Measurement of the thermal conductivity of composite solid materials:
Creators: name: Αντωνιάδης, Κωνσταντίνος Δ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Μέτρηση θερμικής αγωγιμότητας με αβεβαιότητα 1%
Μέθοδος Θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση
Πρότυπα στερεά
Σύνθετα στερεά

description: Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η πραγματοποίηση μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας στερεών και σύνθετων υλικών, πολύ χαμηλής αβεβαιότητας, για χρήση σε αντίστοιχες συσχετίσεις αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας. Η μέθοδος που εφαρμόστηκε για τις μετρήσεις είναι η μέθοδος του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση, η οποία καθιερώνεται πλέον ως μια απόλυτη και ακριβής τεχνική για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας στερεών. Στο πλαίσιο της διατριβής, σχεδιάστηκε μία νέα πειραματική διάταξη και έγιναν αρκετές βελτιώσεις σε σχέση με την ήδη υπάρχουσα διάταξη. Πιο συγκεκριμένα, στον αισθητήρα χρησιμοποιήθηκε μια νέα σιλικόνη υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας, καθώς και δύο μεταλλικά στηρίγματα από ανοξείδωτο χάλυβα για τον πλήρη καθορισμό του πάχους της. Ακόμη, το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Comsol Multiphysics χρησιμοποιήθηκε για την ακριβή μοντελοποίηση της γεωμετρίας του αισθητήρα και την πλήρη αναπαραγωγή της θερμοκρασιακής αύξησης του θερμαινόμενου σύρματος από πραγματικό χρόνο μηδέν. Οι βελτιώσεις που έγιναν στη διάταξη του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση επιτρέπουν τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας στερεών με αβεβαιότητα καλύτερη του 1%. Ο νέος αισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας των πιστοποιημένων πρότυπων υλικών αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας Pyroceram 9606 και του Pyrex 7740 στη θερμοκρασιακή περιοχή από 315 Κ έως 440 Κ. Ακόμη, μετρήθηκε η θερμική αγωγιμότητα των υποψήφιων υλικών αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας Polymethyl Methacrylate (PMMA) και Borosilicate Crown Glass (BK7). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας συγκρίθηκαν με δεδομένα άλλων ερευνητών και σε όλες τις περιπτώσεις οι αποκλίσεις ήταν μέσα στα αμοιβαία όρια αβεβαιότητας των χρησιμοποιούμενων μεθόδων. Τέλος, η νέα διάταξη χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της αύξησης της θερμικής αγωγιμότητας μίας εποξικής ρητίνης ενισχυμένη αρχικά με ύφασμα από ίνες γυαλιού, έπειτα με πολυστρωματικούς νανοσωλήνες άνθρακα (C–MWNTs), και τέλος και με τις δύο αυτές ενισχύσεις μαζί. Η αβεβαιότητα των μετρήσεων αυξάνεται στο 2% λόγω ανομοιογενειών που υπάρχουν στα δείγματα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εποξική ρητίνη ενισχυμένη με ίνες γυαλιού σε ποσοστό 28% κατ’ όγκο έχει θερμική αγωγιμότητα 27% μεγαλύτερη από αυτή της ρητίνης. Ακόμη, όταν η ρητίνη ενισχύεται με C–MWNTs η παρατηρούμενη αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας είναι 20% για συγκέντρωση C–MWNTs 1.2% κατά βάρος. Ομοίως, όταν η ρητίνη ενισχύεται και με τα δύο, ίνες γυαλιού και C–MWNTs, η αύξηση στη θερμική αγωγιμότητα είναι περίπου 60 % για συγκέντρωση C–MWNTs 1.2% κατά βάρος.
description: The scope of the present work was the performance of very low uncertainty measurements of the thermal conductivity of solid and composite materials to be employed in thermal conductivity reference correlations. The technique employed for the measurements is the transient hot–wire method, which is established as an accurate absolute technique for thermal conductivity measurements of solids. A new experimental device was designed and several refinements were made in relation to the already existing one. More specifically, a new silicone paste, of higher thermal conductivity was used in the sensor and two stainless steel–spacers were employed to define exactly the distance between the solid specimens that were being measured. Moreover, Comsol Multiphysics finite element software was employed to accurately describe the geometry of the sensor and reproduce the temporal temperature rise of the hot wire from the beginning of the time scale. The refinements applied to the hot–wire instrument allowed the thermal conductivity measurement of solids with an uncertainty better than 1%. Τhe developed transient hot wire sensor was employed for the measurement of the thermal conductivity of the reference materials Pyroceram 9606 and Pyrex 7740 over a temperature range from 315 K to 440 K. The sensor was also used for studying candidate reference materials for thermal conductivity, Polymethyl Methacrylate (PMMA) and Borosilicate Crown Glass (BK7). The acquired thermal conductivity values were compared with the data of other investigators and in all cases the deviations were within mutual uncertainty of the measurements. Subsequently, the hot wire sensor was used for measuring the enhancement of the thermal conductivity of an epoxy–resin reinforced initially with plies of plain weave glass fabric, then by carbon multi–walled nanotubes (C–MWNT), and finally with both these two reinforcements at hand. The uncertainty of the measurement increases to 2% due to inhomogeneities in the samples preparation. Results reveal that for the epoxy reinforced with glass fibres, with volume fraction of 28%, the thermal conductivity increase was 27% compared to plain epoxy resin. When reinforced with C–MWNTs the maximum enhancement observed was about 20% at a concentration of 1.2% by weight of C–MWNT. Similarly, when reinforced with both the C–MWNTs and glass fibres the maximum thermal conductivity enhancement observed was about 60% at a concentration of 1.2% by weight of C–MWNTs.