Tổng quan luận án

Tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn là một yêu cầu kỹ thuật then chốt nhằm duy trì nhiệt độ làm việc cho phép và đảm bảo độ bền hoạt động. Các giải pháp truyền thống sử dụng đế hoặc cánh tản nhiệt bằng đồng khối hay nhôm khối chỉ đáp ứng hiệu quả đối với mật độ nhiệt thấp hoặc trung bình. Đối với các hệ thống có nguồn nhiệt tập trung cao trong không gian giới hạn—chẳng hạn chip vi xử lý mật độ tích hợp cao hoặc hệ thống chiếu sáng diode phát quang (LED) công suất từ hàng trăm watt trên diện tích vài centimet vuông—các cấu trúc khối kim loại hoặc phương pháp làm nguội cưỡng bức bằng quạt gió bộc lộ hạn chế về kích thước, khối lượng, tiêu thụ điện năng phụ trợ và tiếng ồn. Ống nhiệt (heat pipe) sử dụng cơ chế chuyển pha lỏng - hơi kết hợp cấu trúc mao dẫn có khả năng đạt độ dẫn nhiệt tương đương từ hàng nghìn đến hàng trăm nghìn W/m.K, vượt trội so với kim loại nguyên khối (đồng đạt 380 W/m.K, nhôm đạt 225 W/m.K). Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn phần lớn mới tiếp cận ở quy mô mô phỏng hoặc khảo sát truyền nhiệt trong phòng thí nghiệm; quy trình chế tạo thực nghiệm có hệ thống và việc đánh giá tính chất mao dẫn của vật liệu xốp từ nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước chưa được khảo sát đầy đủ, dẫn đến việc sản xuất thiết bị tản nhiệt trong nước chủ yếu phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu ống nhiệt thành phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:

  1. Khảo sát và lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp nhằm chế tạo vật liệu đồng xốp thiêu kết đạt tính chất mao dẫn tối ưu từ các nguồn nguyên liệu bột đồng thương mại sẵn có trên thị trường.
  2. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu về tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết để chế tạo ống nhiệt hoàn chỉnh có đặc tính tản nhiệt cao, ứng dụng thử nghiệm làm hệ thống tản nhiệt cho đèn LED công suất 200 W và 500 W.

Nội dung nghiên cứu của luận án được triển khai qua 4 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, cơ tính của mẫu đồng xốp sử dụng hai loại bột đồng nguyên liệu dạng cầu (chế tạo bằng phương pháp phun) và dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương pháp điện phân).
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt bột đồng nguyên liệu đến tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính và chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt.
  4. Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt trong các bộ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn (200 W và 500 W).

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao dẫn và ống nhiệt sử dụng vật liệu đồng xốp thiêu kết làm lớp mao dẫn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu đồng xốp thiêu kết bằng phương pháp luyện kim bột để làm lớp mao dẫn trong ống nhiệt, vận hành theo chu trình chuyển pha khép kín lỏng - hơi - lỏng với chất lỏng làm việc là nước; không gian thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Ý tưởng sử dụng cấu trúc mao dẫn trong ống truyền nhiệt được khởi xướng lần đầu bởi R. Gaugler vào năm 1942 nhằm ứng dụng cho hệ thống làm lạnh. Đến năm 1962, Trefethen tiếp tục nghiên cứu cấu tạo ống nhiệt mao dẫn phục vụ các thiết bị trong ngành công nghiệp vũ trụ. Năm 1964, Grover và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (Mỹ) đã chế tạo thành công ống nhiệt đầu tiên, sử dụng vỏ ngoài bằng thép không gỉ với chất lỏng làm việc là nước cho dải nhiệt độ thường và natri lỏng (Na) cho dải nhiệt độ cao lên đến 1.100 K (827 °C). Năm 1965, Cotter công bố các phân tích làm rõ cơ sở lý thuyết truyền nhiệt và động học dòng chảy trong ống nhiệt. Đến năm 1970, các dòng sản phẩm ống nhiệt thương mại dùng cấu trúc mao dẫn xốp bắt đầu được các doanh nghiệp tại Mỹ và Nhật Bản thương mại hóa. Kỹ thuật này được áp dụng tản nhiệt cho vi xử lý máy tính từ năm 1990, phổ biến trên máy tính cá nhân vào đầu những năm 2000, mở rộng sang đèn LED công suất cao từ năm 2010 và điện thoại thông minh từ năm 2013.

Về công nghệ chế tạo lớp mao dẫn kim loại xốp thiêu kết:

  • Leong và cộng sự nghiên cứu chế tạo đồng xốp từ bột đồng kích thước trung bình 63 µm phối trộn chất kết dính Emultex D64 (38% khối lượng), sấy loại chất kết dính và thiêu kết chân không ở 800–1.000 °C, thu được độ xốp 45,4% (ở 800 °C) và 44,3% (ở 1.000 °C) với kích thước lỗ xốp trung bình 30–40 µm.
  • Chiu và cộng sự sử dụng hai loại bột đồng hoàn nguyên (177 ± 73 µm; 63 ± 25 µm) và bột đồng phun (40 ± 15 µm) thiêu kết trong hỗn hợp khí H2/Ar (tỷ lệ 1/9) ở 800–1.000 °C không qua bước ép, ghi nhận độ xốp biến thiên tương ứng trong các khoảng 47%–41%, 54%–32% và 56%–35%.
  • Li và cộng sự điền bột đồng vào khe giữa vỏ ống đồng (đường kính 5,2 mm, dài 235 mm) và trục thép không gỉ định vị, thiêu kết trong khí hydro (độ sạch 99,99%) ở áp suất 0,03–0,05 MPa tại 850–1.000 °C; kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ từ 850 °C lên 1.000 °C trong 60 phút, độ xốp giảm từ 55% xuống 54,9%; ở 950 °C, thời gian thiêu kết 30, 60 và 90 phút cho độ xốp lần lượt là 53,9%, 54,6% và 54,3%.
  • Jiang và cộng sự sử dụng bột đồng dạng cầu kích thước 159 µm, 81 µm và 38 µm thiêu kết trong hỗn hợp H2/N2 (tỷ lệ 1/9) ở áp suất 0,3 MPa qua 4 giai đoạn nhiệt; với lớp xốp dày 0,45 mm, bột 159 µm thiêu kết ở 950 °C trong 3 giờ đạt độ xốp 47,7%, độ co ngót hướng tâm 3,68% và co ngót trục 1,13%; các cỡ hạt 81 µm và 38 µm thiêu kết ở 900 °C trong 3 giờ đạt độ xốp tương ứng khoảng 43% và 38%.
  • Kỹ thuật tạo lỗ xốp bằng chất chiếm chỗ (space holder) được Wang và cộng sự ứng dụng với muối NaCl đạt độ xốp 73,1%; Wu và cộng sự sử dụng polymethyl methacrylate (PMMA) nhằm tạo cấu trúc hai cấp độ xốp (bi-porous); các chất K2CO3 và Na2CO3 cũng được ghi nhận trong nghiên cứu của một số nhóm tác giả khác.

Về cấu trúc mao dẫn cải tiến và xử lý bề mặt:

  • Yeh và cộng sự (2009) chỉ ra cấu trúc mao dẫn đơn lớp dễ tích tụ bong bóng hơi ở mật độ dòng nhiệt cao làm tăng trở nhiệt, từ đó đề xuất cấu trúc mao dẫn chứa hai loại kích thước lỗ xốp (bi-porous) chế tạo từ bột Ni trộn chất chiếm chỗ Na2CO3 thiêu kết ở 650–750 °C trong môi trường H2, giúp tách biệt đường thoát pha hơi và dòng hồi lưu pha lỏng.
  • Chen và cộng sự (2012) áp dụng cấu trúc hai cấp lỗ xốp chế tạo ống nhiệt phẳng hoạt động từ công suất 2,5 W đến tải nhiệt tối đa 130 W ở nhiệt độ giới hạn 60 °C.
  • Zhang và cộng sự (2020) thiết kế buồng hơi dạng đĩa phẳng cấu trúc mao dẫn hai lớp truyền nhiệt cự ly 1,6 m.
  • Guo và cộng sự (2020) xử lý tạo lớp nano oxit CuO trên bề mặt hạt đồng sau thiêu kết (850 °C và 950 °C) bằng dung dịch H2O2 30% trong 3 giờ, làm tăng độ nhám và diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện tính thấm ướt và hạ thấp nhiệt độ dao động.
  • Giraudon và cộng sự (2019) phủ màng vàng mỏng dưới 0,1 µm lên lớp mao dẫn đồng và kẽm xốp thiêu kết nhằm giảm nhiệt trở tiếp xúc và hạn chế hiện tượng sôi cục bộ.

Về chất lỏng làm việc và chất lỏng nano:

  • Ilin và cộng sự khảo sát các giới hạn truyền nhiệt (giới hạn sôi, giới hạn âm, giới hạn mao dẫn, giới hạn cuốn) giữa nước, methanol và acetone, xác nhận nước cho giá trị giới hạn mao dẫn cao nhất.
  • Borkar và cộng sự khảo sát các tỷ lệ điền đầy (30%, 50%, 70%) với các chất lỏng nước, ethanol, methanol, acetone; kết quả cho thấy acetone phù hợp tải nhiệt dưới 32 W, trong khi ở dải 32–80 W các chất lỏng khác có hiệu suất cao hơn, với tỷ lệ điền đầy tối ưu là 50%.
  • Nghiên cứu bổ sung hạt nano (chất lỏng nano) của Putra và cộng sự (Al2O3, TiO2, ZnO phân tán trong nước hoặc ethylene glycol nồng độ 1–5%), Kumaresan và cộng sự (CuO/nước khử ion làm giảm nhiệt trở 66,1%, tăng độ dẫn nhiệt 63,5%), Kang (nano Ag) và Keshavarz (nano Al2O3) ghi nhận khả năng hạ thấp nhiệt trở nhưng lưu ý nguy cơ lắng đọng hạt gây tắc nghẽn mao quản khi vận hành dài hạn.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các cơ sở sản xuất thiết bị chiếu sáng LED và điện tử tại Việt Nam chủ yếu nhập khẩu ống nhiệt hoàn chỉnh. Luận án tập trung làm chủ công nghệ chế tạo lớp mao dẫn đồng xốp liên kết trực tiếp trên thành vỏ ống từ bột đồng thương mại trong nước bằng phương pháp luyện kim bột không ép nén, khảo sát tương quan định lượng giữa hình thái hạt (dạng cầu và dạng nhánh cây) với tính chất mao dẫn thực nghiệm, từ đó hoàn thiện quy trình chế tạo ống nhiệt đáp ứng yêu cầu tản nhiệt thực tế cho đèn LED công suất lớn (200 W và 500 W).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết vận hành của ống nhiệt mao dẫn dựa trên chu trình truyền nhiệt hai pha khép kín. Tại vùng bốc hơi, nhiệt từ nguồn nhiệt truyền qua vỏ ống và lớp mao dẫn làm chất lỏng làm việc hóa hơi, dẫn đến sự gia tăng áp suất hơi cục bộ. Chênh lệch áp suất đẩy dòng hơi di chuyển dọc khoang rỗng qua vùng đoạn nhiệt đến vùng ngưng tụ. Tại đây, nhiệt lượng được giải phóng ra môi trường qua các bộ phận tản nhiệt ngoài, hơi ngưng tụ thành pha lỏng và thẩm thấu ngược về vùng bốc hơi nhờ áp suất mao dẫn sinh ra trong cấu trúc xốp.

Áp suất mao dẫn tối đa được xác định thông qua phương trình Young-Laplace: $$P_{C,max} = \frac{2\sigma}{r_m}$$ Trong đó $\sigma$ là sức căng bề mặt của chất lỏng làm việc, $r_m$ là bán kính mao quản hiệu dụng trung bình. Để ống nhiệt hoạt động ổn định và liên tục, áp suất mao dẫn tối đa phải thắng toàn bộ tổn thất áp suất trên toàn chu trình theo điều kiện cân bằng: $$P_{C,max} \ge \Delta P_W + \Delta P_v + \Delta P_l + \Delta P_g$$ Với $\Delta P_W$ là tổn thất áp suất bên trong lớp mao quản, $\Delta P_v$ và $\Delta P_l$ lần lượt là độ sụt áp của pha hơi và pha lỏng dọc chiều dài ống, $\Delta P_g$ là áp suất thủy tĩnh do trọng trường tác dụng ($\Delta P_g = \rho g L \sin\psi$).

Đối với cấu trúc xốp thiêu kết từ các hạt bột hình cầu có bán kính trung bình $R_s$, bán kính mao quản hiệu dụng được tính xấp xỉ bằng $r_m = 0{,}21 R_s$. Độ dẫn lưu $K_h$ của môi trường xốp được mô tả theo phương trình Kozeny-Carman: $$K_h = \frac{d_s^2 X^3}{150 (1 - X)^2}$$ Trong đó $d_s$ là đường kính hạt cầu, $X$ là độ xốp của vật liệu.

Về tính toán kết cấu vỏ ống theo Byon:

  • Chiều dày tối thiểu vỏ ống $t$ bảo đảm khả năng chịu áp suất hơi $P$ sinh ra bên trong ống được tính theo độ bền cực đại $f_{max}$ hoặc ứng suất đàn hồi $\sigma_y$: $$t \ge \frac{P \cdot d_0}{2 f_{max} + P} \quad \text{hoặc} \quad t \ge \frac{P \cdot d_0}{2 \sigma_y}$$ Trong đó $d_0$ là đường kính ngoài của vỏ ống.
  • Đường kính ngoài hiệu dụng của vỏ ống phụ thuộc vào dòng nhiệt cực đại $Q_{max}$, mật độ hơi $\rho_v$, tỷ lệ hơi - nhiệt $\gamma_v$, ẩn nhiệt hóa hơi $h_{fg}$, hằng số khí $R_v$ và nhiệt độ hóa hơi $T_v$: $$d_0 = \sqrt{\frac{4 Q_{max}}{\pi \rho_v \gamma_v h_{fg} \sqrt{R_v T_v}}}$$

Phương pháp và vật liệu thực nghiệm trong luận án:

  • Bột đồng nguyên liệu: Sử dụng hai loại bột đồng có độ sạch Cu $\ge 99{,}5%$ (xuất xứ Trung Quốc), gồm bột dạng cầu (chế tạo bằng phương pháp phun kim loại lỏng) và bột dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương pháp điện phân). Bột được phân loại thành 3 dải kích thước hạt bằng phương pháp rây: 44–74 µm, 74–100 µm và 100–150 µm. Các mẫu bột có hàm lượng oxy phân tích bằng phổ EDS vượt quá 1,0% được hoàn nguyên trong lò ống ở 300 °C trong môi trường H2 suốt 1,5 giờ.
  • Vỏ ống và khí bảo vệ: Vỏ ống bằng đồng có độ sạch Cu > 99,8% (xuất xứ Việt Nam), đường kính từ 8 đến 12 mm, chiều dày thành ống 0,8 mm. Khí sử dụng gồm khí H2 độ sạch 99,99% (khí hoàn nguyên) và khí Ar độ sạch 99,99% (khí bảo vệ).
  • Quy trình tạo mẫu xốp: Bột đồng được điền vào khuôn định hình bằng graphit hoặc ống mẫu, sử dụng máy rung để tạo độ xít chặt tự nhiên (không ép cơ học), sau đó thiêu kết trong lò ống chuyên dụng.
  • Phương pháp phân tích cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái tế vi và mặt cắt liên kết; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) kiểm tra thành phần nguyên tố Cu và O; phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) đánh giá pha tinh thể.
  • Phương pháp xác định độ xốp: Đo độ xốp tổng dựa trên khối lượng riêng hình học; đo độ xốp hở bằng phương pháp thủy tĩnh ngâm nước (Archimedes); phân tích định lượng độ xốp và phân bố kích thước diện tích lỗ xốp thông qua xử lý ảnh SEM bằng phần mềm ImageJ (nhận diện biên, nhị phân hóa và tính diện tích lỗ xốp).
  • Đánh giá khả năng tự hút mao dẫn: Sử dụng thiết bị đo tự hút chuyên dụng ghi nhận khối lượng chất lỏng thẩm thấu theo thời gian qua cân phân tích kết nối máy tính; đo chiều cao cột mao dẫn và xác định lưu lượng hút chất lỏng tại các góc nghiêng thử nghiệm 90° (thẳng đứng), 60° và 30°.
  • Đo đạc thông số nhiệt ống nhiệt: Hệ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt tương đương $K$ và trở kháng nhiệt $R$ với nguồn cấp nhiệt điều khiển công suất, cảm biến nhiệt độ bố trí dọc vùng bốc hơi ($T_e$), vùng đoạn nhiệt ($T_a$) và vùng ngưng tụ ($T_c$), kết hợp camera hồng ngoại chụp ảnh trường nhiệt độ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu xốp ứng dụng làm ống nhiệt

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử hình thành, nguyên lý nhiệt động và phân loại các cấu trúc ống nhiệt. Luận án phân tích ưu nhược điểm của hai nhóm ống nhiệt chính: ống nhiệt trọng trường (yêu cầu vùng bốc hơi luôn đặt thấp hơn vùng ngưng tụ) và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn (cho phép chất lỏng hồi lưu độc lập với chiều tác dụng của trọng lực).

Văn bản so sánh đặc tính của ba cấu trúc mao dẫn cơ bản: dạng mắt lưới, dạng rãnh khía và dạng bột kim loại thiêu kết.

Cấu trúc lớp mao dẫn Lực mao dẫn Độ thẩm thấu Tính dẫn nhiệt
Lưới kim loại Lớn Trung bình thấp Thấp
Dạng rãnh Thấp Trung bình cao Cao
Bột kim loại thiêu kết Trung bình lớn Trung bình thấp Cao

Độ dẫn nhiệt thực nghiệm của các dạng ống nhiệt trích dẫn từ y văn được luận án tổng hợp nhằm xác lập cơ sở lựa chọn vật liệu và kết cấu.

STT Kiểu ống Kiểu mao dẫn Kích thước ống (L × W × H) Chất lỏng làm việc Độ dẫn nhiệt (W/m.K) Tài liệu tham khảo
1 Đồng, ống tròn Lưới đồng Đường kính 19,5 × 400 mm Nước 2.100 [20]
2 Đồng, phẳng Bột đồng thiêu kết 200 × 7,8 × 1 mm Nước 6.700 [21]
3 Đồng, phẳng Lưới đồng 100 × 7,7 × 1,1 mm Nước 106.000 [22]
4 Đồng, phẳng Bột đồng thiêu kết 100 × 50 × 2 mm Nước 2.800 [23]
5 Nhôm, phẳng Lưới nhôm 200 × 26 × 1,5 mm Acetone 32.000 [24]
6 Titan, phẳng Rãnh 30 × 30 × 0,6 mm Nitơ lỏng 350 [25]

Chương này cũng tổng thuật các giới hạn vận hành nhiệt (giới hạn mao dẫn, giới hạn sôi, giới hạn cuốn chất lỏng, giới hạn âm), các phương pháp đo lường đặc tính mao dẫn (phương pháp điểm bong bóng xác định áp suất mao dẫn tối đa $P_{C,max}$, phương pháp ghi nhận chiều cao cột mao dẫn $h$ bằng camera hồng ngoại, phương pháp cân khối lượng chất lỏng tự hút theo thời gian), cùng các kết quả nghiên cứu tản nhiệt cho module đèn LED có công suất phát nhiệt từ 200 W trở lên.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo thực nghiệm và hệ thống thiết bị đo đạc kiểm tra. Quy trình thực nghiệm sử dụng bột đồng nguyên liệu có độ sạch Cu $\ge 99{,}5%$ với hai dạng hình học: dạng cầu (phun) và dạng nhánh cây (điện phân), phân tách thành 3 khoảng kích thước rây (44–74 µm, 74–100 µm, 100–150 µm). Quy trình hoàn nguyên bột trong H2 được áp dụng tại 300 °C trong 1,5 giờ khi phát hiện lượng oxy dư trên 1,0%.

Quy trình chế tạo mẫu xốp dạng thỏi và ống nhiệt gồm các công đoạn:

  1. Rung nén bột đồng tươi vào khuôn định hình graphit hoặc điền bột vào khe giữa thành trong của ống đồng với trục thép không gỉ được định vị đồng tâm bằng hệ nắp gá.
  2. Thiêu kết đẳng nhiệt trong lò ống ở dải nhiệt độ 850–1.000 °C dưới các môi trường khí bảo vệ Ar hoặc hoàn nguyên H2, kiểm soát thời gian từ 30 đến 120 phút.
  3. Chế tạo ống nhiệt: rút trục lõi thép sau thiêu kết tạo khoang hơi rỗng bên trong lớp đồng xốp bám dính trên vỏ ống; hàn kín đáy một đầu; bơm chất lỏng làm việc (nước khử khí); hút chân không khoang ống đạt độ chân không yêu cầu; hàn bịt kín đầu còn lại.

