Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh" được tác giả Tô Anh Đức thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (bảo vệ năm 2022), chuyên ngành Vật liệu điện tử (mã số: 9440123), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng. Luận án có độ dài 124 trang, bao gồm 9 bảng số liệu, 71 hình vẽ và đồ thị minh họa cùng hệ thống tài liệu tham khảo chuyên ngành.
Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ yêu cầu kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt trong kỹ thuật hàng không vũ trụ. Vệ tinh nhân tạo hoạt động trên quỹ đạo không gian chịu sự biến thiên nhiệt độ chu kỳ từ -170°C đến 130°C. Bề mặt hướng về Mặt Trời chịu thông lượng bức xạ nhiệt lớn, trong khi bề mặt quay về phía Trái Đất hoặc vùng bóng tối chịu mức nhiệt rất thấp. Trong thân vệ tinh, các linh kiện công suất (như bộ vi xử lý, khối truyền tín hiệu) tỏa ra lượng nhiệt lớn cần giải tỏa nhanh chóng; ngược lại, các cụm thiết bị đo, hệ thống quang học (camera quan sát Trái Đất, bộ lọc đa phổ LCTF) đòi hỏi được sưởi ấm để duy trì dải nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn. Phương pháp quản lý nhiệt chủ động sử dụng hệ thống tuần hoàn chất lỏng dùng bơm (Pumped Fluid Loop - PFL) là giải pháp hiệu quả cho các dòng vệ tinh có mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, các chất lỏng truyền nhiệt truyền thống bị giới hạn bởi hệ số dẫn nhiệt thấp. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là:
- Thiếu các mô hình giải tích chính xác dự đoán độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt đa thành phần khi bổ sung hạt nano dạng ống (CNTs) có xét đến điện trở nhiệt tiếp xúc và lớp giao diện.
- Thiếu quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng ổn định lâu dài trên nền chất lỏng tương thích môi trường không gian (Coolanol-20) có pha phân tán ống nano cácbon.
- Thiếu các thử nghiệm thực tế đánh giá hiệu quả truyền nhiệt và tái phân phối nhiệt của chất lỏng nano trên mô hình vệ tinh trong điều kiện chân không mô phỏng môi trường quỹ đạo.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án gồm các điểm chính sau:
- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm và thử nghiệm ứng dụng chất lỏng đa thành phần chứa ống nano cácbon (CNTs) nhằm giám sát và điều khiển nhiệt độ cho vệ tinh mô hình trong phòng thí nghiệm.
- Các nội dung nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng đa thành phần chứa vật liệu CNTs.
- Biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức -COOH và -OH để nâng cao hiệu quả phân tán trong chất lỏng tản nhiệt.
- Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng khả năng ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.
- Chế tạo mô hình buồng chân không và mô hình vệ tinh để giả lập điều kiện làm việc của vệ tinh trên quỹ đạo.
- Thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh qua hai tình huống giả định (tản nhiệt linh kiện công suất và thu hồi nhiệt để sưởi ấm linh kiện lạnh).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu ống nano cácbon đa tường (MWCNTs); các chất lỏng nền bao gồm nước cất (DW), ethylene glycol (EG) và chất lỏng nền đặc chủng Coolanol-20; hệ huyền phù chất lỏng nano chứa CNTs; mô hình buồng thử nghiệm chân không nhiệt và mô hình kết cấu vệ tinh cỡ nhỏ.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học Vật liệu, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao và Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (VNSC); điều kiện áp suất chân không và dải nhiệt độ mô phỏng môi trường nhiệt không gian của vệ tinh bay quanh quỹ đạo thấp của Trái Đất (LEO).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Vật liệu ống nano cácbon được S. Iijima công bố cấu trúc đa tường (MWCNTs) năm 1991 và đơn tường (SWCNTs) năm 1993 cùng Bethune, kế thừa từ phát hiện fullerene C60 năm 1985 của Smalley, Curl và Kroto. Các nghiên cứu cơ tính của Wong và cộng sự (1997) đo suất Young của MWCNTs đạt 1,28 ± 0,59 TPa bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM); Salvetat và cộng sự (1999) xác định mô đun trung bình 810 ± 410 GPa cho MWCNTs và 1 TPa cho SWCNTs; Yu và cộng sự (2000) dùng SEM đo độ bền kéo SWCNTs đạt 13 - 52 GPa và suất Young từ 320 đến 1.470 GPa. Về tính chất nhiệt, CNTs có độ dẫn nhiệt đo đạc thực tế từ 1.800 đến 6.000 W/mK (MWCNTs đạt ~3.000 W/mK, SWCNTs đạt ~2.000 W/mK; bó CNTs định hướng đạt trên 200 W/mK dọc theo trục ống). Ruoff (2000) chỉ ra tính chất giãn nở nhiệt hướng tâm của CNTs bị chi phối bởi mạng liên kết cộng hóa trị Carbon, tạo hệ số giãn nở nhiệt thấp và đẳng hướng.
