MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi điện tử, nano điện tử cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên, các linh kiện điện tử, nhất là các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát quang độ sáng cao (High Brightness LED – HBLED) hay vi xử lý máy tính (Center Processing Unit - CPU) với mật độ tích hợp transistor lên tới 400 triệu khi hoạt động trong một thời gian đủ dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn có thể làm giảm hiệu quả, công suất cũng như độ bền. Do vậy, việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc độ hoạt động của CPU nói riêng cũng như hiệu quả, và độ bền của các linh kiện điện tử công suất khác. Do đó, bài toán tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn là một bài toán quan trọng và cần được nghiên cứu giải quyết.
Các phương pháp tản nhiệt phổ biến được sử dụng hiện nay là: tản nhiệt bằng quạt, ống dẫn nhiệt, dùng hóa chất tản nhiệt, làm mát bằng nhiệt điện, tản nhiệt bằng chất lỏng. Trong các phương pháp trên, phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi cho các linh kiện điện tử công suất cao bởi giá thành hợp lí, khả năng tản nhiệt tốt và phù hợp với các linh kiện điện tử công suất cao. Sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp và đời sống, trong đó tiêu biểu là vật liệu ống nano cacbon (CNTs - Carbon NanoTubes). Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 2000 W/mK.
Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt. Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon tại Viện Khoa học Vật liệu và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trên thế giới về ứng dụng ống nano cacbon làm vật liệu tản nhiệt, chúng tôi đặt mục tiêu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn. Do đó, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn” là đề tài Luận văn Thạc sỹ. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon (CNTs) và ứng dụng chất lỏng chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU, LED).
Nội dung nghiên cứu - Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu nano cacbon (CNTs) bằng phương pháp hóa học. - Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng cách phân tán CNTs vào hỗn hợp ethylene glycol/ nước cất (EG/DW) sử dụng chất hoạt động bề mặt Tween và phương pháp rung siêu âm. - Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Intel Core i5. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thánh phần CNTs với tản nhiệt bằng quạt từ đó đánh giá hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs.
- Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn 450 W. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs và chất lỏng không chứa thành phần CNTs. - Đưa ra cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống linh kiện điện tử công suất lớn khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phƣơng pháp nghiên cứu - Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs bằng phương pháp hóa học.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Kiểm tra kết quả gắn nhóm chức – OH bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman. - Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng phương pháp hai bước (Two - step) sử dụng máy dung siêu âm và chất hoạt động bề mặt Tween. - Khảo sát cấu trúc, kích cỡ và các tính chất của chất lỏng chứa thành phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất lớn bẳng phương pháp: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Thiết bị Zeta - sizer Nano ZS. - Đánh giá hiệu quả tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn (450W) khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs bằng cách khảo sát quá trình tăng giảm nhiệt độ của CPU và LED thông qua các sensor nhiệt được tích hợp sẵn trong hệ thông thiết bị và phần mềm Core Temp 1.
BỐ CỤC LUẬN VĂN Nội dung luận văn gồm 3 phần chính: CHƢƠNG I: TỔNG QUAN Giới thiệu chung về vật liệu ống nano cacbon, bao gồm cấu trúc, tính chất, ứng dụng và các phương pháp chế tạo. Khái niệm chất lỏng nano, chất lỏng nano chứa thành phần CNTs, phương pháp chế tạo và các ứng dụng của chất lỏng nano cũng được trình bày trong chương này. CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM Trình bày quá trình biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs, chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs và ứng dụng chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn (450W). Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để đánh giá hiệu quả, cấu trúc của vật liệu như: Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM.
Giới thiệu các thiết bị và phần mềm được sử dụng trong quá trình thực nghiệm. CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đánh giá kết quả biến tính, phân tán CNTs bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Kết hợp với kết quả thực nghiệm của quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và LED công suất lớn (450W) để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa thành phần CNTs. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon 1.1 Lịch sử phát triển Cacbon Trong bảng hệ thống tuần hoàn cacbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6 điện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình điện tử là 1s22s22p2 do đó nguyên tử cacbon có bốn điện tử hóa trị.
Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [1], vì vậy các hàm sóng của bốn điện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các điện tử gọi là các trạng thái lai hóa. Cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cacbon. a) sp1 – dạng thẳng b) sp2 – dạng tam giác c) sp3 – dạng tứ diện Hình 1.
Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1.1a) được tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cacbon. Dạng lai hóa này có thể được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 được tạo thành còn lại là một obital 2p.
Ba obital đồng phẳng tạo với nhau một góc 120o (hình1.1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cacbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cacbon tưởng tượng giống như một tấm cacbon đơn 2D phẳng trong đó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cacbon là 120o trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc graphene (hình1.
Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1.1c), trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3 tương đương nhau được tạo thành định hướng theo các đỉnh của tứ diện đều quanh một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ điển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết Csp3 - Csp3 (C - C) được tạo thành giữa hai nguyên tử cacbon bởi sự chồng chập các orbital sp3 và ba liên kết Csp3 - H1s được tạo thành tại mỗi nguyên tử cacbon. Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc Kim cương. Graphite Graphite hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp.
Mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van - Der - Waals. Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cacbon liên kết phẳng với ba nguyên tử cacbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 120o. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [30] Trong graphite, nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được thể hiện trên (hình 1.
Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu đen như lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cacbon vô định hình trong đó các nguyên tử cacbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp. Trong tự nhiên, các khoáng chất chứa graphite bao gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin. Kim cƣơng Như đã biết cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3.
Các trạng thái lai hóa này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên.