Ớ Cân vật liệu ựể pha trộn thành các % khác nhau của CNTs
Ớ Pha trộn các vật liệu bằng phương pháp trộn cơ học, ta thu ựược kem tản nhiệt.
Pha trộn các vật liệu có sử dụng dung môi Chloroform nhằm khuếch tán ựều CNTs, việc khuếch tán CNTs vào dung môi Chloroform sử dụng máy khuấy từ trong 3h, sau ựó cho từ từ vật liệu nền là kem stars hoặc AS5 vào tiếp tục khuấy, sau ựó rung siêu âm sau nhiều giờ cho dung môi Chloroform bay hơi hết ta thu ựược kem tản nhiệt.
2.4.2Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý
Ớ Bôi kem tản nhiệt vào CPU
Hình 2.11. Các bước bôi kem tản nhiệt lên CPU
Ớ điều chỉnh nhiệt ựộ phòng chắnh xác, kiểm tra bằng nhiệt kế. Ớ Khởi ựộng máy tắnh.
Ớ Bật chương trình ựo nhiệt ựộ CPU (Speedfan 4.33). Ớ để máy tắnh chạy ở chế ựộ bình thường trong 1h.
Ớ Bật chương trình chạy full load ựể CPU hoạt ựộng 100% công suất.
Ớ Tắt chế ựộ Full load, ựể CPU hoạt ựộng ở công suất bình thường trong 3h. Ớ Bật chương trình khống chế công suất của CPU ở mức 50%.
Ghi lại số liệu.
2.5Các phương pháp phân tắch
để kiểm tra cấu trúc, thành phần của vật liệu kem tản nhiệt chế tạo ựược chúng tôi ựã sử dụng kắnh hiển vi ựiện tử quét (SEM), phương pháp ựo phổ tán xạ Raman, và phương pháp huỳnh quang tia X (EDX).
2.5.1Kắnh hiển vi ựiện tử quét (SEM)
Kắnh hiển vi ựiện tử quét loại kắnh hiển vi ựiện tử có thể quan sát bề mặt mẫu với ựộ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm ựiện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật ựược thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tắch các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm ựiện tử với bề mặt mẫu vật. Trong kắnh hiển vi ựiện tử quét, ựiện tử ựược phát ra từ súng phóng ựiện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau ựó ựược tăng tốc và hội tụ thành một chùm ựiện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong ựến vài nanômét) nhờ hệ thống thấu kắnh từ. Thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 0 kV ựến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kắnh từ, việc hội tụ các chùm ựiện tử có bước sóng quá nhỏ vào một ựiểm kắch thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Sau ựó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh ựiện. độ phân giải của SEM ựược xác ựịnh từ kắch thước chùm ựiện tử hội tụ, mà kắch thước của chùm ựiện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chắnh vì thế mà SEM không thể ựạt ựược ựộ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, ựộ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và ựiện tử. Khi ựiện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tắch ựược thực hiện thông qua việc phân tắch các bức xạ này. Trong ựó bức xạ tạo bởi các ựiện tử thứ cấp (secondary electrons) chắnh là chế ựộ ghi ảnh thông dụng nhất của kắnh hiển vi ựiện tử quét. Chùm ựiện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) ựược ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các ựiện tử phát ra từ bề mặt mẫu với ựộ 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 ựể nghiên cứu bề mặt của mẫu trong ựó bức xạ tạo bởi các ựiện tử thứ cấp (secondary electrons) chắnh là chế ựộ ghi ảnh thông dụng nhất của kắnh hiển vi ựiện tử quét. Chùm ựiện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) ựược ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các ựiện tử phát ra từ bề mặt mẫu với ựộ 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 ựể nghiên cứu bề mặt của mẫu.
Các ảnh SEM của kem tản nhiệt trong luận án này ựược thực ựo trên kắnh hiển vi ựiện tử quét phát xạ trường S - 4800 (hãng Hitachi - Nhật) thuộc Phòng Thắ nghiệm trọng ựiểm Vật liệu và linh kiện ựiện tử - Viện Khoa học Vật liệu, với ựộ phóng ựại của hệ có thể lên ựến 800.000 lần.