Khái niệm "chất lỏng nano" (nanofluids) mở ra hướng nghiên cứu nâng cao hiệu suất dẫn nhiệt của dung môi thông thường. Eastman và cộng sự (2001) phát triển kỹ thuật ngưng tụ hơi vật lý một bước cho hệ Cu/EG; Zhu và cộng sự phát triển phương pháp hóa học một bước khử muối đồng trong EG có vi sóng hỗ trợ. Nghiên cứu phương pháp hai bước của Xie và cộng sự (2002) chỉ ra hạt CNTs chưa biến tính bị lắng đọng hoàn toàn sau 5 phút ở nồng độ 0,175% thể tích. Jiang và cộng sự (2003) dùng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) để tạo lực đẩy tĩnh điện ngăn tụ đám. Choi và cộng sự ghi nhận độ dẫn nhiệt của dầu poly(α-olefin) chứa 1,75% thể tích SWCNTs tăng đến 160%. Lifei Chen và cộng sự khảo sát độ dẫn nhiệt của hỗn hợp DW và EG chứa CNTs ghi nhận mức tăng từ 10% đến 15%. Narendra Singh và cộng sự (Ấn Độ) pha CNTs nồng độ 0,12% đến 0,4% vào EG ứng dụng cho ô tô. Xi và cộng sự so sánh độ dẫn nhiệt của EG pha các oxit nano, xác định mức tăng phụ thuộc vào tính chất hạt. Trong lĩnh vực quản lý nhiệt công nghiệp, Routbort và cộng sự (2008) ứng dụng chất lỏng nano cho chu trình làm mát công nghiệp giúp tiết kiệm 10 - 30 nghìn tỷ BTU/năm cho ngành điện Hoa Kỳ; Han và cộng sự chế tạo huyền phù hạt nano Indium chuyển pha trong polyalphaolefin để tăng nhiệt dung riêng; Kim và cộng sự (MIT) thử nghiệm chất lỏng nano cải thiện thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) trong lò phản ứng hạt nhân PWR; Ali và cộng sự nghiên cứu chất lỏng nano hoạt động như van nhiệt thông minh; Kulkarni và cộng sự khảo sát hệ sưởi ấm dùng dung dịch EG/DW (tỷ lệ 60:40) pha hạt nano oxit đồng, oxit nhôm và silic dioxide, chứng minh giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trên 20%.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết:
Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào dung môi đơn hoặc hỗn hợp nước/ethylene glycol ứng dụng cho môi trường mặt đất dân dụng, sử dụng các hạt nano oxit kim loại hình cầu. Trong khi đó, việc sử dụng ống nano cácbon (hình dạng ống dài bất đối xứng) trong chất lỏng đặc chủng chịu nhiệt độ khắc nghiệt (như Coolanol-20 cho vệ tinh) chưa có quy trình phân tán ổn định hoàn chỉnh. Bên cạnh đó, các mô hình tính toán lý thuyết kinh điển (Maxwell, Hamilton-Crosser, hay mô hình cải tiến của Hemanth và Patel) bộc lộ sai lệch lớn khi áp dụng cho hạt nano dạng ống trong dung môi nền đa thành phần. Luận án đặt vị trí nghiên cứu vào việc lấp đầy các khoảng trống này thông qua phát triển mô hình giải tích mới, làm chủ công nghệ biến tính - phân tán MWCNTs vào dầu Coolanol-20 và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình buồng chân không nhiệt phỏng không gian.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Lý thuyết dẫn truyền nhiệt trong vật liệu nano: Quá trình vận chuyển nhiệt trong CNTs xảy ra qua cơ chế dẫn truyền phonon theo trục ống, bị chi phối bởi các quá trình tán xạ ranh giới bề mặt và tán xạ Umklapp. Cấu trúc mạng tổ ong liên kết cộng hóa trị $sp^2$ của Carbon và cặp chỉ số Chiral $(n,m)$ quyết định tính chất điện và dao động mạng.
- Lý thuyết nhiệt cân bằng trên vệ tinh nhân tạo: Phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa nguồn nhiệt nội sinh (linh kiện điện tử tỏa nhiệt) và tương tác bức xạ nhiệt môi trường không gian. Không gian không có môi trường vật chất đối lưu, quá trình thải nhiệt hoàn toàn dựa vào bức xạ qua vỏ vệ tinh. Bốn nguồn nhiệt môi trường gồm: bức xạ mặt trời trực tiếp (thông lượng $1.322\text{ W/m}^2$ tại ngày hạ chí đến $1.414\text{ W/m}^2$ tại ngày đông chí), bức xạ phản xạ bề mặt Trái Đất (Albedo), bức xạ hồng ngoại từ Trái Đất và ma sát với phân tử tự do (FHM) ở quỹ đạo thấp (LEO < 200 km).
