Silindirik Elyaf Ve Tanecik Katkılı Karma Malzemelerin Efektif Isı İletim Katsayısı

Abstract

Bu çalışmada, diferansiyel elektrik benzeşimi yöntemi kullanılarak, sırası ile silindirik lif şeklindeki elyaf takviyeli ve küresel tanecik katkılı karma malzemelerde, matris-elyaf arayüzeyinde mükemmel temasın kabul edildiği ve arayüzey temassızlık direncinin göz önüne alındığı haller için efektif ısı iletim katsayısının hesaplandığı yeni bir matematik model geliştirilmektedir. Uygulamada karşılaşılan bütün karma malzemelerin bileşenleri arasındaki (matris-elyaf ve/veya matris-tanecik) arayüzeyde, mikroskobik düzensizlikler ve bunlara bağlı olarak sıcaklıkla değişen ilave ısıl dirençler mevcuttur. Bu çalışmada, ilk defa, arayüzey temassızlık direncinin sıcaklıkla değiştiği göz önüne alınmakta ve sıcaklığa bağlı iki farklı boyutsuz arayüzey temassızlık direnci, (ρa)den-yan ve (ρa)fluent tanımlanmaktadır. Bu modelin, uygulamada hangi tür silindirik elyaf takviyeli ve küresel tanecik katkılı karma malzemeler için, hangi koşullar altında ve hangi elyaf hacım oranı ve matris-elyaf ısı iletim katsayıları oranı aralıklarında geçerli olduğunun araştırılması, Fluent bilgisayar paket programı kullanılmak suretiyle yapılmaktadır. Modelin belirlenen çalışma aralığında, silindirik lif takviyeli karma malzemeler için Ti-6Al-4V/SiCmo, borosilikat cam/karbon elyaf, SiC/SiCelyaf ve RB SN/SiC karma malzemelerine ait deneysel veriler ve küresel tanecik katkılı karma malzemeler için ise Ti/SiCp ve Ti/TiB2 karma malzemelerine ait deneysel veriler baz alınarak, bu çalışmada geliştirilen modelden elde edilen efektif ısı iletim katsayıları, yine deneysel çalışmalara ait veriler ve Hasselman & Johnson modeli ile hesaplanan efektif ısı iletim katsayıları değerleri ile, hem arayüzeyde mükemmel temas hali hem de (ρa)den-yan ve (ρa)fluent kullanılması halleri için mukayese edilmektedir. Bu çalışma, Hasselman & Johnson modeline kıyasla çok daha iyi netice vermektedir. Geliştirilen matematik modelden elde edilen kef/km değerleri, bu tez çalışmasında belirlenen çalışma aralığındaki karma malzemelere ait deneysel kef/km değerlerine, ideal halde %4’lere varan oranlarda yaklaşmaktadır. Matris-elyaf arayüzey temassızlık direncinin göz önünde bulundurulması halinde ise aradaki fark daha da azalmaktadır.

This thesis presents a mathematical model, which has been developed to predict the effective thermal conductivity of composites consisting of a continuous isotropic matrix with dilute concentrations of dispersions having cylindrical and spherical geometry with a thermal contact resistance at the interface between each components. It was found that for a given composite system and dispersed phase geometry, due to the existence of an interfacial themal contact resistance, the effective thermal conductivity not only depends on the volume fraction of the dispersed phase but also on the dispersion size. For any composite materials with particular κ = km/ke and fiber volume fraction values, efective thermal conductivities are calculated from this mathematical model and from the Fluent which numerically solves the problem in three dimensions seperately. The κ and ve values for which the deviation between the model and the numerical results is less than 5 %, are taken, as the valid range where the assumption of one-dimensional heat transfer, made to develop this model is reasonable. The contact resistance at the interface area between fibers and matrix varies with temperature. The contact resistance ra, is modeled by defining two distinct non-dimensional interfacial contact resistances which are called (ra)den-yan and (ra)fluent respectively. The values of (ra)den-yan are obtained by trial and error method. On the other hand (ra)fluent values are determined via the numerical solutions of the computer software, FLUENT the details of which is explained in section EK-A. The results of this model have been compared with the Hasselman & Johnson model and with the experimental data for the cylindrical fiber reinforced composites of Ti-6Al-4V/SiCmo, Borosilicate glass/Carbon fiber, SiC/SiCfiber and RB SN/SiC and composites with spherical particulate inclusions of Ti/SiCp and Ti/TiB2. Comparing to the Hasselman & Johnson model, this model gives better results. For the composite materials that are within the determined valid range of this model, the deviation of the kef/km values from the experimental results is as low as 4% in the case of ideal contact. The difference even decreases when the interfacial contact resistance is considered.