NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON TRONG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.45 MB, 23 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN THỊ HƢƠNG
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
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi
điện tử, nano điện tử cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả
về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên, các linh kiện điện tử,
nhất là các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát quang độ sáng cao (High
Brightness LED – HBLED) hay vi xử lý máy tính (Center Processing Unit - CPU)
với mật độ tích hợp transistor lên tới 400 triệu khi hoạt động trong một thời gian đủ
dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn có thể làm giảm hiệu quả,
công suất cũng như độ bền. Do vậy, việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ
giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc
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
cacbon tại Viện Khoa học Vật liệu và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu
2
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.
3
CHƢƠNG 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]
4
- Kim cƣơng
Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cacbon. Cấu trúc của mạng
tinh thể kim cương được thể hiện trên hình 1.3a.
Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên
- Fullerenes
Fullerenes là một lồng phân tử cacbon khép kín với các nguyên tử cacbon sắp
xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip.
a) Fullerene C60
b) Fullerene C70
c) Fullerene C80
Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80
-
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
5
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.
Ch na1 ma2 (n, m)
Trong đó:
(1.1)
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
là các defect.
a)
b)
.
Hình 1.6. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác [29]
1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs
- 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
có độ bền lớn nhất
- Tính chất quang và quang điện
6
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 trƣờng
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).
7
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 phƣơng 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 phƣơng pháp chế tạo
-
Phương pháp hai bước (Two - Step Method)
-
Phương pháp một bước (One - Step Method). [40]
8
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.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Phƣơng 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
9
- 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
CNTs
Chất lỏng
(EG/DW)
CNTs biến tính
nhóm chức -OH
Chất hoạt động
bề mặt Tween
Phƣơng pháp
rung siêu âm
Chất lỏng chứa
thành phần CNTs
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
10
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.
Bật đèn LED.
Nhiệt độ của chip LED được đo trực tiếp bằng các sensor nhiệt độ gắn ngay
trên bề mặt đế của chip LED.
Khảo sát nhiệt độ của LED khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt trong các trường
hợp: không chứa thành phần CNTs, có chứa thành phần CNTs với hàm lượng
tương ứng lần lượt là 0,3 g/l, 0,5 g/l, 0,7 g/l, 1,0 g/l và 1,2 g/l.
2.4 Các phƣơng 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
11
CHƢƠNG 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 COOH, và vị trí trung tâm của đỉnh dao động - OH chuyển sang một giá trị thấp
12
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.
13
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
không còn nữa như trên hình 3.3b.
14
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
15
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.
16
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.
17
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
3.5 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn
Nhận thấy với hàm lượng của CNTs là 1,2 g/l, nhiệt độ bão hòa của chip LED
giảm xuống 4,5oC khi so sánh với chất lỏng không chứa thành phần CNTs.
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.
18
Dựa vào bảng đặc tính kỹ thuật của chip LED do hãng sản xuất cung cấp,
chúng tôi thấy rằng cứ giảm nhiệt độ hoạt động của chip LED xuống 10oC thì thời
gian sống của chip LED tăng lên gấp đôi. Vì vậy, thời gian sống của chip LED theo
độ giảm nhiệt độ hoạt động có thể ước lượng bởi công thức sau:
L
L0 .2
t
10
(3.1)
Ở đây L0, L, và Δt lần lượt là thời gian sống cơ bản, thời gian sống khi hoạt
động ở chế độ tản nhiệt tốt hơn, và độ giảm nhiệt độ của LED. Như vậy phần trăm
thời gian kéo dài tuổi thọ của chip LED được xác định bởi công thức:
%L
t
L L0
.100% 210 1 .100%
L0
(3.2)
Ước lượng được phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ và biểu thị như trên hình
3.9.
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của thời gian sống đèn LED 450W
vào hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
Kết quả cho thấy rằng khi thêm hàm lượng CNTs vào trong chất lỏng tản nhiệt
thì thời gian kéo dài tuổi thọ của đèn LED tăng lên. Phần trăm thời gian kéo dài tuổi
thọ đạt đến giá trị bão hòa ở 33% với nồng độ 1,2 g/l. Phần trăm thời gian kéo dài
tuổi thọ gần như không tăng ở hàm lượng 1,3 g/l. Vì vậy, chúng tôi nhận thấy hàm
lượng tối ưu của CNTs trong chất lỏng cho đèn LED 450 W là 1,2 g/l.
19
3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt
- Thứ nhất: CNTs có độ dẫn nhiệt lớn (lên đến 2000 W/mK), nên khi phân
tán CNTs vào trong chất lỏng sẽ giúp nâng cao hơn độ dẫn nhiệt của chất
lỏng.
- Thứ hai: Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi có thêm thành phần CNTs,
điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả của quá trình truyền nhiệt từ chip LED
vào chất lỏng.
Chất lỏng
không chứa thành phần CNTs
Chất lỏng
chứa thành phần
CNTs
Vùng nhiệt độ cao
Vùng nhiệt độ trung bình
Vùng nhiệt độ thấp
Hình 3.10. 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.
Dựa trên mô tả ở hình 3.10, ta có thể tính dòng nhiệt di chuyển từ đế tản nhiệt
vào chất lỏng thông qua phương trình như sau:
J
T
Rd R
Trong đó:
+ ΔT là độ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nhiệt độ cao và thấp (K).
20
(3.3)
+ R là nhiệt trở của chất lỏng (K/W).
+ Rd là nhiệt trở của đế tản nhiệt (K/W).
+ J là dòng nhiệt truyền trong chất lỏng (W).
