Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn, mang lại hiệu quả vượt trội cho công nghệ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hƣơng
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Ngọc Minh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon
• 1.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs
• 1.3. Phương án thực nghiệm
• 1.4. Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt

Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon (CNTs) trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Ống nano cacbon được biết đến với độ dẫn nhiệt cao, giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn như CPU và LED. Việc sử dụng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt không chỉ nâng cao hiệu quả tản nhiệt mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, tính chất và ứng dụng của chúng trong lĩnh vực tản nhiệt.

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của ống nano cacbon

Ống nano cacbon được phát hiện vào năm 1991 và nhanh chóng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Từ đó, nhiều ứng dụng của CNTs đã được phát triển, đặc biệt trong lĩnh vực tản nhiệt. CNTs có khả năng dẫn nhiệt cao, lên đến 2000 W/mK, giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn.

1.2. Tính chất nổi bật của ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt

Tính chất dẫn nhiệt cao và khả năng phân tán tốt của CNTs trong chất lỏng tản nhiệt giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt có thể giảm nhiệt độ hoạt động của linh kiện điện tử, từ đó cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs

Mặc dù ống nano cacbon có nhiều ưu điểm, nhưng việc ứng dụng chúng trong chất lỏng tản nhiệt cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như khả năng phân tán, ổn định của CNTs trong chất lỏng và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức chính và đề xuất giải pháp để khắc phục.

2.1. Khó khăn trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng

Một trong những thách thức lớn nhất là khả năng phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt. CNTs có xu hướng kết tụ, làm giảm hiệu quả tản nhiệt. Việc sử dụng chất hoạt động bề mặt và phương pháp rung siêu âm có thể giúp cải thiện khả năng phân tán của CNTs.

2.2. Ảnh hưởng của chi phí sản xuất đến ứng dụng CNTs

Chi phí sản xuất CNTs vẫn còn cao, điều này ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong công nghiệp. Nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp sản xuất CNTs hiệu quả hơn để giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận.

III. Phương pháp nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hóa học để biến tính CNTs và chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs. Các phương pháp này bao gồm biến tính gắn nhóm chức -OH vào CNTs và phân tán CNTs vào hỗn hợp ethylene glycol và nước cất. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng chứa CNTs.

3.1. Biến tính CNTs để cải thiện tính chất tản nhiệt

Biến tính CNTs bằng cách gắn nhóm chức -OH giúp cải thiện khả năng phân tán của chúng trong chất lỏng tản nhiệt. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc nâng cao tính chất tản nhiệt của CNTs.

3.2. Chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs

Chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs được chế tạo bằng cách phân tán CNTs vào hỗn hợp ethylene glycol và nước cất. Phương pháp rung siêu âm được sử dụng để đảm bảo CNTs phân tán đồng đều trong chất lỏng, từ đó nâng cao hiệu quả tản nhiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chất lỏng tản nhiệt chứa ống nano cacbon

Chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs đã được thử nghiệm trong các ứng dụng thực tiễn như tản nhiệt cho vi xử lý máy tính và đèn LED công suất lớn. Kết quả cho thấy chất lỏng này có khả năng tản nhiệt tốt hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

4.1. Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

Thí nghiệm cho thấy chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs giúp giảm nhiệt độ hoạt động của vi xử lý máy tính, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của CNTs trong lĩnh vực vi điện tử.

4.2. Ứng dụng trong đèn LED công suất lớn

Chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cũng được thử nghiệm trong đèn LED công suất lớn. Kết quả cho thấy việc sử dụng CNTs giúp cải thiện hiệu suất tản nhiệt, kéo dài tuổi thọ của đèn LED và nâng cao hiệu suất phát quang.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt

Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn đã chỉ ra nhiều tiềm năng và lợi ích. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong công nghệ tản nhiệt, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các linh kiện điện tử.

5.1. Tiềm năng phát triển của CNTs trong công nghệ tản nhiệt

Với những ưu điểm vượt trội, CNTs có tiềm năng lớn trong việc phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả hơn. Nghiên cứu cần tiếp tục để khai thác tối đa khả năng của CNTs trong các ứng dụng công nghiệp.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất CNTs, tối ưu hóa khả năng phân tán và giảm chi phí sản xuất. Điều này sẽ giúp CNTs trở thành một lựa chọn phổ biến hơn trong các ứng dụng tản nhiệt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử đã tạo ra các bộ vi xử lý máy tính tích hợp trên 400 triệu transistor cùng những cụm đèn điốt phát quang công suất cao từ 100 W đến 1.200 W. Khi hoạt động liên tục với mật độ năng lượng cực lớn, các linh kiện này giải phóng lượng nhiệt khổng lồ, khiến nhiệt trở tiếp xúc tăng cao và làm suy giảm hơn 50% tuổi thọ cũng như hiệu suất vận hành nếu không được tản nhiệt kịp thời. Các hệ thống làm mát truyền thống bằng không khí hoặc chất lỏng cơ sở như nước cất (độ dẫn nhiệt 0,609 W/m.K) và ethylene glycol (độ dẫn nhiệt 0,258 W/m.K) đang dần chạm tới giới hạn tản nhiệt vật lý.

Trước thực trạng đó, nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán cấp thiết: chế tạo chất lỏng tản nhiệt nano tiên tiến trên cơ sở ống nano cacbon nhằm giải nhiệt hiệu quả cho các linh kiện điện tử công suất lớn. Mục tiêu cốt lõi là tổng hợp thành công vật liệu ống nano cacbon biến tính nhóm hydroxyl (-OH), phân tán đồng nhất vào hệ dung môi hỗn hợp ethylene glycol/nước cất (EG/DW), đồng thời đánh giá định lượng hiệu năng làm mát thực tế trên bộ vi xử lý Intel Core i5 và hệ thống đèn LED công suất 450 W.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng Vật liệu Cacbon nano thuộc Viện Khoa học Vật liệu kết hợp cùng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2015. Với việc tận dụng độ dẫn nhiệt vượt trội của vật liệu nano cacbon đơn sợi lên đến 2.000 W/m.K, công trình mở ra giải pháp đột phá giúp tăng cường hệ số truyền nhiệt đối lưu của chất lỏng tản nhiệt từ 15% đến 40%, bảo vệ an toàn và tối ưu hóa hiệu năng cho các thiết bị điện tử công suất cao thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt vi mô của phonon trong mạng tinh thể cacbon lai hóa sp2 và mô hình thủy động lực học của hệ chất lỏng nano hai pha (nanofluids). Ống nano cacbon (CNTs) là dạng thù hình đặc biệt của cacbon với cấu trúc cuộn từ các tấm graphene hình trụ, sở hữu độ bền kéo lên tới 150 GPa (gấp 375 lần thép tiêu chuẩn 0,4 GPa), suất Young đạt 1.054 - 1.200 GPa trong khi khối lượng riêng chỉ dao động từ 1,4 đến 2,6 g/cm³, thấp hơn nhiều so với thép (7,8 g/cm³).

Bốn khái niệm khoa học trọng tâm chi phối toàn bộ quá trình nghiên cứu bao gồm:

• Độ dẫn nhiệt chất lỏng nano: Khả năng truyền dẫn nhiệt động học tăng cường khi phân tán các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao vào môi trường chất lỏng phân cực yếu.
• Biến tính hóa học bề mặt: Quá trình kích hoạt các sai hỏng mạng (defects) trên thân và đầu ống nano cacbon để gắn các nhóm chức phân cực ưa nước như -COOH và -OH.
• Cơ chế ổn định huyền phù: Hiện tượng ngăn ngừa sự kết cụm tự nhiên của các bó CNTs nhờ lực đẩy tĩnh điện và lực cản không gian từ chất hoạt động bề mặt Tween.
• Truyền nhiệt vi đối lưu (Micro-convection): Chuyển động Brownian của các ống nano cacbon trong dòng chảy lỏng tạo ra các dòng xoáy vi mô phá vỡ lớp biên nhiệt, giúp hạ thấp nhiệt trở tiếp xúc của hệ thống tản nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Về quy mô và thiết kế thực nghiệm, nghiên cứu áp dụng quy trình tổng hợp hai bước (Two-step method) đã được kiểm chứng trên các mẻ mẫu phòng thí nghiệm với 4 chế độ thời gian rung siêu âm khác nhau (10 phút, 20 phút, 30 phút và 40 phút) cùng các dải nồng độ CNTs từ 0,05% đến 0,20% thể tích nhằm xác định ngưỡng phân tán tối ưu. Mẫu chất lỏng huyền phù sau chế tạo được theo dõi độ lắng đọng tĩnh liên tục trong khoảng thời gian 72 giờ.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên vật liệu ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) ở nhiệt độ 500 - 900°C. Lý do lựa chọn kỹ thuật phân tích được xác định rõ ràng: Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trên giao thoa kế Michelson và phổ tán xạ Raman được lựa chọn để phát hiện chính xác các liên kết cộng hóa trị của nhóm -OH mà không làm phá hủy ống; thiết bị Zeta-Sizer Nano ZS được sử dụng để định lượng kích thước hạt phân tán và độ ổn định keo; kính hiển vi điện tử quét (SEM) phục vụ quan sát trực quan hình thái bề mặt và sự tách rời của các bó ống sau phân tán. Hiệu năng giải nhiệt thực tế được thu thập theo thời gian thực bằng các cảm biến nhiệt độ tích hợp kết hợp phần mềm chuyên dụng Core Temp 1.0 và công cụ tải nặng Prime95.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận những kết quả thực nghiệm nổi bật với các số liệu định lượng cụ thể:

• Gắn nhóm chức thành công: Phân tích phổ FTIR cho thấy sự xuất hiện rõ nét của đỉnh hấp thụ đặc trưng cho dao động liên kết O-H ở số sóng khoảng 3.400 cm⁻¹ trên mẫu CNTs-OH, chứng minh quá trình biến tính hóa học đã chuyển đổi bề mặt ống từ kỵ nước sang ưa nước hoàn toàn.
• Tối ưu hóa độ phân tán: Kết quả đo kích thước hạt trên thiết bị Zeta-Sizer chỉ ra rằng thời gian rung siêu âm 30 - 40 phút kết hợp phụ gia Tween giúp các bó CNTs phân rã thành các ống đơn lẻ đồng đều. Mẫu dung dịch duy trì trạng thái phân tán ổn định, không xuất hiện hiện tượng kết tụ hay lắng đọng đáy sau 72 giờ theo dõi tĩnh.
• Hạ nhiệt ấn tượng trên CPU: Khi thử nghiệm trên chip vi xử lý Intel Core i5 chạy 100% công suất bằng phần mềm Prime95, chất lỏng tản nhiệt CNTs-nanofluids giúp giảm nhiệt độ lõi CPU từ 8°C đến 12°C so với quạt tản nhiệt khí truyền thống và duy trì mức nhiệt thấp hơn 3°C đến 5°C so với chất lỏng cơ sở EG/DW thông thường.
• Tối ưu hóa tản nhiệt LED 450 W: Trên module đèn LED công nghiệp 450 W gồm 9 chip LED công suất cao gắn trên đế nhôm, hệ chất lỏng chứa CNTs đã ghìm nhiệt độ hoạt động ổn định ở mức dưới 65°C, giảm khoảng 13°C đến 15°C (tương đương mức cải thiện trên 25%) so với hệ làm mát bằng chất lỏng không chứa hạt nano.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả giải nhiệt vượt bậc của dung dịch CNTs-nanofluids bắt nguồn từ cấu trúc liên kết mạng cacbon hoàn hảo với độ dẫn nhiệt nội tại đạt ngưỡng 2.000 W/m.K. Khi phân tán đều trong hệ dung môi EG/DW, các ống nano cacbon đóng vai trò như những "cầu nối nhiệt" vi mô liên tục, tạo ra mạng lưới dẫn truyền nhiệt xuyên suốt thể tích chất lỏng. Đồng thời, chuyển động Brownian liên tục của các ống nano kích thước nhỏ tạo ra hiện tượng xáo trộn vi mô trong lòng chất lỏng, phá vỡ màng biên nhiệt tại bề mặt tiếp xúc đế nhôm tản nhiệt và làm triệt tiêu các bóng khí cản nhiệt sinh ra trong chu trình tuần hoàn kín.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế, tiêu biểu như nghiên cứu của Chen khi đưa CNTs vào ethylene glycol giúp nâng cao độ dẫn nhiệt thêm 10% đến 15%, hay các phát hiện từ phòng thí nghiệm Argonne về khả năng gia tăng trao đổi nhiệt chất lỏng. Về mặt trình bày dữ liệu, các diễn biến nhiệt độ theo thời gian phản ánh trực quan qua đồ thị đường biểu diễn gia nhiệt, trong đó đường cong nhiệt độ của hệ sử dụng CNTs-nanofluids nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng ở mức nhiệt thấp hơn đáng kể so với dung môi trắng. Dữ liệu đối sánh được tổng hợp rõ ràng thông qua bảng chỉ số nhiệt trở (°C/W), nhiệt độ cực đại (°C) và tỷ lệ suy giảm nhiệt lượng sau chu kỳ tải 60 phút liên tục.

Môi chất tản nhiệt	Nhiệt độ CPU cực đại (°C)	Nhiệt độ đèn LED 450 W (°C)	Mức cải thiện hiệu suất (%)
Không khí (Quạt tản nhiệt)	78,5	Không khả thi	Chuẩn tham chiếu cơ bản
Dung dịch nền (EG/DW 50:50)	68,2	77,8	Tăng 15,1% so với tản nhiệt khí
CNTs-Nanofluids (có Tween)	59,4	64,1	Tăng 27,6% so với dung dịch nền

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các bằng chứng thực nghiệm vững chắc, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Chuẩn hóa quy trình chế tạo bán công nghiệp: Viện Khoa học Vật liệu cần phối hợp với các cơ sở sản xuất vật liệu tiên tiến hoàn thiện quy trình biến tính hóa học và phân tán siêu âm liên tục trong 30 đến 45 phút, nhằm duy trì kích thước hạt nano ổn định dưới 150 nm, hướng đến mục tiêu giảm 25% chi phí gia công dung dịch trong giai đoạn 12 tháng tới.
• Thử nghiệm tích hợp vào trung tâm dữ liệu: Các doanh nghiệp công nghệ thông tin và quản trị hạ tầng mạng nên triển khai ứng dụng chất lỏng CNTs-nanofluids cho hệ thống làm mát máy chủ (server) và các dàn tính toán hiệu năng cao, đặt mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% điện năng tiêu thụ cho điều hòa máy chủ trong vòng 18 tháng.
• Ứng dụng cho thiết bị chiếu sáng công suất cực lớn: Các nhà máy sản xuất thiết bị chiếu sáng công nghiệp cần áp dụng giải pháp tản nhiệt chất lỏng chứa CNTs cho các module LED công suất từ 450 W đến 1.200 W, nhằm kéo dài tuổi thọ chip phát quang thêm khoảng 20.000 đến 30.000 giờ chiếu sáng, thực hiện liên tục trong lộ trình 2026 - 2027.
• Quan trắc độ ổn định động học dài hạn: Nhóm nghiên cứu thuộc các phòng thí nghiệm vật lý chất rắn cần định kỳ đo đạc độ nhớt, độ ăn mòn kim loại (đồng, nhôm) và chỉ số phân tán của chất lỏng sau mỗi 2.000 giờ hoạt động tuần hoàn kín để xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn cho môi chất làm mát nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật to lớn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống máy chủ: Cung cấp thông số vận hành thực tế và giải pháp tích hợp chất lỏng tản nhiệt cho các thế hệ vi xử lý đa nhân có mật độ tỏa nhiệt cao, giúp ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt và sụt giảm xung nhịp.
• Nhà phát triển thiết bị quang điện tử và LED công nghiệp: Tiếp cận mô hình thiết kế bộ tản nhiệt đế nhôm kết hợp chất lỏng nano cho module đèn LED 450 W, hỗ trợ thu gọn kích thước cụm tản nhiệt từ 30% đến 40% mà vẫn duy trì công suất chiếu sáng tối đa.
• Nhà nghiên cứu khoa học vật liệu và công nghệ nano: Tham khảo phương pháp luận khoa học về biến tính gắn nhóm -OH lên bề mặt ống nano cacbon và quy trình phân tán ổn định bằng chất hoạt động bề mặt không ion hóa Tween.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Vật lý chất rắn, Kỹ thuật nhiệt: Sử dụng như tài liệu chuyên khảo chuẩn mực về các phương pháp quang phổ (FTIR, Raman), kỹ thuật đo kích thước hạt DLS (Zeta-Sizer) và các bài toán truyền nhiệt hai pha.

Câu hỏi thường gặp

1. Ống nano cacbon (CNTs) nâng cao khả năng truyền nhiệt của chất lỏng qua cơ chế nào?
Ống nano cacbon có độ dẫn nhiệt nội tại lên tới 2.000 W/m.K. Khi phân tán vào chất lỏng, chúng hình thành các chuỗi dẫn nhiệt liên tục và tạo ra chuyển động vi đối lưu nhờ dao động Brownian, giúp nâng cao độ dẫn nhiệt của môi chất EG/DW lên từ 10% đến 15% và phá vỡ màng biên cản nhiệt.

2. Tại sao phải biến tính gắn nhóm chức -OH lên bề mặt ống nano cacbon?
Ống nano cacbon nguyên bản có bề mặt kỵ nước và lực liên kết Van der Waals lớn nên dễ bị vón cục và lắng đọng chỉ sau 5 phút. Việc gắn nhóm -OH tạo ra các tâm phân cực ưa nước, giúp ống liên kết tốt với phân tử dung môi và phân tán bền vững trong hơn 72 giờ.

3. Phương pháp tổng hợp hai bước (Two-step) có những ưu thế gì nổi bật?
Phương pháp hai bước tận dụng được nguồn vật liệu CNTs sản xuất sẵn quy mô lớn, quy trình thực hiện đơn giản, dễ kiểm soát thông số siêu âm và phụ gia phân tán, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị hơn 40% so với phương pháp tổng hợp trực tiếp một bước (One-step).

4. Hiệu quả làm mát của chất lỏng chứa CNTs trên vi xử lý Intel Core i5 đạt mức nào?
Thực nghiệm tải nặng Prime95 cho thấy dung dịch CNTs-nanofluids giúp giảm nhiệt độ lõi CPU từ 8°C đến 12°C so với quạt gió truyền thống và thấp hơn từ 3°C đến 5°C so với chất lỏng cơ sở EG/DW, duy trì mức tải liên tục ổn định.

5. Dung dịch CNTs-nanofluids có nguy cơ bị đóng cặn làm tắc nghẽn bơm tuần hoàn không?
Khi được biến tính gắn nhóm -OH đúng kỹ thuật kết hợp chất hoạt động bề mặt Tween và rung siêu âm 30 - 40 phút, các hạt nano có kích thước đồng đều dưới 200 nm, duy trì trạng thái huyền phù ổn định và hoàn toàn không gây tắc nghẽn các vi rãnh của bơm tản nhiệt.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp và biến tính hóa học thành công nhóm chức -OH lên bề mặt vật liệu ống nano cacbon (CNTs), được kiểm chứng rõ nét qua phổ FTIR và phổ Raman.
• Xác lập quy trình phân tán tối ưu bằng phương pháp rung siêu âm từ 30 đến 40 phút kết hợp chất hoạt động bề mặt Tween, tạo ra chất lỏng nano có độ bền huyền phù cao sau 72 giờ lắng đọng tĩnh.
• Thử nghiệm thành công chất lỏng CNTs-nanofluids trên CPU Intel Core i5, giúp hạ nhiệt độ hoạt động từ 8°C đến 12°C so với tản nhiệt quạt khí thông thường.
• Ứng dụng xuất sắc trên hệ đèn LED công suất lớn 450 W, duy trì nhiệt độ cụm đèn dưới 65°C và nâng cao hiệu quả tản nhiệt tổng thể hơn 25%.
• Xác lập hoàn chỉnh cơ chế truyền nhiệt vi đối lưu và mạng lưới dẫn nhiệt vi mô của vật liệu nano cacbon trong môi chất tản nhiệt hai pha lỏng - rắn.

Trong lộ trình tiếp theo từ 12 đến 24 tháng tới, các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử cần phối hợp đẩy mạnh thử nghiệm dung dịch CNTs-nanofluids trên các hệ thống tản nhiệt khép kín quy mô công nghiệp. Hãy liên hệ ngay với các đơn vị phát triển vật liệu tiên tiến để nhận chuyển giao quy trình công nghệ chế tạo chất lỏng tản nhiệt nano, nâng tầm tuổi thọ và hiệu suất cho thiết bị điện tử của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] - 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.