- Khung phân tích mô hình dẫn nhiệt hiệu dụng: Phát triển từ mô hình của Hemanth và Patel, bổ sung hệ số hình dạng bất đối xứng của hạt CNTs (hình trụ rỗng thay vì hình cầu) và xét đến điện trở nhiệt tiếp xúc Kapitza tại lớp ranh giới giữa bề mặt ống nano và các phân tử chất lỏng nền đa thành phần.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng:
- Xây dựng mô hình toán giải tích tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương $k_{nf}$ của hệ chất lỏng nano đa thành phần chứa CNTs.
- Mô phỏng đối chiếu trường nhiệt trong mạch truyền nhiệt vệ tinh qua phương pháp phần tử hữu hạn/mô phỏng mạch nhiệt tương đương cho 2 tình huống làm việc.
- Phương pháp thực nghiệm hóa - lý chế tạo:
- Phương pháp hai bước (Two-Step Method): Biến tính hóa học bề mặt CNTs bằng hỗn hợp axit mạnh để gắn các nhóm chức phân cực Hydroxyl (-OH) và Carboxyl (-COOH), gia tăng khả năng thấm ướt và tạo liên kết hydro với dung môi.
- Kỹ thuật tán phân tán: Kết hợp máy khuấy cơ học, máy rung siêu âm bể Elma và máy đồng hóa siêu âm đầu dò công suất cao XL2000 với các mốc thời gian 30, 60, 90 phút.
- Phương pháp phân tích, đo đạc đặc trưng:
- Phổ tán xạ Raman (thiết bị LABRAM - 1B): Phân tích tỷ số cường độ vạch $I_D/I_G$ để định lượng mức độ sai hỏng cấu trúc sau khi gắn nhóm chức.
- Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR, thiết bị IMPACT 410 Nicolet): Xác định sự hiện diện của các nhóm chức hữu cơ -OH và -COOH trên thành ống nano.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM): Đánh giá hình thái bề mặt, đường kính ngoài (10 - 30 nm) và chiều dài hạt CNTs.
- Phổ phân tán kích thước hạt và thế Zeta (thiết bị Zetasizer Nano ZS): Đánh giá điện thế bề mặt và phân bố kích thước hạt để kiểm soát độ ổn định chống tụ đám.
- Đo hệ số dẫn nhiệt: Thiết bị đo dẫn nhiệt THB-100 (theo phương pháp dây nóng tức thời - Transient Hot Bridge).
- Đo độ nhớt: Nhớt kế Brookfield DV2THA.
- Giám sát nhiệt độ: Thiết bị thu thập nhiệt độ đa kênh KIMO TK62 kết hợp cặp nhiệt điện loại K.
- Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Hóa chất: Ống nano cácbon đa tường (MWCNTs), dung dịch đặc chủng Coolanol-20, nước cất (DW), Ethylene Glycol (EG), chất phân tán SDS, axit phân tích.
- Dữ liệu thực nghiệm đo đạc độc lập tại phòng thí nghiệm Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; bộ số liệu thực nghiệm đối sánh quốc tế công bố của nhóm Hwang và nhóm Lifei Chen.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu của luận án
Chương này hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs, chất lỏng nano và các giải pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh nhân tạo:
- Cấu trúc CNTs: Gồm SWCNTs (đường kính 0,4 - 3 nm) và MWCNTs (đường kính trong từ 0,4 nm, đường kính ngoài từ 2 đến 30 nm, khoảng cách giữa các lớp graphene đồng trục là 0,34 - 0,39 nm). Cấu trúc MWCNTs được mô tả theo hai dạng: mô hình "Búp bê Nga" và mô hình "Giấy da". Vector chiral $\vec{C_h} = n\vec{a_1} + m\vec{a_2}$ xác định đường kính ống $d = \frac{a}{\pi}\sqrt{n^2 + m^2 + nm}$ (với $a = 1,42 \times \sqrt{3},\text{Å}$). Ống dạng armchair $(n=m)$ luôn có tính kim loại; ống có $(n-m)$ chia hết cho 3 là kim loại hoặc bán kim loại; các trường hợp khác là chất bán dẫn.
