I. Tổng Quan Vật Liệu Tổ Hợp Nền Hữu Cơ Nghiên Cứu CNTs
Nghiên cứu về vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô 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 nghiên cứu và phát triển, một số sản phẩm công nghệ cao ứng dụng CNTs đã xuất hiện với nhiều tính năng vượt trội. Vật liệu CNTs sở hữu nhiều tính chất độc đáo, quy trình chế tạo tương đối đơn giản, hứa hẹn tiềm năng ứng dụng phong phú. Điểm nổi bật của CNTs là tính chất cơ học, vật lý và hóa học đặc biệt, mang lại tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá. CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục ống, với độ dẫn nhiệt biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK. Bên cạnh khả năng dẫn nhiệt ưu việt, CNTs còn duy trì tính bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường chân không hoặc khí trơ (lên đến 2800°C). CNTs còn là một vật liệu dẫn điện linh hoạt, với độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc. Độ dẫn điện của CNTs có thể là bán dẫn hoặc kim loại tùy thuộc vào chỉ số Chiral (n,m). Việc tích hợp CNTs vào các vật liệu nền khác sẽ giúp tăng cường các tính chất cơ, nhiệt và điện của vật liệu đó.
1.1. Ống Nanô Cacbon CNTs Cấu Trúc và Tính Chất Cơ Bản
Vật liệu ống nanô cacbon thể hiện nhiều tính chất độc đáo và dễ chế tạo, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Chúng có khả năng dẫn nhiệt xuất sắc dọc theo trục ống, với độ dẫn nhiệt dao động từ 1800 đến 6000 W/mK. Thêm vào đó, CNTs duy trì tính bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường chân không và khí trơ, có thể lên đến 2800°C. Cấu trúc của CNTs quyết định tính chất điện của chúng, có thể là bán dẫn hoặc kim loại tùy thuộc vào chỉ số Chiral (n,m). Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 7 cạnh ảnh hưởng tới tính chất cơ học. Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit minh họa cho cấu trúc electron của CNTs.
1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của CNTs Trong Vật Liệu Tổ Hợp
Với nhiều tính chất vượt trội, vật liệu CNTs khi được đưa vào các nền vật liệu khác sẽ giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó. Chẳng hạn với việc gia cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống mài mòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v… được tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất. Với tính chất phát xạ điện tử mạnh ở điện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon đã và đang được nghiên cứu để chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các nguồn phát xạ điện tử kích thước bé với phân bố năng lượng điện tử hẹp.
II. Thách Thức Tản Nhiệt Giải Pháp Vật Liệu Tổ Hợp CNTs
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử, vấn đề tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn ngày càng trở nên cấp thiết. Sự gia tăng mật độ linh kiện và hiệu suất hoạt động dẫn đến lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn, đe dọa đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Do đó, việc tìm kiếm các vật liệu tản nhiệt hiệu quả là một yêu cầu then chốt. Vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cacbon (CNTs) nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Khả năng dẫn nhiệt vượt trội của CNTs, kết hợp với khả năng gia công và tính linh hoạt của nền hữu cơ, tạo ra một vật liệu lý tưởng cho ứng dụng tản nhiệt. Tuy nhiên, việc phân tán đều CNTs trong nền hữu cơ và duy trì tính ổn định của vật liệu vẫn là những thách thức cần vượt qua.
2.1. Vấn Đề Tản Nhiệt Trong Linh Kiện Điện Tử Công Suất
Sự phát triển của công nghệ điện tử kéo theo sự gia tăng về mật độ linh kiện và hiệu suất hoạt động, dẫn đến lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn. Điều này đặt ra thách thức lớn trong việc tản nhiệt hiệu quả cho các linh kiện điện tử công suất lớn. Nếu không được giải quyết, nhiệt độ cao có thể gây ra sự suy giảm hiệu suất, giảm tuổi thọ và thậm chí là hỏng hóc thiết bị. Các giải pháp tản nhiệt truyền thống như sử dụng tản nhiệt bằng kim loại và quạt gió đôi khi không đủ đáp ứng yêu cầu, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu tản nhiệt tiên tiến là vô cùng quan trọng.