Các phương pháp phân tích và đo đạc bao gồm:

  • Chụp ảnh SEM quan sát vi cấu trúc pha xốp và liên kết giao diện vỏ ống - lớp xốp; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) định lượng tỷ lệ Cu/O; nhiễu xạ tia X (XRD) nhận diện pha tinh thể kim loại.
  • Thử nghiệm cơ tính: nén mẫu thỏi trên máy thử cơ lý để xác định độ bền nén cực đại ($f_{max}$).
  • Đo độ xốp: xác định độ xốp tổng $X$ theo phương pháp hình học - khối lượng; đo độ xốp hở $X_o$ bằng phương pháp ngâm nước bão hòa; đo độ xốp diện tích và phân bố kích thước lỗ xốp bằng cách xử lý ảnh vi cấu trúc SEM qua phần mềm ImageJ (hiệu chỉnh nhiễu, tách ngưỡng màu, tạo biên lỗ xốp).
  • Đo khả năng tự hút mao dẫn: hệ đo tự động ghi nhận khối lượng nước hút vào mẫu theo thời gian ở các góc nghiêng 90°, 60° và 30°; tính toán tốc độ hút và lưu lượng chất lỏng mao dẫn.
  • Xác định hệ số dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt: sử dụng hệ đo gồm khối gia nhiệt bằng điện trở tiếp xúc tại vùng bốc hơi ($L_e$), bộ phận làm mát bằng cánh tản nhiệt/quạt tại vùng ngưng tụ ($L_c$), các cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ trung bình vùng bốc hơi $T_e$ và vùng ngưng tụ $T_c$. Hệ số dẫn nhiệt tương đương $K$ và trở kháng nhiệt $R$ được xác định theo các công thức: $$R = \frac{T_e - T_c}{Q}$$ $$K = \frac{Q \cdot L_{eff}}{A \cdot (T_e - T_c)}$$ Trong đó $Q$ là công suất nhiệt cấp, $L_{eff}$ là chiều dài hiệu dụng ($L_{eff} = L_a + \frac{L_e + L_c}{2}$), $A$ là diện tích tiết diện truyền nhiệt của ống nhiệt.

Chương 3: Chế tạo, nghiên cứu đặc tính cơ lý và tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ chế tạo đến cấu trúc, độ xốp, độ bền cơ học và động học mao dẫn của mẫu đồng xốp:

Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết: Thiêu kết trong môi trường hydro tinh khiết (99,99%) cho bề mặt hạt sạch oxit, cổ liên kết thiêu kết phát triển rõ rệt, độ bền nén cao hơn so với môi trường khí trơ argon hoặc chân không. Phổ EDS ghi nhận hàm lượng oxy trong mẫu thiêu kết môi trường H2 đạt mức thấp nhất, bảo đảm độ dẫn điện và dẫn nhiệt của mạng liên kết đồng.

Hàm lượng oxy và đồng phân tích qua phổ EDS tại các mẫu thiêu kết được tổng hợp tại Bảng 3.1 của luận án:

Loại bột đồng nguyên liệu Môi trường thiêu kết Hàm lượng Cu (% khối lượng) Hàm lượng O (% khối lượng)
Bột dạng cầu Khí Hydro (H2) 99,62 0,38
Bột dạng cầu Khí Argon (Ar) 98,15 1,85
Bột dạng nhánh cây Khí Hydro (H2) 99,54 0,46
Bột dạng nhánh cây Khí Argon (Ar) 97,80 2,20

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết:

  • Khi nhiệt độ thiêu kết tăng từ 850 °C lên 1.000 °C (khảo sát ở 850, 900, 950 và 1.000 °C), diện tích cổ thiêu kết giữa các hạt tăng lên, làm giảm độ xốp tổng và độ xốp hở nhưng độ bền nén của khối xốp tăng rõ rệt. Giản đồ XRD tại 950 °C chỉ xuất hiện các pic nhiễu xạ đặc trưng của pha đồng mạng lập phương tâm diện (FCC), không xuất hiện pic oxit đồng Cu2O hay CuO. Nhiệt độ 900–950 °C được xác định là khoảng nhiệt độ tối ưu cân bằng giữa độ bền liên kết hạt và độ xốp lưu thông chất lỏng.
  • Thời gian thiêu kết khảo sát từ 30, 60, 90 đến 120 phút tại 900 °C: Khi tăng thời gian thiêu kết, độ xốp có xu hướng giảm nhẹ và ổn định sau 60–90 phút, trong khi độ bền nén tăng lên và đạt giá trị bão hòa sau 90 phút.

Ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt bột đến độ xốp và khả năng tự hút mao dẫn:

  • Đối với bột đồng dạng cầu: Với ba dải hạt 44–74 µm, 74–100 µm và 100–150 µm, kích thước hạt ban đầu càng lớn thì kích thước lỗ xốp trung bình càng lớn nhưng diện tích bề mặt riêng giảm. Đo đạc bằng ImageJ trên ảnh SEM cho thấy mẫu hạt nhỏ (44–74 µm) có mật độ lỗ xốp cao, phân bố diện tích lỗ xốp tập trung ở kích thước nhỏ. Khả năng tự hút nước ghi nhận: mẫu hạt nhỏ (44–74 µm) đạt chiều cao cột nước dâng cao nhất do bán kính mao quản nhỏ sinh ra áp suất mao dẫn lớn ($P_{C,max}$ lớn), tuy nhiên lưu lượng dòng chất lỏng thẩm thấu thấp do trở lực dòng chảy cao; ngược lại, mẫu hạt lớn (100–150 µm) cho lưu lượng hút ban đầu nhanh nhưng chiều cao cột hút bão hòa thấp hơn.
  • Đối với bột đồng dạng nhánh cây: Do hình thái hạt có nhiều nhánh gai đan xen tự nhiên, độ xốp đo bằng phương pháp khối lượng và ImageJ đều đạt giá trị cao hơn đáng kể so với bột dạng cầu ở cùng dải kích thước hạt (độ xốp đạt khoảng 60%–70% so với mức 45%–55% của bột dạng cầu). Cấu trúc lỗ xốp phân nhánh mang lại khả năng lưu giữ chất lỏng lớn, song trở lực dòng chảy trong mạng mao quản nhánh cũng cao hơn.
  • So sánh bột dạng cầu và dạng nhánh cây: Phân tích so sánh cho thấy mẫu chế tạo từ bột nhánh cây có độ xốp tổng và độ xốp hở vượt trội (độ xốp hở chiếm tỷ lệ trên 90% tổng độ xốp), cho khối lượng nước tự hút lớn. Tuy nhiên, bột dạng cầu cho kênh mao dẫn thông thoáng hơn, dẫn đến vận tốc hút chất lỏng và lưu lượng thẩm thấu ổn định hơn khi đặt ở các góc nghiêng khác nhau (90°, 60°, 30°). Góc nghiêng thử nghiệm càng nhỏ (30° so với phương ngang), thành phần trọng lực cản trở dòng hút càng giảm, dẫn đến chiều cao và lưu lượng hút nước đo được của cả hai loại bột đều tăng so với phương thẳng đứng 90°.

Chương 4: Kết quả chế tạo ống nhiệt và ứng dụng thử nghiệm cho đèn LED công suất lớn

Chương 4 công bố kết quả chế tạo ống nhiệt hoàn chỉnh và thử nghiệm thực tế trong hệ thống làm mát đèn LED:

Chế tạo và liên kết lớp mao dẫn vào vỏ ống:

  • Bột đồng được điền vào khoảng hở giữa vỏ ống đồng và lõi thép định vị, thiêu kết trong môi trường H2 tại 950 °C. Ảnh SEM mặt cắt ngang cho thấy tại thời gian thiêu kết 60 phút, lớp đồng xốp đã hình thành liên kết luyện kim tốt với bề mặt trong của vỏ ống đồng; khi kéo dài thời gian thiêu kết lên 90 phút, cổ liên kết phát triển dày hơn, đảm bảo lớp mao dẫn không bị bong tróc khỏi thành ống khi chịu ứng suất nhiệt trong quá trình chuyển pha liên tục.
  • Ống sau thiêu kết được rút lõi thép, hàn nắp đáy, nạp chất lỏng làm việc là nước cất khử khí với tỷ lệ điền đầy được kiểm soát, hút chân không và hàn ngắt đầu nạp để tạo ống nhiệt kín hoàn chỉnh.

Khảo sát đặc tính dẫn nhiệt của ống nhiệt đơn lẻ:

  • Ảnh hưởng của đường kính ống: Khảo sát các ống nhiệt có đường kính ngoài 8 mm, 10 mm và 12 mm. Kết quả chỉ ra khi tăng đường kính ống, diện tích mặt cắt khoang dẫn hơi tăng lên, trở kháng pha hơi giảm, công suất vận chuyển nhiệt tối đa tăng lên, dẫn đến độ dẫn nhiệt tương đương tăng và trở kháng nhiệt tổng $R$ của ống giảm rõ rệt.
  • Ảnh hưởng của chiều dài ống: Khi chiều dài ống nhiệt tăng từ 200 mm lên 400 mm, trở kháng nhiệt $R$ tăng dần do quãng đường di chuyển của dòng hơi và dòng chất lỏng mao dẫn hồi lưu đều tăng, làm tăng tổng độ giảm áp $\Delta P_v$ và $\Delta P_l$.

Thử nghiệm tản nhiệt cho đèn LED 200 W:

  • Thiết kế bộ tản nhiệt sử dụng hệ thống ống nhiệt đồng xốp uốn cong kết hợp khối đế thu nhiệt bằng đồng và hệ cánh nhôm tản nhiệt phụ trợ. Module đèn LED 200 W được cấp nguồn phát nhiệt liên tục trong 120 phút.
  • Ghi nhận nhiệt độ tại các điểm đo bằng đầu đo nhiệt ngẫu và camera nhiệt: nhiệt độ bề mặt đế gắn chip LED ($T_s$) tăng nhanh trong 30 phút đầu và đạt trạng thái cân bằng nhiệt ổn định ở mức xấp xỉ 65–70 °C (thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn phá hủy 100 °C của chip bán dẫn LED). Kết quả làm mát tương đương với bộ tản nhiệt thương mại HB-WHP-1000-B của hãng Furukawa (Nhật Bản) trong cùng điều kiện thử nghiệm công suất và vị trí treo đèn.

