DESIGN AND DEVELOPMENT OF HIGH THERMAL CONDUCTIVE POLYMERIC COMPOSITES VIA MAGNETIC ALIGNMENT APPROACH. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Sidra-Thesis-Final.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 24 November 2026. Download (66MB)

Arabic Abstract

دفعت متطلبات الإدارة الحرارية المتزايدة للأنظمة الإلكترونية المصغرة وعالية الطاقة إلى السعي نحو إنتاج مركبات مصفوفة بوليمرية (PMCs) ذات موصلية حرارية معززة بشكل كبير. ومع ذلك، تُشكل الموصلية الحرارية المنخفضة بطبيعتها للبوليمرات قيدًا مستمرًا. تُقدم هذه الدراسة استراتيجيةً فعّالة من حيث المواد والطاقة لتصميم وتطوير مركبات إيبوكسي عالية الموصلية الحرارية من خلال المحاذاة المغناطيسية لحشوات نيتريد البورون السداسية (hBN) سريعة الاستجابة للمغناطيس. تم استخدام نهج متكامل يجمع بين الميكانيكا الدقيقة الحسابية والتحقق التجريبي لتحسين هندسة الحشوات واتجاهها وتفاعلاتها السطحية. واستُخدم إطار عمل قائم على عنصر الحجم التمثيلي (RVE) لتقييم الأداء الحراري والميكانيكي لمختلف تكوينات الحشوات، مما كشف عن تفوق الحشوات الإهليلجية على الشوائب الكروية بفضل زيادة النفاذية وانخفاض المقاومة الحرارية السطحية. تجريبيًا، تم تقشير نيتريد البورون عالي الكثافة (hBN)، ووظيفته الأمينية، وتزيينه بجسيمات نانوية من أكسيد الحديد (Fe₃O₄) لإضفاء استجابة مغناطيسية. ثم نُثرت حشوات نيتريد البورون عالي الكثافة هذه في مصفوفة إيبوكسي، ورُصفت تحت تدفق مغناطيسي منخفض (~10 ملي تسلا) أثناء المعالجة. أظهرت المركبات الناتجة تحسنًا يصل إلى خمسة أضعاف في التوصيل الحراري عبر المستوى (1.256 واط/متر كلفن) وعشرة أضعاف في التوصيل الحراري داخل المستوى (2.957 واط/متر كلفن) عند تحميل بنسبة 20% حجمًا، مع الحفاظ على السلامة الميكانيكية. التقطت النمذجة المغناطيسية القائمة على COMSOL حركية الدوران وإعادة المحاذاة المدفوعة بعزم الدوران، مؤكدةً آليات المحاذاة التي لوحظت في التصوير المقطعي بالأشعة السينية وتحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM-EDS). يوضح هذا العمل إمكانية تحقيق توصيل حراري متباين الخواص في مركبات البوليمر عند محتوى حشو منخفض ودخل طاقة مغناطيسية ضئيل. يقدم الجمع بين النمذجة التنبؤية والوظائف المحسنة والتصنيع القابل للتطوير مسارًا واعدًا لتطوير مواد الواجهة الحرارية من الجيل التالي للتطبيقات الإلكترونية والسيارات والطاقة.

English Abstract

The ever-increasing thermal management demands of miniaturized and high-power electronic systems have driven the pursuit of polymer matrix composites (PMCs) with significantly enhanced thermal conductivity. However, the inherently low thermal conductivity of polymers presents a persistent limitation. This study presents a material- and energy-efficient strategy for designing and developing high thermal conductivity epoxy-based composites via magnetic alignment of magnetically responsive hexagonal boron nitride (hBN) fillers. An integrated approach combining computational micromechanics with experimental validation was employed to optimize filler geometry, orientation, and interfacial interactions. A Representative Volume Element (RVE)-based framework was utilized to evaluate the thermal and mechanical performance of various filler configurations, revealing that elliptical fillers outperform spherical inclusions due to enhanced percolation and reduced interfacial thermal resistance. Experimentally, hBN was exfoliated, amine-functionalized, and decorated with Fe₃O₄ nanoparticles to impart magnetic responsiveness. These mhBN fillers were then dispersed into an epoxy matrix and aligned under a low magnetic flux (~10 mT) during curing. The resulting composites demonstrated up to a five times enhancement in through-plane thermal conductivity (1.256 W/mK) and ten times enhancement in in-plane thermal conductivity (2.957 W/mK) at 20 vol% loading, while preserving mechanical integrity. COMSOL-based magnetic modeling captured torque-driven rotation and realignment kinetics, confirming the alignment mechanisms observed in X-ray tomography and SEM-EDS analysis. This work demonstrates the feasibility of achieving anisotropic thermal conduction in polymer composites at low filler content and minimal magnetic energy input. The combination of predictive modeling, optimized functionalization, and scalable fabrication offers a promising pathway for the development of next-generation thermal interface materials for electronics, automotive, and energy applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Physics Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Arif, Abul Fazal
Committee Members:	Akhtar, Syed Sohail and Kumar, A. Madhan
Depositing User:	SIDRA AJMAL (g202216440)
Date Deposited:	30 Nov 2025 05:33
Last Modified:	30 Nov 2025 05:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143755