Abstract
The favorable conductive properties of carbon nanotubes (CNTs) offer opportunities for constructing CNT-based nanocomposites with improved thermal conduction for a range of potential applications. Such lightweight composite materials are expected to have thermal properties that depend on their CNT volume fraction and operating temperature. The lack of available CNT processing methods that are compatible with multi-laminated composite structures is one of the largest challenges facing the construction of CNT-based nanocomposites.The aim of the work is to develop enhanced thermal properties in carbon nanotube-polymer composites that can replace traditional aerospace metallic materials to reduce the weight in space structures. Dispersing the carbon nanotube onto prepreg composite structure, increases the thermal storage, increases the thermal transport and supports scientific instrumentation. The investigated composites were processed and characterized using Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis, thermal diffusivity and differential scanning calorimetry.Through varying the concentration of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) up to 30 wt% to the IM7 prepreg composite, its heat capacity increased as much as 30% greater than the tested temperature range and its through-thickness thermal diffusivity increased by 30% compared to the virgin composite material. The addition of randomly oriented SWCNTs yielded an increase in the in-plane thermal conductivity ranging from 120 to 150 percent greater than the temperature range of 120–470 K and 30% in the through thickness. This may be due to interfacial resistance between the SWCNTs, the 8552 epoxy and the IM7 composite. The developed methods provide the opportunity for enhancing the thermal properties of a composite through the use of CNTs as additives. These improvements would be particularly beneficial applications such as solar arrays, fairings and thermal radiators
چکیده
رسانایی مطلوب نانو لولههای کربنی (CNTs) امکان تولید نانوکامپوزیتهای مبتنی بر CNT با رسانایی حرارتی بهبود یافته برای کاربردهای مختلف را فراهم می کند. انتظار می رود که خواص حرارتی این مواد کامپوزیتی سبک وزن به کسر حجمی CNT و دمای کاربرد بستگی داشته باشد. عدم وجود روشهای فراوری CNT که با ساختارهای کامپوزیتی چندلایه سازگار باشد یکی از بزرگترین چالشهای موجود در زمینة تولید نانوکامپوزیت های مبتنی بر CNT است.هدف این کار تحقیقاتی تولید کامپوزیت های نانو لولة کربنی - پلیمر با خواص حرارتی بهبود یافته برای جایگزینی مواد فلزی متداول مورد استفاده در کاربردهای هوافضا است تا بتوان وزن سازه های فضایی را کاهش داد. دیسپرس کردن نانو لولة کربنی در ساختار کامپوزیت پیش آغشته باعث افزایش ذخیرهسازی حرارت و افزایش انتقال حرارت می شود. تعیین خصوصیات کامپوزیت های تولید شده با استفاده از طیفسنجی رامان، آنالیز توزین حرارتی، نفوذپذیری حرارتی و گرماسنجی روبشی تفاضلی انجام شد.با تغییر غلظت نانو لولههای کربنی تک دیواره (SWCNTs) در کامپوزیت پیش آغشتة IM7 تا %30 وزنی، ظرفیت حرارتی و نفوذپذیری حرارتی در امتداد ضخامت در محدودة دمایی بررسی شده تا %30 نسبت به مادة کامپوزیتی ساده افزایش یافت. افزودن SWCNTs با آرایش تصادفی باعث افزایش %150-120 در رسانایی حرارتی در امتداد صفحه و افزایش %30 در رسانایی حرارتی در امتداد ضخامت در محدودة دمایی K 470-120 شد. این امر ممکن است ناشی از مقاومت بین سطحی بین SWCNTs، اپوکسی 8552 و کامپوزیت IM7 باشد. روشهای توسعه یافته امکان بهبود خواص حرارتی کامپوزیت از طریق استفاده از CNTs به عنوان مادة افزودنی را فراهم میکند. این بهبودها بطور خاص در کاربردهایی مانند آرایههای خورشیدی، سازههای ثانویه و رادیاتورهای حرارتی مفید است.
1-مقدمه
استحکام مطلوب، سختی، رسانایی حرارتی و وزن پایین از جمله خواص ضروری مورد نیاز برای مواد مورد استفاده در سازهها و وسایل نقلیة هوافضایی است. در حال حاضر، در بسیاری از این سیستمها از آلیاژهای آلومینیوم سبک وزن مانند 2219، 2090، و 2195 استفاده میشود. این سه آلیاژ در برنامههای شاتل فضایی و فضاپیمای Ares 1-X استفاده شدهاند، اما کاربرد آنها در سیستمهای پرتاب فضایی ناسا محدود بوده است. برخی از مشکلات این آلیاژها (یا اغلب فلزها) کاهش رسانایی حرارتی در دماهای بالا و چگالی بالاتر نسبت به پلیمرهایی است که می توانند به عنوان جایگزین آنها استفاده شوند. مواد جایگزین با وزن کمتر که رسانایی حرارتی عالی داشته باشند در طراحی و تولید وسایل نقلیه در آینده مفید خواهند بود...