Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận văn thạc sĩ ngành quản lí chất rắn với đề tài: Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn, cho các bạn làm luận văn tham khảo

1. 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

2. 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
HÀ NỘI - 2015

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi –
học viên Nguyễn Thị Hương, chuyên ngành Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu, kết quả trong bản luận văn này là hoàn toàn
trung thực, không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào. Nếu bản luận văn này được sao
chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo
và pháp luật.
Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2015
Học viên
Nguyễn Thị Hƣơng

4. ii
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Phan
Ngọc Minh, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận
văn này. Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi Hùng
Thắng, người thầy đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quí báu
trong học tập và nghiên cứu khoa học.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo bộ môn Vật lý Chất
rắn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và
giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn
này.
Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ trong phòng Vật liệu Cacbon nano,
Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ em tận tình, tạo điều kiện thuận lợi và cho em
nhiều kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hoàn
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

5. iii
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
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

6. iv
2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ........44
2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn.........................................47
2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu ...................................49
2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)..............................................49
2.4.2 Phổ Raman ................................................................................................50
2.4.3 Phổ Zeta - Sizer .........................................................................................51
2.4.4 Phép đo hình thái học SEM.......................................................................51
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.........................................................54
3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs..........................................54
3.2 Kết quả phân tán CNTs - OH trong chất lỏng tản nhiệt EG/DW....................57
3.3 Cơ chế phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt.............................................59
3.4 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vi xử lý máy tính .......61
3.4.1 Tản nhiệt bằng quạt...................................................................................61
3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs .....................................62
3.5 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn ....63
3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt.................................................................65
KẾT LUẬN..............................................................................................................69
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……… 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

7. vii
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
Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt........................................................................27

8. viii
Hình 1.19. Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu. .......................27
Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids .............................................................31
Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt ................................32
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 ..........................................34
Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt...................................36
Hình 1.23. Modul đèn LED công suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED trên diện tích 16
cm2
sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng của công ty COOLED chế tạo.37
Hình 1.24. Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt......................37
Hình 1.25. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google...............38
Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng.................................................44
Hình 2.3. Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5................................................45
Hình 2.4. Giao diện phần mềm Prime95...................................................................45
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính................46
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W .......................47
Hình 2.7. Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chíp LED ............48
Hình 2.8. Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs .......48
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của giao thao kế Michelson................................................49
Hình 2.10. Máy Zeta - sizer Nano ZS.......................................................................51
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét .....................52
Hình 3.1. Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính
gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH .........................54
Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn
nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH ................................55

9. ix
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

10. x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Viết tắt Tên đầy đủ
AFM Kính hiển vi lực nguyên tử
CNTs Ống nano cacbon
CPU Vi xử lý máy tính
CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi
DEG Diethylene Glycol
DW Nước cất
EDX Phổ tán sắc năng lượng
EG Ethylene Glycol
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

11. 1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi
điện tử, nano điện tử cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả
về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên, các linh kiện điện tử,
nhất là các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát quang độ sáng cao (High
Brightness LED – HBLED) hay vi xử lý máy tính (Center Processing Unit - CPU)
với mật độ tích hợp transistor lên tới 400 triệu khi hoạt động trong một thời gian đủ
dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn có thể làm giảm hiệu quả,
công suất cũng như độ bền. Do vậy, việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ
giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc
độ hoạt động của CPU nói riêng cũng như hiệu quả, và độ bền của các linh kiện
điện tử công suất khác. Do đó, bài toán tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất
lớn là một bài toán quan trọng và cần được nghiên cứu giải quyết. Các phương pháp
tản nhiệt phổ biến được sử dụng hiện nay là: tản nhiệt bằng quạt, ống dẫn nhiệt,
dùng hóa chất tản nhiệt, làm mát bằng nhiệt điện, tản nhiệt bằng chất lỏng. Trong
các phương pháp trên, phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng được ứng dụng rộng
rãi cho các linh kiện điện tử công suất cao bởi giá thành hợp lí, khả năng tản nhiệt
tốt và phù hợp với các linh kiện điện tử công suất cao.
Sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có
khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp và đời sống, trong đó tiêu biểu là vật liệu
ống nano cacbon (CNTs - Carbon NanoTubes). Các nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến
hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 2000 W/mK. Tính chất ưu
việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho
các vật liệu, trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt
là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt.
Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ống nano
cacbon tại Viện Khoa học Vật liệu và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu

12. 2
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.

13. 3
- Kiểm tra kết quả gắn nhóm chức – OH bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi
Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman.
- Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng phương pháp hai
bước (Two - step) sử dụng máy dung siêu âm và chất hoạt động bề mặt
Tween.
- Khảo sát cấu trúc, kích cỡ và các tính chất của chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho linh kiện điện tử công suất lớn bẳng phương pháp: Kính hiển vi
điện tử quét (SEM), Thiết bị Zeta - sizer Nano ZS.
- Đánh giá hiệu quả tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công
suất lớn (450W) khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs
bằng cách khảo sát quá trình tăng giảm nhiệt độ của CPU và LED thông
qua các sensor nhiệt được tích hợp sẵn trong hệ thông thiết bị và phần
mềm Core Temp 1.0 RC5.
BỐ CỤC LUẬN VĂN
Nội dung luận văn gồm 3 phần chính:
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về vật liệu ống nano cacbon, bao gồm cấu trúc, tính chất, ứng
dụng và các phương pháp chế tạo. Khái niệm chất lỏng nano, chất lỏng nano chứa
thành phần CNTs, phương pháp chế tạo và các ứng dụng của chất lỏng nano cũng
được trình bày trong chương này.
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM
Trình bày quá trình biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs, chế tạo
chất lỏng nano chứa thành phần CNTs và ứng dụng chất lỏng nano chứa thành phần
CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn
(450W). Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để đánh giá hiệu quả, cấu trúc
của vật liệu như: Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman,

14. 4
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.

15. 5
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 1s2
2s2
2p2
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 b) sp2
– dạng tam giác c) sp3
– dạng tứ diện
Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon
Trạng thái lai hóa sp1
thẳng hàng (hình 1.1a) được tạo thành như một chuỗi
dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cacbon. Dạng lai hóa này có thể
được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn.
Trạng thái lai hóa sp2
là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này
có ba obital sp2
được tạo thành còn lại là một obital 2p. Ba obital đồng phẳng tạo
với nhau một góc 120o
(hình1.1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các
nguyên tố cacbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế

16. 6
tiếp. Trạng thái lai hóa sp2
giữa các nguyên tử cacbon tưởng tượng giống như một
tấm cacbon đơn 2D phẳng trong đó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cacbon là
120o
trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc
graphene (hình1.1b).
Trạng thái lai hóa sp3
(hình 1.1c), trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3
tương đương nhau được tạo thành định hướng theo các đỉnh của tứ diện đều quanh
một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital
của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ điển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết 
Csp3
- Csp3
(C - C) được tạo thành giữa hai nguyên tử cacbon bởi sự chồng chập các
orbital sp3
và ba liên kết  Csp3
- H1s được tạo thành tại mỗi nguyên tử cacbon.
Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3
thường tồn tại trong cấu trúc Kim cương.
 Graphite
Graphite hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp. Mỗi
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

17. 7
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
Cấu trúc của mạng tinh thể Kim cương được thể hiện trên hình 1.3a. Ở dạng
lập phương, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác ở xung
quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3
, các liên kết này đều là các liên kết cộng hóa
trị. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là
rất lớn nên Kim cương rất cứng và bền. Ô mạng cơ sở của Kim cương tạo thành trên
cơ sở lập phương tâm mặt. Bốn nguyên tử cacbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa
độ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4). Khoảng cách giữa các

18. 8
nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là 1,544 Å. Góc cố định giữa các liên
kết cộng hóa trị trong mạng Kim cương là 109,5o
. Cũng như graphite, Kim cương
có độ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000 W/m.K) và nhiệt độ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K).
 Fullerenes
Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cacbon Kroto và đồng nghiệp [30] đã
khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử có
dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cacbon được
gọi là Fullerenes. Fullerenes là một lồng phân tử cacbon khép kín với các nguyên tử
cacbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên
là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cacbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo
bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (hình 1.4a).
Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cacbon là liên kết sp2
. Ngoài ra có xen lẫn
với một vài liên kết sp3
, do vậy các nguyên tử cacbon không có tọa độ phẳng mà có
dạng mặt cầu hoặc elip. Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng đá nhiều
múi nên để có được một mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao quanh bởi năm lục giác.
Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp độ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc
dạng lồng. Năm 1990, Kratschmer [30] đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra
do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực graphite có chứa C60 và các dạng
fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c).
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

19. 9
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]
Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp
than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và
được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó, CNTs còn được

20. 10
biết đến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với
nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2
bền vững. (Hình 1.6a)
Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau
lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm.
Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được
gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là
1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với nhau và
chiều dài có thể lên đến vài mm (hình 1.6b).
a) b)
Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs
Phát hiện mới về ống nano cacbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó
đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Sự góp mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới:
các vật liệu dựa trên cơ sở cacbon - vật liệu mới cho tương lai.
1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon
SWCNTs được định nghĩa là một tấm graphene được cuộn thành hình trụ tròn
với đường kính khoảng 0,7 đến 10 nm (hầu hết là < 2nm). Mặc dù cơ chế phát triển
không hoàn toàn là sự cuốn của các tấm graphene, nhưng mô hình tấm graphene
được cuốn lại được sử dụng để giải thích cho những tính chất cơ bản của ống nano

21. 11
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).
1 2 ( , )hC na ma 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.









2
1
,
2
3
1 aa , 








2
1
,
2
3
2 aa (1.2)
Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm.
Góc của vector chiral θ:
)(2
2
cos
22
nmmn
mn


 (1.3)

22. 12
Đường kính D của ống được tính theo công thức sau:
2 2
( )
D k n m nm
k N
  

(nm) (1.4)
Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với các
cặp chỉ số (n, m) khác nhau. Ba cấu trúc thường gặp đó là: amchair, zigzag và chiral
tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.8b).
CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet và chiều dài từ một
vài micromet đến vài minimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính và diện tích bề mặt
của nó là rất lớn.
a) 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).

23. 13
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<α<1).
Đây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs.
Ngoài các dạng defect trên, còn một số dạng defect khác như liên kết không
hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí. Các defect có vai trò rất quan trọng, chúng là đầu
mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs. Các defect này có
thể ở đầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức hoạt động
như carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu để hoạt
hóa, biến tính vật liệu CNTs. Tuy nhiên, các defect này cũng ảnh hưởng tới các tính
chất của CNTs, đặc biệt là các tính chất cơ, điện. Nó có thể làm giảm độ bền về mặt
cơ học và làm thay đổi cấu trúc dải điện tử của CNTs.
1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs
Với cấu trúc như đã trình bày ở trên, vật liệu CNTs thể hiện nhiều tính chất ưu
việt, tốt hơn so với các vật liệu thông thường khác như độ bền cơ học, modul ứng
suất cao, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt và khả năng phát xạ trường ở cường độ điện trường
thấp. Các tính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới thu hút sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trên thế giới.
.
a)
b
)

24. 14
 Tính chất cơ và cơ điện
Liên kết σ là liên kết mạnh nhất trong tự nhiên, chính vì vậy một ống nano
cacbon được tạo thành với tất cả là các liên kết σ được chú ý tới như là một vật liệu
có độ bền lớn nhất. Cả thực nghiệm lẫn lý thuyết tính toán đều chứng minh rằng
ống nano cacbon có độ cứng bằng hoặc lớn hơn Kim cương với suất Young lớn
nhất và có độ dãn lớn. SWCNTs rất cứng, có thể chịu được một lực lớn và có độ
đàn hồi cao. Chính tính chất này khiến SWCNTs có khả năng được ứng dụng cao
trong các kính hiển vi quét có độ phân giải cao. Bảng 1 là kết quả so sánh suất
Young, độ dãn của SWCNTs (10,10) và MWCNTs với một số vật liệu khác. Trong
bảng 1, so với thép, suất Young của CNTs (MWCNTs và SWCNTs) gấp khoảng 5
đến 6 lần và độ bền kéo gấp khoảng 375 lần. Trong khi đó, khối lượng riêng của
CNTs nhẹ hơn tới 3 hoặc 4 lần so với thép. Điều này chứng tỏ rằng CNTs có các
đặc tính cơ học rất tốt, bền và nhẹ, mở ra những ứng dụng cho việc gia cường vào
các vật liệu composite như cao su, polyme để tăng cường độ bền, khả năng chịu mài
mòn và ma sát cho các vật liệu này.
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 7,8
Epoxy 3,5 0,005 1,25
Wood 16 0,008 0,6
Trạng thái lai hóa sp2
sẽ dẫn tới sự thay đổi tính chất điện của ống nano
cacbon. Tại mỗi vị trí ống nano cacbon hay graphene có một vector xác định có thể
viết như sau: r = r0 + Δr trong đó r có thể thay đổi theo vector mạng hay vector

25. 15
chiral. Tương tự như phép gần đúng để thu được tính chất điện của CNTs từ
graphene, ta có thể thu được công thức sau:
 rgg pEE  )3(sin)3)(cos1()12sgn( 10  (1.5)
Công thức này cho thấy rằng tất cả các ống chiral hoặc ống không đối xứng
(0<θ<300
) sẽ thay đổi tính chất điện khi thay đổi độ dãn hoặc độ căng vòng xoắn
trái lại những ống armchair đối xứng hoặc zigzag có thể hoặc không thể thay đổi
tính chất điện của chúng. Đây chính là những kết quả thể hiện tính cơ điện.
 Tính chất quang và quang điện
Những sai hỏng cấu trúc của ống nano cacbon đặc biệt là đối với SWCNTs,
dẫn tới sự xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn được xác định, đó
chính là cơ sở cho những ứng dụng quang và quang điện của CNTs. Phổ quang học
của từng SWCNTs riêng lẻ hoặc bó SWCNTs đã được chứng minh bằng cách sử
dụng phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng
ngoại (UV - VIS - NIR).
Tính chất quang và quang điện của CNTs có thể biết được từ cấu trúc vùng
hoặc DOS của SWCNTs. DOS một chiều của SWCNTs có thể được suy ra từ
graphite với biểu thức như sau:
   



m
mg
l


 ,
3
24
(1.6)
Với:   22
,
m
mg




 khi m  (1.7)
  0, mg  khi m  (1.8)
D
mnq
m
3
3 


 (1.9)

26. 16
Với tính chất quang và quang điện của CNTs đã mở ra nhiều hướng ứng dụng
mới. Ví dụ như trường hợp ống nano cacbon là armchair (n = m) là kim loại nhưng
trái lại trong trường hợp khi thỏa mãn được điều kiện n – m = 3q thì CNTs lại là bán
kim loại với độ rộng vùng cấm nhỏ. Khi đó, với dải năng lượng γ = 2,5 ÷ 3,0 eV thì
bước sóng của ống CNTs bán dẫn thay đổi từ 300 nm đến 3000 nm. Điều này dẫn
đến khả năng ứng dụng của ống nano cacbon bán dẫn trong các thiết bị quang và
quang điện từ laser xanh đến các đầu dò hồng ngoại.
 Tính chất điện
CNTs được biết là vật liệu dẫn điện tốt. Tính dẫn điện của loại vật liệu này
phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà độ dẫn của CNTs
có thể là bán dẫn hay kim loại.
Tính chất điện của CNTs xét một cách cơ bản chính là tính chất của mạng
graphite hai chiều hay còn được gọi là graphene. Mô hình liên kết chặt của sự phân
bố năng lượng trong mạng cấu trúc graphene được cho biểu diễn bằng công thức
sau:
)(1
)(
)(
2
2
ks
kt
kE
p
Dg 






 (1.10)
Với Ɛ 2p là năng lượng của điện tử ở quỹ đạo 2p, t nằm trong miền nguyên, s
nằm trong miền số thực, và ω(k) cho bởi công thức:
Hình 1.10a là đồ thị thể hiện sự phân bố năng lượng của graphene trên toàn
vùng Brillouin. Đồ thị này được suy ra từ công thức hàm phân bố năng lượng của
graphene tại Ɛ 2p = 0, t = -3,033, và s = 0,129. Những giá trị này được lựa chọn bằng
nguyên lí tính toán thứ nhất của vùng năng lượng graphite.
2
23
( ) ( ) 1 4cos cos 4cos
2 2 2
y yx
k a k ak a
k f k     (1.11)

27. 17
Hình 1.10. a) Cấu trúc điện tử của hàm phân bố năng lượng; b) vùng Brillouin của
graphene [6]
Khi s = 0, ta có hàm Slater - Koster cho hàm phân bố năng lượng đơn giản
nhất của graphene là:





















2
cos4
2
cos
2
3
cos41),( 2
2
akakak
kkE
yyx
yxDg (1.12)
Cấu trúc dải của CNTs (n, m) được rút ra từ cấu trúc dải của mạng graphene
bằng cách sử dụng các liên kết chặt với điều kiện biên tuần hoàn dọc theo hướng
chu vi của ống CNTs như sau:
2
2 1
2
( )k D
K
E E k K
K
   (1.13)
Trong đó:
+ k là vector sóng (-π/T < k <π/T)
+ T là chu kì dịch của mạng graphene.
+ μ là số lượng tử rời rạc (μ = 1, 2,…, N)

28. 18
+ N là số cặp nguyên tử cacbon trong ô đơn vị của CNTs.
+ K1 và K2 được biểu diễn thông qua các vector đơn vị b1 và b2 của mạng
graphene.
2 1 2 2
1
t b t b
K
N
 
 ;
1 2
2
mb nb
K
N

 (1.14)
Từ cấu trúc dải điện tử, ta thấy độ dẫn của CNTs là dẫn kim loại khi vector
sóng được phép bao gồm điểm K trong mạng đảo của graphene, ngược lại chúng là
bán dẫn khi tồn tại khe năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Suy ra, điều kiện
chung để CNTs là kim loại là: . 2K hk C  hay (n - m)/3 nguyên ( Kk mô tả một
vector sóng của sáu điểm K trong vùng Brillouin thứ nhất của mạng graphene).
Tương tự, CNTs là bán dẫn khi (n – m)/3 không nguyên. Ví dụ như trên hình 1.11,
CNTs (5, 5) và (9, 0) có khe năng lượng bằng 0 ứng với tính dẫn kim loại, CNTs
(10, 0) khe năng lượng nhỏ cỡ bán dẫn.
Hình 1.11. Hàm phân bố năng lượng: a) armchair (5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag
(10,0) [6]
Dùng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), ta có thể đo được điện trở ở
từng phần của ống CNTs. Đối với SWCNTs dẫn điện như kim loại thì điện trở
không thay đổi dọc theo ống. Tuy nhiên, đối với các ống dẫn điện kiểu bán dẫn, khi
kết lại thành sợi dài thì điện trở phụ thuộc rất nhiều vào các vị trí đặt các đầu dò.

29. 19
 Tính chất nhiệt và nhiệt điện
Graphite và Kim cương có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt. Chính vì thế
có thể tin tưởng rằng CNTs cũng có tính chất nhiệt tương tự ở nhiệt độ phòng và
nhiệt độ cao nhưng có trạng thái hoàn toàn khác khi ở nhiệt độ thấp vì tại vùng nhiệt
độ này xuất hiện hiệu ứng lượng tử hóa phonon. Cả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ
ra rằng sự kết nối bên trong ống của bó SWCNTs và MWCNTs là yếu hơn ở vùng
nhiệt độ >100K. CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống nhưng lại
dẫn nhiệt kém hơn (theo hướng bán kính) giữa các lớp với nhau. Các tính toán lí
thuyết và kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt của CNTs phụ thuộc vào
nhiệt độ. Theo J. Hone thì sự phụ thuộc này gần như là sự phụ thuộc tuyến tính theo
nhiệt độ, tại nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của bó SWCNTs và MWCNTs biến đổi
trong khoảng từ 1800 W/mK đến 6000 W/mK. Tuy nhiên, theo Berber thì sự phụ
thuộc này không hoàn toàn là tuyến tính, độ dẫn nhiệt có thể đạt giá trị cực đại lên
tới 37000 W/mK ở 100K rồi sau đó giảm nhanh theo nhiệt độ xuống còn 3000
W/mK ở ngoài khoảng 400K (hình 1.13).
Hình 1.12. So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác [15]
Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất
cao (2800o
C) trong chân không và trong các môi trường khí trơ (Ar). Do có khả
năng bền vững ở nhiệt độ cao cũng như trong các môi trường axít mạnh nên nhiệt
độ và axít thường được dùng để làm sạch vật liệu CNTs.

30. 20
Hình 1.13. a) Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt độ; b) So với
graphite và mạng graphene [38]
 Đặc tính phát xạ trƣờng
Phát xạ trường là hiệu ứng phát xạ điện tử từ kim loại vào chân không khi ta
đặt vào đó một điện trường mạnh. SWCNTs có đường kính nhỏ và hệ số co lớn nên
có khả năng phát xạ điện tử cao. Cấu trúc dạng típ bền về mặt cơ học, ổn định nhiệt,
độ dẫn điện tốt nên SWCNTs được xem là vật liệu có khả năng phát xạ tốt, đặc biệt
là chỉ cần cung cấp một điện thế thấp vài vol (V). Tính chất này có thể ứng dụng để
chế tạo các nguồn phát xạ điện tử, màn hình hiển thị.
Hình 1.14. Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường [35]
Tóm lại, cả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng ống nano cacbon có cấu trúc
và tính chất ưu việt. Kích thước nhỏ, kết hợp với những tính chất vật lý, hóa học ưu
việt, có thể đem lại những ứng dụng tiềm năng to lớn mà ít có một vật liệu nào có
thể so sánh được. SWCNTs có thể là kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vào vector

31. 21
chiral. SWCNTs bán dẫn có thể được dùng để chế tạo transitor, thiết bị nhớ logic,
và thiết bị quang học. SWCNTs nano điện tử có thể sử dụng cho các cảm biến hóa
học và sinh học, các thiết bị quang điện, tích trữ năng lượng, và phát xạ trường.
MWCNTs có tính chất kim loại hoặc bán kim loại phụ thuộc vào cấu trúc của ống,
vì vậy MWCNTs có nhiều ứng dụng khác nhau như làm điện cực nano, phát xạ
trường và tích trữ năng lượng.
1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon
Nhờ các tính chất đặc biệt như có cấu trúc độc đáo, khả năng dẫn điện, dẫn
nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao mà CNTs đã được sử dụng trong một dải rộng các
ứng dụng. Các nghiên cứu và thử nghiệm đã cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có
độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên
đến 2000 W/mK. Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng nâng
cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt cho các linh
kiện và thiết bị công suất, đặc biệt là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt.
Đặc tính phát xạ điện tử của CNTs là rất quí báu mà chúng ta có thể ứng dụng
trong các thiết bị như màn hình phẳng phát xạ trường, đầu dò hiển vi lực nguyên tử,
đầu dò xuyên hầm.
Đối với ống nano cacbon đơn tường, do có những đặc tính của chất bán dẫn,
nên nó còn được dùng để chế tạo transistor, hay các cổng lôgic. Ngoài ra, CNTs đơn
tường có thể được dùng để chế tạo các sensor có độ chính xác trong cả hóa học lẫn
sinh học và sử dụng để chế tạo các sensor điện cơ để đo độ biến dạng của vật liệu
hay thiết bị…
Ống nano cacbon còn được sử dụng để làm điện cực trong các siêu tụ điện hóa.
Bởi vì chúng có diện tích bề mặt lớn nên có thể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn
pin, ắc quy thông thường. Khả năng dẫn điện cao và tính trơ của ống nano, khiến
CNTs có thể đóng vai trò là điện cực trong các phản ứng điện hóa. Ngoài ra, với
những đặc tính cơ học hiếm có và khối lượng riêng thấp của CNTs khiến chúng trở

32. 22
thành một vật liệu tiềm năng trong tổng hợp polyme. CNTs có thể làm tăng độ bền
và độ cứng của polyme, đồng thời làm tăng khả năng dẫn điện của polyme.
1.1.5 Các phƣơng pháp chế tạo ống nano cacbon
Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang
điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất nhiều phương pháp tổng hợp
vật liệu CNTs. Nhưng ba phương pháp phổ biến được nhiều phòng nghiên cứu sử
dụng là: hồ quang điện, bắn phá bằng laser và phương pháp lắng đọng hóa học từ
pha hơi (phương pháp CVD nhiệt). Mỗi phương pháp đều có đặc điểm riêng,
nguyên lý của thiết bị và cách thức để tiến hành chế tạo SWCNTs cũng có sự khác
nhau.
 Phƣơng pháp phóng điện hồ quang
Ban đầu phương pháp này được dùng để chế tạo fullerene C60, kể từ sau khi
khám phá ra CNTs thì phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo
CNTs.
Sự phóng điện hồ quang được thực hiện giữa hai điện cực đặt đối diện và cách
nhau một khoảng 1 mm trong một buồng kín có chứa khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất
trong khoảng 50 mbar – 700 mbar. Giữa hai điện cực có dòng điện một chiều 50 A
– 100 A và hiệu điện thế trong khoảng 20 V – 25 V, nhiệt độ trong buồng lên tới
3000 K – 4000 K. Khi phóng điện, khí giữa hai điện cực than bị ion hoá trở thành
dẫn điện. Đó là plasma, vì vậy phương pháp này còn gọi là hồ quang plasma. Hiệu
suất tổng hợp CNTs phụ thuộc vào độ ổn định của môi trường plasma giữa hai điện
cực, mật độ dòng, áp suất khí trơ, cấu hình của điện cực, buồng chân không và một
vài yếu tố khác. Trong tất cả các loại khí trơ, heli cho kết quả tạo CNTs tốt nhất vì
đây là chất có khả năng ion hóa cao.
Trong điều kiện chế tạo MWCNTs tối ưu thì quá trình bay hơi cacbon sinh ra
một lượng nhỏ muội than cacbon vô định hình và 70% cacbon bốc hơi từ anốt
graphite sạch và lắng đọng lên trên bề mặt của thanh graphite catốt. Điều kiện tổng

