Hình Ảnh Sem Cho Thấy: (A) Sợi Cnts Căng Tải Giữa Đầu Mút Afm Và Mẫu

Hình 1.9. Hình ảnh SEM cho thấy: (a) Sợi CNTs căng tải giữa đầu mút AFM và mẫu "giấy" SWCNTs, (b) Chế độ xem cận cảnh hiển thị điểm cực hạn của dây ống nanô gắn với đầu AFM và (c) Đứt dây để tải cao hơn [25]

Đối với SWCNTs, độ bền kéo nằm trong khoảng từ 13 đến 52 GPa và suất Young nằm giữa 320 và 1.470 GPa đã được đo đạc. Về MWCNTs, độ bền của vỏ ngoài dao động từ 11 đến 63 GPa, môđun dao động từ 270 đến 950 GPa và biến dạng đứt gãy lên đến 12%.

Các nghiên cứu lý thuyết cũng đã đề cập đến các tính chất cơ học của CNTs, một số cho kết quả phù hợp với các quan sát thực nghiệm. Một điểm đáng chú ý khác là SWCNTs biểu hiện sự trượt giữa các ống trong các bó, do liên kết giữa các lớp yếu của chúng. Do vậy MWCNTs không hiệu quả trong việc đưa tải đến các lớp bên trong của chúng.

Một điểm khác cần lưu ý: việc sản xuất các mẫu CNTs tương tự nhau là một thách thức và việc xác định một bộ tiêu chuẩn chung cho đầu ra của các mẫu CNTs được sản xuất vẫn chưa rõ ràng.

Tính chất nhiệt

Kể từ lần quan sát đầu tiên về MWCNTs hơn 30 năm trước của Iijima, CNTs đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các tính chất đáng chú ý của CNTs, trong đó tính dẫn nhiệt của CNTs đặc biệt thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học. Các phép đo gần đây về độ dẫn nhiệt của CNTs là khoảng 3.000 W/mK đối với ống nano cácbon đa tường (MWCNTs) và khoảng 2.000 W/mK cho ống nano cácbon đơn tường (SWCNTs). Mặc dù vậy, các phép đo độ chính xác cao về khả năng vận chuyển nhiệt của từng ống nanô vẫn còn

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

nhiều thách thức, do những khó khăn về công nghệ liên quan đến các phép đo thực nghiệm quy mô nanô.

Vì lý do này, độ dẫn nhiệt của CNTs chủ yếu là dựa trên các mô phỏng lý thuyết và tính toán từ thí nghiệm gián tiếp, với kết quả thường nằm trong khoảng từ

2.000 đến 6.000W/mK [27]. Tương tự như các vật liệu phi kim loại khác, sự vận chuyển nhiệt năng trong CNTs được giả định xảy ra thông qua một cơ chế dẫn truyền phonon. Sự dẫn phonon trong ống nanô bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như số chế độ hoạt động của phonon, ranh giới tán xạ bề mặt, chiều dài của đường dẫn tự do cho phonon và tán xạ Umklapp không đàn hồi (quá trình tán xạ phonon – phonon hoặc electron – phonon). Độ dẫn nhiệt của CNTs còn phụ thuộc vào sự sắp xếp nguyên tử (các tấm Graphit được cuộn thế nào), đường kính và chiều dài của ống, số lượng khuyết tật cấu trúc và hình thái, cũng như sự hiện diện của các tạp chất khác.

Sự giãn nở nhiệt của CNTs sẽ khác về bản chất so với sợi Cácbon và với than chì. Ruoff [28] đã chỉ ra rằng: không giống như các tấm Graphene trong Graphite, các ống nanô được quấn vào chính nó nên sự giãn nở xuyên tâm được điều chỉnh hoàn toàn bởi mạng liên kết cộng hóa trị Cácbon. Do vậy, tương tác Van der Waals giữa các lớp là kết quả của sự giãn nở nhiệt hướng tâm và ta có thể dự đoán rằng hệ số giãn nở nhiệt sẽ đẳng hướng với SWCNTs và MWCNTs không có khuyết tật.

Hình 1.10. Độ dẫn nhiệt của bó CNTs. Một từ trường mạnh được dùng để sắp xếp các ống CNTs thẳng hàng. Độ dẫn nhiệt được đo theo hướng song song với các ống

Có thể quan sát thấy trên hình 1.10 rằng độ dẫn nhiệt của bó CNTs lớn hơn 200 W/mK, ngang với một kim loại có độ dẫn nhiệt tốt và trong khoảng nhỏ hơn 10 lần độ dẫn nhiệt của kim cương hay Graphit. Độ dẫn nhiệt của các bó CNTs không thẳng hàng thì thường kém hơn các bó CNTs thẳng hàng. Tuy nhiên, với cả hai loại, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ dẫn nhiệt là như nhau. Hơn nữa, các phép đo đồng thời của độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện cho thấy rằng ở mọi dải nhiệt độ, độ dẫn nhiệt không bị ảnh hưởng bởi tính chất dẫn điện của CNTs.

Hệ số giãn nở nhiệt đẳng hướng của CNTs có thể được ứng dụng trong tổng hợp cácbon-cácbon, trong đó sợi Cácbon được xử lý ở nhiệt độ cao sẽ giãn nở và co lại theo hướng xuyên tâm nhiều hơn so với trục dọc của ống. Thông thường, chất nền Cácbon có thể giãn nở nhiệt tương tự như sự giãn nở nhiệt trong mặt phẳng Graphit, và do vậy có thể dẫn đến sự đứt gãy do ứng suất không mong muốn. Vấn đề này có thể được giải quyết nếu CNTs được dùng thay cho sợi Cácbon. Mặc dù vậy, hệ số giãn nở nhiệt rất thấp của các ống nanô không khuyết tật có thể là một vấn đề khi liên kết với ma trận giãn nở nhiệt cao hơn, chẳng hạn như trường hợp của các loại nhựa hoặc epoxit khác.

Trong luận án này, nghiên cứu sinh chế tạo chất lỏng đa thành phần chứa CNTs nhằm tận dụng khả năng dẫn nhiệt tốt trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.

1.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs

1.2.1. Khái niệm chất lỏng nanô

Chất lỏng nanô là một chất lỏng chứa các hạt có kích thước nanomet, được gọi là hạt nanô. Các hạt nanô được sử dụng trong chất lỏng nanô thường được làm bằng kim loại, oxit, cacbua hoặc CNTs. Chất lỏng nền phổ biến bao gồm nước, ethylene glycol và dầu.

Chất lỏng nanô có các đặc tính mới khiến chúng có khả năng hữu ích trong nhiều ứng dụng trong truyền nhiệt, bao gồm vi điện tử, pin nhiên liệu, quy trình dược phẩm và động cơ hybrid, làm mát động cơ/quản lý nhiệt xe, tủ lạnh gia đình, máy làm lạnh, bộ trao đổi nhiệt, trong mài, gia công và trong việc giảm nhiệt độ khí thải lò hơi [29]. Chúng thể hiện khả năng dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt đối lưu tốt hơn đáng kể so với chất lỏng cơ bản. Các nghiên cứu sâu hơn về tính chất của chất lỏng nanô được coi là rất quan trọng trong việc quyết định sự phù hợp của chúng đối với các ứng dụng truyền nhiệt đối lưu. Chất lỏng nanô cũng có các đặc tính âm

học đặc biệt và trong trường siêu âm, nó còn cho thấy thêm sự chuyển đổi sóng biến dạng của sóng nén tới, và hiệu ứng trở nên rõ rệt hơn khi nồng độ hạt nanô tăng lên.

1.2.2. Các phương pháp chế tạo

Để chế tạo chất lỏng nanô, hiện nay người ta sử dụng 2 phương pháp chính, bao gồm: phương pháp 2 bước (Two-Step Method) và phương pháp 1 bước (One- Step Method).

a) Phương pháp 2 bước

Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để điều chế chất lỏng nanô. Ở bước đầu tiên, các hạt nanô, sợi nanô, ống nanô hoặc các vật liệu nanô khác được sản xuất dưới dạng bột khô bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý. Ở bước thứ hai, bột nanô sẽ được phân tán vào chất lỏng với sự hỗ trợ của khuấy từ, rung siêu âm, trộn cắt cao phân tán, nghiền bi. Phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế nhất để sản xuất chất lỏng nanô ở quy mô lớn, do các kỹ thuật của phương pháp này đã được mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Một vấn đề của phương pháp này là do diện tích bề mặt và hoạt động bề mặt cao, các hạt nanô có xu hướng kết tụ. Một giải pháp để tăng cường sự ổn định của các hạt nanô trong chất lỏng là sử dụng chất hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, tác dụng phụ của chất hoạt động bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một mối quan tâm lớn, đặc biệt là đối với các ứng dụng nhiệt độ cao.

