NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON TRONG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN

Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt là hư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON

TRONG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHO LINH KIỆN ĐIỆN

TỬ CÔNG SUẤT LỚN

Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn

Mã số: 60440104

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN NGỌC MINH

HÀ NỘI - 2015

độ hoạt động của CPU nói riêng cũng như hiệu quả, và độ bền của các linh kiện điện tử công suất khác Do đó, bài toán tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn là một bài toán quan trọng và cần được nghiên cứu giải quyết Các phương pháp tản nhiệt phổ biến được sử dụng hiện nay là: tản nhiệt bằng quạt, ống dẫn nhiệt, dùng hóa chất tản nhiệt, làm mát bằng nhiệt điện, tản nhiệt bằng chất lỏng Trong các phương pháp trên, phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi cho các linh kiện điện tử công suất cao bởi giá thành hợp lí, khả năng tản nhiệt tốt và phù hợp với các linh kiện điện tử công suất cao

Sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp và đời sống, trong đó tiêu biểu là vật liệu ống nano cacbon (CNTs - Carbon NanoTubes) Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 2000 W/mK Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt

là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt

Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ống nano

trên thế giới về ứng dụng ống nano cacbon làm vật liệu tản nhiệt, chúng tôi đặt mục tiêu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công

suất lớn Do đó, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu ứng dụng

ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn”

là đề tài Luận văn Thạc sỹ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon

1.1.1 Lịch sử phát triển

- Cacbon

Trong bảng hệ thống tuần hoàn cacbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6, có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cacbon

a) sp1 – dạng thẳng b) sp2 – dạng tam giác c) sp3 – dạng tứ diện

Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon

- Graphite

Graphite hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp Bên

trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cacbon liên kết phẳng với ba nguyên tử cacbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 120o.[28]

Hình 1.2 Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [28]

a) Fullerene C60 b) Fullerene C70 c) Fullerene C80

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C 60 ; b) C 70 ; c) C 80

- Ống nano cacbon

Có hai loại ống nano cacbon là ống đơn tường và đa tường

Hình 1.5 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs

1.1.2 Cấu trúc của ống nanô các bon

Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi véc tơ Chiral, kí hiệu là Ch Véc tơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và độ lớn đường kính ống

C h na1 ma2 ( ,n m) (1.1) Trong đó: n và m là các số nguyên

a1 và a2 là các véc tơ đơn vị của mạng graphene

Trên thực tế, cấu trúc của CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi

- Tính chất cơ và cơ điện

Liên kết σ là liên kết mạnh nhất trong tự nhiên, chính vì vậy một ống nano cacbon được tạo thành với tất cả là các liên kết σ được chú ý tới như là một vật liệu

Tính chất quang và quang điện của CNTs có thể biết được từ cấu trúc vùng hoặc DOS của SWCNTs

- Tính chất điện

CNTs được biết là vật liệu dẫn điện tốt Tính dẫn điện của loại vật liệu này phụ thuộc mạnh vào cấu trúc Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà độ dẫn của CNTs

có thể là bán dẫn hay kim loại

- Tính chất nhiệt và nhiệt điện

Các tính toán lí thuyết và kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt của CNTs phụ thuộc vào nhiệt độ Độ dẫn nhiệt có thể đạt giá trị cực đại lên tới 37000 W/mK ở 100K rồi sau đó giảm nhanh theo nhiệt độ xuống còn 3000 W/mK ở ngoài khoảng 400K (hình 1.13)

Hình 1.7 So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác [14]

Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao, 2800oC trong chân không và trong các môi trường khí trơ (Ar)

- Đặc tính phát xạ trường

SWCNTs được xem là vật liệu có khả năng phát xạ tốt, đặc biệt là chỉ cần cung cấp một điện thế thấp vài vol (V)

1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon

Các nghiên cứu và thử nghiệm đã cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến

2000 W/mK Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng nâng cao

độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt

Đặc tính phát xạ điện tử của CNTs là rất quí báu mà chúng ta có thể ứng dụng trong các thiết bị như màn hình phẳng phát xạ trường, đầu dò hiển vi lực nguyên tử, đầu dò xuyên hầm

Đối với ống nano cacbon đơn tường, do có những đặc tính của chất bán dẫn, nên nó còn được dùng để chế tạo transistor, hay các cổng lôgic

1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon

- Phương pháp phóng điện hồ quang

- Phương pháp bốc bay laser Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học

1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs

1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano

Chất lỏng nano (nanofluilds) là một loại chất lỏng được tạo ra bằng cách phân tán các vật liệu kích thước nanomet (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống nano, dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v ) trong một nền chất lỏng cơ sở như: nước, dầu, ethylene glycol, vv…

1.2.2 Các phương pháp chế tạo

- Phương pháp hai bước (Two - Step Method)

- Phương pháp một bước (One - Step Method) [40]

1.2.3 CNTs - Nanofluids

- Chế tạo CNTs - nanofluids

Phần lớn các nghiên cứu hiện nay về chất lỏng nano đều thực hiện chế tạo dựa trên phương pháp Two - step vì nó không đòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nano đã được chế tạo sẵn với số lượng lớn

- Tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids

Trong số các loại vật liệu nano thì CNTs là loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ 4.000 - 12.000 lần

so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Phương án thực nghiệm

- Chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs đã biến tính gắn nhóm chức – OH bằng phương pháp rung siêu âm trong các khoảng thời gian và nồng độ khác nhau

- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt cho CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng quạt

- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt cho LED khi sử dụng chất lỏng không chứa thành phần CNTs

- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs cho CPU và LED công suất lớn

- So sánh các kết quả thực nghiệm thu được, từ đó tìm ra hàm lượng tối ưu của CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids

2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng

- CNTs

- Tween 80

- Chất lỏng nền: H2O, Ethylene glycol

- Hóa chất biến tính CNTs: H2SO4, HNO3, SOCl2, H2O2, …

2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs

2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

Hình 2.1 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng

2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử

2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

a) Thiết bị máy tính

- Cấu hình máy tính, phần mềm Core Temp 1.0 RC5 - 32bit, phần mềm Prime95

b) Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính

CNTs CNTs biến tính

nhóm chức -OH

Phương pháp rung siêu âm

Chất lỏng chứa thành phần CNTs

Chất hoạt động

bề mặt Tween

Chất lỏng (EG/DW)

Trong đó bơm mini có công suất 1,8W, công suất quạt tản nhiệt là 3,6W, kích thước quạt tản nhiệt là 120x120x38mm3, kích thước giàn tỏa nhiệt là 150x120x25mm3, chất lỏng tản nhiệt chứa từ 0,1-1,2 g CNTs/lít

2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn

a) Hệ thống tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs cho đèn pha LED 450 W

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W

b) Thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn pha LED 450 W

 Nhiệt độ phòng được giữ ổn định ở 20oC trong các thí nghiệm bằng cách sử dụng một điều hòa nhiệt độ

2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu

- Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ Raman, phổ Zeta – Sizer,

phép đo hình thái học SEM

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs

Sử dụng phương pháp phân tích phổ FTIR truyền qua để xác định sự tồn tại của các nhóm chức – OH Kết quả đo phổ hồng ngoại truyền qua thu được như trên hình 3.1

Hình 3.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính

gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH

Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs - COOH cho thấy sự xuất hiện thêm một

số đỉnh sau khi CNTs được xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3 Dao động ứng với liên kết - OH trong nhóm cacboxyl (- COOH) được hiển thị thông qua đỉnh 3431,81 cm-1, đỉnh này được mở rộng hơn so với liên kết - OH của H2O xuất hiện trong phổ hồng ngoại truyền qua của vật liệu CNTs Ngoài ra sự xuất hiện của đỉnh 1707,31 cm-1 trên vật liệu CNTs - COOH cho thấy sự tồn tại của dao động ứng với liên kết C = O trong nhóm cacboxyl Những kết quả trên đã chứng minh được sự tồn tại của nhóm cacboxyl xuất hiện trên bề mặt CNTs do quá trình oxy hóa xảy ra sau khi xử lý bằng hỗn hợp axit nitric và axit sunfuric, kết quả đã khẳng định hỗn hợp axit trên đã tạo ra các nhóm chức trên bề mặt của CNTs Phổ hồng ngoại truyền qua của vật liệu CNTs - OH cho thấy vùng dao động ứng với liên kết - OH xuất hiện quanh giá trị 3431,81 cm-1 được mở rộng thêm ra so với vật liệu CNTs -

hơn, việc mở rộng các đỉnh dao động cùng với sự biến mất của đỉnh dao động 1707.31 cm-1 ứng với liên kết C = O đã cho thấy các nhóm hydroxyl (- OH) được hình thành trên bề mặt của CNTs để thay thế cho các nhóm cacboxyl đã tồn tại trước đó

Hình 3.2 là phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH

Hình 3.2 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn

nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH

Trên phổ tán xạ chúng ta có thể nhận thấy hai dải phổ đặc trưng là dải D (1333,69 cm-1) và dải G (1583,10 cm-1) Dải G sinh ra từ mạng graphene của CNTs, dải G đặc trưng cho tính trật tự của cấu trúc trong đó các nguyên tử cacbon sắp xếp theo trật tự dạng vòng sáu cạnh Trong khi đó, dải D lại đặc trưng cho các khuyết tật trong cấu trúc của CNTs, dải D được hình thành từ dao động của các nguyên tử cacbon ở trạng thái sp3 Tỉ lệ giữa cường độ hai đỉnh của dải D và dải G phụ thuộc vào độ sạch và độ tinh thể hoá của CNTs Từ phổ thu được ở trên ta nhận thấy Tỷ lệ cường độ ID /IG của CNTs - OH cao hơn so với CNTs - COOH chứng tỏ các khuyết tật mới đã được hình thành trên bề mặt của MWCNTs - OH nhiều hơn trên bề mặt của MWCNTs - COOH

3.2 Kết quả phân tán CNTs - OH trong chất lỏng tản nhiệt EG/DW

Hình 3.3a cho thấy ngay sau khi rung siêu âm 10 phút, vẫn còn xuất hiện sự tụ đám của CNTs trong EG/DW, sự tụ đám này tương ứng với đỉnh phổ ở kích thước

437 nm, trong khi đó đỉnh phổ ở kích thước 93,5 nm thể hiện sự phân tán tốt hơn của CNTs.Tuy nhiên, vẫn còn sự tồn tại của những tụ đám nhỏ ứng với đỉnh phổ 93,5 nm

Hình 3.3 Phổ phân bố kích thước của CNTs - OH đo trên thiết bị Zeta - Sizer với

thời gian rung siêu âm là 10 phút: (a) đo ngay sau khi phân tán CNTs - OH vào EG/DW; (b) đo sau khi lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán CNTs - OH vào EG/DW

Để loại bỏ sự tụ đám của CNTs ra khỏi chất lỏng, chúng tôi để lắng đọng chất lỏng thu được trong thời gian 72 h, sau đó tiến hành đo lại phổ phân tán theo kích thước, kết quả cho thấy đỉnh phổ tương ứng với sự tụ đám lớn của CNTs-OH đã

Hình 3.4 Phổ tán phân bố kích thước của CNTs - OH đo trên thiết bị Zeta-Sizer

sau khi để lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán trong các trường hợp: (a) rung siêu

âm 20 phút; (b) rung siêu âm 30 phút; (c) rung siêu âm 40 phút

Từ hình 3.4, chúng tôi nhận thấy rằng với thời gian rung siêu âm là 20 phút khả năng phân tán của CNTs tốt hơn so với trường hợp rung siêu âm 10 phút, với phổ kích thước CNTs phân tán từ 18 nm – 95 nm như trên hình 3.4a Khi tăng thêm thời gian rung siêu âm đến 30 phút và 40 phút thì kết quả phân tán tương đương với phổ phân tán theo kích thước của CNTs trong chất lỏng từ 17 nm – 83 nm như trên hình 3.4b và hình 3.4c, kết quả này phù hợp với đường kính của CNTs dùng trong thí nghiệm là từ 15 nm – 80 nm Từ đây chúng tôi đi đến kết luận thời gian rung siêu âm tối thiểu để phân tán tốt CNTs trong EG/DW là 30 phút

Hình 3.5 là kết quả so sánh ảnh SEM của vật liệu CNTs ban đầu và vật liệu CNTs sau khi đã biến tính gắn nhóm chức – OH và phân tán vào EG/DW Ảnh SEM trên hình 3.5b cho thấy sau khi biến tính, sử dụng chất hoạt động bề mặt

Tween - 80 kết hợp với phương pháp rung siêu âm năng lượng cao để phân tán CNTs - OH vào EG/DW, các ống CNTs - OH không còn tụ đám và co cụm như ban đầu (hình 3.5a) Kết quả này lần nữa khẳng định khả năng phân tán tốt của CNTs -

OH trong EG/DW

(a) (b)

Hình 3.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của: (a) vật liệu CNTs trước khi biến tính

và phân tán vào EG/DW; (b) vật liệu CNTs sau khi biến tính và phân tán vào

EG/DW

3.3 Cơ chế phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

- Biến tính hóa học: Gắn các nhóm chức hoạt hóa lên bề mặt của ống, tăng

khả năng tương tác hóa học với môi trường hoặc tạo tương tác đẩy giữa các ống với nhau (như tương tác điện giữa các ống, tương tác điện bề mặt với các hạt tích điện trong dung môi)

- Chất hoạt động bề mặt: Giúp giảm sức căng bề mặt giữa chất lỏng với vật

liệu CNTs, góp phần vào việc ngăn cản sự tụ đám của CNTs trong chất lỏng do sức căng bề mặt

- Rung siêu âm: Cung cấp năng lượng dạng nhiệt hoặc rung siêu âm để tăng

tính linh động, tính hoạt động và khả năng di chuyển của các ống tương tự như các chuyển động Brown của các nguyên tử, phân tử

3.4 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs-OH cho vi xử lý máy tính

Để khảo sát hiệu quả của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs - OH trong EG/DW, chúng tôi tiến hành so sánh với phương pháp tản nhiệt bằng quạt

3.4.1 Tản nhiệt bằng quạt

Hình 3.6 Kết quả đo nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng

phương pháp tản nhiệt bằng quạt

Nhận thấy, tại thời điểm ban đầu nhiệt độ của CPU đạt 35oC, sau đó nhiệt độ bão hòa của CPU đạt đến 71oC sau khoảng thời gian hoạt động 200 s

3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNT

Các kết quả thử nghiệm trên đã cho thấy rằng khi so sánh với phương pháp tản nhiệt sử dụng quạt, phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng cho nhiệt độ bão hòa của CPU giảm xuống khoảng 14oC - 20oC, và thời gian của quá trình tăng nhiệt tăng từ

200 s đến 350 s Bằng cách pha CNTs vào chất lỏng tản nhiệt với hàm lượng 1 g/l,

chúng tôi có thể giảm nhiệt độ của CPU xuống 6oC so với chất lỏng không chứa thành phần CNTs