Multiscale modeling of thermal conductivity of carbon nanotube epoxy nanocomposites

Document Type : Original Article

Author

بخش هوایی- مرکز تحقیقات وزارت راه و شهرسازی

Abstract

Epoxy is among the most important polymers, which is extensively employed in various technologies and applications. Nevertheless, epoxy polymers present low thermal conductivities and thus the enhancement of their thermal conductivity is an important research topic. Carbon nanotubes (CNTs) owing to their excellent thermal conductivities have been widely considered for the enhancement of the thermal conduction of epoxy polymers. In this work, we developed a combined molecular dynamics finite element multiscale modelling to investigate the heat transfer along CNT/epoxy nanocomposites. To this aim, the heat transfer between the CNT and epoxy atoms at the nanoscale was explored using the atomistic classical molecular dynamics simulations. In this case, we particularly evaluated the interfacial thermal conductance between the polymer and fillers. We finally constructed the continuum models of polymer nanocomposites representative volume elements using the finite element method in order to evaluate the effective thermal conductivity. The developed multiscale modelling enabled us to systematically analyze the effects of CNT fillers geometry (aspect ratio), diameter and volume fraction on the effective thermal conductivity of nanocomposites. Our results suggest that the interfacial thermal conductance between the CNT additives and epoxy polymer dominate the heat transfer mechanism at the nanoscale.
The obtained findings in this study provide good vision regarding the enhancement of thermal conductivity
of polymeric materials using highly conductive nanofillers.

Keywords

Main Subjects


Article Title [فارسی]

مدلسازی چند مقیاسی جهت تحلیل ضریب هدایت حرارتی نانوکامپوزیت اپوکسی - CNT

Author [فارسی]

  • علی واحدی
Abstract [فارسی]

در این مقاله با یک مدلسازی چند مقیاسی سلسله مراتبی به مطالعه دقیق‌تر ناحیه تماس بین جزء نانویی و محیط اطراف پرداخته شده است. با شروع از مدلسازی جزء نانو و ناحیه میانی با استفاده از دینامیک مولکولی، ابتدا خواص حرارتی مورد نظر در مقیاس نانو بدست آمده و سپس از نتایج بدست آمده در مقیاس طولی بالاتر در یک حل عددی به روش اجزاء محدود استفاده می‌شود. در نهایت با همگن سازی عددی خواص موثر حرارتی محاسبه می شود و نتایج بدست آمده با نتایج موجود تجربی مقایسه می‌گردد. همچنین تاثیر پارامترهای تاثیر گذار دیگری مانند نسبت حجمی، نسبت منظری (نسبت طول به قطر) و همراستائی ذرات بر روی ناحیه میانی و سپس خواص حرارتی موثر نانوکامپوزیت بررسی می‌شود. نمونه‌ نانوکامپوزیت سه بعدی اپوکسی- CNT مورد مطالعه در این تحقیق هستند. با حصول قابلیت هدایت حرارتی سطحی بین جزء نانو و محیط اطراف (رزین) و در ادامه با تغییر پارامترهای موثر به ارزیابی کلی هدایت حرارتی پرداخته شد. در این راستا رفتار و خواص حرارتی RVE مربوطه وتحلیل نتایج در تمامی مقیاس‌ها بررسی شده است. از جمله موارد مهم پخت و شبیه‌سازی پیوند اپوکسی و هاردنر مربوطه است که در مدلسازی دینامیک مولکولی نانوکامپوزیت مورد توجه بوده است.

Keywords [فارسی]

  • خواص حرارتی
  • نانوکامپوزیت
  • مدلسازی چند مقیاسی
  • دینامیک مولکولی
  • روش اجزاء محدود
  • نانولوله های کربنی
  • اپوکسی