Luận án tiến sĩ: Chế tạo và khảo sát tính chất mao dẫn vật liệu đồng xốp ứng dụng ống tản nhiệt - Trịnh Minh Hoàn (Học viện KHCN VN)

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 luan an 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: 9.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Đoàn Đình Phương 2. Nguyễn Phú Hùng Hà Nội – 2022 luan an i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn là PGS. Đoàn Đình Phương và PGS.

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.

luan an 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 luan an 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. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT.1 Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển .2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt .1 Ống nhiệt trọng trường.2 Ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn .1 Vỏ ống nhiệt .2 Vật liệu có cấu trúc mao dẫn .3 Chất lỏng làm việc bên trong ống nhiệt .3 Tính toán thiết kế và chế tạo ống nhiệt .1 Chế tạo vật liệu xốp thiêu kết .2 Tính toán, xác định vỏ ống .3 Xác định chất lỏng làm việc trong ống.3 Một số vấn đề cơ bản về mao dẫn .1 Hiện tượng mao dẫn .2 Các phương pháp đo khả năng mao dẫn .1 Các phương pháp xác định áp suất mao dẫn lớn nhất .2 Phương pháp xác định chiều cao cột mao dẫn h .3 Phương pháp xác định khối lượng nước được hút vào trong cấu trúc mao dẫn .4 Tổng quan những nghiên cứu mới trên thế giới về lớp mao dẫn bằng vật liệu xốp thiêu kết .5 Tản nhiệt cho đèn LED công suất cao.

33 Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Nguyên vật liệu thí nghiệm. 36 luan an iv 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu.1 Mẫu vật liệu đồng xốp dạng khối .2 Mẫu đo khả năng tự hút .3 Chế tạo ống nhiệt .3 Phương pháp nghiên cứu .1 Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu .1 Phương pháp chụp ảnh SEM và phân tích EDS .2 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X .2 Phương pháp xác định cơ tính của vật liệu .3 Phương pháp xác định độ xốp của vật liệu .1 Phương pháp xác định độ xốp tổng .2 Phương pháp đo độ xốp hở.3 Phương pháp xác định độ xốp trên ảnh SEM .4 Phương pháp đánh giá khả năng tự hút của vật liệu mao dẫn .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 .1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc và cơ tính của vật liệu đồng xốp sau thiêu kết .1 Ảnh hưởng của môi trường thiêu kết .2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết .3 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết .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 .1 Khảo sát đối với bột đồng nguyên liệu dạng cầu .1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu .2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của mẫu .2 Khảo sát đối với bột đồng dạng nhánh cây .1 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến đặc tính xốp của mẫu .2 Ảnh hưởng của kích thước bột đồng đến khả năng hút nước của mẫu .3 So sánh đặc tính xốp và mao dẫn của mẫu sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu và dạng nhánh cây. 86 luan an v Chương 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM CHO ĐÈN LED CÔNG SUẤT LỚN .1 Chế tạo ống nhiệt .2 Ảnh hưởng của đường kính ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt .3 Ảnh hưởng của chiều dài ống đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt của ống nhiệt .4 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED công suất lớn .1 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 200 W.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 luan an 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 6 và c) điện thoại thông minh Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của a) ống nhiệt trọng trường và b) 7 ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo và các vùng hoạt động của ống nhiệt có cấu trúc mao 9 dẫn Hình 1.4 Mặt cắt ngang ống nhiệt a) kiểu mao dẫn dạng rãnh và b) kiểu 10 cấu trúc vật liệu xốp kim loại thiêu kết 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 17 của Leong Hình 1.7 Sơ đồ chế tạo ống nhiệt trong nghiên cứu của Li: 1-Nắp nhỏ định 18 vị trục thép; 2-Vỏ ống đồng; 3-Bột đồng; 4-Trục thép không gỉ; 5- Nắp lớn định vị trục thép Hình 1.8 Mô hình chế tạo ống nhiệt (a) và giản đồ thiêu kết mẫu (b) trong 18 nghiên cứu của Jiang Hình 1.9 Giới hạn mao dẫn của 3 loại chất lỏng: nước, acetone và 21 methanol 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 22 (B) của mặt khum 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 25 xốp Hình 1.14 Mô hình xác định chiều cao cột mao dẫn h sử dụng camera hồng 25 ngoại được Li và các cộng sự sử dụng Hình 1.15 Ảnh hưởng của kích thước hạt bột nguyên liệu đến chiều cao cột 26 chất lỏng trong cấu trúc kim loại xốp a) nước và b) aceton Hình 1.16 Chiều cao cột mao dẫn trong mẫu bột Ni và bột đồng thiêu kết 27 với các chất lỏng khác nhau: a) nước và b) acetone Hình 1.17 Mô hình xác định khối lượng chất lỏng hút vào cấu trúc mao 28 dẫn Hình 1.18 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc đồng 29 xốp sử dụng các chất lỏng thử khác nhau Hình 1.19 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian của cấu trúc thép 29 hợp kim xốp sử dụng các chất lỏng khác nhau luan an 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 31 xốp với hai kiểu kích thước khác nhau Hình 1.22 Ảnh SEM bề mặt hạt đồng trong cấu trúc mao dẫn thiêu kết 32 trước (a,b) và sau khi xử lý bề mặt (c,d) Hình 2.1 Ảnh SEM mẫu bột đồng nguyên liệu dạng cầu và dạng nhánh 36 cây 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 38 trình thiêu kết chế tạo mẫu đồng xốp 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 40 dẫn Hình 2.7 Nguyên lý tạo mẫu chụp ảnh cấu trúc trên SEM a) mẫu chụp 42 ảnh vi cấu trúc và b) mẫu chụp ảnh cấu trúc macro Hình 2.8 Mô hình mẫu chế tạo để xác định khối lượng riêng và đo độ xốp 45 hở Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm ngâm nước xác định độ xốp hở 46 Hình 2.10 Minh họa quá trình xử lý ảnh SEM trên phần mềm ImageJ: a) 47 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 Hình 2.11 Mô hình thiết bị đo khả năng tự hút do mao dẫn 49 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 52 ống nhiệt 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 56 sử dụng bột đồng dạng cầu Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết ở các môi trường khác nhau 57 sử dụng bột đồng dạng nhánh cây 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 58 trong các môi trường khác nhau sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu Hình 3.