NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON TRONG CHẤT LỎNG … (169).pdf · Hình 3.10. Mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng ra giàn

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ HỘI- 2015

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

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

HÀ NỘI - 2015

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 Hƣơng

ii

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 Hƣơng

iii

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 ......................................... viii

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon ............................................................ 5

1.1.1 Lịch sử phát triển ......................................................................................... 5

1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon ................................................................... 10

1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs ...................................................................... 13

1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon ..................................................... 21

1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon .............................................. 22

1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs ..................................................... 28

1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano .......................................................................... 28

1.2.2 Các phương pháp chế tạo .......................................................................... 28

1.2.3 CNTs - Nanofluids .................................................................................... 30

1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano .................................................................... 35

2.1 Phương án thực nghiệm ................................................................................... 42

2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids ......................................................... 42

2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng ............................................................... 42

2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs .................................... 43

2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt .................................................. 44

2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử ................................... 44

iv

2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ........ 44

2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn ......................................... 47

2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu ................................... 49

2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) .............................................. 49

2.4.2 Phổ Raman ................................................................................................ 50

2.4.3 Phổ Zeta - Sizer ......................................................................................... 51

2.4.4 Phép đo hình thái học SEM ....................................................................... 51

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 54

3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs.......................................... 54

3.2 Kết quả phân tán CNTs - OH trong chất lỏng tản nhiệt EG/DW .................... 57

3.3 Cơ chế phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt ............................................. 59

3.4 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vi xử lý máy tính ....... 61

3.4.1 Tản nhiệt bằng quạt ................................................................................... 61

3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs ..................................... 62

3.5 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn .... 63

3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt ................................................................. 65

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 69

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……… 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon .............................................. 5

Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang .................................... 6

Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên ....... 7

Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 ........................... 8

Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991 ........................ 9

Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs ........................ 10

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

ống nano cacbon ........................................................................................................ 11

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

5) ................................................................................................................................ 12

Hình 1.9. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác ......................................................... 13

Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu. .................................... 14

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

graphene .................................................................................................................... 17

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

(10,0) ......................................................................................................................... 18

Hình 1.12. So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác ............................ 19

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

graphite và mạng graphene ....................................................................................... 20

Hình 1.14. Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường ...................... 20

Hình 1.15. Sơ đồ thiết bị hồ quang điện ................................................................... 23

Hình 1.16. Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay ........................................... 24

Hình 1.17. Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser ....................................................... 25

Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt ........................................................................ 27

viii

Hình 1.19. Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu. ....................... 27

Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids ............................................................. 31

Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt ................................ 32

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 lỏng .......................................... 34

Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt ................................... 36

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.37

Hình 1.24. Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt. ..................... 37

Hình 1.25. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google. .............. 38

Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng ................................................. 44

Hình 2.3. Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5 ................................................ 45

Hình 2.4. Giao diện phần mềm Prime95 ................................................................... 45

Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính ................ 46

Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W ....................... 47

Hình 2.7. Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chíp LED ............ 48

Hình 2.8. Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs ....... 48

Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của giao thao kế Michelson ................................................ 49

Hình 2.10. Máy Zeta - sizer Nano ZS ....................................................................... 51

Hình 2.11. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét ..................... 52

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 ......................... 54

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 ................................ 55

ix

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.

................................................................................................................................... 57

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. ........................................ 58

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 ...................................................................................................................... 59

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. ..... 62

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. .................................... 63

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. ................................................ 68

x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Viết tắt Tên đầy đủ

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử

CNTs Ống nano cacbon

CPU Vi xử lý máy tính

CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi

DEG Diethylene Glycol

DW Nước cất

EDX Phổ tán sắc năng lượng

EG Ethylene Glycol

EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất

FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

LED Điốt phát quang

MWCNTs Ống nano cacbon đa tường

SEM Kính hiển vi điện tử quét

SWCNTs Ống nano cacbon đơn tường

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

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.

Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon

(CNTs) và ứng dụng chất lỏng chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện

điện tử công suất lớn (CPU, LED).

Nội dung nghiên cứu

- Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu nano cacbon (CNTs) bằng

phương pháp hóa học.

- Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng cách phân tán CNTs

vào hỗn hợp ethylene glycol/ nước cất (EG/DW) sử dụng chất hoạt động

bề mặt Tween và phương pháp rung siêu âm.

- Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi

xử lý máy tính Intel Core i5. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng

chứa thánh phần CNTs với tản nhiệt bằng quạt từ đó đánh giá hiệu quả tản

nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs.

- Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho

đèn LED công suất lớn 450 W. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng

chứa thành phần CNTs và chất lỏng không chứa thành phần CNTs.

- Đưa ra cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống linh kiện điện tử

công suất lớn khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Phƣơng pháp nghiên cứu

- Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs bằng phương pháp hóa

học.

3

- Kiểm tra kết quả gắn nhóm chức – OH bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi

Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman.

- Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng phương pháp hai

bước (Two - step) sử dụng máy dung siêu âm và chất hoạt động bề mặt

Tween.

- Khảo sát cấu trúc, kích cỡ và các tính chất của chất lỏng chứa thành phần

CNTs cho linh kiện điện tử công suất lớn bẳng phương pháp: Kính hiển vi

điện tử quét (SEM), Thiết bị Zeta - sizer Nano ZS.

- Đánh giá hiệu quả tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công

suất lớn (450W) khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs

bằng cách khảo sát quá trình tăng giảm nhiệt độ của CPU và LED thông

qua các sensor nhiệt được tích hợp sẵn trong hệ thông thiết bị và phần

mềm Core Temp 1.0 RC5.

BỐ CỤC LUẬN VĂN

Nội dung luận văn gồm 3 phần chính:

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về vật liệu ống nano cacbon, bao gồm cấu trúc, tính chất, ứng

dụng và các phương pháp chế tạo. Khái niệm chất lỏng nano, chất lỏng nano chứa

thành phần CNTs, phương pháp chế tạo và các ứng dụng của chất lỏng nano cũng

được trình bày trong chương này.

CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM

Trình bày quá trình biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs, chế tạo

chất lỏng nano chứa thành phần CNTs và ứng dụng chất lỏng nano chứa thành phần

CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn

(450W). Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để đánh giá hiệu quả, cấu trúc

của vật liệu như: Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman,

4

phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Giới thiệu các thiết bị và phần mềm được

sử dụng trong quá trình thực nghiệm.

CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Đánh giá kết quả biến tính, phân tán CNTs bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi

Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Kết

hợp với kết quả thực nghiệm của quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và

LED công suất lớn (450W) để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa

thành phần CNTs.

5

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 6

điện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình điện tử là 1s22s

22p

2 do đó nguyên tử

cacbon có bốn điện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p

và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa

học [1], vì vậy các hàm sóng của bốn điện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc

kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các điện tử gọi là

các trạng thái lai hóa. Cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp

2, sp

3 tồn tại trong các

dạng vật chất khác nhau của cacbon.

a) sp1 – dạng thẳng b) sp

2 – dạng tam giác c) sp

3 – dạng tứ diện

Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon

Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1.1a) được tạo thành như một chuỗi

dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cacbon. Dạng lai hóa này có thể

được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn.

Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này

có ba obital sp2 được tạo thành còn lại là một obital 2p. Ba obital đồng phẳng tạo

với nhau một góc 120o (hình1.1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các

nguyên tố cacbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế

6

tiếp. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cacbon tưởng tượng giống như một

tấm cacbon đơn 2D phẳng trong đó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cacbon là

120o trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc

graphene (hình1.1b).

Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1.1c), trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp

3

tương đương nhau được tạo thành định hướng theo các đỉnh của tứ diện đều quanh

một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital

của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ điển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết

Csp3

- Csp3 (C - C) được tạo thành giữa hai nguyên tử cacbon bởi sự chồng chập các

orbital sp3 và ba liên kết Csp

3 - H1s được tạo thành tại mỗi nguyên tử cacbon.

Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc Kim cương.

Graphite

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

lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên

kết yếu như là một dạng liên kết Van - Der - Waals. 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.[30]

Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [30]

Trong graphite, nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các

lớp mạng lục giác song song. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng

một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như

7

được thể hiện trên (hình 1.2b). Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu đen như

lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cacbon vô định hình trong đó

các nguyên tử cacbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết

sp2 và không có liên kết sp. Trong tự nhiên, các khoáng chất chứa graphite bao

gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin.

Kim cƣơng

Như đã biết cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp

2, sp

3. Các trạng thái lai hóa

này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên.

Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cacbon. Đây là dạng tinh

thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cacbon, tồn tại ở

dạng lập phương và lục giác.

a) b)

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

Cấu trúc của mạng tinh thể Kim cương được thể hiện trên hình 1.3a. Ở dạng

lập phương, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác ở xung

quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này đều là các liên kết cộng hóa

trị. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là

rất lớn nên Kim cương rất cứng và bền. Ô mạng cơ sở của Kim cương tạo thành trên

cơ sở lập phương tâm mặt. Bốn nguyên tử cacbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa

độ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4). Khoảng cách giữa các

8

nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là 1,544 Å. Góc cố định giữa các liên

kết cộng hóa trị trong mạng Kim cương là 109,5o. Cũng như graphite, Kim cương

có độ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000 W/m.K) và nhiệt độ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K).

Fullerenes

Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cacbon Kroto và đồng nghiệp [30] đã

khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử có

dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cacbon được

gọi là Fullerenes. Fullerenes là một lồng phân tử cacbon khép kín với các nguyên tử

cacbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên

là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cacbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo

bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (hình 1.4a).

Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cacbon là liên kết sp2. Ngoài ra có xen lẫn

với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cacbon không có tọa độ phẳng mà có

dạng mặt cầu hoặc elip. Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng đá nhiều

múi nên để có được một mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao quanh bởi năm lục giác.

Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp độ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc

dạng lồng. Năm 1990, Kratschmer [30] đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra

do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực graphite có chứa C60 và các dạng

fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c).

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

9

Fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế hiện nay. Trong công nghệ may

mặc, nhờ có tính chất siêu đàn hồi nên fullerenes có thể ứng dụng chế tạo các loại

áo giáp trong chiến tranh. Ứng dụng đang nổi lên hiện nay là dùng fullerenes để

mang dược phẩm dùng trong y tế. Người ta đã cho những ligand bám ở ngoài quả

cầu fullerene dùng để ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào. Những thuốc chữa

bệnh có sử dụng fullerenes kiểu này bắt đầu được bán trên thị trường. Việc kết hợp

một số loại vật liệu với C60 hoặc các fullerenes khác có thể tạo ra một số loại vật

liệu đa dạng hơn như các chất siêu dẫn, chất cách điện v.v… [1]

Ống nano cacbon

Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S. Iijima [23] đã khám phá ra

một cấu trúc mới của cacbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu

trúc này được gọi là ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.5). Hai năm

sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs)

có đường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromet. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống

nano cacbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) và CNTs đa

tường (MWCNTs) (hình 1.6a, hình 1.6b).

Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991[23]

Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp

than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và

được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó, CNTs còn được

10

biết đến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với

nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững. (Hình 1.6a)

Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau

lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm.

Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được

gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là

1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với nhau và

chiều dài có thể lên đến vài mm (hình 1.6b).

a) b)

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

Phát hiện mới về ống nano cacbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó

đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác

nhau. Sự góp mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới:

các vật liệu dựa trên cơ sở cacbon - vật liệu mới cho tương lai.

1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon

SWCNTs được định nghĩa là một tấm graphene được cuộn thành hình trụ tròn

với đường kính khoảng 0,7 đến 10 nm (hầu hết là < 2nm). Mặc dù cơ chế phát triển

không hoàn toàn là sự cuốn của các tấm graphene, nhưng mô hình tấm graphene

được cuốn lại được sử dụng để giải thích cho những tính chất cơ bản của ống nano

11

cacbon. Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs được phân

thành các loại khác nhau.

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

của ống nano cacbon [34]

Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi vector Chiral, kí hiệu là Ch.

Vector này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và độ lớn đường kính ống (hình

1.8a).

1 2 ( , )hC na ma n m

(1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên.

a1 và a2 là các vector đơn vị của mạng graphene.

Có nhiều cách chọn vector cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong

hình 1.8a dưới đây.

2

1,

2

31 aa ,

2

1,

2

32 aa (1.2)

Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm.

Góc của vector chiral θ:

)(2

2cos

22 nmmn

mn

(1.3)

12

Đường kính D của ống được tính theo công thức sau:

2 2

( )

D k n m nm

k N

(nm) (1.4)

Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các

cặp chỉ số (n, m) khác nhau. Ba cấu trúc thường gặp đó là: amchair, zigzag và chiral

tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.8b).

CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều dài từ một

vài micromet đến vài minimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính và diện tích bề mặt

của nó là rất lớn.

a) b)

Hình 1.8. (a) vector chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) và chiral

(10, 5) [14]

Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs. Trên thực tế, cấu trúc của

CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect. Các defect này

được phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon

cấu thành nên CNTs.

Các defect theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các vòng

cacbon không phải 6 cạnh. Các vòng cacbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8 cạnh, chủ

yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.9).

13

Hình 1.9. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác [31]

Các defect theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử

cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do đó cấu trúc của

CNTs không chỉ gồm các liên kết C - C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp

2+α (-1<α<1).

Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs.

Ngoài các dạng defect trên, còn một số dạng defect khác như liên kết không

hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí. Các defect có vai trò rất quan trọng, chúng là đầu

mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs. Các defect này có

thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức hoạt động

như carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu để hoạt

hóa, biến tính vật liệu CNTs. Tuy nhiên, các defect này cũng ảnh hưởng tới các tính

chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện. Nó có thể làm giảm độ bền về mặt

cơ học và làm thay đổi cấu trúc dải điện tử của CNTs.

1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs

Với cấu trúc như đã trình bày ở trên, vật liệu CNTs thể hiện nhiều tính chất ưu

việt, tốt hơn so với các vật liệu thông thường khác như độ bền cơ học, modul ứng

suất cao, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt và khả năng phát xạ trường ở cường độ điện trường

thấp. Các tính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới thu hút sự quan tâm của

nhiều nhà khoa học trên thế giới.

.

a)

b

)

14

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. Cả thực nghiệm lẫn lý thuyết tính toán đều chứng minh rằng

ống nano cacbon có độ cứng bằng hoặc lớn hơn Kim cương với suất Young lớn

nhất và có độ dãn lớn. SWCNTs rất cứng, có thể chịu được một lực lớn và có độ

đàn hồi cao. Chính tính chất này khiến SWCNTs có khả năng được ứng dụng cao

trong các kính hiển vi quét có độ phân giải cao. Bảng 1 là kết quả so sánh suất

Young, độ dãn của SWCNTs (10,10) và MWCNTs với một số vật liệu khác. Trong

bảng 1, so với thép, suất Young của CNTs (MWCNTs và SWCNTs) gấp khoảng 5

đến 6 lần và độ bền kéo gấp khoảng 375 lần. Trong khi đó, khối lượng riêng của

CNTs nhẹ hơn tới 3 hoặc 4 lần so với thép. Điều này chứng tỏ rằng CNTs có các

đặc tính cơ học rất tốt, bền và nhẹ, mở ra những ứng dụng cho việc gia cường vào

các vật liệu composite như cao su, polyme để tăng cường độ bền, khả năng chịu mài

mòn và ma sát cho các vật liệu này.

Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu.

Vật liệu Suất Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Mật độ khối lượng (g/cm3)

SWCNTs 1054 150 1,4

MWCNTs 1200 150 2,6

Steel 208 0,4 7,8

Epoxy 3,5 0,005 1,25

Wood 16 0,008 0,6

Trạng thái lai hóa sp2 sẽ dẫn tới sự thay đổi tính chất điện của ống nano

cacbon. Tại mỗi vị trí ống nano cacbon hay graphene có một vector xác định có thể

viết như sau: r = r0 + Δr trong đó r có thể thay đổi theo vector mạng hay vector

15

chiral. Tương tự như phép gần đúng để thu được tính chất điện của CNTs từ

graphene, ta có thể thu được công thức sau:

rgg pEE )3(sin)3)(cos1()12sgn( 10

(1.5)

Công thức này cho thấy rằng tất cả các ống chiral hoặc ống không đối xứng

(0<θ<300) sẽ thay đổi tính chất điện khi thay đổi độ dãn hoặc độ căng vòng xoắn

trái lại những ống armchair đối xứng hoặc zigzag có thể hoặc không thể thay đổi

tính chất điện của chúng. Đây chính là những kết quả thể hiện tính cơ điện.

Tính chất quang và quang điện

Những sai hỏng cấu trúc của ống nano cacbon đặc biệt là đối với SWCNTs,

dẫn tới sự xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn được xác định, đó

chính là cơ sở cho những ứng dụng quang và quang điện của CNTs. Phổ quang học

của từng SWCNTs riêng lẻ hoặc bó SWCNTs đã được chứng minh bằng cách sử

dụng phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng

ngoại (UV - VIS - NIR).

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

hoặc DOS của SWCNTs. DOS một chiều của SWCNTs có thể được suy ra từ

graphite với biểu thức như sau:

m

mgl

,3

24

(1.6)

Với: 22

,

m

mg

khi m

(1.7)

0, mg khi m

(1.8)

D

mnqm

3

3

(1.9)

16

Với tính chất quang và quang điện của CNTs đã mở ra nhiều hướng ứng dụng

mới. Ví dụ như trường hợp ống nano cacbon là armchair (n = m) là kim loại nhưng

trái lại trong trường hợp khi thỏa mãn được điều kiện n – m = 3q thì CNTs lại là bán

kim loại với độ rộng vùng cấm nhỏ. Khi đó, với dải năng lượng γ = 2,5 ÷ 3,0 eV thì

bước sóng của ống CNTs bán dẫn thay đổi từ 300 nm đến 3000 nm. Điều này dẫn

đến khả năng ứng dụng của ống nano cacbon bán dẫn trong các thiết bị quang và

quang điện từ laser xanh đến các đầu dò hồng ngoại.

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 điện của CNTs xét một cách cơ bản chính là tính chất của mạng

graphite hai chiều hay còn được gọi là graphene. Mô hình liên kết chặt của sự phân

bố năng lượng trong mạng cấu trúc graphene được cho biểu diễn bằng công thức

sau:

)(1

)()(

2

2ks

ktkE

p

Dg

(1.10)

Với Ɛ 2p là năng lượng của điện tử ở quỹ đạo 2p, t nằm trong miền nguyên, s

nằm trong miền số thực, và ω(k) cho bởi công thức:

Hình 1.10a là đồ thị thể hiện sự phân bố năng lượng của graphene trên toàn

vùng Brillouin. Đồ thị này được suy ra từ công thức hàm phân bố năng lượng của

graphene tại Ɛ 2p = 0, t = -3,033, và s = 0,129. Những giá trị này được lựa chọn bằng

nguyên lí tính toán thứ nhất của vùng năng lượng graphite.

223

( ) ( ) 1 4cos cos 4cos2 2 2

y yxk a k ak a

k f k (1.11)

17

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

graphene [6]

Khi s = 0, ta có hàm Slater - Koster cho hàm phân bố năng lượng đơn giản

nhất của graphene là:

2cos4

2cos

2

3cos41),( 2

2

akakakkkE

yyxyxDg

(1.12)

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

bằng cách sử dụng các liên kết chặt với điều kiện biên tuần hoàn dọc theo hướng

chu vi của ống CNTs như sau:

22 1

2

( )k D

KE E k K

K (1.13)

Trong đó:

+ k là vector sóng (-π/T < k <π/T)

+ T là chu kì dịch của mạng graphene.

+ μ là số lượng tử rời rạc (μ = 1, 2,…, N)

18

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

+ K1 và K2 được biểu diễn thông qua các vector đơn vị b1 và b2 của mạng

graphene.

2 1 2 21

t b t bK

N

;

1 22

mb nbK

N

(1.14)

Từ cấu trúc dải điện tử, ta thấy độ dẫn của CNTs là dẫn kim loại khi vector

sóng được phép bao gồm điểm K trong mạng đảo của graphene, ngược lại chúng là

bán dẫn khi tồn tại khe năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Suy ra, điều kiện

chung để CNTs là kim loại là: . 2K hk C hay (n - m)/3 nguyên ( Kk mô tả một

vector sóng của sáu điểm K trong vùng Brillouin thứ nhất của mạng graphene).

Tương tự, CNTs là bán dẫn khi (n – m)/3 không nguyên. Ví dụ như trên hình 1.11,

CNTs (5, 5) và (9, 0) có khe năng lượng bằng 0 ứng với tính dẫn kim loại, CNTs

(10, 0) khe năng lượng nhỏ cỡ bán dẫn.

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

(10,0) [6]

Dùng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), ta có thể đo được điện trở ở

từng phần của ống CNTs. Đối với SWCNTs dẫn điện như kim loại thì điện trở

không thay đổi dọc theo ống. Tuy nhiên, đối với các ống dẫn điện kiểu bán dẫn, khi

kết lại thành sợi dài thì điện trở phụ thuộc rất nhiều vào các vị trí đặt các đầu dò.

