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

Ethylen Glycol EG vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng 35 cách sử dụng kem tản nhiệt 19 Hình 1.19 Kết quả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA

HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU

BÙI HÙNG THẮNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kắnh trọng và biết ơn sâu sắc tớihai người thầy hướng dẫn là PGS TS Phan Ngọc Minh và TS Hoàng AnhSơn, những người thầy đã định hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tìnhchỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phan Hồng Khôi, TS Ngô Thị ThanhTâm, KS Lê đình Quang, TS Nguyễn Văn Chúc, TS Phan Ngọc Hồng, TS.Nguyễn Tuấn Hồng, ThS Phạm Văn Trình, ThS Cao Thị Thanh, ThS NguyễnVăn Tú, NCS Nguyễn Mạnh Hồng - những người đã luôn giúp đỡ, khắch lệ,động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thắ nghiệm Trọng điểmQuốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu đã giúp tôithực hiện phép đo phân tắch trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và đào tạo, Lãnh đạo Viện Khoahọc vật liệu, Bộ phận đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làmluận án nghiên cứu sinh

Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những ngườithân trong gia đình: Cha, mẹ, anh, chị, em đã chia sẻ những khó khăn, thôngcảm và động viên, hỗ trợ tôi

Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm đặc biệt và biết ơn của mình tới vợ

và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, đã cho tôi nghị lực,tạo động lực cho tôi thực hiện thành công luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Nghiên cứu sinh

Bùi Hùng Thắng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu củariêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Phan NgọcMinh và TS Hoàng Anh Sơn Các số liệu và kết quả trongluận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứcông trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Nghiên cứu sinh

Bùi Hùng Thắng

NỘI DUNG

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 5

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 5

1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình 5

1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô 7

1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon 9

1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon 13

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon 20

1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25

1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25

1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 34

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng 38

2.1.1 Phương pháp tính toán lý thuyết 38

2.1.2 Phương pháp mô phỏng 38

2.2 Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 39

2.2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo 39

2.2.2 Biến tính vật liệu ống nanô cácbon 40

2.2.3 Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon 41

2.2.4 Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 43

2.3 Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu 44

2.3.1 Hiển vi điện tử quét 44

2.3.2 Phổ tán xạ Raman 45

2.3.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại 45

2.3.4 Phổ huỳnh quang tia X 46

2.3.5 Phổ phân tán Zeta-Sizer 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 48

3.1 Mô hình tắnh toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48

3.1.1 đánh giá một số mô hình tắnh toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48

3.1.2 đề xuất mô hình tắnh toán cải tiến 54

3.1.3 đánh giá độ chắnh xác của mô hình với thực nghiệm 60

3.2 Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt 63

3.2.1 Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm 63

3.2.2 Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu 69

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79

4.1 Kết quả biến tắnh ống nanô cácbon 79

4.1.1 Kết quả phân tắch phổ hồng ngoại truyền qua 79

4.1.2 Kết quả phân tắch phổ tán xạ Raman 80

4.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 81

4.2.1 Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs 81

4.2.2 Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU 87

4.2.3 Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED 97

4.2.4 Giải thắch về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs 110

4.3 Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113

4.3.1 Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113

4.3.2 Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý 117

4.3.3 Tắnh toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs 121

KẾT LUẬN CHUNG 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH 144

1 Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án 144

1.1 Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI 144

1.2 Bài báo quốc tế khác 144

1.3 Bài báo đăng trên tạp chắ quốc gia 145

1.4 Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học 145

2 Sáng chế và giải thưởng liên quan đến luận án 145

2.1 Sáng chế được chấp nhận đơn 145

2.2 Giải thưởng khoa học 146

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Viết tắt Tên đầy đủ

CNTs Ống nanô cácbon

SWCNTs Ống nanô cácbon đơn tường

MWCNTs Ống nanô cácbon đa tường

CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi

EDX Phổ tán sắc năng lượng

FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

SEM Kính hiển vi điện tử quét

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử

LED ðiốt phát quang

CPU Vi xử lý máy tính

EG Ethylene Glycol

DEG Diethylene Glycol

DW Nước cất

EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất

STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars

AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5

STARS/CNTs Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTsAS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Trang

1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14

2 Bảng 1.2 Phân loại đặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17

3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29

4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94

5 Bảng 4.2 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và

STARS/2%CNTs

116

6 Bảng 4.3 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs 117

7 Bảng 4.4 Tổng kết kết quả đo đạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt 128

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT Trang

1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp 1 , sp 2 và sp 3 và định hướng trong 5

không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong

2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6

3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng 7

lục giác (b)

4 Hình 1.4 “Gia đình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9

5 Hình 1.5 Minh họa đơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10

9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So 15

sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và đơn lớp graphit (graphene)

10 Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng 16

graphit

11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral 17

khác nhau

12 Hình 1.12 Giản đồ năng lượng và thế năng của điện tử tại bề mặt vật liệu 19

13 Hình 1.13 (a) Sơ đồ nguyên lý phương pháp nghiền bi để tổng hợp CNTs, 20

(b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi

14 Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 21

15 Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 23

16 Hình 1.16 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt 24

17 Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 28

Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng

18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng 35

cách sử dụng kem tản nhiệt

19 Hình 1.19 Kết quả đo độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp 35

của linh kiện điện tử nền PEG chứa thành phần CNTs

20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir 36

Singh cho độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs

21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M B 36

Bryning cho độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs

22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt 40

CNTs

23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42

24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết 52

quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất

25 Hình 3.2 Cấu trúc hình ống của CNTs 53

26 Hình 3.3 Mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs 58

27 Hình 3.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 60

với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất

28 Hình 3.5 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 61

với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất

29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 61

với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường hợp phân tán SWCNTs vào nước cất

30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 62

với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân

tán MWCNTs vào EG

31 Hình 3.8 Mô hình cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành 64

phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất

32 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt độ của linh kiện điện tử theo thời gian 69

với các nồng độ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất lỏng

33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự đối lưu sử dụng chất lỏng chứa 70

thành phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất

34 Hình 3.11 Mô hình gần đúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự đối 71

lưu dùng trong mô phỏng

35 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tốc độ tự đối lưu của dòng chất lỏng trong 77

hệ thống tản nhiệt theo thời gian hoạt động của linh kiện điện

tử ở các công suất nhiệt khác nhau

36 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng nhiệt độ của linh kiện điện tử công suất 50 78

W trong hệ thống tản nhiệt tự bằng chất lỏng đối lưu theo thời gian và nồng độ CNTs

37 Hình 4.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs 79

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

38 Hình 4.2 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs 80

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

39 Hình 4.3 Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước 82

cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút (c)

40 Hình 4.4 Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với 83

CNTs không biến tính

41 Hình 4.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của (a) vật liệu CNTs trước khi 83

biến tính và phân tán vào nước cất; (b) vật liệu CNTs sau khi biến tính và phân tán vào nước cất

42 Hình 4.6 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW 84

với thời gian rung siêu âm là 10 phút: đo ngay sau khi phân

tán (a) và đo sau 72 h lắng đọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH vào EG/DW (b)

43 Hình 4.7 Phổ phân bố kắch thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW 85

với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút (c)

44 Hình 4.8 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 88

CNTs cho vi xử lắ máy tắnh Intel Pentium IV

45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho 89

vi xử lắ máy tắnh Intel Pentium IV

46 Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan 90

47 Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 90

48 Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs 91

cho vi xử lắ máy tắnh Intel Pentium IV

49 Hình 4.13 đồ thị nhiệt độ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự 92

52 Hình 4.16 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 95

CNTs cho vi xử lý máy tắnh Intel Core-i5

53 Hình 4.17 đồ thị nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương 95

pháp tản nhiệt bằng quạt

54 Hình 4.18 đồ thị nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương 96

pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

55 Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần 98

CNTs cho chip LED 50 W

56 Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho 99

chip LED 50 W chế tạo được

57 Hình 4.21 đèn pha LED 50 W trên thị trường dùng để so sánh hiệu quả 99

tản nhiệt

58 Hình 4.22 đồ thị nhiệt độ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường

hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng nước cất và nước cất chứa thành phần CNTs (1,0 g/lit)

59 Hình 4.23 đồ thị nhiệt độ của chắp LED 50W theo thời gian hoạt động với

các nồng độ khác nhau của CNTs trong nước cất

60 Hình 4.24 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần

CNTs cho đèn pha LED công suất 450W

61 Hình 4.25 Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) đế tản nhiệt của đèn pha LED công

suất 450W

62 Hình 4.26 đèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt

chứa CNTs

63 Hình 4.27 đồ thị nhiệt độ của đèn pha LED 450W theo thời gian khi sử

dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng độ khác nhau của CNTs

64 Hình 4.28 Kết quả tắnh toán sự phụ thuộc của tuổi thọ đèn LED 450W vào

hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

65 Hình 4.29 Sơ đồ môđun đèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành

phần CNTs được lắp vào hộp đèn chiếu sáng công cộng

100

100101102102103

104107

66 Hình 4.30 Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của mođun đèn LED 108

67 Hình 4.31 Ảnh chụp sản phẩm mođun đèn LED công suất 100 W tản nhiệt

bằng chất lỏng CNTs được lắp vào vỏ đèn đường chiếu sáng công cộng

68 Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm mođun đèn LED công suất 100 W tản nhiệt

bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt động

69 Hình 4.33 ðồ thị nhiệt độ của chip LED và nhiệt độ của chất lỏng CNTs

trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi đèn LED hoạt động

70 Hình 4.34 Sơ đồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ đế tản

nhiệt vào chất lỏng khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs

108

109110111

71 Hình 4.35 Sơ đồ 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

112

72 Hình 4.36 Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b) 113

73 Hình 4.37 Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs 114

74 Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs 114

75 Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs 115

76 Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs 116

77 Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs 117

78 Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 79 Hình 4.43 Các thao tác đưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên CPU 80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt độ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / CNTs với nồng độ của CNTs từ 0% wt đến 7% wt 81 Hình 4.45 ðồ thị nhiệt độ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs với nồng độ của CNTs từ 0% wt đến 7% wt. 118 119 120 120 82 Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính 122

83 Hình 4.47 Sơ đồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý 122

84 Hình 4.48 Sơ đồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý đơn giản

hóa

85 Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi không sử

dụng kem tản nhiệt

86 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng

kem tản nhiệt STARS

87 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng

kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs

88 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng

kem tản nhiệt AS5

89 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU khi sử dụng

kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs

122 124 125 126 127 128

90 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ CPU trong quá

trình giảm nhiệt độ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS

129

MỞ ðẦU

Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quan tâmđặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991 Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển,đến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs đã ra đời vớinhiều tính năng vượt trội Vật liệu ống nanô cácbon có rất nhiều tính chất độc đáo,

dễ chế tạo nên có tiềm năng ứng dụng rất phong phú Lý do chính để loại vật liệunày trở thành trung tâm chú ý là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá họcđặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá

Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống,

độ dẫn nhiệt của CNTs biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK Ngoài khảnăng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao trong chânkhông và trong các môi trường khí trơ (lên đến 2800oC) CNTs cũng được biết làvật liệu dẫn điện linh hoạt với độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc ðộ dẫncủa CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m) Vớinhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi được đưa vào các nền vật liệu khác sẽgiúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó Chẳng hạn với việc giacường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống màimòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v đượctăng cường mạnh mẽ Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bềmặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện

có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạovật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất Với tính chất phát xạ điện tửmạnh ở điện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon đã và đang đượcnghiên cứu để chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo cácnguồn phát xạ điện tử kích thước bé với phân bố năng lượng điện tử hẹp Ngoài ravật liệu nanô cácbon cũng là đối tượng quan trọng cho các nghiên cứu về điện tửnanô, các linh kiện cảm biến, v.v

Từ những tính chất lý thú và tiềm năng ứng dụng lớn của CNTs, luận ánhướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt của CNTs để nâng cao hệ sốdẫn nhiệt cho một số loại vật liệu nền hữu cơ ở dạng lỏng (ethylen glycol / nướccất) và dạng kem (STARS, AS5) Vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và dạng kem chứathành phần CNTs với độ dẫn nhiệt tốt sẽ được thử nghiệm ứng dụng trong một sốlinh kiện điện tử công suất lớn như vi xử lý máy tính (CPU), điốt phát quang(LED), v.v… nhằm nâng cao hiệu quả tản nhiệt, công suất làm việc và kéo dài tuổithọ cho linh kiện

Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực

hiện luận án: “Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn

ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực điện tử”.

Mục đích luận án

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nềnhữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cholinh kiện điện tử công suất lớn

Nhằm đạt được mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đãđược triển khai thực hiện:

– Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứathành phần ống nanô cácbon

– Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thànhphần ống nanô cácbon cho linh kiện điện tử công suất

– Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanô cácbon với nhóm chức -COOH và -OH.– Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thànhphần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiệnđiện tử công suất lớn (CPU và LED)

– Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thửnghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

– Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác định độ dẫnnhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs

ðối tượng nghiên cứu

Chất lỏng nền hữu cơ ethylen glycol / nước cất chứa thành phần CNTs, kem tảnnhiệt Stars và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp vớiphương pháp mô phỏng và thực nghiệm, trong đó:

- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tínhtoán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệtcủa chất lỏng tản nhiệt CNTs với độ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm

- Phương pháp mô phỏng được sử dụng nhằm dự đoán hiệu quả và tìm hiểu cơchế tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ thống tản nhiệt cho linhkiện điện tử công suất lớn Phương pháp mô phỏng được thực hiện thông qua việc chia

hệ thống tản nhiệt cho linh kiện thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần

đủ ngắn, sau đó tiến hành thiết lập các phương trình động lực học, truyền nhiệt và trao

- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với cácnhóm chức –COOH và –OH, chế tạo chất lỏng nền ethylene glycol/nước cất chứathành phần ống nanô cácbon, chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

và thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tửcông suất (CPU và đèn LED)

Bố cục và nội dung của luận án

Luận án bao gồm 146 trang với 7 bảng, 90 hình vẽ và đồ thị Ngoài phần Mởđầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và Kết luận về những kếtquả đã đạt được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án được cấutrúc trong 4 Chương:

Chương 1 trình bày trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, chất lỏng tản nhiệt và

kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs Phần tổng quan về vật liệu CNTs trình bày vềcấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệuCNTs Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần ốngnanô cácbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon

Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao

gồm phương pháp tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng, thực nghiệm chế tạo vàthử nghiệm ứng dụng Chương 2 cũng trình bày về các phương pháp nghiên cứu phântích đo đạc sử dụng trong luận án, bao gồm: phép phân tích kính hiển vi điện tử, phổtán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tánZeta-Sizer

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ

dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon Chương 3 cũngtrình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thốngtản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cholinh kiện điện tử công suất

Chương 4 trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH

và –COOH, kết quả chế tạo chất lỏng tản nhiệt (nền glycol/nước cất) và kem tản nhiệt(nền Stars và AS5) chứa thành phần CNTs Chương 4 cũng trình bày kết quả thửnghiệm chất lỏng và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo được trong tản nhiệtcho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU và đèn LED)

Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mụccác tài liệu tham khảo đã được liệt kê

Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học vàCông nghệ Việt Nam

Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt củachất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợpvới kết quả thực nghiệm đã công bố trên các tạp chí quốc tế

Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thànhphần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện điện tửcông suất (CPU và đèn LED)

sp2 và sp3 [1]

Hình 1.1 biểu diễn trạng thái lai hóa và định hướng không gian tương ứng củachúng Lai hóa sp1 là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai hóa spđồng nhất, hướng về hai phía của một đường thẳng Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan

s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan laihóa sp2 đồng nhất, hướng về 3 đỉnh của tam giác đều Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan

s với 3 obitan p tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 đồng nhất hướng về 4 đỉnh của hình tứdiện đều Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chấtkhác nhau của cácbon [1]

Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp 1 , sp 2 và sp 3 và định hướng trong không gian và sự

Trong tự nhiên, cácbon xuất hiện ở ba dạng thù hình tiêu biểu đó là than, graphit

và kim cương Dạng thù hình phổ biến nhất xét về mặt số lượng đó là than, có màuđen, dễ cháy, xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than đá, than cốc,than nâu, than gỗ, v.v [1]

Dạng thù hình phổ biến thứ hai xét về mặt số lượng đó là graphit, đây là dạng thùhình dẫn điện tốt của cácbon Người ta cũng có thể coi graphit như là một dạng đặcbiệt của than, vì vậy nó còn được gọi với một tên khác là “than chì” Graphit có hàmlượng cácbon cao xấp xỉ 100% Về mặt cấu trúc, các nguyên tử cácbon trong graphitđược sắp xếp theo các lớp, mỗi lớp có cấu trúc tinh thể như một mạng tổ ong (hình lụcgiác) với đỉnh là các nguyên tử cácbon Các nguyên tử cácbon trong graphit liên kếtvới nhau bằng hai liên kết đơn (σ) và một liên kết đôi (π) Trong hầu hết dạng tinh thểlục giác, các lớp graphit nằm song song với cấu trúc xếp lớp ABA,… hay còn gọi làđống Bernal như mô tả trên hình 1.2 Trong cùng mặt phẳng, khoảng cách gần nhấtcủa hai nguyên tử cácbon aC-C là 0,142 nm, hằng số mạng của mặt tinh thể là a0 =0,246 nm Hằng số mạng trục c là c0 = 0,668 nm và khoảng cách giữa hai lớp mạngliền kề nhau là c0/2 = 0,334 nm [1]

Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) [1]

Graphit có khối lượng riêng khoảng 2,26 g/cm3 Liên kết giữa các đơn lớpgraphite khá yếu do sự chồng phủ của các quỹ đạo nguyên tử của các lớp lân cận lànhỏ Lực liên kết giữa các đơn lớp graphit chủ yếu là lực Van der Waals do khoảngcách giữa các lớp graphit vào khoảng 0,334 nm Tuy nhiên lực Van der Waals khá yếu

nên các lớp graphit rất dễ trượt lên nhau Ngược lại, do liên kết giữa các nguyên tửcácbon trong một đơn lớp graphite rất mạnh (liên kết σ và π) nên mặt graphit rất bềnvững về mặt cơ học Lợi dụng đặc tính này, graphit được sử dụng làm chất bôi trơndạng rắn, chổi than, lõi bút chì, v.v [1]

Dạng thù hình phổ biến và rất nổi tiếng thứ ba của cácbon là kim cương Kimcương được biết đến là một dạng thù hình rất quý hiếm của cácbon tồn tại ở hai cấutrúc tinh thể cơ bản là lập phương và lục giác với nhiều tính chất cơ lý ưu việt Trongdạng cấu trúc tinh thể lập phương, mỗi nguyên tử cácbon được liên kết với bốn nguyên

tử cácbon khác bằng bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp3 trong một mạng tứ diện với

độ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm Cấu trúc tinh thể kim cương dạng này là cấutrúc lập phương tâm mặt (FCC), với một ô cơ sở có hai nguyên tử, nguyên tử thứ nhất

có ở vị trí (0,0,0), nguyên tử cácbon thứ hai ở vị trí (1/4, 1/4, 1/4) và hằng số mạng là

a0=3,567 Ǻ Trong dạng cấu trúc tinh thể lục giác (wurzite), độ dài kiên kết C-C vàokhoảng 0,152 nm Kim cương có cấu trúc tinh thể lục giác cũng được gọi với một tênkhác là kim cương sáu phương (lonsdaleite), chỉ được tìm thấy ở một số thiên thạch.Hình 1.3 mô tả cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương và dạng lục giác [1]

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b) [1] 1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần đây đãkhám phá ra một loạt các cấu trúc mới của nguyên tố cácbon, đó là vật liệu cácbon cấutrúc nanô Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể độc đáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý,hóa học, cơ học ưu việt Chính vì vậy, cácbon cấu trúc nanô là đối tượng được tậptrung nghiên cứu mạnh mẽ trên cả hai phương diện, khoa học cơ bản và khoa học ứng

dụng Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu củanguyên tố cácbon điển hình gồm nanô kim cương, quả cầu fullerene, ống nanô cácbon

Nanô kim cương là tên gọi chung cho sự tồn tại của kim cương ở kích thướcnanô Chúng có thể tồn tại ở dạng hạt, đám, hoặc sự pha trộn của cả hai Nanô kimcương được nghiên cứu và tổng hợp bằng phản ứng tại áp suất cao - nhiệt độ cao(High Pressure and High Temperature - HPHT) của các hợp chất chứa nguyên tửcácbon Môi trường HPHT có thể được tạo ra bởi sóng xung kích (Shock wave) Ởđiều kiện này cho phép hình thành kim cương đa tinh thể trong đó chứa pha nanô kim

đã tổng hợp thành công các hạt nanô kim cương kích thước 5 nm - 20 nm ở dạng tụđám bằng cách kích nổ hợp chất chứa nguyên tử cácbon (graphit) [3] Vật liệu nanô kimcương thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó có tính chất tiêu biểu như trơ về mặt hóahọc, bền về mặt cơ học và chịu được nhiệt độ cao, dẫn nhiệt tốt Bột nanô kim cươngđược sử dụng làm màng bảo vệ để tăng khả năng chống mài mòn, chịu được nhiệt độcao của vật liệu nền Ngoài ra, ngành y sinh cũng tìm thấy sự hấp dẫn từ nanô kimcương do vật liệu này có tính tương thích sinh học và khả năng thụ động hóa bề mặt

Vì những đặc điểm này nanô kim cương được nghiên cứu sử dụng trong y khoa như làchất vận chuyển thuốc và dán nhãn sinh học

Bên cạnh phương pháp HPHT, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo màng mỏng nanô kim cương và ứng dụng tronglĩnh vực cảm biến, linh kiện điện tử chân không Sử dụng màng mỏng kim cương chophép các thiết bị điện tử hoạt động trong môi trường không thuận lợi như nhiệt độ cao,bức xạ hạt nhân và nhiễu từ mạnh

Vật liệu fullerene được chính thức thừa nhận năm 1985 Vật liệu này là tập hợpcác nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác với hình dạng phổ biến làhình cầu Cũng như nanô kim cương, vật liệu fullerene có nhiều tính chất lý thú xuấtphát từ cấu trúc tinh thể kỳ lạ của nó

Carbon nanotubes (CNTs) được phát hiện đầu tiên từ năm 1991 [4] Kể từ đó đếnnay, có hàng vạn công bố về vật liệu này trên phương diện khoa học cũng như ứngdụng của nó trong vật liệu điện tử, vật liệu tổ hợp (composite), vật liệu tích trữ nănglượng [104-110]

Vật liệu graphene là dạng thù hình mới nhất của cácbon được tạo ra trong phòngthí nghiệm (2004) [5] Có thể nói rằng những gì xảy ra đối với ống nanô cácbon dườngnhư đang lặp lại với graphene từ sự kỳ vọng, tính chất kỳ lạ và đặc biệt là tiềm năngứng dụng trong linh kiện điện tử, quang điện tử và tích trữ năng lượng Chỉ sau 6 năm

kể từ khi được tìm thấy, hai nhà khoa học khám phá ra nó đã nhận giải thưởng Nobelvật lý danh giá (2010), qua đó chúng ta có thể hình dung được tính hấp dẫn, tiềm nănghứa hẹn của vật liệu graphene

Hình 1.4 mô tả tổng thể về “gia đình” vật liệu cácbon ở các dạng hình thù và cấutrúc khác nhau

Graphene 2004 (Giải Nobel 2010)

hồ quang bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, Tiến sỹ S Iijima (Nhật Bản) một lầnnữa phát hiện ra một dạng thù hình mới của cácbon - đó là ống nanô cácbon (carbon

nanotubes - CNTs) Kể từ đó đến nay, CNTs đã trở thành một trong những đối tượngđược tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính chất độc đáo hứa hẹnnhiều ứng dụng tiềm năng Một điều lý thú là kể từ khi S Iijima giới thiệu ống nanôcácbon, nhiều công bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã được ngẫu nhiên tạo ra trướcthời gian đó nhưng chưa được quan tâm chú ý [6]

Khác với fullerene có cấu trúc dạng cầu hoặc elip rỗng, ống nanô cácbon (CNTs)

có dạng hình trụ dài Trạng thái lai hóa của các nguyên tử cácbon trong CNTs là sp2.Quan sát CNTs bằng kính hiển vi điện tử cho thấy đó là những ống rỗng, dài, đườngkính từ một vài nanomet đến hàng chục nanomet, chiều dài có thể đến micromet Vớicấu trúc hình học như vậy, CNTs có tỉ lệ chiều dài / đường kính và diện tích bề mặt rấtlớn Một cách đơn giản để hình dung, CNTs có cấu trúc giống như lá graphit cuộn tròn(hình 1.5)

Hình 1.5 Minh họa đơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon [7]

Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphit, ống nanô cácbon được chia thành hailoại cơ bản đó là ống cácbon đơn tường (Single Wall Carbon Nanotubes - SWCNTs)

và ống cácbon đa tường (Multi Wall Carbon Nanotubes - MWCNTs)

Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs [8]

SWCNTs có thể hình dung như là một đơn lớp graphit cuộn lại, thường tồn tạidạng bó và liên kết yếu với nhau bằng lực Van der Waals (hình 1.6 a) SWCNTs cóđường kính nhỏ hơn 5 nm và chiều dài có thể tới hàng chục micromet Bởi vậy, chúngđược xem như là các cấu trúc một chiều (1D).

MWCNTs có thể hình dung gồm các SWCNTs đồng trục xếp lồng vào nhau.Theo các tính toán lý thuyết khoảng cách giữa hai lớp là d = 3,39 Å (hình 1.6 b) Giátrị này gần với khoảng cách giữa hai lớp mạng graphit (d = 3,44 Å) ðường kính trongcủa MWCNTs khoảng 1,5 - 15 nm; đường kính ngoài từ 2,5 nm đến vài chục nm

Cấu trúc của CNTs được mô tả thông qua véctơ Chiral (C h ) Véctơ C h chỉ hướngcuộn của lớp graphit như minh họa trên hình 1.7.a

C h na1 ma2 (n, m) (1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên; a 1 và a 2 là các véctơ đơn vị của mạng graphit

Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a 1 , a 2, một trong những cách chọn được mô tả nhưtrong hình 1.7.a

3 1

a a , , 3 1

a a , (1.2)

1 2 2 2 2 2

Trong đó a là hằng số mạng của graphite và a = 0.246 nm Góc của véctơ Chiral

θ được tính theo công thức:

ðường kính D của ống nanô cácbon được tính theo công thức:

D k n2 m2 nm

(k N ) (nm) (1.4)CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n, m) khác nhaucủa véctơ chiral Ba cấu trúc điển hình của CNTs thường gặp đó là: amchair, zigzag vàchiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) như minh họa trên hình1.7.b.

Trên thực tế, CNTs luôn tồn tại các sai hỏng về mặt cấu trúc và về kiểu liên kếthóa học giữa các nguyên tử cácbon với nhau Ví dụ các vòng cácbon trong thành ốngkhông phải 6 cạnh mà có thể là 5 cạnh hoặc 7 cạnh như mô tả trên hình 1.8 Các liênkết C-C không đơn thuần là kiểu lai hóa sp2 mà là sự kết hợp giữa lai hóa sp2 và sp3,

có thể biểu diễn như là lai hóa sp2+α (0 < α < 1) Sai hỏng kiểu lai hóa dị biệt này lànguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs mà thực tế thường gặp khi chếtạo CNTs

Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 7 cạnh [71]

Một kiểu sai hỏng phổ biến khác ở CNTs đó là sự khuyết và dịch vị trí nguyên tửcácbon ở thành ống Kiểu sai hỏng này thực ra lại có vai trò rất quan trọng, nhờ chúng

mà các quá trình gắn các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, ester, v.v… lên bề mặtCNTs được thực hiện dễ dàng hơn Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu để hoạthóa, biến tính CNTs, làm cho CNTs có thể phân tán được trong các môi trường khácnhau Tuy nhiên, kiểu sai hỏng này cũng ảnh hưởng nhất định tới các tính chất củaCNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện Nó có thể làm giảm độ bền về mặt cơ học vàlàm thay đổi cấu vùng năng lượng của CNTs

1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon

Với cấu trúc như đã trình bày ở trên, vật liệu CNTs xuất hiện nhiều tính chất đặcbiệt, ưu việt hơn nhiều so với các vật liệu thông thường khác về độ bền cơ học, môđunứng suất, độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và khả năng phát xạ điện tử ở điện thế thấp Cáctính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới, do đó CNTs thu hút sự quan tâm củanhiều phòng thí nghiệm trên thế giới

Tính chất cơ

CNTs có các đặc tính cơ học tốt như độ cứng, độ bền trục và môđun ứng suất

cao Có được các tính chất này là do các liên kết bền vững C-C dạng lai hóa sp 2 tạivách ống CNTs Mặc dù các mạng graphit cũng được cấu tạo bởi các liên kết tương tựsong sự khác biệt về mặt cấu trúc làm cho cơ tính của mạng graphit không bằng CNTs.Tuy nhiên, các thông số cơ học như suất Young, hệ số đàn hồi và độ bền kéo củaCNTs thường dao động trong khoảng rộng, tuỳ thuộc vào cấu trúc vách ống, ứng vớimỗi quá trình tổng hợp khác nhau Với các cấu trúc khác nhau thì các thông số cơ tínhcủa CNTs cũng khác nhau Hai thông số cơ bản và đặc trưng của CNTs về mặt cơ học

là suất Young và độ bền kéo Suất Young liên quan trực tiếp đến lực cố kết của vật rắn

và liên kết hóa học của các nguyên tử thành phần Nếu ta tác dụng một lực F lên một

thanh vật liệu mỏng đẳng hướng có độ dài l o và tiết diện ngang là A0 thì suất Youngcủa vật liệu được xác định bởi công thức: [1]

E stress strain F A0

Trong đó δl là sự thay đổi độ dài của thanh vật liệu khi có lực tác dụng F ðộ bền

kéo của một vật liệu là lực tác dụng tối đa mà vật liệu có thể chịu được trên một đơn vịdiện tích Nó đặc trưng cho khả năng chịu tác dụng lực, liên quan trực tiếp đến cấu trúccủa vật liệu và các liên kết trong vật liệu đó

Suất Young trung bình của một đơn ống MWCNTs khoảng 1,8 TPa và củaSWCNTs khoảng 1,25 TPa cao hơn nhiều so với sợi cácbon thông thường (680 GPa)

ðộ bền liên kết trung bình của MWCNTs là 14,2 GPa và độ bền kéo khoảng 11 - 63GPa Kết quả các phép đo này cho thấy CNTs có môđun ứng suất đàn hồi và độ bền cơhọc rất cao Môđun đàn hồi trung bình của ống nanô cácbon xấp xỉ 600 GPa và độ bềnkéo khoảng 13 - 52 GPa Bảng 1.1 là các thông số cơ tính của vật liệu CNTs so sánhvới một số vật liệu khác

Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác [11]

Vật liệu Suất Young (GPa) ðộ bền kéo (GPa) Mật độ khối (g/cm3) SWCNTs

150 150 0.4 0.005 0.008

1.4 2.6 7.8 1.25 0.6

Từ bảng số liệu 1.1, có thể thấy rằng 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 củaCNTs nhẹ hơn của thép tới 2 hoặc 3 lần ðiều này chứng tỏ rằng CNTs có các đặc tính

cơ học siêu bền và nhẹ, thích hợp cho việc làm vật liệu gia cường kết hợp với vật liệunền như cao su, polymer, để chế tạo các vật liệu tổ hợp (composit) mới có độ bền cao,khả năng chịu mài mòn và ma sát tốt

Tính chất nhiệt

Nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của CNTs được xác định chủ yếu bởi các quátrình hấp thụ và phát xạ phonon Nhiều thực nghiệm đo nhiệt dung riêng củaMWCNTs và bó SWCNTs với các đường kính khác nhau, trên các khoảng nhiệt độkhác nhau cho thấy rằng nhiệt dung riêng phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ trong vùngnhiệt độ thấp So với graphit khối, nhiệt dung riêng của CNTs thấp hơn khoảng 100J/kg.K Nhiệt dung riêng của MWCNTs và bó SWCNTs phụ thuộc vào các tương tác giữa các ống trong bó hay các lớp graphit trong MWCNTs và đường kính của chúng

[12-14]

ðộ dẫn nhiệt λ của CNTs được xác định bởi công thức (1.6):

Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So sánh độ dẫn

Tính chất dẫn nhiệt tốt của CNTs mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc chếtạo các đế tản nhiệt trong các linh kiện điện tử công suất, chế tạo các vật liệu tản nhiệtdạng lỏng, dạng keo

Tính chất điện

CNTs là vật liệu dẫn điện tốt song tính dẫn điện của nó phụ thuộc mạnh vào cấutrúc tinh thể hay là giá trị véctơ Chiral Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) của véc tơChiral mà độ dẫn của CNTs có thể thuộc vùng bán dẫn hay kim loại ðể xem xét tínhchất điện của CNTs ta xét phân bố năng lượng và mật độ trạng thái của CNTs Cáctính toán lý thuyết đã chỉ ra độ dẫn của mạng graphit là nằm giữa bán dẫn và kim loại.Tuy nhiên khi tồn tại ở dạng ống, các liên kết C-C vuông góc với trục ống được hìnhthành, dẫn đến cấu trúc điện tử của ống CNTs bị biến đổi Tùy vào giá trị cặp chỉ số(n, m) mà ống CNTs hoặc có khe năng lượng bằng không, tương tự các kim loại dẫnđiện tốt như Cu, Au, hoặc có khe năng lượng nhỏ tương ứng với độ dẫn của các chấtbán dẫn

Cấu trúc vùng năng lượng của CNTs có thể suy ra từ cấu trúc vùng năng lượngcủa mạng graphit bằng phép xấp xỉ Ta xét cấu trúc vùng năng lượng của một mạnggraphit đơn lớp như trên hình 1.10a Ô đơn vị của mạng gồm hai nguyên tử cácbon,mỗi nguyên tử cácbon có bốn điện tử hóa trị Do đó, một mối liên kết chặt tạo thànhtám dải: bốn dải hóa trị và bốn dải dẫn Một orbital 2s và hai orbital 2px và 2py nằm

trong mặt phẳng liên kết của mỗi nguyên tử cácbon tạo ra trạng thái lai hóa sp 2 Các

orbital lai hóa sp 2 hình thành các dải hóa trị σ và dải dẫn σ* Orbital 2pz của cácnguyên tử cácbon định hướng vuông góc mạng hình thành lên dải hóa trị π và dải dẫnπ*.

Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit [16]

Cấu trúc của CNTs (n, m) được rút ra từ cấu trúc dải của mạng graphit bằng cách

sử dụng phương pháp liên kết chặt với điều kiện biên tuần hoàn dọc theo hướng chu vicủa ống CNTs như sau:

+ N là số cặp nguyên tử cácbon trong ô đơn vị của CNTs.

+ K1 và K2 được biểu diễn thông qua các véctơ đơn vị b1 và b2 của mạnggraphit

Ta thấy độ dẫn của CNTs thuộc vùng kim loại khi véctơ sóng được phép bao gồm điểm K trong mạng đảo của graphit, ngược lại chúng là bán dẫn khi tồn tại khenăng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Từ cấu trúc vùng năng lượng, điều kiện