- Tổng hợp CNTs: Trình bày ba phương pháp chính gồm phóng điện hồ quang (năng suất nâng cao khi dùng hệ plasma quay của Lee và cộng sự), bốc bay laser nhiệt độ cao 1200°C (cho sản phẩm SWCNTs độ tinh khiết trên 90% nhưng chi phí cao) và lắng đọng pha hơi hóa học (CVD nhiệt) kiểm soát tốt kích thước ống.
- Tính chất nhiệt và chất lỏng nano: Phân tích cơ chế dẫn phonon trong mạng Carbon, khả năng chịu nhiệt tới 750°C trong không khí và 2.800°C trong chân không. Đánh giá tính ưu việt của phương pháp chế tạo hai bước. Tổng hợp các ứng dụng truyền nhiệt công nghiệp, điện hạt nhân, và địa nhiệt.
- Quản lý nhiệt vệ tinh: Phân tích các quỹ đạo LEO, MEO, HEO; các yếu tố tác động nhiệt và giới hạn dải nhiệt độ linh kiện điện tử (-10°C đến 50°C đối với khối pin/camera; -20°C đến 70°C đối với vi xử lý). Đánh giá các phương pháp kiểm soát nhiệt thụ động (PTC: phim nhiệt, nhiệt điện trở, ống nhiệt heatpipe, cửa chớp thông hơi louver) và chủ động (ATC: vòng tuần hoàn chất lỏng dùng bơm PFL, công nghệ bơm điện trường EHD).
Hệ thống số liệu tổng quan trong chương được tổng hợp trong các bảng sau:
Bảng 1: Tính chất của một số oxit hạt nano và chất lỏng nano nền Ethylene Glycol (EG) (nguồn trích dẫn trong văn bản luận án)
| Loại vật liệu hạt nano |
Hệ số dẫn nhiệt của oxit ($W/mK$) |
Tỷ lệ gia tăng độ dẫn nhiệt trong nền EG |
| $\text{TiO}_2$ |
Thấp nhất trong nhóm |
Gia tăng thấp nhất |
| $\text{ZnO}$ |
Trung bình |
Gia tăng mức trung bình |
| $\text{Al}_2\text{O}_3$ |
Mức khá |
Gia tăng đáng kể |
| $\text{SiO}_2$ |
Trung bình |
Cải thiện độ ổn định |
| $\text{MgO}$ |
Cao nhất trong nhóm oxit |
Gia tăng độ dẫn nhiệt cao nhất |
Bảng 2: Một số hạt nano ứng dụng trong dung dịch khoan chịu nhiệt độ cao (theo Cheraghian)
| Loại hạt |
Kích thước hạt (nm) |
Nồng độ tối ưu |
Tác dụng kỹ thuật |
| $\text{Fe}_2\text{O}_3$ |
3 đến 30 |
0,5% |
Kiểm soát độ nhớt, tăng cường tính lưu biến |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4$ |
10 đến 20 |
0,5% |
Tăng cường tính chất nhiệt và lưu biến |
| $\text{SiO}_2$ |
50 |
0,5% |
Tạo độ ổn định lưu biến cao hơn |
Bảng 3: Mức độ suy giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của hệ sưởi ấm khi pha 6% hạt nano (theo Kulkarni và cộng sự)
| Loại hạt nano pha thêm |
Nồng độ thể tích |
Tỷ lệ diện tích bề mặt sưởi ấm giảm |
| Oxit đồng ($\text{CuO}$) |
6% |
Giảm 20% diện tích thiết kế |
| Oxit nhôm ($\text{Al}_2\text{O}_3$) |
6% |
Giảm đáng kể lưu lượng bơm |
| Silic dioxide ($\text{SiO}_2$) |
6% |
Giảm thể tích thiết bị truyền nhiệt |
Chương 2. Phát triển mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs
Chương này tập trung xây dựng cơ sở toán học mô tả độ dẫn nhiệt của hệ huyền phù nano:
- Đánh giá mô hình đã công bố: Mô hình của Hemanth và Patel cũng như các mô hình cổ điển giả định hạt nano là hình cầu phân tán đẳng hướng, do đó dự đoán sai lệch lớn đối với các ống CNTs có tỷ số co giãn hình học (chiều dài trên đường kính) rất lớn.
- Xây dựng mô hình cho chất lỏng nền một thành phần: Tác giả phát triển mô hình tính toán có bổ sung tỷ số hình học dạng trụ rỗng của CNTs, độ dày lớp chất lỏng giao diện hấp phụ quanh ống nano và hệ số điện trở ranh giới Kapitza giữa hạt nano và chất lỏng. Khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm đã công bố của nhóm tác giả Hwang và nhóm tác giả Lifei Chen, mô hình đề xuất cho thấy đường cong lý thuyết bám sát các điểm đo thực nghiệm từ nồng độ 0,05% đến 1,0% thể tích, khắc phục hoàn toàn sự đánh giá thấp của mô hình Hemanth - Patel.
