Measurement of the thermal conductivity of composite solid materials

Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η πραγματοποίηση μετρήσεων θερμικήςαγωγιμότητας στερεών και σύνθετων υλικών, πολύ χαμηλής αβεβαιότητας, γιαχρήση σε συσχετίσεις αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας. Η μέθοδος πουεφαρμόστηκε είναι η μέθοδος του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμηκατάσταση, η οποία καθιερώνεται πλέον ως μια απόλυτη και ακριβής τεχνική για τημέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας στερεών. Στο πλαίσιο της διατριβής,σχεδιάστηκε μία νέα πειραματική διάταξη και έγιναν αρκετές βελτιώσεις σε σχέση μετην ήδη υπάρχουσα διάταξη. Πιο συγκεκριμένα, στον αισθητήρα χρησιμοποιήθηκεμια νέα σιλικόνη υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας, καθώς και δύο μεταλλικάστηρίγματα από ανοξείδωτο χάλυβα για τον πλήρη καθορισμό του πάχους της.Ακόμη, το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Comsol Multiphysicsχρησιμοποιήθηκε για την ακριβή μοντελοποίηση της γεωμετρίας του αισθητήρα καιτην πλήρη αναπαραγωγή της θερμοκρασιακής αύξησης του θερμαινόμενουσύρματος από πραγματικό χρόνο μηδέν. Οι βελτιώσεις που έγιναν στη διάταξη τουθερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση επιτρέπουν τη μέτρηση τηςθερμικής αγωγιμότητας στερεών με αβεβαιότητα καλύτερη του 1%. Ο νέοςαισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας τωνπρότυπων υλικών αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας Pyroceram 9606 και του Pyrex7740 στη θερμοκρασιακή περιοχή από 315 Κ έως 440 Κ. Ακόμη, μετρήθηκαν ταυποψήφια υλικά αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας Polymethyl Methacrylate(PMMA) και Borosilicate Crown Glass (BK7). Τα αποτελέσματα των μετρήσεωνθερμικής αγωγιμότητας συγκρίθηκαν με δεδομένα άλλων ερευνητών και οιαποκλίσεις ήταν μέσα στα αμοιβαία όρια αβεβαιότητας των χρησιμοποιούμενωνμεθόδων. Τέλος, η νέα διάταξη χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της αύξησης τηςθερμικής αγωγιμότητας μίας εποξικής ρητίνης ενισχυμένη αρχικά με ίνες γυαλιού,έπειτα με πολυστρωματικούς νανοσωλήνες άνθρακα (C–MWNTs), και τέλος και μετις δύο αυτές ενισχύσεις μαζί. Η αβεβαιότητα των μετρήσεων αυξάνεται στο 2%λόγω ανομοιογενειών που υπάρχουν στα δείγματα. Η ενίσχυση της ρητίνης με ίνεςγυαλιού σε ποσοστό 28% κατ΄όγκο, αυξάνουν τη θερμική αγωγιμότητα τουδείγματος κατά 27% σε σχέση με τη ρητίνη. Ακόμη, όταν η ρητίνη ενισχύεται με C–MWNTs η παρατηρούμενη αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας είναι 20% γιασυγκέντρωση C–MWNTs 1.2% κατά βάρος. Ομοίως, όταν η ρητίνη ενισχύεται και μετα δύο, ίνες γυαλιού και C–MWNTs, η αύξηση στη θερμική αγωγιμότητα είναιπερίπου 60% για συγκέντρωση C–MWNTs 1.2% κατά βάρος.

Ακριβής μέτρηση θερμικής αγωγιμότητας στερεών υλικών

Η διατριβή αναφέρεται στον ακριβή προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας επιλεγμένων στερεών υλικών, που αναφέρονται ως υλικά αναφοράς με την πειραματική μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε Μη-Μόνιμη κατάσταση και εντάσσεται στα πλαίσια της επιστήμης της Μετρολογίας, της επιστήμης της ακρίβειας των μετρήσεων. Παρουσιάζονται οι οργανισμοί που αναπτύσσουν διεθνή πρότυπα, οι μέθοδοι μέτρησης θερμικής αγωγιμότητας, η θεωρία της μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε, η νέα πειραματική διάταξη και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας των υλικών(Pyrex 7740, Pyroceram 9606, AISI 304L).