Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt trên nền nano cacbon ứng dụng cho các thiết bị điện và điện tử

Trên thế giới, thị trường vật liệu truyền/tản nhiệt nói chung dự báo sẽ tăng rất nhanh và đạt khoảng 4,8 tỷ USD trong năm 2020. Theo nhận xét của giám đốc công ty thiết bị LED APT, số lượng đèn LED tiêu thụ ở Việt Nam hiện đạt khoảng hơn 1 triệu đèn/năm và có xu hướng tăng lên nhanh chóng. Các tấm dán tản nhiệt và keo tản nhiệt giúp tản nhiệt cho các loại máy tính, điện thoại được bán rộng rãi. Hầu hết các sản phẩm này sẽ bị thoái hóa và cần được thay thế sau vài năm sử dụng.

Trên thị trường bán rất nhiều loại tấm dán tản nhiệt, keo tản nhiệt với các loại giá thành và chất lượng khác nhau. Việc chế tạo composite trên nền giấy bucky không làm tăng nhiều giá thành của giấy do các vật liệu và phương pháp chế tạo đơn giản và chi phí thấp do đó giúp tăng khả năng cạnh tranh và có thể được ứng dụng tại các doanh nghiệp chiếu sáng, máy tính Việt Nam như công ty LED APT, Rạng Đông, công ty máy tính VENR.

Nhằm phát triển và làm chủ được công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt hoàn toàn mới trên nền vật liệu nano cacbon (dạng buckypaper) có kích thước ≥ 800 cm2, độ truyền nhiệt ≥ 2.0 W/m.K, nhiệt trở tiếp xúc ≤ 1 CmK/W, nhiệt độ làm việc tối đa ≥ 150 độ C. Thiết kế và xây dựng được quy trình và hệ tự động roll to roll chế tạo tấm dán tản nhiệt công suất ≥ 300.000 cm2/tháng. Chế tạo thử nghiệm và đánh giá thực tế khả năng truyền nhiệt và tản nhiệt trên các đèn LED và chip điện tử công suất cao, nhóm nghiên cứu do TS. Đỗ Hữu Quyết, Trung tâm nghiên cứu triển khai khu công nghệ cao, Ban quản lý Khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt trên nền nano cacbon ứng dụng cho các thiết bị điện và điện tử”.

Trung tâm nghiên cứu triển khai là trung tâm nghiên cứu trọng điểm của thành phố HCM, có các trang thiết bị đầy đủ để thực hiện đề tài, bao gồm các thiết bị chế tạo giấy, phân tích cấu trúc, thành phần và đo đạc các thông số, đặc tính nhiệt, cơ của vật liệu.

Sau một thời gian thực hiện (từ tháng 12/2016 đến tháng 10/2019), nhóm đề tài đã thực hiện các công việc cụ thể như sau:

1. Đã nghiên cứu chế tạo tấm dán tản nhiệt, cụ thể:

- Nghiên cứu chế tạo giấy bucky với các kích thước khác nhau từ nguyên liệu ống nano cacbon

- Nghiên cứu hỗn hợp CNTs + Graphite trong chế tạo giấy bucky để hạ giá thành

- Nghiên cứu tăng cường liên kết giữa các ống nano carbon trong giấy bucky

- Nghiên cứu chế tạo keo tiếp xúc bề mặt từ các polymer

- Nghiên cứu chế tạo tấm dán tản nhiệt

- Nghiên cứu chế tạo tấm dán tản nhiệt kích thước lớn

2. Đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ dây truyền sản xuất liên tục tấm dán tản nhiệt, công suất 300.000 cm2/tháng, cụ thể:

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ dây truyền

Nghiên cứu thử nghiệm và tối ưu hóa dây truyền sản xuất liên tục tấm dán tản nhiệt, công suât 300.000 cm2/tháng

Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm sản phẩm tấm dán tản nhiệt

Đề tài đã hoàn thành các nội dung được Bộ KHCN đặt hàng và ký hợp đồng về số lượng, khối lượng, chủng loại và chất lượng; Một số sản phẩm đạt vượt chỉ tiêu như số lượng công trình khoa học, đơn đăng ký bảo hộ kiểu dáng công nghiệp, tính năng sản phẩm. Tỉ lệ CNTs trong tấm dán tản nhiệt được khảo sát nhằm cải thiện các tính chất: Tăng khả năng truyền nhiệt của tấm dán khi kết hợp với vật liệu graphite, đồng thời giảm giá thành sản phẩm; Giảm độ co rút của tấm dán, do giấy bucky làm từ 100% CNTs sau khi làm khô sẽ bị co rút làm ảnh hưởng đến tính truyền nhiệt của tấm dán. Do đó, các tỉ lệ CNTs được khảo sát nhằm thỏa mãn các điều kiện trên. Nghĩa là, lượng CNTs được khảo sát nhằm tìm tỉ lệ thấp nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo khả năng truyền nhiệt và đảm bảo sự liên kết của tấm bucky. Điểm giới hạn dưới là tỉ lệ tại đó tấm dán có độ liên kết thấp, dễ gãy vỡ trong quá trình thao tác. Điểm giới hạn dưới là điểm có tỉ lệ CNTs cao nhất sao cho giấy bucky ít bị biến dạng nhất.

 Qua quá trình nghiện cứu, khảo sát và đánh giá chất lượng sản phẩm tấm dán tản nhiệt thì nhóm đề tài chọn tỉ lệ sử dụng than ống nano CNTs là 12 - 30% cho chất lượng tấm dán có độ dẫn nhiệt cao, tính chất cơ học tốt nhất mà đáp ứng cho ứng dụng thực tế cho các thiết bị điện, điện tử. Tấm dán tản nhiệt trên cơ sở composite giữa giấy Bucky/Graphite và silicone được chế tạo thành công bằng phương pháp in lụa. Kích thước mẫu hiện tại đạt 30cm x 30cm dễ dàng sử dụng cho các ứng dụng cỡ lớn. Độ dẫn nhiệt của mẫu đo được là 2.75W/mK tương đương với các sản phẩm trên thị trường.

Thông số kỹ thuật của mẫu CG9701 mang đi kiểm tra:

- Giấy bucky với tỉ lệ CNTs/Graphite là 1:7

- Giấy bucky có bề dày 320um

- Giấy thấm silicone với độ nhớt 350psi

Các kết quả trên là vô cùng khả quan, sản phẩm có tiềm năng cạnh tranh với các sản phẩm hiện nay trên thị trường. Trong tương lai, nhóm đề tài hướng tới việc cải tiến nhằm nâng cao giá trị của độ dẫn nhiệt và xây dựng hệ thống chế tạo trên quy mô lớn nhằm thương mại hóa sản phẩm.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16905/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)