Khóa luận Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy

xảy ra là do sự di động của các điện tử tự do (free electron) giữa hai điện áp khác nhau. Dòng điện tử tự do mang điện âm (-) này di động sinh ra dòng điện đi từ điện áp cao đến thấp như một dòng nước chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp. Vì vậy, điện tử tự do trong kim loại được gọi là hạt tải điện (charge carrier). Gỗ, đá và những polyme thông thường khác là chất cách điện vì không có những hạt tải điện. Sự dẫn điện, bán dẫn và cách điện được giải thích rõ ràng qua khái niệm khe dải năng lượng (energy band gap) trong vật lý chất rắn (solid state physics). Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện tính chất của chúng và đặc biệt là khả năng dẫn nhiệt. Mục đích tạo ra vật liệu có độ dẫn nhiệt cao để giúp cho quá trình tiêu tán nhiệt hiệu quả. Theo cách này, nhiệt độ làm việc được giữ ở mức thấp, tránh các khiếm khuyết cách điện do quá nhiệt. Các polyme thể hiện độ dẫn nhiệt thấp (λpolyme ≈ 0.2 W/m.K) do ba nguyên nhân chủ yếu sau: - Sự định hướng ngẫu nhiên của các phân đoạn mạch phân tử polyme. - Liên kết lỏng lẻo giữa các mạch. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 5 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh - Các dao động chỉ truyền hiệu quả dọc theo 1 chuỗi xác định (1 chiều) Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme Độ dẫn nhiệt của một vài polyme điển hìnhđược liệt kê trong bảng dưới đây. Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] Polyme Độ dẫn nhiệt (W/m.K) LDPE 0.28-0.32 HDPE 0.38-0.58 Nhựa Epoxy 0.17-0.21 Polypropylen 0.18-0.24 Nhựa phenol 0.24-0.29 Truyền phonon là cơ chế dẫn nhiệt chính trong hầu hết các polyme. Các phonon chuyển năng lượng nhiệt thông qua các tương tác với nhau và với các hạt hạ nguyên tử [7]. Các khiếm khuyết trong mạng lưới như các vết gẫy, lỗ trống và độ không tinh khiết có thể đưa đến sự không điều hòa từ đó làm tán xạ các phonon. Trong hệ đa pha như các vật liệu polyme compozit quá trình tán xạ cũng diễn ra khi các phonon lan truyền qua bề mặt phân cách giữa các pha. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 6 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Trong kim loại hay các loại vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể, các dao động có thể truyền hiệu quả theo hai hoặc ba chiều. Chính vì vậy, giá trị độ dẫn nhiệt của các loại vật liệu này khá cao: - λkim loại ≈ 100 W/mK - λgốm ≈ 1 – 100 W/mK Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại Để cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme, áp dụng quá trình trùng hợp điện để sản xuất các mảng liên kết của các sợi nano polime, các nhà nghiên cứu của Mỹ đã phát triển một vật liệu polyme có thể dẫn nhiệt tốt hơn 20 lần so với polyme ban đầu. Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra một cách biến polyme được sử dụng rộng rãi nhất (polyethylene), thành một chất dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn là một chất cách điện. Phương pháp của nhóm tác giả sử dụng là định hướng các mạch phân tử PE từ dung dịch, vật liệu tạo thành có độ dẫn nhiệt gấp 300 lần PE ban đầu. Polythiophen cũng là vật liệu polyme dẫn nhiệt mới được tổng hợp có độ dẫn lên đến 4,4 W/mK ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới chỉ bắt đầu, chưa thể ứng dụng trong thực tế. Việc đưa chất độn vào trong các polyme cách điện là một cách tiếp cận thông dụng để cải thiện các tính chất điện, tính chất cơ và tính chất nhiệt. Các vật liệu polyme cách điện được cải thiện có thể làm việc ở nhiệt độ cao với Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 7 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh ứng suất điện lớn hơn. Độ dẫn nhiệt của polyme được tác động theo cách truyền thống bằng việc đưa vào các chất độn dẫn nhiệt cao bao gồm: Graphite, than đen, sợi cacbon, gốm hay các hạt kim loại [8]. Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn Khoảng dẫn nhiệt (W/m.K) Chất độn Dưới 10 Aramid fiber (0.04-0.05), calcium carbonate (2.4-3), ceramic beads (0.23), glass fiber (1), magnesium oxide (8- 32), fumed silica (0.015), fused silica (1.1), molybdenum disulfide (0.13-0.19), PAN-based carbon fiber (9-100), sand (7.2-13.6), talc (0.02), titanium dioxide (0.065), tungsten (2.35), vermiculite (0.062-0.065) 10-29 Aluminum oxide (20.5-29.3), pitch-based carbon fiber (25- 1000) 100-199 Graphite (110-190), nickel (158) Trên 200 Aluminum flakes and powder (204), beryllium oxide (250), boron nitride (250-300), copper (483), gold (345), silver (450) Tuy nhiên, để có thể sử dụng các vật liệu độn này ứng dụng trong các thiết bị điện, cần xem xét đến tính chất cách điện của vật liệu. Đặc biệt là các ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED cần có các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhưng vẫn đảm bảo khả năng cách điện. 1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme LED (Light Emitting Diode – điốt phát quang) được coi là giải pháp ánh sáng của tương lai. So với các phương pháp ánh sáng thông thường như: bóng đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng đèn huỳnh quang, sử dụng bóng đèn LED đem đến nhiều lợi thế: tiết kiệm năng lượng, hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ kéo dài, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường. Giải thưởng Nobel Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 8 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh 2014 được công bố hôm 7/10, tôn vinh phát minh các điốt phát quang LED xanh dương, có khả năng tạo ra các nguồn ánh sáng trắng tiết kiệm năng lượng và sáng hơn. Các nhà khoa học được vinh danh là Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura. Để nâng cao tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của bóng đèn LED, vấn đề tản nhiệt cho đèn LED mang ý nghĩa quyết định. Các bóng đèn LED hiện thời có tản nhiệt thường được làm bằng nhôm: Hình 1.3. Bóng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhôm Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng kim loại mang lại hiệu suất tản nhiệt cao, tuy nhiên nó cũng có một số bất lợi như: khối lượng lớn, gia công phức tạp, chi phí nguyên liệu cao. Điều này đặc biệt bất lợi với các loại đèn LED có công suất cao khi phải sử dụng các tấm tản nhiệt có kích thước lớn và nặng nề. Giải pháp sử dụng các tấm tản nhiệt được làm từ vật liệu polyme nhằm khắc phục các hạn chế nói trên. Trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử, các loại vật liệu polyme thường được biết đến trong các ứng dụng cách điện do khả năng chế tạo dễ dàng, khối lượng nhẹ và chi phí thấp. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp dẫn đến một số hạn chế ứng dụng của loại vật liệu này. Do đó, các nỗ lực hiện nay đang được tiến hành nhằm cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử nói chung và chế tạo đèn LED nói riêng. Tấm tản nhiệt nhôm Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 9 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới a. Microcompozit Vật liệu microcompozit chứa một chất nền polyme và các hạt micro với kích thước điển hình trong khoảng 1-100 µm. Trong trường hợp hàm lượng chất độn lớn (trên 30 % khối lượng), các vật liệu thể hiện độ dẫn nhiệt cao so với polyme ban đầu. Trong trường hợp này, 2 thông số quan trọng có thể được xem như đóng vai trò chủ yếu trong việc xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu microcomposite, đó là độ dẫn nhiệt của chất độn và tương tác giữa chúng. Bảng 3 đưa ra nghiên cứu của Kochetov [9] trong đó vật liệu bao gồm nhựa epoxy (EP) với các hạt micro nhôm oxit và oxit silic. Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở 18°C [9,10] Vật liệu % KL λEP (W/mK) λcđ (W/mK) Kích thƣớc hạt (µm) λcompozit (W/mK) EP-Al2O3 31.2 0.17 20-30 4 0.67 EP-SiO2 45 0.17 0.7-1.7 20 0.72 Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở hàm lượng Al2O3 thấp, độ dẫn nhiệt của vật liệu là tương tự nhau. Các hạt micro với độ dẫn nhiệt cao và hàm lượng chất độn cao có thể tăng cường tốc độ truyền nhiệt như là độ dẫn nhiệt chủ yếu có được thông qua chúng. Huang và đồng sự [11] đã xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu poly(phenylene) sulfit dựa trên bo nitrit (BN). Có một sự liên quan tuyến tính đã được tìm thấy giữa hàm lượng BN và độ dẫn nhiệt của vật liệu. Tính chất này có thể được đóng góp bởi tương tác giữa các hạt. Các chuỗi dẫn trực tiếp dòng nhiệt có thể đưa đến 1 sự gia tăng của độ dẫn nhiệt. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 10 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Khả năng hình thành các chuỗi hạt dẫn nhiệt ở hàm lượng chất độn cao đã được nghiên cứu bởi Agari và Uno [12]. Trong vật liệu chứa hàm lượng chất độn cao, các chuỗi dẫn có thể được hình thành ở nơi mà khoảng cách giữa các hạt là nhỏ hơn trong các phần khác, đưa đến độ dẫn nhiệt cao dọc theo các chuỗi. Một phần trong nghiên cứu của Weidenfeller và cộng sự [13] được tóm tắt trong bảng 4. Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene Vật liệu % KL λPP (W/mK) λcđ (W/mK) λcompozit (W/mK) PP-đồng 30 0.25 400 1.25 PP-talc 30 0.25 10.6 2.5 Sự khác biệt lớn của độ dẫn nhiệt giữa 2 vật liệu được cho là do sự khác biệt ghép nối bên trong của các chất độn như là kết quả không thể giải thích được chỉ bởi sử dụng tính chất của các hạt. Tuy nhiên, tác giả cũng chỉ ra rằng ở hàm lượng chất độn thấp (ít hơn 20 % KL), sự cải thiện độ dẫn nhiệt thường được thấy ít quan trọng. Độ dẫn nhiệt thấp của nền polymer quyết định chủ yếu đến độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit. Nhóm tác giả Mousam Choudhury và cộng sự [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt bột nhôm nitrit đến các đặc trưng nhiệt và điện của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy. Để cải thiện khả năng phân tán của các hạt chất độn nhôm nitrit ở các cấp độ hạt micro và nano trong chất nền polyme, nhóm tác giả đã sử dụng hợp chất aminopropyltriethoxysilan để biến đổi bề mặt của nhôm nitrit. Bên cạnh đó, kết quả đo tính chất điện và nhiệt cho biết rằng việc đưa hợp chất biến đổi bề mặt đã cải thiện hệ số dẫn nhiệt và tính chất điện của vật liệu nanocompozit Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 11 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh so với trường hợp không dùng chất biến đổi bề mặt. Ở 20% chất độn nhôm nitrit có và không có biến đổi bề mặt có một sự gia tăng đáng kể độ dẫn nhiệt so với chất nền epoxy (từ 0,167 W/mK lên 0,207 W/mK) b. Nanocompozit Hình dạng các chất độn nano có thể là 1 chiều (dạng sợi), 2 chiều (dạng tấm hay phiến) hoặc 3 chiều (dạng cầu) nhưng phải có ít nhất một thông số có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Trong trường hợp của nanocompozit, sự phân bố của chất độn sẽ phải đồng nhất tối đa và nếu các kết tụ xuất hiện, kích thước hạt trung bình của chúng phải thấp hơn 100 nm. Một số vật liệu đã được chế tạo bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau [15, 16]. Nói chung, việc đưa các chất độn nano vào vật liệu polymer có thể đưa đến độ dẫn nhiệt cao hơn khi so sánh với polymer nền. Kochetov [9] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt BN đến độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và kết quả được liệt kê trong bảng 5. Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy Vật liệu % KL λEP (W/mK) Hình dạng Kích thƣớc hạt λcompozit (W/mK) EP-BN 5.8 0.17 Cầu 70 nm 0.240 EP-BN 5.8 0.17 Tấm, phiến 0.5 µm 0.274 EP-BN 5.8 0.17 Cầu 1.5 µm 0.242 Mặc dù kích thước hạt trung bình của BN tăng từ 70 nm (nanocompozit) đến 1500 nm (microcompozit), độ dẫn nhiệt là gần như không đổi. Sự khác biệt giữa các hạt 70 nm và 500 nm có thể được cho là do hình dạng chứ không phải là do sự khác biệt về kích thước. Trong trường hợp của các hạt dạng tấm, do tỷ lệ bề mặt cao, khoảng cách trung bình giữa các hạt là nhỏ hơn. Khoảng cách giữa các hạt giảm có thể là lý do cho việc truyền nhiệt hiệu quả hơn. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 12 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Han và đồng nghiệp đã xác định độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy với việc thêm các chất độn BN với kích thước hạt khác nhau. BN-micro, BN-meso và BN-nano được sử dụng. Trong trường hợp BN-nano, đã quan sát thấy các kết tụ lục giác kích thước micro . Các tác giả đã thấy rằng không có sự khác biệt lớn trong độ dẫn nhiệt giữa các vật liệu đã đề cập ở trên. Do đó, họ kết luận rằng ở nồng độ chất độn thấp và trung bình, kích thước hạt không phải là yếu tố quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Trong cả hai trường hợp đã được đề cập, kích thước của các hạt BN không ảnh hưởng nhiều đến độ truyền nhiệt của vật liệu. Ngược lại, các hạt với tỷ lệ bề mặt cao có thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt theo cách tích cực. Tỷ lệ bề mặt cao có thể gia tăng sự hình thành mạng lưới dẫn bởi sự làm giảm giới hạn thấm qua và rút ngắn các vai trò bất lợi kháng nhiệt tương tác pha trong việc truyền nhiệt [17]. Tuy nhiên, việc phân tán tốt các hạt kích thước nano với tỷ lệ bề mặt lớn hơn là khó hơn do sự gia tăng tương tác giữa các hạt [18]. Độ dẫn nhiệt của các hạt kích thước nano được thừa nhận là có cùng khoảng độ dẫn nhiệt với vật gốc ban đầu. Tuy nhiên, hiệu quả của cách tiếp cận này là không chắc chắn. Độ dẫn nhiệt của các chất độn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể của chúng, độ tinh khiết, độ hoàn hảo của cấu trúc, các hiện tượng tán xạ phonon, và có thể khác biệt so với cấu trúc dạng khối của vật liệu ban đầu [19]. Trong bảng 6, hai vật liệu khác nhau dựa trên nhựa epoxy đã được xác định [9-10, 20]. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 13 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy Vật liệu % KL λEP (W/mK) λcđ (W/mK) Kích thƣớc hạt λcompozit (W/mK) EP-AlN 0.7 0.17 150-320 60 nm 0.179 EP-MgO 0.7 0.17 45-50 22 nm 0.175 Nhôm nitrit và magie oxit được sử dụng ở cùng hàm lượng. Kết quả cho biết rằng bản chất độ dẫn nhiệt của các chất độn không đóng góp quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Trong trường hợp của AlN, chất độn được mong chờ sẽ có độ dẫn nhiệt của vật liệu cao hơn do độ dẫn nhiệt của chất độn cao hơn, kích thước hạt trung bình lớn hơn (bởi yếu tố 3). Do đó, có thể thấy rằng không phải độ dẫn nhiệt của chất độn cao sẽ đưa đến độ dẫn nhiệt của vật liệu cao. Việc sử dụng các tác nhân ghép nối đã được nỗ lực bởi nhiều nhóm nghiên cứu để có được tương tác tốt hơn giữa chất độn và chất nền [21]. Nó được thấy rằng khả năng kháng nhiệt giữa bề mặt tương tác pha suy giảm, loại bỏ tán xạ phonon khi bề mặt chất độn được xử lý. So sánh kết quả giữa các vật liệu có và không có biến đổi bề mặt, những người thực hiện thường cho biết độ dẫn nhiệt cao hơn mẫu sau. Kochetov [9], Irwin [22] và Choudhury [23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tác nhân ghép nối đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Compozit của nhựa epoxy và BN đã được nghiên cứu bởi Kochetov. Độ dẫn nhiệt của compozit là cao hơn (gần 3%) khi tác nhân ghép nối silane được sử dụng. Các nanocompozit polyamide được nghiên cứu bởi Irwin. Compozit với các chất độn nano được xử lý bề mặt thể hiện độ dẫn nhiệt cao hơn (trung bình 11%) so với khi không được xử lý và nó được cho là do tương tác giữa chất độn và chất nền được cải thiện. Cuối cùng, Choudhury đã nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 14 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh epoxy – AlN nanocompozit và độ truyền nhiệt hiệu quả hơn (cải thiện trung bình 13%) được tìm thấy cho compozit khi bề mặt chất độn nano được xử lý. Việc cải thiện độ dẫn nhiệt được tin rằng do sự liên quan đến tương tác giữa chất độn và chất nền. Khả năng kết dính tốt hơn giữa chất độn và polymer nền có thể làm giảm sự tán xạ phonon đưa đến giá trị độ dẫn nhiệt cao hơn. Nhiều mô hình và lý thuyết về tương tác pha đã được đưa ra để giải thích vai trò của chúng. Sự kết tụ các hạt đã được báo cáo trong các tài liệu theo một hướng nghiên cứu khác rằng, nó có ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Han [24] đã thông báo sự gia tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy khi sự kết tụ của các hạt xuất hiện. Evans và đồng nghiệp đã phát triển một mô hình để làm rõ đóng góp của các kết tụ đến độ dẫn nhiệt. Họ đã cho biết độ dẫn nhiệt của các nanocompozit tăng khi các hạt nano kết tụ. 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước Trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tản nhiệt trong các thiết bị điện, điện tử ở nước ta hiện nay mới chỉ thấy các nhóm nghiên cứu của phòng nghiên cứu vật liệu cácbon nano, Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu chế tạo loại kem tản nhiệt có chứa CNTs dùng trong bộ phận tản nhiệt của máy tính. Nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Đoàn Đình Phương và cộng sự ở Phòng Nghiên cứu Vật liệu Kim loại Tiên tiến, Viện Khoa học Vật liệu cũng đã bước đầu nghiên cứu chế tạo vật liệu kim loại có chứa CNTs có độ dẫn nhiệt cao bằng phương pháp luyện kim bột, định hướng ứng dụng trong ngành kỹ thuật điện, điện tử. Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu polyme dẫn nhiệt và đặc biệt là các vật liệu polyme dẫn nhiệt có khả năng ứng dụng trong thực tế mới chỉ được bắt đầu ở phòng nghiên cứu vật liệu polyme & compozit, viện Khoa học vật liệu. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 15 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Từ năm 2015, tập thể nghiên cứu của phòng bắt đầu nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo polypropylen, các chất độn được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm talc, nhôm nitrit và bo nitrit. Các nghiên cứu bước đầu cho thấy các kết quả khá thú vị là bột khoáng talc có hệ số dẫn nhiệt thấp nhưng lại gia tăng hệ số dẫn nhiệt cao hơn cho nền polyme so với hai loại chất độn còn lại là nhôm nitrit và bo nitrit ở cùng nồng độ so sánh. Tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu polyme chế tạo được trong các nghiên cứu này chưa cao trong khoảng 0,6 – 0,8 W/m.K [25]. Tiếp tục hướng nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn nhiệt, trong năm 2016 tập thể phòng tập trung nghiên cứu gia tăng khả năng dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và polycacbonat. Trong nghiên cứu này, một số vấn đề về cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu cũng đã được chỉ ra. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cao nhất đạt được là 1,143 W/m.K cho vật liệu compozit PC/BN với tỷ lệ khối lượng 60/40. Tuy nhiên, đối với vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu vẫn chưa được cải thiện đáng kể [26]. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 16 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Chất tạo màng a. Nhựa epoxy - Nhựa epoxy Epotec YD 128 (Thái Lan) với các đặc trưng sau: Đương lượng epoxy là 185~194 g/eq. Độ nhớt ở 25 °C là 11000~14000 cPs. Hàm rắn 100% b. Chất đóng rắn - Chất đóng rắn Epotec TH 703: chất đóng rắn polyamine. Là dạng biến tính của cycloaliphatic polyamine, là chất lỏng màu vàng nhạt. c. Nhựa than đá: Được chế tạo từ sản phẩm phụ của quá trình cốc hóa - Nhiệt độ chảy mềm : 65-70 0C - Màu sắc : đen 2.1.2. Chất độn gia cường a. Khoáng talc Khoáng talc có nguồn gốc từ Thanh Sơn, Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại trong đó SiO2 chiếm 61,8% và MgO chiếm 28,5%. Đề tài sử dụng hai loại bột talc: có và không có biến đổi bề mặt bằng hợp chất amin silan. b. Nhôm nitrit Bột nhôm nitrit (AlN) có nguồn gốc từ Trung Quốc, kích thước hạt trung bình trong khoảng 5-10 µm. c. Bột kim loại và oxit kim loại - Bột kim loại: bột đồng, bột nhôm - Bột oxit kim loại: oxit sắt, oxit nhôm, oxit kẽm. Các nguyên vật liệu đều là sản phẩm thương mại của Trung Quốc. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 17 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn này, để đánh giá ảnh hưởng của phương pháp chế tạo mẫu đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, hai phương pháp chế tạo mẫu được áp dụng. Hai phương pháp này bao gồm phương pháp khuấy trộn tốc độ cao có gia nhiệt và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm. 2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao Các chất độn gia cường được trộn hợp đồng nhất với nhựa epoxy Epotec YD128 ở nhiệt độ 70°C ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau sử dụng thiết bị khuấy cơ. Ủ hỗn hợp ít nhất 24 tiếng sau đó khuấy tốc độ cao ở tốc độ 1000 vòng/phút ở nhiệt độ 70°C. Quá trình khuấy kết thúc sau 8 giờ, hỗn hợp được pha chất đóng rắn và tạo mẫu đo hệ số dẫn nhiệt. 2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm Trong phương pháp chế tạo mẫu này, hỗn hợp sau khi đã được trộn hợp bằng phương pháp khuấy trộn tốc độ cao được trình bày trong mục 2.2.1, hỗn hợp tiếp tục được gia nhiệt lên khoảng 70°C sau đó đưa vào bể rung siêu âm đã được gia nhiệt đến 70°C trong thời gian 2 giờ. Thiết bị sử dụng của hãng Branson, model 3510E-MTH (Mỹ), công suất siêu âm 100W, tần số rung 42kHz. 2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và các chất độn dạng hạt được đo trên thiết bị THB 500 của hãng Linseis (Mỹ) tại phòng thí nghiệm trung tâm công nghệ cao, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. Mẫu dạng hình chữ nhật kích thước 40 x 60 x 5 mm. 2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu Hình thái bề mặt gẫy của vật liệu được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM), trên thiết bị Hitachi S-4800 tại phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện khoa học vật liệu. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 18 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh Mẫu nghiên cứu được ngâm vào nitơ lỏng, dùng kìm bẻ gẫy, bề mặt gẫy được phủ một lớp platin mỏng bằng phương pháp bốc bay trong chân không. Ảnh SEM bề mặt gãy thể hiện khả năng phân tán độ tương hợp giữa các pha trong mẫu vật liệu đo. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 19 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong khuân khổ của luận văn này, các nghiên cứu tăng cường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy tập trung vào phương pháp chế tạo cũng như sử dụng các loại chất độn dạng hạt khác nhau. Ngoài việc tiếp tục ứng dụng khoáng talc, các chất độn dạng hạt có hệ số dẫn nhiệt cao như các loại bột kim loại và oxit kim loại cũng được sử dụng. 3.1. Ảnh hƣởng của khả năng phân tán các hạt chất độn Để xác định ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn trong chất nền epoxy đến khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài đã thử nghiệm hai phương pháp chế tạo mẫu khác nhau bao gồm: phương pháp khuấy trộn tốc độ cao và phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp với rung siêu âm để phân tách các hạt chất độn. Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt được thể hiện trên bảng 3.1 và hình 3.1. Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau Ký hiệu Thành phần Tỷ lệ khối lƣợng Phƣơng pháp chế tạo λepoxy (W/m.K) *λchất độn (W/m.K) λcompozit (W/m.K) E0 Epoxy 100/0 - 0,237 - 0,237 ET73-K Epoxy/talc 70/30 Khuấy tốc độ cao 0,237 10,6 0,622 ET73 Epoxy/talc 70/30 Khuấy tốc độ cao có rung siêu âm 0,237 10,6 1,028 * : theo tài liệu tham khảo Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 20 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh ET73-K ET73 Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm (ET73). Nhìn vào bảng kết quả đo hệ số dẫn nhiệt thấy rằng bột khoáng talc đã có tác dụng gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ 0,237 W/m.K của mẫu epoxy (E0) ban đầu lên 0,622 W/m.K của mẫu Epoxy/talc (chứa 30% bột khoáng talc, ET73-K). Đặc biệt, khi hỗn hợp được khuấy tốc độ cao kết hợp rung siêu âm, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tăng đáng kể lên đến 1,028 W/m.K. Xem xét kỹ hơn khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền epoxy qua ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM (hình 3.2) cho thấy các hạt chất độn phân tách và phân tán đồng đều hơn khi hỗn hợp được rung siêu âm so với trường hợp hỗn hợp chỉ được khuấy tốc độ cao. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 21 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh (a) (b) Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung siêu âm (b) Quá trình truyền nhiệt trong các vật liệu rắn chủ yếu thông qua quá trình truyền dao động. Rõ ràng, sự phân tán của các hạt chất độn trong chất nền hay nói cách khác là sự đồng nhất của vật liệu đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt trong vật liệu. Bằng phương pháp khuấy tốc độ cao kết hợp rung siêu âm giúp cho quá trình phân tán các hạt chất độn trong chất nền tốt hơn từ đó gia tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Trong quá trình chế tạo mẫu nghiên cứu tiếp theo, nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng phương pháp khuấy tốc độ cao kết hợp với rung siêu âm để chế tạo