MỞ ĐẦU BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tô Anh Đức NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA THÀNH PHẦN ỐNG NANÔ CÁCBON T[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Tô Anh Đức NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA THÀNH PHẦN ỐNG NANÔ CÁCBON TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2022 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Cơng nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Phan Ngọc Minh Người hướng dẫn khoa học 2: TS Bùi Hùng Thắng Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) giới khoa học-công nghệ quan tâm đặc biệt kể từ phát vào năm 1991 Sau 20 năm nghiên cứu phát triển, đến số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs đời với nhiều tính vượt trội Vật liệu ống nanơ cácbon có nhiều tính chất độc đáo, dễ chế tạo nên có tiềm ứng dụng phong phú Lý để loại vật liệu trở thành trung tâm ý chúng có nhiều tính chất học, vật lý, hoá học đặc biệt nhiều tiềm ứng dụng mang tính đột phá Vệ tinh nhân tạo thiết bị địi hỏi khắt khe q trình quản lý nhiệt để đảm bảo vệ tinh hoạt động mơi trường nhiệt ổn định, bền bỉ, qua nâng cao hiệu độ bền tuổi thọ cho vệ tinh Cụ thể, hoạt động quỹ đạo, vệ tinh phải chịu đựng điều kiện khắc nghiệt xung quanh vệ tinh môi trường chân khơng, dẫn đến bề mặt vệ tinh hướng phía trái đất có nhiệt độ thấp, mặt đối diện hướng phía mặt trời có nhiệt độ cao Theo chu kỳ thời gian, nhiệt độ vệ tinh hoạt động quỹ đạo không gian dao động mạnh khoảng từ -170oC đến 130oC Bên cạnh thiết bị điện tử nói chung vệ tinh nói riêng hoạt động hiệu dải nhiệt độ định Một số linh kiện tỏa nhiệt trình hoạt động (như vi xử lý), số linh kiện điện tử khác cần sưởi ấm (như camera, cảm biến, thiết bị đo đạc hướng phía trái đất) Vì mà việc giữ cho thiết vệ tinh hoạt động dải nhiệt độ cho phép điều quan trọng Từ tính chất lý thú tiềm ứng dụng lớn CNTs, luận án hướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt CNTs để nâng cao hệ số dẫn nhiệt cho số loại hỗn hợp chất lỏng phục vụ cho việc quản lý nhiệt vệ tinh Hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs với độ dẫn nhiệt tốt thử nghiệm mơ hình vệ tinh với điều kiện khắc nghiệt giống độ cao vệ tinh thường hoạt động nhằm nâng cao hiệu quản lý nhiệt, công suất làm việc kéo dài tuổi thọ cho linh kiện vệ tinh Từ lý trên, tập thể thầy hướng dẫn luận án lựa chọn thực luận án: “Nghiên cứu chế tạo ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon quản lý nhiệt cho vệ tinh” Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tính chất số hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon thử nghiệm ứng dụng quản lý nhiệt cho mơ hình vệ tinh Nhằm đạt mục đích trên, số nội dung nghiên cứu cụ thể sau triển khai thực hiện: – Nghiên cứu mơ hình cải tiến tính tốn lý thuyết độ dẫn nhiệt hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần ống nanơ cácbon – Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanơ cácbon với nhóm chức -COOH -OH – Nghiên cứu chế tạo chất lỏng quản lý nhiệt đặc chủng chứa thành phần ống nanô cácbon đáp ứng khả ứng dụng quản lý nhiệt cho vệ tinh – Chế tạo mơ hình vệ tinh để giả lập điều kiện làm việc vệ tinh quỹ đạo – Thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng quản lý nhiệt cho mơ hình vệ tinh Đối tượng nghiên cứu: Một số chất lỏng chứa thành phần CNTs đáp ứng khả hoạt động điều kiện môi trường không gian Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính tốn lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đó: - Phương pháp tính tốn lý thuyết dựa việc phát triển xây dựng mơ hình cải tiến tính tốn độ dẫn nhiệt hỗn hợp chất lỏng quản lý nhiệt chứa thành phần CNTs với độ xác cao so sánh với thực nghiệm - Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với nhóm chức –COOH – OH, chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs, chế tạo mơ hình buồng chân khơng thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chế tạo quản lý nhiệt cho mơ hình vệ tinh Các nội dung nghiên cứu luận án Ngồi phần Mở đầu trình bày ý nghĩa lý lựa chọn vấn đề nghiên cứu Kết luận kết đạt số vấn đề nghiên cứu tiếp tục, luận án cấu trúc Chương: Chương trình bày tổng quan vật liệu CNTs, chất lỏng quản lý nhiệt chứa thành phần CNTs Phần tổng quan vật liệu CNTs trình bày cấu trúc số tính chất vật liệu CNTs, phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs Phần tổng quan chất lỏng quản lý nhiệt trình bày hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs Chương trình bày tổng quan quản lý nhiệt cho vệ tinh, đưa lý quản lý nhiệt chất lỏng phương án chọn Chương trình bày lý cần thiết để đưa mơ hình nhằm tính tốn độ dẫn nhiệt chất lỏng đa thành phần chứa CNTs Sau đó, luận án đưa phương trình tính tốn mơ hình lý thuyết so sánh với kết thực nghiệm Kết cho thấy mơ hình luận án đưa số phù hợp với liệu thực nghiệm Chương trình bày kết biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức –OH –COOH, kết chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs Kết cho thấy CNTs tăng đáng kể khả dẫn nhiệt chất lỏng đa thành phần Chương tập trung vào chế tạo mơ hình vệ tinh Cùng với đó, hệ mơ mơi trường khơng gian xây dựng để thử nghiệm mơ hình vệ tinh Chương trình bày kết thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs chế tạo quản lý nhiệt cho mơ hình vệ tinh Ở cuối luận án, danh sách cơng trình cơng bố liên quan danh mục tài liệu tham khảo liệt kê Luận án thực khoa Khoa học Vật liệu Năng Lượng, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1) Tổng quan quản lý nhiệt cho vệ tinh Vệ tinh thiết bị nhân tạo không người lái bay quanh trái đất sử dụng cho nhiều mục đích khác như: thông tin liên lạc, quan sát trái đất, dự báo thời tiết, dẫn đường, khám phá không gian hành tinh Tùy thuộc vào giá thành nhiệm vụ cụ thể mà vệ tinh thiết kế với khác khối lượng, kích thước, độ cao quỹ đạo… Phụ thuộc vào khối lượng mà vệ tinh phân loại thành: vệ tinh lớn (> 1.000 kg), vệ tinh trung bình (500- 1.000 kg), vệ tinh nhỏ (dưới 500 kg) Đối với vệ tinh bay quanh trái đất, tùy thuộc vào độ cao mà phân chia làm loại quỹ đạo: quỹ đạo thấp (LEO- 160 km đến 2.000 km), quỹ đạo trung bình (MEO- 2.000 km đến 35.786 km), quỹ đạo cao (HEO- 35.786 km) Ở độ cao 35.786 km quỹ đạo địa tĩnh nơi mà vệ tinh cố định điểm bề mặt trái đất Điều khiển nhiệt vệ tinh trình kiểm sốt nhiệt độ bên bề mặt vệ tinh, điều kiện mơi trường bên ngồi đóng vai trị quan trọng Các vệ tinh nhỏ (dưới 500kg) thường