- Phát triển mô hình tính toán cho chất lỏng nano đa thành phần: Luận án mở rộng phương trình lý thuyết để dự đoán hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng cho hệ chất lỏng chứa nhiều cấu tử dung môi kết hợp pha hạt nano CNTs. Phương trình tính toán giải tích tổng quát xem xét tỷ lệ phần trăm thể tích của từng cấu tử nền và nồng độ thể tích của CNTs, tính đến tác động hiệp đồng của tương tác liên phân tử giữa các dung môi hữu cơ. Kết quả so sánh phương pháp đề xuất với các dữ liệu thực nghiệm thu được cho thấy độ sai số phân tán nằm trong giới hạn kiểm soát chặt chẽ.
Chương 3. Chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs cho vệ tinh
Chương này thực hiện toàn bộ quy trình thực nghiệm hóa lý tạo dung dịch nano trên nền chất lỏng đặc chủng Coolanol-20:
- Vật liệu chế tạo: MWCNTs có đường kính ngoài 10 - 20 nm, chiều dài hàng chục micromet; chất lỏng nền đặc chủng Coolanol-20 (chất lỏng chuyên dụng cho kỹ thuật điện tử hàng không vũ trụ, có dải nhiệt độ đóng băng thấp và độ bền nhiệt cao).
- Quá trình biến tính: Xử lý CNTs bằng phương pháp hóa học nhằm gắn nhóm chức hydroxyl (-OH) và carboxyl (-COOH). Phổ FTIR xác nhận các đỉnh hấp thụ đặc trưng của liên kết hóa học mới; phổ Raman chỉ ra sự biến đổi tỷ số cường độ $I_D/I_G$, chứng minh các nhóm chức phân cực đã liên kết hóa học cộng hóa trị thành công lên khung carbon mà không làm phá vỡ cấu trúc dạng ống.
- Phân tán và độ ổn định keo: Khảo sát thời gian rung siêu âm đầu dò (30, 60, 90 phút). Đo phổ Zeta-Sizer xác định phân bố kích thước hạt đồng đều nhất ở mốc 60 - 90 phút. Thế Zeta của dung dịch đo được đạt trị số âm cao, đảm bảo lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nano đủ lớn để ngăn chặn hoàn toàn sự tụ đám.
Bảng 4: Mối quan hệ giữa độ ổn định huyền phù và điện thế Zeta (tiêu chuẩn quy ước trong luận án)
| Giá trị thế Zeta ($\text{mV}$) |
Trạng thái ổn định của hệ keo chất lỏng nano |
| Từ 0 đến $\pm 5$ |
Tụ đám nhanh, hạt nano nhanh chóng lắng cặn |
| Từ $\pm 10$ đến $\pm 30$ |
Bắt đầu mất ổn định, có hiện tượng kết tụ |
| Từ $\pm 30$ đến $\pm 40$ |
Hệ keo ổn định vừa phải |
| Từ $\pm 40$ đến $\pm 60$ |
Độ ổn định keo tốt, phân tán đều |
| Trên $\pm 60$ |
Độ ổn định rất cao, chống lắng cặn tối ưu |
- Khảo sát các tính chất nhiệt lý:
- Hệ số dẫn nhiệt: Đo đạc bằng thiết bị THB-100 cho thấy hệ số dẫn nhiệt tăng tỷ lệ thuận theo nồng độ thể tích CNTs đưa vào nền Coolanol-20 và tăng theo nhiệt độ làm việc từ 20°C đến 80°C.
- Dải nhiệt độ hoạt động: Dung dịch Coolanol-20 chứa CNTs duy trì tính lỏng ổn định ở dải nhiệt độ âm sâu mô phỏng môi trường quỹ đạo không gian và duy trì độ bền nhiệt tại nhiệt độ cao không bị thoái hóa hay bay hơi sớm.
- Độ nhớt: Đo bằng nhớt kế Brookfield DV2THA, độ nhớt có sự gia tăng nhẹ khi nồng độ CNTs tăng nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống bơm thủy lực micro trên vệ tinh.
Chương 4. Thử nghiệm chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs trên mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm
Chương này đánh giá hiệu năng hệ thống truyền nhiệt tích hợp trong điều kiện mô phỏng quỹ đạo:
- Chế tạo hệ buồng chân không nhiệt mô phỏng không gian: Thiết kế và gia công vỏ buồng chân không hình trụ bằng thép không gỉ; hệ thống hút chân không giảm áp suất môi trường xuống mức tương đương quỹ đạo thấp; hệ thống tạo nhiệt độ thấp sử dụng áo lạnh chứa nitơ lỏng đạt nhiệt độ âm sâu (-100°C đến -150°C); hệ thống tạo nhiệt bức xạ sử dụng cụm 4 bóng/bánh bức xạ nhiệt hồng ngoại mô phỏng bức xạ Mặt Trời; lắp ráp hệ cảm biến nhiệt độ đa điểm kết nối bộ điều khiển giám sát tự động.
