Tổng quan luận án

Tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn là yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhằm đảm bảo nhiệt độ làm việc an toàn và kéo dài tuổi thọ của linh kiện. Khi mật độ tích hợp transistor trên vi xử lý tăng cao hoặc các hệ thống đèn LED công suất lớn phát sinh nhiệt lượng lên tới hàng trăm Watt trên diện tích chỉ vài centimet vuông, các giải pháp tản nhiệt truyền thống dùng khối kim loại dẫn nhiệt như nhôm ($225\text{ W/m}\cdot\text{K}$) hay đồng ($380\text{ W/m}\cdot\text{K}$) không còn đáp ứng hiệu quả do giới hạn về kích thước và khả năng dẫn nhiệt. Ống nhiệt (heat pipe) có cấu trúc mao dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi của môi chất bên trong ống kín mang lại độ dẫn nhiệt tương đương từ vài nghìn đến hàng trăm nghìn $\text{W/m}\cdot\text{K}$.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây về ống nhiệt chủ yếu tập trung khảo sát quá trình truyền nhiệt trong phòng thí nghiệm mà chưa nghiên cứu một cách hệ thống về công nghệ chế tạo lớp mao dẫn đồng xốp và tính chất mao dẫn tương ứng. Hầu hết các nhà sản xuất trong nước phải nhập khẩu ống nhiệt thương mại để lắp ráp. Do đó, luận án tiến sĩ chuyên ngành Kim loại học (mã số: 9.29) của nghiên cứu sinh Trịnh Minh Hoàn, với đề tài "Chế tạo và khảo sát tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết ứng dụng làm ống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn", được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. Đoàn Đình Phương và PGS. Nguyễn Phú Hùng.

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

  1. Khảo sát, lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp để chế tạo được vật liệu đồng xốp thiêu kết có các tính chất mao dẫn tốt nhất từ các loại nguyên liệu sẵn có trên thị trường.
  2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu về tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết, chế tạo được ống nhiệt với tính chất tản nhiệt tốt nhất và ứng dụng làm hệ tản nhiệt cho thiết bị điện tử công suất lớn (đèn LED công suất $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$).

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao dẫn và ống nhiệt sử dụng lớp mao dẫn đồng xốp thiêu kết. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình chế tạo vật liệu mao dẫn bằng phương pháp luyện kim bột từ bột đồng thương mại, khảo sát các đặc tính mao dẫn hút nước, chế tạo ống nhiệt làm việc theo chu trình bay hơi - ngưng tụ khép kín và thử nghiệm tản nhiệt cho bộ đèn LED công suất $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển của ống nhiệt ghi nhận đề xuất đầu tiên của R. Gaugler vào năm 1942 về cấu trúc mao dẫn ứng dụng trong hệ thống làm lạnh. Đến năm 1962, Trefethen nghiên cứu cấu tạo ống mao dẫn xốp cho các thiết bị hàng không vũ trụ. Năm 1964, Grover và cộng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos chế tạo ống nhiệt đầu tiên sử dụng vỏ thép không gỉ với nước cho dải nhiệt độ thường và natri lỏng cho nhiệt độ cao tới $1100\text{ K}$ ($827^\circ\text{C}$). Năm 1965, Cotter công bố các phân tích lý thuyết về cơ chế truyền nhiệt trong ống nhiệt. Sản phẩm thương mại xuất hiện từ năm 1970 tại Mỹ và Nhật Bản, mở rộng sang tản nhiệt chip máy tính từ năm 1990, máy tính cá nhân vào đầu những năm 2000, đèn LED từ năm 2010 và điện thoại thông minh từ năm 2013.

Về công nghệ chế tạo lớp mao dẫn thiêu kết, nhiều nhóm tác giả quốc tế đã công bố các kết quả thực nghiệm:

  • Leong và cộng sự chế tạo đồng xốp từ bột đồng kích thước $63\text{ }\mu\text{m}$ trộn $38%$ khối lượng chất kết dính Emultex D64, thiêu kết chân không ở $800\text{--}1000^\circ\text{C}$, đạt độ xốp $45,4%$ (ở $800^\circ\text{C}$) và $44,3%$ (ở $1000^\circ\text{C}$) với kích thước lỗ xốp $30\text{--}40\text{ }\mu\text{m}$.
  • Chiu và cộng sự sử dụng bột đồng hoàn nguyên ($177\pm 73\text{ }\mu\text{m}$ và $63\pm 25\text{ }\mu\text{m}$) cùng bột đồng phun ($40\pm 15\text{ }\mu\text{m}$), thiêu kết trong khí $\text{H}_2/\text{Ar}$ ($1/9$) ở $800\text{--}1000^\circ\text{C}$, thu được độ xốp biến thiên tương ứng trong các khoảng $47%\text{--}41%$, $54%\text{--}32%$ và $56%\text{--}35%$.
  • Li và cộng sự thiêu kết bột đồng điền giữa vỏ ống và trục định vị trong khí $\text{H}_2$ ($99,99%$), áp suất $0,03\text{--}0,05\text{ MPa}$, ở $850\text{--}1000^\circ\text{C}$; tại $950^\circ\text{C}$, khi tăng thời gian từ $30$ lên $60$ phút độ xốp tăng từ $53,9%$ lên $54,6%$, và giảm về $54,3%$ khi thiêu kết $90$ phút.
  • Jiang và cộng sự dùng bột đồng hình cầu kích thước $159\text{ }\mu\text{m}$, $81\text{ }\mu\text{m}$ và $38\text{ }\mu\text{m}$, thiêu kết trong hỗn hợp $\text{H}_2/\text{N}_2$ ($1/9$) ở $0,3\text{ MPa}$. Mẫu bột $159\text{ }\mu\text{m}$ thiêu kết $950^\circ\text{C}$ trong $3$ giờ đạt độ xốp $47,7%$, độ co ngót hướng tâm $3,68%$ và co ngót trục $1,13%$; các mẫu $81\text{ }\mu\text{m}$ và $38\text{ }\mu\text{m}$ thiêu kết ở $900^\circ\text{C}$ đạt độ xốp tương ứng $43%$ và $38%$.
  • Các phương pháp tạo xốp khác gồm kỹ thuật dùng chất chiếm chỗ (space holder) như $\text{NaCl}$ đạt độ xốp $73,1%$ (Wang và cộng sự), PMMA (Wu và cộng sự), $\text{Na}_2\text{CO}_3$ hoặc $\text{K}_2\text{CO}_3$.
  • Các nghiên cứu nâng cao hiệu suất gồm cấu trúc hai cấp kích thước lỗ xốp (Yeh và cộng sự năm 2009; Chen và cộng sự năm 2012; Zhang và cộng sự năm 2020), xử lý bề mặt tạo màng nano oxit $\text{CuO}$ bằng dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ $30%$ (Guo và cộng sự năm 2020), hoặc phủ màng vàng siêu mỏng $<0,1\text{ }\mu\text{m}$ (Giraudon và cộng sự năm 2019).
  • Về chất lỏng làm việc, Ilin và cộng sự xác định nước có giới hạn mao dẫn tốt hơn so với methanol và acetone. Borkar và cộng sự chỉ ra acetone phù hợp ở mức công suất dưới $32\text{ W}$, còn nước đạt hiệu suất cao ở công suất $32\text{--}80\text{ W}$ với tỉ lệ điền đầy tối ưu $50%$. Các nghiên cứu của Putra, Kumaresan, Kang, Keshavarz sử dụng chất lỏng nano ($\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{CuO}$, $\text{Ag}$, $\text{TiO}_2$, $\text{ZnO}$) giúp giảm trở nhiệt và tăng hệ số dẫn nhiệt.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là thiết lập quy trình công nghệ chế tạo lớp mao dẫn đồng xốp thiêu kết từ các nguồn bột đồng thương mại sẵn có tại Việt Nam (gồm bột dạng cầu và bột dạng nhánh cây với các dải hạt xác định), làm sáng tỏ mối quan hệ giữa thông số chế tạo, cấu trúc hình học lỗ xốp với khả năng tự hút mao dẫn chất lỏng, từ đó làm chủ công nghệ chế tạo ống nhiệt hoàn chỉnh phục vụ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Ống nhiệt hoạt động dựa trên chu trình khép kín gồm vùng bay hơi ($L_e$), vùng đoạn nhiệt ($L_a$) và vùng ngưng tụ ($L_c$). Áp suất mao dẫn tối đa được xác định theo phương trình Young-Laplace: $$P_{C,max} = \frac{2\sigma}{r_m}$$ Trong đó $\sigma$ là sức căng bề mặt chất lỏng, $r_m$ là bán kính hiệu dụng trung bình của lỗ mao quản. Đối với bột hình cầu bán kính trung bình $R_s$, giá trị $r_m$ được tính xấp xỉ bằng $0,21 R_s$.

Để ống nhiệt hoạt động ổn định, áp suất mao dẫn cực đại phải thắng được tổng các trở lực thủy động học bên trong: $$P_{C,max} \ge \Delta P_W + \Delta P_v + \Delta P_l + \Delta P_g$$ Trong đó $\Delta P_W$ là độ chênh áp trong mao quản, $\Delta P_v$ và $\Delta P_l$ lần lượt là tổn thất áp suất pha hơi và pha lỏng, $\Delta P_g$ là chênh lệch áp suất do trọng lực. Độ dẫn lưu thủy lực $K_h$ của cấu trúc xốp được xác định theo phương trình Kozeny-Carman dựa trên độ xốp $X$.

Chiều dày tối thiểu của vỏ ống nhiệt $t$ chịu áp suất hơi $P$ với đường kính ngoài $d_0$ và độ bền cực đại $f_{max}$ được tính theo công thức Byon: $$t \ge \frac{P \cdot d_0}{2 f_{max} + P}$$

Nguyên vật liệu và phương pháp thực nghiệm

Vật liệu phục vụ nghiên cứu gồm:

  • Bột đồng thương mại xuất xứ Trung Quốc, độ sạch $\text{Cu} \ge 99,5%$, gồm hai dạng hình học: dạng cầu (chế tạo bằng phương pháp phun kim loại lỏng) và dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương pháp điện phân). Mỗi loại bột được phân tách thành ba dải kích thước hạt bằng rây tiêu chuẩn: $44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$, $74\text{--}100\text{ }\mu\text{m}$ và $100\text{--}150\text{ }\mu\text{m}$. Nếu hàm lượng oxy vượt quá $1,0%$, bột được hoàn nguyên trong lò ống ở $300^\circ\text{C}$ dưới dòng khí $\text{H}_2$ trong $1,5$ giờ.
  • Vỏ ống đồng xuất xứ Việt Nam, đường kính ngoài $d_0$ từ $8\text{--}12\text{ mm}$, chiều dày thành ống $0,8\text{ mm}$, độ sạch $\text{Cu} > 99,8%$.
  • Khí thí nghiệm gồm khí hydro ($\text{H}_2$) $99,99%$ làm môi trường khử và khí argon ($\text{Ar}$) $99,99%$ làm môi trường bảo vệ.

Các phương pháp nghiên cứu và thiết bị phân tích gồm:

  • Phân tích cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái hạt và vi cấu trúc mặt cắt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) phân tích thành phần nguyên tố ($\text{Cu}$, $\text{O}$); nhiễu xạ tia X (XRD) xác định thành phần pha.
  • Cơ tính: Phương pháp thử nén xác định độ bền nén cực đại ($f_{max}$) và quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \epsilon$).
  • Độ xốp: Xác định độ xốp tổng bằng phương pháp đo kích thước hình học và khối lượng riêng; đo độ xốp hở bằng phương pháp ngâm nước cân thủy tĩnh; phân tích độ xốp và diện tích lỗ xốp trên ảnh chụp SEM mặt cắt tẩm epoxy thông qua phần mềm xử lý ảnh ImageJ.
  • Tính chất mao dẫn: Đo khả năng tự hút nước trên hệ thiết bị gồm cân điện tử truyền dữ liệu thời gian thực sang máy tính tại ba góc nghiêng gá mẫu ($90^\circ$, $60^\circ$ và $30^\circ$) để xác định khối lượng nước hút, chiều cao cột nước dâng và lưu lượng hút.
  • Đo nhiệt: Hệ đo thông số nhiệt ghi nhận nhiệt độ vùng bốc hơi ($T_e$) và vùng ngưng tụ ($T_c$) để tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng ($K$) và trở kháng nhiệt ($R$) của ống nhiệt hoàn chỉnh.
Dạng cấu trúc mao dẫn Lực mao dẫn Độ thẩm thấu Tính dẫn nhiệt
Lưới kim loại (mesh screen) Lớn Trung bình thấp Thấp
Dạng rãnh (grooved) Thấp Cao Trung bình cao
Bột kim loại thiêu kết (sintered powder) Lớn Trung bình thấp Trung bình cao

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 phát triển, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trọng trường và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn. Phân tích ba bộ phận chính của ống nhiệt gồm vỏ ống kim loại, chất lỏng làm việc và lớp mao dẫn. Khảo sát các dạng cấu trúc mao dẫn (lưới kim loại, rãnh khía và bột thiêu kết), khẳng định cấu trúc bột đồng thiêu kết có khả năng tạo áp lực mao dẫn lớn, tính dẫn nhiệt tốt và tạo được liên kết liên tục với thành vỏ ống.

Chương này cũng tổng hợp cơ sở lý thuyết hiện tượng mao dẫn, phương trình Young-Laplace, phương trình Kozeny-Carman, các kỹ thuật đo khả năng mao dẫn (phương pháp điểm bong bóng, phương pháp đo chiều cao cột mao dẫn bằng camera hồng ngoại, phương pháp đo khối lượng nước tự hút), cùng các nghiên cứu mới về cấu trúc hai cấp độ xốp, xử lý bề mặt nano oxit $\text{CuO}$, lớp phủ mạ vàng và yêu cầu tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn trên $200\text{ W}$.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo mẫu và hệ thống phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Quy cách bột đồng (dạng cầu và nhánh cây, các dải hạt $44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$, $74\text{--}100\text{ }\mu\text{m}$, $100\text{--}150\text{ }\mu\text{m}$), quy chuẩn vỏ ống đồng ($\phi 8\text{--}12\text{ mm}$, dày $0,8\text{ mm}$) và khí $\text{H}_2$, $\text{Ar}$ ($99,99%$) được chuẩn hóa.

Quy trình chế tạo mẫu khối và mẫu ống đo mao dẫn sử dụng máy rung định lượng để tạo độ xít chặt của bột quanh trục thép không gỉ trước khi đưa vào thiêu kết trong lò ống. Quy trình công nghệ chế tạo ống nhiệt hoàn chỉnh gồm các công đoạn: hàn bịt một đầu ống, điền bột và thiêu kết lớp mao dẫn dính bám thành ống, nạp chất lỏng công tác (nước khử ion), hút chân không và hàn bịt kín đầu còn lại. Thiết lập chi tiết các quy trình đo kiểm vi cấu trúc (SEM/EDS, XRD), cơ tính (độ bền nén), độ xốp (khối lượng riêng, cân ngâm nước, phân tích ảnh ImageJ), hệ đo tự hút nước ở các góc nghiêng $90^\circ$, $60^\circ$, $30^\circ$, và hệ đo trở nhiệt, hệ số dẫn 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 về ảnh hưởng của thông số công nghệ và đặc tính bột nguyên liệu đến cấu trúc và tính chất mao dẫn của vật liệu:

  • Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết: Khảo sát thiêu kết trong môi trường khí $\text{H}_2$, khí $\text{Ar}$ và chân không. Môi trường khí $\text{H}_2$ thể hiện khả năng khử oxit vượt trội, giúp hạ hàm lượng oxy dư trên bề mặt hạt đồng về mức thấp, tạo cổ liên kết thiêu kết phát triển đồng đều giữa các hạt và nâng cao độ bền nén so với môi trường $\text{Ar}$.
Mẫu thiêu kết Hàm lượng $\text{Cu}$ (% khối lượng) Hàm lượng $\text{O}$ (% khối lượng)
Mẫu bột cầu thiêu kết trong $\text{H}_2$ $99,48$ $0,52$
Mẫu bột cầu thiêu kết trong $\text{Ar}$ $98,12$ $1,88$
Mẫu bột nhánh cây thiêu kết trong $\text{H}_2$ $99,35$ $0,65$
Mẫu bột nhánh cây thiêu kết trong $\text{Ar}$ $97,85$ $2,15$
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết: Khi tăng nhiệt độ thiêu kết từ $850^\circ\text{C}$ lên $950^\circ\text{C}$ và khảo sát thời gian từ $30$ đến $120$ phút ở $900^\circ\text{C}$, diện tích cổ liên kết giữa các hạt tăng lên, độ bền nén của mẫu tăng đều trong khi độ xốp tổng có xu hướng giảm nhẹ. Giản đồ XRD xác nhận mẫu sau thiêu kết ở $950^\circ\text{C}$ giữ pha đồng kim loại đơn thuần không bị oxy hóa khi thiêu kết trong $\text{H}_2$.
  • Ảnh hưởng của kích thước hạt bột đồng dạng cầu: Đối với ba dải kích thước $44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$, $74\text{--}100\text{ }\mu\text{m}$ và $100\text{--}150\text{ }\mu\text{m}$, kích thước hạt ban đầu càng lớn thì kích thước lỗ xốp trung bình càng tăng, độ xốp tổng đo qua khối lượng riêng và ImageJ có sự thay đổi tương ứng. Khi đo khả năng tự hút nước ở các góc nghiêng $90^\circ$, $60^\circ$ và $30^\circ$, dải hạt $44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$ tạo áp lực mao dẫn lớn giúp cột nước dâng cao nhất, trong khi dải hạt lớn hơn cho lưu lượng hút ban đầu nhanh hơn nhờ đường kính mao quản rộng giảm trở lực dòng chảy.
  • Ảnh hưởng của kích thước hạt bột đồng dạng nhánh cây: Bột nhánh cây tạo cấu trúc mạng lưới lỗ xốp phân nhánh phức tạp. Độ xốp tổng và độ xốp hở của mẫu bột nhánh cây đều đạt giá trị cao hơn so với mẫu bột cầu ở cùng dải kích thước hạt. Diện tích lỗ xốp đo bằng ImageJ và dữ liệu hút nước xác nhận mẫu bột nhánh cây có khả năng giữ và dẫn lưu lượng nước hút lớn.
  • So sánh bột dạng cầu và bột dạng nhánh cây: Dạng hình học nhánh cây tạo độ xốp hở cao hơn đáng kể ($48\text{--}56%$) so với dạng cầu ($38\text{--}45%$), các lỗ xốp liên thông tốt hơn, giúp lưu lượng hút nước mao dẫn của mẫu bột nhánh cây ở cả ba dải kích thước hạt vượt trội hơn mẫu dùng bột dạng cầu tại mọi góc nghiêng thử nghiệm ($90^\circ$, $60^\circ$, $30^\circ$).

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 và thử nghiệm ứng dụng thực tế của ống nhiệt:

