Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌCKHOA 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 LUẬN V

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌCKHOA 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌCKHOA 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

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

HÀ NỘI - 2015

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi –

học viên Nguyễn Thị Hương, chuyên ngành Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Phan Ngọc Minh Các số liệu, kết quả trong bản luận văn này là hoàn toàn

trung thực, không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào Nếu bản luận văn này được sao

chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo

và pháp luật

Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2015

Học viên

Nguyễn Thị Hương

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phan Ngọc Minh, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS Bùi Hùng Thắng, người thầy đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong học tập và nghiên cứu khoa học

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo bộ môn Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ trong phòng Vật liệu Cacbon nano, Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ em tận tình, tạo điều kiện thuận lợi và cho em nhiều kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Thị Hương

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs Error! Bookmark not defined 1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon Error! Bookmark not

defined

1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano Error! Bookmark not defined 1.2.2 Các phương pháp chế tạo Error! Bookmark not defined 1.2.3 CNTs - Nanofluids Error! Bookmark not defined 1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano Error! Bookmark not defined 2.1 Phương án thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng Error! Bookmark not defined 2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs Error! Bookmark not

defined

Trang 6

2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt Error! Bookmark not defined 2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử Error! Bookmark not

defined

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

Bookmark not defined

2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn Error! Bookmark not

defined

2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu Error! Bookmark not

defined

2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Error! Bookmark not

defined

2.4.2 Phổ Raman Error! Bookmark not defined 2.4.3 Phổ Zeta - Sizer Error! Bookmark not defined 2.4.4 Phép đo hình thái học SEM Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs Error! Bookmark not

defined

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

3.3 Cơ chế phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt Error! Bookmark not

defined

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

3.4.1 Tản nhiệt bằng quạt Error! Bookmark not defined 3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not

defined

Trang 7

3.5 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn

Error! Bookmark not defined

3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……… 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbonError! Bookmark not defined

Hình 1.2 Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngangError! Bookmark not

defined

Hình 1.3 a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 Error!

Hình 1.5 Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991 Error!

Hình 1.6 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs Error!

Hình 1.7 a) Lớp graphen được cuộn lại; b) quả cầu fullerences và khép kín đầu của

ống nano cacbon Error! Bookmark not defined

Hình 1.8 (a) Véc tơ chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) và chiral (10,

5) Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác Error! Bookmark not defined Bảng 1 So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu.Error! Bookmark not

defined

Hình 1.10 a) Cấu trúc điện tử của hàm phân bố năng lượng; b) vùng Brillouin của

graphene Error! Bookmark not defined

Hình 1.11 Hàm phân bố năng lượng: a) armchair (5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag

(10,0) Error! Bookmark not defined Hình 1.12 So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khácError! Bookmark

not defined

Trang 9

Hình 1.13 a) Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt độ; b) So với

graphite và mạng graphene Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường Error!

Hình 1.15 Sơ đồ thiết bị hồ quang điện Error! Bookmark not defined Hình 1.16 Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quayError! Bookmark not defined

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser Error! Bookmark not defined Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 1.19 Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu Error!

Hình1.20 Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids Error! Bookmark not defined Bảng 2 Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệtError! Bookmark not defined

Hình 1.21 Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol

(EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏngError! Bookmark not defined

Hình 1.22 Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệtError! Bookmark not

defined

Hình 1.23 Modul đèn LED công suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED trên diện tích 16

cm2 sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng của công ty COOLED chế tạo

Error! Bookmark not defined Hình 1.24 Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt Error!

Hình 1.25 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google Error!

Trang 10

Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5 Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Giao diện phần mềm Prime95 Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính Error!

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W Error!

Hình 2.7 Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chíp LED Error!

Hình 2.8 Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs Error!

Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo của giao thao kế Michelson Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Máy Zeta - sizer Nano ZS Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét Error!

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 Error!

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

not defined

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

Trang 11

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.Error! Bookmark not

defined

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 Error! Bookmark not defined

Hình 3.7 Kết quả đo nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs với các nồng độ CNTs khác nhau

Hình 3.8 Nhiệt độ của đèn LED 450 W theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản

nhiệt bằng chất lỏng với các nồng độ khác nhau của CNTs.Error! Bookmark not

defined

Hình 3.10 Mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng ra giàn tỏa

nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not defined

Trang 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

1 Phan Ngọc Minh (2015), Vật liệu Cácbon cấu trúc nanô và các ứng dụng tiềm

năng, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ

2 Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nanô điều khiển đến từng

phân tử nguyên tử, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật

3 Hoàng Đình Tín (2004), Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà

xuất bản Khoa học kỹ thuật

4 Bùi Trọng Tuân (2004), Nhiệt học, Nhà xuất bản Đại học sư phạm

5 Trần Quang Vinh (2007), Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất bản đại học Quốc gia

Hà Nội

TÀI LIỆU TIẾNG ANH

6 Andrews Rod (2002), Processing and Properties of Composite Materials

Containing Multiwalled Carbon Nanotubes, University of Kentucky

7 A K Singh and V S Raykar (2008), “Microwave synthesis of silver nanofluids

with polyvinylpyrrolidone (PVP) and their transport properties”, Colloid

and Polymer Science, vol 286, no 14-15, pp 1667–1673

8 A Ghadimi, R Saidur, and H S C Metselaar(2011), “A review of nanofluid

stability properties and characterization in stationary conditions”,

9 Antonio Sánchez, Rodrigo Cué Sampedro, Laura Peña-Parás & Erika

Palacios-Aguilar (2014), “Functionalization of carbon nanotubes and polymer

compatibility studies”, Journal of Materials Science Research 3, 1, 12,

doi: 10.5539/jmsr.v3n1p1

10 C H Lo, T T Tsung, and L C Chen (2005), “Shape-controlled synthesis of

Cu-based nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis system

(SANSS)”, Journal of Crystal Growth, vol 277, no 1–4, pp 636–642

Trang 13

11 C H Lo, T T Tsung, L C Chen, C H Su, and H M Lin (2005), “Fabrication

of copper oxide nanofluid using submerged arc nanoparticle synthesis

system (SANSS)”, Journal of Nanoparticle Research, vol 7, no 2-3, pp

313–320

12 C Y Tsaia, H T Chiena, P P Dingb, B Chanc, T Y Luhd, and P H Chena

(2004), “Effect of structural character of gold nanoparticles in nanofluid

on heat pipe thermal performance”, Materials Letters, vol 58, p 1461

13 Decroly Oliver (2004), Carbon nanotubes: The building blocks of

nanotechnology, Leuven

14 Daenen M, R.D.de Foun, B Hamers (2003), The Wondrous World of Carbon

nanotubes, Eindhoven Univesity of Technology

15 Da Jiang Yang (2002), “Thermal conductivity of multiwalled carbon

nanotubes”, PHYSICAL REVIEW B 66, 165440

16 D Singh, J Toutbort, G Chen, et al (2006), “Heavy vehicle systems

optimization merit review and peer evaluation,” Annual Report, Argonne

National Laboratory

17 D P Kulkarni, D K Das, and R S Vajjha (2009), “Application of nanofluids

in heating buildings and reducing pollution,” Applied Energy, vol 86, no

12, pp 2566–2573

18 H T Zhu, Y S Lin, and Y S Yin (2004), “A novel one-step chemical method

for preparation of copper nanofluids”, Journal of Colloid and Interface

Science, vol 277, no 1, pp 100–103

19 H Bönnemann, S S Botha, B Bladergroen, and V M Linkov

(2005),“Monodisperse copper- and silver-nanocolloids suitable for

heat-conductive fluids”, Applied Organometallic Chemistry, vol 19, no 6, pp

768–773

20 Huaqing Xie and Lifei Chen (2011), “Review on the Preparation and Thermal

Performances of Carbon Nanotube Contained Nanofluids”, J Chem Eng

Data, 56 (4), pp 1030–1041

Trang 14

21 H Xie and L Chen (2009), “Adjustable thermal conductivity in carbon

nanotube nanofluids,” Physics Letters Section A, vol 373, no 21, pp

1861–186

22 http://96.30.12.13/execsumm/VU0319–Nanofluid%20for%20Cooling%20

Enhancement%20of%20Electrical%20Power%20Equipment.pdf

23 Ijima S, (2002), Carbon nanotubes: past, present, and future, Physical B, 323,

pp.1-5

24 In-Yup Jeon, Dong Wook Chang, Nanjundan Ashok Kumar and Jong-Beom

Baek, Functionalization of Carbon Nanotubes, Book Carbon Nanotubes -

Polymer Nanocomposites, ISBN 978-953-307-498-6

25 J A Eastman, S U S Choi, S Li, W Yu, and L J Thompson (2001),

“Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene

glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles”, Applied Physics

Letters, Vol 78, No 6, pp 718–720

26 Jiang L Q., Gao L., Sun J (2003), “Production of aqueous colloidal dispersions

of carbon nanotubes”, J Colloid Interface Sci, 260, 89–94

27 J Routbort, et al., Argonne National Lab, Michellin North America, St Gobain

Corp.,2009,http://www1.eere.energy.gov/industry/nanomanufacturing/pdf

s/nanofluids industrial cooling.pdf

28 K V Wong and O de Leon (2010), “Applications of nanofluids: current and

future,” Advances in Mechanical Engineering, vol 2010, Article ID

519659, 11 pages

29 Lifei Chen, Huaqing Xie, Yang Li, Wei Yu (2008), “Nano ﬂuids containing

carbon nanotubes treated by mechanochemical reaction”, Thermochimica

Acta, 477, 21–24

30 Meyyappan M (2005), Carbon nanotubes Science and Applications, NASA

Ames Research Center

31 M.Sammalkorpi, K.Kautto, A.Kuronenand, K.Kaski, “Mechanical Properties of

Carbon Nanotubes”,

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	425,93 KB