TỎNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt làkhảnăng dẫn nhiệt hoặc di chuyển nhiệt từ vị trí này sang vị trí khác của một chất mà không có sự chuyển động của vật liệu dẫn nhiệt Đây là một trong ba phuong pháp truyền nhiệt, hai phương pháp còn lại là đối luu và bức xạ Các quá trình truyền nhiệt có thể đuợc định luợng theo các phươngtrình tốc độ thích họp Phuong trình tốc độ trong chế độ truyền nhiệt này dụa trên định luật Fourier về dẫn nhiệt Nó cũng đuợc định nghĩa là lượng nhiệt trên một đon vịthời gian trên một đon vị diện tích có thể được dẫn qua một tấm có độ dày đon vị của một vật liệu nhất định, các mặt của tấm khác nhau bởi một đon vị nhiệt độ.
Tứih dẫn nhiệt xảy ra thông qua sự khuấy trộn và tiếp xúc phântử, và không dẫn đến sự chuyển động khối lượng lón của chất rắn Nhiệt di chuyển dọc theo một gradient nhiệt độ, từ khu vực có nhiệt độ cao và năng lượng phântử cao đến khu vực có nhiệt độ thấp hon và năng lượng phân tử thấp hon Quá trình truyền này sẽ tiếp tục cho đếnkhi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ lón của gradient nhiệt độ và các đặc tính nhiệt cụ thể của vật liệu.
Cold T ' : T Hot environment -■! ! Heat flow q ! 2 environment
Hình 1.1: Môtả quá trình dẫn truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt được định lượng bằng cách sửdụng Hệ đon vị quốc tế (đon vị SI) W/m-K (Watt trên mét trên độ Kelvin) và là nghịch đảo của điện trở nhiệt, đo lường khả năngchống truyền nhiệt của vật thể Phương trình dẫn nhiệt có thể được tính bằng cách sử dụng như sau:
Trong đó: À.= độ dẫn nhiệt (W/m.K)
L= chiều dài hay độ dày của vật liệu (m)
A = diện tíchbề mặt vật liệu (m2)
T2-T1 = hiệu chênh nhiệt độ giữa hai mặt của vật liệu Độdẫn nhiệt của một vật liệu cụ thể phụthuộc nhiều vào một số yếu tố Chúng bao gồm gradientnhiệt độ, tính chất của vật liệu và độ dài đường dẫn mà nhiệtđi theo Độ dẫn nhiệt của các vật liệu xung quanh chúng ta thay đổi đáng kể, từ những vật liệu có độ dẫn điện thấp như không khí có giá trị 0.024 W/mK ở o°c đến các kim loại dẫn nhiệt caonhư đồng
(385 W/mK) Độdẫn nhiệt của vật liệu xác định cách chúng ta sử dụng chúng, ví dụ, những vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp sẽ cách nhiệt tuyệt vời cho xây dựng và những vật liệu cách nhiệt, trong khi vật liệu dẫn nhiệt cao lý tưởng cho các ứng dụng cần truyền nhiệt nhanh chóng và hiệu quả từ khu vực này sang khu vực khác, khác, nhưtrong dụng cụ nấu ăn và hệ thống làm mát trong các thiết bị điện tử Bằng cách chọn vật liệu có độ dẫn nhiệt phù hợp vói ứng dụng, chúngtôi có thể đạt đượchiệu suất tốt nhất có thể.
Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt
Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt (TIMs), còn được gọi là vật liệu dẫn nhiệt tiếp xúc, là các vật liệu được sử dụng để truyền nhiệt từ một bề mặt sang bề mặt khác Chúng thường được áp dụng trong các ứng dụng liên quan đến tản nhiệt, truyền nhiệt hiệu quả và quản lý nhiệt độ Một số ví dụ về vật liệu dẫn nhiệt bề mặtbao gồm:
• Chất gốc kim loại: Được sử dụng rộng rãi, như nhôm và đồng, với khả năng dẫn nhiệt tốt vàdễ gia công Chúng thường được sử dụng trong tảnnhiệt máy tính, các bề mặttản nhiệt điện tử và các ứngdụng công nghiệp khác.
• Chất gốc polymer dẫn nhiệt: Các polymer chứa hạt hoặc sợi dẫn nhiệt, như các polymer chứa đồng, graphite, hoặc sợi carbon, được sử dụng để tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polymer thông thường.
• Chất đệm nhiệt: Vật liệu đệm nhiệt, chẳng hạn như pad đồng hoặc pad graphite, có khả năng dẫn nhiệt tốt và được sử dụng để tăng hiệu suất truyền nhiệt giữa các bề mặt.
• Chất bôi tron nhiệt: Các chất bôi trơn nhiệt, như chất bôi trơn silicone dẫn nhiệt, được sử dụng để cảithiện truyền nhiệtvà giảm độ ma sátgiữa các bề mặt.
Các loại vật liệu dẫn nhiệt bề mặt có tính chất và ứng dụng riêng Việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệtthích hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và cácyếu tố như khả năng dẫn nhiệt, khối lượng, chi phí và môi trường hoạt động.
Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa truyền nhiệt và quản lý hiệu suất nhiệt trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm điện tử, ô tô,viễn thông và hàng không vũ trụ.Trong ngành điện tử, vật liệu dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và điều chỉnh nhiệt độ trong các thành phần điện tử như vi xử lý, mạch điện tử, bộ nguồn và linh kiện khác Chúng giúp duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định và ngăn chặn quá nhiệt, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị điện tử Trong ngành ô tô, vật dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và quản lý nhiệt độ trong các thiết bị viễn thông như máy chủ, định tuyến, thiết bị mạng và các linh kiện điện tử khác Chúng đảm bảo ổn định hoạt động và tránh quá nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệthống viễn thông.Trong ngành hàng không vũ trụ, vật liệu dẫn nhiệt bề mặt được sử dụng để tản nhiệt và quản lý nhiệt độ trong các ứng dụng vũ trụ như vệ tinh, tàu vũ trụ và các thiếtbị trong không gian Chúng đảm bảo hoạt động ổn định vàan toàn trong môi trường khắc nghiệt và đảmbảo các thành phần không quá nóng hoặc quá lạnh Vật liệu dẫn nhiệt bề mặt chơi một vai trò quantrọng trong việc cải thiện truyền nhiệt và quản lý hiệusuất nhiệt, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậycủa cáchệ thống và thiếtbị trongnhiều ngành công nghiệp quan trọng.
Sợi Kevlar và sợi nano aramid
Sợi Kevlar là một loại sợi aramid nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Kevlar làtênthươnghiệu đăng ký của công ty DuPont, và sợi Kevlar được sản xuất từpolymeraramid gọi làpoly(para-phenyleneterephthalamide) (PPTA).
Hình 1.2: Công thức hoá học sợi Kevlar.
Quá trình tổng hợp từ para-phenylenediamine (PPD) và terephthaloyl chloride (TMC) phản ứng vớinhau trong môi trường hóa chấtphù hợp Quá trình này tạo rapolymer PPTA với các đơnvị lặp lại được kết nối bằngliên kếtamide.
Hình 1.3: Phươngtrìnhhoáhọc của quá trình tổng hợp nên sợiKevlar.
Cấu trúc polymer của sợi Kevlar này bao gồm các đơn vị lặp lại của para- phenylenediamine (PPD) vàterephthaloyl chloride (TMC) Trong cấutrúc polymer, cácđơn vị PPD và TMC được kết noi với nhauthông qua các liên kếtamide (CONH) Các liênkết amide này giữ chặt các chuỗi polymer và tạo ra một cấu trúc chắc chắn và bền vững Sợi Kevlar có cấu trúc phân tử chứacác vòng aromatic (vòng benzen) trong polymer Các vòng aromatic này là những cấu trúc phang và cứng, tạo ra tính cứng và ổn định cho sợi Kevlar Bên cạnh đó Kevlar được kéo và vận hành, làm cho các chuỗi polymertrong sợi có cấu trúc song song và thẳng hàng, cấu trúc này giúp tăng cường độ bền kéo và độ cứng của sợi Kevlar Ngoài rasợi Kevlar có các lực tươngtác mạnh giữa các phân tử, bao gồm lựctương tác van der Waals và liên ket hydrogen Nhờ các lực tương tác này, sợi Kevlar có tính chất cơ học và ổn định cao cấu trúc đặc biệt và sựkết hợp giữa các yếu tố trên giúp sợiKevlar có tính chất cơ học vượt trội, chịuđược tác động mạnh và đáp ứng tốt trong các ứng dụng đòi hỏi độ bềncao.
• Độ bền kéo cao: Sợi Kevlarcó độ bềnkéo rất cao, làmột trong những sợi tỗng hợp mạnh nhất hiện có trên thị trường Độ bền kéo của Kevlar khoảng 2.4-3.8 GPa (gigapascal) [1],
• Độ cứng cao: Sợi Kevlar có độ cứng lớn, chỉ ra tính cứng và khả năng chống biến dạng dưới tác động của lực Điều này làm cho Kevlar trỗ thànhmột vật liệu rất cứng, giúpduy trì hình dạng và kích thước banđầu của nó.
• Độ bền mài mòn: Sợi Kevlar có khả năng chống mài mòn tốt, giúp nó chịu được sự ma sát và gia tăng độ bền trongmôi trường mài mòn.
• Độ bền nhiệt: Sợi Kevlar có khả năng chịu nhiệt cao, không bị phân hủy hoặc mất tínhchất cơ học ỗ nhiệt độ cao [2],
• Độ trương của sợi thấp: SợiKevlar có độ trương(độgiãn dài tuyến tính) thấp, tức là không cogiãn nhiều dưới tác động của lực kéo Điều này làm cho nógiữ được kích thướcvà hình dạng ban đầu của sợi.
• Kháng tác nhân hoá học: Sợi Kevlarcó khả năng chống lại tác động củanhiều dung
• Khángtia UV: Sợi Kevlar có khảnăng kháng tia cực tím (UV) đáng kể Điều này có nghĩa là sợi aramid không phân hủy hoặc suy giảm tính chất dưới tác động của ánh sáng mặt trời trong thời gian dài.[3]
• Tính chất kháng ẩm: Nó không hấp thụ nước và không bị biến dạng khi tiếp xúc với môi trường có độ ẩm cao Sọi Kevlar có khả năng chống thấm ẩm tốt và không thay đổi tính chất co học ngay cả khi tiếp xúc với môi trường có độ ẩm cao Sợi Kevlar duy trì tính bền kéo và độ cứng của nó mà không bị mềm hay giãn dãn do hấp thụ nước.
• Tính chất kháng cháy: Sợi nano aramid, bao gồm cả sợi nano Kevlar, có tính chất kháng cháy đáng chú ý [3] Nó có khả năng chống cháy tốt và không cháy hoặc chỉ cháy rất chậm khi tiếp xúc với ngọn lửa Sợi nano aramid không cháy một cách nhanh chóng vàkhông tạo ra lượng khói đáng kể trong quá trình cháy Điều này làm cho sợi nano aramid, bao gồm sợi nano Kevlar, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu tính chất kháng cháy và an toàn cháy như trong sản xuất áo giáp, vật liệu cách nhiệtvàbảo vệ cháy.
Sợi nano aramid là một biến thể của sợi aramid vói đường kính nhỏ hon, chỉ khoảng vài đến vài chục nanomet, tưong đưong với hàng trăm lần nhỏ hơn so với đường kính sợi aramid thông thường Sợi nano aramid có bề mặt lớn và tính chấtcơ học và cơ hóa đặcbiệt, đặc biệt là độ cứng và độ bền kéo nổi cũng như khảnăng chịu nhiệt độ cao, khảnăng chống cháy và khảnăng chống rách Chúng có tiềm năng ứngdụng trong nhiều lĩnh vựccông nghệ tiên tiến, chẳng hạn như trong lĩnh vực vật liệu cứng, linh kiện công nghệ nano, y học, và năng lượng.
Ban đầu graphene đã nhận được nhiều sự chú ý trong công nghệ nano vì những đặc tính nổi bật như diện tích bề mặt riêng lớn (2600 m2-g-l) [4], tính chuyển động của hạt tải điện
(200000 cm2 V-l s-l) [5], độ dẫn nhiệt xuất sắc (5000 W-m-1-K-l) [6] cấu trúc của graphene 2D được tách ramột cách thành công từ than chì khối Tuy nhiên graphene có một số khuyết điểm, bao gồm cấu trúc chưa hoàn hảo, vật liệu trơ về mặt hóa học và không có khe năng lượng.
Graphene fluoride là một trong những vật liệu nano carbon hai chiều (2D) quan trọng nhất có nguồn gốc từ graphene So với các dẫn xuất graphene khác, GF thể hiện nhiều tính năng đặc biệt do sự hình thành các loại liên kết C-F khác nhau Hình 14 cho thấy cấu trúc 2D độc đáo củaGF ở vị trí nhìn từ trên xuống (trái) vànhìn từ bên (phải) Do độ âm điện của nguyên tử flo (4,0) mạnh hơn so với các nguyên tử carbon (2.5), hydro (2.2) và oxy (3.4), GF có thể được sử dụng làm chất cách điện mỏng hoặc rào cản đườnghầm Ngoài ra,
GF có thể thể hiện các đặc tính khác nhau của liên kết C-F bao gồm liên két cộng hóa trị, liên kết ion/bán ion do sự khác biệt về độ âm điện (1.5) giữa các nguyên tử carbon và flo Hơn nữa, GF có thể phát triển thành vật liệu catốt ưu việt do khả năng lưu trữ điện hóa hiệu quả và phát ra năng lượng mật độ cao (2162 Wh’kg-1) Và liên kết cộng hóa trị C-F trong
GF có khả năng đáp ứng mạnh với các tín hiệu sinh học, phù hợp cho các ứng dụng sinh học Cuối cùng, GF có năng lượng bề mặt cực thấp do liên kết cộng hóa trị C-F Đe chế tạo
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.5.1 Trong nước Ở Việt Nam, nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu tản nhiệt bề mặt đang đượcnghiên cứu tích cực Tiến sĩ Bùi Hùng Thắng tại Viện Hàn Lâm Khoa Học và CôngNghệ Việt Nam đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt sử dụng vật liệu graphene và ống nano carbon Tiến sĩ Đỗ Hữu Quyết tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ đã chế tạo và thưong mại hoá keo dẫn nhiệt sử dụng vật liệu graphene ứng dụng để làm vật liệu dẫn nhiệt trong các thiết bị điện tử
Các thập kỉ trước, các nhà khoa học trộn các vật liệu dẫn nhiệt cao (chất độn) như vật liệu kim loại (đồng, bạc), vật liệu ceramic (silicon carbide, boron nitride) ở các dạng hình thái khác nhau như hạt nano, sợi nano vào cácloại chấtnền polyme khácnhau tạo thành các compositđể ứngdụng vật liệu tản nhiệt bề mặt [9][10][l 1][12].
Tuy nhiên, việc trộn ngẫu nhiên các chất độn nano vào chất nền polymer khôngtăng độ dẫn nhiệt của composit nhiều, bởi vì các chất độn nano khó phân tán đều trong chất nền để tạo thành các đường dẫn nhiệt bên trong composites Vì thế, một lượng lớn chất độn cần được thêm vào chất nền polyme để làm tăng và đạt độ dẫn nhiệt của composites mong muốn Những năm gần đây, các nhà khoa học thay đổi cách chế tạo composites dẫn nhiệt, bằng cách chế tạo các cấu trúc 3D của chất độn, sau đó sẽ điền polyme vào cấu trúc đó để tạo thành composites [13][14] Giáo sư Balandin tại Đại học California và giáo sư Wong từ Viện Công nghệ Georgia đã nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn nhiệt bề mặt từ polyme composites với các cấu trúc 3D sử dụng các loại vật liệu nano carbon như graphen, ống carbon và đã đạt đượccomposites có độ dẫn nhiệtrấtcao [12][13].
1.5.3 Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố
Các vật liệu dẫn nhiệt bề mặt từ đa số các nghiên cứu trước đây sử dụng chất nền polyme như epoxy nên có độ cứng rất cao Hon thế nữa, các vật liệu nano carbon cũng có độ dẫn điện cao do đó bị hạn chế trong chế tạo vật liệu dẫn nhiệt bề mặt trong các thiết bị điện tử Vì thế, các vật liệu dẫn nhiệt bề mặt này không linh hoạt để lấp vào các khoảng trống giữa linh kiện điện tử và tấm tản nhiệt nên khả năng tản nhiệt bị hạn chế và không đượcứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử thông minh thế hệ mói Hơn thế nữa, các vật liệu giao tiếp dẫn nhiệt trước đây còn có thêm nhược điểm nữa là dẫn điện cao (vì sử dụng vật liệu carbon) và bị giới hạn ứng dụng, cụ thể như chất lỏng tản nhiệt không thể sử dụng trong thiết bị điện tử di động, hay keo dẫn nhiệt không đó độ đàn hồi hay co giãn, chỉ dùng để sử dụng trong các linh kiện cố định.
1.6 Các phưong pháp phân tích dùng trong nghiên cứu
Hình thái học của vật liệu được đo sử dụng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, GeminiSEM 360, ZEISS) và kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmision Electron Microscopy, JEM-1400Flash, JEOL) Độ bền cơ học củamàng film GF/ANF được đo sử dụng máy đo vạn năng ZwickiLine Z0.5 (Zwick-Roell) Mau được cắt với kích thước
Các phương pháp phân tích dùng trong nghiên cứu
SEM, là một phưong pháp hiển thị hình ảnh và nghiên cứu cấu trúc bề mặt vật liệu vói độ phóng đại cao sử dụng tia electron Kỹ thuật SEM sử dụng tia electron để quét qua một mẫu và ghi lại tưong táccủa các tia này với bề mặt mẫu Kết quảlà một hình ảnh được tạo ra, cho phép quan sátchi tiết về cấutrúc bề mặt của mẫu.
SEM có độ phóng đại cao hon so với kính hiển vi quang thông thường, cho phép xem các chi tiết nhỏ hon và cung cấp thông tin về hình dạng, kích thước, và sự phân bố của các thành phần trên bề mặt mẫu Nó có thể được sử dụng để quan sát các vật liệu từ rất rộng, bao gồm kim loại, gốm, nhựa, tổchức sinh học, vànhiều vậtliệu khác.
SEM có thể tạo ra các hình ảnh 2D và 3D, tùy thuộc vào cấu hình của thiết bị và quá trình xử lý ảnh Ngoài ra, các phương pháp pha chú trọng như EDS (Energy-Dispersive X- ray Spectroscopy) hoặc EBSD (Electron Backscatter Diffraction) cũng có thể được sử dụng để thuthập thông tin phổhoặc cấu trúc tinh thể của mẫu. ứng dụng của SEM rất đa dạng, bao gồm nghiên cứu vật liệu, quan sát các mô hình bề mặt, phân tích hình thái hạt, điều tra cấu trúc vi mô và nano, và kiểm tra chất lượng trong công nghiệpvà nghiên cứu khoa học.
TEM, là một phương pháp khoa học sử dụng tiaelectron để quét và nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của mẫu với độ phóng đại cao Khác với SEM (Scanning Electron Microscopy) là phương pháp quét bề mặt, TEM cho phép xem và nghiên cứu mẫu thông qua việc truyền tia electron qua mẫu.
Trong TEM, một tia electron được tạo ra từ một nguồn electron và được tập trung và tăng tốc thông quamộthệ thống ống kính electron Tia electron sau đó truyền qua mẫu mà ta muốn nghiên cứu Mau này thường được chuẩn bị một cách kỹ lưỡng, ví dụ như được cắt mỏng thành các lát mỏng Tia electron đã truyền qua mẫu được thu thập và tiếp tục đi qua một loạt các ống kính và tấm nền (detector) để tạo thành hình ảnh TEM cung cấp khả năng quan sát cấu trúc và tính chất của mẫu ở mức độ nguyên tử Điều này cho phép nghiên cứu chi tiết về cấu trúc tinh thể, hình dạng và kích thước hạt, sự phân bố nguyên tử, cấu trúc định hình và các tính chất vật lý và hóa học kháccủa mẫu.
TEM có nhiều ứng dụngtrongcác lĩnh vực như vậtliệu, nanoteknologi, sinh học, y học, vật lý và nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác Nó là một công cụ quan trọng để nghiên cứu các vật liệu nano, tinh thể, vi khuẩn, virus và các vật liệu khác có kích thước nhỏ và cấu trúc phức tạp.
1.6.2 Độ bền kéo ♦ Độbền kéolà một đặc tính cơ học được sử dụng để đo khả năng của vật liệu chịu đựng các lực kéo mà không gãy hoặc bị biến dạng vĩnh viễn Đâylà một thông số quan trọng cho các vật liệu được sử dụng trong các ứng dụng cơ khí và kỹ thuật, vi nó giúp đánhgiá tính bền vàtính phù họp của vật liệu chocáccôngviệccụthể.
Khi vật liệu chịu một lực kéo, nó bị kéo dài theo hướng của lực Độ bền kéo được xác định là giá trị căng tối đa mà vật liệu có thể chịu trước khi gãy hoặcvỡ Thông thường, độ bền kéo được biểu thị bằng đơn vị lực trên đơn vị diện tích, chẳng hạn như pounds per square inch (psi) hoặc megapascals (MPa) Để đo độ bền kéo, tiến hành thử nghiệm kéo, trong đó một mẫu chuẩn của vật liệu được kéo ra một cách kiểm soát cho đến khi nó gãy Trong quá trìnhthửnghiệm, đo lực kéo và đo độ kéo dài của mẫu, từ đó tínhtoánrađộ bền kéo sử dụng lực tối đatrước khi gãy và diệntíchban đầu của mẫu.