  • Chế tạo lớp mao dẫn trong vỏ ống đồng: Khảo sát sự hình thành liên kết giữa lớp bột đồng thiêu kết và bề mặt trong thành ống đồng ở thời gian $60$ phút và $90$ phút. Thời gian thiêu kết $60$ phút ở $900^\circ\text{C}$ trong môi trường $\text{H}_2$ tạo liên kết luyện kim bám dính chắc chắn giữa lớp xốp và vỏ ống mà không làm suy giảm độ xốp mao dẫn. Hoàn thiện quy trình nạp nước ion hóa, rút chân không và hàn kín ống.
  • Đặc tính nhiệt của ống nhiệt:
    • Khảo sát ảnh hưởng của đường kính ống ($8\text{ mm}$, $10\text{ mm}$, $12\text{ mm}$): Ống có đường kính lớn hơn cho độ dẫn nhiệt hiệu dụng $K$ cao hơn và trở kháng nhiệt $R$ giảm do không gian lưu thông pha hơi mở rộng.
    • Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống nhiệt: Độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt thay đổi phụ thuộc vào hành trình vận chuyển dòng hơi và trở lực ma sát dòng lỏng hồi lưu dọc theo chiều dài ống.
  • Thử nghiệm ứng dụng cho đèn LED $200\text{ W}$: Thiết kế bộ tản nhiệt tích hợp ống nhiệt đồng xốp, lắp ráp hoàn chỉnh cụm đèn LED $200\text{ W}$. Thử nghiệm chiếu sáng liên tục trong $120$ phút; hệ thống đo nhiệt và camera nhiệt hồng ngoại ghi nhận nhiệt độ đế chip LED ($T_s$) ổn định ở mức dưới $70^\circ\text{C}$, tương đương với tính năng tản nhiệt của bộ sản phẩm thương mại HB-WHP-1000-B của hãng Furukawa (Nhật Bản).
  • Thử nghiệm ứng dụng cho đèn LED $500\text{ W}$: Thiết kế khối tản nhiệt đa ống nhiệt gắn kết các cánh tản nhiệt nhôm, tích hợp cụm LED công suất $500\text{ W}$. Sau $120$ phút vận hành, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc $T_s$ tại các góc chiếu đèn khác nhau được duy trì an toàn dưới $80^\circ\text{C}$, đáp ứng giới hạn nhiệt độ hoạt động cho phép của chip bán dẫn LED ($<100^\circ\text{C}$), tương đương bộ tản nhiệt FL-WHP-3100-B của Furukawa.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Làm sáng tỏ một cách có hệ thống ảnh hưởng của hình thái hạt bột đồng (dạng cầu và dạng nhánh cây) cùng ba dải kích thước hạt ($44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$, $74\text{--}100\text{ }\mu\text{m}$, $100\text{--}150\text{ }\mu\text{m}$) đến cấu trúc tế vi, độ xốp tổng, độ xốp hở và đặc tính mao dẫn (chiều cao cột nước dâng, lưu lượng hút nước tự do) ở các góc nghiêng $90^\circ$, $60^\circ$ và $30^\circ$. Khẳng định bột đồng dạng nhánh cây tạo độ xốp hở và lưu lượng hút mao dẫn cao hơn bột dạng cầu.
  2. Xác lập mối quan hệ giữa chế độ công nghệ thiêu kết (môi trường khí $\text{H}_2$, nhiệt độ $850\text{--}950^\circ\text{C}$, thời gian $30\text{--}120$ phút) với hàm lượng oxy dư, độ bền nén và chất lượng liên kết bám dính giữa lớp mao dẫn xốp với thành trong của vỏ ống đồng.
  3. Làm rõ quy luật biến thiên của độ dẫn nhiệt hiệu dụng ($K$) và trở kháng nhiệt ($R$) của ống nhiệt phụ thuộc vào đường kính ngoài và chiều dài làm việc của ống.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ chế tạo ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn đồng xốp thiêu kết từ nguồn nguyên liệu bột đồng và vỏ ống đồng thương mại trong nước, kiểm soát được độ sạch, độ xốp và độ chân không kín khít.
  2. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống tản nhiệt ống nhiệt ứng dụng cho đèn LED công suất cao $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh bộ tản nhiệt duy trì nhiệt độ chip LED ổn định dưới ngưỡng cho phép sau $120$ phút chiếu sáng, có hiệu quả giải nhiệt tương đương các dòng sản phẩm thương mại của hãng Furukawa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, các khảo sát thực nghiệm trong luận án tập trung chủ yếu vào vật liệu nền đồng với môi chất làm việc là nước khử ion; các thử nghiệm truyền nhiệt và tản nhiệt công suất lớn mới dừng lại ở đối tượng đèn LED công suất $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$ trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa đánh giá độ bền mỏi nhiệt qua hàng nghìn chu kỳ đóng cắt liên tục hoặc trong môi trường rung động công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng gồm:

  • Nghiên cứu phát triển cấu trúc mao dẫn đa cấp hạt hoặc hai loại kích thước lỗ xốp (bi-porous) kết hợp kỹ thuật tạo màng nano oxit bề mặt để tiếp tục tối ưu hóa áp suất mao dẫn và giảm nhiệt trở bay hơi.
  • Mở rộng thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt tự chế tạo cho các linh kiện bán dẫn công suất khác như chip vi xử lý (CPU, GPU), thiết bị biến tần công nghiệp và hệ thống trạm phát sóng viễn thông.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Khoa học vật liệu, Kim loại học, Luyện kim bột, Kỹ thuật nhiệt và Thiết bị điện tử; đặc biệt có giá trị tham khảo ở phương pháp thực nghiệm đo đặc tính mao dẫn đa góc nghiêng, kỹ thuật phân tích độ xốp bằng ImageJ trên ảnh SEM và cơ sở tính toán nhiệt động ống nhiệt.
  • Kỹ sư và doanh nghiệp sản xuất thiết bị: Các đơn vị thiết kế, chế tạo bộ đèn chiếu sáng LED công suất cao, thiết bị điện tử viễn thông có thể khai thác trực tiếp quy trình công nghệ chế tạo ống nhiệt và bản vẽ, thông số kết cấu bộ tản nhiệt cho nguồn nhiệt $200\text{ W}\text{--}500\text{ W}$ tại Chương 2 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những loại bột đồng nguyên liệu nào và xử lý sơ bộ ra sao trước khi thiêu kết?
Tác giả sử dụng hai loại bột đồng thương mại độ sạch $\text{Cu} \ge 99,5%$ gồm: 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 thành ba nhóm kích thước bằng rây: $44\text{--}74\text{ }\mu\text{m}$, $74\text{--}100\text{ }\mu\text{m}$ và $100\text{--}150\text{ }\mu\text{m}$. Nếu hàm lượng oxy phân tích qua EDS lớn hơn $1,0%$, bột được hoàn nguyên trong lò ống ở $300^\circ\text{C}$ dưới dòng khí $\text{H}_2$ trong $1,5$ giờ.

2. Hình dạng bột nguyên liệu (dạng cầu và nhánh cây) ảnh hưởng như thế nào đến độ xốp và tính chất mao dẫn?
Bột đồng dạng nhánh cây tạo ra độ xốp tổng và độ xốp hở cao hơn ($48\text{--}56%$) so với bột dạng cầu ($38\text{--}45%$). Cấu trúc nhánh cây liên kết đan xen tạo mạng lưới lỗ xốp liên thông tốt, giúp lưu lượng hút nước mao dẫn của mẫu bột nhánh cây vượt trội hơn so với mẫu bột cầu ở cùng dải kích thước hạt tại cả ba góc nghiêng thử nghiệm ($90^\circ$, $60^\circ$, $30^\circ$).

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định độ xốp và kích thước lỗ xốp trong luận án?
Luận án kết hợp ba phương pháp: (1) Xác định độ xốp tổng dựa trên khối lượng riêng và thể tích hình học; (2) Xác định độ xốp hở bằng phương pháp ngâm nước cân thủy tĩnh; (3) Phân tích độ xốp và phân bố diện tích lỗ xốp thông qua xử lý ảnh chụp SEM mặt cắt mẫu tẩm epoxy bằng phần mềm ImageJ.

4. Quy trình chế tạo một ống nhiệt hoàn chỉnh trong nghiên cứu gồm những bước nào?
Quy trình gồm 5 bước: (1) Gia công và làm sạch vỏ ống đồng, hàn bịt kín một đầu; (2) Điền bột đồng quanh trục thép định vị, rung nén tạo độ xít chặt và thiêu kết trong lò ống dòng khí $\text{H}_2$ ở $900^\circ\text{C}$ để tạo lớp mao dẫn bám dính vào thành ống; (3) Nạp một lượng chất lỏng công tác (nước ion hóa) đã tính toán; (4) Hút chân không loại bỏ khí không ngưng; (5) Hàn kín đầu ống còn lại để tạo thành ống nhiệt hoàn chỉnh.

5. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho đèn LED $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$ đạt được như thế nào?
Khi thử nghiệm chiếu sáng liên tục trong $120$ phút, bộ tản nhiệt sử dụng ống nhiệt tự chế tạo duy trì nhiệt độ bề mặt đế chip LED $200\text{ W}$ dưới $70^\circ\text{C}$ và chip LED $500\text{ W}$ dưới $80^\circ\text{C}$ (thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn $100^\circ\text{C}$), cho hiệu quả tản nhiệt tương đương với các bộ tản nhiệt thương mại HB-WHP-1000-B và FL-WHP-3100-B của hãng Furukawa.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trịnh Minh Hoàn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo vật liệu đồng xốp thiêu kết và hoàn thiện ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn từ nguồn nguyên liệu thương mại trong nước. Các kết quả thực nghiệm đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa hình thái, kích thước hạt bột đồng, chế độ thiêu kết với cấu trúc lỗ xốp và khả năng tự hút mao dẫn chất lỏng. Ống nhiệt chế tạo được đã được thử nghiệm thành công trên các bộ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn $200\text{ W}$ và $500\text{ W}$, duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật tương đương sản phẩm thương mại quốc tế.