Development of hexagonal boron nitride reinforced thermoplastic composites for advanced thermal management with multi-processing techniques
Çoklu işleme teknikleri ile ileri ısıl yönetim için hekzagonal bor nitrür takviyeli termoplastik kompozitlerin geliştirilmesi
- Tez No: 855645
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Polimer bazlı malzemelerin artan kullanımı, modern hava aracı yapılarının termal yönetim yeteneklerini önemli ölçüde etkilemiştir. Polietereterketon (PEEK), umut vadeden bir havacılık sınıfı termoplastiktir ve metal karşıtlarına göre çok daha düşük termal iletkenliğe (Tİ) sahiptir, bu da ısı yönetimi uygulamaları için kullanımını sınırlar. Bu zorluğu aşmak için, bu tez çalışması, çoklu işlemler için uygun fiziksel, termal ve mekanik özelliklere sahip çeşitli PEEK matris kompozitlerinin akılcıl tasarımına odaklanmaktadır. Filler en-boy oranları, filler boyutları ve morfolojisi, filler-matris arayüz etkileşimlerinin kalitesi ve matris reolojisinin sistematik kontrolünü kullanarak, 'termal iletim ağları' seramik esaslı doldurucular aracılığıyla başarıyla PEEK matris içinde oluşturuldu. Bunlar arasında hekzagonal bor nitrür (hBN), titanyum dioksit (TiO2) ve alüminosilikat (AlS) gibi seramik temelli bir dizi doldurucu bulunmaktadır. Burada, filler entegrasyonu sırasında, PEEK polimeri ile ilişkilendirilen işleme zorluklarını aşmak ve hem düzlem içinde hem de düzlem boyunca termal iletkenlikte eşzamanlı bir iyileşmeyi hedeflemek için optimize edilmiş bir eriyik-kompozisyon yaklaşımı geliştirildi. Sonuçlar, hBN ilavesinin PEEK'in termal iletkenliğini önemli ölçüde artırdığını, sırasıyla 12,45 W/(m.K) ve 2,13 W/(m.K) düzlem içi ve düzlemler arası termal iletkenlikler sağladığını ve saf PEEK'e kıyasla %4821 ve %997'lik kayda değer iyileşmeleri temsil ettiğini göstermiştir. Daha sonra, kompozit yapılarda mekanik bütünlüğü korumak ve maliyet-performans oranlarını iyileştirmek için, hBN-TiO2 ve hBN-AlS bazlı bi-dolgu hibridize sistemler, dolgu yüklemelerinin göreceli kontrolü ile ko-ekstrüzyon sırasında oluşturulmuştur. hBN-TiO2 sisteminde, dolgu morfolojik farklılıklarından kaynaklanan 'boyut etkisi' 8,19 W/(m.K) düzlem içi Tİ ve 1,70 W/(m.K) düzlemler arası Tİ'ye yol açmıştır. Bu arada, hBN-AlS dolgu sistemi hBN-TiO2 ile karşılaştırılabilir bir ısı iletim davranışı sergilemiş, düzlem içi ve düzlemler arası Tİ sırasıyla 7,99 W/(m.K) ve 1,78 W/(m.K) değerlerine yaklaşmıştır. Ana hBN/PEEK sisteminin aksine, AlS ve ana matris arasındaki olumlu arayüzey etkileşimleri, elde edilen hBN/AlS/PEEK kompozitlerinin mekanik sağlamlığını önemli ölçüde artırmış ve çekme mukavemeti değerleri bozulmamış PEEK polimerininkine yaklaşmıştır. Endüstriyel ölçeklenebilirlik göz önünde bulundurularak, hBN/PEEK tabanlı yapılar katmanlı üretim, film ekstrüzyonu ve termoform yoluyla imal edilerek sistematik deneysel araştırmalar gerçekleştirilmiştir. İşleme rotasının dolgu hizalaması, ısı iletim ağının kalitesi, mekanik bütünlük ve termal stabilite üzerindeki etkisi her işlem için değerlendirilmiştir. Katmanlı üretim sırasında, PEEK matrisinde hBN'nin akış destekli hizalanması, saf PEEK'e kıyasla yalnızca boyutsal stabilite ve termal çarpılma kontrolünün artmasına yol açmakla kalmamış, aynı zamanda yığın termal iletkenliğini 2,52 W/(m.K) değerine yükseltmiştir. Daha sonra, hBN/PEEK kompoziti için film ekstrüzyonu işlenebilirliği değerlendirilmiştir. Kontrollü kristalliğe sahip yaklaşık 210 µm kalınlığında boyutsal olarak kararlı filmler sürekli ekstrüzyonla üretildi ve ardından sıcak pres şekillendirme ile ticari olarak temin edilebilen karbon fiberlere (KF) başarılı bir şekilde entegre edildi. Referans KF/PEEK kompozitleriyle karşılaştırıldığında, hBN/KF/PEEK çok ölçekli lamine numuneler, düzlemler arası termal iletkenlikte %369,13'lük etkileyici bir iyileşme göstererek kompozit mimarinin hBN ve KF'ler arasındaki ısı akışını düzenlemedeki önemli rolünü vurgulamıştır. Sonuç olarak, süreç-yapı-özellik ilişkisine vurgu yapan bu tez, ölçeklenebilir çoklu işleme teknikleri aracılığıyla kontrollü davranışlara sahip yüksek termal iletkenliğe sahip PEEK kompozitlerin tasarlanması için kapsamlı bir çerçeve oluşturmakta ve bunları havacılık ve uzay uygulamalarında etkili ısı yönetimi için uygun hale getirmektedir.