Thử nghiệm tản nhiệt cho đèn LED 500 W:

  • Hệ thống tản nhiệt cho cụm LED 500 W được chế tạo tích hợp cụm nhiều ống nhiệt đường kính lớn phân bố đều từ khối nhận nhiệt trung tâm ra các phiến cánh tản nhiệt diện tích lớn.
  • Thử nghiệm vận hành kéo dài 120 phút ở các góc chiếu đèn khác nhau: nhiệt độ đế chip LED $T_s$ duy trì ổn định dưới mức 75–80 °C tại trạng thái cân bằng nhiệt. Phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ chiều dài cánh tản nhiệt ghi nhận qua ảnh nhiệt camera hồng ngoại chứng minh hơi môi chất truyền nhiệt nhanh chóng từ vùng bốc hơi đến các đầu ngưng tụ. Đặc tính giải nhiệt của hệ thống ống nhiệt chế tạo trong luận án đạt hiệu năng tương đương bộ tản nhiệt công nghiệp model FL-WHP-3100-B của hãng Furukawa.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học:

  1. Xác lập được cơ sở khoa học về ảnh hưởng của hình thái hạt bột đồng (dạng cầu phun kim loại và dạng nhánh cây điện phân) kết hợp các dải kích thước hạt (44–74 µm, 74–100 µm, 100–150 µm) đến cấu trúc tế vi, tỷ lệ độ xốp hở và động học tự hút mao dẫn của vật liệu đồng xốp chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột không ép nén.
  2. Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa chế độ thiêu kết (nhiệt độ 850–1.000 °C, thời gian 30–120 phút trong môi trường H2 hoàn nguyên) với độ bền liên kết giữa lớp mao dẫn xốp và bề mặt trong của vỏ ống đồng, xác định được ngưỡng công nghệ tối ưu đảm bảo đồng thời độ xốp dẫn lưu và độ bám dính cơ học.
  3. Xác định có hệ thống quy luật biến thiên của độ dẫn nhiệt tương đương và trở kháng nhiệt của ống nhiệt theo đường kính ngoài (8–12 mm) và chiều dài làm việc, cung cấp dữ liệu thực nghiệm phục vụ tính toán thiết kế ống nhiệt chuyển pha.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ chế tạo ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn bằng đồng xốp thiêu kết từ nguồn nguyên vật liệu bột đồng và vỏ ống đồng thương mại sẵn có tại Việt Nam, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu.
  2. Ứng dụng chế tạo thành công các bộ tản nhiệt ống nhiệt chuyên dụng cho đèn LED công suất 200 W và 500 W; các kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ tản nhiệt duy trì nhiệt độ chip LED ổn định dưới 80 °C (ngưỡng an toàn là dưới 100 °C), đạt các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương các sản phẩm thương mại của hãng Furukawa (Nhật Bản).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Áp dụng chế độ thiêu kết ở nhiệt độ 900–950 °C trong môi trường khí hydro hoàn nguyên với thời gian duy trì 60–90 phút để chế tạo lớp mao dẫn bám dính tốt trên thành ống đồng.
  • Sử dụng bột đồng dạng cầu kích thước 74–100 µm khi cần tối ưu lưu lượng tuần hoàn chất lỏng cho các ống nhiệt công suất lớn, hoặc bột dạng nhánh cây/hạt mịn 44–74 µm cho các ứng dụng đòi hỏi áp suất mao dẫn cao để chống lại tác dụng ngược hướng của trọng trường.
  • Triển khai ứng dụng kết cấu ống nhiệt đồng xốp cho các thiết bị điện tử công suất lớn khác trong nước nhằm thay thế tản nhiệt khối kim loại nặng nề.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Chất lỏng làm việc trong các khảo sát thực nghiệm ống nhiệt mới chỉ tập trung vào nước cất khử khí, chưa mở rộng đánh giá đối với các dung môi hữu cơ khác trong dải nhiệt độ âm hoặc nhiệt độ cao.
  • Cấu trúc mao dẫn thực nghiệm mới dừng lại ở dạng đơn lớp đồng nhất, chưa chế tạo lớp mao dẫn đa lớp hoặc hai cấp độ xốp (bi-porous) trực tiếp bên trong lòng ống nhiệt.
  • Thử nghiệm tản nhiệt thực tế được giới hạn trên hai cấu hình đèn LED công suất 200 W và 500 W.

Định hướng nghiên cứu tiếp theo được luận án xác định:

  1. Nghiên cứu công nghệ chế tạo cấu trúc mao dẫn hai cấp độ xốp (bi-porous) sử dụng kết hợp chất chiếm chỗ nhằm tăng cường hơn nữa khả năng thoát hơi và giảm trở kháng thủy lực dòng lỏng.
  2. Nghiên cứu kỹ thuật xử lý bề mặt hạt đồng sau thiêu kết bằng phương pháp tạo màng nano oxit đồng (như xử lý oxy hóa bề mặt bằng dung dịch H2O2) nhằm tăng diện tích bề mặt, tăng góc thấm ướt và tăng cường mật độ tâm tạo mầm sôi.
  3. Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng nano (nanofluid) ổn định làm môi chất làm việc trong ống nhiệt nhằm nâng cao hệ số dẫn nhiệt chuyển pha.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kim loại học, Khoa học vật liệu, Vật lý kỹ thuật và Kỹ thuật nhiệt - Năng lượng: Cung cấp phương pháp luận thực nghiệm về luyện kim bột không ép nén, phương pháp xử lý ảnh SEM bằng phần mềm ImageJ để đo đạc định lượng diện tích lỗ xốp và kỹ thuật đo đạc nhiệt chuyển pha hai pha.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng điện tử và nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng LED công suất cao: Tham khảo quy trình công nghệ chế tạo chi tiết ống nhiệt, các thông số tính toán chiều dày vỏ ống, đường kính vỏ, tỷ lệ điền đầy chất lỏng và giải pháp ghép nối ống nhiệt vào bộ tản nhiệt công nghiệp 200 W và 500 W.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất là Chương 2 và Chương 3 với quy trình công nghệ thiêu kết liên kết đồng xốp với vỏ ống kim loại và phương pháp đo động học mao dẫn thực nghiệm ở các góc nghiêng khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bột đồng nguyên liệu sử dụng trong luận án có những đặc tính kỹ thuật gì? Bột đồng có độ sạch Cu $\ge 99{,}5%$, gồm hai loại hình dạng: dạng cầu (chế tạo bằng phương pháp phun kim loại lỏng) và dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương pháp điện phân). Cả hai loại bột được phân loại thành 3 dải kích thước hạt bằng phương pháp rây: 44–74 µm, 74–100 µm và 100–150 µm. Nếu hàm lượng oxy phân tích trên phổ EDS lớn hơn 1,0%, bột được hoàn nguyên trong khí H2 ở 300 °C trong 1,5 giờ.

  2. Cấu trúc mao dẫn bột kim loại thiêu kết có đặc tính gì so với cấu trúc mắt lưới và cấu trúc dạng rãnh? Theo tổng kết trong luận án: cấu trúc mắt lưới có lực mao dẫn lớn, độ thẩm thấu trung bình thấp, tính dẫn nhiệt thấp; cấu trúc dạng rãnh có lực mao dẫn thấp, độ thẩm thấu trung bình cao, tính dẫn nhiệt cao; cấu trúc bột kim loại thiêu kết có lực mao dẫn trung bình lớn, độ thẩm thấu trung bình thấp và tính dẫn nhiệt cao, đồng thời tạo được liên kết liên tục với thành vỏ ống giúp giảm nhiệt trở tiếp xúc.

  3. Môi trường và nhiệt độ thiêu kết tối ưu cho vật liệu đồng xốp trong luận án là bao nhiêu? Môi trường thiêu kết tối ưu là khí hydro tinh khiết (99,99%) giúp khử triệt để oxit bề mặt (hàm lượng oxy giảm xuống dưới 0,5% theo phổ EDS) và phát triển cổ thiêu kết bền vững. Nhiệt độ thiêu kết tối ưu được xác định trong khoảng 900–950 °C với thời gian duy trì từ 60 đến 90 phút, đảm bảo cân bằng giữa độ bền nén và duy trì độ xốp lưu thông chất lỏng.

  4. Hình dạng bột đồng (dạng cầu và nhánh cây) ảnh hưởng thế nào đến độ xốp và khả năng mao dẫn? Bột dạng nhánh cây tạo độ xốp cao hơn (60%–70%) so với bột dạng cầu (45%–55%) và có độ xốp hở chiếm trên 90%, giúp hút và lưu giữ được khối lượng nước lớn. Tuy nhiên, bột dạng cầu tạo hệ mao quản thông suốt hơn, giúp lưu lượng hút thẩm thấu ổn định và ít suy giảm hơn khi ống nhiệt làm việc ở các góc nghiêng chịu ảnh hưởng của trọng trường.

  5. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho đèn LED 200 W và 500 W đạt hiệu quả như thế nào? Ống nhiệt chế tạo hoàn chỉnh được tích hợp vào bộ tản nhiệt đèn LED 200 W và 500 W, vận hành thử nghiệm liên tục trong 120 phút. Nhiệt độ đế chip LED ($T_s$) được kiểm soát ổn định ở mức 65–70 °C đối với đèn 200 W và dưới 80 °C đối với đèn 500 W, thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn phá hủy của chip LED (100 °C). Hiệu quả làm mát tương đương với các bộ tản nhiệt thương mại đối chứng của hãng Furukawa gồm model HB-WHP-1000-B (loại 200 W) và FL-WHP-3100-B (loại 500 W).

Kết luận

Luận án đã nghiên cứu có hệ thống công nghệ chế tạo vật liệu đồng xốp mao dẫn bằng phương pháp luyện kim bột không ép nén từ các nguồn bột đồng thương mại dạng cầu và dạng nhánh cây. Nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ thiêu kết, môi trường khí hydro hoàn nguyên, kích thước hạt và hình thái bột đến cấu trúc xốp, độ bền cơ học và động học hút mao dẫn. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng chế tạo thành công ống nhiệt chuyển pha hai pha và tích hợp vào hệ thống tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn 200 W và 500 W, kiểm soát nhiệt độ làm việc của linh kiện dưới 80 °C, tương đương tính năng các sản phẩm thương mại quốc tế. Công trình đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho lĩnh vực vật liệu xốp mao dẫn và công nghệ chế tạo thiết bị tản nhiệt công suất cao tại Việt Nam.