hầu hết dạng tinh thể lục giác, các lớp graphit nằm song song với cấu trúc xếp lớp ABA,… hay còn gọi là ñống Bernal như mô tả trên hình 1. Trong cùng mặt phẳng, khoảng cách gần nhất của hai nguyên tử cácbon aC-C là 0,142 nm, hằng số mạng của mặt tinh thể là a0 = 0,246 nm. Hằng số mạng trục c là c0 = 0,668 nm và khoảng cách giữa hai lớp mạng liền kề nhau là c0/2 = 0,334 nm.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) [1] Graphit có khối lượng riêng khoảng 2,26 g/cm3.
Liên kết giữa các ñơn lớp graphite khá yếu do sự chồng phủ của các quỹ ñạo nguyên tử của các lớp lân cận là nhỏ. Lực liên kết giữa các ñơn lớp graphit chủ yếu là lực Van der Waals do khoảng cách giữa các lớp graphit vào khoảng 0,334 nm. Tuy nhiên lực Van der Waals khá yếu 6 nên các lớp graphit rất dễ trượt lên nhau. Ngược lại, do liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong một ñơn lớp graphite rất mạnh (liên kết σ và π) nên mặt graphit rất bền vững về mặt cơ học.
Lợi dụng ñặc tính này, graphit ñược sử dụng làm chất bôi trơn dạng rắn, chổi than, lõi bút chì, v. [1] Dạng thù hình phổ biến và rất nổi tiếng thứ ba của cácbon là kim cương. Kim cương ñược biết ñến là một dạng thù hình rất quý hiếm của cácbon tồn tại ở hai cấu trúc tinh thể cơ bản là lập phương và lục giác với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong dạng cấu trúc tinh thể lập phương, mỗi nguyên tử cácbon ñược liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác bằng bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp3 trong một mạng tứ diện với ñộ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm.
Cấu trúc tinh thể kim cương dạng này là cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC), với một ô cơ sở có hai nguyên tử, nguyên tử thứ nhất có ở vị trí (0,0,0), nguyên tử cácbon thứ hai ở vị trí (1/4, 1/4, 1/4) và hằng số mạng là a0=3,567 Ǻ. Trong dạng cấu trúc tinh thể lục giác (wurzite), ñộ dài kiên kết C-C vào khoảng 0,152 nm. Kim cương có cấu trúc tinh thể lục giác cũng ñược gọi với một tên khác là kim cương sáu phương (lonsdaleite), chỉ ñược tìm thấy ở một số thiên thạch.3 mô tả cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương và dạng lục giác.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b) [1] 1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần ñây ñã khám phá ra một loạt các cấu trúc mới của nguyên tố cácbon, ñó là vật liệu cácbon cấu trúc nanô. Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể ñộc ñáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý, hóa học, cơ học ưu việt.
Chính vì vậy, cácbon cấu trúc nanô là ñối tượng ñược tập trung nghiên cứu mạnh mẽ trên cả hai phương diện, khoa học cơ bản và khoa học ứng 7 dụng. Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu của nguyên tố cácbon ñiển hình gồm nanô kim cương, quả cầu fullerene, ống nanô cácbon ña tường (MWCNTs), ống nanô cácbon ñơn tường (SWCNTs) và graphene. [1] Nanô kim cương là tên gọi chung cho sự tồn tại của kim cương ở kích thước nanô. Chúng có thể tồn tại ở dạng hạt, ñám, hoặc sự pha trộn của cả hai.
Nanô kim cương ñược nghiên cứu và tổng hợp bằng phản ứng tại áp suất cao - nhiệt ñộ cao (High Pressure and High Temperature - HPHT) của các hợp chất chứa nguyên tử cácbon. Môi trường HPHT có thể ñược tạo ra bởi sóng xung kích (Shock wave). Ở ñiều kiện này cho phép hình thành kim cương ña tinh thể trong ñó chứa pha nanô kim cương ở kích thước 10 nm - 20 nm (1961) [72]. Năm 1963, Danilenko và các cộng sự ñã tổng hợp thành công các hạt nanô kim cương kích thước 5 nm - 20 nm ở dạng tụ ñám bằng cách kích nổ hợp chất chứa nguyên tử cácbon (graphit) [3].
Vật liệu nanô kim cương thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó có tính chất tiêu biểu như trơ về mặt hóa học, bền về mặt cơ học và chịu ñược nhiệt ñộ cao, dẫn nhiệt tốt. Bột nanô kim cương ñược sử dụng làm màng bảo vệ ñể tăng khả năng chống mài mòn, chịu ñược nhiệt ñộ cao của vật liệu nền. Ngoài ra, ngành y sinh cũng tìm thấy sự hấp dẫn từ nanô kim cương do vật liệu này có tính tương thích sinh học và khả năng thụ ñộng hóa bề mặt. Vì những ñặc ñiểm này nanô kim cương ñược nghiên cứu sử dụng trong y khoa như là chất vận chuyển thuốc và dán nhãn sinh học.
Bên cạnh phương pháp HPHT, phương pháp lắng ñọng pha hơi hóa học (CVD) cũng ñược sử dụng rộng rãi ñể chế tạo màng mỏng nanô kim cương và ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến, linh kiện ñiện tử chân không. Sử dụng màng mỏng kim cương cho phép các thiết bị ñiện tử hoạt ñộng trong môi trường không thuận lợi như nhiệt ñộ cao, bức xạ hạt nhân và nhiễu từ mạnh. Vật liệu fullerene ñược chính thức thừa nhận năm 1985. Vật liệu này là tập hợp các nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác với hình dạng phổ biến là hình cầu.
Cũng như nanô kim cương, vật liệu fullerene có nhiều tính chất lý thú xuất phát từ cấu trúc tinh thể kỳ lạ của nó.