Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives

Polymeric composites, during the last couple of decades, have been widely studied, hugely improved and advanced as it comes to their mechanical, thermal and electrical properties. This has resulted to them being widely used not only in the automotive and aerospace industry, but in every-day items to...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Κοντογιάννης, Αθανάσιος
Other Authors: Kontogiannis, Athanasios
Language:English
Published: 2022
Subjects:
Online Access:http://hdl.handle.net/10889/16371
id nemertes-10889-16371
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Thermal conductivity prediction
Composites
Digimat
Abaqus
Πρόβλεψη θερμικής αγωγιμότητας
Σύνθετα υλικά
Αριθμητικό μοντέλο
Προσομοίωση
spellingShingle Thermal conductivity prediction
Composites
Digimat
Abaqus
Πρόβλεψη θερμικής αγωγιμότητας
Σύνθετα υλικά
Αριθμητικό μοντέλο
Προσομοίωση
Κοντογιάννης, Αθανάσιος
Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
description Polymeric composites, during the last couple of decades, have been widely studied, hugely improved and advanced as it comes to their mechanical, thermal and electrical properties. This has resulted to them being widely used not only in the automotive and aerospace industry, but in every-day items too. While fiber-reinforced polymers and laminates are the most commonly used composites, in the last years, inclusions in the nano-scale have been considered as a great alternative to the more typical inclusions, as they combine great intrinsic thermal properties with more-than-decent mechanical properties. Heat transfer has recently become one of the most important research fields for the design of polymer composites, since the electronic components are constantly becoming faster, lighter and more power-dense, cramming loads of computational power in as little physical space as possible. This creates the need for superior materials that manage to dissipate greater amount of heat per volume. So, the polymeric nano composites provide a great opportunity for the design of the appropriate material for each use, as there is a great number of variables that contribute to the final properties of the material such as: the type of the fillers, their physical properties, their content in the composite, the processing and manufacturing method of the composite. However, there is a great amount of effort involved when it comes to developing such materials since there is no way to know a priori their effective thermal conductivity. This creates the need of having to physically make and measure a great number of materials until the required properties are achieved. That is the problem that this work tackles. More specifically, the goal of this work, is to predict the thermal conductivity of polymeric nano composites. The first idea was to utilize an analytical micro mechanical model. After examining the previous research work, the model of Nan [1], was chosen since it is fairly complex and considers many of the parameters that affect the thermal conductivity of the composite. Although promising, the model did not converge with the experimental data from [2] (which is the benchmark for this thesis). Since no other promising analytical models were found, the construction of a numerical model with a Representative Volume Element (RVE) of the composite, was the next reasonable option. At first, the DIGIMAT FE software was utilized but due to its limitations when it comes to discretizing the RVE and also due to its inability to run parametrically, the decision of constructing the model via a custom Python script using ABAQUS, and simulating Carbon Nano Tubes (CNTs) instead of Graphene Nano Platelets was made. The different choice of particles was made due to the less complex geometry of the CNTs. To overcome various challenges regarding the required periodic geometry of the RVE and its meshing, a series of powerful tools were developed that add to the functionality of ABAQUS in a way that they can be used in many different applications (not limited to RVEs and composites, but to actually mesh any complex geometry). The model showed great results and converged with the experimental data of [2]. Through this work and the current thesis, a very interesting discussion is made on whether the vision of a model that can predict the thermal conductivity of a particulate polymeric nano-composite is attainable.