33. 23
hợp tối ưu là sử dụng điện thế một chiều với thế 20 V - 25 V và dòng 50 A - 100 A
D.C và áp suất heli ở 500 Torr. Phóng điện hồ quang là một phương pháp đơn giản
cho CNTs chất lượng cao và cấu trúc hoàn hảo.
Hình 1.15. Sơ đồ thiết bị hồ quang điện [30]
Tuy nhiên, phóng hồ quang thông thường là một quá trình không liên tục và
không ổn định nên phương pháp này không thể tạo ra một lượng lớn CNTs. CNTs
được tạo ra bám trên bề mặt catốt và được sắp xếp không theo một quy tắc nào, vì
dòng chuyển động và điện trường là không thuần nhất. Các kết quả nghiên cứu cho
thấy, do mật độ hơi cacbon và nhiệt độ không đồng nhất nên hạt nano cacbon và các
tạp bẩn luôn tồn tại cùng với ống nano. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã tạo ra
những hệ hồ quang mới với nhiều ưu thế mới và có hiệu quả cao. Lee đã phát triển
hệ phóng điện hồ quang truyền thống thành phương pháp hồ quang plasma quay để
chế tạo CNTs khối lượng lớn. Phương pháp hồ quang với plasma quay dùng tổng
hợp CNTs được thể hiện trên hình 1.16. Lực ly tâm gây ra bởi sự quay để tạo ra
hiện tượng xoáy và gia tốc quá trình bay hơi của nguyên tử cacbon theo phương
thẳng đứng với điện cực anốt. Hơn nữa, quá trình quay làm cho sự phóng điện vi cơ
đồng đều và tạo ra plasma ổn định. Bởi vậy đã làm tăng thể tích plasma và tăng
nhiệt độ plasma. Với tốc độ quay là 5000 vòng/phút (rpm) tại nhiệt độ 10250
C, hiệu

34. 24
suất tạo CNTs là 60 %. Hiệu suất có thể đạt tới 90 % nếu tốc độ quay tăng lớn và
nhiệt độ lớn đạt tới 11500
C.
Trong phương pháp hồ quang điện, để tạo MWCNTs thì không cần sự có mặt
của xúc tác. Tuy nhiên, để tạo SWCNTs thì người ta lại cần sử dụng các chất xúc
tác, đặc biệt là các xúc tác kim loại chuyển tiếp. Một số tác giả đã chế tạo SWCNTs
bằng cách phóng điện hồ quang bằng điện cực Fe - graphite 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

35. 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 1200o
C. 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 1200o
C. 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

36. 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 - 900o
C. 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]

37. 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.v…Có 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.

38. 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

39. 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

40. 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,

41. 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]

42. 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

43. 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

44. 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]

45. 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

46. 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 0,56o
C - 0,65o
C 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

47. 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
cm2
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.

48. 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.

49. 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]

50. 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 ứng dụng hạt nhân của chất lỏng nano, đặc biệt là cho ba bộ
phận:
(1) Chất lỏng làm mát lò phản ứng chính cho loại lò phản ứng nước áp lực
(Pressurized Water Reactors - PWR), nó cho phép nâng cao công suất đáng kể cho
các PWR hiện tại và tương lai, do đó nâng cao hiệu quả kinh tế. Cụ thể, việc sử
dụng chất lỏng nano với thông lượng nhiệt nâng cao hơn 32% cho phép tăng 20%

51. 41
công suất trong các nhà máy hiện tại mà không thay đổi thiết kế, lắp ráp và nhiên
liệu.
(2) Chất lỏng cho hệ thống làm mát lõi khẩn cấp (Emergency Core Cooling
Systems - ECCSs) của cả hai loại lò PWR và lò phản ứng nước sôi (Boiling Water
Reactors - BWR).
(3) Chất lỏng tản nhiệt trong mạch của lõi nóng chảy nhằm đảm bảo an toàn
trong trường hợp xảy ra tai nạn nghiêm trọng ở các lò phản ứng.
 Lĩnh vực không gian và quốc phòng
Do sự hạn chế về không gian, năng lượng, và cân nặng trong trạm không gian
và máy bay nên việc chế tạo hệ thống làm mát hiệu quả cao với kích thước nhỏ hơn
đã trở thành một vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu sâu hơn về chất lỏng nano sẽ dẫn đến
sự phát triển của thế hệ tiếp theo của các thiết bị có sự kết hợp chất lỏng nano với hệ
thống điện tử, mở ra khả năng tăng tốc độ của chip trong linh kiện điện tử hoặc đơn
giản hóa yêu cầu làm mát cho các ứng dụng không gian. Một số thiết bị quân sự và
hệ thống đòi hỏi thông lượng nhiệt cao làm mát với mức độ hàng chục MW/m2
. Ở
cấp độ này, làm mát các thiết bị quân sự và hệ thống là rất quan trọng cho các hoạt
động đáng tin cậy. Chất lỏng nano với dòng nhiệt cao quan trọng có tiềm năng để
cung cấp các yêu cầu làm mát trong các ứng dụng cũng như trong các hệ thống
quân sự khác, bao gồm cả xe quân sự, tàu ngầm, rađa, và laser công suất cao. Vì
vậy, chất lỏng nano có ứng dụng rộng rãi trong không gian và quốc phòng các lĩnh
vực, trong đó mật độ năng lượng cao trong khi hệ thống tản nhiệt nhỏ hơn và trọng
lượng ít hơn.

52. 42
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Phƣơng án thực nghiệm
Phương án thực nghiệm dùng để nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong
chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn được lựa chọn như sau:
- Chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs đã biến tính gắn nhóm
chức – OH bằng phương pháp rung siêu âm trong các khoảng thời gian và nồng
độ khác nhau.
- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt cho CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng quạt.
- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt cho LED khi sử dụng chất lỏng không chứa
thành phần CNTs.
- Khảo sát hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs cho CPU và LED
công suất lớn.
- So sánh các kết quả thực nghiệm thu được, từ đó tìm ra hàm lượng tối ưu
của CNTs trong chất lỏng tản nhiệt.
2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids
2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng
 CNTs
Ống nano cacbon (CNTs) được sử dụng trong nghiên cứu là loại đa tường,
được chế tạo tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam) bằng phương pháp CVD nhiệt, với đường kính của CNTs từ 15 – 80 nm,
và chiều dài CNTs từ 1 – 10 μm.
 Tween 80
Tween 80 là chất hoạt động bề mặt có màu vàng nhạt, không độc hại. Tween
80 giúp làm giảm sức căng bề mặt của dung môi chứa nó, được sử dụng trong quá
trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs.
 Chất lỏng nền: H2O, Ethylene glycol.

53. 43
 Hóa chất biến tính CNTs: H2SO4, HNO3, SOCl2, H2O2, …
2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs
Để phân tán CNTs trong chất lỏng, trước tiên chúng tôi thực hiện biến tính gắn
nhóm chức – OH lên bề mặt vật liệu CNTs theo quy trình được mô tả trên hình 2.1.
Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức – OH lên vật liệu CNTs
Trong quy trình biến tính gắn nhóm chức – OH, 1 gam CNTs được đưa vào
bình cầu chứa 100 ml hỗn hợp axít HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ về số mol là 1 : 3. Hỗn
hợp trên được khuấy trộn đều bằng máy khuấy từ, duy trì nhiệt độ ở 80o
C trong 4
giờ, sau đó toàn bộ hỗn hợp tiếp tục được rung siêu âm trong 4 giờ. Tiếp theo, sản
phẩm huyền phù thu được sau phản ứng sẽ được lọc rửa bằng máy lọc hút chân
không để loại bỏ thành phần axít dư. Để đảm bảo lượng axít dư đã được loại bỏ
hoàn toàn bằng quá trình lọc rửa chúng tôi tiến hành xác định độ pH của dịch lọc
bằng giấy chỉ thị pH, khi giấy chỉ thị không đổi màu thì chứng tỏ CNTs biến tính đã
sạch, không còn axít dư. CNTs biến tính được sấy khô ở 80o
C trong 24 giờ để thu
được sản phẩm biến tính CNTs - COOH. Sau đó vật liệu CNTs - COOH được ngâm
trong dung dịch SOCl2 kết hợp với xử lý rung siêu âm trong 24 h tại nhiệt độ 24o
C
để thu được CNTs - COCl. Cuối cùng, vật liệu CNTs - COCl được lọc rửa bằng
H2O2 để thu được vật liệu CNTs biến tính gắn nhóm chức - OH.
0,1 mol HNO3
0,3 mol
H2SO4
Dung dịch A
Rung siêu âm
CNTs -COOH
ướtCNTs-COOH
khô
Sấy khô
CNTs-COCl
CNTs-OH
Ngâm trong
SOCl2
Lọc rửa với H2O2
Lọc với
nước cất
Máy lọc hút
chân không
Khuấy đều
CNTs

54. 44
2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
Để phân tán CNTs trong chất lỏng, chúng tôi sử dụng quy trình phân tán được
mô tả như trên hình 2.2.
Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng
Trong quy trình này, vật liệu CNTs được biến tính gắn nhóm chức – OH, sau
đó CNTs - OH được phân tán đồng đều vào hỗn hợp ethylene glycol/nước cất
(EG/DW) bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Tween - 80 và phương pháp
rung siêu âm.
2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử
2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính
a) Thiết bị máy tính
 Cấu hình máy tính
Máy vi tính được sử dụng trong nghiên cứu này có cấu hình như sau:
- CPU: Intel Core i5 – 3570K (6M Cache, 3.4 GHz).
- Bộ nhớ trong Corsair’s 4 GB DDR3 SODIMM.
- Ổ cứng Toshiba’s 1 TB.
- OS: Microsoft Windows 7 Ultimate Service Pack 1.
- Bo mạch chính Asrock H61M - VS3.
- 4 Sensor tích hợp trong CPU đang dùng là loại TDiode (Thermal
Diode) với sai số ± 0.5 o
C. Sự thay đổi nhiệt độ của CPU được các
CNTs
CNTs biến tính
nhóm chức -OH
Phƣơng pháp
rung siêu âm
Chất lỏng chứa
thành phần CNTs
Chất hoạt động
bề mặt Tween
Chất lỏng
(EG/DW)

55. 45
sensor này nhận biết và thông qua một mạch biến đổi ADC chuyển
thành tín hiệu số.
 Phần mềm Core Temp 1.0 RC5 - 32bit
Core Temp là phần mềm dùng để theo dõi nhiệt độ của CPU. Phần mềm này
có khả năng hiển thị nhiệt độ của từng lõi (Core) trong mỗi CPU và điều đặc biệt là
nó hoàn toàn độc lập với bo mạch chủ (motherboard).
Hình 2.3. Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5
 Phần mềm Prime95
Hình 2.4. Giao diện phần mềm Prime95

56. 46
Prime95 là phần mềm cho phép chúng ta kiểm tra khả năng hoạt động của
CPU, nhất là trong quá trình overclook. Nó sẽ giao cho CPU của bạn một công việc
để bắt CPU hoạt động 100% công suất và từ đó kiểm tra các lõi.
b) Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính.
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính
Trong hệ thống này, đế tản nhiệt làm từ vật liệu đồng được tiếp xúc trực tiếp
với vi xử lý máy tính, bên trong đế đồng có các rãnh dẫn chất lỏng với hình zigzag
cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt lượng tỏa ra từ CPU. Phía trên của đế
đồng là một bơm mini với công suất vào khoảng 1,8 W. Kích thước và công suất
của hai quạt tản nhiệt lần lượt là 120 x 120 x 38 mm3
và 3,6 W. Giàn tỏa nhiệt được
làm từ vật liệu nhôm với các vây tản nhiệt nhỏ xung quanh, kích thước giàn tỏa
nhiệt là 150 x 120 x 25 mm3
.
 Nhiệt độ phòng được giữ ổn định ở 20o
C trong các thí nghiệm bằng cách sử
dụng một điều hòa nhiệt độ.
 Khởi động máy tính.
 Bật phần mềm đo nhiệt độ của CPU (Core Temp 1.0 RC5 - 32 bit).
 Bật chương trình chạy full load (Prime95) để CPU hoạt động 100% công suất.
 Nhiệt độ của CPU được đo trực tiếp bằng 4 sensor tích hợp sẵn bên trong CPU
kết hợp với việc sử dụng phần mềm đo nhiệt độ Core Temp 1.0 RC5 - 32 bit.

57. 47
 Lần lượt đo nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ bão hòa của CPU khi sử dụng
phương pháp tản nhiệt bằng quạt, chất lỏng không chứa CNTs, chất lỏng chứa
CNTs với hàm lượng 0,1 – 1,2 g/lít.
 Tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm thu được.
2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn
a) Hệ thống tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs cho đèn pha LED 450 W
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W
Trong hệ thống này, đế tản nhiệt được làm từ vật liệu nhôm được tiếp xúc trực
tiếp với 9 chip LED. Kích thước của đế nhôm tản nhiệt và của chip LED lần lượt là
210 mm x 210 mm x 17 mm và 40 mm x 40 mm x 3 mm. Công suất của chip LED
và của cả hệ thống đèn LED lần lượt là 50 W và 450 W. Các rãnh chất lỏng hình
zigzag bên trong đế tản nhiệt cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt từ các chip
LED. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon được đối lưu trong hệ
thống này bằng một bơm mini với lưu lượng 3 cm3
/s. Công suất của máy bơm trong
hệ thống tản nhiệt là 2 W. Kích thước và công suất của quạt tản nhiệt lần lượt là 120
x 120 x 38 mm3
và 3,6 W. Thể tích của bình chứa chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt

58. 48
là 500 ml. Giàn tỏa nhiệt được chế tạo từ vật liệu nhôm với kích thước của giàn tỏa
nhiệt là 150 x 120 x 25 mm3
.
Hình 2.7. Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chip LED
Hình 2.8. Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs
b) Thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn pha
LED 450 W
 Nhiệt độ phòng được giữ ổn định ở 20o
C trong các thí nghiệm bằng cách sử
dụng một điều hòa nhiệt độ.
 Bật đèn LED.
 Nhiệt độ của chip LED được đo trực tiếp bằng các sensor nhiệt độ gắn ngay
trên bề mặt đế của chip LED.
Chip LED 50W
(a) (b)