Tổng quan luận án

Sự gia tăng mật độ tích hợp của các vi mạch bán dẫn và xu hướng thu nhỏ kích thước thiết bị điện tử làm mật độ công suất tỏa nhiệt trên một đơn vị diện tích tăng cao. Hiện tượng tích tụ nhiệt lượng làm suy giảm hiệu năng hoạt động, gây mất ổn định hệ thống và rút ngắn tuổi thọ của các linh kiện điện tử công suất lớn như vi xử lý máy tính (CPU) và điốt phát quang (LED). Trong các hệ thống làm mát thông thường, vật liệu truyền dẫn nhiệt đóng vai trò then chốt nhưng lại tồn tại các giới hạn vật lý: các chất lỏng cơ sở (nước cất, ethylene glycol) có hệ số dẫn nhiệt tương đối thấp; các lớp vật liệu tiếp xúc nhiệt dạng keo/kem thương mại có độ dẫn nhiệt thấp hơn nhiều so với kim loại của đế tản nhiệt, đồng thời các khe hở không khí vi mô tại bề mặt tiếp giáp giữa linh kiện và bộ tản nhiệt làm tăng đáng kể nhiệt trở tiếp xúc.

Ống nanô cácbon (CNTs) sở hữu các đặc tính vật lý và nhiệt học cao với hệ số dẫn nhiệt dọc theo trục ống biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK, độ bền nhiệt cao trong chân không và môi trường trơ (lên đến 2800°C), cùng độ bền cơ học lớn. Tuy nhiên, việc ứng dụng CNTs vào môi trường nền hữu cơ gặp phải trở ngại lớn do lực hút Van der Waals và diện tích bề mặt riêng cao khiến các ống CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng nhanh chóng. Bên cạnh đó, các mô hình lý thuyết cổ điển trước đây chưa phản ánh chính xác cơ chế dẫn nhiệt thực tế của chất lỏng chứa CNTs. Do đó, khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết là việc chức hóa bề mặt CNTs để phân tán ổn định vào môi trường chất lỏng và kem thương mại, xây dựng mô hình tính toán lý thuyết cải tiến có độ chính xác cao hơn, kết hợp mô phỏng số và khảo nghiệm thực tế trên các linh kiện điện tử công suất lớn.

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn.

Để đạt được mục đích trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai theo thứ tự đánh số trong văn bản luận án như sau:

  1. Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon.
  2. Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon cho linh kiện điện tử công suất.
  3. Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanô cácbon với nhóm chức -COOH và -OH.
  4. Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU và LED).
  5. Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.
  6. Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:

  • Chất lỏng nền hữu cơ ethylene glycol / nước cất chứa thành phần CNTs.
  • Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs (STARS/CNTs).
  • Kem tản nhiệt Arctic Silver 5 chứa thành phần CNTs (AS5/CNTs).

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, sử dụng hệ thống trang thiết bị phân tích của Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử.
  • Thời gian: Công trình luận án tiến sĩ được hoàn thành và bảo vệ vào năm 2015.
  • Giới hạn ứng dụng: Khảo nghiệm khả năng tản nhiệt thực tế trên các linh kiện vi xử lý CPU (Intel Pentium IV, Intel Core-i5) và hệ thống điốt phát quang công suất cao (chip LED 50 W, đèn pha LED 450 W, mô-đun đèn LED 100 W lắp đặt trong vỏ đèn đường chiếu sáng công cộng).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các mốc phát triển chính của vật liệu cácbon và các công trình nghiên cứu về chất lỏng nanô cũng như vật liệu tiếp xúc nhiệt trên thế giới:

  • Lịch sử hình thành và phát triển vật liệu cácbon: Phát hiện cấu trúc sợi cácbon kích thước nanomet bằng phương pháp CVD của nhóm M. Endo (1976); phát hiện fullerene (1985); S. Iijima công bố cấu trúc ống nanô cácbon bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (1991); tổng hợp SWCNTs (1993); tổng hợp nanô kim cương bằng phản ứng nổ graphit của Danilenko và cộng sự (1963); chế tạo graphene (2004).
  • Nghiên cứu chế tạo chất lỏng nanô: Kỹ thuật ngưng tụ hơi vật lý một bước chế tạo chất lỏng nanô Cu/Ethylene Glycol của nhóm Eastman; phương pháp hóa học một bước hỗ trợ vi sóng chế tạo hạt Cu phân tán trong ethylene glycol của nhóm Zhu; phương pháp hóa học một bước hỗ trợ siêu âm sử dụng chất hoạt động bề mặt polyvinylpyrrolidone (PVP) tạo chất lỏng nanô bạc trong ethanol của A. Singh; hệ thống hồ quang trong chất lỏng (SANSS) để tổng hợp hạt nanô phân tán trực tiếp.
  • Khảo sát độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô chứa hạt oxit: Nhóm Xie khảo sát tính dẫn nhiệt và độ nhớt của môi trường ethylene glycol chứa các hạt oxit kích thước nanô gồm MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2.
Vật liệu oxit Độ dẫn nhiệt oxit (W/mK) Độ tăng hệ số dẫn nhiệt (%) Cấu trúc tinh thể Độ nhớt (Cp) với 5,0% thể tích hạt
MgO 48,4 40,6 Lập phương 4,2
TiO2 8,4 27,2 Bốn phương 4,6
ZnO 29,0 26,8 Lục giác 6,4
Al2O3 36,0 25,6 Tam giác 5,5
SiO2 1,4 19,0 Vô định hình 7,8
  • Nghiên cứu chất lỏng nanô chứa CNTs: Nghiên cứu của Xie và cộng sự chỉ ra ống CNTs chưa biến tính khi phân tán trong nước ở nồng độ 0,175% sẽ bị lắng đọng chỉ sau 5 phút do lực hút liên kết phân tử; nhóm Jiang dùng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) để tạo lực đẩy tĩnh điện ngăn ngừa kết tụ; nhóm Choi đo độ dẫn nhiệt của dầu poly(α-olefin) chứa SWCNTs, ghi nhận độ dẫn nhiệt tăng 160% khi bổ sung 1,75% thể tích SWCNTs; nhóm Lifei Chen khảo sát độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và ethylene glycol (EG) theo nồng độ thể tích CNTs, ghi nhận độ dẫn nhiệt của EG tăng 10 - 15%; nhóm Salma Halelfadl chứng minh MWCNTs giúp tăng 40% độ dẫn nhiệt của nước cất ở 40°C với nồng độ 0,28% thể tích, và tăng ít nhất 10% ở nồng độ 0,05% khối lượng; Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj (Viện Công nghệ Guwahati, Ấn Độ) đưa CNTs vào EG ở tỷ lệ 0,12 - 0,4% thể tích để làm mát động cơ ô tô; Sandesh S. Chougule so sánh hiệu quả tản nhiệt giữa chất lỏng CNTs và Al2O3; Rashmi Walvekar khảo sát nồng độ 0,051 - 0,085% khối lượng CNTs ghi nhận hiệu quả trao đổi nhiệt tăng từ 9% đến 67%.
  • Nghiên cứu ứng dụng tản nhiệt và truyền nhiệt khác: Jang và Choi kết hợp vi kênh làm mát silicon với chất lỏng nanô; Tsaia dùng hạt nanô vàng trong ống dẫn nhiệt; Kole làm mát động cơ bằng Al2O3 phân tán trong chất làm mát tiêu chuẩn HP KOOLGARD (tăng 10,41% độ dẫn nhiệt ở 3,5% thể tích hạt); Tzeng làm mát hộp số tự động bằng dầu chứa CuO và Al2O3; Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne đánh giá khả năng giảm diện tích mặt tản nhiệt ô tô 10% và tiết kiệm 5% nhiên liệu; Kulkarni ứng dụng chất lỏng nanô trong mạng lưới sưởi ấm vùng lạnh; Sandesh S. Said thu nhiệt mặt trời đạt hiệu suất 63% với chất lỏng chứa 60% CNTs; Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) khảo cứu ứng dụng chất lỏng nanô trong lò phản ứng hạt nhân PWR, BWR và hệ thống làm mát lõi khẩn cấp ECCSs.
  • Nghiên cứu kem tản nhiệt chứa CNTs: Yunsheng Xu phối trộn CNTs vào poly(ethylene glycol) (PEG) từ 0,3% đến 3% thể tích, thu được độ dẫn nhiệt tối ưu tại mốc 0,6% thể tích; Indra Vir Singh và M. Bryning xây dựng các mô hình giải tích lý thuyết tính toán độ dẫn nhiệt của mỡ nhiệt chứa CNTs; H. E. Patel xây dựng mô hình tính độ dẫn nhiệt chất lỏng CNTs nhưng bộc lộ sai lệch đáng kể khi so sánh với thực nghiệm của Hwang.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Thứ nhất, mô hình lý thuyết của H. E. Patel xem hạt nanô như các phần tử đẳng hướng hoặc chưa tính toán đúng bản chất hình học rỗng dạng trụ dài của CNTs và lớp chất lỏng hấp phụ liên kết trên bề mặt ống, dẫn đến sai lệch lớn giữa giá trị tính toán và số liệu thực nghiệm công bố của Hwang. Luận án đặt mục tiêu thiết lập một mô hình giải tích cải tiến tính toán chính xác hơn. Thứ hai, các nghiên cứu trong nước trước đó chưa giải quyết triệt để vấn đề biến tính bề mặt CNTs để phân tán bền vững trong dung môi phân cực mà vẫn duy trì cơ tính và nhiệt tính của ống. Thứ ba, các công bố quốc tế chủ yếu dừng lại ở việc đo độ dẫn nhiệt trong bình thí nghiệm tĩnh; luận án lựa chọn giải quyết bài toán ứng dụng thực tế trên các hệ thống tản nhiệt cưỡng bức dùng bơm, hệ tản nhiệt tự đối lưu và lớp mỡ nhiệt tiếp xúc trên các thiết bị công suất cao cụ thể gồm CPU và các bộ đèn LED công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm:

  • Trạng thái lai hóa của nguyên tử cácbon (chu kỳ 2, nhóm 4B, cấu hình 1s2 2s2 2p2): lai hóa sp1 (góc liên kết 180° trong C2H2), lai hóa sp2 (góc liên kết 120° trong C2H4, graphit, CNTs, graphene), và lai hóa sp3 (góc liên kết 109,5° trong C2H6, kim cương).
  • Cấu trúc tinh thể graphit: ô cơ sở xếp lớp ABA, hằng số mạng mặt tinh thể a0 = 0,246 nm, khoảng cách hai nguyên tử cácbon gần nhất aC-C = 0,142 nm, hằng số mạng trục c0 = 0,668 nm, khoảng cách hai lớp liền kề c0/2 = 0,334 nm, khối lượng riêng 2,26 g/cm3. Cấu trúc kim cương lập phương tâm mặt (FCC) có hằng số mạng a0 = 3,567 Å, độ dài liên kết C-C là 0,1544 nm; dạng kim cương lục giác (lonsdaleite) có độ dài liên kết 0,152 nm.
  • Hình học và cấu trúc vùng năng lượng của CNTs: Véc-tơ Chiral biểu diễn bởi: $$Ch = n\vec{a}_1 + m\vec{a}_2 = (n, m)$$ Góc xoắn Chiral $\theta$ xác định bởi: $$\cos\theta = \frac{2n + m}{2\sqrt{n^2 + nm + m^2}}$$ Phân loại dẫn điện của CNTs dựa trên chỉ số $(n, m)$:
Loại CNTs Chỉ số $(n, m)$ Tính dẫn điện
Armchair $(n, n)$ Kim loại
Zigzag $(n, 0)$, $n/3$ nguyên Kim loại
Zigzag $(n, 0)$, $n/3$ không nguyên Bán dẫn
Chiral $(n - m)/3$ nguyên Kim loại
Chiral $(n - m)/3$ không nguyên Bán dẫn
  • Cơ tính và nhiệt tính: Môđun Young xác định qua biểu thức: $$E = \frac{\text{stress}}{\text{strain}} = \frac{F/A_0}{\delta l / l_0}$$
Vật liệu Suất Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Mật độ khối (g/cm3)
SWCNTs 1054 150 1,3 - 1,4
MWCNTs 1200 11 - 63 2,6
Thép hợp kim 208 0,4 7,8

Độ dẫn nhiệt $\lambda$ phụ thuộc vào phonon: $$\lambda = \sum C(T) V_{\text{group}}^2 \tau$$ trong đó $C(T)$ là nhiệt dung riêng, $V_{\text{group}}$ là vận tốc nhóm phonon, $\tau$ là thời gian hồi phục phonon. Hệ số dẫn nhiệt của CNTs ở nhiệt độ phòng đạt từ 1800 đến 6000 W/mK, trong chân không có thể đạt $3\times 10^4$ đến $4\times 10^4$ W/mK.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp tính toán lý thuyết: Phát triển mô hình giải tích tính toán hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô dựa trên việc bổ sung hình học trụ rỗng của CNTs và lớp chất lỏng liên kết trung gian (nanolayer) bao quanh thành ống.
  • Phương pháp mô phỏng số: Chia hệ thống tản nhiệt thành các phần tử thể tích nhỏ và chia thời gian thành các bước đủ ngắn; thiết lập hệ phương trình vi phân truyền nhiệt, phương trình động lực học dòng chảy và phương trình đối lưu nhiệt; lập trình giải thuật trên môi trường ngôn ngữ Visual Basic và C cho hệ thống tuần hoàn dùng bơm và hệ thống tuần hoàn tự đối lưu. Mô phỏng mạch nhiệt tương đương cho hệ thống tản nhiệt vi xử lý bằng quạt để tính toán nhiệt trở tiếp xúc và suy ra độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu:
    • Biến tính CNTs: Xử lý hóa học bằng hỗn hợp axit mạnh để tạo các nhóm chức carboxyl (-COOH) và hydroxyl (-OH) tại các vị trí sai hỏng cấu trúc trên thành ống.
    • Chế tạo chất lỏng nanô: Phân tán CNTs đã biến tính vào nước cất (DW) và hỗn hợp ethylene glycol/nước cất (EG/DW) bằng phương pháp hai bước, sử dụng thiết bị rung siêu âm công suất với các khoảng thời gian xử lý 10, 20, 30 và 40 phút.
    • Chế tạo kem tản nhiệt: Phối trộn cơ học kết hợp rung siêu âm CNTs vào hai loại kem nền thương mại là Stars và Arctic Silver 5 (AS5) theo các tỷ lệ phần trăm khối lượng từ 0% đến 2% wt.
  • Các phương pháp phân tích, đo đạc đặc trưng vật liệu:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Đánh giá hình thái học bề mặt, đường kính ống CNTs và sự phân bố của CNTs trong nền kem tản nhiệt.
    • Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận biết các liên kết hóa học đặc trưng của nhóm chức -COOH và -OH sau quá trình biến tính.
    • Phổ tán xạ Raman: Đánh giá trật tự cấu trúc mạng tinh thể graphit thông qua tỉ số cường độ của pic sai hỏng D và pic dao động mạng G.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) / huỳnh quang tia X: Phân tích định tính và định lượng thành phần nguyên tố trong mẫu kem nguyên bản và mẫu kem pha trộn CNTs.
    • Máy đo phổ phân tán hạt Zeta-Sizer: Đo kích thước hạt hiệu dụng và độ ổn định phân tán theo thời gian của huyền phù CNTs trong chất lỏng.
  • Thiết bị và phần mềm khảo nghiệm tản nhiệt:
    • Hệ thử nghiệm CPU: Máy tính gắn vi xử lý Intel Pentium IV và Intel Core-i5; phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS thiết lập tải hoạt động của CPU ở mức 100%; phần mềm Speedfan theo dõi và ghi nhận nhiệt độ vi xử lý liên tục theo thời gian thực.
    • Hệ thử nghiệm LED: Bộ nguồn cấp điện, đầu đo nhiệt tiếp xúc gắn tại đế chip LED 50 W, đèn pha LED 450 W và mô-đun LED 100 W lắp trên vỏ đèn đường công cộng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về CNTs và các ứng dụng

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu cácbon, cấu trúc và tính chất của ống nanô cácbon, các kỹ thuật tổng hợp, cùng các hướng nghiên cứu vật liệu tản nhiệt chứa CNTs:

  • Cấu trúc vật lý: Mô tả chi tiết mạng tổ ong hai chiều của lá graphit cuộn tròn thành ống đơn tường (SWCNTs) có đường kính dưới 5 nm và đa tường (MWCNTs) gồm nhiều lớp đồng trục lồng nhau với khoảng cách giữa các lớp là $d = 3,39$ Å. Nêu rõ các dạng sai hỏng cấu trúc gồm vòng 5 cạnh, 7 cạnh và sự lai hóa dị biệt $sp^{2+\alpha}$ tạo nên độ uốn cong trên thành ống.
  • Tính chất vật lý: Cơ tính vượt trội với suất Young đạt 1,8 TPa ở MWCNTs và 1,25 TPa ở SWCNTs; độ bền kéo đạt 11 - 63 GPa. Tính dẫn nhiệt phonon định hướng dọc trục đạt giá trị rất cao so với kim loại thông thường. Tính phát xạ trường điện tử mạnh ở điện áp thấp (~10 V) do tỷ số chiều dài trên đường kính lớn.
  • Các phương pháp tổng hợp: Phân tích ưu nhược điểm của 4 phương pháp chính:
    • Phương pháp nghiền bi: Bột graphit được nghiền trong khí trơ có xúc tác Co hoặc Fe, sau đó ủ nhiệt ở 1500°C trong 6 - 10 giờ; sản phẩm lẫn nhiều tạp chất và hạt xúc tác.
    • Phương pháp hồ quang điện: Phóng điện giữa hai điện cực graphit ở 50 - 100 A, 20 - 25 V dưới áp suất khí trơ 50 - 700 mbar, nhiệt độ plasma 3000 - 4000 K; tạo MWCNTs hoặc tạo SWCNTs khi anốt có pha thêm xúc tác Fe, Co, Ni.
    • Phương pháp bốc bay laser: Chùm tia laser Nd:YAG chiếu vào bia graphit ở 1200°C dưới áp suất 500 Torr khí trơ Ar/He; tạo ra CNTs có độ tinh khiết cao trên 90% nhưng giá thành đắt.
    • Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Phân ly khí hydrocarbon (C2H2, CH4, C2H4) ở 500 - 900°C trên các hạt xúc tác Fe, Ni, Co (kích thước xúc tác 13 nm tạo ống đường kính 30 - 40 nm; kích thước 27 nm tạo ống đường kính 100 - 200 nm); có bổ sung phụ gia CaCO3, MgCO3 để tăng hiệu suất lắng đọng.
  • Khái niệm và ứng dụng chất lỏng nanô, kem tản nhiệt: Phân tích cơ chế giảm nhiệt trở lớp tiếp xúc giữa bề mặt linh kiện và phiến tản nhiệt thông qua việc lấp đầy các khe hở không khí vi mô bằng kem tản nhiệt chứa hạt dẫn nhiệt cao.

Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tính toán, thuật toán mô phỏng số, quy trình chế tạo thực nghiệm và kỹ thuật phân tích mẫu:

  • Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết: Thiết lập mô hình giải tích tính toán hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng nanô hình trụ rỗng có lớp biên chất lỏng liên kết bao quanh.
  • Phương pháp mô phỏng số:
    • Mô phỏng hệ thống tuần hoàn dùng bơm: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả sự trao đổi nhiệt giữa nguồn nhiệt linh kiện điện tử, khối chất lỏng chuyển động cưỡng bức và giàn tỏa nhiệt ra môi trường.
    • Mô phỏng hệ thống tuần hoàn tự đối lưu: Xây dựng mô hình dòng chảy tuần hoàn kín không dùng bơm dựa trên sự chênh lệch khối lượng riêng của chất lỏng theo nhiệt độ dưới tác dụng của trọng trường.
    • Mô phỏng mạch nhiệt hệ thống tản nhiệt dùng quạt cho CPU: Thiết lập sơ đồ mạch nhiệt tương đương gồm nguồn công suất nhiệt, điện trở nhiệt tiếp xúc của kem tản nhiệt, điện trở nhiệt dẫn qua khối kim loại tản nhiệt và điện trở nhiệt đối lưu từ cánh tản nhiệt ra không khí.
  • Quy trình thực nghiệm chế tạo:
    • Biến tính CNTs: Sử dụng hỗn hợp axit để gắn nhóm chức carboxyl (-COOH) và hydroxyl (-OH) lên bề mặt CNTs nhằm tạo lực đẩy tĩnh điện, ngăn chặn quá trình tụ đám.
    • Chế tạo chất lỏng nanô: Phân tán CNTs biến tính vào dung môi nước cất (DW) và hỗn hợp ethylene glycol/nước cất (EG/DW) bằng thiết bị rung siêu âm với các thời gian khảo sát: 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút.
    • Chế tạo kem tản nhiệt: Trộn đều CNTs vào kem thương mại Stars và AS5 theo các tỷ lệ khối lượng xác định.
  • Kỹ thuật đo đạc và phân tích: Vận hành các thiết bị SEM, FTIR, phổ tán xạ Raman, huỳnh quang tia X (EDX), và Zeta-Sizer; thiết lập hệ thống thử nghiệm thực tế với phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS và Speedfan để đo nhiệt độ CPU; bố trí các cảm biến đo nhiệt độ trên đèn LED 50 W, 450 W và đèn đường 100 W.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng

Chương 3 tập trung vào việc thiết lập mô hình tính toán cải tiến và các kết quả mô phỏng động học tản nhiệt:

  • Đánh giá mô hình của H. E. Patel: So sánh kết quả tính toán của Patel với dữ liệu thực nghiệm của nhóm Hwang cho thấy mô hình Patel đánh giá thấp đáng kể độ dẫn nhiệt thực tế khi nồng độ thể tích CNTs tăng lên trong môi trường nước cất.
  • Xây dựng mô hình cải tiến: Luận án đề xuất mô hình giải tích mới xem xét cấu trúc dạng ống rỗng hai đầu của CNTs kết hợp với lớp chất lỏng liên kết có độ dẫn nhiệt trung gian hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng cơ sở và thành ống.
  • Đánh giá độ chính xác của mô hình cải tiến: So sánh các giá trị tính toán theo mô hình cải tiến của luận án với các kết quả thực nghiệm độc lập đã công bố trên thế giới cho thấy sự tương thích rất cao:
    • Phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhóm Hwang khi phân tán MWCNTs vào nước cất.
    • Phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhóm Lifei Chen khi phân tán MWCNTs vào nước cất.
    • Phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu khi phân tán SWCNTs vào nước cất.
    • Phù hợp với số liệu thực nghiệm của nhóm Hwang khi phân tán MWCNTs vào môi trường ethylene glycol (EG).
  • Kết quả mô phỏng hệ thống tản nhiệt dùng bơm: Đường đặc trưng nhiệt độ của linh kiện điện tử giảm dần khi tỷ lệ phần trăm thể tích của CNTs trong chất lỏng tăng lên; thời gian đạt trạng thái cân bằng nhiệt được rút ngắn.
  • Kết quả mô phỏng hệ thống tản nhiệt tự đối lưu:
    • Tốc độ dòng chất lỏng tự đối lưu tăng nhanh theo công suất tỏa nhiệt của linh kiện do độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai nhánh nóng - lạnh tăng.
    • Với linh kiện công suất 50 W, việc bổ sung CNTs vào chất lỏng giúp tăng cường tốc độ tuần hoàn tự đối lưu và hạ thấp nhiệt độ cân bằng của linh kiện so với việc sử dụng chất lỏng nền nguyên chất.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày các dữ liệu thực nghiệm biến tính, chế tạo vật liệu và kết quả thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt:

  • Kết quả biến tính CNTs:
    • Phổ FTIR truyền qua của CNTs sau biến tính xuất hiện các pic hấp thụ đặc trưng của liên kết C=O và C-O trong nhóm carboxyl (-COOH), cùng dải hấp thụ rộng của nhóm hydroxyl (-OH), chứng minh các nhóm chức đã liên kết hóa học trên thành ống.
    • Phổ tán xạ Raman ghi nhận tỉ số cường độ $I_D/I_G$ tăng lên sau khi biến tính, phản ánh sự gia tăng các tâm sai hỏng bề mặt gắn nhóm chức mà vẫn bảo toàn cấu trúc mạng graphit của ống.
    • Ảnh SEM và phổ phân tán Zeta-Sizer: CNTs sau biến tính gắn -COOH và -OH phân tán đồng đều trong nước cất và hỗn hợp EG/DW. Kích thước đám phân tán giảm rõ rệt khi tăng thời gian rung siêu âm từ 10 phút lên 30 - 40 phút. Phổ phân bố kích thước sau 72 giờ lưu trữ cho thấy hệ keo duy trì tính ổn định, không xuất hiện hiện tượng kết tụ trở lại.
  • Thử nghiệm chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho CPU:
    • Khảo nghiệm trên CPU Intel Pentium IV khi chạy phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS ở tải 100%: Nhiệt độ vi xử lý được ghi nhận qua phần mềm Speedfan trong các điều kiện làm mát khác nhau.
Phương pháp tản nhiệt Nhiệt độ CPU khi không tải (°C) Nhiệt độ CPU khi đầy tải 100% (°C)
Tản nhiệt tự nhiên (không quạt, không chất lỏng) 52,0 85,0
Tản nhiệt bằng quạt khí thông thường 41,0 66,0
Tản nhiệt bằng chất lỏng nước cất 38,0 58,0
Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs 35,0 51,0
  • Khảo nghiệm trên CPU Intel Core-i5: Hệ thống làm mát tuần hoàn bằng chất lỏng chứa CNTs giúp hạ thấp nhiệt độ CPU ở mức tải cao so với hệ thống quạt khí tiêu chuẩn.
  • Thử nghiệm chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho hệ thống đèn LED:
    • Chip LED 50 W: Đường đặc tính nhiệt độ theo thời gian cho thấy chất lỏng chứa CNTs (nồng độ 1,0 g/lít) giữ nhiệt độ chip thấp hơn đáng kể so với phương pháp tản nhiệt thông thường và nước cất nguyên chất.
    • Đèn pha LED công suất 450 W: Khi nồng độ CNTs trong chất lỏng tăng lên, nhiệt độ hoạt động của bộ đèn giảm rõ rệt. Dựa trên số liệu nhiệt độ đo được, tính toán cho thấy tuổi thọ danh định của đèn LED 450 W tăng theo hàm lượng CNTs pha trộn trong chất lỏng tản nhiệt.
    • Mô-đun đèn LED 100 W lắp trên vỏ đèn đường chiếu sáng công cộng: Kết quả thử nghiệm ngoài trời ghi nhận nhiệt độ chip LED và nhiệt độ chất lỏng trong giàn tỏa nhiệt duy trì ở mức an toàn ổn định trong suốt chu trình vận hành dài.
  • Cơ chế tản nhiệt của chất lỏng CNTs: Luận án phân tích cơ chế truyền nhiệt nâng cao gồm hai quá trình liên tiếp: (1) tăng cường truyền nhiệt đối lưu từ bề mặt đế nhiệt vào lòng khối chất lỏng do chuyển động Brown và độ dẫn nhiệt phonon của mạng CNTs; (2) tăng cường truyền nhiệt từ khối chất lỏng ra thành giàn tỏa nhiệt để thoát nhiệt ra không khí.
  • Chế tạo và khảo sát kem tản nhiệt chứa CNTs:
    • Ảnh SEM cho thấy các ống CNTs phân bố đan xen giữa các hạt oxit kim loại trong nền kem Stars và AS5.
    • Kết quả phân tích EDX định lượng thành phần nguyên tố:
Mẫu kem tản nhiệt C (% trọng lượng) O (% trọng lượng) Al (% trọng lượng) Zn (% trọng lượng)
STARS nguyên bản 12,45 18,20 0,00 69,35
STARS / 2% CNTs 14,38 17,95 0,00 67,67
Mẫu kem tản nhiệt C (% trọng lượng) O (% trọng lượng) Al (% trọng lượng) Ag (% trọng lượng)
AS5 nguyên bản 8,12 12,40 15,30 64,18
AS5 / 2% CNTs 10,05 12,15 15,10 62,70
  • Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs trên vi xử lý CPU: Đồ thị nhiệt độ CPU theo nồng độ pha trộn từ 0% đến 2% wt CNTs cho thấy nhiệt độ vi xử lý giảm đều khi tăng nồng độ CNTs ở cả hai hệ kem STARS/CNTs và AS5/CNTs.
  • Kết hợp mô phỏng mạch nhiệt và thực nghiệm: Luận án khớp đường cong nhiệt độ thực nghiệm với mô hình mạch nhiệt đơn giản hóa để trích xuất độ dẫn nhiệt hiệu dụng của các loại kem:
Loại kem tản nhiệt Độ dẫn nhiệt hiệu dụng trích xuất (W/mK) Nhiệt độ CPU đầy tải (°C)
Không sử dụng kem - 82,5
STARS nguyên bản 1,42 67,0
STARS / 2% CNTs 2,15 62,5
AS5 nguyên bản 8,50 59,0
AS5 / 2% CNTs 10,20 55,5

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận:

  • Xây dựng mô hình giải tích cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô có chứa thành phần vật liệu CNTs. Điểm mới của mô hình là tích hợp đồng thời cấu trúc rỗng dạng ống của CNTs và lớp chất lỏng liên kết bao quanh bề mặt ngoài của ống, khắc phục nhược điểm đánh giá thiếu chính xác của các mô hình trước đó. Kết quả tính toán từ mô hình phù hợp với các số liệu thực nghiệm đã công bố của các nhóm tác giả quốc tế (Hwang, Lifei Chen, Gensheng Wu).
  • Thiết lập mô hình mô phỏng số truyền nhiệt cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn cưỡng bức dùng bơm và hệ thống tuần hoàn tự đối lưu sử dụng chất lỏng nanô CNTs, làm rõ mối quan hệ giữa công suất nhiệt của linh kiện, nồng độ hạt nanô và vận tốc tuần hoàn tự đối lưu.
  • Xây dựng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng mạch nhiệt tương đương và thực nghiệm nhiệt vi xử lý để xác định độ dẫn nhiệt hiệu dụng của vật liệu tiếp xúc nhiệt (TIM) dạng kem chứa CNTs.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ biến tính bề mặt ống nanô cácbon bằng các nhóm chức -COOH và -OH, giải quyết bài toán chống tụ đám và lắng đọng, tạo điều kiện cho CNTs phân tán đồng nhất và bền vững trong nước cất và hỗn hợp ethylene glycol/nước cất (EG/DW).
  • Chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt nanô nền EG/DW và hai hệ kem tản nhiệt cải tiến STARS/CNTs, AS5/CNTs có hệ số dẫn nhiệt tăng cao so với vật liệu gốc thương mại.
  • Ứng dụng thành công các vật liệu chế tạo được vào các hệ thống tản nhiệt thực tế: giảm nhiệt độ hoạt động của vi xử lý máy tính (Intel Pentium IV, Core-i5) từ 5°C đến 7°C; hạ nhiệt độ và kéo dài tuổi thọ danh định của chip LED 50 W, đèn pha LED 450 W; tích hợp thành công vào giàn tỏa nhiệt của mô-đun đèn LED 100 W chiếu sáng đường phố công cộng.
  • Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đơn đăng ký sáng chế và đạt giải thưởng khoa học công nghệ chuyên ngành.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Khuyến nghị ứng dụng chất lỏng chứa CNTs cho các hệ thống tản nhiệt tự đối lưu kín trong các thiết bị điện tử công suất nhằm loại bỏ quạt cơ học hoặc bơm tuần hoàn, giúp giảm tiêu thụ điện phụ trợ và giảm tiếng ồn.
  • Đề xuất quy trình pha trộn kem tản nhiệt chứa 2% wt CNTs cho các hệ thống máy tính hiệu năng cao và các trạm phát công suất viễn thông.
  • Ứng dụng mô-đun làm mát bằng chất lỏng nanô cho các bộ đèn LED chiếu sáng công cộng ngoài trời nhằm nâng cao độ bền hoạt động trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào các hệ nền hữu cơ xác định (chất lỏng DW, EG/DW; kem Stars, AS5) và các cấu hình linh kiện thử nghiệm cụ thể (CPU Intel, LED công suất từ 50 W đến 450 W); chưa mở rộng sang các hệ dung môi dầu khoáng hoặc các chất nền polymer đóng rắn.
  • Thời gian theo dõi độ ổn định phân tán của huyền phù CNTs trong các thử nghiệm thực tế dừng lại ở thang đo ngày và tuần (đo phân tán kích thước hạt sau 72 giờ); chưa có dữ liệu kiểm chứng sự biến tính bề mặt và hiện tượng lắng đọng trong chu kỳ hoạt động liên tục nhiều năm ở nhiệt độ cao.
  • Ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng nanô CNTs tới trở lực thủy lực đường ống và công suất tiêu thụ của bơm tuần hoàn trong các hệ thống quy mô công nghiệp chưa được đo đạc định lượng chi tiết.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Khảo sát độ suy giảm đặc tính nhiệt và độ bền liên kết hóa học của các nhóm chức -COOH, -OH trên bề mặt CNTs sau các chu kỳ làm việc nhiệt kéo dài hàng nghìn giờ.
  • Mở rộng nghiên cứu chất lỏng nanô lai (hybrid nanofluids) kết hợp giữa CNTs và các hạt nanô kim loại (Ag, Cu) hoặc oxit kim loại (Al2O3, MgO) nhằm tối ưu hóa độ dẫn nhiệt đồng thời giảm chi phí vật liệu.
  • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng chất lỏng và kem tản nhiệt CNTs cho các hệ thống biến tần công nghiệp, pin nhiên liệu, hệ thống pin xe điện và các thiết bị thu gom nhiệt năng lượng mặt trời.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Khoa học vật liệu, Vật liệu điện tử, Vật lý chất rắn, Kỹ thuật nhiệt và Công nghệ cơ điện tử. Các chương trình đào tạo sau đại học có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo cho các học phần về vật liệu nanô cácbon, kỹ thuật chức hóa bề mặt và truyền nhiệt đối lưu chất lỏng nanô.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng, chuyên viên nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành công nghiệp điện tử viễn thông, máy tính và sản xuất thiết bị chiếu sáng bán dẫn (LED).
  • Các nhà quản lý kỹ thuật và hoạch định chính sách trong lĩnh vực công nghệ tiết kiệm năng lượng và giải pháp làm mát xanh cho các trung tâm dữ liệu.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao:

  • Thuật toán và mô hình toán học giải tích cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô cấu trúc ống rỗng (Chương 3).
  • Quy trình thực nghiệm biến tính hóa học tạo nhóm carboxyl và hydroxyl trên CNTs kết hợp quy trình rung siêu âm phân tán hạt (Chương 2 và Chương 4).
  • Phương pháp luận kết hợp mô phỏng mạch nhiệt tương đương với đo đạc thực nghiệm nhiệt độ chip để xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của vật liệu giao diện nhiệt (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) lại có khả năng tăng cường hiệu quả tản nhiệt cho các chất lỏng và kem nền hữu cơ? Độ dẫn nhiệt của các chất lỏng cơ sở (nước cất ~0,6 W/mK, ethylene glycol ~0,25 W/mK) và các loại kem tiếp xúc nhiệt thương mại thường rất thấp, dao động trong khoảng 1 - 9 W/mK. Trong khi đó, CNTs có độ dẫn nhiệt dọc trục đạt từ 1800 đến 6000 W/mK nhờ cơ chế truyền dẫn qua dao động mạng phonon. Khi được phân tán đồng đều vào chất nền hữu cơ, các ống CNTs tạo ra mạng lưới cầu nối dẫn nhiệt hiệu quả, làm tăng thông lượng nhiệt dẫn truyền và thúc đẩy trao đổi nhiệt đối lưu vi mô, đồng thời lấp đầy các khe hở không khí tại các bề mặt tiếp xúc cơ học.

  2. Luận án đã áp dụng phương pháp hóa học nào để giải quyết hiện tượng CNTs bị lắng đọng và tụ đám trong chất lỏng? Do CNTs chưa biến tính có tính kỵ nước và chịu tương tác hút Van der Waals mạnh, chúng dễ bị kết tụ và lắng đọng hoàn toàn sau 5 phút. Tác giả đã xử lý hóa học CNTs bằng hỗn hợp axit mạnh để gắn các nhóm chức phân cực gồm carboxyl (-COOH) và hydroxyl (-OH) lên các vị trí sai hỏng trên thành ống. Các nhóm chức này tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các ống CNTs trong môi trường nước cất và dung dịch ethylene glycol, giúp hệ keo đạt trạng thái phân tán đồng nhất và duy trì kích thước hạt ổn định sau 72 giờ lưu trữ.

  3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa mô hình tính toán lý thuyết cải tiến của luận án so với mô hình của H. E. Patel là gì? Mô hình của H. E. Patel không tính đến cấu trúc hình học đặc thù của CNTs và giả định sự truyền nhiệt đẳng hướng, dẫn đến kết quả tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô thấp hơn nhiều so với dữ liệu đo thực tế của nhóm Hwang. Mô hình cải tiến của luận án đã bổ sung hai yếu tố vật lý quan trọng: cấu trúc dạng ống rỗng dài hai đầu của CNTs và lớp chất lỏng liên kết (nanolayer) hình thành tại ranh giới tiếp xúc giữa thành ống với dung môi cơ sở. Nhờ đó, mô hình cải tiến cho kết quả phù hợp với các thực nghiệm quốc tế trên cả môi trường nước cất và ethylene glycol.

  4. Hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng chứa CNTs được kiểm chứng trên những linh kiện điện tử cụ thể nào và kết quả ra sao? Chất lỏng chứa CNTs được kiểm chứng trên:

  • Vi xử lý máy tính Intel Pentium IV ở mức tải 100%: nhiệt độ CPU giảm từ 66°C (tản nhiệt quạt tiêu chuẩn) và 58°C (nước cất) xuống còn 51°C khi dùng chất lỏng CNTs.
  • Vi xử lý Intel Core-i5: ghi nhận khả năng kiểm soát nhiệt độ vượt trội so với làm mát bằng khí.
  • Chip LED 50 W: hạ thấp nhiệt độ hoạt động so với tản nhiệt thông thường và nước cất.
  • Đèn pha LED 450 W: nhiệt độ giảm tỷ lệ thuận với nồng độ CNTs, giúp nâng cao tuổi thọ danh định của đèn.
  • Mô-đun LED 100 W: hoạt động ổn định trong kết cấu đèn chiếu sáng đường phố công cộng ngoài trời.
  1. Luận án xác định độ dẫn nhiệt hiệu dụng của kem tản nhiệt chứa CNTs bằng phương pháp nào? Tác giả không đo trực tiếp bằng các thiết bị đo mẫu rời mà kết hợp phép đo thực nghiệm nhiệt độ CPU máy tính với mô phỏng số mạch nhiệt tương đương. Bằng cách thiết lập sơ đồ mạch nhiệt cho hệ thống tản nhiệt dùng quạt của CPU (gồm nguồn nhiệt, nhiệt trở tiếp xúc của lớp kem, nhiệt trở dẫn nhiệt qua khối kim loại và nhiệt trở đối lưu ra không khí), phần mềm tính toán mô phỏng sẽ khớp đường cong biến thiên nhiệt độ lý thuyết với đường cong đo đạc thực nghiệm để trích xuất ra giá trị độ dẫn nhiệt hiệu dụng: kem STARS tăng từ 1,42 W/mK lên 2,15 W/mK khi pha 2% CNTs; kem AS5 tăng từ 8,50 W/mK lên 10,20 W/mK khi pha 2% CNTs.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Hùng Thắng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ xây dựng lý thuyết, mô phỏng số đến thực nghiệm chế tạo và thử nghiệm ứng dụng vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon. Nghiên cứu đã đóng góp mô hình giải tích cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô dạng ống rỗng có độ chính xác cao và làm rõ cơ chế truyền nhiệt nâng cao trong các hệ thống tản nhiệt cưỡng bức cũng như tự đối lưu. Quy trình công nghệ chức hóa bề mặt CNTs bằng nhóm -COOH và -OH đã giải quyết hiệu quả bài toán phân tán bền vững, cho phép chế tạo thành công chất lỏng nanô và kem tản nhiệt có khả năng hạ nhiệt độ làm việc từ 5°C đến 7°C cho các vi xử lý máy tính và hệ thống đèn LED công suất lớn. Đây là công trình nghiên cứu có hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, mang lại giá trị khoa học và giá trị ứng dụng kỹ thuật rõ rệt trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ nhiệt điện tử.