Như vậy, trong trường hợp chất lỏng có độ dẫn nhiệt thấp thì dòng nhiệt từ đế
tản nhiệt vào chất lỏng sẽ chậm, và dẫn đến kết quả nhiệt độ của chất lỏng tản nhiệt
khi chảy ra khỏi đế tản nhiệt sẽ không cao. Ngược lại, trong trường hợp chất lỏng
có độ dẫn nhiệt cao thì dòng nhiệt từ đế tản nhiệt vào chất lỏng sẽ nhanh, và dẫn
đến kết quả nhiệt độ của chất lỏng tản nhiệt khi chảy ra khỏi đế tản nhiệt sẽ cao hơn.
Chúng tôi cũng nhận thấy rằng nhiệt trở của đế tản nhiệt là nhỏ hơn rất nhiều so với
độ dẫn nhiệt của chất lỏng (vì kim loại vốn có độ dẫn nhiệt cao hơn vài trăm đến
hàng nghìn lần chất lỏng), do vậy giảm nhiệt trở của chất lỏng sẽ mang lại hiệu quả
truyền nhiệt mạnh hơn nhiều so với việc giảm nhiệt trở của đế tản nhiệt, điều này
lần nữa nhấn mạnh hơn ý nghĩa của việc pha thêm CNTs vào chất lỏng tản nhiệt để
làm tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng.
Mặt khác ta có công thức tính nhiệt lượng mang ra khỏi đế tản nhiệt là:
Q C.t.D.dV
(3.6)
V
Trong đó:
+ Δt là độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng chảy ra khỏi đế tản
nhiệt so với nhiệt độ chất lỏng trong bình chứa (K).
+ C là nhiệt dung riêng của chất lỏng (J/kg.K).
+ D là khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3).
Có thể nhận thấy rằng khi có ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt thì
Δt tăng, đồng thời khối lượng riêng D của chất lỏng cũng tăng, như vậy nhiệt lượng
21
truyền đi trong quá trình tản nhiệt là cao hơn so với chất lỏng tản nhiệt không có
CNTs. Hình 3.10 cho ta cách nhìn trực quan hơn về cơ chế này.
- Thứ ba: Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi có thêm thành phần CNTs
sẽ giúp nâng cao hiệu quả của quá trình truyền nhiệt từ chất lỏng ra ngoài
giàn tỏa nhiệt, điều này được thể hiện chi tiết hơn như trên hình 3.11 với
cách giải thích hoàn toàn tương tự như trường hợp nhiệt lượng truyền từ
chip LED vào chất lỏng tản nhiệt.
Giàn tỏa nhiệt
Tản nhiệt Chất
lỏng
Chất lỏng không có CNTs
Chất lỏng có CNTs
Vùng nhiệt độ cao
Vùng nhiệt độ trung bình
Vùng nhiệt độ khá cao
Vùng nhiệt độ thấp
Hình 3.11. 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.
Kết quả thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho linh kiện
điện tử công suất trong luận văn đã được so sánh với kết quả nghiên cứu của một số
nhóm nghiên cứu trên thế giới, chẳng hạn như nhóm Yi Fan [50]. Trong thực
nghiệm của nhóm Yi Fan, khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs thì nhiệt độ
của linh kiện được giảm xuống 3oC so với chất lỏng thông thường không chứa
22
thành phần CNTs. Điều này cho thấy kết quả nghiên cứu của luận văn là phù hợp
với kết quả của nhóm Yi Fan (trong trường hợp ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED
công suất 450W), thậm chí trong một số trường hợp kết quả của luận văn là tốt hơn
(trong trường hợp ứng dụng tản nhiệt cho vi xử lý Intel Core i5).
KẾT LUẬN
Luận văn đã đạt được các kết quả chính sau đây:
1. Đã thành công trong việc biến tính gắn nhóm chức – OH lên vật liệu CNTs
bằng phương pháp hóa học. Các kết quả phân tích FTIR và Raman đã khẳng
định nhóm chức – OH đã được gắn kết trên bề mặt của CNTs.
2. Đã phân tán đồng đều CNTs - OH vào hỗn hợp EG/DW bằng cách sử dụng
chất hoạt động bề mặt Tween - 80 kết hợp với phương pháp rung siêu âm với
thời gian trên 30 phút. Kết quả đo phổ phân tán theo kích thước trên thiết bị
Zeta - Sizer và ảnh SEM cho thấy CNTs phân tán đồng đều trong nền chất
lỏng và không còn hiện tượng tụ đám.
3. Kết quả thử nghiệm với vi xử lý Intel Core i5 cho thấy nhiệt độ bão hòa của
CPU giảm xuống khoảng 14oC - 20oC và thời gian của quá trình tăng nhiệt
được nâng từ 200 s lên 350 s khi so sánh với phương pháp tản nhiệt sử dụng
quạt. Khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa hàm lượng CNTs là 1,2 g/l thì
nhiệt độ của CPU xuống 6oC so với trường hợp sử dụng chất lỏng không
chứa thành phần CNTs.
4. Kết quả thử nghiệm với đèn LED công suất 450 W đã cho thấy khi sử dụng
chất lỏng tản nhiệt với hàm lượng CNTs là 1,2 g/l thì nhiệt độ bão hòa của
chip LED giảm xuống 4,5oC và kết quả tính toán dự đoán được tuổi thọ kéo
dài thêm 33% khi so sánh với chất lỏng không chứa thành phần CNTs.
5. Đã giải thích được cơ chế về việc nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống
khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần ống nano cacbon.
23