author2 Kontogiannis, Athanasios
author_facet Kontogiannis, Athanasios
Κοντογιάννης, Αθανάσιος
author Κοντογιάννης, Αθανάσιος
author_sort Κοντογιάννης, Αθανάσιος
title Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
title_short Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
title_full Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
title_fullStr Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
title_full_unstemmed Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
title_sort prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16371
work_keys_str_mv AT kontogiannēsathanasios predictionofthermalconductivityofgraphenebasedadhesives
AT kontogiannēsathanasios problepsēthermikēsagōgimotētasepoxikōnsynkollētikōnousiōnenischymenōnmegraphitikananosōmatidia
_version_ 1799945011215728640
spelling nemertes-10889-163712022-09-06T05:14:42Z Prediction of thermal conductivity of graphene-based adhesives Πρόβλεψη θερμικής αγωγιμότητας εποξικών συγκολλητικών ουσιών ενισχυμένων με γραφιτικά νανοσωματίδια Κοντογιάννης, Αθανάσιος Kontogiannis, Athanasios Thermal conductivity prediction Composites Digimat Abaqus Πρόβλεψη θερμικής αγωγιμότητας Σύνθετα υλικά Αριθμητικό μοντέλο Προσομοίωση Polymeric composites, during the last couple of decades, have been widely studied, hugely improved and advanced as it comes to their mechanical, thermal and electrical properties. This has resulted to them being widely used not only in the automotive and aerospace industry, but in every-day items too. While fiber-reinforced polymers and laminates are the most commonly used composites, in the last years, inclusions in the nano-scale have been considered as a great alternative to the more typical inclusions, as they combine great intrinsic thermal properties with more-than-decent mechanical properties. Heat transfer has recently become one of the most important research fields for the design of polymer composites, since the electronic components are constantly becoming faster, lighter and more power-dense, cramming loads of computational power in as little physical space as possible. This creates the need for superior materials that manage to dissipate greater amount of heat per volume. So, the polymeric nano composites provide a great opportunity for the design of the appropriate material for each use, as there is a great number of variables that contribute to the final properties of the material such as: the type of the fillers, their physical properties, their content in the composite, the processing and manufacturing method of the composite. However, there is a great amount of effort involved when it comes to developing such materials since there is no way to know a priori their effective thermal conductivity. This creates the need of having to physically make and measure a great number of materials until the required properties are achieved. That is the problem that this work tackles. More specifically, the goal of this work, is to predict the thermal conductivity of polymeric nano composites. The first idea was to utilize an analytical micro mechanical model. After examining the previous research work, the model of Nan [1], was chosen since it is fairly complex and considers many of the parameters that affect the thermal conductivity of the composite. Although promising, the model did not converge with the experimental data from [2] (which is the benchmark for this thesis). Since no other promising analytical models were found, the construction of a numerical model with a Representative Volume Element (RVE) of the composite, was the next reasonable option. At first, the DIGIMAT FE software was utilized but due to its limitations when it comes to discretizing the RVE and also due to its inability to run parametrically, the decision of constructing the model via a custom Python script using ABAQUS, and simulating Carbon Nano Tubes (CNTs) instead of Graphene Nano Platelets was made. The different choice of particles was made due to the less complex geometry of the CNTs. To overcome various challenges regarding the required periodic geometry of the RVE and its meshing, a series of powerful tools were developed that add to the functionality of ABAQUS in a way that they can be used in many different applications (not limited to RVEs and composites, but to actually mesh any complex geometry). The model showed great results and converged with the experimental data of [2]. Through this work and the current thesis, a very interesting discussion is made on whether the vision of a model that can predict the thermal conductivity of a particulate polymeric nano-composite is attainable. Τα πολυμερή σύνθετα υλικά τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχουν μελετηθεί ευρέως, έχουν βελτιωθεί σημαντικά και έχουν εξελιχθεί όσον αφορά τις μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται ευρέως όχι μόνο στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία, αλλά και σε αντικείμενα καθημερινής χρήσης. Ενώ τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες και τα πολύστρωτα είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα σύνθετα υλικά, τα τελευταία χρόνια, τα σωματίδια ενίσχυσης σε κλίμακα νάνο θεωρούνται ως μια εξαιρετική εναλλακτική λύση έναντι των τυπικών σωματιδίων, καθώς συνδυάζουν εξαιρετικές εγγενείς θερμικές ιδιότητες με αξιοπρεπέστατες μηχανικές ιδιότητες. Η θερμική αγωγιμότητα έχει γίνει πρόσφατα ένα από τα πιο σημαντικά ερευνητικά πεδία για το σχεδιασμό πολυμερών σύνθετων υλικών, δεδομένου ότι τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα γίνονται συνεχώς ταχύτερα, ελαφρύτερα και πιο πυκνά σε ισχύ, στριμώχνοντας μεγάλη υπολογιστική ισχύ σε όσο το δυνατόν μικρότερο όγκο. Αυτό δημιουργεί την ανάγκη για ανώτερα υλικά που καταφέρνουν να διαχέουν μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας ανά όγκο. Τα πολυμερή νανοσύνθετα λοιπόν, προσφέρουν μια σημαντική ευκαιρία για τον σχεδιασμό του κατάλληλου υλικού για κάθε χρήση, καθώς υπάρχει μεγάλος αριθμός μεταβλητών που συμβάλλουν στις τελικές του ιδιότητες, όπως: ο τύπος των σωματιδίων ενίσχυσης, οι φυσικές τους ιδιότητες, η περιεκτικότητά τους στο σύνθετο υλικό, η επεξεργασία και η μέθοδος κατασκευής του. Ωστόσο, η ανάπτυξη τέτοιων υλικών παρουσιάζει μεγάλο κόστος, τόσο χρόνου όσο και χρήματος καθώς δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε εκ των προτέρων την θερμική τους αγωγιμότητα. Αυτό δημιουργεί την ανάγκη κατασκευής και μέτρησης ενός μεγάλου αριθμού υλικών μέχρι να επιτευχθούν οι απαιτούμενες ιδιότητες. Αυτό ακριβώς, είναι το πρόβλημα που αντιμετωπίζει η παρούσα εργασία. Πιο συγκεκριμένα, ο στόχος αυτής της εργασίας, είναι η πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας νάνο-ενισχυμένων πολυμερών. Η αρχική ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθεί ένα αναλυτικό μικρομηχανικό μοντέλο. Μετά από εξέταση των προηγούμενων ερευνητικών εργασιών, επιλέχθηκε το μοντέλο του Nan [1], καθώς είναι αρκετά πολύπλοκο και λαμβάνει υπόψη πολλές από τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού. Δεδομένου ότι δεν βρέθηκαν άλλα υποσχόμενα αναλυτικά μοντέλα, η κατασκευή ενός αριθμητικού μοντέλου με ένα Αντιπροσωπευτικό Στοιχείο Όγκου (ΑΣΟ) του σύνθετου υλικού, ήταν η επόμενη λογική επιλογή. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό DIGIMAT FE, αλλά λόγω των περιορισμών του όσον αφορά τη διακριτοποίηση του ΑΣΟ και επίσης λόγω της αδυναμίας του να εκτελείται παραμετρικά, αποφασίστηκε να κατασκευαστεί ένα αριθμητικό μοντέλο μέσω ρουτίνας σε Python με χρήση του ABAQUS και η προσομοίωση νανοσωλήνων άνθρακα (ΝΣΑ) αντί για Πολυστρωματικά Γραφένια (ΠΓΣ). Η επιλογή των ΝΣΑ έναντι των ΝΠΓ έγινε λόγω της απλούστερης γεωμετρίας τους. Για να ξεπεραστούν διάφορες προκλήσεις σχετικά με την απαιτούμενη περιοδική γεωμετρία του ΑΣΟ και την διακριτοποίηση του, αναπτύχθηκε μια σειρά ισχυρών εργαλείων που ενισχύουν τις υπάρχουσες λειτουργείες του ABAQUS με τρόπο τέτοιο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ποικίλες εφαρμογές (όχι μόνο για ΑΣΟ και σύνθετα υλικά, αλλά και για την διακριτοποίηση οποιασδήποτε σύνθετης γεωμετρίας). Το μοντέλο παρουσίασε εξαιρετικά αποτελέσματα και συνέκλινε με τα πειραματικά δεδομένα. Μέσω αυτής της παρούσας διπλωματικής εργασίας, γίνεται μια πολύ ενδιαφέρουσα συζήτηση για το αν το όραμα ενός μοντέλου που μπορεί να προβλέψει τη θερμική αγωγιμότητα ενός νάνο-ενισχυμένου πολυμερούς είναι εφικτό. 2022-07-04T09:50:22Z 2022-07-04T09:50:22Z 2022-07-04 http://hdl.handle.net/10889/16371 en application/pdf