- Tích hợp mô hình vệ tinh: Chế tạo mô hình vệ tinh vật lý dựa trên cấu trúc mô hình chuẩn của vệ tinh NanoDragon (thuộc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam - VNSC). Trong thân mô hình, thiết lập các khối tỏa nhiệt (linh kiện công suất mô phỏng) và khối cần sưởi ấm (linh kiện nhạy cảm nhiệt độ như khối camera quang học).
- Thử nghiệm theo hai tình huống giả định:
Bảng 5: Tóm tắt kết quả thử nghiệm hai tình huống truyền dẫn nhiệt trên mô hình vệ tinh
| Tình huống giả định |
Cấu hình nhiệt mô phỏng |
Kết quả khi dùng chất lỏng nano Coolanol-20/CNTs |
| Tình huống 1: Tản nhiệt từ linh kiện công suất cao ra bề mặt vỏ vệ tinh |
Linh kiện công suất phát nhiệt lớn; nhiệt được vòng tuần hoàn dẫn ra tấm bức xạ ngoài vỏ để phát nhiệt vào buồng lạnh nitơ lỏng. |
Giảm nhiệt độ đỉnh của linh kiện công suất nhanh hơn và ổn định ở mức nhiệt độ thấp hơn rõ rệt so với khi chỉ dùng chất lỏng nền Coolanol-20 nguyên chất; giảm gradient nhiệt độ trong mạch tản nhiệt. |
| Tình huống 2: Lấy nhiệt từ linh kiện công suất để sưởi ấm linh kiện lạnh |
Dẫn truyền nhiệt lượng sinh ra từ bộ vi xử lý/linh kiện công suất sang làm ấm mô-đun camera/bộ lọc LCTF hướng Trái Đất. |
Tốc độ truyền nhiệt sang khối lạnh diễn ra nhanh hơn; nhiệt độ linh kiện lạnh được nâng lên và giữ ổn định trong dải an toàn; không cần sử dụng thêm năng lượng điện từ thanh sưởi nhiệt điện trở phụ trợ. |
- Kết quả mô phỏng mạch nhiệt hệ thống cho thấy các đường đặc tính nhiệt độ tính toán theo mô hình lý thuyết xây dựng ở Chương 2 và Chương 4 hoàn toàn tương thích với các điểm dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên hệ thống cảm biến nhiệt độ KIMO TK62.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới của luận án được tác giả tự xác định và công bố gồm các điểm cốt lõi sau:
- Đóng góp về mặt lý thuyết: Luận án đã phát triển thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs. Mô hình giải tích đã khắc phục các hạn chế của mô hình hạt cầu truyền thống bằng cách tính toán chính xác hình thái dạng ống nano, điện trở nhiệt tiếp xúc bề mặt và lớp chất lỏng giao diện. Các kết quả tính toán của mô hình cho độ tin cậy cao, phù hợp chặt chẽ với dữ liệu thực nghiệm độc lập và đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế.
- Đóng góp về mặt công nghệ chế tạo: Luận án đã hoàn thiện quy trình công nghệ biến tính bề mặt MWCNTs bằng các nhóm chức -OH, -COOH và kỹ thuật phân tán siêu âm công suất thích hợp, chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt đặc chủng trên nền Coolanol-20 chứa CNTs. Chất lỏng tạo thành có tính ổn định keo lâu dài, thế Zeta tối ưu, không bị lắng cặn và gia tăng đáng kể hệ số dẫn nhiệt trong khi vẫn đảm bảo dải nhiệt độ hoạt động tương thích điều kiện hàng không vũ trụ.
- Đóng góp về mặt thực nghiệm ứng dụng: Luận án đã thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình buồng thử nghiệm chân không nhiệt có hệ làm lạnh nitơ lỏng và hệ bức xạ hồng ngoại trong phòng thí nghiệm; đồng thời chế tạo mô hình vệ tinh phỏng cấu trúc NanoDragon để thử nghiệm thành công khả năng tản nhiệt cho linh kiện công suất và tái phân phối nhiệt sưởi ấm linh kiện lạnh.