hoạt động quỹ đạo thấp (từ 160 km đến 2.000 km), có độ cao nhỏ so với bán kính trái đất, trường nhìn vệ tinh phần nhỏ bề mặt trái đất thời điểm Do trình di chuyển, vệ tinh trải qua điều kiện khí hậu khác vùng khác như: biển, đất liền, tuyết, sa mạc hay nhiều mây bao phủ Sự thay đổi lớn điều kiện mơi trường bên ngồi thời gian ngắn yếu tố ảnh hưởng lớn đến thiết bị phía ngồi vệ tinh pin mặt trời hay quản lý nhiệt Các thiết bị bên vệ tinh cách nhiệt tốt không bị ảnh hưởng nhiều, việc quản lý nhiệt không hoạt động dải nhiệt độ quy định dẫn đến nhiệt độ bên vệ tinh vượt mức cho phép, hay thiếu lượng cung cấp cho vệ tinh pin mặt trời không hoạt động theo dải nhiệt độ Quá trình điều khiển nhiệt vệ tinh thường thực cách cân nhiệt phát vệ tinh trình thiết bị hoạt động tương tác với mơi trường bên ngồi (do khơng có phân tử khí nên khơng có q trình đối lưu) Tùy thuộc vào dải độ cao hoạt động khác mà có yếu tố mơi trường khác ảnh hưởng đến nhiệt độ vệ tinh Các yếu tố đặc trưng ảnh hưởng đến vệ tinh quỹ đạo thấp là: ánh sáng mặt trời trực tiếp, ánh sáng mặt trời phản xạ xuống bề mặt trái đất, xạ trái đất phát Ngồi ra, q trình phóng hay vệ tinh hoạt động độ cao cực thấp (dưới 200 km), cịn có thêm hiệu ứng nhiệt ma sát với phân tử chuyển động tự (do gia tốc lớn q trình phóng độ cao thấp, số lượng phân tử chuyển động tự nhiều) Do quản lý nhiệt cho vệ tinh vấn đề quan tâm trình thiết kế chế tạo vệ tinh Để giải toán quản lý nhiệt cho vệ tinh, người ta sử dụng nhiều phương pháp kỹ thuật khác Kỹ thuật điều khiển nhiệt vệ tinh phân thành điều khiển nhiệt chủ động (ATC) điều khiển nhiệt bị động (PTC) Hình 1.18 Những nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ vệ tinh Hiện hướng nghiên cứu hệ thống tản nhiệt chủ động dùng bơm (PFL) điều khiển nhiệt cho vệ tinh phương pháp áp dụng rộng rãi đơn giản, dễ tiếp cận tương thích với chất lỏng nanơ có hệ số dẫn nhiệt cao Chẳng hạn năm 2015, nhóm nghiên cứu Roel C van Benthem (Hà Lan) phát triển hệ thống PFL không dùng van sử dụng cho vệ tinh truyền thông lớn Trong năm 2016, nhóm nghiên cứu Robert Thorslund (Thụy Điển) phát triển hệ thống PFL có sử dụng bơm dựa cơng nghệ Electro Hydro Dynamic (EHD) với nhiều tính chất ưu việt Cũng năm 2016, nhóm nghiên cứu JiXiang Wang (Trung Quốc) nghiên cứu lạnh có độ thích nghi cao để sử dụng cho hệ thống PFL Gần nhất, năm 2017 nhóm nghiên cứu V.S Jasvanth (Ấn Độ) nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống PFL sử dụng ammonia cho vệ tinh với cơng suất lên đến 500W Tuy nhiên việc sử dụng chất lỏng nanô với hệ số dẫn nhiệt cao hệ thống PFL vấn đề gần có số nhóm nghiên cứu thực 2) Chất lỏng nanô quản lý nhiệt cho vệ tinh Do chất lỏng thường có độ dẫn nhiệt so với chất rắn, để nâng cao khả dẫn nhiệt chất lỏng trên, người ta sử dụng nhiều loại hạt có kích thước nhỏ để phân tán đồng vào chất lỏng quản lý nhiệt Cùng với phát triển cơng nghệ nanơ, nhiều loại hạt có kích thước nanô chẳng hạn hạt nano CuO, SiO2 , sử dụng để pha trộn vào chất lỏng quản lý nhiệt Về chất vật liệu có kích thước nanơ có độ dẫn nhiệt cao so với chất lỏng, phân tán vào chất lỏng làm tăng độ dẫn nhiệt chất lỏng, qua nâng cao hiệu quản lý nhiệt Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) giới khoa học-công nghệ quốc tế đặc biệt quan tâm kể từ phát vào năm 1991 Vật liệu CNTs có nhiều tính chất học, vật lý, hoá học đặc biệt nhiều tiềm ứng dụng mang tính đột phá Các nghiên cứu thử nghiệm cho thấy vật liệu CNTs vật liệu có độ dẫn nhiệt cao biết đến nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt lên đến 3.000 W/m.K, bó CNTs độ dẫn nhiệt đạt khoảng 450 W/m.K nhiệt độ phòng (so sánh với độ dẫn nhiệt đồng 400 W/m.K, bạc 429 W/m.K) Tính chất ưu việt CNTs mở hướng ứng dụng nâng cao độ dẫn nhiệt cho vật liệu, ứng dụng hệ thống quản lý nhiệt cho linh kiện thiết bị công suất Việc nghiên cứu chất lỏng nanô quản lý nhiệt cho vệ tinh vấn đề mẻ, hấp dẫn, có giá trị khoa học lớn cần thiết thực Phát triển vệ tinh vấn đề quan tâm Việt Nam Viện Công nghệ Vũ trụ, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam FPT 03 đơn vị nghiên cứu phát triển vệ tinh riêng Chẳng hạn ngày 21/7/2012, vệ tinh nanơ F-1 FPT chế tạo phóng thành công, vệ tinh siêu nhỏ Việt Nam tự chế tạo phóng lên quỹ đạo, nhiên khơng bắt tín hiệu Ngày 4/5/2013, vệ tinh VNREDSat-1 phóng thành cơng Đây vệ tinh nhỏ quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, vệ tinh viễn thám Việt Nam Vệ tinh giao cho Viện Công nghệ Vũ trụ điều hành khai thác Ngày 4/8/2013, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam phóng vệ tinh Pico Dragon, vệ tinh nhỏ Việt Nam tự chế tạo hoạt động thành cơng ngồi khơng gian Hiện Trung tâm Vũ trụ Việt Nam vận hành vệ tinh MicroDragon có kế hoạch phát triển vệ tinh tương lai MicroDragon-2, LOTUSat-1 LOTUSat-2 Tuy nhiên hệ thống quản lý nhiệt chủ động cho vệ tinh, đặc biệt hệ thống quản lý nhiệt sử dụng chất lỏng nanô chưa thực nghiên cứu Việt Nam CHƯƠNG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH TÍNH TỐN LÝ THUYẾT ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTs 1) Mơ hình lý thuyết Mơ hình xem xét truyền nhiệt qua hỗn hợp chất lỏng đa thành phần chứa CNTs Ở nghiên cứu trước nhóm B.H.Thang, độ dẫn nhiệt hiệu dụng CNTs (keff-CNT) tính sau: keff −CNT = kCNT (1) Giả sử chất lỏng gồm có n phần tử, mơ hình xem xét (n+1) cách cho truyền nhiệt hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs (1 cách qua CNTs n cách qua n thành phần hỗn hợp chất lỏng) Nhiệt lượng tổng hợp truyền qua chất lỏng biểu diễn sau: n q = qi + qCNT (2) i =1 n dT dT q = − ki Ai − keff −CNT ACNT dx i dx CNT i =1 (3) Trong A, k (dT/dx) biểu diễn tiết diện truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt gradient nhiệt mơi trường Biểu diễn kí hiệu “i” and “CNT” tương ứng với phần tử thứ i hỗn hợp CNTs Và keff-CNT độ dẫn nhiệt hiệu dụng CNTs Giả sử có cân nhiệt vị trí chất lỏng, ta có: dT dT dT = = dx i dx CNT dx (4) Do đó, phương trình (3) viết thành: n dT q = − ki Ai + keff −CNT ACNT i =1 dx (5) n dT n dT −k Ai + ACNT = − ki Ai + keff −CNT ACNT i =1 dx i =1 dx (6) n n k Ai + ACNT = ki Ai + keff −CNT ACNT i =1 i =1 (7) Giả sử tỉ số tiết diện truyền nhiệt Ai:ACNT tỉ lệ với tổng diện tích bề mặt phân tử chất lỏng (Si) ống nanô cácbon (SCNT) đơn vị thể tích hỗn hợp Coi phân tử thành phần i có dạng hình cầu với bán kính ri, ống nanơ cácbon có dạng hình trục với bán kính rCNT chiều dài L Diện tích bề mặt thể tích phân tử chất lỏng là: si = 4p ri2 (8) vi = ri3 (9) Vì hai đầu ống nanơ cácbon có dạng bán cầu nên diện tích bề mặt thể tích ống nanơ cácbon là: sCNT = 4 rCNT + 2 rCNT L vCNT = rCNT + rCNT L (10) (11) Tổng diện tích bề mặt tính theo số hạt diện tích hạt Giả sử tỉ lệ thể tích CNTs εCNT, tỉ lệ thể tích chất lỏng (1 - εCNT) Tỉ lệ thể tích thành phần hỗn hợp chất lỏng εi, nên tỉ lệ thể tích tổng thành phần chất lỏng nano (1 - εCNT).εi Số hạt thành phần là: ni = (1 − CNT ) i (1 − CNT ) i = vi ri nCNT = CNT vCNT = CNT (12) (13) rCNT + rCNT L Diện tích bề mặt i phân tử chất lỏng là: Si = ni si = (1 − CNT ) i (1 − CNT ) i 4 ri = ri ri (14) Diện tích bề mặt ống nanơ cácbon là: SCNT = nCNT sCNT (15) (16) (17) Vì chiều dài CNTs lớn so với bán kính nên ta coi: (18) Vậy nên, SCNT biểu diễn: SCNT = 2 CNT rCNT (19) Coi Ai:ACNT = Si:SCNT, ta thu được: n n k Si + SCNT = ki Si + keff −CNT SCNT i =1 i =1 (20) Thay phương trình (14) (19) vào phương trình (20), ta được: 2 CNT + keff −CNT rCNT i =1 k= n (1 − CNT ) i 2 CNT 3 + ri i =1 rCNT n k i (1 − CNT ) i ri (21) 2keff −CNT CNT + r 3rCNT (1 − CNT ) i =1 k = n i i 2 CNT + 3rCNT (1 − CNT ) i =1 ri n k i i (22) Trong thí nghiệm, thông thường εCNT 100 nm -12,4 mV Không đáp ứng khả Không phân tán Không ổn định phân tán 17 nm - 83 nm -47,5 mV Đáp ứng khả phân tán Phân tán Phân tán bền vững đều, bền vững 18 nm - 82 nm -38,0 mV Đáp ứng khả phân tán Phân tán Phân tán ổn định đều, ổn định 20 nm - 84 nm -27,6 mV Khả phân tán Phân tán Phân tán ổn định thiếu ổn định 19 nm - 85 nm -48,4 mV Đáp ứng khả phân tán Phân tán Phân tán bền vững đều, bền vững Heptane Methanol Ethanol Propanol Coolanol 20 Kết luận Khảo sát tính chất chất lỏng đặc chủng chế tạo 2.1 Dải nhiệt độ hoạt động Dải nhiệt độ hoạt động tiêu chí quan trọng để lựa chọn chất lỏng quản lý nhiệt cho vệ tinh, luận án đặt tiêu chí dải nhiệt độ hoạt động chất lỏng từ -40oC đến 70oC Để xác định dải nhiệt độ hoạt động, luận án sử dụng nhiệt kế điện tử KIMO TK62 với đầu đo dải nhiệt độ từ -200°C đến +1.300°C, độ xác ±0,4%, độ phân giải 0,1°C Quá trình làm lạnh thực bình nitơ lỏng 14 Bảng 3.3 Kết khảo sát dải nhiệt độ hoạt động chất lỏng nano STT Chất lỏng Dải nhiệt độ hoạt động Kết luận Methanol/CNTs -97oC đến 67oC Khơng đáp ứng tiêu chí dải nhiệt độ hoạt động Coolanol 20/CNTs -101oC đến 150oC Đáp ứng tiêu chí dải nhiệt độ hoạt động Bảng 3.3 kết khảo sát dải nhiệt độ hoạt động chất lỏng nanô Bảng cho thấy dải nhiệt độ hoạt động chất lỏng Methanol/CNTs từ -97oC đến 67oC, dải nhiệt độ hoạt động chất lỏng Coolanol/CNTs từ -101oC đến 150oC Như chất lỏng Methanol/CNTs không đáp ứng tiêu chí dải nhiệt độ hoạt động, luận án lựa chọn sử dụng chất lỏng Coolanol/CNTs cho nghiên cứu 2.2 Khảo sát độ dẫn nhiệt 2.2.1 Kết thực nghiệm Để khảo sát độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa thành phần CNTs, luận án sử dụng thiết bị Transient Hot Bridge THB-100 Trung tâm Phát triển Công nghệ cao Sự gia tăng độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô Coolanol-20 chứa CNTs-OH thể hình 3.14 Trong tăng hệ số dẫn nhiệt tình theo cơng thức: %k= [(k-k0) x100] /k0 Với k0 độ dẫn nhiệt Coolanol-20; k độ dẫn nhiệt chất lỏng nanơ có thêm thành phần CNTs Từ đồ thị hình 3.14, ta thấy mẫu có độ dẫn nhiệt tăng dần hàm lượng CNTs tăng nhiệt độ tăng Sự tăng độ dẫn nhiệt chất lỏng nanơ theo nhiệt độ giải thích theo Li cộng Li kết luận thay đổi kết đám thành phần nanô độ nhớt theo nhiệt độ với chuyển động Brown yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt chất lỏng Khi nhiệt độ tăng lên dẫn tới hiệu ứng sau: (i) giảm tụ đám thành phần nanô giảm lượng bề mặt, (ii) tăng cường chuyển động Brown giảm độ nhớt Sự tăng cường chuyển động Brown sở để dẫn đến tăng cường độ dẫn nhiệt chất lỏng nhiệt độ tăng Cụ thể hơn, ứng với hàm lượng 1,0% vol CNTs-OH 30oC, ta thấy độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô tăng 59% Sự tăng độ dẫn nhiệt chất lỏng nanô đạt giá trị lớn 65% ứng với hàm lượng CNTs 1,0 % vol 60oC 15 Hình 3.14 Sự gia tăng hệ số dẫn nhiệt chất lỏng nanô Coolanol 20 chứa CNTs-OH 2.2.2 Kết mô Như trình bày mục trước, tăng độ dẫn nhiệt chất lỏng theo nhiệt độ chủ yếu chuyển động Brown phân tử nanô Ở mục này, luận án đưa công thức tính tốn tăng độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ gây chuyển động Brown Độ dẫn nhiệt chất lỏng tổng thành phần: độ dẫn nhiệt gây chuyển động Brown phân tử nanô độ dẫn nhiệt tĩnh không bị ảnh hưởng nhiệt độ keff = kstatic + kBrownian Trong đó, kstatic cơng thức luận án đưa chương cho mơ hình chất lỏng đa thành phần: Theo Koo Kleinstreuer, độ dẫn nhiệt Brown tính theo cơng thức sau: Trong đó: • p: tỷ lệ phân tử di chuyển theo phương • β: tỷ lệ thể tích chất lỏng di chuyển với hạt nanơ • l: qng đường trung bình hạt nanơ di chuyển mà không bị đổi hướng chuyển động Brown • D: đường kính phân tử • αd: tỷ lệ thể tích hạt nanơ 16 • ρd: mật độ hạt nanơ • cd: nhiệt dung riêng hạt nanụ ã : hng s Boltzmann (1,380649ì1023 J/K) ã T: nhiệt độ chất lỏng (Thay đổi từ -75oC đến 100oC) Thay thông số chất lỏng đa thành phần sử dụng luận án vào công thức Koo Kleinstreuer, ta có cơng thức độ dẫn nhiệt Brown thay đổi theo nhiệt độ Từ đó, luận án tính tốn nhiệt độ dẫn nhiệt chất lỏng đa thành phần số nhiệt độ đại diện khác như: 75oC, -30oC, 0oC, 50oC, 100oC hình 3.15 Có thể thấy nồng độ 0,2% CNT, độ dẫn nhiệt nhiệt độ chất lỏng đa thành phần thấp nhất, số phân tử hạt nanô Ngược lại, nồng độ 1,0% CNT, độ dẫn nhiệt nhiệt độ cao nhất, số hạt nanô nhiều nhất, dẫn đến tăng cường khả dẫn nhiệt chất lỏng chuyển động Brown Hình 3.15 Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nồng độ CNT 2.3 Khảo sát tính chất khác Luận án tiến hành đo đạc khảo sát khối lượng riêng độ nhớt chất lỏng theo hàm lượng CNTs thiết bị Brookfield DV2THA Trung tâm Phát triển Công nghệ cao Kết khảo sát cho thấy độ nhớt khối lượng riêng chất lỏng không phụ thuộc nhiều vào hàm lượng CNTs, đạt giá trị khoảng 0,96 cP 0,88 g/ml nhiệt độ 27oC CHƯƠNG THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTs TRÊN MƠ HÌNH VỆ TINH TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM Thiết kế mơ hình buồng chân khơng nghiên cứu vệ tinh cho trình quản lý nhiệt 17 1.1 Sơ đồ nguyên lý buồng chân không Để thực việc thử nghiệm chất lỏng đặc chủng chứa thành phần CNTs việc nâng cao hiệu quản lý nhiệt thiết bị mơ vệ tinh phịng thí nghiệm, luận án dựa cách tiếp cận sau: Thiết kế chế tạo mơ hình vệ tinh phịng thí nghiệm nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu q trình quản lý nhiệt vệ tinh Mơ hình vệ tinh phịng thí nghiệm thiết kế cho tiếp cận gần với vệ tinh thật thực tế mặt quản lý nhiệt - Để đáp ứng tốn quản lý nhiệt khơng gian, mơ hình vệ tinh đặt buồng chân khơng với áp suất 10-4 bar để đảm bảo khơng có tượng đối lưu truyền nhiệt môi trường khơng gian Ở phía buồng chân khơng bố trí nguồn sáng có cơng suất phát xạ nhiệt mạnh để mô ánh sáng mặt trời vào ban ngày (công suất phát xạ từ – kW/m2) cho nhiệt độ bề mặt vệ tinh tiếp xúc phía nguồn sáng đạt đến đỉnh 100oC, phía buồng chân khơng bố trí phận làm lạnh nitơ lỏng để mô trường hợp vệ tinh có nhiệt độ thấp vào ban đêm (có để chạm tới ngưỡng -75oC) Các thông số vệ tinh mô theo thời gian thực để gần với điều kiện môi trường thực tế trình nghiên cứu Luận án lựa chọn phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh mơ hình nghiên cứu phương pháp chất lỏng tuần hoàn dùng bơm (PFL) Hình 4.2 Mơ hình buồng chân khơng sử dụng để mơ q trình quản lý nhiệt vệ tinh sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs Chất lỏng đặc chủng chứa thành phần CNTs đưa vào hệ thống quản lý nhiệt vệ tinh để thử nghiệm tính tốn mơ Các thơng số hệ thống điều khiển nhiệt hoạt động môi trường giả lập so sánh trường hợp khác bao gồm: chất lỏng đặc chủng khơng chứa CNTs, chất lỏng đặc chủng có chứa CNTs với hàm lượng thông số kỹ thuật khác Thông qua so sánh, luận án đánh giá hiệu hệ thống điều khiển nhiệt có thêm thành phần CNTs chất lỏng 18 1.2 Bản vẽ thiết kế mặt cắt mô hình buồng chân khơng Hình 4.3 vẽ thiết kế mặt cắt ngang buồng chân không mô trình quản lý nhiệt cho vệ tinh Trên hình 4.3 quan sát thiết kế buồng chân khơng mơ q trình quản lý nhiệt cho vệ tinh bao gồm phận sau: - Vỏ buồng chân không: làm từ vật liệu thép để đảm bảo chịu áp suất cao - Nắp buồng chân khơng: làm từ thép có lớp cao su dầu mỡ để đảm bảo độ kín chân khơng Hình 4.3 Bản vẽ thiết kế mặt cắt ngang buồng chân khơng mơ q trình quản lý nhiệt cho vệ tinh - Bộ phận phát nhiệt: 04 bánh phát, công suất bánh phát vào khoảng kW điều khiển thiết bị điều khiển bên ngồi - Bộ phận hút chân khơng: Buồng chút chân không bơm chân không để đạt áp suất 10-4 bar - Bộ phận đo áp suất: đồng hồ đo áp suất đặt trước buồng đo - Bộ phận nhiệt độ thấp: bao gồm bình đựng nitơ lỏng để cung cấp cho buồng nitơ bên thùng, đạt đến -75oC - Bộ phận điều khiển: nằm phía điều khiển hoạt động buồng chân khơng Chế tạo mơ hình buồng chân khơng nghiên cứu vệ tinh cho trình quản lý nhiệt 2.1 Chế tạo vỏ buồng chân không Để đảm bảo khả chịu áp suất 10-4 bar, luận án thiết kế chế tạo vỏ buồng chân không với thông số kỹ thuật sau: - Vật liệu: thép kỹ thuật - Kích thước buồng: 60 cm x 60 cm x 60 cm ... thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) giới khoa học-công nghệ quan tâm đặc... chất lỏng chế tạo quản lý nhiệt cho mơ hình vệ tinh Các nội dung nghiên cứu luận án Ngồi phần Mở đầu trình bày ý nghĩa lý lựa chọn vấn đề nghiên cứu Kết luận kết đạt số vấn đề nghiên cứu tiếp... nhiệt độ phòng (so sánh với độ dẫn nhiệt đồng 400 W/m.K, bạc 429 W/m.K) Tính chất ưu việt CNTs mở hướng ứng dụng nâng cao độ dẫn nhiệt cho vật liệu, ứng dụng hệ thống quản lý nhiệt cho linh kiện