Luận văn Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

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

2.1 Phương án thực nghiệm.42

2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids.42

2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng.42

2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs .43

2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt .44

2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử.44

pdf86 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 475 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
raphite trong môi trường khí argon. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã tạo ra một hố nhỏ trên thanh graphite anốt, hố này được lấp đầy bởi một hỗn hợp bột kim loại và bột graphite còn catốt là thanh graphite sạch. Các chất xúc tác thường được sử dụng để chế tạo SWCNTs bao gồm một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và một số kim loại đất hiếm như Y. Trái lại, hỗn hợp của những chất xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni lại thường được sử dụng để chế tạo ra bó SWCNTs. Hình 1.16. Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay [30] Tóm lại, trong phương pháp phóng điện hồ quang, với hai điện cực là graphite tinh khiết (hoặc có thể bổ sung thêm một vài chất xúc tác), các nguyên tử cacbon từ anốt chạy đến catốt tạo ra các ống nano cacbon và muội fullerenes cùng nhiều sản phẩm phụ khác. Đây là phương pháp đơn giản, phổ biến trong chế tạo CNTs và fullerenes. Sản phẩm tạo ra có cấu trúc hoàn hảo, nhưng không thể điều khiển được đường kính cũng như chiều dài của CNTs.  Phƣơng pháp bốc bay laser Phương pháp bốc bay bằng laser là một phương pháp có hiệu quả cao cho quá trình tổng hợp bó SWCNTs với vùng phân bố hẹp. Trong phương pháp này, một 25 miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dưới áp suất cao trong môi trường khí trơ. MWCNTs được tạo ra trên bia graphite sạch. Chất lượng và hiệu suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng và chất lượng sản phẩm tốt nhất ở nhiệt độ 1200oC. Ở nhiệt độ thấp hơn thì chất lượng cấu trúc giảm và CNTs bắt đầu xuất hiện những sai hỏng. Trong phương pháp bốc bay bằng chùm laser, năng lượng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite được đặt ở trong lò đốt bằng điện ở nhiệt độ khoảng 1200oC. Luồng khí Ar (áp suất ~ 500 Torr) thổi hơi cacbon từ vùng nhiệt độ cao về điện cực lắng đọng bằng đồng được làm lạnh bằng nước như được thể hiện trên hình 1.17. Nếu dùng bia graphite tinh khiết ta sẽ thu được MWCNTs. Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu được SWCNTs. Trong sản phẩm còn có các dây nano tạo bởi các SWCNTs với đường kính từ 10 nm đến 20 nm và dài trên 100 m. Giá trị trung bình của đường kính ống và mật độ phân bố đường kính ống tuỳ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp và thành phần xúc tác. Để tạo SWCNTs, người ta còn dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser điện tử tự do (FEL) hoặc phương pháp xung laser liên tục. Phương pháp này có ưu điểm là sản phẩm thu được có độ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên, đây chưa phải là phương pháp có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lượng sản phẩm tạo ra ít, trong khi đó nguồn laser yêu cầu công suất lớn và điện cực than cần có độ sạch cao... Hình 1.17. Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser 26  Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp chế tạo CNTs phổ biến nhất. CVD có rất nhiều điểm khác so với phương pháp phóng điện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser. Phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser là hai phương pháp thuộc nhóm nhiệt độ cao (>3000K, thời gian phản ứng ngắn (µs - ms), còn phương pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700 - 1473K) và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho đến hàng giờ. Mặt hạn chế chính của phương pháp phóng điện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser là: sản phẩm CNTs được tạo ra không đồng đều, sắp xếp hỗn độn, không theo một quy tắc cho trước hoặc định hướng trên bề mặt. Hiện nay, có nhiều phương pháp CVD sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để tổng hợp CNTs, ví dụ như: phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một ống thạch anh được bao quanh bởi một lò nhiệt (hình 1.18). Bản chất và hiệu suất tổng hợp của tiền chất trong các phản ứng bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất tự nhiên của xúc tác kim loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn hydrocacbon, tốc độ khí, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng v.v Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường được dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocacbon thường dùng là axetylene (C2H2) hoặc ethylene (C2H4) và các hạt nano Fe, Ni, Co như là các chất xúc tác. Nhiệt độ mọc CNTs thông thường nằm trong dải nhiệt độ 500 - 900oC. Ở dải nhiệt độ này các hydrocacbon phân tách thành cacbon và hydro. Cacbon lắng đọng trên các hạt nano kim loại và khuếch tán vào trong các hạt nano này. Khi lượng cacbon đạt đến giá trị bão hoà thì bắt đầu quá trình mọc CNTs. Đường kính của CNTs phụ thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác kim loại. Với hạt kim loại xúc tác có kích thước là 13 nm thì đường kính của ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm. Khi kích thước của hạt xúc tác là 27 nm thì đường kính của ống CNTs dao động từ 100 - 200 nm. [30] 27 Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [30] Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện như: nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3, v.vCó thể tạo lượng lớn ống nano cacbon bằng cách cho acetylene ngưng đọng trên zêolit có xúc tác là Co và Fe. Vì zêolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân tử dễ dàng lọt vào các lỗ trống đó nên khi cho acetylene ngưng tụ trên Co/Zêolit, ta có được ống nano cacbon nhiều vách nhưng đồng thời cũng có fullerenes và ống nano cacbon đơn vách. Hình 1.19. Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu. 28 1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano Chất lỏng nano (nanofluilds) là một loại chất lỏng được tạo ra bằng cách phân tán các vật liệu kích thước nanomet (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống nano, dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v...) trong một nền chất lỏng cơ sở như: nước, dầu, ethylene glycol, vv Nói cách khác, chất lỏng nano là hệ thống hai pha bao gồm một pha rắn nằm trong một pha lỏng. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy chất lỏng nano có nhiều tính chất tăng cường so với các chất lỏng cơ sở, như tính dẫn nhiệt, dẫn điện, độ nhớt, và hệ số truyền nhiệt đối lưu. Các kết quả nghiên cứu gần đây cũng đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nano trong nhiều lĩnh vực khác nhau. [44] 1.2.2 Các phƣơng pháp chế tạo Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp chính, bao gồm: phương pháp hai bước (Two - Step Method) và phương pháp một bước (One - Step Method). [44]  Phƣơng pháp hai bƣớc Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho việc chế tạo chất lỏng nano. Trước hết, ở bước thứ nhất, các vật liệu nano (hạt nano, sợi nano, ống nano, hay vật liệu nano khác) được được sản xuất ở dạng bột khô bằng phương pháp hóa học hay vật lý. Sau đó, ở bước thứ hai, bột nano sẽ được phân tán vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ trợ của các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v... Phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế nhất để sản xuất chất lỏng nano với quy mô lớn, bởi vì kỹ thuật tổng hợp các hạt nano đã được mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, chất lỏng nano được chế tạo bằng phương pháp này không đạt được tính ổn định cao do tỷ số diện tích bề mặt lớn, các hạt nano có xu hướng tụ đám lại với nhau. Vì vậy, kỹ thuật quan trọng để tăng cường sự ổn định của các hạt nano trong chất lỏng là việc sử dụng các chất 29 hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, chức năng của các bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một vấn đề đáng chú ý trong việc nâng cao độ phân tán của vật liệu nano trong chất lỏng [44] Với những nhược điểm nhất định của phương pháp hai bước trong việc phân tán hạt nano trong chất lỏng, một kỹ thuật mới được phát triển để chế tạo chất lỏng nano đó là phương pháp một bước.  Phƣơng pháp một bƣớc Phương pháp một bước (One - step) là phương pháp tổng hợp trực tiếp CNTs trong chất lỏng bằng cách áp dụng các phương pháp hóa học hay vật lý. Phương pháp này bao gồm đồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán các hạt nano trong chất lỏng. Phương pháp One - step có thể chế tạo các hạt nano phân tán đồng đều hơn, và sự ổn định của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn. Để giảm sự tích tụ của các hạt nano trong quá trình bảo quản, Nhóm nghiên cứu Choi đã phát triển phương pháp One - step dựa trên việc ngưng tụ hơi vật lý trong chất lỏng để tạo thành chất lỏng nano Cu/Ethylene Glycol [25]. Phương pháp này bỏ qua được các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt nano, do đó sự tích tụ của các hạt nano được giảm thiểu, và sự ổn định của chất lỏng được tăng lên [49]. Hệ thống chế tạo hạt nano bằng phương pháp hồ quang trong chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System - SANSS) là một lựa chọn hiệu quả để chế tạo chất lỏng nano với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau [10,11]. Các hình dạng khác nhau của vật liệu nano hình thành bởi phương pháp này chủ yếu bị ảnh hưởng và quyết định bởi tính dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng cơ sở. Các hạt nano chế tạo được có các hình dạng bao gồm hình đa giác, hình vuông, và hình tròn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết hợp, tập hợp hay tụ đám của các hạt nano. Tuy nhiên, phương pháp vật lý không thể tổng hợp được chất lỏng nano ở quy mô lớn, và giá thành dựa trên phương pháp này cũng cao, chính vì thế mà các 30 phương pháp hóa học đã nhanh chóng được phát triển. Nhóm nghiên cứu Zhu đã đưa ra một phương pháp hóa học để chế tạo chất lỏng nano Cu bằng cách phản ứng CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới tác dụng của lò vi sóng [18]. Kết quả thu được chất lỏng nano với sự phân tán tốt và ổn định của hạt nano Cu trong ethylene glycol. Chất lỏng nano trên cơ sở dầu có chứa các hạt nano bạc với sự phân bố hẹp của kích thước các hạt nano cũng đã được chế tạo bằng phương pháp này [19]. Chất lỏng nano trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn định cao cũng được nhóm A. K. Singh chế tạo bằng phương pháp hóa học một bước với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, trong đó polyvinylpyrrolidone (PVP) được sử dụng như là chất hoạt động bề mặt tạo sự ổn định của bạc và giảm sự tụ đám cho bạc trong dung dịch. [7] Mặc dù, phương pháp One - step mang lại sự phân tán tốt hơn và đạt được tính ổn định của chất lỏng nano nhưng không phổ biến vì phương pháp vật lý không thể thực hiện trên quy mô lớn và chi phí cao, phương pháp hóa học có thể còn tồn tại các tạp chất do các phản ứng hóa học còn tồn tại trong nanofluids được tạo ra gây khó khăn cho việc xác định vai trò cuả các hạt nano trong nanofluids. 1.2.3 CNTs - Nanofluids  Chế tạo CNTs - nanofluids Như ta đã biết, hiện nay có hai phương pháp chính để chế tạo nanofluids là phương pháp One - step và phương pháp Two - step. Phần lớn các nghiên cứu hiện nay về chất lỏng nano đều thực hiện chế tạo dựa trên phương pháp Two - step vì nó không đòi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nano đã được chế tạo sẵn với số lượng lớn. Đối với CNTs - nanofluids, cho đến nay phương pháp One - step vẫn chưa khả thi và phương pháp Two - step được sử dụng ở tất cả các nghiên cứu được biết đến. [20] Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo CNTs - nanofluids là tránh được sự tụ đám và tạo độ ổn định lâu dài trong chất lỏng. Các ống nano cacbon chưa biến tính, 31 dưới sự tác động của lực Van - der - Waals, cũng như do tỷ số diện tích bề mặt lớn dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng xuống đáy 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 đạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu Xie đã chứng tỏ rằng hầu hết các ống nano cacbon chưa biến tính khi phân tán trong nước với nồng độ 0,175% đều bị lắng đọng chỉ 5 phút sau khi chế tạo [48]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng các chất hoạt động bề mặt, và rung siêu âm sẽ đặt được sự ổn định mong muốn trong việc chế tạo CNTs - nanofluids. Các chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng trong CNTs - nanofluids bao gồm: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP), Gum Arabic (GA), Cety Trimethyl Ammonium Bromide (CTAB), và Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS). Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự đã chế tạo CNTs - nanofluids trên nền nước cất bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS). SDS là một chất hoạt động bề mặt cation có chứa một đầu ưa Sulfate và một phân đoạn hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại một lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs kết hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này được giải thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các bề mặt tích điện âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs. [26] 32  Tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids Trong số các loại vật liệu nano thì CNTs là loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt. Bảng 2 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt, kết quả cho thấy CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ 4.000 - 12.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng. Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m K) 1 Ống nano cacbon 2000 2 Acetic acid 0,193 3 Acetone 0,180 4 Alcohol, ethyl (ethanol) 0,171 5 Alcohol, methyl (methanol) 0,202 6 Alcohol, propyl 0,161 7 Ammonia, saturated 0,507 8 Aniline 0,172 9 Benzene 0,167 10 n-Butyl alcohol 0,167 11 Carbon Disulfide 0,161 12 Carbon Tetrachloride 0,104 13 Castor Oil 0,180 14 Chloroform 0,129 15 Decane 0,147 33 16 Dodecane 0,140 17 Engine Oil, unused 0,145 18 Ether 0,130 19 Ethyl acetate 0,137 20 Ethylene Glycol 0,258 21 Freon refrigerant R - 11 0,093 22 Freon refrigerant R - 12 0,071 23 Glycerine 0,285 24 n-Heptane 0,140 25 Hexane 0,124 26 Isobutyl alcohol 0,134 27 Kerosene 0,145 28 Methyl alcohol 0,212 29 n-Octane 0,147 30 n-Pentane 0,136 31 Phenol 0,190 32 Propylene glycol 0,147 33 Transformer oil 0,110 34 Toluene 0,151 35 Turpentine 0,128 36 Water, Fresh 0,609 34 Để khảo sát tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids, nhóm nghiên cứu Choi đã khảo sát độ dẫn nhiệt của dầu poly (α - olefin) chứa thành phần SWCNTs. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lượng của SWCNTs tăng. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên đến 160% khi tỷ lệ thể tích của SWCNTs được thêm vào là 1,75%. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen đã khảo sát độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích của CNTs phân tán trong chất lỏng, hình 1.21 là kết quả đồ thị thu được cho thấy việc đưa CNTs vào chất lỏng tản nhiệt có thể nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng EG từ 10 – 15 % [29]. Với những ưu việt về tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids, nhóm nhà khoa học Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đưa CNTs vào chất lỏng Ethylene Glycol với nồng độ từ 0,12 - 0,4% về thể tích để ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho ôtô [3 - 8]. Hình 1.21. Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [29] 35 1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano  Tản nhiệt cho linh kiện điện tử Do mật độ ngày càng cao hơn của chíp, đồng thời linh kiện điện tử ngày càng được thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện điện tử đã trở thành bài toán cho các nhà khoa học và công nghệ. Thiết bị điện tử tiên tiến ngày nay phải đối mặt với những thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhưng lại giảm diện tích bề mặt tiếp xúc trong khi vẫn phải đảm bảo được nhiệt độ hoạt động ổn định. Vì vậy, hệ thống tản nhiệt đáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt động ổn định cũng như kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện tử tiên tiến. Hiện nay, có hai hướng chính để cải thiện việc tản nhiệt cho các thiết bị điện tử đó 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 đã biết, nanofluids có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các chất lỏng cơ sở, các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng nanofluids có thể làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào việc sử dụng thêm các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao trong chất lỏng. Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tính trở nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong những giải pháp đã được nghiên cứu là sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa nanofluids. Nhóm nghiên cứu Tsaia đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của nanofluids chứa hạt nano vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [12]. Các kết quả đo cho thấy nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay đổi theo kích thước của các hạt nano vàng. Trong quá trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nano 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 đó giữ nguyên được hiệu quả truyền nhiệt trong suốt quá trình hoạt động. Nhóm nghiên cứu Chen đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng nanofluids bạc [49]. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng 36 nanofluids bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết. Điều này được giải thích 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 nanofluids chứa bạc hoặc hạt nano titan có thể được sử dụng như một chất lỏng làm mát hiệu quả cho các thiết bị có mật độ năng lượng cao. Đối với nanofluids bạc, sự khác biệt nhiệt độ giảm 0,56oC - 0,65oC so với việc sử dụng nước cất khi công suất linh kiện là 30 W - 50 W [39]. Đối với các ống dẫn nhiệt dùng nanofluids titan ở nồng độ 0,10% thể tích, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông thường [36]. Những kết quả đạt được ở trên đã thúc đẩy những nghiên cứu và phát triển tiếp theo của nanofluids cho các ứng dụng cho linh kiện điện tử công suất lớn. Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của Nanofluids trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử. Hình 1.21 là ảnh đèn LED công suất 100 W của công ty SWITCH, nó có độ rọi sáng khoảng 1.700 lume, tương đương với công suất chiếu sáng của bóng đèn Halogen. Bằng cách sử dụng nanofluids khả năng tản nhiệt của LED tốt hơn 40% so với phương pháp tản nhiệt bằng không khí. Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt Hình 1.22 là modul đèn LED sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng do công ty COOLED chế tạo, modul bao gồm 400 chíp LED trên diện tích 16 cm2 với công suất tổng cộng của modul là 1,2 kW. Điều này cho thấy công suất của đèn 37 LED sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng có thể tăng lên rất lớn so với phương pháp tản nhiệt dựa trên sự đối lưu của không khí. Hình 1.23. Modul đèn LED công suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED trên diện tích 16 cm 2 sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng của công ty COOLED chế tạo. Hiện nay, nhiều hệ thống máy tính lớn, máy server sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng, chẳng hạn trên hình 1.23 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong siêu máy tính cũng hãng IBM, hình 1.24 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google. Hình 1.24. Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt. 38 Hình 1.25. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google.  Tản nhiệt cho động cơ Nanofluids có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho động cơ ôtô và các động cơ khác bằng cách tăng hiệu quả, giảm khối lượng và giảm sự phức tạp của hệ thống tản nhiệt. Với hiệu quả tản nhiệt được cải thiện, người ta có thể tản nhiệt cho các động cơ ôtô và xe tải với mã lực cao hơn trong khi hệ thống tản nhiệt có kích thước không thay đổi. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống làm mát nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn sẽ mang lại nhiều lợi ích trong lợi ích kinh tế và sản xuất công nghiệp. Nanofluids trên nền ethylene glycol đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong các ứng dụng làm mát động cơ [21 - 46] do nó hoạt động ở áp suất thấp hơn và hiệu quả cao hơn so với một hỗn hợp 50 : 50 của ethylene glycol và nước cất (tỷ lệ phổ biến của nước làm mát động cơ ôtô được sử hiện nay). Nanofluids có nhiệt độ sôi cao hơn so với chất lỏng nền, do vậy được sử dụng để làm tăng nhiệt độ hoạt động của chất lỏng làm mát đồng thời giảm nhiệt trở cho hệ thống làm mát [47]. Nhóm nghiên cứu Kole đã sử dụng Al2O3 - nanofluids để làm mát động cơ xe hơi với chất lỏng cơ sở là một chất làm mát động cơ xe tiêu chuẩn (HP KOOLGARD) [32] và nghiên cứu tính dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Các nanofluids chế tạo được chứa 3,5% thể tích là hạt nano Al2O3, nhưng độ dẫn nhiệt tăng lên đáng kể và đạt giá trị tối đa là 10,41% ở nhiệt độ phòng. 39 Nhóm nghiên cứu Tzeng [42] đã ứng dụng nanofluids để làm mát cho hộp số tự động. Nanofluids được chế tạo bằng cách phân tán các hạt nano CuO và Al2O3 vào dầu động cơ. Kết quả cho thấy CuO - nanofluilds cho độ chênh lệch về nhiệt độ thấp hơn khi hoạt động ở cả hai chế độ: tốc độ cao và tốc độ thấp của động cơ. Từ quan điểm hiệu suất truyền nhiệt, việc sử dụng nanofluids trong việc tản nhiệt cho động cơ mang lại nhiều lợi thế một cách rõ ràng. Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne đã đánh giá hiệu quả các ứng dụng của nanofluids cho ngành giao thông vận tải. Việc sử dụng nanofluids có độ dẫn nhiệt cao hơn trong bộ tản nhiệt có thể dẫn đến việc giảm diện tích mặt trước của bộ tản nhiệt lên đến 10%, đồng thời có thể tiết kiệm nhiên liệu lên đến 5% do sự giảm kéo khí động học. Nó mở ra cánh cửa cho các thiết kế khí động học ôtô của thế hệ mới giảm lượng khí thải bằng cách giảm lực cản. Việc áp dụng các chất lỏng nano cũng góp phần làm giảm ma sát và mài mòn, giảm tổn thất ký sinh, điều này giúp hoạt động của các thành phần như máy bơm và máy nén khí tiết kiệm hơn 6% nhiên liệu. Trong thực tế, chất lỏng nano không chỉ nâng cao hiệu quả tản nhiệt và hiệu quả kinh tế của động cơ xe hơi, mà còn có ảnh hưởng đến thiết kế cấu trúc của ôtô. Ví dụ, bộ tản nhiệt động cơ làm mát bằng chất lỏng nano sẽ nhỏ hơn và nhẹ hơn, nó có thể được đặt ở những nơi khác nhau trong xe. Bằng cách giảm kích thước và thay đổi vị trí của bộ tản nhiệt, giảm trọng lượng và sức đề kháng gió có thể cho phép tiết kiệm nhiên liệu và lượng khí thải thấp hơn sau đó. Mô phỏng máy tính của cơ quan năng lượng Mỹ từ các bộ phận của công nghệ xe cho thấy chất lỏng nano có thể làm giảm kích thước của bộ tản nhiệt xe tải 5%. Điều này sẽ dẫn đến một sự tiết kiệm nhiên liệu 2,5% ở tốc độ đường cao tốc. [16]  Tản nhiệt trong công nghiệp Việc áp dụng các chất lỏng nano để tản nhiệt công nghiệp sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải. Dự đoán đối với ngành công nghiệp Mỹ, việc thay nước làm mát và sưởi ấm bằng chất lỏng nano có tiềm năng tiết kiệm 1 nghìn tỷ Btu năng lượng. [28,27] 40 Mặt khác, đối với ngành công nghiệp điện lực của Hoa Kỳ, việc sử dụng chất lỏng nano trong chu kỳ làm mát khép kín dự đoán có thể tiết kiệm được khoảng 10.000 - 30.000 tỷ Btu mỗi năm (tương đương với mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của khoảng 50.000 – 150.000 hộ gia đình). Việc cắt giảm lượng khí thải liên quan là khoảng 5,6 triệu tấn CO2, 8.600 tấn Oxit Nitơ, và 21.000 tấn SO2. [22]  Sƣởi ấm và giảm ô nhiễm Chất lỏng nano có thể được áp dụng trong xây dựng hệ thống sưởi ấm. Nhóm nghiên cứu Kulkarni đã đánh giá việc thực hiện công trình sưởi ấm ở các vùng lạnh sử dụng chất lỏng nano. Ở các vùng lạnh, người ta sử dụng ethylene glycol hoặc propylene glycol pha với nước theo tỷ lệ khác nhau như một chất lỏng truyền nhiệt. Thông thường chất lỏng cơ sở được sử dụng là ethylene glycol pha với nước theo tỷ lệ 60 : 40 về trọng lượng. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng chất lỏng nano trong bộ trao đổi nhiệt có thể làm giảm tỷ lệ lưu lượng thể tích và khối lượng, điều này giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng bơm. Chất lỏng nano giúp hệ thống sưởi ấm nhỏ hơn nhưng tương đương với hệ thống sưởi ấm lớn hơn mà lại ít tốn kém. Điều này làm giảm chi phí thiết kế ban đầu không bao gồm chi phí chất lỏng nano. Điều này cũng sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường, vì các bộ phận truyền nhiệt nhỏ hơn với ít chất lỏng hơn sẽ giúp giảm vật liệu phế thải vào cuối vòng đời của nó. [17]  Làm mát hệ thống hạt nhân Viện Công nghệ Massachusetts đã thành lập một trung tâm đa ngành về công nghệ chất lỏng nano cho ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các ứn

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluanvanthacsi_chuaphanloai_169_8294_1870033.pdf
Tài liệu liên quan