Các loại vật liệu khác nhau có độ bến kéo khác nhau Ví dụ, các kim loại như thép và nhôm thường có độ bền kéo cao, làm cho chúng phù hợp cho các cấu trúc chịu tải Trong khi đó, các vật liệu như cao su hoặc nhựa thường có độ bền kéo thấp hơn, nhưng có thể có các đặc tínhkhác có lợi phù họp cho các ứng dụng khác Độ bền kéo chỉ là một trongnhiều đặc tính cơhọc được sử dụng để đặc trưng cho vật liệu Các đặc tính quan trọng khác bao gồm độ bền nén, độ bền cắt, độ cứng và nhiều đặc tính khác, và việc lựa chọn vật liệu cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào việc cân nhắc cẩn thận các đặc tính này liên quan đến các yêu cầu cụ thể của dự án.
Hình 1.3: Mô tả quá trìnhđo độ dẫn nhiệt bằng phương pháp Laser Flash.
Mẩu được đo bằng phương pháp LaserFlash Laser Flash Analysis (LFA), còn được gọi là phương pháp đo Laser Flash, là một phương pháp phổ biến được sử dụng để đo độ dẫn nhiệt của vật liệu Nó là một phương pháp không tiếp xúc vànhanh chóng, thường được sử dụng trong nghiên cứu và công nghiệp để xác địnhkhả năng truyền nhiệt của các vật liệu rắn và lỏng.
Nguyên lý hoạt động của Laser FlashAnalysis dựa trên nguyêntắc rằng một xung laser ngắn được phóng qua một mẫu, gây ra một đột ngộttăngnhiệtđộtại điểm tiếp xúc của laser và mâu Quá trình truyên nhiệt từ mâu xuât phát từ điêm tiêp xúc đó được quan sát thông qua sự thay đổi của nhiệt độ theo thời gian Bằng cách đo và phân tích sự biến đổi nhiệt độ, ta cóthể suy ra độ dẫn nhiệt của vật liệu.
Laser Flash Analysis được sử dụng trong một phạm vi rộng các vật liệu từ rắn, chẳng hạn như kim loại, gốm,polymer, đến các chất lỏng và chất dẻo Nó cũng có khảnăng đo độ dẫn nhiệttrong khoảng nhiệt độ rộng, từ nhiệt độthấp đến nhiệt độ cao.
Các thông số quan trọng có thể đo được bằng Laser Flash Analysis bao gồm độ dẫn nhiệt (thermal conductivity), dung lượng nhiệt (specific heat capacity), và độ dẫn nhiệt hiệu dụng (effective thermal diffusivity) Các dữ liệu thu thập từ phưong pháp này thường được sử dụng để hiểu về tính chất truyền nhiệt và hiệu suất nhiệt của vật liệu trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao, quá trình làm lạnh, vật liệu cách nhiệt, và nhiều ứng dụng công nghiệpkhác.
Laser Flash Analysis cung cấp một phưong pháp nhanh chóng và chính xác để đo độ dẫn nhiệt, và nó được coi là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển vật liệu có hiệu suất nhiệtcao.
1.6.4 Độ cách điện Độ cách điện được đo bằng phưong pháp 4 đầu dò (4-point probe method) là một phưong pháp đo độ cách điện (resistivity) của vật liệu dẫn điện Nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vựcnghiên cứu và sản xuất vật liệu để xác định đặctính điện trở và độ cách điện của các mẫu mỏng, màng mỏng, và các vật liệu dẫn điện khác.
NỘI DUNG
Hóa chất và thiết bị
STT Hoá chất Xuất sứ
1 Sợi Kevlar Dupont (Hoa kỳ)
2 Dimethylsulfoxide (DMSO) Thermo Fisher (Hoa kỳ)
3 Kali hydroxit (KOH) Thermo Fisher (Hoa kỳ)
4 Ethanol Thermo Fisher (Hoa Kỳ)
5 Graphite fluoride ACS Materials (Hoa Kỳ)
7 Ethanol Thermal Fisher (Hoa Kỳ)
- Máy khuấy từ gia nhiệt
2.2.1 Tổng họp sợi nano aramid (ANF)
Sợi nano aramid được tổng hợp bằng cách thuỷ phân sợi Kevlar [17] theo sơ đồ trong hình3.1 Hoà tan 0.9 g KOH trong hỗn hợp dung dịch của 192 ml DMSO và 8 ml H2O, sau đó cho từ từ 0.6 g sợi Kevlar (đã được cắt nhỏ thành các đoạn dài từ 5-10 cm)vào dung dịch Hỗn hợp sau đó được khuấy từ gia nhiệt (500 vòng/phút ) trong bể dầu tại nhiệt độ 70 oC trong 4 h để thu đượcdung dịch sợi nano aramid màu đỏ đậm cónồng độ 3 mg/ml.
Hình 2.1: Phương trình thuỷ phân sợi Kevlar tạo thành sợi nano aramid.
2.2.2 Tổng họp graphene fluoride (GF) Để tổng hợp Graphene fluoride có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng máy nghiền bi, sử dụng máy siêu âm hay còn được gọi là tách cơ học và sử dụng lò phản ứng taylor-couette Ở nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đó là đánh siêu âm.
Graphite fluoride được phân tán trong ethanol với nồng độ là 2 mg/ml và dung dịch được đánh siêu âm trong vòng 4 h Sau đó, dung dịch được đem đi ly tâm với tốc độ 3000 rpm. Phần cặn chứagraphite fluoride chưa phân tách, phần lỏng có chứa graphene fluoride được thu lại vàtrải qua quá trình lọc chân không và sấy tại 90 °C đề thu được graphene fluoride ở dạng bột.
2.2.3 Tổng hợp màng film GF/ANF
Cân một lượng GF và cho vào 10 ml dung môi ethanol sau đó khuấy từ với tốc độ 500 vòng/phút trong 15 phút để GF phân tán tốt trong dung môi ethanol Trong khi đó, một lượng dung dịch nano aramid được cho vào becker có chứa 10 ml nước cất, hỗn hợp được khuấy từ (500 vòng/phút) trong 5 phút để rửa sợi nano aramid, sau đó hỗn hợp này được lọc chân không để loại bỏ dung dịch rửa sao cho phần lọc còn tương đối ẩm Lấy phần rắn lọc được cho vào 10 ml dung dịch ethanol rồi khuấy từ trong 15 phút với tốc độ 500 vòng/phút Cho dung dịch z4NF đã tổng hợp ở3.2.1 vàobecker chứa GF/ethanol ban đầu rồi tiếp tục khuấy ở tốc độ 1000 vòng/phúttrong 15 phút cho GF phân tán đều trong dung dịch ANF Cuối cùng, hỗn hợp GF/ANF đươc lọc qua màng Polytetrafluoroethylene (PTFE) để tạo thành màng GF/ANF Màng sau khi lọc đem đi sấy ở nhiệt độ 90 oC trong 2 ngày Một loạt các màng GF(x%wt)/ANF với hàm lượng khối lượng GF khác nhau (x -60%wt) được chuẩn bị Để so sánh,màng film ANF cũng được chế tạo theocùng phương pháp.
Màng film GF/ANF GF/ANF/ethanol
Hình 2.2: Quy trình chế tạo màngfilm GF/ANF.
Bảng 1: Thành phần khối lượng các chất trong màng film
Màng film GF (lmg/ml) ANF (3mg/ml)
KÉT QUẢ VA THẢO LUẬN
Hình thái học
Hình 3.1 trình bày hình thái học cửa chất độn và chất nền cấu tạo của màng film GF/ANF Hình 3a cho thấy graphite fluoride có cấu trúc hai chiều (2D), dạng miếng có bản rộng với kích thước lớn hon 200 pm và độ dày nhỏ Sau quá trình đánh ly tâm, graphite fluoride bị phân táchthành các miếng nano graphene fluoride có kích thước 1 -2 pm vàđộ dày ởkích thước nm (Hình3b) Hình3c cho thấy sợi kevlar có đường kính khoảng 20 pm. Sau quá trinh thuỷ phân trong dung dịch KOH/DMSO thu được sợi nano aramid Hình 3d cho thấy, sợi nano aramid có đường kính với kích thước vài nm, độ dài vài pm Các sợi nano aramid có xu hướng kết dính lại với nhau do chúng cótưong tác liên ket hydromạnh.
Hình 3.1: Hình SEMcủa(a)graphitefluoride, (b) GF, (c) sợi Kevlar, (d) Hình TEM của ANF.
Cấu trúc tinh thể
Phân tích XRD được tiến hành để kiểm tra cấu trúc tinh thể của graphite fluoride than chì, GFvà ANF Mau XRD của graphite fluoride than chithe hiện đỉnhnhiễuxạrộng 20 ở khoảng 13.6°, cũng như một đỉnh mạnh và hẹp ỏkhoảng26.5° Đỉnh đầu tiên tưong úngvới phản xạ cho mặt phang (001), cho thấy sự hiện diện của cấu trúc lục giác trong graphite fluoride Đỉnh thứ 2 là do nhiễu xạ của cấu trúc graphite cho thấy độ kết tinh tốt Sự khác biệt giữa graphite fluoride và GF là không có đỉnh nhiễu xạ ở 20 &.5°, tưong ứng với khoảng cách d là 3.34 Ẳ Sự biến mất này cho thấy quá trình phân tách graphite íluoride thành công, dẫn đen sự hình thành các cấu trúc lóp mỏng tưong tự như sự biến đổi từ graphite thành graphene Trong khi đó XRD của ANF cho thay 2 đỉnh rộng nằm ở vị trí 2014° và 20° tưong ứng với mặt phang (110) và (200) Các đỉnh rộng biểu thị tính chất vô định hình của ANF.
Hình 3.2: XRD củagraphite fluoride, GF, ANF.
Liên kết hoá học
Pho FTIR của graphite íluoride cho thấy có 2 đỉnh nằm ở vị trí 1245 cm’1 và 1300 cm’1 được gán cho liên ket C-F vàdải C-F2 Sau quá trìnhphântách, GF thu được vẫncho thay hai liên kết liên quan đến flo hóavà sự xuất hiện 1 đỉnhmới có tâm ỏ 3400 cm'1 quy cho các nhóm hydroxit (-OH) Pho FTIR của ANF thể hiện nhiều đỉnh nằm trong dải sóng 600-
1700 cm'1 biểu thị cho liên kết của các nhóm (-OH, -COOH, -COC) và nhóm carbon (C=C, C-C) Mộtđỉnh ở vùng phổ 3400 cm'1 biểu thị cho nhóm chức amin (-NH2) Vì thế, nhóm amin có thể hình thành liên ket hydro với hydroxyl trên bề mặt của GF, điều này sẽ tăng cường các tính chấtco học và tính dẫn nhiệt mạnh mẽ.
Hình 3.3: Phổ FTIR của graphite flouride, GF và ANF
3.4 Độ bền CO' học của màng film GF/ANF
Vật liệu dẫn nhiệt có độ bền cơ học tốt là yêu cầu cần thiết để nó có thể được ứng dụng tản nhiệt trong các thiết bị điện tử thông minh Ket quả độ bền cơ học của màng film GF/ANF vói hàm lượng GF khác nhau được trình bày ở Hình 3.4 Hình 3.4a và 3.4b cho thấy độ bền kéo của màng film ANF đạt được là 140.68 MPa và độ dãn dài khoảng 6.3%. Điều đó cho thấy màng film ANF có độ cơhọc ưu việt hơn cả màngfilm sợi nano cellulose có độ bền kéo khoảng 110 MPa [15], Tuy nhiên, khi cho chất độn GF có hàm lượng 20% vào màng film ANF thì màng GF20/ANF thu được có độ bền kéo tăng lên 150 MPa Khi hàm lượng chất độn GF lớn hơn 30% thì độ bền kéo của màng film GF/ANF thu được bị giảm Ví dụ như với hàm lượng khối lượng của GF là 60% thì độ bền kéo giảm còn khoảng
91 MPa cùng vói độ dãn dài là 5.6% Việc thêm chất độn GF vào khiến cho độ bền của màng film giảmxuống là do chất độn GF làm xáo trộnvà ngăn cản liên kếtliêntục của sợi nano aramid trong màng film Điều này đã được chứng minh trong rất nhiềunghiên cứu chế tạo màng film có trộn chất độn (ví dụ boron nitride, graphene, carbon nanotube)trước đây [16]][ 17] Nhưng đáng chúý là màng film GF/ANF vẫn duytrì độ bền kéo lớn hơn90 MPa ngay cả khi ở hàm lượng chất độn GF là 60% Vói độ bền kéo này, màng film GF60/ANF vẫnđáp ứng được yêu cầuvề độ bền kéo cho các ứng dụng tản nhiệt trongthiết bị điện tử. Hình 3.4c cho thấy độ dẻo dai của màng film ANF là cực cao khoảng 5.85 MJ7m3 Độ dẻo dai của màng GF/ANF cao hơn so vói màng film ANF Độ dẻo dai tăng lên khoảng 11.7 MJ7m3 khi màng film ANF chứa hàm lượng GF là 20 wt% Tuy nhiên khi tăng hàm lượng GFtrên 30 wt% thì độ dẻo dai củamàng lạigiảm xuống Đặc biệt, khi hàm lượng GF tăng lên 40 wt%, 50 wt%, 60 wt%, độ dẻo dai của màng film lạigiảmmạnh xuống lần lượt là 7.5 MJ/m3, 5.36 MJ/m3 và 2.96 MJ/m3.
Hình 3.4d-f cho thấy màng film GF40/ANF có độ bền cơ học ưu việt Màng film GF40/ANF có thể bị bẻ cong (Hình 3.4d), hay gấp nhiều lần (Hình 3.4e) mà vẫn không bị rách Trong khi đó, Hình 3.4fcho thấy màng GF40/ANF có khả năng giữ quả cân có khối lượng 500g mà không bị đứtgãy.
Hình 3.4: (a) Đường cong độ bền kéo - độ dãn dài của màng film GF/ANF vói hàm lượng
GF khác nhau, (b) tổng hợp độ bền kéo và độ dãn dài của màng film GF/ANF vói hàm lượng GF khác nhau, (c) độ dẻo dai của màng film GF/ANF với hàm lượng GF khác nhau, (d) thí nghiệm bẻ cong màng film GF40/ANF, (e) thí nghiệm gấpnhiều lầm lần màng film GF40/ANF, (f) thí nghiệm giữ quả cân khối lượng 500g của màngGF40/ANF.
3.5 Độ dẫn nhiệt của màng GF/ANF Độ dẫn nhiệt của màngfilm GF/ANF được đo bằng phưong pháp laser flash Ket quả đo độ dẫn nhiệt của màng film GF/ANF được trình bày ở Hình 3.5 Ket quả cho thấy, độ dẫn nhiệt X// của màng ANF là tưong đối cao (1.5 W/mK)bởi vì chúng có độ kết tinhcaovà khả năng định hướng cao của sợi ANF dọc theo hướng trong mặt phẳng Khi phối trộn GF vào màng ANF làm cho độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng cao đáng kể Với hàm lượng GF tăng lên tói 30 wt% thì độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng tuyến tính lên đến 5.63 W/mK Nhưng khi hàm lượng GF tăng lên hơn 30 wt%,thì độ dẫn nhiệt X//của màng GF/ANF tăng lên một cách nhanh chóng Ví dụ, khi khối lượng của chất độn GF 50 wt%, thì độ dẫn nhiệt X// của màng GF50/ANF đạt được 16 W/mK, cao gấp gần 3 lần so với độ dẫn nhiệt củamàngfilm GF30/ANF, và cao gấphơn 10 lần so với độdẫn nhiệtcủamàng film ANF Sự kết hợp của chất độn GF vào màng film ANF làm cho độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng cao là do chất độn GF có độ dẫn nhiệt X// cao (1800 W/mK), và do sự sắp xếp có định hướng theo phương song song với mặt phẳng tạo ra nhiều mạng dẫn nhiệt Điều đó làm giảm đáng kể sự tán xạ phonon (phonon scattering) theo hướng song song với mặt phẳng và do đó nâng cao đáng kể khảnăng truyền dẫn của phonon, kết quả là làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt củamàng GF/ANF.
Trong khi đó, độ dẫn nhiệt theo phương vuông góc X jl của màng GF/ANF cũng tăng tỷ lệ thuận theo hàm lượng GF, nhưng rõ ràng là thấp hơn so với độ dẫn nhiệt theo phương song song Điều đó cho thấy màng GF/ANF có tính chất dẫn nhiệt bất đẳng hướng cao Ví dụ, tại hàm lượng GF 60 vvt%, màng GF60/ANF có độ dẫn nhiệt X// là 25 W/mK, trong khi đó độ dẫn nhiệt X jl chỉ đạt được 2.5 W/mK. Độ ổn định ở nhiệt độ cao là yêu cầu quan trọng đối với các vật liệu dẫn nhiệt trong các thiết bị điện tử hiện đại Hình 3.5b cho thấy độ dẫn nhiệt X// của màng GF40/ANF được đo tại các nhiệt các nhiệt độ khác nhau Kết quả cho thấy, màng GF40/ANF có độ ổn định nhiệt tốt ngay cả ởnhiệt độ cao Ví dụ, khi nhiệt độ tăng lên đến 200°C, độ dẫn nhiệt X// của màng GF40/ANF giảm tương đối thấp (1 o11 Qcm) vẫn cao hơn điện trở suất tối thiểucủa vật liệu cách điệnlà 1 o9 Qcm Các ưu điểm kết hợp như độ dẫn nhiệt vượttrội, độ bền cơ học ưuviệt cùng với tinh cách điện tuyệt vời của màng film GF/ANF khiến chúng có triển vọng cao trong ứng dụng quản lý tản nhiệt trong các thiết bị điện tử công suất cao Bởivì, màng film GF/ANF có khảnăng dẫn nhiệthiệu quả trong khi vẫnduy trì khảnăng cáchđiện đầyđủ, do đó đáp ứng các yêu cầu thiết yếu để các linh kiệnđiện tử vận hành an toàn và đáng tíncậy.
Hình 3.6: Điện trở suất của màng film GF/ANF vớihàm lượng GF khác nhau.
Độ dẫn nhiệt của màng GF/ANF
Độ dẫn nhiệt của màngfilm GF/ANF được đo bằng phưong pháp laser flash Ket quả đo độ dẫn nhiệt của màng film GF/ANF được trình bày ở Hình 3.5 Ket quả cho thấy, độ dẫn nhiệt X// của màng ANF là tưong đối cao (1.5 W/mK)bởi vì chúng có độ kết tinhcaovà khả năng định hướng cao của sợi ANF dọc theo hướng trong mặt phẳng Khi phối trộn GF vào màng ANF làm cho độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng cao đáng kể Với hàm lượng GF tăng lên tói 30 wt% thì độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng tuyến tính lên đến 5.63 W/mK Nhưng khi hàm lượng GF tăng lên hơn 30 wt%,thì độ dẫn nhiệt X//của màng GF/ANF tăng lên một cách nhanh chóng Ví dụ, khi khối lượng của chất độn GF 50 wt%, thì độ dẫn nhiệt X// của màng GF50/ANF đạt được 16 W/mK, cao gấp gần 3 lần so với độ dẫn nhiệt củamàngfilm GF30/ANF, và cao gấphơn 10 lần so với độdẫn nhiệtcủamàng film ANF Sự kết hợp của chất độn GF vào màng film ANF làm cho độ dẫn nhiệt X// của màng film GF/ANF tăng cao là do chất độn GF có độ dẫn nhiệt X// cao (1800 W/mK), và do sự sắp xếp có định hướng theo phương song song với mặt phẳng tạo ra nhiều mạng dẫn nhiệt Điều đó làm giảm đáng kể sự tán xạ phonon (phonon scattering) theo hướng song song với mặt phẳng và do đó nâng cao đáng kể khảnăng truyền dẫn của phonon, kết quả là làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt củamàng GF/ANF.
Trong khi đó, độ dẫn nhiệt theo phương vuông góc X jl của màng GF/ANF cũng tăng tỷ lệ thuận theo hàm lượng GF, nhưng rõ ràng là thấp hơn so với độ dẫn nhiệt theo phương song song Điều đó cho thấy màng GF/ANF có tính chất dẫn nhiệt bất đẳng hướng cao Ví dụ, tại hàm lượng GF 60 vvt%, màng GF60/ANF có độ dẫn nhiệt X// là 25 W/mK, trong khi đó độ dẫn nhiệt X jl chỉ đạt được 2.5 W/mK. Độ ổn định ở nhiệt độ cao là yêu cầu quan trọng đối với các vật liệu dẫn nhiệt trong các thiết bị điện tử hiện đại Hình 3.5b cho thấy độ dẫn nhiệt X// của màng GF40/ANF được đo tại các nhiệt các nhiệt độ khác nhau Kết quả cho thấy, màng GF40/ANF có độ ổn định nhiệt tốt ngay cả ởnhiệt độ cao Ví dụ, khi nhiệt độ tăng lên đến 200°C, độ dẫn nhiệt X// của màng GF40/ANF giảm tương đối thấp (1 o11 Qcm) vẫn cao hơn điện trở suất tối thiểucủa vật liệu cách điệnlà 1 o9 Qcm Các ưu điểm kết hợp như độ dẫn nhiệt vượttrội, độ bền cơ học ưuviệt cùng với tinh cách điện tuyệt vời của màng film GF/ANF khiến chúng có triển vọng cao trong ứng dụng quản lý tản nhiệt trong các thiết bị điện tử công suất cao Bởivì, màng film GF/ANF có khảnăng dẫn nhiệthiệu quả trong khi vẫnduy trì khảnăng cáchđiện đầyđủ, do đó đáp ứng các yêu cầu thiết yếu để các linh kiệnđiện tử vận hành an toàn và đáng tíncậy.
Hình 3.6: Điện trở suất của màng film GF/ANF vớihàm lượng GF khác nhau.