19

Tính chất nhiệt và nhiệt điện

Graphite và Kim cương có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt. Chính vì thế

có thể tin tưởng rằng CNTs cũng có tính chất nhiệt tương tự ở nhiệt độ phòng và

nhiệt độ cao nhưng có trạng thái hoàn toàn khác khi ở nhiệt độ thấp vì tại vùng nhiệt

độ này xuất hiện hiệu ứng lượng tử hóa phonon. Cả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ

ra rằng sự kết nối bên trong ống của bó SWCNTs và MWCNTs là yếu hơn ở vùng

nhiệt độ >100K. CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống nhưng lại

dẫn nhiệt kém hơn (theo hướng bán kính) giữa các lớp với nhau. Các tính toán lí

thuyết và kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt của CNTs phụ thuộc vào

nhiệt độ. Theo J. Hone thì sự phụ thuộc này gần như là sự phụ thuộc tuyến tính theo

nhiệt độ, tại nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của bó SWCNTs và MWCNTs biến đổi

trong khoảng từ 1800 W/mK đến 6000 W/mK. Tuy nhiên, theo Berber thì sự phụ

thuộc này không hoàn toàn là tuyến tính, 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 1.12. So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác [15]

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). Do có khả

năng bền vững ở nhiệt độ cao cũng như trong các môi trường axít mạnh nên nhiệt

độ và axít thường được dùng để làm sạch vật liệu CNTs.

20

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

graphite và mạng graphene [38]

Đặc tính phát xạ trƣờng

Phát xạ trường là hiệu ứng phát xạ điện tử từ kim loại vào chân không khi ta

đặt vào đó một điện trường mạnh. SWCNTs có đường kính nhỏ và hệ số co lớn nên

có khả năng phát xạ điện tử cao. Cấu trúc dạng típ bền về mặt cơ học, ổn định nhiệt,

độ dẫn điện tốt nên 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). Tính chất này có thể ứng dụng để

chế tạo các nguồn phát xạ điện tử, màn hình hiển thị.

Hình 1.14. Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường [35]

Tóm lại, cả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng ống nano cacbon có cấu trúc

và tính chất ưu việt. Kích thước nhỏ, kết hợp với những tính chất vật lý, hóa học ưu

việt, có thể đem lại những ứng dụng tiềm năng to lớn mà ít có một vật liệu nào có

thể so sánh được. SWCNTs có thể là kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vào vector

21

chiral. SWCNTs bán dẫn có thể được dùng để chế tạo transitor, thiết bị nhớ logic,

và thiết bị quang học. SWCNTs nano điện tử có thể sử dụng cho các cảm biến hóa

học và sinh học, các thiết bị quang điện, tích trữ năng lượng, và phát xạ trường.

MWCNTs có tính chất kim loại hoặc bán kim loại phụ thuộc vào cấu trúc của ống,

vì vậy MWCNTs có nhiều ứng dụng khác nhau như làm điện cực nano, phát xạ

trường và tích trữ năng lượng.

1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon

Nhờ các tính chất đặc biệt như có cấu trúc độc đáo, khả năng dẫn điện, dẫn

nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao mà CNTs đã được sử dụng trong một dải rộng các

ứng dụng. 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. Ngoài ra, CNTs đơn

tường có thể được dùng để chế tạo các sensor có độ chính xác trong cả hóa học lẫn

sinh học và sử dụng để chế tạo các sensor điện cơ để đo độ biến dạng của vật liệu

hay thiết bị…

Ống nano cacbon còn được sử dụng để làm điện cực trong các siêu tụ điện hóa.

Bởi vì chúng có diện tích bề mặt lớn nên có thể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn

pin, ắc quy thông thường. Khả năng dẫn điện cao và tính trơ của ống nano, khiến

CNTs có thể đóng vai trò là điện cực trong các phản ứng điện hóa. Ngoài ra, với

những đặc tính cơ học hiếm có và khối lượng riêng thấp của CNTs khiến chúng trở

22

thành một vật liệu tiềm năng trong tổng hợp polyme. CNTs có thể làm tăng độ bền

và độ cứng của polyme, đồng thời làm tăng khả năng dẫn điện của polyme.

1.1.5 Các phƣơng pháp chế tạo ống nano cacbon

Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang

điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất nhiều phương pháp tổng hợp

vật liệu CNTs. Nhưng ba phương pháp phổ biến được nhiều phòng nghiên cứu sử

dụng là: hồ quang điện, bắn phá bằng laser và phương pháp lắng đọng hóa học từ

pha hơi (phương pháp CVD nhiệt). Mỗi phương pháp đều có đặc điểm riêng,

nguyên lý của thiết bị và cách thức để tiến hành chế tạo SWCNTs cũng có sự khác

nhau.

Phƣơng pháp phóng điện hồ quang

Ban đầu phương pháp này được dùng để chế tạo fullerene C60, kể từ sau khi

khám phá ra CNTs thì phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo

CNTs.

Sự phóng điện hồ quang được thực hiện giữa hai điện cực đặt đối diện và cách

nhau một khoảng 1 mm trong một buồng kín có chứa khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất

trong khoảng 50 mbar – 700 mbar. Giữa hai điện cực có dòng điện một chiều 50 A

– 100 A và hiệu điện thế trong khoảng 20 V – 25 V, nhiệt độ trong buồng lên tới

3000 K – 4000 K. Khi phóng điện, khí giữa hai điện cực than bị ion hoá trở thành

dẫn điện. Đó là plasma, vì vậy phương pháp này còn gọi là hồ quang plasma. Hiệu

suất tổng hợp CNTs phụ thuộc vào độ ổn định của môi trường plasma giữa hai điện

cực, mật độ dòng, áp suất khí trơ, cấu hình của điện cực, buồng chân không và một

vài yếu tố khác. Trong tất cả các loại khí trơ, heli cho kết quả tạo CNTs tốt nhất vì

đây là chất có khả năng ion hóa cao.

Trong điều kiện chế tạo MWCNTs tối ưu thì quá trình bay hơi cacbon sinh ra

một lượng nhỏ muội than cacbon vô định hình và 70% cacbon bốc hơi từ anốt

graphite sạch và lắng đọng lên trên bề mặt của thanh graphite catốt. Điều kiện tổng

23

hợp tối ưu là sử dụng điện thế một chiều với thế 20 V - 25 V và dòng 50 A - 100 A

D.C và áp suất heli ở 500 Torr. Phóng điện hồ quang là một phương pháp đơn giản

cho CNTs chất lượng cao và cấu trúc hoàn hảo.

Hình 1.15. Sơ đồ thiết bị hồ quang điện [30]

Tuy nhiên, phóng hồ quang thông thường là một quá trình không liên tục và

không ổn định nên phương pháp này không thể tạo ra một lượng lớn CNTs. CNTs

được tạo ra bám trên bề mặt catốt và được sắp xếp không theo một quy tắc nào, vì

dòng chuyển động và điện trường là không thuần nhất. Các kết quả nghiên cứu cho

thấy, do mật độ hơi cacbon và nhiệt độ không đồng nhất nên hạt nano cacbon và các

tạp bẩn luôn tồn tại cùng với ống nano. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã tạo ra

những hệ hồ quang mới với nhiều ưu thế mới và có hiệu quả cao. Lee đã phát triển

hệ phóng điện hồ quang truyền thống thành phương pháp hồ quang plasma quay để

chế tạo CNTs khối lượng lớn. Phương pháp hồ quang với plasma quay dùng tổng

hợp CNTs được thể hiện trên hình 1.16. Lực ly tâm gây ra bởi sự quay để tạo ra

hiện tượng xoáy và gia tốc quá trình bay hơi của nguyên tử cacbon theo phương

thẳng đứng với điện cực anốt. Hơn nữa, quá trình quay làm cho sự phóng điện vi cơ

đồng đều và tạo ra plasma ổn định. Bởi vậy đã làm tăng thể tích plasma và tăng

nhiệt độ plasma. Với tốc độ quay là 5000 vòng/phút (rpm) tại nhiệt độ 10250C, hiệu

24

suất tạo CNTs là 60 %. Hiệu suất có thể đạt tới 90 % nếu tốc độ quay tăng lớn và

nhiệt độ lớn đạt tới 11500C.

Trong phương pháp hồ quang điện, để tạo MWCNTs thì không cần sự có mặt

của xúc tác. Tuy nhiên, để tạo SWCNTs thì người ta lại cần sử dụng các chất xúc

tác, đặc biệt là các xúc tác kim loại chuyển tiếp. Một số tác giả đã chế tạo SWCNTs

bằng cách phóng điện hồ quang bằng điện cực Fe - graphite trong môi trường khí

argon. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã tạo ra một hố nhỏ trên thanh

graphite anốt, hố này được lấp đầy bởi một hỗn hợp bột kim loại và bột graphite còn

catốt là thanh graphite sạch. Các chất xúc tác thường được sử dụng để chế tạo

SWCNTs bao gồm một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và một số kim loại

đất hiếm như Y. Trái lại, hỗn hợp của những chất xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni

lại thường được sử dụng để chế tạo ra bó SWCNTs.

Hình 1.16. Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay [30]

Tóm lại, trong phương pháp phóng điện hồ quang, với hai điện cực là graphite

tinh khiết (hoặc có thể bổ sung thêm một vài chất xúc tác), các nguyên tử cacbon từ

anốt chạy đến catốt tạo ra các ống nano cacbon và muội fullerenes cùng nhiều sản

phẩm phụ khác. Đây là phương pháp đơn giản, phổ biến trong chế tạo CNTs và

fullerenes. Sản phẩm tạo ra có cấu trúc hoàn hảo, nhưng không thể điều khiển được

đường kính cũng như chiều dài của CNTs.

Phƣơng pháp bốc bay laser

Phương pháp bốc bay bằng laser là một phương pháp có hiệu quả cao cho quá

trình tổng hợp bó SWCNTs với vùng phân bố hẹp. Trong phương pháp này, một

25

miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dưới áp suất cao trong môi

trường khí trơ. MWCNTs được tạo ra trên bia graphite sạch. Chất lượng và hiệu

suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lượng sản phẩm

tốt nhất ở nhiệt độ 1200oC. Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lượng cấu trúc giảm và

CNTs bắt đầu xuất hiện những sai hỏng. Trong phương pháp bốc bay bằng chùm

laser, năng lượng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite được đặt ở trong lò

đốt bằng điện ở nhiệt độ khoảng 1200oC. Luồng khí Ar (áp suất ~ 500 Torr) thổi hơi

cacbon từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng được làm lạnh bằng

nước như được thể hiện trên hình 1.17. Nếu dùng bia graphite tinh khiết ta sẽ thu

được MWCNTs. Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối

lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu được SWCNTs. Trong sản phẩm còn có các dây

nano tạo bởi các SWCNTs với đường kính từ 10 nm đến 20 nm và dài trên 100 m.

Giá trị trung bình của đường kính ống và mật độ phân bố đường kính ống tuỳ

thuộc vào nhiệt độ tổng hợp và thành phần xúc tác. Để tạo SWCNTs, người ta còn

dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự do (FEL) hoặc phương pháp

xung laser liên tục.

Phương pháp này có ưu điểm là sản phẩm thu được có độ sạch cao (trên 90%)

so với phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên, đây chưa phải là phương pháp có lợi

ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lượng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó nguồn laser

yêu cầu công suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao...

