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 nhơm 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 cơng 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
là 500 ml. Giàn tỏa nhiệt được chế tạo từ vật liệu nhơm 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 nhơm 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
Khảo sát nhiệt độ của LED khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt trong các trường hợp: khơng 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
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 cơng 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. Ngồi ra, hệ đo cịn được nối với kính hiển vi cho phép ghi phổ với độ phân giải khơng 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.
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 dị ở góc 90o và 173o. - 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 thơng 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
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 thơng 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 khơng 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 thơng 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 thơng dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ
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 thơng 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 Phịng 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.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs 3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs
Để khảo sát sự tạo thành của liên kết CNTs - OH sau q trình biến tính, chúng tơi sử dụng phương pháp phân tích phổ FTIR truyền qua để xác định sự tồn tại của các nhóm chức – OH. Kết quả đo phổ hồng ngoại truyền qua thu được như trên hình 3.1.
Hình 3.1. Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính
gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH
Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs - COOH cho thấy sự xuất hiện thêm một số đỉnh sau khi CNTs được xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3. Dao động ứng
với liên kết - OH trong nhóm cacboxyl (- COOH) được hiển thị thông qua đỉnh 3431,81 cm-1, đỉnh này được mở rộng hơn so với liên kết - OH của H2O xuất hiện trong phổ hồng ngoại truyền qua của vật liệu CNTs. Ngoài ra sự xuất hiện của đỉnh 1707,31 cm-1 trên vật liệu CNTs - COOH cho thấy sự tồn tại của dao động ứng với liên kết C = O trong nhóm cacboxyl. Những kết quả trên đã chứng minh được sự
tồn tại của nhóm cacboxyl xuất hiện trên bề mặt CNTs do q 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
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 vịng 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 q 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 cơng bố của các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới, chẳng hạn như kết quả của nhóm Antonio Sánchez [9]. Ngồi 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 cơng bố. [40]
Cơ chế biến tính gắn nhóm chức lên bề mặt của vật liệu CNTs được thực hiện thơng qua việc gắn các nhóm chức vào các vị trí khuyết tật trên bề mặt của vật liệu CNTs trong q 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].
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 khơng cịn nữa như trên hình 3.3b.
Tuy nhiên, chúng tơi nhận thấy vẫn cịn 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.
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