1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy

Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy

Nội dung nghiên cứu của đề tài này gồm: Chế tạo vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy có chứa các phụ gia tản nhiệt khác nhau, Khảo sát độ dẫn nhiệt của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM, Đánh giá ảnh hưởng của các loại chất độn khác nhau đến khả năng tản nhiệt của vật liệu. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  NGUYỄN THỊ LINH NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI, 2018 TRƢỜNG ĐẠ

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 43

Ngày tạo 4/2/2023 8:32:53 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.77 M

Tên tệp

Tải Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu tăng cườn... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  NGUYỄN THỊ LINH NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng HÀ NỘI, 2018
  2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ************** NGUYỄN THỊ LINH NGHIÊN CỨU TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS.TS. Ngô Kế Thế ThS. Nguyễn Việt Dũng HÀ NỘI, 2018
  3. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu LỜI CẢM ƠN Khóa luận này được thực hiện tại Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme & Compozit, Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Việt Dũng và PGS.TS. Ngô Kế Thế, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã giao đề tài và nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong Phòng Nghiên cứu Vật liệu Polyme và Compozit đã chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học trường Đại đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn thành khóa luận này. Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp trong thời gian ngắn không tránh khỏi một số sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Linh
  4. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu, số liệu được trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và không trùng với kết quả của tác giả khác. Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Linh
  5. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 1 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 2 1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia cường dạng hạt .................................................................................................. 2 1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt ............................................... 4 1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme .............................. 7 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................ 9 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................... 9 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước ................................................................... 14 2. THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 16 2.1. Nguyên liệu .............................................................................................. 16 2.1.1. Chất tạo màng ....................................................................................... 16 2.1.2. Chất độn gia cường ............................................................................... 16 2.2. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 17 2.2.1. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao ...................................................... 17 2.2.2. Phương pháp khuấy trộn tốc độ cao kết hợp rung siêu âm ................... 17 2.2.3. Phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt ........................................................... 17 2.2.4. Nghiên cứu hình thái tương tác pha trong vật liệu ............................... 17
  6. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 19 3.1. Ảnh hưởng của khả năng phân tán các hạt chất độn ................................ 19 3.2. Ảnh hưởng của loại chất độn ................................................................... 21 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất độn ........................................................ 23 3.4. Ảnh hưởng của chất tạo màng.................................................................. 29 4. KẾT LUẬN ................................................................................................. 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 32
  7. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme ................................................................ 5 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại ..................................................... 6 Hình 1.3. Bóng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhôm............................................ 8 Bảng 3.1. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau .................................................................................. 19 Hình 3.1. Biểu đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu epoxy/talc chế tạo bằng phương pháp: khuấy tốc độ cao (ET73-K) và khuấy kết hợp rung siêu âm (ET73). ............................................................................................................ 20 Hình 3.2. Ảnh SEM hình thái bề mặt gẫy vật liệu compozit Epoxy/talc với phương pháp chế tạo: khuấy tốc độ cao (a) và khuấy kết hợp rung siêu âm (b) ....................................................................................................... 21 Hình 3.3. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc ....... 22 Hình 3.4. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng khoáng talc ...................................................................................................... 25 Hình 3.5. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/talc ....... 25 ......................................................................................................................... 27 Hình 3.6. Giản đồ hệ số dẫn nhiệt của vật liệu compozit theo hàm lượng bột đồng ................................................................................................................. 27 Hình 3.9. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/nhôm .... 29 Hình 3.10. Giản đồ đo hệ số dẫn nhiệt mẫu vật liệu compozit epoxy/pek và epoxy-pek/talc. ................................................................................................ 30
  8. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] ................................ 5 Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn....................................................... 7 Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở ................ 9 18°C [9,10] .......................................................................................................... 9 Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene ............. 10 Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy................... 11 Bảng 1.6. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy................... 13 Bảng 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu epoxy compozit chứa các loại chất độn độn khác nhau. .................................................................................... 22 Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/talc chế tạo bằng các phương pháp khác nhau. ................................................................................... 24 Bảng 3.4. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/đồng ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. ............................................................................................... 26 Bảng 3.5. Hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu Epoxy/nhôm ở các tỷ lệ khối lượng khác nhau. ............................................................................................... 28 Bảng 3.6. thể hiện kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của các mẫu vật liệu compozit . 30
  9. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài Nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu polyme compozit để thay thế vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, gốm sứ,… trong một số lĩnh vực đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nhiều năm qua. Trong lĩnh vực chiếu sáng bằng đèn LED, các bộ phận tản nhiệt chủ yếu sử dụng vật liệu kim loại. Tuy có hệ số dẫn nhiệt cao nhưng loại vật liệu này có một số hạn chế như tỷ trọng lớn, khó gia công, chi phí nguyên liệu và sản xuất cao. Vật liệu polyme compozit có thể khắc phục được những hạn chế này, tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt thấp đang là rào cản lớn nhất để có thể ứng dụng vật liệu này trong thực tế. Đề tài “NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT CỦA MÀNG PHỦ TRÊN CƠ SỞ NHỰA EPOXY” xuất phát từ nhu cầu thực tế đặt ra và mở ra một hướng ứng dụng mới cho loại vật liệu polyme compozit. 2. Mục đích của đề tài Tăng cường khả năng tản nhiệt của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy sử dụng các phụ gia tản nhiệt khác nhau. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu  Chế tạo vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy có chứa các phụ gia tản nhiệt khác nhau.  Khảo sát độ dẫn nhiệt của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM.  Đánh giá ảnh hưởng của các loại chất độn khác nhau đến khả năng tản nhiệt của vật liệu. 1 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  10. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và chất độn gia cƣờng dạng hạt Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng một vai trò sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [1]. Đầu tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng đã sớm được nhận ra, và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật liệu không chỉ để giảm giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất nền, nên còn được gọi là các chất gia cường. Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [2]. Tuy nhiên, tính không ổn định của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên khác, như các hợp chất của oxit silic. Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia cường cho các sản phẩm cao su [2]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kỹ việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng, với sự có mặt các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện như sự kháng xé rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng, môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép nối (titanat, silan). 2 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  11. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm, trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như sét, đá vôi (CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, những hạn chế mà các loại chất độn mang lại cho polyme nền đã được cải thiện. Cùng với đó, những tính năng mới của những vật liệu polyme compozit này mang lại không ngừng được khám phá. Quá trình biến đổi các vật liệu polyme nhiệt dẻo thông qua việc thêm vào các chất độn dạng hạt cũng đã có một lịch sử lâu dài và nó vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng cả trong lĩnh vực nghiên cứu và thương mại [1]. Lý do dẫn đến điều này là khả năng thiết kế được các loại vật liệu có tính năng phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Việc sử dụng các loại vật liệu polyme compozit để thay thế cho các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ và gốm đang nhận được rất nhiều sự quan tâm trong thập kỷ trở lại đây. Vật liệu polyme compozit có một số lợi thế so với các vật liệu truyền thống như dễ dàng gia công, dễ tạo hình sản phẩm, tỷ trọng thấp và trong nhiều trường hợp làm giảm chi phí sản xuất [1,3]. Các loại vật liệu polyme phải được gia cường do các yêu cầu cao về độ bền cũng như độ cứng trong rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không, ô tô, điện tử, vi điện tử, cơ sở hạ tầng và xây dựng, dược phẩm và công nghiệp hóa chất. Các chất độn gia cường trong vật liệu compozit giúp tăng cường độ cứng và độ bền nhiệt, giảm độ co ngót và thay đổi màu sắc của vật liệu [4]. Các chất độn cũng có thể giúp cho quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn thông qua việc làm giảm nhiệt dung riêng của hệ vật liệu và tăng khả năng dẫn nhiệt [1,4]. Ngoài ra, các chất độn thường được đưa vào polyme 3 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  12. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu để tạo ra các tính chất mới mà nó không có được bởi các hầu hết polyme nền như khả năng chống cháy và độ dẫn nhiệt [5]. Cải thiện khả năng dẫn nhiệt là một trong những ứng dụng mới nhất của vật liệu polyme compozit. Nâng cao hệ số dẫn nhiệt mà vẫn đảm bảo được các tính năng cơ lý cũng như một số tính chất khác của vật liệu đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong thời gian gần đây. 1.2. Giới thiệu chung vật liệu polyme dẫn nhiệt Một đặc tính chung quan trọng của polyme là không dẫn điện. Thật vậy, polyme thường được dùng làm vật cách điện rất hữu hiệu. Chẳng hạn như poly(vinylchloride) (PVC), PE là vật liệu được dùng để bọc lõi dây điện, và còn rất nhiều polyme thông dụng khác được sử dụng vì tính cách điện của nó. Trong kim loại sự dẫn điện xảy ra là do sự di động của các điện tử tự do (free electron) giữa hai điện áp khác nhau. Dòng điện tử tự do mang điện âm (-) này di động sinh ra dòng điện đi từ điện áp cao đến thấp như một dòng nước chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp. Vì vậy, điện tử tự do trong kim loại được gọi là hạt tải điện (charge carrier). Gỗ, đá và những polyme thông thường khác là chất cách điện vì không có những hạt tải điện. Sự dẫn điện, bán dẫn và cách điện được giải thích rõ ràng qua khái niệm khe dải năng lượng (energy band gap) trong vật lý chất rắn (solid state physics). Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện tính chất của chúng và đặc biệt là khả năng dẫn nhiệt. Mục đích tạo ra vật liệu có độ dẫn nhiệt cao để giúp cho quá trình tiêu tán nhiệt hiệu quả. Theo cách này, nhiệt độ làm việc được giữ ở mức thấp, tránh các khiếm khuyết cách điện do quá nhiệt. Các polyme thể hiện độ dẫn nhiệt thấp (λpolyme ≈ 0.2 W/m.K) do ba nguyên nhân chủ yếu sau: - Sự định hướng ngẫu nhiên của các phân đoạn mạch phân tử polyme. - Liên kết lỏng lẻo giữa các mạch. 4 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  13. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu - Các dao động chỉ truyền hiệu quả dọc theo 1 chuỗi xác định (1 chiều) Hình 1.1. Phân đoạn phân tử polyme Độ dẫn nhiệt của một vài polyme điển hìnhđược liệt kê trong bảng dưới đây. Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một vài polymer điển hình [6] Polyme Độ dẫn nhiệt (W/m.K) LDPE 0.28-0.32 HDPE 0.38-0.58 Nhựa Epoxy 0.17-0.21 Polypropylen 0.18-0.24 Nhựa phenol 0.24-0.29 Truyền phonon là cơ chế dẫn nhiệt chính trong hầu hết các polyme. Các phonon chuyển năng lượng nhiệt thông qua các tương tác với nhau và với các hạt hạ nguyên tử [7]. Các khiếm khuyết trong mạng lưới như các vết gẫy, lỗ trống và độ không tinh khiết có thể đưa đến sự không điều hòa từ đó làm tán xạ các phonon. Trong hệ đa pha như các vật liệu polyme compozit quá trình tán xạ cũng diễn ra khi các phonon lan truyền qua bề mặt phân cách giữa các pha. 5 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  14. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Trong kim loại hay các loại vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể, các dao động có thể truyền hiệu quả theo hai hoặc ba chiều. Chính vì vậy, giá trị độ dẫn nhiệt của các loại vật liệu này khá cao: - λkim loại ≈ 100 W/mK - λgốm ≈ 1 – 100 W/mK Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại Để cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme, áp dụng quá trình trùng hợp điện để sản xuất các mảng liên kết của các sợi nano polime, các nhà nghiên cứu của Mỹ đã phát triển một vật liệu polyme có thể dẫn nhiệt tốt hơn 20 lần so với polyme ban đầu. Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra một cách biến polyme được sử dụng rộng rãi nhất (polyethylene), thành một chất dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn là một chất cách điện. Phương pháp của nhóm tác giả sử dụng là định hướng các mạch phân tử PE từ dung dịch, vật liệu tạo thành có độ dẫn nhiệt gấp 300 lần PE ban đầu. Polythiophen cũng là vật liệu polyme dẫn nhiệt mới được tổng hợp có độ dẫn lên đến 4,4 W/mK ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới chỉ bắt đầu, chưa thể ứng dụng trong thực tế. Việc đưa chất độn vào trong các polyme cách điện là một cách tiếp cận thông dụng để cải thiện các tính chất điện, tính chất cơ và tính chất nhiệt. Các vật liệu polyme cách điện được cải thiện có thể làm việc ở nhiệt độ cao với 6 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  15. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu ứng suất điện lớn hơn. Độ dẫn nhiệt của polyme được tác động theo cách truyền thống bằng việc đưa vào các chất độn dẫn nhiệt cao bao gồm: Graphite, than đen, sợi cacbon, gốm hay các hạt kim loại [8]. Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số chất độn Khoảng dẫn Chất độn nhiệt (W/m.K) Aramid fiber (0.04-0.05), calcium carbonate (2.4-3), ceramic beads (0.23), glass fiber (1), magnesium oxide (8- 32), fumed silica (0.015), fused silica (1.1), molybdenum Dưới 10 disulfide (0.13-0.19), PAN-based carbon fiber (9-100), sand (7.2-13.6), talc (0.02), titanium dioxide (0.065), tungsten (2.35), vermiculite (0.062-0.065) Aluminum oxide (20.5-29.3), pitch-based carbon fiber (25- 10-29 1000) 100-199 Graphite (110-190), nickel (158) Aluminum flakes and powder (204), beryllium oxide (250), Trên 200 boron nitride (250-300), copper (483), gold (345), silver (450) Tuy nhiên, để có thể sử dụng các vật liệu độn này ứng dụng trong các thiết bị điện, cần xem xét đến tính chất cách điện của vật liệu. Đặc biệt là các ứng dụng tản nhiệt cho đèn LED cần có các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhưng vẫn đảm bảo khả năng cách điện. 1.3. Đèn LED và giải pháp tản nhiệt bằng vật liệu polyme LED (Light Emitting Diode – điốt phát quang) được coi là giải pháp ánh sáng của tương lai. So với các phương pháp ánh sáng thông thường như: bóng đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng đèn huỳnh quang, sử dụng bóng đèn LED đem đến nhiều lợi thế: tiết kiệm năng lượng, hiệu suất phát sáng cao, tuổi thọ kéo dài, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường. Giải thưởng Nobel Vật lý 7 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  16. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 2014 được công bố hôm 7/10, tôn vinh phát minh các điốt phát quang LED xanh dương, có khả năng tạo ra các nguồn ánh sáng trắng tiết kiệm năng lượng và sáng hơn. Các nhà khoa học được vinh danh là Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura. Để nâng cao tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của bóng đèn LED, vấn đề tản nhiệt cho đèn LED mang ý nghĩa quyết định. Các bóng đèn LED hiện thời có tản nhiệt thường được làm bằng nhôm: Tấm tản nhiệt nhôm Hình 1.3. Bóng đèn LED sử dụng tản nhiệt nhôm Việc sử dụng tấm tản nhiệt bằng kim loại mang lại hiệu suất tản nhiệt cao, tuy nhiên nó cũng có một số bất lợi như: khối lượng lớn, gia công phức tạp, chi phí nguyên liệu cao. Điều này đặc biệt bất lợi với các loại đèn LED có công suất cao khi phải sử dụng các tấm tản nhiệt có kích thước lớn và nặng nề. Giải pháp sử dụng các tấm tản nhiệt được làm từ vật liệu polyme nhằm khắc phục các hạn chế nói trên. Trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử, các loại vật liệu polyme thường được biết đến trong các ứng dụng cách điện do khả năng chế tạo dễ dàng, khối lượng nhẹ và chi phí thấp. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp dẫn đến một số hạn chế ứng dụng của loại vật liệu này. Do đó, các nỗ lực hiện nay đang được tiến hành nhằm cải thiện khả năng dẫn nhiệt của vật liệu polyme nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết bị điện, điện tử nói chung và chế tạo đèn LED nói riêng. 8 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  17. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới a. Microcompozit Vật liệu microcompozit chứa một chất nền polyme và các hạt micro với kích thước điển hình trong khoảng 1-100 µm. Trong trường hợp hàm lượng chất độn lớn (trên 30 % khối lượng), các vật liệu thể hiện độ dẫn nhiệt cao so với polyme ban đầu. Trong trường hợp này, 2 thông số quan trọng có thể được xem như đóng vai trò chủ yếu trong việc xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu microcomposite, đó là độ dẫn nhiệt của chất độn và tương tác giữa chúng. Bảng 3 đưa ra nghiên cứu của Kochetov [9] trong đó vật liệu bao gồm nhựa epoxy (EP) với các hạt micro nhôm oxit và oxit silic. Bảng 1.3. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở nhựa epoxy ở 18°C [9,10] λEP λcđ Kích thƣớc hạt λcompozit Vật liệu % KL (W/mK) (W/mK) (µm) (W/mK) EP-Al2O3 31.2 0.17 20-30 4 0.67 EP-SiO2 45 0.17 0.7-1.7 20 0.72 Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở hàm lượng Al2O3 thấp, độ dẫn nhiệt của vật liệu là tương tự nhau. Các hạt micro với độ dẫn nhiệt cao và hàm lượng chất độn cao có thể tăng cường tốc độ truyền nhiệt như là độ dẫn nhiệt chủ yếu có được thông qua chúng. Huang và đồng sự [11] đã xác định độ dẫn nhiệt của vật liệu poly(phenylene) sulfit dựa trên bo nitrit (BN). Có một sự liên quan tuyến tính đã được tìm thấy giữa hàm lượng BN và độ dẫn nhiệt của vật liệu. Tính chất này có thể được đóng góp bởi tương tác giữa các hạt. Các chuỗi dẫn trực tiếp dòng nhiệt có thể đưa đến 1 sự gia tăng của độ dẫn nhiệt. 9 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  18. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Khả năng hình thành các chuỗi hạt dẫn nhiệt ở hàm lượng chất độn cao đã được nghiên cứu bởi Agari và Uno [12]. Trong vật liệu chứa hàm lượng chất độn cao, các chuỗi dẫn có thể được hình thành ở nơi mà khoảng cách giữa các hạt là nhỏ hơn trong các phần khác, đưa đến độ dẫn nhiệt cao dọc theo các chuỗi. Một phần trong nghiên cứu của Weidenfeller và cộng sự [13] được tóm tắt trong bảng 4. Bảng 1.4. Độ dẫn nhiệt của microcompozit trên cở sở polypropylene λPP λcđ λcompozit Vật liệu % KL (W/mK) (W/mK) (W/mK) PP-đồng 30 0.25 400 1.25 PP-talc 30 0.25 10.6 2.5 Sự khác biệt lớn của độ dẫn nhiệt giữa 2 vật liệu được cho là do sự khác biệt ghép nối bên trong của các chất độn như là kết