منبع پایان نامه با موضوع ظرفیت حرارتی، مدلسازی ریاضی، نفوذپذیری

دانلود پایان نامه ارشد

باشد.
بیشتر این فرایندها به صورت جداگانه از هم اتفاق نمی افتد و معمولا تاثیر دیگر فرایندها بر روی هم به پیچیدگی رفتار کامپوزیت در آتش می‌افزاید.
دانستن این فرایندها و چگونگی تعامل آنها برای درک بهتر واکنش شعله و خواص شعله در مواد کامپوزیتی کاملا ضروری به نظر می رسد.
مدل‌های تحلیلی و بر اساس المان محدود111 جهت پیش بینی پاسخ کامپوزیت لایه ای112 و کامپوزیت های ساندویچی در دماهای بالا و تحت مجاورت شعله به کار می‌رود.
برای تامین و ضمانت امنیت حرارتی قطعه ، مدل های ترموفیزیکی113 و ترمومکانیکی114 در سال 1970 به رسمیت شناخته شد. که در آن زمان از کامپوزیت‌های الیاف کربن (مثل کربن/ اپوکسی و کربن/ فنولیک) در صنعت هوا فضا و دما بالا مورد استفاده قرار گرفت. (کاربردهایی مثل نازل موشک، واشر داخلی موتور راکت سوخت جامد و سپر حرارتی فرسایشی ورود مجدد115 فضاپیما)
در مورد این کاربردها، مدل هایی احتیاج است که بتواند پاسخ حرارتی کامپوزیت های تحت مجاورت فلاکس های حرارتی بسیار بالا (تا kw/m^2 300) در زمان های کوتاه (کمتر از چند دقیقه) راپیش بینی کند.
طی سال 1990، افزایش کاربرد کامپوزیت لایه ای شیشه ای / پلی استر و شیشه /وینیل استر در ساختارها و قطعات بزرگ کشتی و سکوهای دریایی نیازمند مدل هایی برای پیش بینی واکنش مواد در فلاکس های حرارتی پایین (kw/m^2 150-25) و زمان های طولانی (بیشتر از 30 دقیقه) بود.
توانایی مدل در پیش بینی دقیق پاسخ حرارتی کامپوزیت چندین مزیت مهم دارد.
مدل‌ها میتوان از آن در تعیین سریع مقاومت آتش و شعله در کامپوزیت‌های با طراحی جدید استفاده کرد. دو‌م اینکه، مدل ها هزینه های زیاد مربوط به آزمون ها را کاهش خواهند داد و نهایتا اینکه مدل ها میتوانند باعث افزایش شناخت ما در مورد رفتار کامپوزیت های پلیمری قدیمی و سنتی116 و بهبود و تکامل مواد ضدآتش جدید شود.
این ها مزایای قابل توجهی است، با این حال نیاز به ترکیب تجزیه و تحلیل نظری117 با نتایج آزمایشگاهی برای رسیدن به درک دقیق پاسخ حرارتی و قابلیت‌های حرارتی کامپوزیت‌ها، ضروری به نظر می‌رسد.
در این بخش به بررسی و شناخت مدل های حرارتی ، حرارتی –شیمیایی و حرارتی – شیمیایی –فیزیکی جهت پیش بینی رفتار حرارتی مواد کامپوزیت می پردازیم. مدل های مربوط از لحاظ پیچیدگی متفاوت هستند، مدل های ساده ای که آنالیز ساده ای از هدایت حرارتی تحت مجاورت فلاکس حرارتی پایین قرار می گیرند تا مدل‌های پیچیده‌ای که تاثیر فرایندهای مختلف را زمانیکه تحت فلاکس حرارتی بالا قرار می گیرد. این فرایندها شامل انتقال حرارت هدایتی، انبساط و انقباض حرارتی، پیرولیز، فشار داخلی ها و کرنش های جریان محصولات ناپایدار و بخارات آب حاصل از واکنش، تشکیل ذغال، لایه‌لایه شدن، ایجاد شیار و ترک خوردگی و فرسایش می‌باشد.

پاسخ کامپوزیت ها در شعله118
قبل از بررسی جزئیات مدل ها، دانستن روند اتفاقاتی که در کامپوزیت هنگام مواجهه با آتش با دمای بالا می افتد، ضروری است.
زمانیکه یک طرف کامپوزیت تحت فلاکس حرارتی قرار می گیرد، اولین اتفاق هدایت حرارت119 به ماده است.
میزان و نرخ هدایت تابع فلاکس حرارتی و نفوذ حرارتی کامپوزیت اصلی و بکراست. نفوذ حرارتی بیشتر انواع کامپوزیت ها پایین است به ویژه در جهت ضخامت، بنابراین گرادیان دمایی زیادی در این جهت (جهت ضخامت) خواهیم داشت.
به عنوان مثال در صورتیکه کامپوزیت ضخیمی در مجاورت فلاکس حرارتی در محدوده متوسط تا زیاد (بالای kw/m^2 50) قرار بگیرد. سطح داغ به وسیله هدایت تا میزان بیشتر از تقریبا (°C)/min 1000 گرم خواهد شد در صورتیکه سطح پشتی توسط انتقال حرارت هدایتی به میزان کمتری و در حدود 0^c/min 20-1 گرم خواهد شد.
هدایت حرارت در طول ضخامت کامپوزیت به خاطر طبیعت غیر ایزوتورپ خواص حرارتی آنها بسیار پیچیده است.
بیشتر انواع الیاف هدایت حرارتی کمتری نسبت به ماتریس پلیمری دارند. به عنوان مثال هدایت حرارتی محوری120 الیاف کربن و شیشه در دمای اتاق در حدود 80-20 و w/(m.k) 25/0-10/0 است. با توجه به نتایج بدست آمده ؛ میزان هدایت حرارتی در یک تک لایه121 (در جهت الیاف) خیلی بیشتر از جهت ضخامت است.). دلیل پیچیدگی هدایت حرارتی، به جهت متغیر بودن هدایت حرارتی و گرمای ویژه کامپوزیتها در دماهای مختلف است. هدایت حرارت در کامپوزیت باعث به وجود آمدن انقباض یا انسباط حرارتی (بسته به دما) خواهد یافت.
در دماهای پایین تر از دماهای انتقال شیشه ماتریس پلیمری، میزان انبساط به وسیله ضریب خطی انبساط حرارتی122 ماده اصلی و بکر تعیین می شود. به هر حال گرادیان حرارتی در جهت ضخامت باعث می شود که در این جهت انبساط غیر یکنواختی بوجود بیاید، میزان انبساط در سطح داغ بیشترین مقدار بوده و افزایش فاصله از سطح میزان انبساط کاهش خواهد یافت.
هدایت حرارتی برخی انواع الیاف کربن غیر یکنواخت123 است و زمانیکه گرم می شود در جهت عمود بر محور طولی (عرضی) انبساط می یابد. مقدار انبساط در جهت طولی کمتر است. بنابراین در کامپوزیت های الیاف کربن انبساط در جهت ضخامت و همچنین در جهت صفحه امکان پذیر است.
در دماهای پایین تر از دمای تجزیه ماتریس پلیمری، انتقال انرژی حرارتی، اساسا به وسیله هدایت مقدار کم انرژی جذب شده در انبساط حرارتی است. زمانیکه سطح ماده کامپوزیتی به دمای مورد نظر و لازم رسید ماتریس پلیمری و الیاف آلی مثل آرامید و پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا شروع به تجزیه خواهند کرد.
دمای تجزبه وابسته به ترکیب و پایداری شیمیایی مواد آلی، میزان گرمایش و اتسمفر آتش دارد. اما به صورت عمده این دما در محدوده 400 درجه سانتی گراد تا 250 قرار دارد. با افزایش دما ماتریس و الیاف آلی به صورت پشت سر هم و متوالی توسط واکنش های گرماگیر که معمولا به وسیله مکانیسم ها شکست زنجیره تصادفی اتفاق می افتد و البته مکانیسم های موجود دیگر مثل شکست انتهای زنجیره و باز شدن مرحله ی زنجیره (chain stripping , end-chain scission, random chain scission) تخریب خواهد شد.
طی این واکنش ها محصولاتی به صورت گاز و با وزن مولکولی پایین و همچنین ذغال متخلخل کربن دار به جا خواهد ماند. مواد ناپایدار از میان لایه های ذغال به سمت سطح داغ کامپوزیت حرکت کرده و جاری124 می شوند. با افزایش بیشتر دما این مواد ناپایدار طی یک واکنش ثانویه به مولکول های کوچک تر و گاز تبدیل خواهند شد. گرمایش بیش از دمای 150-100 درجه سانتی گراد منجر به تبخیر رطوبت موجود در ماتریس پلیمری خواهد شد.
واکنش تجزیه اکثر مواد پلیمری و الیاف آلی گرماگیر بوده و این امر باعث تاخیر موقت انتقال و هدایت حرارت به ناحیه ومنطقه واکنش خواهد شد. همچنین ناپایداری هر گونه آب موجود در لایه ها اثری شبیه تاثیر خنک سازی بر روی هدایت حرارتی خواهد داشت.
به دلیل نفوذ پذیری کم گاز در کامپوزیت ها، مواد ناپایدار واکنش و رطوبت های تبخیر شده در ابتدا درون کامپوزیت گیر افتاده و این امر موجب افزایش سریع فشار داخلی و انبساط زیاد ماده خواهد شد.
فشار گاز هنگام تجزیه لایه ها بیشتر از مقدار 10 اتسمفر اندازه گیری شده است. [23] اگرچه گفته می شود که این فشار می تواند تا میزان 200 اتمسفر هم برسد. [80]
در دماهای بالاتر از انتقال شیشه ، فشار حاصل از گازهای حاصل موجب ایجاد و تشکیل سوراخ و حفره های پر شده از گاز لایه لایه شدن و ترک خوردن ماتریس خواهد شد.
در واقع زمانیکه ماتریس به اندازه کافی متخلخل و دارای ترک خوردگی شد، مواد ناپایدار و بخار آب می توانند از نواحی تخریب شده کامپوزیت عبور کرده و به ناحیه و محیط شعله برسد.
این جریان خروجی گازهای داغ تاثیر خنک کنندگی بر روی جریان همرفتی دارد، بدین وسیله کاهش (هر چند کم) هدایت حرارت به ناحیه واکنش کم خواهد شد. مقدار خنک سازی گازهای پیرولیز که باعث خنک سازی کامپوزیت می شود بستگی به ظرفیت حرارتی گازها دارد. هر چه میزان ظرفیت حرارتی بیشتر باشد میزان تاثیر خنک سازی نیز بیشتر است. به اضافه وقتی که گازها به سطح داغ کامپوزیت می رسد، این گاز می تواند نقش لایه مرزی حمایتی حرارتی125 را بازی کند. (در غیاب هر گونه فرایندهای همرفتی خارجی مانند جریان هوا)
گازها همچنین می توانند به درون کامپوزیت اصلی و بکر126 نفوذ کرده، گرچه نفوذپذیری گاز در این فرایند کمتر از جریان خروجی127 است.
تجزیه گرماگیر ماتریس و الیاف آلی تا زمانیکه ناحیه واکنش به سطح پشتی128 لایه برسد ادامه خواهد یافت. در اینجا آخرین ماده قابل اشتعال تخریب و به ذغال و مواد ناپایدار تبدیل می شود. دراین مرحله فرایند تجزیه متوقف خواهد شد مگر اینکه دما به مقدار زیادی باشد که باعث شود میان ذغال و الیاف واکنش پیرولیز اتفاق بیفتد.
زمانیکه دما از 1000 درجه سانتی گراد بالاتر رود در آن زمان ذغال می تواند با شبکه سیلیکا129 درون الیاف شیشه واکنش دهد نتیجه این امر کاهش قابل توجه جرم130 خواهد بود. [81]
در مورد کامپوزیت های الیاف کربن، الیاف کربن با ذغال اکسیده شده (زمانیکه در یک محیط غنی از اکسیژن تحت مجاورت شعله قرار بگیرد.)
همچنین در دماهای بالا فرسایش نیز اتفاق بیفتد (معمولا بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد) دلیل این امر شتاب گرفتن سرعت زیاد جریان هوا در سطح کامپوزیت است که می تواند تاثیر فرسایش دهنده داشته باشد.
فرایندهایی که کامپوزیت لایه ای تحت مجاورت فلاکس حرارتی بالا اتفاق می‌افتد در
جدول ‏21: خلاصه فرآیندهای اصلی در هنگام مواجهه کامپوزیت با شعله خلاصه شده است.

جدول ‏21: خلاصه فرآیندهای اصلی در هنگام مواجهه کامپوزیت با شعله

شکل ‏29، دماهای تقریبی برای هر کدام از فرایندها برای کامپوزیت شیشه /پلیمر نشان می‌دهد.

شکل ‏29:تأثیر دما بر روی پاسخ های متفاوت کامپوزیت الیاف شیشه
شرایط برای کامپوزیت ساندویچی پیچیده تر است دلیل این امر تاثیر زیادی ماده هسته ای بر روی پاسخ حرارتی است.
پیش بینی دقیق رفتار حرارتی هر دو کامپوزیت لایه ای و ساندویچی نیاز به حل مدل های عددی پیچیده که شامل تمامی فرایندهای لیست شده در جدول 1-5 است، دارد.
مدلسازی ریاضی قابلیت های شعله مواد کامپوزیتی به مقدار زیادی بر اساس مطالعات نظری131 انجام شده است در اواسط 1940 بر روی رفتار اشتعال چوب است. [82-87]
بسیاری از این فرایندها که در آن چوب دچار اشتعال می شود شبیه مواردی است که در بالا برای کامپوزیت ها ذکر شد.
چوب مشتعل نیز در اصل به عنوان ماده دو فازی132 که شامل ذغال باقی مانده و ماده اصلی و پیرولیز نشده است مدل می شود.شکل ‏210

شکل ‏210: شکل شماتیک از تجزیه حرارتی چوب[1]
مطالعات زیادی – بیشتر توسط kung [85]، kansa و همکاران [86]و fredlund [87]جهت بهبود مدل‌های ترموشیمیایی که فرایندهای انتقال حرارت هدایتی133 واکنش‌های گرماگیر تجزیه چوب134 جریان همرفت گازهای ناپایدار135 و اشتعال مواد ناپایدار در نزدیکی سطح جامد136 را توصیف می‌کنند، انجام شده است.
جدیدترین تکنولوژی موجود137 برای مدلسازی پاسخ حرارتی کامپوزیت ها بر اساس کارهای منتشر شده میان اواسط سال 1980 تا اواسط سال 1990 به وسیله گروه های پژوهشی به رهبری Henderson (دانشگاه Rhode Island ) [35-40] ،Sulllivan (مرکز هوا- فضای Marshal) [94-97]، Springer از دانشگاه استنفورد [13, 19, 20]، Dimitrienko (Npo Mashinost roeniya) [24, 80, 98] و Gibson (University of Newcastle –upon-tyne) [37, 38, 67] تعریف شده است.
در بخش‌های بعد مدل‌های ریاضی اصلی برای کامپوزیت‌ها بررسی شده است، در ابتدا به مدل‌های ساده برای توصیف اثر هدایت حرارتی و سپس مدل‌های دارای پیچیدگی بیشتر که بیشتر فرایندهای فیزیکی، شیمیایی، حرارتی ذکر شده در جدول 1-5 را توصیف می کند توضیح داده شده است.

مدلسازی هدایت حرارتی در کامپوزیت‌ها138
در مورد انتقال حرارت در مواد جامد با سه نوع و سه حالت در بحث انتقال انرژی حرارتی سر و کار داریم:
1)هدایت139
2) جابه جایی140
3)تابش141
با این حال برای سادگی و آسان‌تر شدن آنالیز، تقریبا تمام مدل‌های ریاضی برای

پایان نامه
Previous Entries منبع مقاله درمورد كريم، پيش، امري Next Entries منابع مقاله درباره بافت استخوان، مورفولوژی، مواد معدنی