Tổng quan luận án

Tiêu đề: Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nano cacbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực điện tử

Tác giả: Bùi Hùng Thắng | Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Anh Sơn | Năm bảo vệ: 2015 | Cơ sở đào tạo: Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam | Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu ống nano cacbon (CNTs) được giới khoa học – công nghệ quan tâm đặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển, CNTs sở hữu nhiều tính chất cơ, vật lý, hóa học đặc biệt với nhiều tiềm năng ứng dụng. CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục ống, độ dẫn nhiệt biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK; bền vững ở nhiệt độ rất cao trong chân không và trong các môi trường khí trơ (lên đến 2800°C). Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề mặt lớn, CNTs có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất.

Tại thời điểm thực hiện luận án, các nghiên cứu về vật liệu tản nhiệt chứa thành phần CNTs ở dạng chất lỏng và dạng kem đã được công bố trên thế giới, tuy nhiên thiếu một mô hình tính toán lý thuyết cải tiến có độ chính xác cao so với thực nghiệm, đồng thời chưa có thử nghiệm ứng dụng cụ thể trên các linh kiện điện tử công suất lớn như CPU và đèn LED trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích luận án là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nano cacbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn. Các nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai:

  1. Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nano cacbon.
  2. Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất.
  3. Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nano cacbon với nhóm chức -COOH và -OH.
  4. Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành phần CNTs và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU và LED).
  5. Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.
  6. Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Chất lỏng nền hữu cơ ethylene glycol/nước cất (EG/DW) chứa thành phần CNTs; kem tản nhiệt thương mại Stars (STARS) và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs.

Phạm vi không gian: Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và linh kiện điện tử.

Phạm vi thời gian: Luận án hoàn thành và bảo vệ năm 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Về cấu trúc và tính chất CNTs: Luận án điểm lại lịch sử phát hiện CNTs: năm 1976, nhóm nghiên cứu M. Endo lần đầu phát hiện cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thước nano mét bằng phương pháp CVD. Đến năm 1991, Tiến sĩ S. Iijima trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene bằng kính hiển vi điện tử truyền qua đã chính thức giới thiệu ống nano cacbon. Năm 1963, Danilenko và các cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano kim cương kích thước 5 nm – 20 nm bằng cách kích nổ hợp chất chứa nguyên tử cacbon (graphit).

Về vật liệu tản nhiệt chứa CNTs dạng chất lỏng: Luận án khảo sát và đánh giá một số mô hình tính toán lý thuyết đã công bố trên thế giới, cụ thể:

  • Nhóm H.E. Patel với kết quả tính toán lý thuyết về phân tán CNTs vào nước cất, so sánh với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang.
  • Nhóm Lifei Chen với kết quả thực nghiệm phân tán MWCNTs vào nước cất.
  • Nhóm Gensheng Wu với kết quả thực nghiệm phân tán SWCNTs vào nước cất.
  • Nhóm Hwang với trường hợp phân tán MWCNTs vào EG.

Về kem tản nhiệt chứa CNTs: Luận án tham chiếu kết quả tính toán lý thuyết của nhóm Indra Vir Singh và nhóm M. Bryning cho độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Các nghiên cứu này được trình bày trong phần tổng quan (Hình 1.20, Hình 1.21).

Về cơ chế tản nhiệt cho linh kiện điện tử: Tổng quan trình bày cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng cách sử dụng kem tản nhiệt, và kết quả đo độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp của linh kiện điện tử nền PEG chứa thành phần CNTs (Hình 1.19).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các mô hình lý thuyết hiện có chưa cho kết quả phù hợp đầy đủ với nhiều trường hợp thực nghiệm khác nhau (phân tán SWCNTs, MWCNTs vào các nền khác nhau). Chưa có nghiên cứu nào kết hợp đồng thời ba phương pháp: tính toán lý thuyết cải tiến, mô phỏng hệ thống và thử nghiệm thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho nhiều loại linh kiện điện tử công suất (CPU và LED).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án sử dụng lý thuyết về cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu CNTs, bao gồm phân tích vector chiral (n, m), cấu trúc vùng Brillouin của mạng graphit và phương trình xác định độ dẫn điện/dẫn nhiệt của CNTs theo các thông số cấu trúc. Độ dẫn nhiệt λ của CNTs được xác định theo công thức phụ thuộc vào nhiệt dung riêng c(T), vận tốc nhóm Vgroup và thời gian phục hồi của phonon τ.

Về cơ chế truyền nhiệt, luận án xây dựng mô hình tính toán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs dạng ống (Hình 3.3) và đề xuất mô hình cải tiến để tính hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs với độ chính xác cao hơn so với các mô hình trước.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án triển khai ba phương pháp song song:

Phương pháp tính toán lý thuyết: Phát triển từ một số mô hình tính toán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt CNTs.

Phương pháp mô phỏng: Chia hệ thống tản nhiệt thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần đủ ngắn, thiết lập các phương trình động lực học, truyền nhiệt và trao đổi nhiệt dựa trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C để thu được kết quả mô phỏng. Hai hệ thống được mô phỏng: hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu.

Phương pháp thực nghiệm:

  • Biến tính CNTs: Gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs.
  • Chế tạo chất lỏng tản nhiệt: Phân tán CNTs trong nền ethylene glycol/nước cất với các thời gian rung siêu âm khác nhau (20, 30, 40 phút).
  • Chế tạo kem tản nhiệt: Pha trộn CNTs vào nền kem thương mại STARS và AS5.
  • Thử nghiệm ứng dụng: Đo nhiệt độ CPU (Intel Pentium IV, Intel Core-i5) và chip LED (50 W, 450 W) bằng phần mềm Speedfan và StressPrime 2004 ORTHOS.

Nguồn tư liệu và thiết bị phân tích

Phương pháp phân tích Ký hiệu Mục đích sử dụng
Kính hiển vi điện tử quét SEM Hình thái học bề mặt CNTs và kem tản nhiệt
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Cấu trúc vi mô CNTs
Phổ tán xạ Raman — Kiểm tra biến tính CNTs
Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR Xác nhận nhóm chức –COOH, –OH trên bề mặt CNTs
Phổ tán sắc năng lượng EDX Phân tích thành phần hóa học kem tản nhiệt
Máy đo phổ phân tán Zeta-Sizer — Phân bố kích thước CNTs trong chất lỏng
Phổ huỳnh quang tia X XRF Phân tích vật liệu

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về CNTs và các ứng dụng

Chương này trình bày nền tảng kiến thức về vật liệu CNTs, bao gồm:

  • Cấu trúc carbon và các dạng thù hình: Phân tích ba trạng thái lai hóa sp1, sp2 và sp3 của nguyên tử carbon; cấu trúc của graphit (hằng số mạng a0 = 0,246 nm, khoảng cách giữa hai lớp mạng c0/2 = 0,334 nm); cấu trúc kim cương dạng lập phương (hằng số mạng a0 = 3,567 Å).
  • CNTs và phân loại: SWCNTs (đường kính < 5 nm) và MWCNTs (đường kính trong 1,5–15 nm, đường kính ngoài từ 2,5 nm đến vài chục nm); khoảng cách giữa hai lớp trong MWCNTs d = 3,39 Å.
  • Tính chất cơ học: Suất Young trung bình của MWCNTs ~1,8 TPa và SWCNTs ~1,25 TPa; độ bền liên kết trung bình của MWCNTs là 14,2 GPa; mô đun đàn hồi trung bình ~600 GPa; độ bền kéo ~13–52 GPa. Suất Young của CNTs lớn hơn 5 đến 6 lần so với thép và độ bền kéo lớn hơn khoảng 375 lần trong khi khối lượng riêng nhẹ hơn 2 đến 3 lần.
  • Tính chất nhiệt: Độ dẫn nhiệt của CNTs biến đổi từ 1800 đến 6000 W/mK; ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt khoảng 3×10⁴ W/m. Ở nhiệt độ trên 270 K, độ dẫn nhiệt của CNTs xấp xỉ độ dẫn nhiệt của đơn lớp graphit.
  • Tính chất điện: Phụ thuộc vào cặp chỉ số chiral (n, m): CNTs loại armchair (n, n) dẫn như kim loại; zigzag (n, 0) với n/3 nguyên là kim loại, n/3 không nguyên là bán dẫn; chiral với (n–m)/3 nguyên là kim loại và (n–m)/3 không nguyên là bán dẫn.
  • Tổng quan vật liệu tản nhiệt: Bảng 1.3 so sánh tính chất của các oxit và chất lỏng nano; trình bày các kết quả đo độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào nồng độ % thể tích CNTs trong DW và EG (Hình 1.17).

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương mô tả chi tiết các quy trình thực nghiệm:

  • Quy trình biến tính CNTs: Gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs (Hình 2.1); quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng (Hình 2.2).
  • Chế tạo chất lỏng tản nhiệt: Phân tán CNTs-COOH và CNTs-OH trong EG/DW với thời gian rung siêu âm thay đổi.
  • Chế tạo kem tản nhiệt: Pha trộn CNTs vào nền STARS và AS5.
  • Phương pháp phân tích đo đạc: SEM, TEM, AFM, Raman, FTIR, XRF, Zeta-Sizer được mô tả nguyên lý hoạt động và điều kiện đo.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng

Đây là chương trình bày các kết quả lý thuyết và mô phỏng:

Mô hình cải tiến tính độ dẫn nhiệt chất lỏng CNTs:

  • Đánh giá và so sánh các mô hình hiện có (nhóm H.E. Patel, nhóm Hwang, nhóm Lifei Chen, nhóm Gensheng Wu).
  • Đề xuất mô hình cải tiến dựa trên mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs dạng ống (Hình 3.3).
  • Kết quả so sánh lý thuyết với thực nghiệm: Hình 3.4 (phân tán MWCNTs vào nước cất – nhóm Hwang), Hình 3.5 (phân tán MWCNTs vào nước cất – nhóm Lifei Chen), Hình 3.6 (phân tán SWCNTs vào nước cất – nhóm Gensheng Wu), Hình 3.7 (phân tán MWCNTs vào EG – nhóm Hwang).

Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm:

  • Cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs cho linh kiện điện tử công suất (Hình 3.8).
  • Kết quả mô phỏng nhiệt độ linh kiện điện tử theo thời gian với các nồng độ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất lỏng (Hình 3.9).

Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tự đối lưu:

  • Cấu trúc hệ thống (Hình 3.10, 3.11).
  • Kết quả mô phỏng tốc độ tự đối lưu của dòng chất lỏng theo thời gian hoạt động tại các công suất nhiệt khác nhau (Hình 3.12).
  • Kết quả mô phỏng nhiệt độ linh kiện điện tử công suất 50 W theo thời gian và nồng độ CNTs (Hình 3.13).

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs:

Biến tính và phân tán CNTs:

  • Phổ FTIR xác nhận gắn thành công nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs (Hình 4.1).
  • Phổ tán xạ Raman của CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính –COOH và CNTs biến tính –OH (Hình 4.2).
  • Phổ phân tán kích thước của CNTs phân tán trong nước cất với thời gian rung siêu âm 20, 30, 40 phút (Hình 4.3); CNTs-COOH phân tán tốt hơn CNTs không biến tính (Hình 4.4, 4.5).
  • Phổ phân bố kích thước CNTs-OH trong EG/DW đo ngay sau phân tán và sau 72 giờ lắng đọng (Hình 4.6, 4.7).

Thử nghiệm tản nhiệt cho CPU:

  • Hệ thống tản nhiệt chất lỏng CNTs cho vi xử lý Intel Pentium IV (Hình 4.8, 4.9, 4.12); sử dụng phần mềm Speedfan (Hình 4.10) và StressPrime 2004 ORTHOS (Hình 4.11) để theo dõi và tải CPU.
  • So sánh ba phương pháp tản nhiệt: tự nhiên (Hình 4.13), bằng quạt (Hình 4.14), bằng chất lỏng CNTs (Hình 4.15).
  • Bảng 4.1 tổng kết so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng.
  • Hệ thống tản nhiệt cho Intel Core-i5 (Hình 4.16); đồ thị nhiệt độ CPU theo thời gian khi tản nhiệt bằng quạt (Hình 4.17) và bằng chất lỏng CNTs (Hình 4.18).

Thử nghiệm tản nhiệt cho đèn LED:

  • Hệ thống tản nhiệt cho chip LED 50 W (Hình 4.19, 4.20); so sánh với đèn pha LED 50 W trên thị trường (Hình 4.21).
  • Đồ thị nhiệt độ LED 50 W trong 3 trường hợp: tản nhiệt thông thường, nước cất, và nước cất chứa CNTs (1,0 g/lit) (Hình 4.22).
  • Đồ thị nhiệt độ chip LED 50 W với các nồng độ CNTs khác nhau (Hình 4.23).
  • Hệ thống tản nhiệt cho đèn pha LED 450 W (Hình 4.24, 4.25, 4.26); kết quả đo nhiệt độ với các nồng độ CNTs khác nhau (Hình 4.27).
  • Tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ đèn LED 450 W vào hàm lượng CNTs (Hình 4.28).
  • Module đèn LED 100 W tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs lắp vào hộp đèn chiếu sáng công cộng (Hình 4.29–4.32, 4.33).
  • Sơ đồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ đế tản nhiệt vào chất lỏng và từ chất lỏng ra giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng CNTs (Hình 4.34, 4.35).

Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs:

Đặc trưng vật liệu:

  • Ảnh SEM kem STARS và AS5 trước khi pha CNTs (Hình 4.36); ảnh SEM kem STARS/2%CNTs (Hình 4.37) và AS5/2%CNTs (Hình 4.38).
  • Phổ Raman kem STARS và STARS/2%CNTs (Hình 4.39).
  • Phân tích EDX kem STARS/2%CNTs (Hình 4.40, Bảng 4.2) và AS5/2%CNTs (Hình 4.41, Bảng 4.3).

Thử nghiệm ứng dụng cho vi xử lý:

  • Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt CNTs (Hình 4.42, 4.43).
  • Đồ thị nhiệt độ CPU khi sử dụng kem STARS/CNTs với nồng độ CNTs từ 0% wt (Hình 4.44) và AS5/CNTs (Hình 4.45).
  • Mô phỏng và so sánh với thực nghiệm cho các trường hợp: không dùng kem (Hình 4.49), dùng kem STARS (Hình 4.50), dùng kem STARS/2%CNTs (Hình 4.51), dùng kem AS5 (Hình 4.52), dùng kem AS5/2%CNTs (Hình 4.53).
  • Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU trong quá trình giảm nhiệt khi sử dụng kem STARS (Hình 4.54).
  • Bảng 4.4 tổng kết kết quả đo đạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự nêu hai đóng góp mới chính:

1. Mô hình cải tiến tính hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs: Luận án đã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs. Mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm đã công bố trên các tạp chí quốc tế.

2. Chế tạo và thử nghiệm thành công vật liệu tản nhiệt chứa CNTs: Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, đồng thời thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện điện tử công suất (CPU và đèn LED). Kết quả ứng dụng được thể hiện qua việc chế tạo module đèn LED công suất 100 W tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs, lắp vào hộp đèn chiếu sáng công cộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án đề cập trong phần Kết luận rằng còn một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục. Dựa trên phạm vi nghiên cứu của luận án, các hướng tiếp nối có thể xác định là:

  • Mô hình cải tiến mới chỉ được kiểm chứng với các số liệu thực nghiệm của các nhóm nghiên cứu nước ngoài (nhóm Hwang, nhóm Lifei Chen, nhóm Gensheng Wu); chưa có bộ số liệu thực nghiệm tự đo được để kiểm chứng trực tiếp.
  • Phạm vi thử nghiệm giới hạn ở hai loại linh kiện (CPU và LED); chưa mở rộng sang các linh kiện công suất khác.
  • Độ ổn định dài hạn của chất lỏng tản nhiệt và kem tản nhiệt chứa CNTs (khả năng lắng đọng, ổn định hóa học theo thời gian) là vấn đề cần tiếp tục khảo sát.

Giá trị tham khảo

Nhà nghiên cứu vật liệu nano và vật liệu tổ hợp: Phần mô hình cải tiến tính độ dẫn nhiệt (Chương 3) và phần biến tính CNTs với nhóm chức –COOH và –OH (Chương 4) cung cấp phương pháp luận và quy trình thực nghiệm có thể tái sử dụng.

Nghiên cứu sinh và giảng viên trong lĩnh vực vật lý chất rắn, kỹ thuật nhiệt: Chương 1 là tổng quan có hệ thống về cấu trúc, tính chất (cơ, nhiệt, điện, quang) của CNTs với các số liệu tham chiếu cụ thể.

Kỹ sư điện tử và kỹ thuật nhiệt ứng dụng: Chương 4 trình bày quy trình lắp đặt hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs cho CPU và LED công suất cao (50 W, 100 W, 450 W) kèm số liệu so sánh hiệu quả; đây là tài liệu tham khảo thực tiễn cho các ứng dụng tản nhiệt điện tử.

Người làm chính sách và doanh nghiệp trong lĩnh vực chiếu sáng công nghiệp: Module đèn LED 100 W tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs lắp vào đèn đường công cộng là kết quả ứng dụng có giá trị tham khảo cho các đề án chiếu sáng hiệu suất cao.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Mô hình cải tiến tính độ dẫn nhiệt của chất lỏng CNTs được xây dựng như thế nào và so sánh với các mô hình trước ra sao?

