APPLICATION FOCUSED DESIGN AND DEVELOPMENT OF POLYMER MATRIX COMPOSITES FOR THERMAL APPLICATIONS

APPLICATION FOCUSED DESIGN AND DEVELOPMENT OF POLYMER MATRIX COMPOSITES FOR THERMAL APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (APPLICATION FOCUSED DESIGN AND DEVELOPMENT OF POLYMER MATRIX COMPOSITES FOR THERMAL APPLICATIONS)
PhD_Dissertation_g201531210_final.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 22 June 2021.

Download (9MB)

Arabic Abstract

المجتمع الهندسي في سعي مستمر للمواد الجديدة للتطبيقات ذات التقنية العالية. تركيبات عديدة من المواد ممكنة لتطوير مواد جديدة على نطاق ميكرون إلى نانو. ومع ذلك ، لا يمكن لأي من هذه التركيبات أن تكون مادة عالمية ، والتي يمكن أن تكون مناسبة لجميع التطبيقات. تعتمد تركيبة المادة وحجم الخلط على خصائص المواد المطلوبة ، والتي تعتمد بدورها على التطبيق المستهدف. عملية إيجاد التركيبة الصحيحة من المواد التي تؤدي إلى تحسين الملاءمة يجب أن تكون تركز على التطبيق. يمكن تطوير أدوات حسابية فعالة استنادًا إلى نظريات متوسطة فعالة ، ومحاكاة ذرية وما إلى ذلك ، والتي يمكن أن تتيح تصميم اكتشاف تركيبة المواد التي تركز على التطبيق. في هذه الرسالة ، تم تطوير مخطط متكامل لتصميم وتطوير مركبات البوليمر المركزة على التطبيقات المستهدفة. ينقسم مخطط "التصميم الذي يركز على التطبيق" بالكامل إلى أربع خطوات وهي تحديد الخصائص المستهدفة ، وتصميم مركب البوليمر ، وتطوير التراكيب التمثيلية ، وتقييم الأداء. يتم إنشاء "تعيين الخصائص المستهدفة" من خلال تحليل تأثير خصائص المواد باستخدام النماذج الرياضية للتطبيقات المحددة. من المتوقع أن توفر الخصائص المستهدفة أداءً محسنًا للمادة الموجودة في التطبيق. يتم إنشاء "تصميم البوليمر المركب" من خلال نماذج تقدير الخصائص ، التي تستند إلى نظرية الوسط التفاضلي الفعال ومخطط Mori-Tanaka للتجانس. يتضمن "تطوير البوليمر المركب" المعالجات الأولية والخلط والمعالجة والسباكة / الصب وإعداد العينات والقياسات والتوصيفات وأخيرًا التحقق من التصميم الحسابي ومعايرته. تم إنشاء "تقييم الأداء" باستخدام الخصائص المقاسة لمركب البوليمر المطور كمدخلات للنموذج الرياضي المستخدم في "تعيين الخصائص المستهدفة". على الرغم من أن مخطط التصميم والتطوير المقترح هو مخطط معمم ، فإن هذه الرسالة تشمل بشكل أساسي التطبيقات الحرارية ، حيث يمكن أن تؤدي زيادة الموصلية الحرارية إلى تحسين الأداء بشرط الاحتفاظ بالخصائص الأخرى داخل بعض الحدود. لذلك ، كمساهمة في الخطوة الثانية من مخطط التصميم والتطوير ، تم تطوير نماذج جديدة لتقدير الموصلية الحرارية للمركبات. بهذه الطريقة ، يمكن تقسيم الرسالة إلى قسمين رئيسيين: تطوير نماذج الموصلية الحرارية وتنفيذ مخطط التصميم الذي يركز على التطبيق. يتم اشتقاق نماذج الموصلية الحرارية بناءً على نظرية الترشيح ونظرية الوسط التفاضلي الفعال. يتم اشتقاق النموذج القائم على نظرية الترشيح من أجل الحشوات المتقشرة الهجينة المخففة. تم التحقق من صحة النموذج ومعايرته من خلال التجارب ، ويستخدم لتصميم أفضل تكوين لمصفوفة البولي سلفون (PSU) - 10٪ من صفائح الجرافين النانوية (GNPs) / أنابيب الكربون النانوية (CNTs) للحصول على أقصى توصيل حراري.