Michał Kubiś

Study on modification of thermal properties of epoxy-based composites

Abstract:

Niniejsza praca dotyczy zagadnienia modyfikacji efektywnej przewodności cieplnej
w kierunku poprzecznym kompozytów na bazie żywicy epoksydowej wzmocnionych włóknem węglowym. Przekroczenie maksymalnej temperatury pracy kompozytów na bazie polimerów skutkuje gwałtownym obniżeniem ich właściwości mechanicznych. Dlatego też zwiększenie wymiany ciepła w kierunku o najniższej przewodności cieplnej kompozytów (kierunek poprzeczny), prowadzić będzie do poszerzenia możliwości ich zastosowań. Podczas badań skupiono się na modyfikacji przewodności cieplnej za pomocą napełniaczy, które wprowadzono do mikrostruktury kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym. Początkowe prace opierały się na modyfikacji właściwości cieplnych czystej żywicy epoksydowej za pomocą nanometrycznych, wielościennych nanorurek węglowych oraz mikrometrycznych cząstek mączki krystobalitowej. Za pomocą metody „vacuum assisted proces” (VAP) oraz standardowej metody infuzji (VARI), wykonano serię kompozytów wzmocnionych tkaniną węglową o splocie prostym. Zbadany został wpływ poziomu próżni oraz wpływ modyfikacji mikrostruktury za pomocą napełniaczy na właściwości cieplne tych kompozytów. Przewodność cieplna próbek wyznaczona została metodą pośrednią przez pomiar: dyfuzyjności cieplnej (LFA), ciepła właściwego (DSC) oraz gęstości (waga hydrostatyczna). Uzyskano 45% wzrost współczynnika przewodzenia ciepła w kierunku poprzecznym dla kompozytów z mączką krystobalitową i 25% wzrost tego współczynnika
w przypadku zastosowania nanorurek węglowych. Ponadto, zbadano wpływ zastosowanych napełniaczy na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne wytworzonych laminatów.

Ostatnia część pracy dotyczyła modelowania efektywnej przewodności cieplnej kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym. Na podstawie zdjęć uzyskanych
za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego określone zostały parametry geometrii wielo-skalowych elementów składowych kompozytu. Podstawą modelu było stworzenie komórki elementarnej o uproszczonej geometrii. Składowe współczynnika przewodzenia ciepła wyznaczono za pomocą obliczeń przeprowadzonych na postawie klasycznych modeli analitycznych, a ich wyniki zaimplementowano do modelu w celu przeprowadzenia obliczeń numerycznych. Model sprawdzony został na podstawie wybranych typów wytworzonych próbek. Wyniki obliczeń numerycznych osiągniętych
za jego pomocą wykazały bardzo dobrą zgodność z wynikami badań uzyskanymi na drodze eksperymentalnej.