Tài liệu Luận án chế tạo và khảo sát tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết ứng dụng làm ống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRỊNH MINH HOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN 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 ----------------------------- TRỊNH MINH HOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Đoàn Đình Phương 2. PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng Hà Nội – 2022 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn là PGS.TS. Đoàn Đình Phương và PGS.TS. Nguyễn Phú Hùng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo và Bộ phận đào tạo Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ khoa học tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và người thân, đặc biệt là vợ và con đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận án. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố trong các công trình khác. Tác giả luận án Trịnh Minh Hoàn iii MỤC LỤC Lời cảm ơn ................................................................................................................... i Lời cam đoan ...............................................................................................................ii Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..................................................................................... vi Danh mục các bảng .................................................................................................... xi Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ...........................................................................xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT. 5 1.1 Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển ................................................... 5 1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt .................................................. 6 1.2.1 Ống nhiệt trọng trường.......................................................................... 7 1.2.2 Ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn ............................................................. 8 1.2.2.1 Vỏ ống nhiệt .................................................................................. 9 1.2.2.2 Vật liệu có cấu trúc mao dẫn ....................................................... 10 1.2.2.3 Chất lỏng làm việc bên trong ống nhiệt ...................................... 13 1.2.3 Tính toán thiết kế và chế tạo ống nhiệt ............................................... 16 1.2.3.1 Chế tạo vật liệu xốp thiêu kết ...................................................... 16 1.2.3.2 Tính toán, xác định vỏ ống .......................................................... 19 1.2.3.3 Xác định chất lỏng làm việc trong ống........................................ 20 1.3 Một số vấn đề cơ bản về mao dẫn ................................................................ 22 1.3.1 Hiện tượng mao dẫn ............................................................................ 22 1.3.2 Các phương pháp đo khả năng mao dẫn ............................................. 24 1.3.2.1 Các phương pháp xác định áp suất mao dẫn lớn nhất ................. 24 1.3.2.2 Phương pháp xác định chiều cao cột mao dẫn h ......................... 25 1.3.2.3 Phương pháp xác định khối lượng nước được hút vào trong cấu trúc mao dẫn ................................................................................................... 27 1.4 Tổng quan những nghiên cứu mới trên thế giới về lớp mao dẫn bằng vật liệu xốp thiêu kết ....................................................................................................... 30 1.5 Tản nhiệt cho đèn LED công suất cao .......................................................... 33 Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 36 2.1 Nguyên vật liệu thí nghiệm .......................................................................... 36 iv 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu............................................................................. 37 2.2.1 Mẫu vật liệu đồng xốp dạng khối ....................................................... 37 2.2.2 Mẫu đo khả năng tự hút ...................................................................... 38 2.2.3 Chế tạo ống nhiệt ................................................................................ 39 2.3 Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 41 2.3.1 Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ......................................................... 41 2.3.1.1 Phương pháp chụp ảnh SEM và phân tích EDS .......................... 41 2.3.1.2 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ........................................ 42 2.3.2 Phương pháp xác định cơ tính của vật liệu ......................................... 42 2.3.3 Phương pháp xác định độ xốp của vật liệu ......................................... 43 2.3.3.1 Phương pháp xác định độ xốp tổng ............................................. 44 2.3.3.2 Phương pháp đo độ xốp hở.......................................................... 45 2.3.3.3 Phương pháp xác định độ xốp trên ảnh SEM .............................. 46 2.3.4 Phương pháp đánh giá khả năng tự hút của vật liệu mao dẫn ............ 48 2.3.5 Phương pháp đo độ dẫn nhiệt của ống nhiệt ....................................... 50 Chương 3: CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ LÝ VÀ TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ....................................... 54 3.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc và cơ tính của vật liệu đồng xốp sau thiêu kết ........................................................................................ 54 3.1.1 Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết .................................................. 54 3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết ....................................................... 61 3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết ...................................................... 66 3.2 Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước bột đồng đến khả năng tự hút nước do mao dẫn của vật liệu đồng xốp sau thiêu kết .............................. 70 3.2.1 Khảo sát đối với bột đồng nguyên liệu dạng cầu ................................ 70 3.2.1.1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu . 71 3.2.1.2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của mẫu .......................................................................................................... 74 3.2.2 Khảo sát đối với bột đồng dạng nhánh cây ......................................... 79 3.2.2.1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu . 79 3.2.2.2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của mẫu .......................................................................................................... 82 3.2.3 So sánh đặc tính xốp và mao dẫn của mẫu sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu và dạng nhánh cây ................................................................. 86 v Chương 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM CHO ĐÈN LED CÔNG SUẤT LỚN ............................................................ 91 4.1 Chế tạo ống nhiệt ................................................................................ 91 4.2 Ảnh hưởng của đường kính ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt ................................................................................................... 95 4.3 Ảnh hưởng của chiều dài ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt .................................................................................................... 96 4.4 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED công suất lớn ............ 97 4.4.1 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 200 W....................... 97 4.4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 500 W..................... 100 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 105 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .............................................................. 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................................ 108 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ...................