2.2. Ưu Điểm và Hạn Chế Của Vật Liệu Tản Nhiệt Truyền Thống
Các vật liệu tản nhiệt truyền thống, như kim loại và hợp kim, có ưu điểm là khả năng dẫn nhiệt tốt và giá thành tương đối rẻ. Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế nhất định, bao gồm trọng lượng lớn, khó gia công và khả năng tạo hình hạn chế. Trong một số ứng dụng, việc sử dụng vật liệu kim loại có thể gây ra vấn đề về nhiễu điện từ. Ngoài ra, hiệu quả tản nhiệt của các vật liệu này có thể không đủ đáp ứng yêu cầu trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn. Do đó, việc tìm kiếm các vật liệu tản nhiệt mới với hiệu suất cao hơn và tính linh hoạt tốt hơn là một nhu cầu cấp thiết.
2.3. Tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu tổ hợp
Vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cacbon thể hiện tính chất cơ nhiệt điện vượt trội. Việc gia cường một lượng nhỏ ống nanô cacbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống mài mòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v… được tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề mặt lớn, vật liệu ống nanô cacbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu tản nhiệt mới với hiệu suất cao hơn và tính linh hoạt tốt hơn là một nhu cầu cấp thiết.
III. Phương Pháp Chế Tạo Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu CNTs
Luận án sử dụng kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm để nghiên cứu tính chất của vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nanô cacbon (CNTs). Về lý thuyết, một mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs được đề xuất và đánh giá. Về mô phỏng, các hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa CNTs cho linh kiện điện tử công suất được mô phỏng. Về thực nghiệm, CNTs được biến tính với nhóm chức -COOH và -OH, sau đó chế tạo chất lỏng tản nhiệt và kem tản nhiệt chứa CNTs. Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu như Hiển vi điện tử quét (SEM), Phổ tán xạ Raman, Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR), Phổ huỳnh quang tia X (EDX) và Phổ phân tán Zeta-Sizer được sử dụng để đánh giá tính chất của vật liệu.
3.1. Tính Toán Lý Thuyết và Mô Phỏng Mô Hình và Đánh Giá
Phương pháp tính toán lý thuyết tập trung vào việc phát triển một mô hình cải tiến để tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa ống nanô cacbon. Mô hình này xem xét các yếu tố như kích thước và hình dạng của CNTs, sự tương tác giữa CNTs và chất lỏng nền, và sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống. Kết quả tính toán lý thuyết được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình. Phương pháp mô phỏng sử dụng các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng hoạt động của các hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa CNTs. Các thông số như nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và hiệu suất tản nhiệt được theo dõi và phân tích.
3.2. Thực Nghiệm Biến Tính CNTs và Chế Tạo Vật Liệu
Quá trình thực nghiệm bao gồm các bước sau: biến tính vật liệu ống nanô cacbon với nhóm chức -COOH và -OH để cải thiện khả năng phân tán trong chất lỏng nền; chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành phần ống nanô cacbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cacbon; và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU và LED). Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu được sử dụng để xác định kích thước, hình dạng, thành phần hóa học và tính chất nhiệt của vật liệu. Đặc biệt, Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs mô tả chi tiết quy trình biến tính để cải thiện độ phân tán của CNTs trong nền hữu cơ.
IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Tổ Hợp CNTs Tản Nhiệt
Nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng chú ý trong việc ứng dụng vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa ống nanô cacbon (CNTs) vào lĩnh vực tản nhiệt. Mô hình tính toán lý thuyết cải tiến cho độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs đã được xây dựng và chứng minh tính chính xác so với dữ liệu thực nghiệm. Các hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa CNTs cho CPU và LED đã được mô phỏng và thử nghiệm thành công, cho thấy khả năng cải thiện hiệu suất tản nhiệt đáng kể. Việc biến tính CNTs với nhóm chức -COOH và -OH đã cải thiện khả năng phân tán của CNTs trong chất lỏng nền. Kem tản nhiệt chứa CNTs cũng cho thấy tiềm năng trong việc giảm nhiệt độ của vi xử lý máy tính.
4.1. Thử Nghiệm Tản Nhiệt Cho CPU So Sánh Hiệu Quả
Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs đã được thử nghiệm trong hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU). Kết quả cho thấy chất lỏng chứa CNTs có khả năng tản nhiệt tốt hơn so với nước cất thông thường. Nhiệt độ của CPU khi sử dụng chất lỏng chứa CNTs thấp hơn so với khi sử dụng nước cất. Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng, cung cấp dữ liệu cụ thể về hiệu quả tản nhiệt của các loại chất lỏng khác nhau. Điều này cho thấy tiềm năng của chất lỏng chứa CNTs trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các thiết bị điện tử.
4.2. Ứng Dụng Tản Nhiệt Cho LED Nâng Cao Tuổi Thọ Đèn
Chất lỏng chứa CNTs cũng đã được ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn. Kết quả cho thấy việc sử dụng chất lỏng chứa CNTs giúp giảm nhiệt độ của chip LED và kéo dài tuổi thọ của đèn. Đồ thị nhiệt độ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng nước cất và nước cất chứa thành phần CNTs (1,0 g/lit). Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ đèn LED 450W vào hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt giúp ước tính hiệu quả kinh tế của việc sử dụng CNTs.
4.3. Thử nghiệm Kem Tản Nhiệt chứa CNTs
Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs đã được thử nghiệm trong hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tính. Kết quả cho thấy kem chứa CNTs có khả năng tản nhiệt tốt hơn so với kem thông thường. Điều này giúp giảm nhiệt độ và kéo dài tuổi thọ của vi xử lý. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt, Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS và hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs cho thấy sự khác biệt khi ứng dụng kem tản nhiệt CNTs.
V. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu Tổ Hợp CNTs
Luận án đã chứng minh tiềm năng của vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa ống nanô cacbon (CNTs) trong lĩnh vực tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất. Việc sử dụng CNTs giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt, giảm nhiệt độ hoạt động và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để ứng dụng rộng rãi vật liệu này, bao gồm việc tối ưu hóa quy trình chế tạo, cải thiện khả năng phân tán của CNTs trong nền hữu cơ và giảm giá thành sản phẩm. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc nghiên cứu các loại CNTs mới với tính chất vượt trội, phát triển các phương pháp biến tính tiên tiến và ứng dụng vật liệu này trong các lĩnh vực khác như năng lượng và y sinh.
5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng Đạt Được
Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng mô hình tính toán lý thuyết cải tiến cho độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs, mô phỏng và thử nghiệm các hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa CNTs cho CPU và LED, và biến tính CNTs để cải thiện khả năng phân tán. Các kết quả thực nghiệm cho thấy chất lỏng và kem tản nhiệt chứa CNTs có khả năng cải thiện hiệu suất tản nhiệt đáng kể so với các vật liệu truyền thống.
5.2. Thách Thức và Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai
Mặc dù đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, việc ứng dụng rộng rãi vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa CNTs vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Cần tối ưu hóa quy trình chế tạo để giảm giá thành sản phẩm, cải thiện khả năng phân tán của CNTs trong nền hữu cơ để đạt hiệu suất tản nhiệt cao nhất, và nghiên cứu các loại CNTs mới với tính chất vượt trội. Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc ứng dụng vật liệu này trong các lĩnh vực khác như năng lượng (pin mặt trời, pin nhiên liệu) và y sinh (cảm biến sinh học, hệ thống dẫn thuốc).