Hình 1.17. Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser

26

Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học

Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp chế tạo

CNTs phổ biến nhất. CVD có rất nhiều điểm khác so với phương pháp phóng điện

hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser. Phóng điện hồ quang và bốc bay

bằng laser là hai phương pháp thuộc nhóm nhiệt độ cao (>3000K, thời gian phản

ứng ngắn (µs - ms), còn phương pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700 - 1473K)

và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho đến hàng giờ. Mặt hạn chế chính của

phương pháp phóng điện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser là: sản phẩm

CNTs được tạo ra không đồng đều, sắp xếp hỗn độn, không theo một quy tắc cho

trước hoặc định hướng trên bề mặt. Hiện nay, có nhiều phương pháp CVD sử dụng

các nguồn năng lượng khác nhau để tổng hợp CNTs, ví dụ như: phương pháp CVD

nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol,

phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v…

Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một ống thạch anh được bao quanh bởi một lò

nhiệt (hình 1.18). Bản chất và hiệu suất tổng hợp của tiền chất trong các phản ứng

bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất tự nhiên của xúc tác kim

loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn hydrocacbon, tốc độ khí, nhiệt độ

phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường được

dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocacbon thường dùng là axetylene

(C2H2) hoặc ethylene (C2H4) và các hạt nano Fe, Ni, Co như là các chất xúc tác.

Nhiệt độ mọc CNTs thông thường nằm trong dải nhiệt độ 500 - 900oC. Ở dải nhiệt

độ này các hydrocacbon phân tách thành cacbon và hydro. Cacbon lắng đọng trên

các hạt nano kim loại và khuếch tán vào trong các hạt nano này. Khi lượng cacbon

đạt đến giá trị bão hoà thì bắt đầu quá trình mọc CNTs. Đường kính của CNTs phụ

thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác kim loại. Với hạt kim loại xúc tác có kích

thước là 13 nm thì đường kính của ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm. Khi kích

thước của hạt xúc tác là 27 nm thì đường kính của ống CNTs dao động từ 100 - 200

nm. [30]

27

Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [30]

Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện như:

nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn sử dụng

thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3, v.v…Có thể tạo lượng lớn

ống nano cacbon bằng cách cho acetylene ngưng đọng trên zêolit có xúc tác là Co

và Fe. Vì zêolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân tử dễ dàng lọt vào các lỗ

trống đó nên khi cho acetylene ngưng tụ trên Co/Zêolit, ta có được ống nano cacbon

nhiều vách nhưng đồng thời cũng có fullerenes và ống nano cacbon đơn vách.

Hình 1.19. Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu.

28

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… Nói cách khác, chất lỏng nano là hệ thống hai pha bao gồm

một pha rắn nằm trong một pha lỏng. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy chất lỏng

nano có nhiều tính chất tăng cường so với các chất lỏng cơ sở, như tính dẫn nhiệt,

dẫn điện, độ nhớt, và hệ số truyền nhiệt đối lưu. Các kết quả nghiên cứu gần đây

cũng đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nano trong

nhiều lĩnh vực khác nhau. [44]

1.2.2 Các phƣơng pháp chế tạo

Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp chính,

bao gồm: phương pháp hai bước (Two - Step Method) và phương pháp một bước

(One - Step Method). [44]

Phƣơng pháp hai bƣớc

Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho việc

chế tạo chất lỏng nano. Trước hết, ở bước thứ nhất, các vật liệu nano (hạt nano, sợi

nano, ống nano, hay vật liệu nano khác) được được sản xuất ở dạng bột khô bằng

phương pháp hóa học hay vật lý. Sau đó, ở bước thứ hai, bột nano sẽ được phân tán

vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ trợ của các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu

âm, máy khuấy từ, v.v... Phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế nhất để sản

xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, bởi vì kỹ thuật tổng hợp các hạt nano đã được

mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, chất lỏng nano được chế tạo

bằng phương pháp này không đạt được tính ổn định cao do tỷ số diện tích bề mặt

lớn, các hạt nano có xu hướng tụ đám lại với nhau. Vì vậy, kỹ thuật quan trọng để

tăng cường sự ổn định của các hạt nano trong chất lỏng là việc sử dụng các chất

29

hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, chức năng của các bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một

vấn đề đáng chú ý trong việc nâng cao độ phân tán của vật liệu nano trong chất lỏng

… [44]

Với những nhược điểm nhất định của phương pháp hai bước trong việc phân

tán hạt nano trong chất lỏng, một kỹ thuật mới được phát triển để chế tạo chất lỏng

nano đó là phương pháp một bước.

Phƣơng pháp một bƣớc

Phương pháp một bước (One - step) là phương pháp tổng hợp trực tiếp CNTs

trong chất lỏng bằng cách áp dụng các phương pháp hóa học hay vật lý. Phương

pháp này bao gồm đồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán các hạt nano

trong chất lỏng. Phương pháp One - step có thể chế tạo các hạt nano phân tán đồng

đều hơn, và sự ổn định của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn.

Để giảm sự tích tụ của các hạt nano trong quá trình bảo quản, Nhóm nghiên

cứu Choi đã phát triển phương pháp One - step dựa trên việc ngưng tụ hơi vật lý

trong chất lỏng để tạo thành chất lỏng nano Cu/Ethylene Glycol [25]. Phương pháp

này bỏ qua được các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt

nano, do đó sự tích tụ của các hạt nano được giảm thiểu, và sự ổn định của chất lỏng

được tăng lên [49]. Hệ thống chế tạo hạt nano bằng phương pháp hồ quang trong

chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System - SANSS) là một lựa

chọn hiệu quả để chế tạo chất lỏng nano với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau

[10,11]. Các hình dạng khác nhau của vật liệu nano hình thành bởi phương pháp

này chủ yếu bị ảnh hưởng và quyết định bởi tính dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng

cơ sở. Các hạt nano chế tạo được có các hình dạng bao gồm hình đa giác, hình

vuông, và hình tròn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết

hợp, tập hợp hay tụ đám của các hạt nano.

Tuy nhiên, phương pháp vật lý không thể tổng hợp được chất lỏng nano ở quy

mô lớn, và giá thành dựa trên phương pháp này cũng cao, chính vì thế mà các

30

phương pháp hóa học đã nhanh chóng được phát triển. Nhóm nghiên cứu Zhu đã

đưa ra một phương pháp hóa học để chế tạo chất lỏng nano Cu bằng cách phản ứng

CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới tác dụng của lò vi sóng

[18]. Kết quả thu được chất lỏng nano với sự phân tán tốt và ổn định của hạt nano

Cu trong ethylene glycol.

Chất lỏng nano trên cơ sở dầu có chứa các hạt nano bạc với sự phân bố hẹp

của kích thước các hạt nano cũng đã được chế tạo bằng phương pháp này [19]. Chất

lỏng nano trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn định cao cũng được

nhóm A. K. Singh chế tạo bằng phương pháp hóa học một bước với sự hỗ trợ của

sóng siêu âm, trong đó polyvinylpyrrolidone (PVP) được sử dụng như là chất hoạt

động bề mặt tạo sự ổn định của bạc và giảm sự tụ đám cho bạc trong dung dịch. [7]

Mặc dù, phương pháp One - step mang lại sự phân tán tốt hơn và đạt được tính

ổn định của chất lỏng nano nhưng không phổ biến vì phương pháp vật lý không thể

thực hiện trên quy mô lớn và chi phí cao, phương pháp hóa học có thể còn tồn tại

các tạp chất do các phản ứng hóa học còn tồn tại trong nanofluids được tạo ra gây

khó khăn cho việc xác định vai trò cuả các hạt nano trong nanofluids.

1.2.3 CNTs - Nanofluids

Chế tạo CNTs - nanofluids

Như ta đã biết, hiện nay có hai phương pháp chính để chế tạo nanofluids là

phương pháp One - step và phương pháp Two - step. 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. Đối với CNTs - nanofluids, cho đến nay phương pháp One

- step vẫn chưa khả thi và phương pháp Two - step được sử dụng ở tất cả các nghiên

cứu được biết đến. [20]

Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo CNTs - nanofluids là tránh được sự tụ

đám và tạo độ ổn định lâu dài trong chất lỏng. Các ống nano cacbon chưa biến tính,

31

dưới sự tác động của lực Van - der - Waals, cũng như do tỷ số diện tích bề mặt lớn

dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng xuống đáy ngay sau khi phân tán trong các

chất lỏng, ngay cả việc sử dụng phương pháp rung siêu âm trong thời gian dài cũng

không đạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu

Xie đã chứng tỏ rằng hầu hết các ống nano cacbon chưa biến tính khi phân tán trong

nước với nồng độ 0,175% đều bị lắng đọng chỉ 5 phút sau khi chế tạo [48]. Nhiều

nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng các chất hoạt động

bề mặt, và rung siêu âm sẽ đặt được sự ổn định mong muốn trong việc chế tạo

CNTs - nanofluids. Các chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng trong CNTs -

nanofluids bao gồm: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP),

Gum Arabic (GA), Cety Trimethyl Ammonium Bromide (CTAB), và Sodium

Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS).

Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids

Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự đã chế tạo CNTs - nanofluids trên nền

nước cất bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS).

SDS là một chất hoạt động bề mặt cation có chứa một đầu ưa Sulfate và một phân

đoạn hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại một

lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs kết

hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này được

giải thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các bề mặt tích điện âm

tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs. [26]

32

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. Bảng 2 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt,

kết quả cho thấy 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.

Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt

STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m K)

1 Ống nano cacbon 2000

2 Acetic acid 0,193

3 Acetone 0,180

4 Alcohol, ethyl (ethanol) 0,171

5 Alcohol, methyl (methanol) 0,202

6 Alcohol, propyl 0,161

7 Ammonia, saturated 0,507

8 Aniline 0,172

9 Benzene 0,167

10 n-Butyl alcohol 0,167

11 Carbon Disulfide 0,161

12 Carbon Tetrachloride 0,104

13 Castor Oil 0,180

14 Chloroform 0,129

15 Decane 0,147

33

16 Dodecane 0,140

17 Engine Oil, unused 0,145

18 Ether 0,130

19 Ethyl acetate 0,137

20 Ethylene Glycol 0,258

21 Freon refrigerant R - 11 0,093

22 Freon refrigerant R - 12 0,071

23 Glycerine 0,285

24 n-Heptane 0,140

25 Hexane 0,124

26 Isobutyl alcohol 0,134

27 Kerosene 0,145

28 Methyl alcohol 0,212

29 n-Octane 0,147

30 n-Pentane 0,136

31 Phenol 0,190

32 Propylene glycol 0,147

33 Transformer oil 0,110

34 Toluene 0,151

35 Turpentine 0,128

36 Water, Fresh 0,609

34

Để khảo sát tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids, nhóm nghiên cứu Choi đã

khảo sát độ dẫn nhiệt của dầu poly (α - olefin) chứa thành phần SWCNTs. Kết quả

thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lượng của

SWCNTs tăng. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên đến 160% khi tỷ lệ thể tích của

SWCNTs được thêm vào là 1,75%. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen đã khảo sát độ

dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích

của CNTs phân tán trong chất lỏng, hình 1.21 là kết quả đồ thị thu được cho thấy

việc đưa CNTs vào chất lỏng tản nhiệt có thể nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng

EG từ 10 – 15 % [29]. Với những ưu việt về tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids,

nhóm nhà khoa học Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học

Công nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đưa CNTs vào chất lỏng Ethylene Glycol với

nồng độ từ 0,12 - 0,4% về thể tích để ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho

ôtô [3 - 8].