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 110 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Một số ứng dụng của ống nhiệt trong: a) máy tính, b) đèn LED và c) điện thoại thông minh 6 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của a) ống nhiệt trọng trường và b) ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn 7 Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo và các vùng hoạt động của ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn 9 Hình 1.4 Mặt cắt ngang ống nhiệt a) kiểu mao dẫn dạng rãnh và b) kiểu cấu trúc vật liệu xốp kim loại thiêu kết 10 Hình 1.5 Sự thay đổi áp suất lỏng - hơi khi ống nhiệt hoạt động 14 Hình 1.6 Sơ đồ chế tạo và giản đồ thiêu kết vật liệu xốp trong nghiên cứu của Leong 17 Hình 1.7 Sơ đồ chế tạo ống nhiệt trong nghiên cứu của Li: 1-Nắp nhỏ định vị trục thép; 2-Vỏ ống đồng; 3-Bột đồng; 4-Trục thép không gỉ; 5Nắp lớn định vị trục thép 18 Hình 1.8 Mô hình chế tạo ống nhiệt (a) và giản đồ thiêu kết mẫu (b) trong nghiên cứu của Jiang 18 Hình 1.9 Giới hạn mao dẫn của 3 loại chất lỏng: nước, acetone và methanol 21 Hình 1.10 Nhiệt độ vùng bay hơi với các tỉ lệ điền đầy chất lỏng khác nhau 21 Hình 1.11 Sơ đồ minh họa sức căng (A) và kích thước hình học liên quan (B) của mặt khum 22 Hình 1.12 Mô hình đo áp suất mao dẫn lớn nhất 24 Hình 1.13 Tương quan giữa áp lực mao dẫn lớn nhất và độ xốp của đồng xốp 25 Hình 1.14 Mô hình xác định chiều cao cột mao dẫn h sử dụng camera hồng ngoại được Li và các cộng sự sử dụng 25 Hình 1.15 Ảnh hưởng của kích thước hạt bột nguyên liệu đến chiều cao cột chất lỏng trong cấu trúc kim loại xốp a) nước và b) aceton 26 Hình 1.16 Chiều cao cột mao dẫn trong mẫu bột Ni và bột đồng thiêu kết với các chất lỏng khác nhau: a) nước và b) acetone 27 Hình 1.17 Mô hình xác định khối lượng chất lỏng hút vào cấu trúc mao dẫn 28 Hình 1.18 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc đồng xốp sử dụng các chất lỏng thử khác nhau 29 Hình 1.19 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc thép hợp kim xốp sử dụng các chất lỏng khác nhau 29 vii Hình 1.20 Giản đồ cấu trúc mao dẫn chứa hai loại lỗ xốp 31 Hình 1.21 Ảnh SEM ở độ phóng đại khác nhau cấu trúc mao dẫn chứa lỗ xốp với hai kiểu kích thước khác nhau 31 Hình 1.22 Ảnh SEM bề mặt hạt đồng trong cấu trúc mao dẫn thiêu kết trước (a,b) và sau khi xử lý bề mặt (c,d) 32 Hình 2.1 Ảnh SEM mẫu bột đồng nguyên liệu dạng cầu và dạng nhánh cây 36 Hình 2.2 Mô hình máy rung tạo độ xít chặt cho bột đồng 37 Hình 2.3 Mô hình lò ống thiêu kết vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn 38 Hình 2.4 Mô hình khuôn tạo mẫu đồng xốp và giản đồ nhiệt - khí quá trình thiêu kết chế tạo mẫu đồng xốp 38 Hình 2.5 Mẫu đo khả năng tự hút của vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn 39 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chế tạo ống nhiệt bằng đồng xốp cấu trúc mao dẫn 40 Hình 2.7 Nguyên lý tạo mẫu chụp ảnh cấu trúc trên SEM a) mẫu chụp ảnh vi cấu trúc và b) mẫu chụp ảnh cấu trúc macro 42 Hình 2.8 Mô hình mẫu chế tạo để xác định khối lượng riêng và đo độ xốp hở 45 Hình 2.9 46 Hình 2.11 Sơ đồ thí nghiệm ngâm nước xác định độ xốp hở Minh họa quá trình xử lý ảnh SEM trên phần mềm ImageJ: a) Ảnh SEM ban đầu; b) Ảnh xử lý lỗi và bổ sung vị trí hạt; c) Ảnh xử lý màu phần nền xốp; d) Ảnh tạo đường biên của các lỗ xốp Mô hình thiết bị đo khả năng tự hút do mao dẫn Hình 2.12 Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt 51 Hình 2.13 Mô hình nguyên lý đo hệ số dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt 52 Hình 2.14 Hệ đo thông số nhiệt của ống nhiệt 52 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết ở các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng dạng cầu 56 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết ở các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng dạng nhánh cây 57 Hình 3.3 Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết đến độ xốp của mẫu 57 Hình 3.4 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết trong các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu 58 Hình 3.5 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết trong các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh cây 59 Hình 3.6 Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết đến độ bền nén của mẫu 60 Hình 2.10 47 49 viii Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau 62 Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh cây thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau 63 Hình 3.9 Độ xốp của mẫu vật liệu đồng xốp thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau 63 Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp thiêu kết ở 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu 64 Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp thiêu kết ở 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh cây 64 Hình 3.12 Độ bền nén của mẫu vật liệu đồng xốp thay đổi theo nhiệt độ thiêu kết 65 Hình 3.13 Ảnh SEM ở cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng nhánh cây sau khi thiêu kết với thời gian 30-120 phút ở 900oC 67 Hình 3.14 Ảnh SEM ở cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng cầu sau khi thiêu kết với thời gian 30-120 phút ở 900oC 67 Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến độ xốp của mẫu 68 Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến độ bền nén của mẫu 69 Hình 3.17 Ảnh SEM mặt gãy mẫu đồng xốp với kích thước bột nguyên liệu khác nhau sử dụng bột đồng dạng cầu 71 Hình 3.18 Sự thay đổi độ xốp của mẫu theo kích thước hạt bột đồng sử dụng 72 Hình 3.19 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau thiêu kết với kích thước bột đồng nguyên liệu ban đầu khác nhau 72 Hình 3.20 Kết quả đo độ xốp của các mẫu bằng phương pháp Image J trên ảnh SEM 73 Hình 3.21 Phân bố kích thước lỗ xốp (thông qua diện tích lỗ xốp) đối với các mẫu có kích thước hạt ban đầu khác nhau sử dụng phần mềm ImageJ trên ảnh SEM 74 Hình 3.22 Sơ đồ gá mẫu xác định khả năng tự hút nước của mẫu với các góc nghiêng khác nhau a) 90o, b) 60o và c) 30o 75 Hình 3.23 Khả năng tự hút nước của mẫu vật liệu đồng xốp sử dụng bột dạng cầu tại 3 vị trí góc nghiêng khác nhau 76 Hình 3.24 Lượng nước (a) và chiều cao cột nước hút lên (b) của vật liệu đồng xốp sử dụng kích thước và góc nghiêng đặt mẫu khác nhau 77 Hình 3.25 Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một loại kích thước hạt ở các góc nghiêng khác nhau 78 Hình 3.26 Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một góc nghiêng khác đối với 3 loại kích thước hạt bột đồng 78 ix Hình 3.27 Ảnh SEM mặt gãy mẫu đồng xốp với kích thước bột nguyên liệu khác nhau sử dụng bột đồng dạng nhánh cây 79 Hình 3.28 Sự thay đổi của độ xốp theo kích thước hạt bột đồng sử dụng 80 Hình 3.29 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau thiêu kết và đổ epoxy từ bột đồng dạng nhánh cây với kích thước hạt ban đầu khác nhau 81 Hình 3.30 So sánh độ xốp của các mẫu sử dụng bột đồng dạng nhánh cây, đo bằng phần mềm ImageJ trên ảnh SEM và đo bằng phương pháp thể tích - trọng lượng 81 Hình 3.31 Kết quả đo diện tích lỗ xốp của các mẫu sử dụng bột đồng dạng nhánh cây bằng phương pháp ImageJ trên ảnh SEM 82 Hình 3.32 Khả năng tự hút nước của mẫu vật liệu đồng xốp sử dụng bột dạng nhánh cây tại 3 vị trí góc nghiêng khác nhau 83 Hình 3.33 Chiều cao cột nước và khối lượng nước hút được của mẫu sử dụng bột đồng dạng nhánh cây ở các kích thước và góc nghiêng đặt mẫu khác nhau 84 Hình 3.34 Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một loại kích thước hạt ở các góc nghiêng khác nhau 85 Hình 3.35 Lưu lượng nước hút lên của mẫu đồng xốp ở cùng một góc nghiêng khác đối với 3 loại kích thước hạt bột đồng nhánh cây 85 Hình 3.36 Độ xốp tổng và độ xốp hở của mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng cầu và bột đồng dạng nhánh cây 86 Hình 3.37 Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 44-74 m) đến lưu lượng hút nước của mẫu 87 Hình 3.38 Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 74-100 m) đến lưu lượng hút nước của mẫu 88 Hình 3.39 Ảnh hưởng của hình dạng hạt (đối với kích thước hạt 100-150 m) đến lưu lượng hút nước của mẫu 88 Hình 4.1 Mô hình chế tạo lớp mao dẫn bằng vật liệu đồng xốp với vỏ ống đồng 92 Hình 4.2 Ảnh SEM vị trí liên kết giữa lớp đồng xốp với vỏ ống ở các thời gian thiêu kết khác nhau 92 Hình 4.3 Ảnh chụp mặt cắt mẫu với thời gian thiêu kết 60 phút và hình ảnh mẫu khi thiêu kết 90 phút. 93 Hình 4.4 So sánh cấu trúc đồng xốp giữa: a) mẫu thiêu kết nghiên cứu khảo sát tính chất mao dẫn và b) mẫu khi thiêu kết tạo lớp mao dẫn trong chế tạo ống nhiệt. 94 Hình 4.5 Quá trình chế tạo ống nhiệt: a) hàn bịt một đầu, b) bơm chất lỏng, c) hút chân không, d) hàn bịt đầu còn lại và e) ống nhiệt hoàn chỉnh 94 Hình 4.6 Ảnh hưởng của đường kính ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở 95 x kháng nhiệt của ống nhiệt Hình 4.7 Ảnh hưởng của chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt 97 Hình 4.8 Bản vẽ bộ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 200 W (b) 98 Hình 4.9 Bộ tản nhiệt sau khi lắp ghép (a), sau sơn (b) và đèn LED 200 W sau khi lắp ghép hoàn chỉnh (c) 98 Hình 4.10 Vị trí đo nhiệt trên bộ tản nhiệt khi thử nghiệm trên đèn LED 200 W 99 Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ tại các vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp camera nhiệt bộ đèn LED 200 W ở thời điểm 120 phút thử nghiệm 100 Hình 4.