التقريب العملي والمحاكاة للمميزات الميكانيكية والحرارية لخليط متراكبات نانوية (PVC - PA) /CNTs == Empirical and Simulation Approach of Mechanical and Thermal characteristics of CNTs / (PVC - Polyamide) Blend Nanocomposites
Author name:
هناء كاظم عيسى
Supervisor name:
بهجت بهلول كاظم
General topic:
Physics
Specific topic:
Physics
Degree:
Master
University:
Mustansiriyah University - College Of Science
Language:
Arabic
University location:
Baghdad
First pages:
26T1978 - p.pdf
Abstract:
في هذه الدراسة تم قياس, التوصيل الحراري (K), معدل التعرية (Ar), الانتشار الحراري (D), التدفق الحراري (e), متانة الضغط (σc), متانة الكسر (Kc), لخليط من(PVC - PA) المعزز بكسر حجمي مختلف لل(MWCNTS Vol.%) حيث تم دراسة كل من الخواص الحرارية والميكانيكية لهذه المتراكبات النانوية, التي هي عرضة لتغيرات الكسر الحجمي. تتكون المتراكبات النانوية في هذه الدراسة من خمس مجموعات, خليط من (PVC - PA), خليط من (PVC - PA) المدعم ب(0.2 % MWCNTs Vol. %), خليط من (PVC - PA) المدعم ب (0.4 % MWCNTs Vol. %), خليط من (PVC - PA) المدعم ب(0.6 % MWCNTs Vol. %), خليط من (PVC - PA) المدعم ب(0.8 % MWCNTs Vol. %). تم استخدام تقنية القولبة اليدوية لاعداد هذه المتراكبات وكذلك استخدام الموجات الفوق صوتية الى جانب تقنية الاهتزاز المغناطيسي. تم استخدام تقنية قرص لي لقياس التوصيلية الحرارية (K), ومن خلال توظيف المسعر الحراري تم قياس السعة الحرارية (C_p), ولقياس الكثافة (ρ) فقد تم استخدام طريقة ارخميدس, في حين الانتشار الحراري (D) والتدفق الحراري (e) قد تم قياسهما باستخدام القيم التجربيبة من الموصيلية الحرارية والسعة الحرارية والكثافة. تم استخدام تقنية الشعلة الاوكسي - استيلينية لتحديد معامل التعرية وفقا لنظام الجمعية الامريكية لاختبار المواد (ASTM 25 - 80). تم استخدام الة (Instron) لقياس قوة الضغط وفقا ل(ASTM - D659 - 85), تم استخدام الة اختبار (مطرقة البندول ) نوع شاربي لتحديد متانة الكسر وفقا (ISO - 79). برامج محاكاة لنقل الحرارة في ثلاثة ابعاد لقياس التوصيلية الحرارية, السعة الحرارية, الانتشار الحراري, التدفق الحراري ومعامل التعرية لعينات متراكبات نانوية حيث نفذت طريقة الفروق المحددة . تظهر نتائج التوصيلية الحرارية ان قيمها تزداد تدريجيا من خلال سلسة من الكسر الحجمي لل (MWCNTs). ويتصرف معدل التعرية على نحو عكسي على النحو الاتي : حيث انه ينخفض عند ارتفاع الكسر الحجمي لل (MWCNTs) . وتبين نتائج الانتشار الحراري (D) تزايد ويرجع ذلك الى زيادة نسبة الكسر الحجمي لل (MWCNTs), مما يؤدي الى زيادة المسارات الحرارية نتيجة التشتت الجيد من(MWCNTs) داخل خليط العينات. اما نتائج التدفق الحراري(e) تظهر نتائجه تزايد عند زيادة الكسر الحجمي لل (MWCNTs) المدعم ويمكن شرح هذا التزايد الحراري نتيجة التشتت الجيد من (MWCNTs) وهذا ايضا يؤدي الى المزيد من المسارات الحرارية على سطح العينات والتي تؤدي الى زيادة قيم التدفق الحراري. علاقة التوصيل الحراري - معامل التعرية, يعرض اليتين , في البداية ومع انطلاق الاختبار يظهر التوزيع الامثل لل (MWCNTs) الامر الذي يؤدي الى التشتت الحراري بسبب تكون شبكة منفصلة من المسارات الحرارية , وترتبط الالية الثانية مع اختبار التعرية خلال ظهور القص وظهور الشقوق, الامر الذي يؤدي الى الالية السابقة لانتاج التفحم. اظهرت النتائج ان قوة الضغط( σc) تزداد مع زيادة الكسر الحجمي (MWCNTs), حيث يحدث الكسر من خلال نوعين من الالية في مواقع مختلفة في نفس الوقت, اولا الكسر الناجم عن ضغط الاجهاد الامر الذي يؤدي الى ظهور الانحناء, والالية الثانية يحدث الكسر عن قص الاجهاد والذي يؤدي الى تشققات القص. اظهرت النتائج ان متانة الكسر (Kc) تزداد مع زيادة الكسر الحجمي (MWCNTs) ويحدث الكسر نتيجة الية الانسحاب التي تحدث في المتراكبات النانوية. محاكاة نتائج الموصيلية الحرارية, والتي تحسب وفقا لنموذج نيلسن, وعند مقارنتها مع النتائج التجريبية, فقد لوحظ من النتائج التجريبية ان قيم التوصيلية الحرارية تقع مابين قيم المحاكاة بالاتجاة العمودي وقيم المحاكاة بالاتجاة العشوائي مع الاخذ بالاعتبار اتجاة التدفق الحراري والذي يدل على ان ترتيب المواد المدعمة (MWCNTs) هي اقرب للاتجاة العمودي اكثر من الاتجاة العشوائي او المتوازي, بالنسبةلاتجاة التدفق الحراري. وهذا يمكن ان يفسر قيم نتائج التعرية العملية اعلى من نتائج المحاكاة , وذلك بسبب وجود السطح البيني للمواد المتراكبة والتي تمتلك قوة عالية واواصر ربط عالية . المتراكبات النانوية المستخدمة في هذه الدراسة والتي تمتلك كسر حجمي كبير, يمكن استخدامها في التطبيقات التي تحتاج الى تشتت حراري عالي ومتانة تعرية اوتقشر عالية, ومتانة انضغاطية عالية, ومقاومة عالية للانحناء. | In this study, thermal conductivity (K), ablation rate (Ar), thermal Diffusivity (D), thermal Effiusivity (e), compression strength (σc) , and fracture