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 lỏng [29]

35

1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano

Tản nhiệt cho linh kiện điện tử

Do mật độ ngày càng cao hơn của chíp, đồng thời linh kiện điện tử ngày càng

được thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện điện tử đã trở thành bài toán cho

các nhà khoa học và công nghệ. Thiết bị điện tử tiên tiến ngày nay phải đối mặt với

những thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhưng lại giảm diện tích bề mặt

tiếp xúc trong khi vẫn phải đảm bảo được nhiệt độ hoạt động ổn định. Vì vậy, hệ

thống tản nhiệt đáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt động ổn định cũng như kéo

dài tuổi thọ của các thiết bị điện tử tiên tiến. Hiện nay, có hai hướng chính để cải

thiện việc tản nhiệt cho các thiết bị điện tử đó là: tìm một mô hình tối ưu của hệ

thống tản nhiệt, thứ hai là nâng cao khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu trong hệ

thống làm mát. Như đã biết, nanofluids có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các chất

lỏng cơ sở, các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng nanofluids có thể làm tăng

hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào việc sử dụng thêm các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao

trong chất lỏng.

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tính

trở nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong

những giải pháp đã được nghiên cứu là sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa nanofluids.

Nhóm nghiên cứu Tsaia đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của nanofluids chứa hạt nano

vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [12]. Các kết quả

đo cho thấy nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay đổi theo kích thước của các hạt nano

vàng. Trong quá trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nano còn có tác dụng bắn phá

các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng, ngăn cản sự tăng lên của nhiệt trở

chất lỏng, qua đó giữ nguyên được hiệu quả truyền nhiệt trong suốt quá trình hoạt

động.

Nhóm nghiên cứu Chen đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt

phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng nanofluids bạc [49]. Kết quả nghiên cứu cho

thấy sự khác biệt về nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng

36

nanofluids bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết. Điều này được giải thích

thông qua việc tăng cường thông lượng nhiệt truyền qua chất lỏng.

Một số nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ống dẫn nhiệt chỉ ra rằng nanofluids

chứa bạc hoặc hạt nano titan có thể được sử dụng như một chất lỏng làm mát hiệu

quả cho các thiết bị có mật độ năng lượng cao. Đối với nanofluids bạc, sự khác biệt

nhiệt độ giảm 0,56oC - 0,65

oC so với việc sử dụng nước cất khi công suất linh kiện

là 30 W - 50 W [39]. Đối với các ống dẫn nhiệt dùng nanofluids titan ở nồng độ

0,10% thể tích, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông

thường [36]. Những kết quả đạt được ở trên đã thúc đẩy những nghiên cứu và phát

triển tiếp theo của nanofluids cho các ứng dụng cho linh kiện điện tử công suất lớn.

Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của Nanofluids trong tản nhiệt cho

linh kiện điện tử.

Hình 1.21 là ảnh đèn LED công suất 100 W của công ty SWITCH, nó có độ

rọi sáng khoảng 1.700 lume, tương đương với công suất chiếu sáng của bóng đèn

Halogen. Bằng cách sử dụng nanofluids khả năng tản nhiệt của LED tốt hơn 40% so

với phương pháp tản nhiệt bằng không khí.

Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt

Hình 1.22 là modul đèn LED sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng

do công ty COOLED chế tạo, modul bao gồm 400 chíp LED trên diện tích 16 cm2

với công suất tổng cộng của modul là 1,2 kW. Điều này cho thấy công suất của đèn

37

LED sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng có thể tăng lên rất lớn so với phương

pháp tản nhiệt dựa trên sự đối lưu của không khí.

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.

Hiện nay, nhiều hệ thống máy tính lớn, máy server sử dụng phương pháp tản

nhiệt chất lỏng, chẳng hạn trên hình 1.23 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong

siêu máy tính cũng hãng IBM, hình 1.24 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong

máy chủ của Google.

Hình 1.24. Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt.

38

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

Tản nhiệt cho động cơ

Nanofluids có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho động cơ ôtô

và các động cơ khác bằng cách tăng hiệu quả, giảm khối lượng và giảm sự phức tạp

của hệ thống tản nhiệt. Với hiệu quả tản nhiệt được cải thiện, người ta có thể tản

nhiệt cho các động cơ ôtô và xe tải với mã lực cao hơn trong khi hệ thống tản nhiệt

có kích thước không thay đổi. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống làm mát nhỏ gọn

hơn, nhẹ hơn sẽ mang lại nhiều lợi ích trong lợi ích kinh tế và sản xuất công nghiệp.

Nanofluids trên nền ethylene glycol đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong các

ứng dụng làm mát động cơ [21 - 46] do nó hoạt động ở áp suất thấp hơn và hiệu quả

cao hơn so với một hỗn hợp 50 : 50 của ethylene glycol và nước cất (tỷ lệ phổ biến

của nước làm mát động cơ ôtô được sử hiện nay). Nanofluids có nhiệt độ sôi cao

hơn so với chất lỏng nền, do vậy được sử dụng để làm tăng nhiệt độ hoạt động của

chất lỏng làm mát đồng thời giảm nhiệt trở cho hệ thống làm mát [47].

Nhóm nghiên cứu Kole đã sử dụng Al2O3 - nanofluids để làm mát động cơ xe

hơi với chất lỏng cơ sở là một chất làm mát động cơ xe tiêu chuẩn (HP

KOOLGARD) [32] và nghiên cứu tính dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt

độ phòng. Các nanofluids chế tạo được chứa 3,5% thể tích là hạt nano Al2O3, nhưng

độ dẫn nhiệt tăng lên đáng kể và đạt giá trị tối đa là 10,41% ở nhiệt độ phòng.

39

Nhóm nghiên cứu Tzeng [42] đã ứng dụng nanofluids để làm mát cho hộp số tự

động. Nanofluids được chế tạo bằng cách phân tán các hạt nano CuO và Al2O3 vào

dầu động cơ. Kết quả cho thấy CuO - nanofluilds cho độ chênh lệch về nhiệt độ

thấp hơn khi hoạt động ở cả hai chế độ: tốc độ cao và tốc độ thấp của động cơ. Từ

quan điểm hiệu suất truyền nhiệt, việc sử dụng nanofluids trong việc tản nhiệt cho

động cơ mang lại nhiều lợi thế một cách rõ ràng.

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne đã đánh giá hiệu

quả các ứng dụng của nanofluids cho ngành giao thông vận tải. Việc sử dụng

nanofluids có độ dẫn nhiệt cao hơn trong bộ tản nhiệt có thể dẫn đến việc giảm diện

tích mặt trước của bộ tản nhiệt lên đến 10%, đồng thời có thể tiết kiệm nhiên liệu

lên đến 5% do sự giảm kéo khí động học. Nó mở ra cánh cửa cho các thiết kế khí

động học ôtô của thế hệ mới giảm lượng khí thải bằng cách giảm lực cản. Việc áp

dụng các chất lỏng nano cũng góp phần làm giảm ma sát và mài mòn, giảm tổn thất

ký sinh, điều này giúp hoạt động của các thành phần như máy bơm và máy nén khí

tiết kiệm hơn 6% nhiên liệu. Trong thực tế, chất lỏng nano không chỉ nâng cao hiệu

quả tản nhiệt và hiệu quả kinh tế của động cơ xe hơi, mà còn có ảnh hưởng đến thiết

kế cấu trúc của ôtô. Ví dụ, bộ tản nhiệt động cơ làm mát bằng chất lỏng nano sẽ nhỏ

hơn và nhẹ hơn, nó có thể được đặt ở những nơi khác nhau trong xe. Bằng cách

giảm kích thước và thay đổi vị trí của bộ tản nhiệt, giảm trọng lượng và sức đề

kháng gió có thể cho phép tiết kiệm nhiên liệu và lượng khí thải thấp hơn sau đó.

Mô phỏng máy tính của cơ quan năng lượng Mỹ từ các bộ phận của công nghệ xe

cho thấy chất lỏng nano có thể làm giảm kích thước của bộ tản nhiệt xe tải 5%.

Điều này sẽ dẫn đến một sự tiết kiệm nhiên liệu 2,5% ở tốc độ đường cao tốc. [16]

Tản nhiệt trong công nghiệp

Việc áp dụng các chất lỏng nano để tản nhiệt công nghiệp sẽ giúp tiết kiệm

năng lượng và giảm lượng khí thải. Dự đoán đối với ngành công nghiệp Mỹ, việc

thay nước làm mát và sưởi ấm bằng chất lỏng nano có tiềm năng tiết kiệm 1 nghìn

tỷ Btu năng lượng. [28,27]

40

Mặt khác, đối với ngành công nghiệp điện lực của Hoa Kỳ, việc sử dụng chất

lỏng nano trong chu kỳ làm mát khép kín dự đoán có thể tiết kiệm được khoảng

10.000 - 30.000 tỷ Btu mỗi năm (tương đương với mức tiêu thụ năng lượng hàng

năm của khoảng 50.000 – 150.000 hộ gia đình). Việc cắt giảm lượng khí thải liên

quan là khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn Oxit Nitơ, và 21.000 tấn SO2. [22]

Sƣởi ấm và giảm ô nhiễm

Chất lỏng nano có thể được áp dụng trong xây dựng hệ thống sưởi ấm. Nhóm

nghiên cứu Kulkarni đã đánh giá việc thực hiện công trình sưởi ấm ở các vùng lạnh

sử dụng chất lỏng nano. Ở các vùng lạnh, người ta sử dụng ethylene glycol hoặc

propylene glycol pha với nước theo tỷ lệ khác nhau như một chất lỏng truyền nhiệt.

Thông thường chất lỏng cơ sở được sử dụng là ethylene glycol pha với nước theo tỷ

lệ 60 : 40 về trọng lượng. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng chất lỏng nano trong

bộ trao đổi nhiệt có thể làm giảm tỷ lệ lưu lượng thể tích và khối lượng, điều này

giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng bơm. Chất lỏng nano giúp hệ thống sưởi ấm nhỏ

hơn nhưng tương đương với hệ thống sưởi ấm lớn hơn mà lại ít tốn kém. Điều này

làm giảm chi phí thiết kế ban đầu không bao gồm chi phí chất lỏng nano. Điều này

cũng sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường, vì các bộ phận truyền nhiệt nhỏ hơn với ít

chất lỏng hơn sẽ giúp giảm vật liệu phế thải vào cuối vòng đời của nó. [17]

Làm mát hệ thống hạt nhân

Viện Công nghệ Massachusetts đã thành lập một trung tâm đa ngành về công

nghệ chất lỏng nano cho ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân. Các nhà nghiên

cứu đang khám phá các ứng dụng hạt nhân của chất lỏng nano, đặc biệt là cho ba bộ

phận:

(1) Chất lỏng làm mát lò phản ứng chính cho loại lò phản ứng nước áp lực

(Pressurized Water Reactors - PWR), nó cho phép nâng cao công suất đáng kể cho

các PWR hiện tại và tương lai, do đó nâng cao hiệu quả kinh tế. Cụ thể, việc sử

dụng chất lỏng nano với thông lượng nhiệt nâng cao hơn 32% cho phép tăng 20%

41

công suất trong các nhà máy hiện tại mà không thay đổi thiết kế, lắp ráp và nhiên

liệu.

(2) Chất lỏng cho hệ thống làm mát lõi khẩn cấp (Emergency Core Cooling

Systems - ECCSs) của cả hai loại lò PWR và lò phản ứng nước sôi (Boiling Water

Reactors - BWR).

(3) Chất lỏng tản nhiệt trong mạch của lõi nóng chảy nhằm đảm bảo an toàn

trong trường hợp xảy ra tai nạn nghiêm trọng ở các lò phản ứng.

Lĩnh vực không gian và quốc phòng

Do sự hạn chế về không gian, năng lượng, và cân nặng trong trạm không gian

và máy bay nên việc chế tạo hệ thống làm mát hiệu quả cao với kích thước nhỏ hơn

đã trở thành một vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu sâu hơn về chất lỏng nano sẽ dẫn đến

sự phát triển của thế hệ tiếp theo của các thiết bị có sự kết hợp chất lỏng nano với hệ

thống điện tử, mở ra khả năng tăng tốc độ của chip trong linh kiện điện tử hoặc đơn

giản hóa yêu cầu làm mát cho các ứng dụng không gian. Một số thiết bị quân sự và

hệ thống đòi hỏi thông lượng nhiệt cao làm mát với mức độ hàng chục MW/m2. Ở

cấp độ này, làm mát các thiết bị quân sự và hệ thống là rất quan trọng cho các hoạt

động đáng tin cậy. Chất lỏng nano với dòng nhiệt cao quan trọng có tiềm năng để

cung cấp các yêu cầu làm mát trong các ứng dụng cũng như trong các hệ thống

quân sự khác, bao gồm cả xe quân sự, tàu ngầm, rađa, và laser công suất cao. Vì

vậy, chất lỏng nano có ứng dụng rộng rãi trong không gian và quốc phòng các lĩnh

vực, trong đó mật độ năng lượng cao trong khi hệ thống tản nhiệt nhỏ hơn và trọng

lượng ít hơn.

42

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Phƣơng án thực nghiệm

Phương án thực nghiệm dùng để nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong

chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn được lựa chọn như sau:

- 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

Ống nano cacbon (CNTs) được sử dụng trong nghiên cứu là loại đa tường,

được chế tạo tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam) bằng phương pháp CVD nhiệt, với đường kính của CNTs từ 15 – 80 nm,

và chiều dài CNTs từ 1 – 10 μm.

Tween 80

Tween 80 là chất hoạt động bề mặt có màu vàng nhạt, không độc hại. Tween

80 giúp làm giảm sức căng bề mặt của dung môi chứa nó, được sử dụng trong quá

trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.

Chất lỏng nền: H2O, Ethylene glycol.

43

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

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

Để phân tán CNTs trong chất lỏng, trước tiên chúng tôi thực hiện biến tính gắn

nhóm chức – OH lên bề mặt vật liệu CNTs theo quy trình được mô tả trên hình 2.1.

Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức – OH lên vật liệu CNTs

Trong quy trình biến tính gắn nhóm chức – OH, 1 gam CNTs được đưa vào

bình cầu chứa 100 ml hỗn hợp axít HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ về số mol là 1 : 3. Hỗn

hợp trên được khuấy trộn đều bằng máy khuấy từ, duy trì nhiệt độ ở 80oC trong 4

giờ, sau đó toàn bộ hỗn hợp tiếp tục được rung siêu âm trong 4 giờ. Tiếp theo, sản

phẩm huyền phù thu được sau phản ứng sẽ được lọc rửa bằng máy lọc hút chân

không để loại bỏ thành phần axít dư. Để đảm bảo lượng axít dư đã được loại bỏ

hoàn toàn bằng quá trình lọc rửa chúng tôi tiến hành xác định độ pH của dịch lọc

bằng giấy chỉ thị pH, khi giấy chỉ thị không đổi màu thì chứng tỏ CNTs biến tính đã

sạch, không còn axít dư. CNTs biến tính được sấy khô ở 80oC trong 24 giờ để thu

được sản phẩm biến tính CNTs - COOH. Sau đó vật liệu CNTs - COOH được ngâm

trong dung dịch SOCl2 kết hợp với xử lý rung siêu âm trong 24 h tại nhiệt độ 24oC

để thu được CNTs - COCl. Cuối cùng, vật liệu CNTs - COCl được lọc rửa bằng

H2O2 để thu được vật liệu CNTs biến tính gắn nhóm chức - OH.

0,1 mol HNO3

0,3 mol H2SO4

Dung dịch A Rung siêu âm

CNTs -COOH

ướt CNTs-COOH

khô

Sấy khô CNTs-COCl

CNTs-OH

Ngâm trong

SOCl2

Lọc rửa với H2O2

Lọc với

nước cất

Máy lọc hút

chân không

Khuấy đều CNTs

44

2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt

Để phân tán CNTs trong chất lỏng, chúng tôi sử dụng quy trình phân tán được

mô tả như trên hình 2.2.

Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng

Trong quy trình này, vật liệu CNTs được biến tính gắn nhóm chức – OH, sau

đó CNTs - OH được phân tán đồng đều vào hỗn hợp ethylene glycol/nước cất

(EG/DW) bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Tween - 80 và phương pháp

rung siêu âm.

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

Máy vi tính được sử dụng trong nghiên cứu này có cấu hình như sau:

- CPU: Intel Core i5 – 3570K (6M Cache, 3.4 GHz).

- Bộ nhớ trong Corsair’s 4 GB DDR3 SODIMM.

- Ổ cứng Toshiba’s 1 TB.

- OS: Microsoft Windows 7 Ultimate Service Pack 1.

- Bo mạch chính Asrock H61M - VS3.

- 4 Sensor tích hợp trong CPU đang dùng là loại TDiode (Thermal

Diode) với sai số ± 0.5 oC. Sự thay đổi nhiệt độ của CPU được các

CNTs CNTs biến tính

nhóm chức -OH

Phƣơng pháp

rung siêu âm Chất lỏng chứa

thành phần CNTs

Chất hoạt động

bề mặt Tween

Chất lỏng

(EG/DW)

45

sensor này nhận biết và thông qua một mạch biến đổi ADC chuyển

thành tín hiệu số.

Phần mềm Core Temp 1.0 RC5 - 32bit

Core Temp là phần mềm dùng để theo dõi nhiệt độ của CPU. Phần mềm này

có khả năng hiển thị nhiệt độ của từng lõi (Core) trong mỗi CPU và điều đặc biệt là

nó hoàn toàn độc lập với bo mạch chủ (motherboard).

Hình 2.3. Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5

Phần mềm Prime95

Hình 2.4. Giao diện phần mềm Prime95

46

Prime95 là phần mềm cho phép chúng ta kiểm tra khả năng hoạt động của

CPU, nhất là trong quá trình overclook. Nó sẽ giao cho CPU của bạn một công việc

để bắt CPU hoạt động 100% công suất và từ đó kiểm tra các lõi.

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

Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính

Trong hệ thống này, đế tản nhiệt làm từ vật liệu đồng được tiếp xúc trực tiếp

với vi xử lý máy tính, bên trong đế đồng có các rãnh dẫn chất lỏng với hình zigzag

cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt lượng tỏa ra từ CPU. Phía trên của đế

đồng là một bơm mini với công suất vào khoảng 1,8 W. Kích thước và công suất

của hai quạt tản nhiệt lần lượt là 120 x 120 x 38 mm3 và 3,6 W. Giàn tỏa nhiệt được

làm từ vật liệu nhôm với các vây tản nhiệt nhỏ xung quanh, kích thước giàn tỏa

nhiệt là 150 x 120 x 25 mm3.

Nhiệt độ phòng được giữ ổn định ở 20oC trong các thí nghiệm bằng cách sử

dụng một điều hòa nhiệt độ.

Khởi động máy tính.

Bật phần mềm đo nhiệt độ của CPU (Core Temp 1.0 RC5 - 32 bit).

Bật chương trình chạy full load (Prime95) để CPU hoạt động 100% công suất.

Nhiệt độ của CPU được đo trực tiếp bằng 4 sensor tích hợp sẵn bên trong CPU

kết hợp với việc sử dụng phần mềm đo nhiệt độ Core Temp 1.0 RC5 - 32 bit.

47

Lần lượt đo nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ bão hòa của CPU khi sử dụng

phương pháp tản nhiệt bằng quạt, chất lỏng không chứa CNTs, chất lỏng chứa

CNTs với hàm lượng 0,1 – 1,2 g/lít.

Tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm thu được.

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 2.6. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W

Trong hệ thống này, đế tản nhiệt được làm từ vật liệu nhôm được tiếp xúc trực

tiếp với 9 chip LED. Kích thước của đế nhôm tản nhiệt và của chip LED lần lượt là

210 mm x 210 mm x 17 mm và 40 mm x 40 mm x 3 mm. Công suất của chip LED

và của cả hệ thống đèn LED lần lượt là 50 W và 450 W. Các rãnh chất lỏng hình

zigzag bên trong đế tản nhiệt cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt từ các chip

LED. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon được đối lưu trong hệ

thống này bằng một bơm mini với lưu lượng 3 cm3/s. Công suất của máy bơm trong

hệ thống tản nhiệt là 2 W. Kích thước và công suất của quạt tản nhiệt lần lượt là 120

x 120 x 38 mm3 và 3,6 W. Thể tích của bình chứa chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt

48

là 500 ml. Giàn tỏa nhiệt được chế tạo từ vật liệu nhôm với kích thước của giàn tỏa

nhiệt là 150 x 120 x 25 mm3.

Hình 2.7. Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chip LED

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

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.

Chip LED 50W

(a) (b)

49

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

Để đánh giá kết quả biến tính gắn nhóm chức – OH lên CNTs chúng tôi sử

dụng phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman. Để đánh giá

khả năng phân tán CNTs trong chất lỏng chúng tôi sử dụng phổ phân tán theo kích

thước Zeta - Sizer và phép đo hình thái học bề mặt SEM.

2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)

Phổ kế FTIR là loại phổ kế hiện đại được dùng để phân tích định lượng của

mẫu dung dịch. Loại phổ kế mới này khác loại phổ kế tán sắc cũ là thay bộ đơn sắc

(lăng kính hoặc cách tử) bằng một giao thoa kế Michelson như sơ đồ chỉ ra ở hình

dưới.

Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của giao thao kế Michelson

Cấu tạo của giao thoa kế Michelson gồm gương phẳng di động M1, một gương

cố định M2 và một tấm kính phân tách ánh sáng S. Ánh sáng từ nguồn chiếu vào

50

tấm kính S tách làm hai phần bằng nhau, một phần chiếu vào gương M1 và một

phần khác chiếu vào gương M2, sau đó phản xạ trở lại qua kính S, một nửa trở về

nguồn, còn một nửa chiếu qua mẫu đi đến detectơ. Do gương M1 di động làm cho

đoạn đường của tia sáng đi đến gương M1 rồi quay trở lại có độ dài lớn hơn đoạn

đường tia sáng đi đến gương M2 rồi quay trở lại và được gọi là sự trễ. Do sự trễ này

đã làm ánh sáng sau khi qua giao thoa kế biến đổi từ tần số cao xuống tần số thấp.

Sau đó, ánh sáng qua mẫu bị hấp thụ một phần rồi đi đến detectơ, nhờ kỹ thuật biến

đổi Fourier nhận được một phổ hồng ngoại bình thường ghi trên phổ kế hồng ngoại

tán sắc nhưng có độ phân giải và tỷ số tín hiệu/nhiễu (S/N) cao hơn, nghĩa là phổ

nhận được có chất lượng tốt hơn, đặc biệt thời gian ghi phổ nhanh, chỉ khoảng 30

giây.

2.4.2 Phổ Raman

Cũng như phổ kế FTIR, phổ tán xạ Micro - Raman được sử dụng trong khóa

luận này để đánh giá kết quả biến tính gắn nhóm chức – OH lên CNTs. Các mẫu

đều được tiến hành đo phổ tán xạ Raman bằng máy quang phổ Micro – Raman

LABRAM – 1B của hãng Jobin – Yvon (Pháp) đặt tại viện Khoa học Vật liệu.

Thiết bị dùng nguồn sáng là Laser He – Ne, với cấu hình tán xạ ngược. Như

vậy, mẫu được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 632,8 nm. Mật độ công suất

kích thích thấp được sử dụng để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ đo được

lắp thêm camera và màn hình để quan sát vị trí xẩy ra tán xạ không đàn hồi ánh

sáng kích thích trên một diện tích rất hẹp cỡ micromet vuông hoặc nhỏ hơn ở trên

bề mặt của mẫu. Các mẫu đo được đặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch

chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ đo còn được nối với kính hiển vi cho phép

ghi phổ với độ phân giải không gian tốt hơn. Máy tính điện tử kết nối trong hệ đo

với chương trình cài đặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng đã xử lí. Phổ được hiển thị

trên màn hình dưới dạng sự phụ thuộc cường độ dao động vào số sóng của các vạch

dao động.

51

2.4.3 Phổ Zeta - Sizer

Thiết bị Zeta - sizer Nano ZS được sử dụng trong luận văn này để đo kích

thước của CNTs sau khi phân tán vào trong chất lỏng tản nhiệt.

Hình 2.10. Máy Zeta - sizer Nano ZS

Zeta - sizer Nano ZS có cấu tạo gồm:

- Nguồn sáng tia laser đỏ.

- Bộ điều chỉnh năng lượng ánh sáng.

- Cell đựng mẫu.

- Các đầu dò ở góc 90o và 173

o.

- Hệ thống xử lý tín hiệu.

Zeta - sizer Nano ZS hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ ánh sáng. Mẫu đo

được khuếch tán trong dung môi phù hợp và sau đó được đưa vào thiết bị để đo. Kết

quả phép đo có được sau vài phút.

2.4.4 Phép đo hình thái học SEM

Hiện nay kính hiển vi điện tử quét (SEM) đang được sử dụng rộng rãi trong

việc nghiên cứu ảnh vi hình thái bề mặt mẫu. Độ khuếch đại của kính SEM thông

thường từ vài chục ngàn tới vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào

đường kính của chùm tia chiếu hội tụ trên mẫu. SEM có thể quan sát bề mặt mẫu

52

với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp

quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi

nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu

vật.

Hình 2.11. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét

Trong kính hiển vi điện tử quét, điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có

thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc và hội tụ thành một

chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrom đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính

từ. Thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 0 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính

từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ

sẽ rất khó khăn. Sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân

giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của

chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt

được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào

tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề

mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích

được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Trong đó, bức xạ tạo bởi

các điện tử thứ cấp (secondary electrons) chính là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất

của kính hiển vi điện tử quét. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ

53

hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng

lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài

nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như vậy, chụp ảnh

SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu để nghiên cứu bề mặt của mẫu

trong đó bức xạ tạo bởi các điện tử thứ cấp (secondary electrons) chính là chế độ

ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. Các ảnh SEM của kem tản

nhiệt trong luận án này được thực đo trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S

- 4800 (hãng Hitachi - Nhật) thuộc Phòng Thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và linh

kiện điện tử - Viện Khoa học Vật liệu, với độ phóng đại của hệ có thể lên đến

800.000 lần.

54

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs

Để khảo sát sự tạo thành của liên kết CNTs - OH sau quá trình biến tính,

chúng tôi 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

55

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 O-H 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 O-H chuyển sang một giá trị thấp

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.

Để kiểm tra những biến đổi cấu trúc của vật liệu CNTs sau khi biến tính gắn

nhóm chức – OH chúng tôi sử dụng phổ tán xạ Raman. 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

56

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. Với CNTs chưa biến tính, tỉ lệ giữa

cường độ hai đỉnh ID /IG nhỏ hơn so với CNTs biến tính, tức là mức độ khuyết tật

trong CNTs biến tính cao hơn so với CNTs chưa biến tính. Tỷ lệ cường độ đỉnh (ID

/IG) tại dải D và dải G là 0,99 và 1,87 tương ứng với vật liệu CNTs - COOH và

CNTs - OH, lớn hơn so với CNTs chưa biến tính (ID/IG = 0,79). Tỷ lệ cường độ của

đỉnh D và đỉnh G thay đổi đã khẳng định sự thay đổi về cấu trúc trên bề mặt của

CNTs. Kết quả này chỉ ra rằng một số các nguyên tử cacbon sp2 (C = C) đã được

chuyển đổi thành các nguyên tử cacbon sp3 (C - C) trên bề mặt của CNTs sau khi xử

lý trong hỗn hợp axit HNO3/H2SO4. Tỷ lệ cường độ ID /IG của CNTs - OH cao hơn

so với CNTs - COOH đã chỉ ra rằng sau hai quá trình xử lý hóa học, các khuyết tật

mới đã được hình thành trên bề mặt của MWCNTs - OH nhiều hơn trên bề mặt của

MWCNTs - COOH.

Kết quả biến tính trong luận văn là phù hợp với công bố của các nhóm nghiên

cứu khác trên thế giới, chẳng hạn như kết quả của nhóm Antonio Sánchez [9].

Ngoài ra việc biến tính nhóm chức lên CNTs cũng giúp nâng cao hơn hiệu quả dẫn

nhiệt của chất lỏng như nhóm nghiên cứu SZ Heris đã công bố. [40]

Cơ chế biến tính gắn nhóm chức lên bề mặt của vật liệu CNTs được thực hiện

thông qua việc gắn các nhóm chức vào các vị trí khuyết tật trên bề mặt của vật liệu

CNTs trong quá trình được oxy hóa bằng axit mạnh, điều này cũng đã được thể hiện

trong kết quả của các nhóm nghiên cứu Steven R. Hunt [41] và In-Yup Jeon [24].

57

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

Hình 3.3 là kết quả đo phổ phân tán CNTs - OH trong chất lỏng tản nhiệt

EG/DW theo kích thước CNTs-OH với thời gian rung siêu âm là 10 phút trên thiết

bị Zeta - Sizer. 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. 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.

Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy vẫn còn xuất hiện những tụ đám nhỏ của

CNTs do phổ phân bố theo kích thước trải rộng từ 80 nm - 250 nm, trong khi đó

đường kính của CNTs trong khoảng từ 15 – 80 nm. Để loại bỏ sự tụ đám nhỏ này,

chúng tôi kéo dài thời gian rung siêu âm lên 20 phút, 30 phút và 40 phút để tăng

cường khả năng phân tán, kết quả thu được của phổ phân tán như trên hình 3.4.

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.

58

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 3.4. 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.

59

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. Để thu

được ảnh SEM của CNTs - OH sau khi đã phân tán vào EG/DW, chúng tôi đưa chất

lỏng EG/DW chứa thành phần CNTs-OH lên đế Cu sau đó sấy khô ở nhiệt độ

200oC trong 24h để thu được CNTs - OH trên đế Cu. 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

Như đã trình bày ở trên, bản thân vật liệu CNTs có nhiều đặc tính ưu việt,

nhưng thực tế ứng dụng cho thấy vật liệu này tương đối trơ về mặt hóa học và tương

thích kém với các vật liệu khác khi pha trộn. Khi pha trộn với các vật liệu hay các

dung môi khác, vật liệu CNTs thường tụ thành các đám nhỏ, tương tác kém với các

vật liệu khác, dẫn tới sự bất đồng nhất, cục bộ, ảnh hưởng không tốt tới các tính

chất chung của vật liệu pha trộn được. Vì vậy, cần thiết phải biến tính để vật liệu

CNTs có thể phân tán đồng đều và hòa tan tốt trong các dung môi hay các vật liệu

60

khác, để tận dụng các tính năng tốt của vật liệu CNTs nhằm tăng cường, cải thiện

các tính chất của vật liệu được pha trộn.

Sự tụ đám đó có thể giải thích theo hai nguyên nhân chính:

- CNTs có dạng sợi dài với đường kính ống nhỏ. Từ quá trình tổng hợp cho

đến khi tạo thành sản phẩm, các sợi đan xen, chằng chéo lẫn nhau (dạng

cuộn chỉ rối) rất khó tách riêng.

- CNTs có kích thước nhỏ cỡ nanomet dẫn tới diện tích bề mặt lớn (khoảng

1000 m2/g), làm cho tương tác bề mặt giữa các ống với nhau lớn. Các tương

tác chủ yếu là tương tác Van - der - Walls. Lực Van - der - Walls là lực

tương tác tĩnh điện trong khoảng nhỏ. Lực này làm cho các ống CNTs hút

nhau. Thế năng Van - der - Walls có thể biểu diễn như sau:

2 6

1 11 1 2( )totalV q b r dv dv (3.1)

Trong đó:

+ q1: số phân tử trên đơn vị thể tích.

+ v1 và v2: thể tích của các vật thể vĩ mô.

+ r: khoảng cách giữa các tâm điểm của các phân tử, nguyên tử.

Với CNTs, diện tích bề mặt lớn nên số điểm tương tác rất lớn, thể tích các ống

nhỏ mà khoảng cách giữa các ống lại nhỏ (vì kích thước ống cơ nanomet), do đó thế

năng tương tác rất lớn, dẫn đến lực Van - der - Walls là lớn.

Như vậy, việc CNTs có thể phân tán tốt trong chất lỏng tản nhiệt một cách

đồng đều với quy trình như trên có thể được giải thích thông qua các cơ chế như

sau:

- 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).

61

- 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

Nhiệt độ của vi xử lý máy tính được đo trực tiếp ở chế độ full - load (chế độ sử

dụng 100% hiệu suất CPU) khi sử dụng quạt.

Hình 3.6 là kết quả đo nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương

pháp tản nhiệt bằng quạt. Như hiển thị trên hình 3.6, tại thời điểm ban đầu nhiệt độ

của CPU đạt 35oC, sau đó nhiệt độ bão hòa của CPU đạt đến 71

oC sau khoảng thời

gian hoạt động 200 s.

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

phương pháp tản nhiệt bằng quạt

62

3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs

Để giảm nhiệt độ bão hòa và làm chậm thời gian tăng nhiệt của CPU, chúng

tôi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs trong hệ thống tản nhiệt cho

vi xử lý máy tính. Hình 3.7 là kết quả thực nghiệm đo nhiệt độ của vi xử lý máy tính

theo thời gian khi sử dụng các loại chất lỏng tản nhiệt với hàm lượng CNTs khác

nhau. Tại thời điểm ban đầu, nhiệt độ của CPU vào khoảng 30 - 32oC. Nhiệt độ của

CPU đạt đến giá trị bão hòa 57oC, 54

oC và 51

oC khi sử dụng lần lượt các loại chất

lỏng không chứa CNTs, chất lỏng chứa 0,5g CNTs/l, và chất lỏng chứa 1g CNTs/l

sau thời gian hoạt động 350 s.

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

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 - 20

oC, 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.

63

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

Kết quả thực nghiệm đo nhiệt độ của đèn LED 450 W theo thời gian khi sử

dụng chất lỏng tản nhiệt với các nồng độ khác nhau của CNTs được thể hiện như

trên hình 3.8. Nhiệt độ của chip LED ở thời điểm ban đầu là 20oC, sau đó nhiệt độ

của chip LED đạt đến giá trị bão hòa sau khoảng 40 phút hoạt động. Khi sử dụng

chất lỏng tản nhiệt không chứa thành phần CNTs cho hệ thống tản nhiệt, nhiệt độ

bão hòa của chip LED vào khoảng 55oC. Nhiệt độ của chip LED đạt đến 53,7

oC;

52,5oC; 51,9

oC và 50,6

oC khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs

với hàm lượng tương ứng là 0,3 g/l; 0,5 g/l; 0,7 g/l; 1,0 g/l và 1,2 g/l. Những kết quả

này chỉ ra rằng 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.

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:

64

100 .2

t

L L

(3.2)

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:

0 10

0

% .100% 2 1 .100%t

L LL

L

(3.3)

Từ công thức (3.3), chúng tôi 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.

65

3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt

Cơ chế giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho chất lỏng tản nhiệt chứa thành

phần CNTs được giải thích qua những nguyên lý sau:

- 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. Cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt đã được giải thích chi tiết trong phần

mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành

phần CNTs [37]. Kết quả tính toán lý thuyết đã cho thấy độ dẫn nhiệt của

chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs được xác định thông qua biểu

thức:

1

13 1

eff CNTs l

l l CNTs

k k r

k k r

(3.4)

Trong đó:

+ keff là độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs.

+ kl là độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền.

+ kCNT là độ dẫn nhiệt của CNTs.

+ rl là bán kính của phân tử chất lỏng nền.

+ rCNT là bán kính của CNTs.

+ ε là phần trăm về thể tích của CNTs trong chất lỏng CNTs.

- 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, nguyên lý được thể hiện chi tiết hơn như trên hình 3.10.

66

``````````````````````````````````````

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:

d

TJ

R R

(3.5)

Trong đó:

+ ΔT là độ chênh lệch nhiệt độ giữa vùng nhiệt độ cao và thấp (K).

+ 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).

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

67

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:

. . .V

Q C t D dV (3.6)

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

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

68

cách giải thích hoàn toàn tương tự như trường hợp nhiệt lượng truyền từ

chip LED vào chất lỏng tản nhiệt.

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

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).

Giàn tỏa nhiệt

Chất lỏng không có CNTs Chất lỏng có CNTs

Tản nhiệt Chất

lỏng

Vùng nhiệt độ cao

Vùng nhiệt độ trung bình

Vùng nhiệt độ thấp

Vùng nhiệt độ khá cao

69

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 - 20

oC 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.

70

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

CÁC BÀI BÁO VÀ BÁO CÁO KHOA HỌC LIÊN QUAN TỚI LUẬN VĂN

1. Bui Hung Thang, Pham Van Trinh, Le Dinh Quang, Nguyen Thi Huong, Phan

Hong Khoi, and Phan Ngoc Minh, “Heat Dissipation for the Intel Core i5

Processor Using Multiwalled Carbon-nanotube-based Ethylene Glycol”,

Journal of the Korean Physical Society, Volume 65, Number 3, August 2014,

pp. 312 - 316.

2. Nguyễn Thị Hương, Bùi Hùng Thắng, Phạm Văn Trình, Nguyễn Văn Chúc, Phan

Hồng Khôi và Phan Ngọc Minh, “Nghiên cứu phân tán ống nanô cácbon đa

tường trong Ethylene Glycol”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Volume 52,

Number 3B (2014), 297 - 304.

71

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”,

International Journal of Heat and Mass Transfer, 4051–4068.

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.

72

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.

73

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”,

74

http://www.lce.hut.fi/research/eas/nanosystems/proj_nanotubes/

32. M. Kole and T. K. Dey (2010), “Thermal conductivity and viscosity of Al2O3

nanofluid based on car engine coolant,” Journal of Physics D, vol. 43, no.

31, Article ID 315501.

33. Narendra Singha, Gaurav Chanda & S. Kanagaraja (2012), “Investigation of

Thermal Conductivity and Viscosity of Carbon Nanotubes–Ethylene

Glycol Nanofluids”, Heat Transfer Engineering, Volume 33, Issue 9.

34. Overview on the discovery, structure, properties and production of Carbon

Nanotubes, http://kennano.com/overview/overview.htm.

35. O. Zhou, Y. Cheng (2003), “Electron field emission from carbon nanotubes”,

Comptes Rendus Physique, 4, pp. 1021-1033.

36. P. Naphon, P. Assadamongkol, and T. Borirak (2008), “Experimental

investigation of titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency”,

International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 35, no. 10,

pp. 1316–1319.

37. P. N. Minh, B. H. Thang, P. H. Khoi,(march 2015), “A Modified Model for

Thermal Conductivity of Carbon Nanotube-Nanofluids”, Physics of Fluids

(American Institute of Physic – AIP), Volume 27, Issue3, pp. 032002 -

032013.

38. S. W. Kang, W. C. Wei, S. H. Tsai, and C. C. Huang (2009), “Experimental

investigation of nanofluids on sintered heat pipe thermal performance”,

Applied Thermal Engineering, vol. 29, no. 5-6, pp. 973–979.

39. S. C. Tzeng, C. W. Lin, and K. D. Huang (2005), “Heat transfer enhancement

of nanofluids in rotary blade coupling of four-wheel-drive vehicles,” Acta

Mechanica, vol. 179, no. 1-2, pp. 11–23.

40. Saeed Zeinali Heris, Marjan Fallahi, Mehdi Shanbedi, Ahmad Amiri (2015),

“Heat transfer performance of two-phase closed thermosyphon with

oxidized CNT/water nanofluids”, Heat and Mass Transfer 51, 5,

doi:10.1007/s00231-015-1548-9.

75

41. Steven R. Hunt, Elliot J. Fuller, Brad L. Corso, and Philip G. Collins (2012),

Distinguishing carbon nanotube defect chemistry using scanning gate

spectroscopy, Phys. Rev. B 85, 235418.

42. Wang, F., Arai, S., Endo, M. (2000), “Metallization of multiwalled carbon

nanotubes with copper by an electroless deposition process”,

Electrochemistry communications, vol. 6, pp. 1042-1044.

43. Wei Yu and Huaqing Xie(2012), “A Review on Nanofluids: Preparation,

Stability Mechanisms, and Applications”, Journal of Nanomaterials,

Volume 2012, Article ID 435873, 17 pages.

44. W. Yu, and Y. Li (2009), “Thermal performance enhancement in nanofluids

containing diamond nanoparticles,” Journal of Physics D, vol. 42, no. 9,

Article ID 095413.

45. W. Yu, H. Xie, L. Chen, and Y. Li (2009), “Investigation of thermal

conductivity and viscosity of ethylene glycol based ZnO nanofluid”,

Thermochimica Acta, vol. 491, no. 1-2, pp. 92–96.

46. W. Yu, D. M. France, S. U. S. Choi, and J. L. Routbort (2007),“Review and

assessment of nanofluid technology for transportation and other

applications,” Tech. Rep. 78, ANL/ESD/07-9, Argonne National

Laboratory.

47. Xie, H. Q.; Lee, H.; Youn, W.; Choi, M. (2003),“Nanofluids containing multi-

walled carbon nanotubes and their enhanced thermal conductivities”. J.

Appl. Phys. 94, 4971–4975.

48. Y. Li, J. Zhou, S. Tung, E. Schneider, and S. Xi (2009), “A review on

development of nanofluid preparation and characterization”, Powder

Technology, vol. 196, no. 2, pp. 89–101.

49. Y. T. Chen, W. C. Wei, S. W. Kang, and C. S. Yu (2006), “Effect of nanofluid

on flat heat pipe thermal performance”, in Proceedings of the 24th IEEE

Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium

(SEMI-THERM '08).

76

50. Yi Fan, Yifeng Fu, Teng Wang, Johan Liu, Yan Zhang,, Xiaojing Wang,

Zhaonian, Cheng (2014), “Heat Removal of Microchannel Coolers with

Carbon Nanotube Suspension as the Coolant”, 2nd Electronics

Systemintegration Technology Conference, Greenwich, UK.