- Đề xuất, kiến nghị kỹ thuật: Luận án khẳng định tính khả thi của việc thay thế chất lỏng tản nhiệt đơn thuần bằng chất lỏng nano chứa CNTs trong hệ thống tuần hoàn nhiệt dùng bơm (PFL) trên các vệ tinh nhỏ, giúp giảm khối lượng thiết bị trao đổi nhiệt, tiết kiệm năng lượng điện cấp cho thanh sưởi và nâng cao độ an toàn hoạt động cho vệ tinh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Toàn bộ các thử nghiệm tản nhiệt và sưởi ấm được thực hiện trên mô hình buồng chân không nhiệt mô phỏng tại phòng thí nghiệm mặt đất, chịu tác động của trọng lực ($1g$), chưa được kiểm chứng trong điều kiện vi trọng lực (microgravity) của quỹ đạo không gian thực tế.
- Các khảo sát độ ổn định huyền phù và tính chất nhiệt - cơ của chất lỏng nano Coolanol-20/CNTs mới dừng lại ở quy mô chu kỳ thử nghiệm ngắn hạn trong buồng mô phỏng; chưa khảo sát tác động thoái hóa lâu dài dưới ảnh hưởng đồng thời của bức xạ ion hóa vũ trụ (tia gamma, proton năng lượng cao).
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Thử nghiệm đánh giá động học truyền nhiệt và hành vi đối lưu của chất lỏng nano chứa CNTs trong môi trường vi trọng lực (thông qua các chuyến bay quỹ đạo parabol hoặc khoang thử nghiệm vệ tinh thực tế).
- Nghiên cứu độ bền hóa lý của các nhóm chức biến tính trên bề mặt CNTs khi bị chiếu xạ hạt năng lượng cao trong không gian ngoài khí quyển.
- Tối ưu hóa kích thước bơm vi lưu và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống quản lý nhiệt chất lỏng nano PFL lên một mô-đun vệ tinh bay thực tế.
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng chuyên môn:
- Nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu ngành Khoa học Vật liệu, Vật liệu Điện tử: Tham khảo phương pháp giải tích cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt cho hệ hạt nano dạng ống/sợi; quy trình kỹ thuật biến tính hóa học bề mặt CNTs (-OH, -COOH) và kỹ thuật phân tích phổ Raman ($I_D/I_G$), FTIR, thế Zeta để đánh giá độ ổn định keo.
- Kỹ sư công nghệ hàng không vũ trụ và kỹ sư thiết kế nhiệt vệ tinh: Tham khảo các thông số nhiệt lý thực tế của chất lỏng đặc chủng Coolanol-20 pha CNTs; bản vẽ thiết kế, nguyên lý gia công buồng chân không nhiệt mô phỏng không gian chi phí tối ưu sử dụng nitơ lỏng và dàn đèn hồng ngoại; giải pháp mạch nhiệt thu hồi năng lượng nhiệt giữa vùng nóng và vùng lạnh trên vệ tinh nhỏ.
- Giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng: Sử dụng làm tài liệu chuyên đề về cơ chế truyền nhiệt bằng chất lỏng nano cải tiến và các ứng dụng trao đổi nhiệt công nghiệp hiệu suất cao.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao vật liệu ống nano cácbon (CNTs) lại có khả năng nâng cao độ dẫn nhiệt vượt trội trong chất lỏng?
Ống nano cácbon sở hữu cấu trúc mạng nguyên tử Carbon lai hóa $sp^2$ đồng trục với liên kết cộng hóa trị bền vững, cho phép quá trình vận chuyển năng lượng nhiệt diễn ra chủ yếu qua cơ chế truyền sóng dao động mạng (phonon) dọc theo trục ống với vận tốc rất lớn và ít bị tán xạ Umklapp ở nhiệt độ thường. Độ dẫn nhiệt dọc trục của CNTs có thể đạt từ 1.800 đến 6.000 W/mK (gấp nhiều lần kim loại dẫn nhiệt tốt như đồng), do đó khi phân tán vào chất lỏng nền, các hạt CNTs tạo thành các vi cầu nối nhiệt trong dung môi, làm tăng mạnh hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của toàn hệ thống mà không cần tăng tỷ lệ nồng độ hạt lên quá mức làm tăng độ nhớt.
2. Vì sao phương pháp hai bước được lựa chọn để chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs thay vì phương pháp một bước?
Phương pháp một bước đòi hỏi tạo hạt và phân tán đồng thời trong môi trường chất lỏng, không tương thích với việc kiểm soát cấu trúc tinh thể ống nano cácbon (vốn đòi hỏi các điều kiện nhiệt độ cao hoặc lắng đọng pha hơi chuyên biệt như CVD, hồ quang điện hay bốc bay laser). Trong khi đó, phương pháp hai bước cho phép tận dụng nguồn vật liệu CNTs đa tường chất lượng cao đã qua tổng hợp và kiểm chuẩn trước, sau đó chủ động xử lý biến tính hóa học bề mặt (gắn nhóm chức -OH, -COOH) để kiểm soát tương tác liên kết và phân tán vào các dung môi đặc thù như Coolanol-20 bằng máy rung siêu âm công suất, phù hợp với năng lực phòng thí nghiệm và sản xuất mở rộng.
