Developing 3D-printable high performance polymer composites for thermal management applications
3B-basılabılır yüksek performanslı polimer kompozitlerin termal yönetim sistemleri için geliştirilmesi
- Tez No: 639053
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Science and Technology, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Son yıllarda daha küçük hacimlerde daha fazla işlem yapmaya imkan sağlayan mikro çipler gibi cihazlar yer aldıkları uygulamaların etkili bir şekilde çalışmasını sağlamasının yanı sıra daha fazla enerji tüketmekte ve buna bağlı olarak cihazlardan yayılan ısıyı artırmaktadır. Özellikle havacılık, savunma, enerji ve otomotiv sanayinde tercih edilen bu cihazlar içinde bulundukları yapının etkili bir şekilde soğutulması ihtiyacını da beraberinde getirmektedir. Bu soğutma işlemleri, genellikle soğutucu ve ısı değiştirici olarak adlandırılan uygulamalar ile yapılmaktadır. Bu uygulamalar için genellikle yüksek ısı iletkenliklerine sahip olmaları sebebiyle bakır ve alüminyum gibi metal malzemeler kullanılmaktadır. Metal malzemeler, yüksek genleşme kat sayıları, yüksek yoğunlukları, düşük korozyon dirençleri, ve yüksek üretim maaliyetleri sebebi ile uygulamaları sırasında sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenlerle, termal yönetim uygulamalarında kullanılmak üzere polimer malzemelerin geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Eklemeli imalat olarak adlandırılan üretim yöntemlerinden birisi olan Eriyik Biriktirmeli Modelleme yöntemi termoplastik malzemelerin eritilerek üç boyutlu (3B) yazıcılar yardımıyla kat kat biriktirilmesi sureti ile hızlı ve kolay bir üretim imkanı sağlamaktadır. Bu üretim karmaşık şekilli nesnelerin üretimine imkan sağlamakta ve sonrasında malzemenin fazladan bir işleme gerek duymadan kullanıma hazır hale getirmektedir. Ayrıca geleneksel üretim yöntemleri ile kıyaslandığında üretim maliyetinin düşük olması en önemli yararlarından birisi olarak gösterilmektedir. 3B yazıcılarda kullanılacak polimerlerin kat kat biriktirmeye imkan sağlaması için belirli bir vizkozite değerine sahip olması gerekmektedir. Bu sebeple, düşük viskozitedeki polilaktik asit (PLA), akrilonitril bütadiyen stiren (ABS) gibi malzemeler kullanılmaktadır. Fakat, bu malzemelerin mekanik dayanımlarının yüksek olmaması kullanım alanlarını havacılık, savunma ve uzay gibi mekanik isterleri yüksek endüstrilerde kısıtlamaktadır. Bu endüstriler için ise yüksek performanslı polimerlerin (polieterimid (PEI) ve polieter eterketon (PEEK)) kullanımı ön plana çıkmaktadır. Bu malzemeler, beklenen mekanik isterleri karşılarken yüksek operasyon sıcaklıklarında kullanılabilirliğe sahip oldukları için avantajlıdırlar. Polimer malzemeler düşük yoğunlukları, yüksek korozyon dirençleri, düşük üretim maliyetleri gibi özellikleri sebebiyle termal yönetim uygulamaları için güçlü bir alternatif olarak görülmektedir. Fakat polimer malzemelerin düşük termal iletkenlikleri bu alanda kullanımlarını kısıtlamaktadır. Bu engel polimer malzemelere çeşitli katkılar yaparak polimer matrisli kompozit üretimi ile aşılmaya çalışılmaktadır. Bu katkı malzemeleri temel olarak üç farklı türde bulunmaktadır, bunlar: (i) Seramik-bazlı katkılar, (ii) Metal-bazlı katkılar, ve (iii) Karbon-bazlı katkılardır. Polimer matrisli kompozit üretimi sırasında etkili bir termal iletkenlik değerine ulaşılabilmesi için, katkı malzemesinin uygun boyutlarda seçilmesi ve bu malzemelerin matris içerisinde etkili bir şekilde dağıtılması gereklidir. Bu tez, havacılık, uzay ve savunma alanlarında kullanılmak üzere termal yönetim uygulamaları için, 3B yazıcı yöntemi ile üretimi gerçekleştirilecek filaman geliştirilmesini hedeflemektedir. Bu kapsamda, PEI 3B yazıcılarda üretime uygun olması, yüksek mekanik özellikleri ve yüksek operasyon sıcaklığı dolayısı ile polimer matris olarak seçilmiştir. Bu polimer malzeme, seramik-bazlı bir katkı olan hegzagonal bor nitrür (h-BN) ve karbon-bazlı bir katkı olan karbon nanotüp (CNT) malzemeleri ile güçlendirilmiş ve termal iletkenlik değerlerinin yükseltilmesi hedeflenmiştir. Üretimler sırasında ilk olarak ekstrüder üretimi için bir optimizasyon çalışması yürütülmüş ve katkı malzemelerinin polimer matris içerisinde etkili bir şekilde dağıtılmasına çalışılmıştır. Optimizasyon çalışmaları sırasında ekstrüder vidasının dönme hızı, ekstrüder çalışma sıcaklığı ve malzemelerin besleme oranını belirlemek amacıyla, kütlece %20 BN katkılı PEI kompozitler farklı çark hızlarında (50-310 rpm), belirlenen sıcaklıklarda (350-380 ℃) ve seçilmiş olan besleme oranlarında (0,5-1,5 kg/s) üretilmiştir. Katkı malzemelerinin polimer içerisindeki etkin dağılımını tespit etmek amacı ile reoloji analizleri yapılmıştır. Reoloji ölçümleri sırasında frekans tarama testleri uygulanmış ve düşük frekans oranlarında malzemenin davranışı incelenmiştir. Reoloji ölçümleri neticesinde en iyi dağılımlara 250 rpm çark hızı, 360 ℃ çıkış sıcaklığı ve 1 kg/s besleme oranında ulaşıldığı görülmüştür. Kompozit malzeme üretimleri bu şartlara göre gerçekleştirilerek çift vidalı ekstrüder yardımı ile PEI sırası ile kütlece % 5, 10, 15, 20, 25 ve 30 BN ile katkılandırılarak BN/PEI kompozit filamanları ve granülleri üretilmiştir. İkinci bir aşama olarak ise kütlece % 1, 2, 3 ve 5 CNT yardımı ile hibrit kompozit filamanları ve granülleri BN ve CNT arasındaki sinerjik etkileşiminden faydalanmak amacı ile kullanılmıştır. Sonrasında, filamanlar 3B yazıcı kullanılarak, granüller ise sıcak-basınç tekniği ile şekilllendirilerek termal iletkenlik ölçümlerine uygun numuneler üretilmiştir. Kompozit malzeme üretimi sonrasında termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) testleri uygulanarak katkı malzemelerinin, oranlarının bozunma sıcaklığı ve camsı geçiş sıcaklıkları üzerine etkisi incelenmiştir. TGA ve DSC ölçümleri sonucunda BN katkısının malzemenin bozunma ve camsı geçiş sıcaklıklarını değiştirmediği, CNT katkısının ise malzemenin bozunma sıcaklığını yaklaşık 20 ℃ yükselttiği, camsı geçiş sıcaklığını ise değiştirmediği görülmüştür. Ardından yapılan reoloji testleri neticesinde katkı malzemelerinin viskozite üzerine etkileri incelenmiştir. BN/PEI kompozitleri için reolojik sızıntı eşiğinin kütlece %15 BN, KNT/BN/PEI kompozitleri için ise sızıntı eşiğinin kütlece %1 CNT olduğu görülmüştür. Son olarak kompozit malzemelerinin termal iletkenlik ölçümleri gerçekleştirilmiş ve kütlece %20 BN katkısı ile katkısız PEI malzemesinin termal iletkenlik değerinin 0.21 W/m K'den %229 artış ile 0.68 W/m K değerine yükselmiştir. Kütlece %20 BN barındıran CNT/BN/PEI kompozitlerinin termal iletkenliği ise kütlece %5 CNT katkısı ile katkısız PEI ile kıyaslandığında %329 artarak, 1,02 W/m K değerine ulaşmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında PEI malzemesinin termal iletkenlik ve akış özelliklerine BN ve CNT etkisi incelenerek 3B basılabilir, termal iletken polimer kompozit filamanların üretimi gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Energy created by electronic devices has caused many problems such as thermal stress and exceeding operating temperature in electronic applications. Thermal dissipation of created heat energy has become a critical problem in recent years due to the appearance of new devices and the functionalization of electronics. To meet the demand for high heat capacity materials in the new emerging technologies and overcome the issues of conventional materials, such as high thermal expansion coefficients, low corrosion resistance, and high production cost, development of novel polymer composite materials with enhanced thermal conductivities is needed. Rather than conventional metals, polymers with their lightweight and corrosion resistance properties can be an alternative for next-generation heat exchangers. However, fundamental challenges may arise for polymers, for example, several thermoplastics suffer from low mechanical strength, physical aging, low service temperature, and difficult processability. Hence, novel polymer composites reinforced with fillers that exhibit high thermal conductivity and mechanical strength may be an alternative solution for next-generation heat exchangers and thermal interface materials utilizing a careful approach in design and manufacturing. However, compared to metals, commodity polymers exhibit substantially lower thermal conductivities. Because of that, to evaluate the potential of thermoplastics as a lightweight alternative, the detailed examination should be performed to establish the effective phonon transport mechanisms. Therefore, incorporating nano or micro-fillers to high-performance polymers can help overcome challenges arisen from low thermal conductivity of thermoplastics with a minimal weight penalty. Additive Manufacturing which is also known as three-dimensional (3D) printing or rapid prototyping (RP), is a novel technology for fabrication of the objects that may come in complex shapes. Fused filament fabrication (FFF) technique is one of the most widely used techniques to fabricate polymer composites thanks to its advantages such as cost efficiency, high production speed, and simplicity. Thermoplastic polymers such as polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polycarbonate (PC), polyetherimide (PEI), polyetherether ketone (PEEK), and polyphenylene sulfide (PPS) are commonly used as feedstock materials in the FFF technique. FFF technique suffers from mainly two difficulties which are limited feedstock materials requiring suitable viscosity and the need to have the feedstock in filament form. Therefore, suitable polymers should be fabricated for their use in the FFF. This thesis is based on developing a high performance polymer composite filament for 3D printing with a high thermal conductivity for advanced in aerospace and defence fields. In this context, PEI was chosen as polymer material with its high mechanical properties, and operating temperature. PEI is reinforced by hexagonal boron nitride (h-BN) as a ceramic-based additive and carbon nanotubes (CNTs) as a carbon-based xxi additive to increase thermal conductivity of base polymer matrix for the targeted applications such as heat exchangers and/or thermal interface materials. First, a parametric study to optimize the rotor speed, temperature and feeding rate conditions for achieving a proper dispersion state of BN as a filler in an amorphous high-performance polymer, PEI was performed. To minimize the interfacial phonon scattering mechanism, and tune the processing-dispersion and dispersion-thermal conductivity relation, BN/PEI polymer composites were fabricated with different rotor speeds (from 50 rpm to 330), at various feeding rates (from 0.5 kg/h to 1.5 kg/h) and temperatures between 350 ◦C to 380 ◦C. Then, fabricated polymer composites were investigated by rheological analysis to determine proper working conditions. As a result of these measurements, the optimum process conditions for BN/PEI polymer composites fabrication were determined as 250 rpm rotor speed, 1 kg/h feeding rate, and 360 ◦C die temperature. Fabrication of BN/PEI composites were carried out based on optimum processing conditions and 5, 10, 15, 20, 25, and 30 weight (wt.) %BN was added into PEI matrix. Then, 1, 2, and 5 wt.% CNTs were added into BN/PEI to form the hybrid polymer composites as filament. BN/PEI and CNTs/BN/PEI composites were characterized by thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), rheometry, and thermal conductivity measurements. TGA results demonstrated that BN and CNTs addition led to an increase in starting temperatures of thermal decomposition of PEI. DSC analysis showed that BN, CNTs addition did not lead to change in glass transition temperatures of PEI. Rheological measurements revealed that flow behaviour of PEI was changed remarkably with 15 wt. %BN and 1 wt. %CNTs additions and these amounts were determined as percolation thresholds. To measure the thermal conductivity of BN/PEI and CNTs/BN/PEI composites, cylindrical discs were fabricated by two methods as: (i) 3D printer process, and (ii) hot-press process to make suitable for thermal conductivity measurements. Thermal conductivity results showed that compared to neat PEI 30 wt. %BN addition into PEI matrix led to a 289% increase in thermal conductivity by reaching 0.82 W/m K. Besides, compared to neat PEI 5 wt. %CNTs addition into 20 wt. %BN/PEI composites led to a 389% increase in thermal conductivity by reaching 1.03 W/m K. In conclusion, within the scope of this thesis the effects of BN and CNTs on the thermal conductivity and flow properties of PEI were investigated and 3D printed thermal conductive polymer composites were fabricated successfully.
Benzer Tezler
- Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production
3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı
EVREN DEMİRCAN
Doktora
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
- Üç boyutlu baskısı yapılabilir lor bazlı zenginleştirilmiş fonksiyonel ürün üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of 3d printable lor (Turkish whey cheese) based enriched functional product
SERDAR KILIÇ
Doktora
Türkçe
2023
Gıda MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN TEMİZ
- Development and characterization of novel bioink by using decellularized extracellular matrix for bone tissue engineering applications
Kemik doku mühendisliği uygulamaları için hücresizleştirilmiş hücre dışı matris kullanılarak yeni biyomürekkep geliştirilmesi ve karakterizasyonu
AYLİN KARA ÖZENLER
Doktora
İngilizce
2023
Biyomühendislikİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA TIHMINLIOĞLU
PROF. DR. HASAN HAVITÇIOĞLU
- Determination of mechanical properties of geopolymer based composites suitable for 3D additive manufacturing
3D baskı alınabilir jeopolimer bağlayıcılı kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi
NAZIM ÇAĞATAY DEMİRAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
- Lif cinsleri ve kullanım oranlarının 3 boyutlu baskı betonunun ekstrüde edilebilirlik ve kullanılabilirlik özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of fiber types and utilization rates on the extrudability and usability of 3D printable concrete
FATİH BÜLBÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDUSSAMET ARSLAN