2.5.2Phổ Raman
để nghiên cứu các thành phần trong các mẫu kem tản nhiệt chế tạo ựược, chúng tôi ựo phổ tán xạ Micro - Raman. Các mẫu ựều ựược tiến hành ựo phổ tán xạ Raman bằng máy quang phổ Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) ựặt tại viện Khoa học Vật liệu.
Thiết bị dùng nguồn sáng là Laser He - Ne, với cấu hình tán xạ ngược. Như vậy, mẫu ựược kắch thắch bằng ánh sáng có bước sóng 514,5 nm của laser Ar. Mật ựộ công suất kắch thắch thấp ựược sử dụng ựể tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ ựo ựược lắp thêm camera và màn hình ựể quan sát vị trắ xẩy ra tán xạ không ựàn hồi ánh sáng kắch thắch trên một diện tắch rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở trên bề mặt của mẫu. Các mẫu ựo ựược ựặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ ựo còn ựược nối với kắnh hiển vi cho phép ghi phổ với ựộ phân giải không gian tốt hơn. Máy tắnh ựiện tử kết nối trong hệ ựo với chương trình cài ựặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng ựã xử lắ. Phổ ựược hiển thị trên màn hình dưới dạng sự phụ thuộc cường ựộ dao ựộng vào số sóng của các vạch dao ựộng.
2.5.3Phổ huỳnh quang tia X (EDX)
đây là kỹ thuật phân tắch thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm ựiện tử có năng lượng cao trong các kắnh hiển vi ựiện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường ựược viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy Dispersive X-ray Spectroscopy.
Kỹ thuật EDX chủ yếu ựược thực hiện trong các kắnh hiển vi ựiện tử, ở ựó
ảnh vi cấu trúc vật rắn ựược ghi lại thông qua việc sử dụng chùm ựiện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm ựiện tử có năng lượng lớn ựược chiếu vào vật rắn, nó sẽ ựâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp ựiện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn ựến việc tạo ra các tia X có bước sóng ựặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo ựịnh luật Mosley.
Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là ựặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu ựồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tắch EDX nhưng chủ yếu EDX ựược phát triển trong các kắnh hiển vi ựiện tử, ở ựó các phép phân tắch ựược thực hiện nhờ các chùm ựiện tử có năng lượng cao và ựược thu hẹp nhờ hệ các thấu kắnh ựiện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và ựược phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do ựó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần.
2.6Phương pháp mô phỏng
để ựánh giá hiệu quả tản nhiệt của các loại kem tản nhiệt ứng dụng CNTs chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm. Hình 2.12 là mô hình của hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh.
Hình 2.12. Mô hình hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh
Mô hình tản nhiệt ở trên ựược mô tả thông qua một mạch ựiện thể hiện quá trình tản nhiệt như trong hình 2.13. Trong mô hình này:
Ớ I : là công suất nhiệt tỏa ra từ vi xử lý máy tắnh Ớ C1 : nhiệt dung của vi xử lý
Ớ CT : nhiệt dung của kem tản nhiệt
Ớ R1a : nhiệt trở giữa vi xử lý và lớp kem tản nhiệt Ớ R1b : nhiệt trở giữa kem tản nhiệt và quạt tản nhiệt Ớ C : nhiệt dung của quạt tản nhiệt
Mainboard
Aluminum
Copper plate
CNTs/Diamond thermal paste
FAN Air Air Air Air Aluminum Flake `ộ-Processor CPU Slot Aluminum Flake Heat Heat
Ớ R2 : nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt với môi trường Ớ U : nhiệt ựộ của môi trường
ộ-processor Thermal Paste Cooling fan
U Evironment I C1 CT C2 R2 R1a R1b
Hình 2.13. Sơ ựồ mạch thể hiện hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý
Vì nhiệt dung của lớp kem tản nhiệt là nhỏ so với nhiệt dung của vi xử lý cũng như quạt tản nhiệt nên trong mô hình trên có thể bỏ qua CT, như vậy mô hình ựược ựơn giản hóa thành sơ ựồ như sau:
U I C1 C2 R2 R1 U1 U2 I1 I2
Hình 2.14. Sơ ựồ mạch hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý ựơn giản hóa
Trong sơ ựồ này:
Ớ R1 = R1a + R1b: nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt Ớ U1 : nhiệt ựộ của vi xử lý
Ớ U2 : nhiệt ựộ của kem tản nhiệt
Từ mô hình ựã ựược ựơn giản hóa, chúng ta có thể suy ra hệ phương trình vi phân mô tả quá trình tản nhiệt như sau:
2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 2 ( ) ( ) U U I R U U I R C dU I I dt C dU I I dt − = − = = − = − (16) Trong ựó:
Ớ I1: dòng nhiệt từ vi xử lý ựến quạt tản nhiệt Ớ I2: dòng nhiệt từ quạt tản nhiệt ra môi trường
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng loại vi xử lý Intelệ Pentiumệ 4 Processors 524 (3.06GHz) với kắch thước 1,476Ợ x 1,476Ợ, khối lượng là 21,86 gam, công suất tỏa nhiệt là 84 W và có nhiệt dung là 15,6 J/K.
Quạt tản nhiệt ựược làm bằng vây nhôm và có ựế ựồng với diện tắch 7 cm2, tổng khối lượng là 220 g. để ựơn giản cho quá trình mô phỏng, chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ của vây tản nhiệt bằng với nhiệt ựộ môi trường, ựồng thời bỏ qua nhiệt trở của phần vây bên ngoài. Khi ựó chúng tôi tắnh ựược nhiệt dung của hệ thống quạt tản nhiệt vào khoảng 89J/K và nhiệt trở giữa quạt và môi trường là 0,43 K/W.
Như vậy chúng ta có ựược: I= 84 W, U = 20oC, C1 = 15.6 J/K, C2 = 89 J/K, R2 = 0.43 K/W. Tại thời ựiểm ban ựầu chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ vi xử lý, nhiệt ựộ quạt tản nhiệt bằng nhiệt ựộ môi trường, như vậy U1=U2=U=200C. Quá trình mô phỏng ựược thực hiện với những giá trị khác nhau của R1, là nhiệt trở của các lớp kem tản nhiệt khác nhau.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả chụp SEM
để nghiên cứu hình thái học của kem tản nhiệt chúng tôi tiến hành chụp ảnh SEM. Hình 3.1 là ảnh SEM của kem tản nhiệt Arctic silver. Kem Arctic silver 5 có thành phần chủ yếu là bạc, ảnh SEM cho thấy cấu trúc của nó bao gồm nhiều tinh thể bạc có kắch thước khác nhau không ựồng ựều, trong khoảng từ 100nm ựến 500 nm.
Hình 3.1. Ảnh SEM của kem AS 5 ở ựộ phân giải 6.000 lần và 22.000 lần
Với kem tản nhiệt chế tạo bằng phương pháp pha trộn cơ học ựơn thuần, các sợi CNTs bị tụ ựám lại, phân tán không ựều trong kem chế tạo ựược. Hình 3.2 là ảnh SEM của hỗn hợp kem tản nhiệt Star với 5% khối lượng CNTs (STARS / 5% CNTs) ựược pha trộn bằng phương pháp trộn cơ học thông thường, kết quả cho thấy CNTs phân tán không ựồng ựều và có hiện tượng tụ ựám trong mạng nền của kem tản nhiệt.
Hình 3.2. Ảnh SEM của kem Stars/ 5% CNTs ở ựộ phân giải 13.000 lần, chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học
Hình 3.3. Ảnh SEM của kem AS 5/ 3% CNTs ở ựộ phân giải 80.000 lần, chế tạo bằng phương pháp có hỗ trợ bằng dung môi chloroform, khuấy từ và rung siêu
âm
để tăng khả năng phân tán của CNTs trong nền kem, chúng tôi sử dụng phương pháp rung siêu âm kết hợp với dung môi chloroform. Hình 3.3 là SEM của mẫu kem tản nhiệt AS5 pha 3% khối lượng CNTs (AS5 / 3% CNTs), kết quả cho thấy CNTs ựã phân tán ựều trong kem mới chế tạo ựược, các sợi CNTs không bị tụ ựám như khi sử dụng phương pháp pha trộn cơ học. Như vậy phương pháp sử dụng dung môi chloroform, rung siêu âm, khuấy từ ựã cho kết quả phân tán tốt của CNTs, hạn chế ựược hiện tượng tụ ựám.
3.2 Phổ Raman
(a) (b)
Hình 3.4. Phổ Raman của kem Stars (a) và kem Stars / 2% CNTs (b)
để kiểm tra sự phân tán của CNTs, ựồng thời nghiên cứu những biến ựổi hóa học có thể xảy ra trong quá trình pha trộn CNTs vào kem chúng tôi tiến hành ựo phổ Raman. Hình 3.4a là phổ Raman của kem tản nhiệt Stars với sự
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 1000 1080 1160 1240 1320 1400 1480 1560 1640 1720 1800 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 1000 1080 1160 1240 1320 1400 1480 1560 1640 1720 1800
quả cho thấy có 3 vạch phổ, trong ựó vạch ứng với ựỉnh là 1090 cm-1 tương ứng và vạch phổ của kem Stars ban ựầu, vạch phổ này không có sự dịch chuyển hay thay ựổi cường ựộ, chứng tỏ thành phần trong kem Stars không có thay ựổi gì về mặt hóa học, mặt khác có xuất hiện của hai vạch phổ có ựỉnh là 1325 cm-1 và 1580 cm-1, ựây là hai ựỉnh ựặc trưng của CNTs, chứng tỏ trong thành phần của kem mới chế tạo ựược có CNTs và CNTs chỉ có liên kết vật lý với vật liệu nền.
3.3 Phổ EDX
Hình 3.5 và hình 3.6 lần lượt là kết quả phân tắch trên mẫu kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs và kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs. Chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của các nguyên tố Si, Ca, O, và C trong kem tản nhiệt STARS pha CNTs. Trong kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs ta thấy có sự xuất hiện của các nguyên tố Ag, Zn, O và C. điều này phần nào khẳng ựịnh sự xuất hiện của CNTs có trong kem tản nhiệt.
Hình 3.5. Kết quả phân tắch EDX của kem Stars / 2% CNTs
3.4 Xác ựịnh nồng ựộ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt
để xác ựịnh nồng ựộ tối ưu của CNTs pha trong kem tản nhiệt, chúng tôitiến hành pha CNTs vào kem tản nhiệt với các nồng ựộ từ 1% wt. ựến 7% w.t. Kết quả khảo sát với các loại kem này cho thấy khi nồng ựộ của CNTs là 2% wt. thì hiệu quả của kem tản nhiệt là cao nhất. Hình 3.7 là ựồ thị khảo sát nhiệt ựộ ứng với kem STARS / CNTs với các nồng ựộ CNTs từ 1 % wt. ựến 7 %wt. Kết quả này hoàn toàn tương tự ựối với kem tản nhiệt AS5.
Hình 3.7Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / CNTs với nồng ựộ của CNTs từ 1% wt. ựến 7% wt.
Khi nâng cao nồng ựộ của CNTs trong kem vượt quá 2% wt. sẽ làm giảm hiệu quả của kem tản nhiệt, ựiều này ựược giải thắch là do khi nồng ựộ CNTs quá lớn sẽ làm kem tản nhiệt bị mất ựi tắnh nhớt, do vậy khả năng dàn ựều của kem trên bề mặt vi xử lý giảm xuống làm cho hiệu quả tản nhiệt suy giảm. Xuất phát từ kết quả này, các nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi ựược thực hiện với các loại kem STARS và AS5 pha với nồng ựộ CNTs là 2% wt.
3.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt 3.5.1 Không sử dụng kem tản nhiệt 3.5.1 Không sử dụng kem tản nhiệt
để ựánh giá vai trò của kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thắ nghiệm