Do khó khăn trong việc điều chế chất lỏng nanô ổn định bằng phương pháp hai bước, một số kỹ thuật tiên tiến được phát triển để sản xuất chất lỏng nanô, bao gồm cả phương pháp một bước.

b) Phương pháp 1 bước

Để giảm sự kết tụ của các hạt nanô, Eastman và cộng sự [30] đã phát triển phương pháp ngưng tụ hơi vật lý một bước để điều chế chất lỏng nanô Cu/ethylene glycol. Phương pháp một bước bao gồm đồng thời tạo ra và phân tán các hạt trong chất lỏng. Trong phương pháp này, người ta có thể tránh được các quá trình làm khô, bảo quản, vận chuyển và phân tán các hạt nanô, do đó giảm thiểu sự kết tụ và tăng tính ổn định của chất lỏng [31]. Phương pháp một bước có thể tạo ra các hạt nanô phân tán đồng đều và ổn định trong chất lỏng nền. Chân không-SANSS (hệ thống tổng hợp hạt nanô hồ quang chìm) là một phương pháp hiệu quả khác để điều

chế chất lỏng nanô bằng cách sử dụng các chất lỏng điện môi khác nhau [32,33]. Các hình dạng khác nhau của thành phẩm chủ yếu bị ảnh hưởng và xác định bởi các tính chất dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng điện môi. Các hạt nanô được điều chế có hình dạng giống như hình cái kim, hình đa giác, hình vuông và hình tròn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc ngăn ngừa sự tụ đám của các hạt nanô sau khi phân tán.

Hình 1.11. Hệ thống tổng hợp hạt nano hồ quang chìm

Phương pháp vật lý một bước không thể tổng hợp các chất lỏng nanô ở quy mô lớn, và chi phí cũng cao, vì vậy phương pháp hóa học một bước đang được phát triển như một cách thay thế. Zhu và cộng sự [34] đã trình bày một phương pháp hóa học một bước mới để điều chế chất lỏng nanô đồng bằng cách khử CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới chiếu xạ vi sóng. Các chất lỏng nanô đồng thu được phân tán tốt và ổn định. Các chất lỏng nanô gốc dầu khoáng có chứa các hạt nanô bạc có phân bố kích thước hẹp cũng được điều chế bằng phương pháp này. Sự phân tán có thể được ổn định bởi Korantin, do chất này kết hợp với bề mặt hạt bạc thông qua hai nguyên tử oxy tạo thành một lớp dày đặc xung quanh các hạt. Huyền phù hạt nanô bạc ổn định trong khoảng 1 tháng. Các chất lỏng nanô nền ethanol có chứa các hạt nanô bạc có thể được điều chế bằng phương pháp một bước có hỗ trợ của vi sóng. Trong phương pháp này, polyvinylpyrolidone (PVP) được sử dụng làm chất ổn định của keo bạc và chất khử đối với bạc trong dung dịch. Chất hoạt động bề mặt cation octadecylamine (ODA) cũng là một chất chuyển pha hiệu

quả để tổng hợp keo bạc. Sự chuyển pha của các hạt nanô bạc xảy ra do sự kết hợp của các hạt nanô bạc với các phân tử ODA có trong pha hữu cơ thông qua sự hình thành liên kết phối trí hoặc tương tác cộng hóa trị yếu. Phương pháp chuyển pha đã được phát triển để điều chế chất keo graphene oxit đồng nhất và ổn định.

Tuy nhiên, có một số nhược điểm đối với phương pháp một bước. Vấn đề lớn nhất là các chất phản ứng còn dư lại trong chất lỏng nanô do phản ứng không hoàn toàn hoặc quá trình không ổn định. Trên thực tế, các nhà khoa học gặp nhiều khó khăn để làm rõ tính chất của hạt nanô mà không loại bỏ các tạp chất dư thừa này.