toughness (Kc), for (PVC - PA) blend reinforced with different volume fraction of (MWCNTs Vol. %), have been studied, in terms of, thermal and mechanical properties, which are subject to change in different volume fraction. The nanocomposites candidates for this study are divided into five groups; (PVC - PA) blend, (PVC - PA) blend with (0.2% MWCNTs Vol. %), (PVC - PA) blend with (0.4% MWCNTs Vol. %), (PVC - PA) blend with (0.6% MWCNTs Vol. %), (PVC - PA) blend with (0.8% MWCNTs Vol. %). Hand - Molding technique is used to prepare these composites as well as ultrasoniccation coupled with magnetic stirred technique has been used to prepare the nanocomposites. Lee’s disc technique is used to measure thermal conductivity. By employing the thermal calorimeter, it has been used to determine the heat capacity (C_p), to measured the density (ρ), it has been using Archimedean method, while the thermal Diffusivity (D) and thermal Effusivity (e) has been measured by using the experimental values of thermal conductivity, heat capacity and density. Oxy - acetylene flame technique is used to determine ablation rate according to (ASTM - E285 - 80). Instron machine is used to measure compression strength according to (ASTM - D659 - 85). The impact testing machine is used in Charpy impact mode to determine the fracture toughness according to ISO - 79. Simulation programs of heat transfer in three dimensions of thermal conductivity, heat capacity, thermal Diffusivity, thermal Effusivity, and ablative test for nanocomposites specimens are carried out using finite difference method. Thermal conductivity results show, that (K) values increase gradually by sequence of volume fraction of MWCNTs. Ablation rate behaves reverses as follow; it drops at high volume fraction of MWCNTs. Thermal Diffusivity (D) results show an increasing due to the increase of the volume fraction of MWCNTs, which lead to increment in thermal paths as a result of good dispersion of MWCNTs inside the matrix blend of specimens. Thermal Effusivity (e) results show increasing as well as increasing the volume fraction of MWCNTs Vol. % and it can be explained the increasing of thermal effusivity as related to good dispersion of MWCNTs which again lead to many thermal paths as well as on the surface of the specimens which lead to increment in effusivity values. The thermal conductivity - ablation rate relationship, displays two mechanisms. At first, linked with the starting of test, is recognized by ideal distribution of (MWCNTs), which leads to thermal dispersion due to the formation of segregated network of thermal conducting paths. Second mechanism is linked with ablation test recognized by shearing cracks appearance, which leads to earlier char production mechanism. Compression strength results show that (σc) increases with the increasing volume fraction of (MWCNT Vol. %.) The failure takes place through two kinds of mechanism in different positions at same time. First, failure caused by compressive stresses, which leads to buckling phenomena, and second mechanism, failure causes by shearing stress, which lead to shearing cracks. Fracture toughness results show that (Kc) increased with the increasing of volume fraction of (MWCNTs). Failure takes place by pullout mechanism with respect to nanocomposites. Simulation thermal conductivity results, which are calculated according to Nielsen model, and when it is compared, with the experimental results, it has been observed, that the experimental results, are fallen in between the perpendicular direction simulation values and random direction values for (MWCNTs), with respect to heat flux direction, which is evidenced that the (MWCNTs) arrangement closed to perpendicular direction more than random or parallel direction ,with respect to heat flux direction. Ablation experimental results values coming higher than simulation results values, this could be explained, as the interface affect of nanocomposites, which had high strength and strong bond force. Nanocomposites used in this study, which have high volume fraction of Vol. % can be used in applications, which need high thermal dispersion, high ablation resistance, high compression strength, and high resistance of impact.