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ Ts vào công suất nhiệt và vị trí treo đèn của đèn LED 200 W sử dụng bộ tản nhiệt HB-WHP-1000-B của Furukawa 100 Hình 4.13 Bản vẽ bộ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 500 W (b) 101 Hình 4.14 Bộ tản nhiệt sau khi lắp ghép (a, b) và đèn LED 500 W sau khi lắp ghép hoàn chỉnh (c, d) 101 Hình 4.15 Vị trí đo nhiệt trên bộ tản nhiệt khi thử nghiệm trên đèn LED 500 W 102 Hình 4.16 Đồ thị nhiệt độ tại các vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp camera nhiệt bộ đèn LED 500 W ở thời điểm 120 phút thử nghiệm 102 Hình 4.17 Sự thay đổi của nhiệt độ Ts theo hướng chiếu đèn và công suất nhiệt cấp của bộ tản nhiệt FL-WHP-3100-B của hãng Furukawa 103 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Độ dẫn nhiệt của một số loại ống nhiệt khác nhau 8 Bảng 1.2 Một số tính chất của các cấu trúc mao dẫn khác nhau 12 Bảng 1.3 Khả năng tương thích và phạm vi nhiệt độ làm việc của chất lỏng và vỏ ống nhiệt 16 Bảng 3.1 Hàm lượng oxy và đồng trong các mẫu thiêu kết 59 xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Việt d0 Đường kính ngoài vỏ ống D Đường kính mẫu EDS Phổ tán xạ năng lượng tia X fmax Độ bền cực đại h Chiều cao mẫu K Độ dẫn nhiệt Le Chiều dài phần bốc hơi Lc Chiều dài phần ngưng tụ La Chiều dài phần đoạn nhiệt LED P PC,max Diode phát quang (light-emitting diode) Áp suất Áp suất mao dẫn tối đa rm Bán kính hiệu dụng trung bình của lỗ mao quản R Trở kháng nhiệt SEM t Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) Chiều dày vỏ ống Te Nhiệt độ trung bình của ống nhiệt ở phần bốc hơi Tc Nhiệt độ trung bình của ống nhiệt ở phần ngưng tụ V Thể tích X Độ xốp XRD  Nhiễu xạ tia X Biến dạng  Ứng suất  Khối lượng riêng 1 MỞ ĐẦU Tản nhiệt cho các thiết bị điện tử luôn là vấn đề được quan tâm nghiên cứu kể từ khi các mạch tích hợp đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1950. Các kỹ thuật tản nhiệt thông dụng như sử dụng các đế, cánh tản nhiệt được chế tạo từ kim loại đồng, nhôm chỉ tỏ ra hữu hiệu với lượng nhiệt tản ra thấp hoặc trung bình. Các thiết bị điện tử công suất lớn thường có nguồn phát nhiệt tập trung, nếu không được dẫn đi kịp thời để đảm bảo nhiệt độ làm việc cho phép, sẽ ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của linh kiện và thiết bị. Với các cơ cấu tản nhiệt thông thường sử dụng các tấm tản nhiệt kim loại tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt, khả năng tản nhiệt phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của kim loại và cấu trúc của các tấm nhiệt. Như vậy, trong hệ thống tản nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt từ nguồn phát nhiệt đến bộ phận tản nhiệt đóng vai trò đặc biệt quan trọng, đặc biệt là đối với các thiết bị có nguồn nhiệt (linh kiện điện tử công suất lớn) nằm trong không gian hẹp, cần được dẫn ra ngoài để tản đi kịp thời. Khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, một chip vi xử lý chứa hàng triệu transistor trên một diện tích rất nhỏ, khi hoạt động lượng nhiệt phát ra rất lớn. Hay một hệ thống chiếu sáng LED công suất cao với lượng nhiệt sinh ra có thể lên đến hàng trăm W trên diện tích chỉ vài cm2 thì việc thiết kế và chế tạo các bộ tản nhiệt có khả năng tản nhiệt nhanh là vấn đề cốt lõi nhằm đảm bảo cho các thiết bị hoạt động ổn định và lâu dài. Xuất phát từ các yêu cầu thực tế trên, trong những thập kỷ gần đây các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu kỹ thuật tản nhiệt sử dụng ống nhiệt (heat pipe) có lớp mao dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi của chất lỏng bên trong ống và mao dẫn để vận chuyển chất lỏng trong ống kín. Đây là một trong những thành tựu nổi bật của kỹ thuật tản nhiệt bởi khả năng dẫn nhiệt cao, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp điện tử, hàng không, ô tô, năng lượng, môi trường và chăm sóc sức khỏe [1-4]. Ống nhiệt cấu trúc mao dẫn có khả năng dẫn nhiệt lên đến hàng trăm nghìn W/m.K [5]. Có thể thấy rằng, so với vật liệu tản nhiệt thông thường như Al (độ dẫn nhiệt 225 W/m.K) và Cu (độ dẫn nhiệt 380 W/m.K) thì khả năng dẫn nhiệt của ống nhiệt 2 cao hơn rất nhiều lần. Thậm chí so với vật liệu có độ dẫn nhiệt rất tốt là kim cương (độ dẫn nhiệt khoảng 2.000 W/m.K) thì khả năng dẫn nhiệt của ống nhiệt cũng có thể cao gấp hàng chục lần. Hiện nay, các nghiên cứu về ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn ở Việt Nam hầu như mới được tiến hành trong các phòng thí nghiệm, chủ yếu tập trung nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của các ống nhiệt mà chưa nghiên một cách hệ thống quá trình chế tạo ống nhiệt và tính chất mao dẫn của cấu trúc mao dẫn trong ống nhiệt dạng này [6, 7]. Các nhà chế tạo trong nước hiện nay chủ yếu nhập khẩu ống nhiệt để lắp ráp, chế tạo bộ tản nhiệt cho các thiết bị điện tử, do đó việc nghiên cứu công nghệ chế tạo ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn với các loại vật liệu thông dụng có sẵn trên thị trường, phù hợp với năng lực và điều kiện thực tế Việt Nam là cần thiết. Với cách tiếp cận nghiên cứu, chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc và tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp ứng dụng làm ống tản nhiệt cho thiết bị điện tử công suất lớn, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Chế tạo và khảo sát tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết ứng dụng làm ống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn” để thực hiện luận án tiến sĩ. Mục tiêu của luận án Khảo sát, lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp để chế tạo được vật liệu đồng xốp thiêu kết có các tính chất mao dẫn tốt nhất từ các loại nguyên liệu có sẵn trên thị trường. Ứng dụng kết quả nghiên cứu về tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết, chế tạo được ống nhiệt với tính chất tản nhiệt tốt nhất và ứng dụng làm hệ tản nhiệt cho thiết bị điện tử công suất lớn (đèn LED công suất 200 W và 500 W). Đối tượng của luận án Với mục tiêu nêu trên, đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định là vật liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao dẫn và ống nhiệt sử dụng vật liệu đồng xốp thiêu kết làm lớp mao dẫn. Phạm vi nghiên cứu của luận án Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu vật liệu có cấu trúc mao dẫn bằng đồng xốp thiêu kết để chế tạo ống nhiệt có khả năng vận chuyển được lượng nhiệt nhiều nhất, nhanh nhất và xa nhất từ nguồn nhiệt đến vùng tản nhiệt, thông qua nguyên lý chuyển pha lỏng - hơi - lỏng của chất lỏng làm việc trong ống. 3 Phương pháp nghiên cứu Một số phương pháp nghiên cứu được nghiên cứu sinh sử dụng trong quá trình thực hiện luận án là: phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá; phương pháp thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm; phương pháp thống kê; phương pháp so sánh, ... Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Về khoa học: Thông qua việc nghiên cứu xác định các thông số công nghệ chế tạo vật liệu đồng xốp, khảo sát ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hạt bột đến độ xốp và tính chất mao dẫn của vật liệu sau thiêu kết, luận án đã góp phần làm phong phú thêm kiến thức về chế tạo vật liệu đồng xốp thiêu kết có cấu trúc mao dẫn bằng phương pháp luyện kim bột. Luận án cũng làm sáng tỏ được sự phụ thuộc của khả năng mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết vào hình dạng và kích thước bột đồng nguyên liệu đã sử dụng. Ngoài ra, luận án cũng góp phần làm sáng tỏ thêm những kiến thức về sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt vào đường kính và chiều dài ống nhiệt. - Về thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm cơ sở để xây dựng công nghệ chế tạo ống nhiệt và hệ thống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn (đèn LED công suất đến 500 W). Nội dung của luận án Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung triển khai các nội dung nghiên cứu chính như sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc và các tính chất của mẫu đồng xốp sử dụng hai loại bột đồng nguyên liệu dạng cầu (chế tạo bằng phương pháp phun) và dạng nhánh cây (chế tạo bằng phương pháp điện phân). - Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng, kích thước bột đồng nguyên liệu đến tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết. - Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính và chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt. - Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt trong các bộ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn. 4 Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương gồm: - Chương 1: Tổng quan về vật liệu xốp ứng dụng làm ống tản nhiệt. - Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu. - Chương 3: Chế tạo, nghiên cứu đặc tính cơ lý và tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết. - Chương 4: Kết quả chế tạo ống nhiệt và ứng dụng thử nghiệm cho đèn LED công suất lớn. Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT 1.1. Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển Năm 1942, R.Gauler là nhà khoa học đầu tiên đưa ra ý tưởng về ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn nhằm ứng dụng cho hệ thống làm lạnh [8, 9]. Sau thời gian dài không ghi nhận các nghiên cứu về ống nhiệt, đến năm 1962, Trefethen đã tiếp tục có những nghiên cứu sâu về cấu tạo của ống nhiệt, dùng các ống sử dụng vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn để làm ống nhiệt cho các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp vũ trụ [10]. Tiếp theo đó, năm 1964, Grover và các cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo được ống nhiệt đầu tiên tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos bang New Mexico, sử dụng lớp vỏ ngoài là thép không gỉ, chất lỏng làm việc là nước cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ thường và ống nhiệt sử dụng chất lỏng làm việc là kim loại lỏng Na cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao, lên đến 1100oK (827oC) [10, 11]. Mặc dù vậy, các nghiên cứu của Grover và cộng sự chủ yếu tập trung vào các kết quả thử nghiệm về khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt, chưa chú ý nhiều đến việc phân tích lý thuyết về quá trình truyền nhiệt. Đến năm 1965, các nghiên cứu của Cotter đã làm rõ hơn cơ sở lý thuyết quá trình hoạt động của ống nhiệt [12]. Nhiều nghiên cứu tiếp theo về lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm tại các nước có trình độ khoa học phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô,… Cho đến năm 1970, các sản phẩm ống nhiệt sử dụng vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn thương mại đầu tiên đã được các công ty của Nhật, Mỹ đưa ra thị trường [8]. Năm 1990, ống nhiệt bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng để tản nhiệt cho các chip máy tính [13]. Từ đó, các nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trong tản nhiệt cho các thiết bị điện tử phát triển mạnh mẽ. Đến đầu những năm 2000, ống nhiệt đã được dùng đại trà trong máy tính để bàn và máy tính cá nhân [14]. Đến năm 2010, ống nhiệt bắt đầu được sử dụng để chế tạo bộ phận tản nhiệt cho đèn LED [15, 16] và đến năm 2013, ống nhiệt được sử dụng nhiều trong điện thoại thông minh [14]. 6 Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin, … ngày càng phát triển theo hướng tối ưu hơn, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn do đó các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất, thu nhỏ kích thước của ống nhiệt sử dụng trong các thiết bị vẫn liên tục được thực hiện tại nhiều quốc gia trên thế giới. Hình 1.1 là ví dụ ứng dụng ống nhiệt trong một số thiết bị điện tử hiện nay như máy tính cá nhân, đèn LED công suất cao hay điện thoại thông minh. Hình 1.1. Một số ứng dụng của ống nhiệt trong a) máy tính, b) đèn LED và c) điện thoại thông minh. 1.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt Nguyên lý cơ bản nhất của ống nhiệt là sự chuyển pha lỏng - hơi của chất lỏng làm việc bên trong ống nhiệt [17]. Khi chất lỏng nhận được nhiệt từ nguồn sinh nhiệt sẽ hóa hơi, làm tăng áp suất hơi tại vùng sinh nhiệt (vùng hóa hơi). Hơi chất lỏng được đẩy về vùng ngưng tụ của ống nhiệt do sự chênh lệch áp suất. Tại vùng này, hơi chất lỏng sẽ ngưng tụ do tiếp xúc với bộ phận làm mát và di chuyển ngược trở lại vùng hóa hơi do lực mao dẫn của lớp vật liệu xốp. Quá trình này được lặp lại liên tục khi ống nhiệt hoạt động. Hiệu suất của ống nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có ẩn nhiệt hóa hơi của chất lỏng làm việc và lưu lượng của dòng chất lỏng từ vùng ngưng tụ về vùng hóa hơi. Theo nguyên lý hoạt động, các ống nhiệt được chia làm nhiều loại nhưng thông dụng và được sử dụng nhiều nhất là ống nhiệt trọng trường và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn do những ưu điểm trong tính năng sử dụng cũng như phương pháp chế tạo.