Effect of particle shape and imperfect filler-matrix interface on effective thermal conductivity of epoxy-aluminum composite

• Autorzy: Pietrak K. , Kubiś M. , Langowski M. , Kropielnicki M. , Wultański P.

Warianty tytułu

PL

Efekt kształtu cząstek i niedoskonałości granicy zbrojenie-osnowa na efektywną przewodność cieplną kompozytu ekoksyd-aluminium

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The predictions of major effective medium models and 2-dimensional numerical models implemented in Ansys Fluent were tested against the results of experimental measurements of macroscopic thermal conductivity for a polymer filled with aluminum powder. The examined composite may be regarded as a representative of materials used for heat management purposes, for example for the manufacture of electronic device housings. The study demonstrates the effect of particle shape and imperfect filler-matrix interface on the theoretical value of thermal conductivity of the considered material. It also creates the opportunity to discuss the versatility and accuracy of various methods devised to predict the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. It was found that the effective medium approximation proposed by Duan et al., which considers the effect of the particle aspect ratio, outrivaled other predictive schemes in accuracy and cost-effectiveness. Effective medium approximations that assume spherically-shaped reinforcement as well as finite volume models implemented in Ansys Fluent, greatly underestimated the parameter in question.

PL

Przewidywania popularnych, analitycznych modeli predykcyjnych efektywnej przewodności cieplnej kompozytów cząsteczkowych zostały porównane z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi dla kompozytów polimerowych napełnionych proszkiem aluminiowym oraz z wynikami obliczeń numerycznych wykonanych metodą objętości skończonych w programie Ansys Fluent. Testowany materiał reprezentuje grupę materiałów stosowanych w technice cieplnej, np. do wytwarzania obudów urządzeń elektronicznych. Wyniki badania pokazują efekt kształtu wtrąceń oraz niedoskonałego kontaktu termicznego na granicy zbrojenie-osnowa na teoretyczną wartość efektywnej przewodności cieplnej rozważanego materiału. Są też podstawą do dyskusji na temat wad i zalet stosowania analitycznych metod przewidywania przewodności cieplnej materiałów kompozytowych (tzw. effective medium models). Najlepszą zgodność z eksperymentem otrzymano za pomocą jednego z modeli analitycznych (Duan i in.), który uwzględnia wydłużony kształt cząsteczek napełniacza. Przewidywania modeli analitycznych zakładających sferyczny kształt cząsteczek okazały się silnie zaniżone, podobnie jak przewidywania dwuwymiarowych modeli numerycznych zaimplementowanych w środowisku Ansys Fluent.

Słowa kluczowe

EN

functional materials; heat transfer; interfacial thermal resistance; predictive schemes

PL

materiały funkcjonalne; wymiana ciepła; termiczny opór międzyfazowy; modele predykcyjne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 4
• Strony: 183--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pietrak K.

• Warsaw University of Technology, Institute of Heat Engineering, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warsaw, Poland

autor

Kubiś M.

• Warsaw University of Technology, Institute of Heat Engineering, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warsaw, Poland

autor

Langowski M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, ul. Nowowiejska 24, 00-001 Warsaw, Poland

autor

Kropielnicki M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, ul. Nowowiejska 24, 00-001 Warsaw, Poland

autor

Wultański P.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, ul. Nowowiejska 24, 00-001 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Tong X.C., Advanced Materials for Thermal Management of Electronic Packaging, Springer Series in Advanced Microelectronics 2010, 30, 201.
• [2] Chung D.D.L., Functional Materials for Modern Technologies, Springer, New York 2003.
• [3] Pietrak K., Wiśniewski T.S., A review of models for effective thermal conductivity of composite materials, Journal of Power Technologies 2015, 95(1), 270.
• [4] Furmański P., Heat conduction in composites: Homogenization and macroscopic behavior, Appl. Mech. Rev. 1997, 50(6), 327.
• [5] Every A.G., Tzou Y., Hasselman D.P.H., Raj R., The effect of particle size on the thermal conductivity of ZnS/diamond composites, Acta Metall. Mater. 1992, 40(1), 123.
• [6] Powell (Jr) B.R., Youngblood G.E., Hasselman D.P.H., Bentsen L. D., Effect of thermal expansion mismatch on the thermal diffusivity of glass-Ni composites, J. Am. Ceram. Soc. 1980, 63, 581.
• [7] Hasselman D.P.H., Johnson L.F., Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance, J. Compos. Mater. 1987, 21(6), 508.
• [8] Bhatt H., Donaldson K.Y., Hasselman D.P.H., Bhatt R.T., Role of thermal barrier resistance in the effective thermal diffusivity/conductivity of SiC fiber-reinforced reactionbonded silicon nitride, J. Am. Ceram. Soc. 1990, 73(2), 312.
• [9] Donaldson K.Y., Bhatt H.D., Hasselman D.P.H., Chyung K., Taylor M.P., Role of interfacial gaseous heat transfer in the transverse thermal conductivity of a uniaxial carbon fiber-reinforced aluminoborosilicate glass matrix composite, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76(7), 1888.
• [10] Benveniste Y., Miloh T., The effective conductivity of composites with imperfect thermal contact at constituent interfaces, Int. J. Eng. Sci. 1986, 24(9), 1537.
• [11] Nan C.-W., Birringer R., Clarke D.R., Gleiter H., Effective thermal conductivity of particulate composites with interfacial thermal resistance, J. Appl. Phys. 1997, 81, 6692.
• [12] Duan H.L., Karihaloo B.L., Wang J., Yi X., Effective conductivities of heterogeneous media containing multiple inclusions with various spatial distributions, Phys. Rev. B 2006, 73, 174203.
• [13] Duan H.L., Karihaloo B.L., Effective thermal conductivities of heterogeneous media containing multiple imperfectly bonded inclusions, Phys. Rev. 2007, B 75, 064206.
• [14] Bednarcyk B.A., Aboudi J., Arnold S.M., Micromechanics of composite materials governed by vector constitutive laws, International Journal of Solids and Structures 2017, 110/111, 137.
• [15] Devpura A., Phelan P.E., Prasher R.S., Percolation theory applied to the analysis of thermal interface materials in flipchip technology, Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems - Proc. of the Intersociety Conference, vol. 1, Las Vegas 2000, 21.
• [16] Devpura A., Phelan P.E., Prasher R.S., Size effects on the thermal conductivity of polymers laden with highly conductive filler particles, Microscale Thermophysical Engineering 2001, 5(3), 177.
• [17] Yuan C., Luo X., A unit cell approach to compute thermal conductivity of uncured silicone/phosphor composites, Int. J. Heat and Mass Transfer 2013, 56, 206.
• [18] Lin F., Bhatia G.S., Ford J.D., Thermal conductivities of powder-filled epoxy resins, Journal of Applied Polymer Science 1993, 49, 1901.
• [19] Nan C.-W., Li X.-P., Birringer R., Inverse problem for composites with imperfect interface: determination of interfacial thermal resistance, thermal conductivity of constitu ents, and microstructural parameters, J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83(4), 848.
• [20] Hamilton R.L., Crosser O.K., Thermal conductivity of heterogeneous two component systems, Industrials and Engineering Chemistry Fundamentals 1962, 1(3), 187.
• [21] ANSYS® Fluent 17.2 help system, Theory Guide ch 5 - Heat Transfer, ANSYS Inc.
• [22] Vozar L., Hohenauer W., Flash method of measuring the thermal diffusivity. A review, High Temperatures - High Pressures 2003/2004, 35/36, 253.
• [23] Cowan R. D., Pulse method of measuring thermal diffusivity at high temperatures, J. Appl. Phys. 1963, 34(4), 926.
• [24] Haines P.J., Reading M., Wilburn F.W., Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 1, Ed. M.E. Brown, Elsevier, Amsterdam 1998.
• [25] Garnier B., Dupuis T., Gilles J., Bardon J.P., Danes F., Thermal contact resistance between matrix and particle in composite materials measured by a thermal microscopic method using semi-intrinsic thermocouple, Proc. of the 12th International Heat Transfer Conference, Grenoble 2002, 9.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).