ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA 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 HỌC KHOA 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
Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHAN NGỌC MINH


thành luận văn.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã
quan tâm, động viên, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Thị Hƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU .................................................................. vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................... viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon ............................................................5
1.1.1 Lịch sử phát triển .........................................................................................5
1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon ...................................................................10
1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs ......................................................................13
1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon .....................................................21
1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon ..............................................22
1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs .....................................................28
1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano ..........................................................................28
1.2.2 Các phương pháp chế tạo ..........................................................................28
1.2.3 CNTs - Nanofluids ....................................................................................30
1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano ....................................................................35


TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon ..............................................5
Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang ....................................6
Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên .......7
Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 ...........................8
Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991........................9
Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs........................10
Hình 1.7. a) Lớp graphen được cuộn lại; b) quả cầu fullerences và khép kín đầu của
ống nano cacbon ........................................................................................................11
Hình 1.8. (a) Véc tơ chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) và chiral (10,
5)................................................................................................................................12
Hình 1.9. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác .........................................................13
Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu. ....................................14
Hình 1.10. a) Cấu trúc điện tử của hàm phân bố năng lượng; b) vùng Brillouin của
graphene ....................................................................................................................17
Hình 1.11. Hàm phân bố năng lượng: a) armchair (5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag
(10,0) .........................................................................................................................18
Hình 1.12. So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác ............................19
Hình 1.13. a) Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt độ; b) So với
graphite và mạng graphene .......................................................................................20
Hình 1.14. Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường......................20
Hình 1.15. Sơ đồ thiết bị hồ quang điện ...................................................................23
Hình 1.16. Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay ...........................................24
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser .......................................................25

viii


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.
...................................................................................................................................57
Hình 3.4. Phổ tán phân bố kích thước của CNTs - OH đo trên thiết bị Zeta-Sizer sau
khi để lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán trong các trường hợp: (a) rung siêu âm 20
phút; (b) rung siêu âm 30 phút; (c) rung siêu âm 40 phút. ........................................58
Hình 3.5. Ảnh SEM hình thái học bề mặt của: (a) vật liệu CNTs trước khi biến tính
và phân tán vào EG/DW; (b) vật liệu CNTs sau khi biến tính và phân tán vào
EG/DW ......................................................................................................................59
Hình 3.7. Kết quả đo nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản
nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs với các nồng độ CNTs khác nhau. .....62
Hình 3.8. Nhiệt độ của đèn LED 450 W theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản
nhiệt bằng chất lỏng với các nồng độ khác nhau của CNTs. ....................................63
Hình 3.10. Mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng ra giàn tỏa
nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs. ................................................68

ix


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Viết tắt

Tên đầy đủ

AFM


EG/DW

Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất

FTIR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

LED

Điốt phát quang

MWCNTs

Ống nano cacbon đa tường

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

SWCNTs

Ống nano cacbon đơn tường

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

x


1


trên thế giới về ứng dụng ống nano cacbon làm vật liệu tản nhiệt, chúng tôi đặt mục
tiêu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công
suất lớn. Do đó, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu ứng dụng
ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn”
là đề tài Luận văn Thạc sỹ.
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon
(CNTs) và ứng dụng chất lỏng chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện
điện tử công suất lớn (CPU, LED).
Nội dung nghiên cứu
- Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu nano cacbon (CNTs) bằng
phương pháp hóa học.
- Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng cách phân tán CNTs
vào hỗn hợp ethylene glycol/ nước cất (EG/DW) sử dụng chất hoạt động
bề mặt Tween và phương pháp rung siêu âm.
- Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi
xử lý máy tính Intel Core i5. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng
chứa thánh phần CNTs với tản nhiệt bằng quạt từ đó đánh giá hiệu quả tản
nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs.
- Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho
đèn LED công suất lớn 450 W. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng
chứa thành phần CNTs và chất lỏng không chứa thành phần CNTs.
- Đưa ra cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống linh kiện điện tử
công suất lớn khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.
Phƣơng pháp nghiên cứu
- Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs bằng phương pháp hóa
học.


3


phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Giới thiệu các thiết bị và phần mềm được
sử dụng trong quá trình thực nghiệm.
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Đánh giá kết quả biến tính, phân tán CNTs bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi
Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Kết
hợp với kết quả thực nghiệm của quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và
LED công suất lớn (450W) để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa
thành phần CNTs.

4


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon
1.1.1 Lịch sử phát triển
 Cacbon
Trong bảng hệ thống tuần hoàn cacbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6
điện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình điện tử là 1s22s22p2 do đó nguyên tử
cacbon có bốn điện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p
và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa
học [1], vì vậy các hàm sóng của bốn điện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc
kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các điện tử gọi là
các trạng thái lai hóa. Cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các
dạng vật chất khác nhau của cacbon.

a) sp1 – dạng thẳng

lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên
kết yếu như là một dạng liên kết Van - Der - Waals. Bên trong mỗi lớp mỗi một
nguyên tử cacbon liên kết phẳng với ba nguyên tử cacbon khác bên cạnh bằng liên
kết cộng hóa trị với góc liên kết là 120o.[30]

Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [30]
Trong graphite, nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các
lớp mạng lục giác song song. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng
một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như

6


được thể hiện trên (hình 1.2b). Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu đen như
lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cacbon vô định hình trong đó
các nguyên tử cacbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết
sp2 và không có liên kết sp. Trong tự nhiên, các khoáng chất chứa graphite bao
gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin.
 Kim cƣơng
Như đã biết cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3. Các trạng thái lai hóa
này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên.
Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cacbon. Đây là dạng tinh
thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cacbon, tồn tại ở
dạng lập phương và lục giác.

a)

b)

Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên


a) Fullerene C60

b) Fullerene C70

c) Fullerene C80

Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80

8


Fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế hiện nay. Trong công nghệ may
mặc, nhờ có tính chất siêu đàn hồi nên fullerenes có thể ứng dụng chế tạo các loại
áo giáp trong chiến tranh. Ứng dụng đang nổi lên hiện nay là dùng fullerenes để
mang dược phẩm dùng trong y tế. Người ta đã cho những ligand bám ở ngoài quả
cầu fullerene dùng để ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào. Những thuốc chữa
bệnh có sử dụng fullerenes kiểu này bắt đầu được bán trên thị trường. Việc kết hợp
một số loại vật liệu với C60 hoặc các fullerenes khác có thể tạo ra một số loại vật
liệu đa dạng hơn như các chất siêu dẫn, chất cách điện v.v… [1]
 Ống nano cacbon
Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S. Iijima [23] đã khám phá ra
một cấu trúc mới của cacbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu
trúc này được gọi là ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.5). Hai năm
sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs)
có đường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromet. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống
nano cacbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) và CNTs đa
tường (MWCNTs) (hình 1.6a, hình 1.6b).

Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991[23]


10


cacbon. Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs được phân
thành các loại khác nhau.

Hình 1.7. a) Lớp graphen được cuộn lại; b) quả cầu fullerences và khép kín đầu
của ống nano cacbon [34]
Cấu trúc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi vector Chiral, kí hiệu là Ch.
Vector này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và độ lớn đường kính ống (hình
1.8a).

Ch  na1  ma2  (n, m)

(1.1)

Trong đó: n và m là các số nguyên.
a1 và a2 là các vector đơn vị của mạng graphene.
Có nhiều cách chọn vector cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong
hình 1.8a dưới đây.
 3 1
 3 1
, 
a1  a
,  , a 2  a
2
 2
 2 2



b)

Hình 1.8. (a) vector chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) và chiral
(10, 5) [14]
Tuy nhiên, đây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs. Trên thực tế, cấu trúc của
CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect. Các defect này
được phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử cacbon
cấu thành nên CNTs.
Các defect theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các vòng
cacbon không phải 6 cạnh. Các vòng cacbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8 cạnh, chủ
yếu xảy ra ở đầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.9).

12


a)
b
)

.

Hình 1.9. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác [31]
Các defect theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử
cacbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do đó cấu trúc của
CNTs không chỉ gồm các liên kết C - C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp2+α (-1
Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu.
Vật liệu

Suất Young (GPa)

Độ bền kéo (GPa)

Mật độ khối lượng (g/cm3)

SWCNTs

1054

150

1,4

MWCNTs

1200

150

2,6

Steel

208

0,4


(1.5)

Công thức này cho thấy rằng tất cả các ống chiral hoặc ống không đối xứng
(0