“Chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa vật liệu graphene và ống nano
carbon” là sáng chế của TS.Bùi Hùng Thắng- Giám đốc Trung tâm Ứng dụng và Triển
khai Công nghệ - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam cùng nhóm nghiên cứu đã sáng chế, chế tạo thành công.
Các vật liệu được sử dụng làm chất lỏng truyền dẫn nhiệt rất đa
dạng và tùy thuộc vào mục đích ứng dụng cụ thể. Chất lỏng tản nhiệt hoạt động
trong điều kiện thông thường phổ biến là hỗn hợp ethylen glycol với nước, chất
lỏng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn phục vụ cho máy móc thiết bị công nghiệp
được làm từ các loại dầu có độ dẫn nhiệt tốt, còn chất lỏng tản nhiệt trong
môi trường không gian khắc nghiệt thuộc dòng vật liệu silicate ester với nhiệt
độ hoạt động có thể xuống dưới -100oC mà không bị đóng băng. Điều đó
người ta lựa chọn loại chất lỏng phù hợp sao cho đạt được kết quả tốt nhất.
Tiến sĩ Bùi Hùng Thắng
(bên trái) giới thiệu về mô hình đèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng.
Phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng là một bước tiến mới trong
công nghệ tản nhiệt, khắc phục được các nhược điểm của vật liệu thông thường
như tính dẫn nhiệt kém, không linh động về các dải nhiệt độ hoạt động và môi
trường áp suất khác nhau. Trong khi đó, vật liệu nano có nhiều tính chất ưu
việt, chỉ cần pha thêm các hạt nano có tính dẫn nhiệt tốt sẽ nâng cao khả năng
của chất lỏng. Bởi vậy, việc đưa thêm vật liệu nano để nâng cao hệ số dẫn
nhiệt của chất lỏng đã trở thành một hướng nghiên cứu rất sôi động trên thế
giới. Thực tế, có nhiều loại vật liệu nano được thử nghiệm như Cu, Au, Ag, Ni,
oxit kim loại như Al2O3, CuO, Fe2O3,
TiO2, v.v. Nhưng trong đó, các nhà nghiên cứu chú ý hơn cả tới
graphene và ống nano carbon - một trong số những loại vật liệu có độ dẫn nhiệt
cao được biết đến hiện nay (kGr ~ 5.000 W/mK, kCNT ~ 2.000 W/mK).
“Vật liệu này có cấu trúc nano với sự phân tán đều và ổn định
trong chất lỏng. Do vật liệu graphene và ống nano carbon có hệ số dẫn nhiệt cao
nên khi đưa vào chất lỏng tản nhiệt sẽ giúp nâng cao vượt trội hệ số dẫn nhiệt
của chất lỏng. Việc kết hợp graphene có cấu trúc 2D với ống nano carbon có cấu
trúc 1D trong chất lỏng cũng giúp nâng cao tương tác truyền dẫn nhiệt trong nền
chất lỏng, góp phần nâng cao hệ số dẫn nhiệt tổng thể của chất lỏng tản nhiệt.”
– TS Bùi Hùng Thắng cho biết.
Khi đã xác định được việc sử dụng các vật liệu nano bổ sung vào
chất lỏng tản nhiệt, các nhà khoa học của Viện Khoa học vật liệu bắt tay vào
quá trình chế tạo với 2 bước cơ bản là biến tính và phân tán. Để biến tính,
nhóm nghiên cứu đã gắn nhóm chức hóa học lên bề mặt của vật liệu graphene và
ống nano carbon. Các nhóm chức này đóng vai trò quan trọng để nâng cao hiệu quả
phân tán đồng đều và ổn định của vật liệu trong nền chất lỏng, việc biến tính
không đạt yêu cầu có thể làm cho các vật liệu này phân tán kém hay nhanh chóng
bị tụ đám trong chất lỏng chỉ sau một thời gian ngắn. Sau đó, quá trình phân
tán tiếp tục được thực hiện bằng cách sử dụng sóng siêu âm và một số chất hoạt
động bề mặt để phân tán graphene và ống nano carbon biến tính trong nền chất
lỏng tản nhiệt. Sóng siêu âm cung cấp năng lượng ban đầu cần thiết để graphene
và ống nano carbon tách ra khỏi khối ban đầu để phân tán đồng đều trong nền
chất lỏng. Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò hỗ trợ quá trình phân tán và tạo
sự ổn định của vật liệu này trong nền chất lỏng. Sự kết hợp phù hợp giữa chất
hoạt động bề mặt và chế độ siêu âm sẽ giúp cho sự phân tán đạt được tối ưu về
sự đồng đều và ổn định.
“Khi thực hiện nghiên
cứu này, điểm thuận lợi của chúng tôi là đã có nhiều năm làm việc và có nhiều
kinh nghiệm về vật liệu graphene và ống carbon nano. Nhóm cũng đã làm chủ được
công nghệ chế tạo vật liệu ống nano carbon với số lượng lớn để sử dụng cho chất
lỏng nano” – TS Bùi Hùng Thắng chia sẻ.
Tuy nhiên, cái khó lại
nằm ở việc chế tạo được loại vật liệu graphene với kích thước đủ nhỏ và độ dày
đủ mỏng để đáp ứng được khả năng phân tán tốt trong nền chất lỏng. Chúng tôi
phải tìm cách để xử lý chúng trước khi đưa vào chất lỏng” – TS Bùi Hùng Thắng
tiết lộ. Cũng trong quá trình này, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một
phương pháp mới để tự chế tạo được vật liệu graphene kích thước nhỏ và ít lớp ứng
dụng trong chất lỏng tản nhiệt.
Cũng theo TS Bùi Hùng
Thắng, để đo đạc đánh giá tính chất của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần
graphene và ống nano carbon, nhóm đã sử dụng nhiều thiết bị đo tin cậy như
Zetasizer-nanoZS để đánh giá sự phân tán đồng đều và ổn định của vật liệu trong
nền chất lỏng, thiết bị Transient Hot Bridge THB để đo độ dẫn nhiệt của chất
lỏng. Bên cạnh đó, nhóm cũng thử nghiệm sử dụng chất lỏng cho một số thiết bị
điện tử công suất bao gồm module đèn LED đường phố công suất 150 – 200 W và đèn
pha LED công suất 500W để chứng minh tính hiệu quả của chất lỏng tản nhiệt này.
Theo TS Bùi Hùng Thắng,
hiện nhóm nghiên cứu đã sẵn sàng thương mại hóa sản phẩm module đèn LED chiếu
sáng đường phố tản nhiệt bằng chất lỏng nano. Sản phẩm có thể lắp vào các đèn
đường chiếu sáng công cộng hiện nay để nâng cấp thành đèn LED mà không cần phải
mua hoàn toàn đèn mới. Điều này giúp giữ lại một phần cơ sở hạ tầng chiếu sáng
cũ, tiết kiệm chi phí và tránh lãng phí khi thay thế đèn đường cũ bằng đèn LED mới
trong chiếu sáng công cộng, góp phần nâng cao công suất độ bền và tuổi thọ của
đèn LED nhờ ứng dụng công nghệ tản nhiệt bằng chất lỏng nanô. Không dừng lại ở đó, TS
Bùi Hùng Thắng cũng cho biết, Viện Khoa học vật liệu đã kết hợp với một số
doanh nghiệp như Nhà máy nhôm Đông Anh, Công ty Minh Quang để tiến hành gia
công chế tạo các khuôn mẫu cho các bộ phận và linh kiện của module đèn LED, qua
đó có thể tạo được số lượng lớn các sản phẩm này. Ngoài ra nhóm cũng phát triển
một số sản phẩm đèn LED đặc chủng khác sử dụng chất lỏng tản nhiệt nano, chẳng
hạn đèn LED công suất lớn được bố trí nằm âm dưới mặt đất cho những ứng dụng
đặc biệt.
“Chúng tôi nhận thấy
khoảng cách từ nghiên cứu tại phòng thí nghiệm đến thực tế sẽ không xa nếu như
có doanh nghiệp phối hợp, đồng hành và ngược lại. Chất lỏng tản nhiệt vốn có
vai trò ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, vì vậy chúng tôi mong rằng
loại chất lỏng tản nhiệt nano không chỉ ứng dụng cho linh kiện và thiết bị điện
tử công suất như vi xử lý hay đèn LED,… mà còn có thể mở rộng ứng dụng cho các
lĩnh vực công nghiệp khác trong tương lai gần” – TS Bùi Hùng Thắng bày tỏ. Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa vật liệu Graphene và ống nano carbon đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0027931 được công bố vào ngày 25/4/2021.
Phòng Thông tin KH&CN