Özet (Çeviri)
Increased use of polymer-based materials has significantly affected the thermal management capabilities of modern aircraft structures. Polyetheretherketone (PEEK), a promising aerospace-grade thermoplastic, has much lower thermal conductivity (TC) than its metallic counterparts, limiting its utility for heat management applications. To address this challenge, this thesis work focuses on the rational design of various PEEK matrix composites with tailorable physical, thermal, and mechanical properties suitable for multi-processing techniques. By harnessing the systematic control of filler aspect ratios, filler dimensions and morphology, quality of filler-matrix interfacial interactions, and matrix rheology, 'thermally conductive networks' were successfully established within the PEEK matrix through a range of ceramic-based fillers such as hexagonal boron nitride (hBN), titanium dioxide (TiO2), and aluminosilicate (AlS). Herein, during filler incorporation, an optimized melt-compounding approach was developed to overcome the processing challenges associated with PEEK polymer and to target a simultaneous improvement in both in-plane and through-plane thermal conductivity. Results showed that the addition of hBN significantly enhanced the thermal conductivity of PEEK, yielding in-plane and through-plane thermal conductivities of 12.45 W/(m.K) and 2.13 W/(m.K), respectively, representing remarkable improvements of 4821% and 997% compared to neat PEEK. Later, to preserve mechanical integrity and improve cost-performance ratios in composite structures, bi-filler hybridized systems based on hBN-TiO2 and hBN-AlS were established during co-extrusion by relative control of filler loadings. In the hBN-TiO2 system, the 'dimension effect' resulting from the filler morphological differences led to an in-plane TC of 8.19 W/(m.K) and a through-plane TC of 1.70 W/(m.K). Meanwhile, the hBN-AlS filler system exhibited a heat conduction behavior comparable to hBN-TiO2, with an in-plane and through-plane TC approaching 7.99 W/(m.K) and 1.78 W/(m.K), respectively. In contrast to the parent hBN/PEEK system, the favorable interfacial interactions between AlS and host matrix appreciably enhanced the mechanical robustness of the resulting hBN/AlS/PEEK composites, with tensile strength values approaching that of pristine PEEK polymer. With an eye to industrial scalability, systematic experimental investigations were performed by fabricating hBN/PEEK-based structures through additive manufacturing, film extrusion, and thermoforming. The effect of the processing route on filler alignment, quality of the heat conduction network, mechanical integrity, and thermal stability were assessed for each process. During additive manufacturing, the flow-assisted alignment of hBN in the PEEK matrix not only led to enhanced dimensional stability and thermal warpage control compared to pure PEEK but also increased the bulk thermal conductivity to 2.52 W/(m. K). Next, film extrusion processability was evaluated for the hBN/PEEK composite. Dimensionally stable films of ca. 210 µm thickness with controlled crystallinity were fabricated by continuous extrusion, followed by their successful integration in commercially available carbon fibers (CF) by hot press forming. In comparison to contemporary CF/PEEK composites, hBN/CF/PEEK multiscale laminated specimens demonstrated an impressive 369.13% improvement in through-plane thermal conductivity, highlighting the crucial role of the composite architecture in regulating heat flow between hBN and CFs. To conclude, with an emphasis on the process-structure-property relationship, this thesis establishes a comprehensive framework for designing highly thermally conductive PEEK composites with controlled behaviors via scalable multi-processing techniques, rendering them suitable for effective heat management in aerospace applications.
Benzer Tezler
- Developing 3D-printable high performance polymer composites for thermal management applications
3B-basılabılır yüksek performanslı polimer kompozitlerin termal yönetim sistemleri için geliştirilmesi
YUNUS EMRE BOZKURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Development of H-BN and CNT reinforced polymer composites for electronic warfare receivers and transmitters: Examination of thermal performance
Elektronik harp almaç ve göndermeç kasaları için H-BN ve CNT takviyeli polimer kompozit malzeme geliştirilmesi: Isıl performansın incelenmesi
GÜRCAN CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Hexagonal boron nitride reinforced thermal conductivity improved composite material design applications in electric vehicles
Hegzagonal bor nitrür takviyeli termal iletkenliği iyileştirilmiş kompozit malzeme tasarımı: Elektrikli araçlarda uygulamaları
EMRULLAH CEBE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Hava araçlarında kullanılmak üzere hibrit nanopartikül ve bazalt elyaf takviyeli poli (Fenilen sülfid) matrisli kompozit malzeme geliştirilmesi
Development of hybrid nanoparticle and basalt fiber reinforced poly (Phenylene sulfide) matrix composite materials for use in aircraft
ÇAĞRI ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİN GAMZE KARSLI YILMAZ
- Multi scalable design and performance characterization of glass fiber reinforced epoxy composites by incorporation of hexagonal boron nitride in resin and on interfaces
Cam elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin reçine ve arayüzeylere hegzagonal bor nitrür dahil edilmesi ile çok ölçeklenebilir tasarımı ve performans karakterizasyonu
SAMET ÖZYİĞİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN