Chế tạo và nghiên cứu tính chất tản nhiệt của chất lỏng chứa thành phần vật liệu graphene

0
115

Trong thời gian từ tháng 3/2015 đến tháng 3/2017, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS. Phan Ngọc Hồng làm chủ nhiệm, đã thực hiện đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất tản nhiệt của chất lỏng chứa thành phần vật liệu graphene”.

Đề tài nhằm chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene để nâng cao hệ số dẫn nhiệt cũng như cải thiện các tính chất vật lý khác của chất lỏng tản nhiệt chế tạo được; Nghiên cứu cơ chế giúp phân tán đồng đều graphene trong chất lỏng tản nhiệt và nghiên cứu cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt cho chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene; Xây dựng mô hình tản nhiệt và tiến hành mô phỏng quá trình tản nhiệt ứng dụng chất lỏng chứa thành phần graphene, so sánh với thực nghiệm để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng; Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene cho vi xử lý máy tính, ép xung nâng cao tốc độ vi xử lý; Nghiên cứu ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene cho đèn LED công suất lớn nhằm giảm nhiệt độ chip LED, qua đó nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho đèn LED.

Một số kết quả nổi bật của nghiên cứu:

– Đã chế tạo thành công vật liệu graphene trực tiếp từ điện cực graphite với quy trình chế tạo đơn giản, trang thiết bị đơn giản, với hiệu suất chế tạo là 32mg trong 5 phút chế tạo trên một hệ thí nghiệm, trong khi phương pháp điện hóa thông thường (không có quá trình plasma) ở cùng điều kiện công nghệ cho hiệu suất là 5mg trong 5 phút.

– Đã phân tán thành công vật liệu graphene chế tạo được vào dung dịch nước cất và dung dịch ethylene glycol bằng cách chức năng hóa bề mặt graphene với nhóm chức COOH. Kết quả phép đo thế zetal của các dung dịch chất lỏng chứa graphene và graphene biến tính ở cùng nồng độ cho thấy, giá trị thế zetal của dung dịch lỏng chứa vật liệu graphene là – 15,1V và thế zetal của dung dịch lỏng chứa vật liệu graphene biến tính là – 27,7V. Như chúng ta đã biết, giá trị tuyệt đối của thế zetal càng lớn, đồng nghĩa tương tác giữa phân tử chất lỏng và vật chất được phân tán càng cao, hay nói cách khác là khả năng phân tán càng lớn. Với độ lớn thế zetal là 27,7V chứng tỏ khả năng phân tán của graphene biến tính tốt hơn và đồng đều hơn graphene. Để dung dịch sau vài tuần, bằng mắt thường có thể thấy graphene bị lắng xuống đáy của cốc đựng dung dịch, còn graphene biến tính vẫn phân tán tốt trong dung dịch và không thấy hiện tượng sa lắng ở đáy cốc đựng dung dịch. Từ những kết quả này cho thấy rằng việc biến tính vật liệu graphene bằng nhóm chức COOH đã giúp vật liệu này phân tán đồng đều trong môi trường chất lỏng.

– Đã nghiên cứu tính chất quang của chất lỏng tản nhiệt chứa vật liệu graphene. Kết quả cho thấy chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu graphene hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại, đỉnh phổ hấp thụ tại bước sóng 250nm. Ngoài ra trong dải từ vùng tử ngoài tới nửa vùng nhìn thấy (từ 250nm đến 500nm) chất lỏng tản nhiệt chứa vật liệu graphene vẫn hập thụ một phần ánh sáng. Ngoài ra, kết quả khảo sát khi tăng nồng độ của graphene trong chất lỏng cho thấy cường độ phổ hấp thụ cũng tăng theo khi tăng nồng độ của graphene.

– Đã nghiên cứu cơ chế nâng cao độ dẫn nhiệt cho chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene bằng cách khảo sát độ dẫn nhiệt của dung dịch tản nhiệt chứa graphene với các nồng độ thể tích khác nhau từ 0,2% đến 1%. Kết quả cho thấy khi nồng độ của vật liệu graphene trong chất lỏng tăng thì độ dẫn nhiệt của dung dịch tản nhiệt tăng. Như vậy nhờ có độ dẫn nhiệt cao của vật liệu graphene và sự phân tán đồng đều trong chất lỏng đã làm tăng khả năng trao đổi nhiệt của dung dịch, do đó, làm tăng khả năng dẫn nhiệt của dung dịch tản nhiệt.

– Đã xây dựng thành công mô hình, lập trình và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho linh kiện điện tử ứng dụng chất lỏng chứa thành phần graphene.

– Đã nghiên cứu ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần graphene cho vi xử lý máy tính tốc độ cao Intel Core i5. Kết quả cho thấy với nồng độ graphene là 0,035%vol thì nhiệt độ CPU giảm xuống 7oC sau khoảng thời gian hoạt động là 350s so với tản nhiệt bằng chất lỏng tản nhiệt thông thường không có graphene.

– Đã thiết kế, chế tạo và khảo sát nhiệt độ của đèn LED công suất lớn 450W theo thời gian khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa vật liệu graphene. Kết quả cho thấy, khi nồng độ thể tích của graphene trong chất lỏng tản nhiệt tăng lên thì nhiệt độ của chip LED giảm xuống sau cùng một thời gian hoạt động. Cụ thể đối với trường hợp nồng độ graphene trong dung dịch là 0,035% vol thì tại thời điểm ban đầu nhiệt độ của chip LED là 20oC, sau đó nhiệt độ bão hòa của chip LED đạt đến 50oC sau khoảng thời gian hoạt động 40 phút. Kết quả cho thấy nhiệt độ của chip LED giảm xuống 5oC so với phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng thông thường. Điều đó cho thấy hiệu quả tản nhiệt của hệ thống được nâng cao. Điều này được giải thích là do chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt được nâng cao khi có thêm thành phần graphene.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13539) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.P.D (NASATI)