3. Hệ thống buồng mô phỏng môi trường nhiệt không gian của luận án được cấu tạo gồm các khối chức năng nào?
Hệ buồng chân không thử nghiệm gồm 4 khối chức năng chính:
- Khối vỏ chân không bằng thép không gỉ kín khí kết hợp hệ thống bơm hút chân không để triệt tiêu đối lưu khí học.
- Khối tạo môi trường nhiệt độ thấp gồm hệ thống áo lạnh/buồng đựng nitơ lỏng đạt mức nhiệt âm sâu mô phỏng khoảng không vũ trụ sâu.
- Khối tạo bức xạ nhiệt hồng ngoại gồm cụm 4 bóng/bánh phát xạ nhiệt mô phỏng thông lượng chiếu xạ của Mặt Trời.
- Khối điều khiển và đo đạc gồm hệ thống cảm biến nhiệt độ đa kênh gắn tại nhiều vị trí trên mô hình vệ tinh kết nối bộ hiển thị KIMO TK62.
4. Vai trò của chất lỏng nano Coolanol-20/CNTs trong hai tình huống thử nghiệm trên mô hình vệ tinh là gì?
- Trong tình huống 1 (tản nhiệt): Chất lỏng nano giúp truyền tải nhanh lượng nhiệt lớn tỏa ra từ các linh kiện công suất (như bộ vi xử lý) ra vỏ vệ tinh để bức xạ vào môi trường lạnh bên ngoài, giữ cho linh kiện không bị vượt ngưỡng nhiệt độ giới hạn và làm giảm gradient nhiệt trong thân vệ tinh.
- Trong tình huống 2 (sưởi ấm): Chất lỏng nano đóng vai trò chất thu hồi nhiệt, hấp thụ nhiệt từ vùng linh kiện công suất nóng và dẫn truyền đến làm ấm vùng linh kiện lạnh (camera, kính ngắm quang học), giúp giữ các thiết bị nhạy cảm trong dải nhiệt độ hoạt động mà không cần tiêu tốn năng lượng điện từ pin cho thanh sưởi nhiệt điện trở phụ.
5. Biện pháp kỹ thuật nào đã được tác giả sử dụng để giải quyết hiện tượng kết tụ và lắng cặn của CNTs trong chất lỏng?
Hiện tượng kết tụ tự nhiên của CNTs do lực hút Van der Waals giữa các ống có diện tích bề mặt lớn được giải quyết bằng giải pháp phối hợp: biến tính hóa học bề mặt MWCNTs bằng axit để gắn các nhóm chức phân cực Hydroxyl (-OH) và Carboxyl (-COOH); kết hợp quá trình phân tán bằng máy rung siêu âm công suất cao (đầu dò XL2000 và bể Elma) trong thời gian tối ưu 60 - 90 phút. Các nhóm chức này tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nano (thể hiện qua trị số thế Zeta âm lớn đo trên thiết bị Zetasizer Nano ZS) và tương tác liên kết tốt với chất lỏng nền Coolanol-20, ngăn ngừa sự tụ đám và lắng cặn trong thời gian dài.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Tô Anh Đức đã giải quyết đồng bộ từ lý thuyết, công nghệ chế tạo đến thử nghiệm ứng dụng chất lỏng nano chứa ống nano cácbon (MWCNTs) cho bài toán quản lý nhiệt trên vệ tinh nhân tạo. Công trình đã xây dựng thành công mô hình giải tích cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt cho hệ dung dịch nano đa thành phần có xét đến hình thái ống trụ rỗng của CNTs, đạt độ chính xác cao khi đối chiếu với thực nghiệm quốc tế. Đồng thời, luận án đã làm chủ quy trình công nghệ biến tính - phân tán MWCNTs vào dầu Coolanol-20 tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng có tính ổn định keo cao, dải nhiệt độ hoạt động rộng và hệ số dẫn nhiệt vượt trội. Kết quả thử nghiệm trên buồng chân không nhiệt phỏng không gian với mô hình vệ tinh NanoDragon đã chứng minh hiệu quả giảm nhiệt độ cho khối linh kiện công suất và khả năng tái phân bổ nhiệt năng để sưởi ấm các cụm cảm biến quang học, mở ra giải pháp kỹ thuật hữu ích cho hệ thống kiểm soát nhiệt trên các thiết bị không gian.
