1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 1.2.1.1 Chất lỏng nanô
Chất lỏng nano là khái niệm dùng ựể chỉ loại chất lỏng ựược tạo ra bằng cách phân tán các vật liệu kắch thước nano mét (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống nano, dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v...) trong một nền chất lỏng cơ sở. Nói cách khác, chất lỏng nanô là hệ thống bao gồm các vật liệu có kắch thước nano ựược phân tán ựồng ựều và ổn ựịnh trong chất lỏng nền. Chất lỏng nanô là hệ thống ổn ựịnh bao gồm hai pha trong ựó có một pha rắn nằm trong một pha lỏng [24]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng nanô có nhiều tắnh chất ưu việt hơn so với các chất lỏng cơ sở, như tắnh dẫn nhiệt, dẫn nhiệt, ựộ nhớt, và hệ số truyền nhiệt ựối lưu [2]. Những kết quả nghiên cứu gần ựây ựã chứng minh ựược tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nanô trong nhiều lĩnh vực khác nhau [25].
Có rất nhiều phương pháp khác nhau ựể chế tạo chất lỏng nanô, tuy nhiên tổng hợp lại chúng ựược phân thành hai phương pháp chắnh như sau:
+) Phương pháp hai bước
Phương pháp hai bước là phương pháp ựược sử dụng rộng rãi nhất cho việc chế tạo chất lỏng nanô. Ở bước thứ nhất, các vật liệu nanô (hạt nano, sợi nano, ống nano, hay vật liệu nano khác) ựược chế tạo ở dạng bột khô bằng phương pháp hóa học hay vật lý. Ở bước thứ hai, vật liệu nano ựược phân tán vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ trợ của các thiết bị rung bằng từ tắnh, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v... Phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế nhất ựể sản xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, bởi vì kỹ thuật tổng hợp các vật liệu nano ở bước thứ nhất ựã ựược phát triển ựến mức sản xuất ở quy mô công nghiệp. Do diện tắch bề mặt và bề mặt hoạt ựộng cao, các hạt nano có xu hướng tụ ựám lại với nhau, do vậy một kỹ thuật quan trọng ựể tăng cường sự ổn ựịnh của các hạt nano trong chất lỏng là sử dụng các chất hoạt ựộng bề mặt. Ngoài ra, chức năng của các bề mặt ở nhiệt ựộ cao cũng là một phương pháp nhằm nâng cao ựộ phân tán của vật liệu nanô trong chất lỏng. [24]
Tuy nhiên phương pháp hai bước có những nhược ựiểm nhất ựịnh trong việc phân tán vật liệu nanô trong chất lỏng, chẳng hạn như sự biến ựối và tụ ựám của vật liệu nanô trong thời gian lưu trữ từ lúc chế tạo ở bước thứ nhất ựến khi thực hiện chế
26
tạo ở bước thứ hai, vì vậy một kỹ thuật mới ựược phát triển ựể chế tạo chất lỏng nanô ựó là phương pháp một bước.
+) Phương pháp một bước
để giảm sự tắch tụ của các hạt nano trong quá trình bảo quản, nhóm nghiên cứu Eastman ựã phát triển phương pháp một bước dựa trên nguyên lý ngưng tụ hơi vật lý trong chất lỏng ựể tạo thành chất lỏng nanô Cu/Ethylene Glycol [67]. Phương pháp một bước dựa trên nguyên tắc thực hiện ựồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán vật liệu nano trong chất lỏng. Phương pháp này có ưu ựiểm là bỏ qua ựược các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt nanô, do ựó sự tắch tụ của các hạt nano ựược giảm thiểu, và sự ổn ựịnh của chất lỏng ựược tăng lên [68]. Vì vậy phương pháp một bước có thể chế tạo các hạt nano phân tán ựồng ựều hơn, và sự ổn ựịnh của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn. Hệ thống chế tạo hạt nanô bằng phương pháp hồ quang trong chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System - SANSS) là một phương pháp hiệu quả ựể chế tạo chất lỏng nanô với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau [27, 28].
Các cấu trúc khác nhau của vật liệu nanô hình thành bởi phương pháp này chủ yếu bị ảnh hưởng và quyết ựịnh bởi tắnh dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng cơ sở. Các hạt nano chế tạo ựược có nhiều hình dạng khác nhau bao gồm hình ựa giác, hình vuông, và hình tròn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết hợp, tập hợp hay tụ ựám của các hạt nanô.
Tuy nhiên phương pháp vật lý một bước không thể tổng hợp ựược chất lỏng nanô ở quy mô lớn, và giá thành dựa trên phương pháp này cũng cao, chắnh vì thế mà các phương pháp hóa học một bước ựã nhanh chóng ựược phát triển. Nhóm nghiên cứu Zhu ựã ựưa ra một phương pháp hóa học ựể chế tạo chất lỏng nanô Cu bằng cách phản ứng CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới tác dụng của vi sóng [29]. Kết quả thu ựược chất lỏng nanô với sự phân tán tốt và ổn ựịnh của hạt nanô Cu trong ethylene glycol. Chất lỏng nanô trên cơ sở dầu gốc có chứa các hạt nano bạc với sự phân bố hẹp của kắch thước các hạt nanô cũng ựã ựược chế tạo bằng phương pháp này [30].
Chất lỏng nanô trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn ựịnh cao cũng ựược nhóm Ạ K. Singh chế tạo bằng phương pháp hóa học một bước với sự hỗ trợ của
27
sóng siêu âm, trong ựó polyvinylpyrrolidone (PVP) ựược sử dụng như là chất hoạt ựộng bề mặt tạo sự ổn ựịnh của bạc và giảm sự tụ ựám cho bạc trong dung dịch [31].
1.2.1.2 Chất lỏng chứa ống nanô cácbon +) Chế tạo chất lỏng nanô cácbon
Như ựã trình bày ở trên, có hai phương pháp chắnh ựể chế tạo chất lỏng nanô là phương pháp một bước và phương pháp hai bước. Phần lớn các nghiên cứu hiện nay về chất lỏng nanô ựều thực hiện chế tạo dựa trên phương pháp hai bước vì nó không ựòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nanô ựã ựược chế tạo sẵn với số lượng lớn. đối với chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon, cho ựến nay phương pháp một bước vẫn chưa khả thi và phương pháp hai bước ựược sử dụng ở tất cả các nghiên cứu ựược biết ựến. [32]
Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo chất lỏng CNTs là tránh ựược sự tụ ựám và tạo ựộ ổn ựịnh lâu dài trong chất lỏng. Các ống nanô cácbon chưa biến tắnh, dưới sự tác ựộng của lực Van-der-Waals, cũng như do tỷ số diện tắch bề mặt lớn dẫn ựến CNTs dễ bị tụ ựám và lắng ựọng ngay sau khi phân tán trong các chất lỏng, ngay cả việc sử dụng phương pháp rung siêu âm trong thời gian dài cũng không ựạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu Xie ựã chứng tỏ rằng hầu hết các ống nanô cácbon chưa biến tắnh khi phân tán trong nước với nồng ựộ 0,175% ựều bị lắng ựọng chỉ 5 phút sau khi chế tạo [33]. Vì vậy, trong việc chế tạo chất lỏng CNTs, việc biến tắnh gắn nhóm chức, sử dụng các chất hoạt ựộng bề mặt, và rung siêu âm là quan trọng ựể phân tán CNTs trong chất lỏng.
Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự ựã chế tạo chất lỏng CNTs trên nền nước cất bằng cách sử dụng chất hoạt ựộng bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS). SDS là một chất hoạt ựộng bề mặt cation có chứa một ựầu ưa Sulfate và một phân ựoạn hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tắch FTIR và AES cho thấy tồn tại một lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thắ nghiệm cho thấy CNTs kết hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs ựơn thuần, ựiều này ựược giải thắch là do có sự xuất hiện của lực ựẩy tĩnh ựiện giữa các bề mặt tắch ựiện âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs. [34]
+) Tắnh chất nhiệt của chất lỏng nanô cácbon
để khảo sát tắnh chất nhiệt, nhóm nghiên cứu Choi ựã khảo sát ựộ dẫn nhiệt của dầu poly(α-olefin) chứa thành phần SWCNTs. Kết quả thực nghiệm cho thấy ựộ dẫn
28
nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lượng của SWCNTs tăng. độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên ựến 160% khi tỷ lệ thể tắch của SWCNTs ựược thêm vào là 1,75%.
Với MWCNTs, có nhiều nhóm khác nhau ựã khảo sát ựộ dẫn nhiệt khi thêm vào chất lỏng nền. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen ựã khảo sát ựộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng ựộ % về thể tắch của CNTs phân tán trong chất lỏng. Hình 1.17 là kết quả mà nhóm nghiên cứu Lifei Chen ựã thu ựược, ựồ thị kết quả cho thấy việc ựưa CNTs vào chất lỏng ethylene glycol có thể nâng cao ựộ dẫn nhiệt từ 10 Ờ 15 % [35]. Nhóm nghiên cứu Salma Halelfadl cũng chỉ ra rằng vật liệu MWCNTs giúp tăng ựộ dẫn nhiệt của nước cất lên ựến 40% ở nhiệt ựộ 40oC khi hàm lượng của CNTs chỉ khoảng 0,28% [48]. Với những kết quả ưu việt thu ựược về tắnh chất nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, nhóm nhà khoa học Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn độ) ựã ựưa CNTs vào chất lỏng Ethylene Glycol với nồng ựộ từ 0,12 Ờ 0,4% về thể tắch ựể ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho ô tô [36-37].
Hình 1.17. đồ thị phụ thuộc của ựộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng ựộ % thể tắch của CNTs trong chất lỏng [35]
Nhóm nghiên cứu Sandesh S. Chougule cũng ựã tiến hành so sánh hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs với chất lỏng chứa thành phần Al2O3 dùng trong tản nhiệt cho ựộng cơ ô tô. Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng chứa thành phần CNTs có hiệu quả tản nhiệt cao hơn so với chất lỏng chứa thành phần Al2O3,
đ ộ n ân g ca o h ệ số d ẫn n h iệ t (% ) Nồng ựộ theo thể tắch (%) Nước cất Ethylen Glycol
29
ựiều này góp phần khẳng ựịnh sự ưu việt của CNTs trong việc gia cường vào chất lỏng tản nhiệt nanô. [69]
Nhóm nghiên cứu Salma Halelfadl cũng ựã tiến hành khảo sát hiệu quả dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs trên cơ sở nước cất và ethylene glycol với hàm lượng của CNTs là 0,05% về khối lượng. Với nhiều quy trình chế tạo chất lỏng nanô khác nhau, các kết quả Salma Halelfadl thu ựược ựều cho thấy hiệu quả dẫn nhiệt ựược nâng lên ắt nhất 10%. [10]
1.2.1.3 Ứng dụng chất lỏng nanô
Kể từ khi khái niệm chất lỏng nanô ựược hình thành, hướng nghiên cứu ứng dụng chất lỏng nanô ựể nâng cao hiệu quả truyền nhiệt ựã thu hút ựược sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giớị Cho ựến nay, trên thế giới ựã có nhiều công trình công bố khác nhau về chất lỏng nanô, bao gồm chế tạo và tắnh chất nhiệt, lý thuyết và mô hình tắnh toán, và truyền nhiệt ựối lưụ
Nhóm nghiên cứu của Xie ựã tiến hành khảo sát tắnh dẫn nhiệt của chất lỏng ethylene glycol (EG) có chứa các loại oxit bao gồm MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2 và các hạt nano [65], và kết quả như trên bảng 1.3 cho thấy chất lỏng nanô MgO/EG nanofluid ựã ựược tìm thấy có tắnh năng vượt trội với ựộ dẫn nhiệt cao nhất trong khi ựộ nhớt thấp nhất.
Bảng 1.3. Tắnh chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng
Thermal conductivity* W/(mởK) Density (g/cm3) Crystalline Viscosity (Cp) with 5.0 vol. % 30℃ Thermal conductivity enhancement of nanofluids (%) with 5.0 vol. % MgO 48.4 2.9 Cubic 17.4 40.6 TiO2 8.4 4.1 Anatase 31.2 27.2 ZnO 13.0 5.6 Wurtzite 129.2 26.8 Al2O3 36.0 3.6 γ 28.2 28.2 SiO2 10.4 2.6 noncrystalline 31.5 25.3
Với tắnh chất nhiệt ưu việt, chất lỏng nano mở ra nhiều hướng ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực của cuộc sống.
Tản nhiệt cho linh kiện ựiện tử
Do mật ựộ ngày càng cao hơn của chắp, ựồng thời linh kiện ựiện tử ngày càng ựược thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện ựiện tử ựã trở thành bài toán cho các nhà khoa học và công nghệ. Thiết bị ựiện tử tiên tiến ngày nay phải ựối mặt với những
30
thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhưng lại giảm diện tắch bề mặt tiếp xúc trong khi vẫn phải ựảm bảo ựược nhiệt ựộ hoạt ựộng ổn ựịnh. Vì vậy, hệ thống tản nhiệt ựáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt ựộng ổn ựịnh cũng như kéo dài tuổi thọ của các thiết bị ựiện tử tiên tiến. Hiện nay có hai hướng chắnh ựể cải thiện việc tản nhiệt cho các thiết bị ựiện tử ựó là: tìm một mô hình tối ưu của hệ thống tản nhiệt, thứ hai là nâng cao khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu trong hệ thống làm mát. Như ựã biết, chất lỏng nanô có tắnh dẫn nhiệt cao hơn so với các chất lỏng cơ sở, các nghiên cứu gần ựây chứng minh rằng chất lỏng nanô có thể làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào việc sử dụng thêm các hạt nanô có ựộ dẫn nhiệt cao trong chất lỏng [102]. Nhóm nghiên cứu Jang và Choi thiết kế một hệ thống tản nhiệt mới trong ựó kết hợp vi kênh tản nhiệt với chất lỏng nanô [39]. Hiệu suất làm mát thu ựược cao hơn khi so sánh với các thiết bị sử dụng nước tinh khiết. Chất lỏng nanô giúp giảm nhiệt trở và giảm sự khác biệt về nhiệt ựộ giữa các bức tường của vi kênh dòng nước nóng và dòng nước mát. Một vi kênh tản nhiệt kết hợp với chất lỏng nanô ựã mở ra tiềm năng ứng dụng như các thiết bị làm mát thế hệ tiếp theo ựể loại bỏ nhiệt lượng lớn khỏi linh kiện ựiện tử công suất. Hệ thống tản nhiệt vi kênh silic sử dụng chất lỏng nano có chứa các hạt nano Cu cũng ựã ựược nghiên cứu, kết quả cho thấy chất lỏng nanô có thể nâng cao hiệu suất so với sử dụng nước tinh khiết như nước làm mát [40]. Việc tăng cường hiệu quả tản nhiệt ựược giải thắch là do sự gia tăng dẫn nhiệt của chất lỏng nhờ có thêm các hạt nanọ Một thuận lợi khác trong việc sử dụng chất lỏng nanô là các hạt nano với kắch thước nhỏ và phần trăm về thể tắch thấp nên nó không gây thêm ra áp suất phụ trong quá trình vận chuyển của chất lỏng trong hệ thống làm mát.
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tắnh trở nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong những giải pháp ựã ựược nghiên cứu là sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng nanô. Nhóm nghiên cứu Tsaia ựã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nanô chứa hạt nanô vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [41]. Các kết quả ựo cho thấy nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay ựổi theo kắch thước của các hạt nano vàng. Trong quá trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nanô còn có tác dụng bắn phá các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng, ngăn cản sự tăng lên của nhiệt trở chất lỏng, qua ựó giữ nguyên ựược hiệu quả truyền nhiệt trong suốt quá trình hoạt ựộng.
31
Nhóm nghiên cứu Rashmi Walvekar cũng thử nghiệm ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho linh kiện ựiện tử với hàm lượng của CNTs từ 0,051 wt% ựến 0,085 wt%. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả trao ựổi nhiệt tăng lên từ 9% ựến 67% tùy vào hàm lượng của CNTs và nhiệt ựộ hoạt ựộng. [26]
Nhóm nghiên cứu Chen ựã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng chất lỏng chứa nanô bạc [42]. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về nhiệt ựộ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng chất lỏng nano bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết. điều này ựược giải thắch thông qua việc tăng cường thông lượng nhiệt truyền qua chất lỏng.
Một số nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ống dẫn nhiệt chỉ ra rằng chất lỏng nanô chứa bạc hoặc hạt nano titan có thể ựược sử dụng như một chất lỏng làm mát hiệu quả cho các thiết bị có mật ựộ năng lượng caọ đối với chất lỏng nanô bạc, sự khác biệt nhiệt ựộ giảm 0,56 - 0,65oC so với việc sử dụng nước cất khi công suất linh kiện là 30-50 W [43]. đối với các ống dẫn nhiệt dùng chất lỏng nano titan ở nồng ựộ 0,10% thể tắch, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông thường [44]. Những kết quả ựạt ựược ở trên ựã thúc ựẩy những nghiên cứu và phát triển