Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌCKHOA 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 HỌCKHOA 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN NGỌC MINH HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi – 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 hướng dẫn PGS.TS Phan Ngọc Minh Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực, không chép từ tài liệu Nếu luận văn chép từ tài liệu tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo pháp luật Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Hƣơng i LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phan Ngọc Minh, người trực tiếp giao đề tài tận tình hướng dẫn em hồn thành luận văn Em gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Bùi Hùng Thắng, người thầy truyền đạt cho em nhiều kiến thức kinh nghiệm quí báu học tập nghiên cứu khoa học Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy cô giáo môn Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội bảo giảng dạy em suốt năm học qua việc hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn tồn thể cán phịng Vật liệu Cacbon nano, Viện Khoa học Vật liệu giúp đỡ em tận tình, tạo điều kiện thuận lợi cho em nhiều kinh nghiệm q báu suốt q trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hồn thành luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ em q trình nghiên cứu hồn thành luận án Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Hƣơng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined 1.1 Tổng quan vật liệu ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.1.2 Cấu trúc ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.3 Tính chất vật liệu CNTs Error! Bookmark not defined 1.1.4 Một số ứng dụng ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano Error! Bookmark not defined 1.2.2 Các phương pháp chế tạo Error! Bookmark not defined 1.2.3 CNTs - Nanofluids Error! Bookmark not defined 1.2.4 Ứng dụng chất lỏng nano Error! Bookmark not defined 2.1 Phương án thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các hóa chất vật liệu sử dụng Error! Bookmark not defined 2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs Error! Bookmark not defined iii 2.2.3 Phân tán CNTs chất lỏng tản nhiệt Error! Bookmark not defined 2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử Error! Bookmark not defined 2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Error! Bookmark not defined 2.3.2 Ứng dụng CNTs đèn LED công suất lớn Error! Bookmark not defined 2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Error! Bookmark not defined 2.4.2 Phổ Raman Error! Bookmark not defined 2.4.3 Phổ Zeta - Sizer Error! Bookmark not defined 2.4.4 Phép đo hình thái học SEM Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs Error! Bookmark not defined 3.2 Kết phân tán CNTs - OH chất lỏng tản nhiệt EG/DW Error! Bookmark not defined 3.3 Cơ chế phân tán CNTs chất lỏng tản nhiệt Error! Bookmark not defined 3.4 Kết ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vi xử lý máy tính Error! Bookmark not defined 3.4.1 Tản nhiệt quạt Error! Bookmark not defined 3.4.2 Tản nhiệt chất lỏng chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not defined iv 3.5 Kết ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn Error! Bookmark not defined 3.6 Cơ chế nâng cao hiệu tản nhiệt Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……… 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 v DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác cacbonError! Bookmark not defined Hình 1.2 Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngangError! Bookmark not defined Hình 1.3 a) Cấu trúc tinh thể Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Cấu trúc Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Hình ảnh TEM MWCNTs lần Ijima 1991 Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Các dạng cấu trúc CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs Error! Bookmark not defined Hình 1.7 a) Lớp graphen cuộn lại; b) cầu fullerences khép kín đầu ống nano cacbon Error! Bookmark not defined Hình 1.8 (a) Véc tơ chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) chiral (10, 5) Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Các sai hỏng cấu trúc lục giác Error! Bookmark not defined Bảng So sánh tính chất CNTs với số vật liệu.Error! Bookmark not defined Hình 1.10 a) Cấu trúc điện tử hàm phân bố lượng; b) vùng Brillouin graphene Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Hàm phân bố lượng: a) armchair (5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag (10,0) Error! Bookmark not defined Hình 1.12 So sánh độ dẫn nhiệt CNTs với vật liệu khácError! Bookmark not defined vii Hình 1.13 a) Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt CNTs vào nhiệt độ; b) So với graphite mạng graphene Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Sơ đồ thiết bị hồ quang điện Error! Bookmark not defined Hình 1.16 Hệ phóng điện hồ quang plasma quayError! Bookmark not defined Hình 1.17 Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay laser Error! Bookmark not defined Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 1.19 Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs viện Khoa học vật liệu Error! Bookmark not defined Hình1.20 Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids Error! Bookmark not defined Bảng Độ dẫn nhiệt CNTs số chất lỏng tản nhiệtError! Bookmark not defined Hình 1.21 Đồ thị phụ thuộc độ dẫn nhiệt nước cất (DW) Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích CNTs chất lỏngError! Bookmark not defined Hình 1.22 Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệtError! Bookmark not defined Hình 1.23 Modul đèn LED công suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED diện tích 16 cm2 sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng công ty COOLED chế tạo Error! Bookmark not defined Hình 1.24 Siêu máy tính hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 1.25 Hệ thống tản nhiệt chất lỏng máy chủ Google Error! Bookmark not defined viii Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs chất lỏng Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5 Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Giao diện phần mềm Prime95 Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt chất lỏng cho vi xử lý máy tính Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Sơ đồ (a) ảnh thực (b) đế nhôm tản nhiệt với chíp LED Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo giao thao kế Michelson Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Máy Zeta - sizer Nano ZS Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động kính hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Phổ FTIR truyền qua vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Phổ tán xạ Raman vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH CNTs biến tính gắn nhóm chức – OHError! Bookmark not defined Hình 3.3 Phổ phân bố kích thước CNTs - OH đo thiết bị Zeta - Sizer với thời gian rung siêu âm 10 phút: (a) đo sau phân tán CNTs - OH vào EG/DW; (b) đo sau lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán CNTs - OH vào EG/DW Error! Bookmark not defined ix Hình 3.4 Phổ tán phân bố kích thước CNTs - OH đo thiết bị Zeta-Sizer sau để lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán trường hợp: (a) rung siêu âm 20 phút; (b) rung siêu âm 30 phút; (c) rung siêu âm 40 phút.Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của: (a) vật liệu CNTs trước biến tính phân tán vào EG/DW; (b) vật liệu CNTs sau biến tính phân tán vào EG/DW Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Kết đo nhiệt độ CPU theo thời gian sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng chứa thành phần CNTs với nồng độ CNTs khác Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Nhiệt độ đèn LED 450 W theo thời gian sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng với nồng độ khác CNTs.Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Mơ tả chế nâng cao hiệu truyền nhiệt từ chất lỏng giàn tỏa nhiệt sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs Error! Bookmark not defined x TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT Phan Ngọc Minh (2015), Vật liệu Cácbon cấu trúc nanô ứng dụng tiềm năng, Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh (2004), Công nghệ nanô điều khiển đến phân tử nguyên tử, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hoàng Đình Tín (2004), Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Bùi Trọng Tuân (2004), Nhiệt học, Nhà xuất Đại học sư phạm Trần Quang Vinh (2007), Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất đại học Quốc gia Hà Nội TÀI LIỆU TIẾNG ANH Andrews Rod (2002), Processing and Properties of Composite Materials Containing Multiwalled Carbon Nanotubes, University of Kentucky 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 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 Antonio Sánchez, Rodrigo Cué Sampedro, Laura Peña-Parás & Erika PalaciosAguilar (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 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 heatconductive 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 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”, 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 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 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 multiwalled 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) 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