Sự So Sánh Giữa Kết Quả Của Phương Pháp Được Đề Xuất Và Dữ Liệu Thực

v 4 .r3 r2 L

CNT 3 CNT CNT

(2.12)

Có thể bạn quan tâm!

Tổng diện tích bề mặt có thể được tính theo số hạt và diện tích của từng hạt. Giả sử tỉ lệ thể tích của CNTs là εCNT, tỉ lệ thể tích của chất lỏng là (1 - εCNT). Tỉ lệ thể tích của mỗi thành phần trong hỗn hợp chất lỏng là εi, nên tỉ lệ thể tích của tổng các thành phần trong chất lỏng nanô là (1 - εCNT).εi. Số hạt của các thành phần trên là:

n  (1CNT )i  (1CNT )i i v 4 r3

3 i

(2.13)

n CNT CNT

CNT v 4 3 2

CNT .r r L

3 CNT CNT

(2.14)

Diện tích bề mặt của i phân tử chất lỏng là:

S n .s  (1CNT)i.4r 2  3 (1CNT)i i i i 4 r3 i r

3 i

(2.15)

Diện tích bề mặt của CNTs là:

SCNT nCNT .sCNT

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Vì chiều dài CNTs rất lớn so với bán kính của nó nên ta coi:

(2.19)

Vậy nên, SCNT được biểu diễn:

S2CNT CNT r

CNT

(2.20)

Coi Ai:ACNT = Si:SCNT, ta thu được:

n n

kSi SCNT ki Si keff CNT SCNT

i1 i1

(2.21)

Thay thế phương trình (2.15) và (2.20) vào phương trình (2.21), ta được:

n (1) 2

ki 3CNT ikeff CNT CNT

k i1 ri rCNT

n (1) 2

3CNT iCNT

i1 ri rCNT

(2.22)

n2keff CNT CNT

ki i

k i1 ri 3rCNT (1CNT )

n 2

iCNT

i1 ri 3rCNT (1CNT )

(2.23)

Trong các thí nghiệm, thông thường εCNT <1%, và ri << rCNT, nên từ phương

trình (2.23) ta có:

n2keff CNT CNT

ki i

k i1 ri 3rCNT



i 

i1 ri 

(2.24)

Từ (2.2) và (2.24), độ dẫn nhiệt hiệu dụng của hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs là:

n k 

ki i CNT CNT

k i1 ri 3rCNT

(2.25)

i 

r

i1 i 

Từ (2.25), sự tăng lên của độ dẫn nhiệt hiệu dụng của hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs:

k k k

kCNT CNT

3rCNT

(2.26)

i 

r

i1 i 

Ta có thể biểu diễn sự tăng này theo tỷ lệ phần trăm như sau:

CNT .kCNT

%k  100%. k k0  100%.

3rCNT

(2.27)

k0 n 

ki i

i1 ri 

2.3.2. So sánh mô hình với thực nghiệm

Để chứng minh tính đúng đắn của mô hình vừa được phát triển, luận án đã so sánh mô hình lý với kết quả thực nghiệm của V. Kumaresan và cộng sự [100], và Teng và cộng sự [101]. Trong thí nghiệm của nhóm Kumaresan, đường kính trung bình của ống nanô cácbon là 40 nm, bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 20 nm. Tỷ lệ thể tích của ethylene glycol và nước trong hỗn hợp chất lỏng là ε1 = 0,3 và ε2

= 0,7. Theo như Bohne và cộng sự [87], độ dẫn nhiệt của ethylene glycol và nước ở

40oC được ước tính là k1 = 0,25 W/mK và k2 = 0,63 W/mK.

Trong thí nghiệm của nhóm Teng, ảnh TEM của MWCNTs cho thấy rằng MWCTNs có đường kính 5 tới 30 nm. Do đó, đường kính trung bình của MWCNTs là 17,5 nm và bán kính trung bình của CNTs là rCNT = 8,75 nm. Độ dẫn nhiệt của ethylene glycol và nước trong hỗn hợp hỗn hợp chất lỏng ở 80oC được ước tính là k1 = 0,25 W/mK và k2 = 0,66 W/mK.

Liu và cộng sự [102] đo đạc độ dẫn nhiệt hiệu dụng của SWCNTs và MWCNTs bằng phương pháp dịch chuyển phổ Raman không-tương-tác, lần lượt là

2.400 W/mK và 1.400 W/mK. Do đó, độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs được chọn là kCNT = 1.400 W/mK cho tính toán này. Theo như Thang và cộng sự [97], bán kính của phân tử ethylene glycol và phân tử nước là r1 = 0,12 nm và r2 = 0,1 nm.

Hình 2.5 cho thấy rằng mô hình dự đoán chính xác dữ liệu thực nghiệm của Kumaresan. Tuy nhiên, các kết quả tính toán chỉ phù hợp với thí nghiệm Tun-Ping Teng ở 0.4% của tỷ lệ thể tích CNTs và không có sự tương quan giữa các kết quả tính toán và dữ liệu thực nghiệm ở các tỷ lệ khối lượng nhỏ hơn. Điều này có thể bị gây ra bởi các lỗi trong việc đo đạc độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô ở tỷ lệ thể tích CNTs thấp: Độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô tăng mạnh từ 0% lên 38% khi tỷ lệ thể tích CNTs tăng từ 0 lên 0,1%. Trong khi đó, độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô tăng ở một tốc độ chậm hơn, từ 38% tới 46%, khi tỷ lệ thể tích CNTs tăng từ 0,1% lên 0,4%. Kết quả này không phù hợp với các quy luật bình thường của dung dịch nanô [103].

Hình 2.5. Sự so sánh giữa kết quả của phương pháp được đề xuất và dữ liệu thực nghiệm của Kumaresan và Teng

2.4. Kết luận chương 2

Mô hình tính toán lý thuyết trước đây của B.H.Thang và cộng sự [97] cho chất lỏng nền tuy có độ chính xác cao, nhưng lại chỉ mới xét đến chất lỏng nền một thành phần. Tuy nhiên, môi trường hoạt động khắc nghiệt của vệ tinh đòi hỏi một chất lỏng nền đa thành phần có thể hoạt động được ở một dải nhiệt độ rộng hơn để chất lỏng không bị bay hơi hoặc đóng băng trong quá trình hoạt động. Do đó, mô hình của B.H.Thang, tuy chính xác, nhưng không còn phù hợp. Vì vậy, một mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô đa thành phần cần được phát triển để giải bài toán quản lý nhiệt cho vệ tinh là nhiệm vụ mà luận án hướng đến để giải quyết.

Chương này trình bày sự phát triển của mô hình lý thuyết để dự đoán độ dẫn nhiệt hiệu dụng của hỗn hợp chất lỏng chứa CNTs. Các kết quả tính toán cho thấy rằng độ dẫn nhiệt hiệu dụng của chất lỏng nanô tăng khi mật độ CNTs tăng và biến đổi như 1 hàm của mật độ thể tích. Mô hình được đề xuất có độ tin cậy cao do các dự đoán từ nó phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Do vậy, mô hình có thể được dùng để kiểm nghiệm các kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm cũng như phân tích lý thuyết của việc tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu dụng. Kết quả tính toán của mô hình

lý thuyết của luận án đã được đăng trên tạp chí Computational Materials Science 165 (Trang 59 đến 62), năm 2019.

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTs CHO VỆ TINH

3.1. Mở đầu

Sau khi đã đưa ra mô hình tính toán lý thuyết cho chất lỏng đa thành phần chứa CNTs dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh, luận án hướng tới việc chế tạo chất lỏng đa thành phần chứa CNTs để đo đạc các tính chất của chất lỏng, từ đó đưa ra kết luận liệu chất lỏng có phù hợp để được sử dụng trong vệ tinh không. Tuy nhiên, do hỗn hợp nước cất và Ethylene Glycol có một hạn chế lớn là chưa từng được sử dụng trong môi trường không gian, hỗn hợp này khó có thể được sử dụng trong vệ tinh do sẽ cần phải trải qua quá trình kiểm định nghiêm ngặt của nhà phóng. Do vậy, luận án sẽ sử dụng Coolanol-20 như là một phương án thay thế do nó đã được sử dụng trước đây trên vệ tinh [104], nên không cần phải trải qua quá trình kiểm tra của nhà phóng. Hơn nữa, bản thân Coolanol-20 cũng là một hỗn hợp nhiều thành phần (gồm KOH, một ester silicate, cũng như các chất phụ gia khác), nên hoàn toàn phù hợp với mô hình lý thuyết đã được trình bày ở chương trước. Một số ưu điểm khác mà chất lỏng này được chọn là: có tính chất hóa học và vật lý ổn định trong dải nhiệt độ hoạt động, có khả năng chống lại bức xạ không gian, và được sản xuất trong điều kiện nghiêm ngặt bởi một công ty uy tín (Exxon Mobil).

