Niniejsza praca doktorska przedstawia wyniki badań przewodnictwa cieplnego kompozytów polimerowych na bazie żywicy epoksydowej. Przebadano wpływ napełniaczy ceramicznych, magnetycznych oraz typu rdzeń-otoczka. Pomiary przewodnictwa cieplnego wykonywano w temperaturze pokojowej oraz w funkcji temperatury do temperatur helowych.
Ważnym aspektem pracy było wyselekcjonowanie napełniacza z uwzględnieniem kształtu i rozmiaru cząsteczek. Szczególnie interesujące było zastosowanie mieszanki mączki kwarcowej z azotkiem boru o ziarnach w kształcie płytek. Płytkowy azotek boru otaczając cząsteczki mączki kwarcowej utworzył efektywne ścieżki transportu ciepła, co doprowadziło do znaczącego podwyższenia przewodnictwa cieplnego. Zastosowanie azotku glinu o małych cząsteczkach spowodowało, że dominujący wpływ miało zwiększenie powierzchni interfejsu z matrycą epoksydową, co zwiększyło efektywność rozpraszania fononowego i w konsekwencji osłabiło efekt podwyższenia przewodnictwa cieplnego kompozytu.
Zmierzone wartości przewodnictwa cieplnego w funkcji temperatury zostały porównanie z modelami teoretycznymi. Poznanie zależności temperaturowych dla żywicy epoksydowej i napełniaczy dało możliwość identyfikacji wkładu pochodzącego od danego napełniacza do efektywnego przewodnictwa cieplnego.
Anizotropia przewodnictwa cieplnego kompozytu została uzyskana przez zastosowanie pola magnetycznego przy wytwarzaniu próbek z napełniaczami magnetycznymi. Cząstki napełniacza utworzyły struktury uporządkowane wzdłuż linii pola magnetycznego, będące zarazem ścieżkami przewodnictwa cieplnego, które było znacznie wyższe w kierunku porządkowania, niż w prostopadłym. Zaobserwowano także istotne zwiększenie przewodnictwa cieplnego kompozytu z napełniaczem magnetytowym pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego, co przypisano efektowi magnetostrykcyjnemu.
Jednym z ważniejszych aspektów prowadzonych badań było zaprojektowanie kompozytów z napełniaczami typu rdzeń-otoczka i ich wytworzenie metodą azotowania lub metodą otrzymywania materiałów ceramicznych z prekursorów polimerowych. Napełniacze te dały duże wzmocnienie przewodnictwa cieplnego w porównaniu ze standardowymi. Szczególnie wysoki efekt został uzyskany dla tlenku glinu pokrytego warstwą azotku glinu.
Ważnym osiągnięciem pracy jest przedstawienie i przeanalizowanie zależności temperaturowych przewodnictwa badanych kompozytów oraz ich komponentów. Podejście takie okazuje się być kluczowe dla poznania mechanizmów przewodnictwa cieplnego oraz ich analizy w materiałach wielofazowych.
Enhanced thermal conductivity of epoxy-matrix composites
The Dissertation presents results of a study focused on thermal conductivity enhancement in composites. Epoxy matrix composites filled with set of ceramics, magnetics and core-shell fillers were investigated. Thermal conductivity has been measured for the composite samples at ambient conditions and versus temperature down to liquid helium temperatures.
It was observed that properly selected fillers with different shape and size can significantly enhance thermal conductivity. Such an effect was observed for composite filled with a mixture of silica and boron nitride particles, where effective heat conduction paths are created. However, the application of aluminum nitride with small particles leads to creation of large interfacial areas acting as thermally resistant barriers scattering phonons and weakening the increase of thermal conductivity. Experimental values of thermal conductivities and their temperature dependencies have been compared with those calculated from theoretical models existing and proposed in the Thesis. Temperature dependencies of thermal conductivity of the composite and filler materials appeared to be very useful in identification of the contribution from heat transport through particles of compound filler and in composites of fillers surface treated with silane for improved heat transport through interfaces.
Magnetic field-aided filler particle orienting has been exploited for obtaining anisotropic composites. This led to formation of chain-like structures of magnetic filler particles and resulted in a considerable enhancement of thermal conductivity along the direction of alignment and a decrease perpendicularly to it. The magnetite- epoxy composite was found to show a meaningful enhancement of its thermal conductivity on the application of magnetic field in the heat flow direction, which is attributed to a magnetostrictive effect.
The effective thermal conductivity could also be increased by application of core-shell fillers, where core consisted of a standard material like silica or alumina, and the shell was a thin high-thermal- conductivity material layer. A new type of core-shell fillers has been prepared by means of carbothermal reduction - nitridation process and the polymer derived ceramics route. Application of a core-shell filler, e.g. alumina with aluminium nitride coating enhances thermal conductivity of the composite dramatically.
An important achievement of this Dissertation is the application of analysis of temperature dependences of the thermal conductivity of composite and its components. Such an approach appears to be a promising method of analysis of thermal conductivity mechanisms and, in particular, the role of the interface in it.