Luận án đề xuất mô hình cải tiến dựa trên việc phát triển từ các mô hình lý thuyết hiện có trên thế giới, trong đó xây dựng mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs dạng ống (Hình 3.3). Mô hình này được kiểm chứng bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm của bốn nhóm: nhóm Hwang (MWCNTs trong nước cất), nhóm Lifei Chen (MWCNTs trong nước cất), nhóm Gensheng Wu (SWCNTs trong nước cất) và nhóm Hwang (MWCNTs trong EG). Kết quả so sánh lần lượt được trình bày tại Hình 3.4, 3.5, 3.6 và 3.7, cho thấy mô hình của luận án phù hợp với thực nghiệm tốt hơn so với mô hình của nhóm H.E. Patel được đánh giá ở Hình 3.1.

Câu hỏi 2: Quá trình biến tính CNTs với nhóm chức –COOH và –OH được thực hiện như thế nào và hiệu quả được kiểm chứng bằng phương pháp nào?

Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs được mô tả tại Hình 2.1, và quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng tại Hình 2.2. Hiệu quả biến tính được kiểm chứng bằng phổ FTIR truyền qua (Hình 4.1) với các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm –COOH và –OH, và phổ tán xạ Raman (Hình 4.2) của ba mẫu: CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính –COOH và CNTs biến tính –OH. Khả năng phân tán được đánh giá bằng phổ phân bố kích thước (Zeta-Sizer) và ảnh SEM (Hình 4.4, 4.5), cho thấy CNTs-COOH phân tán tốt hơn CNTs không biến tính trong nước cất.

Câu hỏi 3: Hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng CNTs cho CPU Intel Pentium IV so với phương pháp tản nhiệt thông thường như thế nào?

Thử nghiệm trên vi xử lý Intel Pentium IV so sánh ba phương pháp: tản nhiệt tự nhiên (Hình 4.13), tản nhiệt bằng quạt (Hình 4.14) và tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs (Hình 4.15). Kết quả tổng hợp được trình bày trong Bảng 4.1. Với CPU Intel Core-i5, kết quả so sánh tản nhiệt bằng quạt (Hình 4.17) và bằng chất lỏng CNTs (Hình 4.18) cho thấy chất lỏng CNTs duy trì nhiệt độ CPU thấp hơn trong điều kiện tải cao.

Câu hỏi 4: Kem tản nhiệt STARS/CNTs và AS5/CNTs được đặc trưng hóa học và so sánh hiệu quả như thế nào?

Về đặc trưng hóa học, ảnh SEM (Hình 4.36–4.38) và phổ Raman (Hình 4.39) cho thấy sự phân bố của CNTs trong nền kem. Phân tích EDX trên mẫu kem STARS và STARS/2%CNTs (Bảng 4.2) cùng AS5 và AS5/2%CNTs (Bảng 4.3) xác định thành phần nguyên tố. Về hiệu quả ứng dụng, Bảng 4.4 tổng kết kết quả đo đạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt. Đồ thị Hình 4.44 (STARS/CNTs) và Hình 4.45 (AS5/CNTs) cho thấy nhiệt độ CPU thay đổi theo nồng độ CNTs từ 0% wt trong cả hai loại kem.

Câu hỏi 5: Phương pháp kết hợp mô phỏng và thực nghiệm để xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs được thực hiện như thế nào?

Mô phỏng hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý (Hình 4.46–4.48) được thực hiện bằng cách thiết lập các phương trình động lực học và truyền nhiệt trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C. Kết quả mô phỏng được so sánh trực tiếp với số liệu đo thực nghiệm trong năm trường hợp: không dùng kem (Hình 4.49), kem STARS (Hình 4.50), kem STARS/2%CNTs (Hình 4.51), kem AS5 (Hình 4.52) và kem AS5/2%CNTs (Hình 4.53). Từ sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm, độ dẫn nhiệt của từng loại kem tản nhiệt được xác định ngược và tổng hợp trong Bảng 4.4.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng (2015, Viện Khoa học Vật liệu) thuộc lĩnh vực vật liệu học ứng dụng, triển khai theo hướng tiếp cận hỗn hợp gồm tính toán lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm. Luận án xây dựng mô hình cải tiến tính hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng chứa CNTs và kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm từ nhiều nhóm nghiên cứu quốc tế. Trên nền tảng đó, luận án chế tạo và thử nghiệm hai dạng vật liệu tản nhiệt chứa CNTs — chất lỏng nền EG/DW và kem nền STARS, AS5 — trong tản nhiệt cho CPU Intel Pentium IV, Intel Core-i5 và đèn LED công suất 50 W, 100 W, 450 W. Kết quả thực nghiệm kết hợp với mô phỏng cho phép xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt, được tổng kết trong Bảng 4.4. Luận án có bố cục 146 trang, 4 chương, 7 bảng, 90 hình vẽ và đồ thị.