النموذج المقترح الآخر يستند إلى نظرية الوسط التفاضلي الفعال التفاضلي ويتم تعميمه لتركيزات الحشو غير المخفف. النموذج المقترح قادر على التعامل مع حشوات الجسيمات المتغيرة الشكل الهندسي. يتم التحقق من صحة النموذج المقترح عن طريق إنتاج أنظمة مختلفة من البوليمر المركب بتركيزات حشو خزفي تصل إلى 50٪ من حيث الحجم. وقد تم توضيح آثار العوامل المختلفة من خلال الدراسات البارامترية في كلا النموذجين. في نموذج الترشيح ، تكون معلمات الأبعاد ومقاومة الواجهة للحشوات على شكل الصفائح الدموية هي الأكثر حساسية للتحكم في الموصلية الحرارية الفعالة. في النموذج غير المخفف ، تكون نسبة أبعاد الجسيمات هي العامل الأكثر حساسية. من المتوقع أن تفتح النماذج المقترحة أبوابًا جديدة للباحثين وللصناعة لتطوير مركبات بوليمر جديدة ذات موصلية حرارية فائقة مصممة خصيصًا لتطبيقات نقل الحرارة في البيئة المسببة للتآكل. في وقت لاحق ، كتطبيق مباشر لنماذج الموصلية الحرارية ، تم تصميم وتطوير مركبات البوليمر ذات الموصلية الحرارية العالية للغاية مما أدى إلى إنشاء تركيبات مجهرية غير تقليدية مع مرحلة توصيل حراري منفصلة. تم تنفيذ مخطط تصميم وتطوير المواد المركبة بنجاح لتطبيقين هما الغلاف الخلفي للوحدات الكهروضوئية المركزة (CPV) وأنابيب المبادل الحراري من نوعية ال Shell and tube. بالنسبة للمغلفات ، تم اعتبار الموصلية الحرارية (k) ومعامل التمدد الحراري (α) ومعامل القص طويل المدى (∞G) من الخصائص المستهدفة مع التركيز على تحسين عمر الوحدة والطاقة الكهربائية. تم تحديد القيم المستهدفة من خلال محاكاة العناصر المحدودة (FE) لمشاكل الإجهاد الحراري في نموذج ثلاثي الخلايا من وحدة CPV. بالنسبة لأنابيب المبادلات الحرارية ، تم اعتبار التوصيل الحراري ومقاومة الخضوع من الخصائص المستهدفة. تم تحديد الموصلية الحرارية المستهدفة بناءً على تقدير معامل انتقال الحرارة باستخدام طرق Kern و Bell-delaware المعروفة ، وتم تحديد قوة العائد المستهدف بناءً على صيغة Barlow. في كلا التطبيقين ، تم تصميم المواد المركبة حسابيًا لتحقيق الخصائص المستهدفة بناءً على نماذج تقدير الخصائص وتم تطوير التراكيب التمثيلية بما يتماشى مع التصميم الحسابي. وأخيرًا ، تم استخدام الخصائص المقاسة للعينات التمثيلية لتقييم الأداء الفعلي للمادة وبالتالي للتحقق من المخطط بأكمله. في ضوء نتائج هذه التطبيقات ، تم استنتاج أن التصميم والتطوير الناجح لمركبات البوليمر يمكن أن يوفر تحسينًا كبيرًا في الأداء لأي تطبيقات معينة من خلال تكييف الخصائص لتوافق الخصائص المطلوبة للهدف. من المتوقع أن يسمح هذا النهج بالإنتاج الفعال من حيث التكلفة لمركبات البوليمر في مختلف التطبيقات الصناعية.

English Abstract

Engineering community is in a constant pursuit of new materials for high-tech applications. Numerous materials’ combinations are possible for the development of new materials at micron to nano – scale. However, none of these combinations could be a universal material, which can be suitable for all applications. The material’s combination and their scale of mixing depends upon the required material properties, which in turn depends upon the target application. Finding the right combination of materials leading to enhanced suitability should be application-focused. Efficient computational tools can be developed based on effective medium theories, atomistic simulations etc. which can enable the design of application-focused discovery of material’s combination. In this dissertation, an integrated scheme for the design and development of polymer-composites has been developed focused on target applications. The entire ‘application-focused design’ scheme is mainly divided into four steps namely setting the target properties, designing the polymer-composite, developing the representative compositions, and evaluating the performance. ‘Setting the target properties’ is established by analyzing the effect of material properties using mathematical models of the selected applications. The target properties are expected to provide enhanced performance of the material in application. ‘Designing the polymer-composite’ is established through properties estimation models, which are based on differential effective medium theory and Mori-Tanaka’s homogenization scheme. ‘Developing the polymer-composite’ includes pre-treatments, mixing, processing, casting / molding, sample preparation, measurements, characterizations, and finally validation and calibration of computational design. ‘Evaluating the performance’ is established using the measured properties of developed polymer-composite as inputs to the mathematical model used in ‘Setting the target properties’. Though the proposed scheme of design and development is a generalized scheme, this dissertation mainly encompasses thermal applications, i.e. wherein increasing thermal conductivity could lead towards enhanced performance provided the other properties are kept within some bounds. Therefore, as contribution to the second step of design and development scheme, new models for estimating thermal conductivity of composites have been developed. In this way, the dissertation can be divided into two major parts: development of thermal conductivity models and implementation of application-focused design scheme. Thermal conductivity models are derived based on percolation theory and differential effective medium theory. The model based on percolation theory is derived for dilute hybrid percolating fillers. The model is validated, calibrated through experiments, and used to design the best composition of polysulfone (PSU) matrix - 10% Graphene nano-platelets (GNPs) / Carbon nano-tubes (CNTs) composite for the maximum thermal conductivity. The other proposed model is based differential effective medium theory and it is generalized for non-dilute filler concentrations. The proposed model is able to handle particulate fillers of variable geometry. The proposed model is validated by producing different polymer-composite systems with ceramic filler concentrations up to 50% by volume. The effects of different parameters have been elucidated through parametric studies in both the models. In the percolation model, the dimensional parameters and the interface resistance of the platelet shaped fillers are the most sensitive to control the effective thermal conductivity. In the non-dilute model, the aspect ratio of particulates is found the most sensitive parameter. The proposed models are expected to open new doors for the researchers and the industry to develop new polymer composites with tailorable ultrahigh thermal conductivity in corrosive environment-heat transfer applications. Later, as a direct application of thermal conductivity models, polymer-composites with ultra-high thermal conductivity were designed and developed leading to non-conventional microstructures with segregated thermally conductive phase. The scheme of design and development of composite material has been successfully implemented for two applications namely backside encapsulant of concentrated photovoltaic (CPV) modules and tubes of shell and tube heat exchanger. For the encapsulant, thermal conductivity (k), coefficient of thermal expansion (α), and long-term shear modulus (G∞) were considered as the target properties with focus on improved module life and electrical power. The target values were established through finite element (FE) simulations of thermal stress problems in a three-cell model of CPV module. For the tubes of heat exchangers, thermal conductivity and yield strength were considered as target properties. The target thermal conductivity was decided based on estimation of heat transfer coefficient using well-known Kern and Bell-delaware methods and target yield strength was decided based on Barlow’s formula. In both implementations, composite materials were computationally designed to achieve target properties based on properties estimation models and representative compositions were developed in line with the computational design. Finally, the measured properties of the representative samples were used to evaluate the actual performance of material and hence to validate the entire scheme. In view of the outcomes of these applications, it is concluded that a successful design and development of polymer-composites can provide significant enhancement in the performance for any particular applications by tailoring the properties for desired target properties. It is expected that this approach will allow cost-effective production of polymer composites in various industrial applications.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Research
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Akhtar, Syed Sohail
Committee Members: Merah, Neçar and Mezghani, Khaled and Hossain, Mohammad Mozahar
Depositing User: HAFIZ KABE CHISHTI (g201531210)
Date Deposited: 22 Jun 2020 15:36
Last Modified: 22 Jun 2020 15:36
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141641