Multiscale Modeling of Thermal & Mechanical Properties of Silicon Carbide Carbon Composite for Optimization of Thermal Conductivity in Axial Direction
The composites structures are ltr" Keywords: Composite, Multiscale, Modeling, Interphase, Interface, Thermal Cuductivity,
کامپوزیتها از نظر ساختار اجزاء تشکیل دهنده، دارای انواع مختلفی مانند لایهای و تقویت شده با الیاف می باشند که به دلیل تأثیر گذاری بیشتر در خواص، نوع تقویت شده با الیاف آن کاربرد بیشتری دارد. از آنجایی که فرآیند شکلدهی این مواد بسیار زمان بر بوده و مستلزم صرف هزینههای قابل توجه میباشد، مدلسازی گرمایی و مکانیکی اینگونه مواد، میتواند جهت دستیابی به چیدمان بهینه و حصول ویژگی های گرمایی و مکانیکی مناسب، کمکی شایان توجه نماید. از این رو در پژوهش حاضر، به مدلسازی و بهینهسازی ویژگیهای مکانیکی و گرمایی کامپوزیت سیلیکونکاربید - کربن پرداخته شده است، که در آن الیاف پیوسته کربن، فاز تقویت کننده و سیلیکون کاربید نقش زمینه را ایفا مینماید. مدلسازی گرمایی و مکانیکی کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف، به دلیل تفاوت مقیاس اجزاء تشکیل دهنده کامپوزیت با کامپوزیت شکل گرفته، بسیار پیچیده بوده و نیازمند بهکارگیری ابرکامپیوترها میباشد. در پژوهش حاضر، برای مدلسازی گرمایی و مکانیکی کامپوزیت سیلیکونکاربید - کربن ، از روش دو مقیاسی بهره گرفته شده است. در این روش، الیاف و زمینه اطراف آن، ابتدا در مقیاس میکرو مورد مدلسازی قرار گرفت و پس از حصول نتایج و تعمیم آنها به یک لایه کامپوزیت تک جهته، زاویه چرخش لایهها نسبت به یکدیگر در مقیاس ماکرو مدلسازی گردید و نقش این مشخصهها و شرایط بهینه رفتار حرارتی و مکانیکی کامپوزیت مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. در نهایت نحوه چیدمان بهینه پیشنهاد شد. در این چیدمان، نحوه آرایش لایهها به این شکل است که هر لایه نسبت به لایه قبلی به مقدار 10 درجه ساعتگرد تغییر زاویه خواهد داشت. این چیدمان منتج به دستیابی به ضریب هدایت گرمایی ( ) 732/1 و مدول الاستیک (GPa) 58 در راستای صفحه کامپوزیتی ده لایه گردید. این چیدمان نسبت به سایر چیدمانها، با زاویه چرخشهای 30،15 و 45 درجه، بهترین شکل قرارگرفتن مواد در کنار یکدیگر را، جهت بالا بردن ضریب هدایت گرمایی در یک جهت و همچنین حداکثر مدول الاستیک در جهت دیگر ارائه کرد.در پایان به منظور راستی آزمایی نتایج حاصل از مدلسازی، از مراجع، مشخصه مدول الاستیک برای یک نمونه تجربی انتخاب گردید و توسط مدلسازی مورد تحلیل قرار گرفت. با توجه به اینکه راستی آزمایی بر اساس اطلاعات بدست آمده از مقیاس میکرو بوده و تنها ساختار کامپوزیت از نمونه تجربی برگرفته شده است، میتواند صحه گذاری مناسبی برای اطلاعات حاصل از مدلسازی برای هر دو مقیاس میکرو و ماکرو تلقی گردد.میزان تطابق نتیجه حاصل از مقایسه مدلسازی و نمونه تجربی ارائه شده در مرجع برای مشخصه مدول الاستیک بیش از 94 درصد بود، که این تطابق بیانگر دقت مناسب مدل ایجاد شده میباشد. کلمات کلیدی: کامپوزیت، سیلیکونکاربید، مدلسازی دو مقیاسی، لایه میانی، هدایت گرمایی، الیاف کربن