quả không thể giải thích được chỉ bởi sử dụng tính chất của các hạt. Tuy nhiên, tác giả cũng chỉ ra rằng ở hàm lượng chất độn thấp (ít hơn 20 % KL), sự cải thiện độ dẫn nhiệt thường được thấy ít quan trọng. Độ dẫn nhiệt thấp của nền polymer quyết định chủ yếu đến độ dẫn nhiệt của vật liệu compozit. Nhóm tác giả Mousam Choudhury và cộng sự [14] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt bột nhôm nitrit đến các đặc trưng nhiệt và điện của vật liệu polyme compozit trên cơ sở nhựa epoxy. Để cải thiện khả năng phân tán của các hạt chất độn nhôm nitrit ở các cấp độ hạt micro và nano trong chất nền polyme, nhóm tác giả đã sử dụng hợp chất aminopropyltriethoxysilan để biến đổi bề mặt của nhôm nitrit. Bên cạnh đó, kết quả đo tính chất điện và nhiệt cho biết rằng việc đưa hợp chất biến đổi bề mặt đã cải thiện hệ số dẫn nhiệt và tính chất điện của vật liệu nanocompozit 10 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  19. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu so với trường hợp không dùng chất biến đổi bề mặt. Ở 20% chất độn nhôm nitrit có và không có biến đổi bề mặt có một sự gia tăng đáng kể độ dẫn nhiệt so với chất nền epoxy (từ 0,167 W/mK lên 0,207 W/mK) b. Nanocompozit Hình dạng các chất độn nano có thể là 1 chiều (dạng sợi), 2 chiều (dạng tấm hay phiến) hoặc 3 chiều (dạng cầu) nhưng phải có ít nhất một thông số có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Trong trường hợp của nanocompozit, sự phân bố của chất độn sẽ phải đồng nhất tối đa và nếu các kết tụ xuất hiện, kích thước hạt trung bình của chúng phải thấp hơn 100 nm. Một số vật liệu đã được chế tạo bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau [15, 16]. Nói chung, việc đưa các chất độn nano vào vật liệu polymer có thể đưa đến độ dẫn nhiệt cao hơn khi so sánh với polymer nền. Kochetov [9] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt BN đến độ dẫn nhiệt của vật liệu trên cơ sở nhựa epoxy và kết quả được liệt kê trong bảng 5. Bảng 1.5. Độ dẫn nhiệt của nanocompozit trên cở sở nhựa epoxy λEP λcompozit Vật liệu % KL Hình dạng Kích thƣớc hạt (W/mK) (W/mK) EP-BN 5.8 0.17 Cầu 70 nm 0.240 EP-BN 5.8 0.17 Tấm, phiến 0.5 µm 0.274 EP-BN 5.8 0.17 Cầu 1.5 µm 0.242 Mặc dù kích thước hạt trung bình của BN tăng từ 70 nm (nanocompozit) đến 1500 nm (microcompozit), độ dẫn nhiệt là gần như không đổi. Sự khác biệt giữa các hạt 70 nm và 500 nm có thể được cho là do hình dạng chứ không phải là do sự khác biệt về kích thước. Trong trường hợp của các hạt dạng tấm, do tỷ lệ bề mặt cao, khoảng cách trung bình giữa các hạt là nhỏ hơn. Khoảng cách giữa các hạt giảm có thể là lý do cho việc truyền nhiệt hiệu quả hơn. 11 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
  20. Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Viện khoa học vật liệu Han và đồng nghiệp đã xác định độ dẫn nhiệt của nhựa epoxy với việc thêm các chất độn BN với kích thước hạt khác nhau. BN-micro, BN-meso và BN-nano được sử dụng. Trong trường hợp BN-nano, đã quan sát thấy các kết tụ lục giác kích thước micro . Các tác giả đã thấy rằng không có sự khác biệt lớn trong độ dẫn nhiệt giữa các vật liệu đã đề cập ở trên. Do đó, họ kết luận rằng ở nồng độ chất độn thấp và trung bình, kích thước hạt không phải là yếu tố quan trọng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Trong cả hai trường hợp đã được đề cập, kích thước của các hạt BN không ảnh hưởng nhiều đến độ truyền nhiệt của vật liệu. Ngược lại, các hạt với tỷ lệ bề mặt cao có thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt theo cách tích cực. Tỷ lệ bề mặt cao có thể gia tăng sự hình thành mạng lưới dẫn bởi sự làm giảm giới hạn thấm qua và rút ngắn các vai trò bất lợi kháng nhiệt tương tác pha trong việc truyền nhiệt [17]. Tuy nhiên, việc phân tán tốt các hạt kích thước nano với tỷ lệ bề mặt lớn hơn là khó hơn do sự gia tăng tương tác giữa các hạt [18]. Độ dẫn nhiệt của các hạt kích thước nano được thừa nhận là có cùng khoảng độ dẫn nhiệt với vật gốc ban đầu. Tuy nhiên, hiệu quả của cách tiếp cận này là không chắc chắn. Độ dẫn nhiệt của các chất độn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể của chúng, độ tinh khiết, độ hoàn hảo của cấu trúc, các hiện tượng tán xạ phonon,… và có thể khác biệt so với cấu trúc dạng khối của vật liệu ban đầu [19]. Trong bảng 6, hai vật liệu khác nhau dựa trên nhựa epoxy đã được xác định [9-10, 20]. 12 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Linh
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược