Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu "Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon, và chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon; Phát triển mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa vật liệu ống nanô cácbon;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Tô Anh Đức NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA THÀNH PHẦN ỐNG NANÔ CÁCBON TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Tô Anh Đức NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA THÀNH PHẦN ỐNG NANÔ CÁCBON TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Phan Ngọc Minh 2. TS. Bùi Hùng Thắng
i MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. I LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... V LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... VI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................ VII DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... X MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .....5 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁCBON ...................................5 1.1.1. Lịch sử phát triển..............................................................................................5 1.1.2. Cấu trúc của CNTs ...........................................................................................7 1.1.3. Sơ lược các phương pháp chế tạo ..................................................................10 1.1.4. Tính chất của CNTs .......................................................................................15 1.2. CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHỨA CNTS ......................................................20 1.2.1. Khái niệm chất lỏng nanô ..............................................................................20 1.2.2. Các phương pháp chế tạo ...............................................................................21 a) Phương pháp 2 bước ............................................................................................ 21 b) Phương pháp 1 bước ............................................................................................ 21 1.2.3. Chất lỏng chứa CNTs .....................................................................................23 a) Chế tạo chất lỏng nanô ......................................................................................... 23 b) Tính chất nhiệt của chất lỏng nanô ...................................................................... 24 1.2.4. Ứng dụng chất lỏng nanô ...............................................................................25 a) Chất lỏng nanô trong nhiên liệu ........................................................................... 26 b) Khai thác điện địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác ..................................... 26 c) Quản lý nhiệt trong công nghiệp .......................................................................... 27 d) Quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử...................................................................... 29 e) Làm mát hệ thống hạt nhân .................................................................................. 30 f) Chất lỏng thông minh ........................................................................................... 30 g) Lĩnh vực không gian và quốc phòng ................................................................... 31 h) Sưởi ấm và giảm ô nhiễm .................................................................................... 31 1.3. CHẤT LỎNG NANÔ TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH ..............32 1.3.1. Tổng quan về quản lý nhiệt cho vệ tinh .........................................................33
ii a) Nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp ......................................................................... 35 b) Nhiệt từ bức xạ mặt trời phản xạ lại bề mặt trái đất (Albedo) ............................. 35 c) Bức xạ của trái đất phát ra ................................................................................... 36 d) Ma sát với các phân tử chuyển động tự do (FHM) .............................................. 37 e) Các phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh......................................................... 37 1.3.2. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh .............................................42 a) Hiệu quả dẫn nhiệt của CNTs so với chất lỏng nền thông thường ...................... 42 b) Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung vào lĩnh vực này .................. 44 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1..................................................................................49 CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS ....51 2.1. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................................................................................................51 2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG NANO CHỨA CNTS ........................................................................................................................52 2.2.1. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth và Patel .................................................52 2.2.2. Mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền một thành phần 54 2.2.3. So sánh mô hình chất lỏng nền một thành phần với thực nghiệm .................55 2.3. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CHO CHẤT LỎNG NANO ĐA THÀNH PHẦN.....................................................................................56 2.3.1. Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết ...........................................................56 2.3.2. So sánh mô hình với thực nghiệm ..................................................................60 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2..................................................................................61 CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS CHO VỆ TINH ..................................63 3.1. MỞ ĐẦU ...........................................................................................................63 3.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐẶC CHỦNG CHỨA CNTS TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO VỆ TINH ..............................................63 3.2.1. Vật liệu dùng trong chế tạo chất lỏng nano ...................................................63 3.2.2. Thiết bị dùng trong chế tạo chất lỏng nanô ....................................................64 3.2.3. Quá trình biến tính CNTs ...............................................................................65 3.2.4. Phân tán CNTs trong chất lỏng nền ...............................................................66 3.2.5. Các phương pháp khảo sát và đo đạc .............................................................67 a) Phổ tán xạ Raman ................................................................................................ 68 b) Phổ hấp thụ hồng ngoại ....................................................................................... 69
iii c) Phổ phân tán Zeta-Sizer ....................................................................................... 70 3.3. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG ĐẶC CHỦNG CHẾ TẠO ĐƯỢC ......................................................................................................................72 3.3.1. Kết quả biến tính ............................................................................................72 3.3.2. Kết quả phân tán.............................................................................................74 3.3.3. Dải nhiệt độ hoạt động ...................................................................................77 3.3.4. Khảo sát độ dẫn nhiệt .....................................................................................78 3.3.5. Tính toán độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ..............................................................80 3.3.6. Khảo sát tính chất khác ..................................................................................81 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3..................................................................................82 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTS TRÊN MÔ HÌNH VỆ TINH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM .............84 4.1. MỞ ĐẦU ...........................................................................................................84 4.2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH BUỒNG CHÂN KHÔNG NGHIÊN CỨU PHỎNG VỆ TINH CHO QUÁ TRÌNH QUẢN LÝ NHIỆT ........................................................84 4.2.1. Sơ đồ nguyên lý của buồng chân không ........................................................84 4.2.2. Bản vẽ thiết kế mặt cắt của mô hình buồng chân không ...............................86 4.2.3. Bản vẽ thiết kế 3D của mô hình buồng chân không ......................................88 4.3. CHẾ TẠO MÔ HÌNH BUỒNG CHÂN KHÔNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VỆ TINH CHO QUÁ TRÌNH QUẢN LÝ NHIỆT..................................................91 4.3.1. Chế tạo vỏ buồng chân không ........................................................................91 4.3.2. Chế tạo bộ phận bức xạ nhiệt .........................................................................92 4.3.3. Chế tạo bộ phận nhiệt độ thấp ........................................................................93 4.3.4. Chế tạo hệ thống cảm biến và điều khiển ......................................................94 4.3.5. Lắp ráp hoàn thiện buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh ...........95 4.4. THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG NANO TRONG QUẢN LÝ NHIỆT CHO MÔ HÌNH VỆ TINH .......................................................................................................97 4.4.1. Mô hình vệ tinh ..............................................................................................97 4.4.2. Tình huống giả định tản nhiệt cho linh kiện công suất vệ tinh ra vỏ vệ tinh .99 4.4.3. Tình huống giả định lấy nhiệt linh kiện công suất để sưởi ấm linh kiện lạnh ................................................................................................................................100 4.4.4. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs ........101 a) Phương pháp mô phỏng ..................................................................................... 101 b) Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 104 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................105
iv KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................111
v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Tô Anh Đức
vi LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy hướng dẫn là GS.TS. Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng, những người thầy đã định hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Vũ Đình Lãm, PGS.TS. Phạm Anh Tuấn, những người đã luôn giúp đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại Viện Khoa học Vật liệu, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, và Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã giúp tôi thực hiện phép đo phân tích trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam và đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án nghiên cứu sinh. Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người thân trong gia đình: Cha, mẹ và em gái đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và động viên, hỗ trợ tôi. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Tô Anh Đức
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt Tên đầy đủ Atomic Force Microscope (Kính hiển vi lực AFM nguyên tử) Active Thermal Control (Quản lý nhiệt chủ ATC động cho vệ tinh) CNTs Carbon Nanotubes (Ống nanô cácbon) CPU Central Processing Unit (Vi xử lý máy tính) Chemical Vapour Deposition (Lắng đọng pha CVD hơi hóa học) DW Distilled Water (Nước cất) Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ EDX tán sắc năng lượng) EG Ethylene Glycol EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất Electro Hydro Dynamic (Công nghệ bơm EHD dùng điện trường) FHM Phân tử không khí chuyển động tự do HEO High Earth Orbit (Quỹ đạo cao của vệ tinh) Fourier-transform infrared spectroscopy (Phổ FTIR hồng ngoại biến đổi Fourier) Liquid Crystal Tunable Filter (Bộ lọc đa phổ LCTF cho vệ tinh) LED Light Emitting Diode (Điốt phát quang) LEO Low Earth Orbit (Quỹ đạo thấp của vệ tinh) Medium Earth Orbit (Quỹ đạo trung bình của MEO vệ tinh) Multi-Walled Carbon Nanotubes (Ống nanô MWCNTs cácbon đa tường) Pumped Fluid Loop (Hệ thống tuần hoàn PFL dùng bơm)
viii Phase Change Material (Vật liệu thay đổi PCM trạng thái) Passive Thermal Control (Quản lý nhiệt bị PTC động cho vệ tinh) Pressurize Water Reactor (Lò phản ứng nước PWR có áp suất) Submerged Arc Nanoparticle Synthesis SANSS System (Hệ thống tổng hợp hạt nano hồ quang chìm) Synthetic-aperture radar (Radar khẩu độ tổng SAR hợp) Scanning electron microscope (Kính hiển vi SEM điện tử quét) Single-Walled Carbon Nanotubes (Ống nanô SWCNTs cácbon đơn tường) Transmission electron microscopy (Kính hiển TEM vi điện tử truyền qua)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG STT Trang 1 Bảng 1.1 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 25 2 Bảng 1.2 Một số hạt nanô được dùng trong các dung dịch khoan 27 3 Bảng 1.3 Diện tích bề mặt sưởi ấm giảm khi pha thêm hạt nanô 32 4 Bảng 1.4 So sánh hệ số dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng 43 5 Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của độ ổn định vào thế Zeta 71 6 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát sự phân tán của CNTs trong nền đặc chủng 77 7 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng nano 78 8 Bảng 4.1 Kết quả khảo sát trong tình huống giả định thứ nhất 100 9 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát trong tình huống giả định thứ hai 101
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Trang 1 Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80 6 2 Hình 1.2 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT b) MWCNTs 7 3 Hình 1.3 Vecto Chỉral có thể dùng để xác định đường kính ống 8 4 Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị hồ quang điện 11 5 Hình 1.5 Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay 12 6 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser 13 7 Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt 14 8 Hình 1.8 Tính chất điện phụ thuộc vào sự định hướng của các lục giác 15 9 Hình 1.9 Hình ảnh SEM cho thấy: (a) Sợi ống nano cacbon căng tải 17 giữa đầu mút AFM và mẫu "giấy" SWCNTs, (b) Chế độ xem cận cảnh hiển thị điểm cực hạn của dây ống nano gắn với đầu AFM và (c) Đứt dây để tải cao hơn 10 Hình 1.10 Độ dẫn nhiệt của bó CNTs 19 11 Hình 1.11 Hệ thống tổng hợp hạt nano hồ quang chìm 22 12 Hình 1.12 Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 24 Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng 13 Hình 1.13 Ứng dụng của chất lỏng nanô cho các lĩnh vực khác nhau 25 14 Hình 1.14 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng dùng bơm trong máy chủ 28 của Google 15 Hình 1.15 Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử 29 16 Hình 1.16 Tấm sưởi và nhiệt điện trở dùng trong quản lý nhiệt thụ động 34 cho vệ tinh cỡ nhỏ 17 Hình 1.17 Công nghệ chụp ảnh SAR và LCTF cho vệ tinh cỡ nhỏ 35 18 Hình 1.18 Những nhân tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ của vệ tinh 36
xi 19 Hình 1.19 Mô tả khóa nhiệt dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh 38 20 Hình 1.20 Cơ chế hoạt động của heatpipe trong điều khiển nhiệt cho 40 vệ tinh 21 Hình 1.21 Cửa thông hơi dùng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh 41 22 Hình 1.22 Mô tả hệ thống tuần hoàn dùng bơm sử dụng để quản lý 42 nhiệt cho vệ tinh 23 Hình 1.23 Sự cải thiện độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền 45 24 Hình 1.24 Sự tăng độ dẫn nhiệt của Ethylene Glycol và dầu động cơ 46 25 Hình 1.25 So sánh nhiệt độ của hệ đèn LED khi có và không sử dụng 47 heat pipe 26 Hình 1.26 Sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền khi TiO2, Al2O3, 47 Fe, hay WO3 được pha vào chất lỏng 27 Hình 2.1 So sánh kết quả tính toán của H.E. Patel với kết quả thực 53 nghiệm của nhóm nghiên cứu Hwang 28 Hình 2.2 CNTs có cấu trúc hình ống chứ không phải hình cầu 54 29 Hình 2.3 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm 55 của nhóm Hwang 30 Hình 2.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm 56 của Lifei Chen 31 Hình 2.5 Sự so sánh giữa kết quả của phương pháp được đề xuất và 61 dữ liệu thực nghiệm 32 Hình 3.1 a) Ảnh SEM của vật liệu CNTs; b) Coolanol-20 64 33 Hình 3.2 Máy lọc hút chân không và rung siêu âm: XL2000 và Elma 64 34 Hình 3.3 Quy trình biến tính gắn nhóm chức–OH lên bề mặt CNTs 65 35 Hình 3.4 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng đặc chủng 66 36 Hình 3.5 Phổ phân bố kích thước của CNTs phân tán trong 67 Coolanol-20 với thời gian rung siêu âm: a) 30 phút; b) 60 phút; c) 90 phút 37 Hình 3.6 Thiết bị Raman LABRAM - 1B dùng để đo phổ Raman 68 38 Hình 3.7 Thiết bị IMPACT 410 Nicolet dùng để đo phổ FTIR 70
xii 39 Hình 3.8 Thiết bị Zetasizer Nano ZS dùng để đo kích thước hạt 70 40 Hình 3.9 Thiết bị đo độ dẫn nhiệt 72 41 Hình 3.10 Phổ FTIR 73 42 Hình 3.11 Phổ Raman 73 43 Hình 3.12 Thế Zeta của CNTs phân tán trong các nền chất lỏng 76 44 Hình 3.13 Thiết bị KIMO TK62 78 45 Hình 3.14 Sự gia tăng hệ số dẫn nhiệt của Coolanol-20 chứa CNT-OH 79 46 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt vào nồng độ CNT 81 47 Hình 3.16 Thiết bị THB-100 và Brookfield DV2THA 82 48 Hình 4.1 Đồ thị sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của không khí theo áp suất 85 49 Hình 4.2 Mô hình buồng chân không 86 50 Hình 4.3 Bản vẽ thiết kế mặt cắt ngang của buồng chân không mô 87 phỏng quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 51 Hình 4.4 Bản vẽ thiết kế mặt cắt dọc của buồng chân không mô 87 phỏng quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 52 Hình 4.5 Bản vẽ 3D mặt trước của buồng chân không mô phỏng 89 quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 53 Hình 4.6 Bản vẽ 3D mặt trước của buồng chân không mô phỏng 89 quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 54 Hình 4.7 Bản vẽ 3D mặt sau của buồng chân không mô phỏng 90 quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 55 Hình 4.8 Bản vẽ 3D mặt sau của buồng chân không mô phỏng 90 quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 56 Hình 4.9 Bản vẽ 3D mặt trên của buồng chân không mô phỏng 91 quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh 57 Hình 4.10 Vỏ buồng chân không cho hệ mô phỏng vệ tinh đã được 92 chế tạo thành công 58 Hình 4.11 Ảnh chụp của cụm 04 bánh bức xạ nhiệt hồng ngoại 92
xiii 59 Hình 4.12 Ảnh chụp buồng lạnh trong hệ thống mô phỏng 93 60 Hình 4.13 Ảnh chụp buồng đựng nitơ lỏng 94 61 Hình 4.14 Ảnh chụp hệ thống cảm biến và điều khiển cho hệ thống 95 62 Hình 4.15 Ảnh chụp hệ thống mô phỏng vệ tinh 96 63 Hình 4.16 Ảnh chụp mô hình buồng chân không trong quá trình thử 96 nghiệm 64 Hình 4.17 Thiết kế mô hình vệ tinh NanoDragon tại Trung tâm 98 Vũ trụ Việt Nam 65 Hình 4.18 Mô hình vệ tinh 98 66 Hình 4.19 Sơ đồ hệ truyền nhiệt trong tình huống giả định 1 99 67 Hình 4.20 Sơ đồ hệ truyền nhiệt trong tình huống giả định 2 100 68 Hình 4.21 Sơ đồ mạch hệ thống trong tình huống giả định 1 102 69 Hình 4.22 Sơ đồ mạch hệ thống trong tình huống giả định 2 103 70 Hình 4.23 Kết quả mô phỏng của tình huống giả định 1 104 71 Hình 4.24 Kết quả mô phỏng của tình huống giả định 2 105
1 MỞ ĐẦU Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quan tâm đặc biệt kể từ khi được phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển, đến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs đã ra đời với nhiều tính năng vượt trội. Lý do chính để CNTs trở thành một chủ đề được nhiều nhà khoa học quan tâm là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học đặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá. Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống, độ dẫn nhiệt của CNTs biến đổi trong khoảng từ 1.800 đến 6.000 W/mK. Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao trong chân không và trong các môi trường khí trơ (lên đến 2.800oC). CNTs cũng được biết là vật liệu dẫn điện linh hoạt với độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m). Với nhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi được đưa vào các vật liệu nền khác sẽ giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó. Chẳng hạn với việc gia cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống mài mòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v... được tăng cường đáng kể. Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo vật liệu quản lý nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất. Với tính chất phát xạ điện tử mạnh ở điện thế thấp, kích thước nhỏ, vật liệu ống nanô cácbon đã và đang được nghiên cứu để chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các nguồn phát xạ điện tử kích thước nhỏ với phân bố năng lượng điện tử hẹp. Ngoài ra vật liệu nanô cácbon cũng là đối tượng quan trọng cho các nghiên cứu về điện tử nanô, các linh kiện cảm biến, v.v… Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vệ tinh nhân tạo là thiết bị đòi hỏi sự khắt khe về quản lý nhiệt để đảm bảo các linh kiện, bộ phận quan trọng của vệ tinh hoạt động trong môi trường nhiệt ổn định, bền bỉ, qua đó nâng cao hiệu quả cũng như độ bền tuổi thọ cho vệ tinh. Cụ thể, khi hoạt động trên quỹ đạo, vệ tinh sẽ phải chịu đựng sự chênh lệch nhiệt độ lớn: bề mặt vệ tinh hướng về phía trái đất sẽ có nhiệt thấp, trong khi ở mặt đối diện hướng về phía mặt trời sẽ có nhiệt độ cao. Bên cạnh đó các thiết bị điện tử nói chung và vệ tinh nói riêng sẽ chỉ hoạt động hiệu quả ở một dải nhiệt độ nhất định. Một số linh kiện điện tử trong vệ tinh sẽ tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động (như vi xử lý), một số linh kiện điện tử khác cần được sưởi ấm (như camera hướng về phía trái đất). Vì vậy mà việc giữ cho các thiết trên vệ tinh
2 hoạt động trong dải nhiệt độ cho phép là điều rất quan trọng. Điều này có thể thực hiện bằng việc truyền dẫn nhiệt từ vùng nóng có nhiệt độ cao sang vùng lạnh có nhiệt độ thấp hơn: vùng nóng giảm nhiệt và vùng lạnh tăng nhiệt. Để thực hiện nhiệm vụ này, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp sử dụng chất lỏng tản nhiệt, đặc biệt là loại chất lỏng chứa thành phần CNTs có tính chất cơ lý tốt và hệ số dẫn nhiệt cao như đã đề cập đến ở trên. Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon trong quản lý nhiệt cho vệ tinh”. Mục đích luận án: Nghiên cứu lý thuyết, kết hợp thực nghiệm và thử nghiệm ứng dụng chất lỏng đa thành phần chứa CNTs nhằm giám sát nhiệt độ cho vệ tinh mô hình trong phòng thí nghiệm. Đối tượng nghiên cứu: Một số chất lỏng chứa vật liệu CNTs đáp ứng khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường không gian. Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó: - Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển và xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs với độ chính xác cao khi so sánh với thực nghiệm. - Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với các nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs, chế tạo mô hình buồng chân không và thử nghiệm ứng dụng các chất lỏng chế tạo được trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh. Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án gồm các chương: Nhằm đạt được mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã được triển khai thực hiện: – Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng đa thành phần chứa vật liệu CNTs. – Biến tính vật liệu CNTs với nhóm chức -COOH và -OH để nâng cao hiệu quả phân tán trong chất lỏng tản nhiệt. – Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng khả năng ứng dụng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.
3 – Chế tạo mô hình vệ tinh để giả lập điều kiện làm việc của vệ tinh trong quỹ đạo. – Thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh. Luận án bao gồm 124 trang với 9 bảng, 71 hình vẽ và đồ thị. Ngoài phần mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và kết luận về những kết quả đã đạt được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án được cấu trúc trong 4 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, và chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phần tổng quan về vật liệu CNTs trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về chất lỏng tản nhiệt trình bày về hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs. Chương này cũng trình bày về tổng quan quản lý nhiệt cho vệ tinh, cũng như đưa ra lý do tại sao quản lý nhiệt bằng chất lỏng là phương án được chọn. Chương 2 trình bày lý do cần thiết để đưa ra mô hình mới nhằm tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền đa thành phần chứa CNTs. Sau đó, luận án đưa ra các phương trình tính toán mô hình lý thuyết của mình và so sánh với kết quả thực nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình của luận án đưa ra các con số phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Chương 3 trình bày kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, kết quả chế tạo hỗn hợp chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả cho thấy CNTs đã tăng đáng kể khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng đa thành phần. Chương 4 trình bày kết quả chế tạo chế tạo mô hình vệ tinh. Cùng với đó, một hệ mô phỏng môi trường không gian cũng được xây dựng để thử nghiệm mô hình vệ tinh. Chương này cũng trình bày kết quả thử nghiệm chất lỏng chứa thành phần CNTs chế tạo được trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh. Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê. Luận án được thực hiện tại khoa Khoa học Vật liệu và Năng lượng, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã phát triển thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp chất lỏng đa thành phần chứa CNTs. Mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm và đã được công bố trên các tạp chí quốc tế. Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa thành phần CNTs đáp ứng thông số kỹ thuật trong quản lý nhiệt cho vệ tinh.
4 Luận án cũng đã xây dựng mô hình vệ tinh đơn giản để thử nghiệm ứng dụng chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa CNTs trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.1. Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 1.1.1. Lịch sử phát triển Cácbon là một nguyên tố hóa học có ký hiệu C và số nguyên tử 6. Nó là phi kim và hóa trị 4 - tạo ra 4 electron để tạo thành liên kết hóa học cộng hóa trị. Nó thuộc nhóm 14 của bảng tuần hoàn. Cácbon chỉ chiếm khoảng 0,025% vỏ Trái đất [1]. Ba đồng vị của Cácbon tồn tại trong tự nhiên, với đồng vị 12C và 13C là ổn định, trong khi đồng vị 14C là một hạt nhân phóng xạ, phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Trước đây người ta biết đến 3 dạng thù hình chính của Cácbon là kim cương, Graphit và Cácbon vô định hình (Fullerenes). Kim cương là một dạng rắn của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp trong một cấu trúc tinh thể được gọi là khối kim cương. Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển, một dạng rắn khác của Cácbon được gọi là than chì là dạng Cácbon ổn định về mặt hóa học, nhưng kim cương hầu như không bao giờ chuyển đổi thành dạng này. Kim cương có độ cứng và độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ vật liệu tự nhiên nào, do vậy được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như cắt và đánh bóng các đồ vật. Đây cũng chính là lý do mà kim cương có thể chịu được áp lực sâu trong lòng đất, nơi chúng được tìm thấy. Graphit là một dạng tinh thể của nguyên tố Cácbon với các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc hình lục giác. Nó xuất hiện tự nhiên ở dạng này và là dạng Cácbon ổn định nhất trong các điều kiện tiêu chuẩn. Dưới áp suất và nhiệt độ cao, nó chuyển thành kim cương. Graphit được sử dụng trong bút chì và chất bôi trơn. Nó là một chất dẫn nhiệt và điện tốt. Độ dẫn điện cao của Graphit làm cho nó hữu ích trong các sản phẩm điện tử như điện cực, pin và tấm pin mặt trời [2]. Những phân tử Fullerene đầu tiên được phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1985 bởi các nhà khoa học Richard Smalley, Robert Curl, và Harry Kroto đến từ Đại học Rice và họ đã được trao giải Nobel cho khám phá này. Fullerene là các phân tử nanô cácbon đối xứng. Đây là những hợp chất có độ ổn định nhiệt độ và độ dẫn điện cao, do vậy mà thường được sử dụng trong vật liệu nanô tổng hợp. Fullerene được cấu tạo bởi các đa giác khác nhau, và các phân tử này được đặt tên theo số nguyên tử Cácbon có trong cấu trúc của chúng (Hình 1.1). Phân tử Fullerene