1.2.3. Chất lỏng chứa CNTs

a) Chế tạo chất lỏng nanô

Như đã nêu ở trên, hai phương pháp thường được dùng hiện nay để chế tạo chất lỏng nanô là phương pháp một bước và hai bước. Tuy nhiên, đa số các thí nghiệm liên quan đến chất lỏng nanô đều dựa vào phương pháp hai bước do không yêu cầu cao về mặt thiết bị, cùng với sự sẵn có của các vật liệu nanô với số lượng lớn. Do vậy, đối với chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon, phương pháp hai bước vẫn được sử dụng rộng rãi và phương pháp một bước không được áp dụng [35].

Khi chế tạo chất lỏng nanô, hai yêu cầu bắt buộc là tránh sự tụ đám cũng như tạo ra sự phân tán ổn định trong chất lỏng. Có một số lý do khiến cho CNTs chưa biến tính dễ bị tụ đám và chìm xuống đáy: tác động của lực Van-der-Waals, hay tỷ số diện tích bề mặt lớn. Hơn nữa, nếu chỉ phương pháp rung siêu âm được sử dụng trong thời gian dài cũng không đem lại hiệu quả. Theo như kết quả nghiên cứu được công bố bởi Xie và cộng sự [36], chỉ sau 5 phút, hầu hết CNTs trong nước với nồng độ 0,175% đều sẽ lắng đọng. Do đó, việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng chất hoạt động bề mặt, kết hợp rung siêu âm là cần thiết để phân tán đều CNTs trong chất lỏng.

Nhóm nghiên cứu Jiang và cộng sự [37] đã chế tạo chất lỏng nanô 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 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.

b) Tính chất nhiệt của chất lỏng nanô

Nhóm nghiên cứu do Choi đứng đầu đã tiến hành đo đạc độ dẫn nhiệt của dầu poly(α-olefin) có chứa SWCNTs nhằm khẳng định tính ưu việt của chất lỏng nền chứa CNTs. Từ các đo đạc thực nghiệm ta thấy khi nồng độ SWCNTs tăng thì độ dẫn nhiệt của chất lỏng cũng tăng theo. Khi tỷ lệ thể tích của SWCNTs trong chất lỏng là 1,75%, độ dẫn nhiệt tăng lên đến 160%.

Một số nhóm nghiên cứu khác đã khảo sát độ dẫn nhiệt của chất lỏng khi MWCNTs được pha vào. Ví dụ, hình 1.12 là đồ thị thu được từ thí nghiệm của nhóm của Lifei Chen và cộng sự [38] khi đo độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích CNTs phân tán trong chất lỏng. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng EG có thể tăng từ 10 đến 15% với việc CNTs được đưa vào. Tại Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn Độ), nhóm nhà khoa học của Narendra Singh và cộng sự đã pha CNTs vào chất lỏng nền Ethylene Glycol với hàm lượng từ 0,12% đến 0,4% nhằm mục đích quản lý nhiệt cho ô tô [39,40].

Hình 1.12. Đồ thị sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng [38]

1.2.4. Ứng dụng chất lỏng nanô

Hình 1.13. Ứng dụng của chất lỏng nanô cho các lĩnh vực khác nhau Cho đến nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã và đang nghiên cứu

ứng dụng của chất lỏng nanô để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt trong các lĩnh vực khác nhau. Vì vậy mà hiện nay đã có nhiều công bố khác nhau về chất lỏng nanô, từ phương pháp chế tạo cho đến nghiên cứu tính chất nhiệt, cũng như mô hình và lý thuyết tính toán, hay truyền nhiệt đối lưu. Xi và cộng sự [41] đã đo đạc độ dẫn nhiệt của Ethylene Glycol (EG) được pha với các hạt oxit nanô của MgO, TiO2, ZnO, Al2O3, SiO2. Sự cải thiện độ dẫn nhiệt được cho thấy như trong bảng 1.1. Trong bảng này, độ dẫn nhiệt của TiO2/EG là thấp nhất và của chất lỏng nanô MgO/EG là cao nhất.

Bảng 1.1. Tính chất của các oxit và chất lỏng nano của chúng [41]