Trong chương này, một số kết quả đạt được trong nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vệ tinh sẽ được trình bày chi tiết.

3.2. Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa CNTs trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

3.2.1. Vật liệu dùng trong chế tạo chất lỏng nanô

Vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt bao gồm: CNTs đa tường (MWCNTs, với đường kính từ 20 đến 80 nm và chiều dài từ 1 đến 10 μm, độ sạch >90%); chất hoạt động bề mặt Tween-80 (Sigma Aldrich); hóa chất biến tính: HNO3 (Merck), H2SO4 (Merck), SOCl2 (Sigma Aldrich), H2O2 (Merck); chất lỏng nền đặc chủng đáp ứng khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ khắc nghiệt trên môi trường mà vệ tinh thường hoạt động (-40oC đến 70oC) bao gồm: Methanol (Merck), Ethanol (Merck), Propanol (Merck), Hexane (Merck), Heptane (Merck),

Coolanol-20 (Organosilicate Ester - Exxon Mobil); một số dung môi khác phục vụ quá trình chế tạo và biến tính vật liệu. Một số thông số kỹ thuật của Coolanol-20 được sử dụng trong luận án như sau:

+ Dải nhiệt độ hoạt động: - 101oC đến 150oC

+ Màu: hổ phách

+ Độ dẫn nhiệt: 0.132 W/m.K

Hình 3.1. a) Ảnh SEM của vật liệu CNTs; b) Coolanol-20

3.2.2. Thiết bị dùng trong chế tạo chất lỏng nanô

Thiết bị sử dụng trong chế tạo bao gồm: Máy lọc hút chân không, máy siêu âm: Microson XL2000 với công suất tối đa 100 W, tần số siêu âm 22,5 kHz; và Elma S40H với công suất tối đa 340 W, tần số siêu âm 37 kHz; Máy khuấy tốc độ tối đa 1.000 vòng/phút; một số thiết bị chế tạo vật liệu khác: cân vi lượng, tủ hút, tủ sấy chân không.

Hình 3.2. Máy lọc hút chân không và rung siêu âm: XL2000 và Elma S40H

3.2.3. Quá trình biến tính CNTs

Để tăng cường khả năng phân tán CNTs vào các loại vật liệu nền nói chung hay chất lỏng, chất keo nói riêng thì bề mặt của vật liệu CNTs cần phải được biến tính để gắn kết với các nhóm chức hóa học.

Hình 3.3. Quy trình biến tính gắn nhóm chức–OH lên bề mặt CNTs

Quy trình biến tính CNTs với nhóm chức –OH được thể hiện như trên hình

3.3. Các bước cụ thể của quy trình như sau:

+ Bước 1: 200 mg CNTs được cho vào hỗn hợp axit HNO3(100 ml) và H2SO4 (300 ml).

+ Bước 2: Khuấy từ dung dịch với tốc độ 500 vòng/phút trong 5 giờ ở nhiệt

độ 70oC.

+ Bước 3: Lọc với nước cất để loại bỏ axit. Sau đó ta thu được CNTs-COOH dạng ướt.

+ Bước 4: Phân tán CNTs-COOH trong Ethylene Glycol, ta thu được CNTs- COOH dạng dung dịch.

+ Bước 5: Phán tán CNTs-COOH (2 g) trong SOCl2 (80 ml).

+ Bước 6: Khuấy từ dung dịch ở tốc độ 300 vòng/phút trong 24 giờ, ở nhiệt

độ 60oC. Sau đó ta thu được CNTs-COCl ở dạng dung dịch.

+ Bước 7: Lọc rửa dung dịch với H2O2 để thu được để thu được CNTs-OH ở

dạng ướt.

+ Bước 8: Sấy khô trong 24 giờ để thu được CNTs-OH dạng bột.

Cơ chế của việc hình thành nhóm chức –COOH và –OH trên bề mặt CNTs được giải thích như sau: hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 đóng vai trò là chất oxi hóa mạnh tạo ra các khuyết tật ở bề mặt của CNTs. Từ những vị trí khuyết tật trên bề mặt CNTs, nguyên tử Cácbon sẽ liên kết với các nhóm chức bên ngoài như –OH và

– COOH để tạo thành CNTs biến tính. Việc biến tính sẽ không ảnh hưởng nhiều

đến tính chất cơ, nhiệt, điện của MWCNTs vì chỉ lớp ngoài cùng của MWCNTs bị