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¿Cuál es el impacto del grafeno y el CNT en la respuesta de transferencia de calor? Sep 09 , 2021

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El refuerzo de polímeros con nanorrellenos es un enfoque avanzado para mejorar y gestionar los comportamientos térmicos de los materiales nanocompuestos poliméricos. Entre los nanorrellenos propuestos, el grafeno y el nanotubo de carbono (CNT) con conductividad térmica superior se encuentran dos nanorrellenos avanzados, que se han utilizado ampliamente para mejorar las respuestas de transferencia de calor de los materiales poliméricos del huésped. En este trabajo, los impactos del grafeno y CNT orientados aleatoriamente en los comportamientos de transferencia de calor transitoria y en estado estacionario de los cilindros nanocompuestos funcionalmente graduados (FG) se han investigado utilizando un modelo axisimétrico. Se ha asumido que los cilindros de nanocompuestos se encuentran bajo flujos de calor, convecciones de calor o temperaturas como diferentes tipos de condiciones de contorno térmico. Las propiedades térmicas de los materiales nanocompuestos resultantes se estiman mediante un modelo micromecánico. Además, las ecuaciones térmicas que gobiernan los cilindros axisimétricos se han analizado utilizando un método sin malla desarrollado altamente consistente y confiable. Este método numérico predice campos de temperatura a través de funciones de forma MLS e impone condiciones de contorno esenciales con un enfoque de transformación. Se estudian los efectos del contenido y la distribución de nanocargas, así como las condiciones de los límites térmicos sobre las respuestas de transferencia de calor de los cilindros de nanocompuestos. Los resultados indicaron que el uso de nanorrelleno resultó en tiempos estacionarios más cortos y gradientes de temperatura más altos en cilindros de nanocompuestos FG. Además, el uso de grafeno en nanocompuestos tuvo un impacto más fuerte en la respuesta térmica que el CNT.



En las últimas décadas, el uso de estructuras de nanocompuestos ha crecido rápidamente y ha atraído mucha atención de las comunidades de investigación científica. Entre los nanorrellenos utilizados, el CNT y el grafeno se han vuelto muy populares debido a sus propiedades termomecánicas únicas. Específicamente, se han reportado valores de hasta 3000 W / m · K y 5300 W / m · K para las conductividades térmicas de CNT y grafeno, respectivamente. Debido a un comportamiento térmico tan extraordinario, estos dos nanorrellenos son excelentes candidatos para mejorar la conductividad térmica de los materiales nanocompuestos poliméricos. Por otro lado, está bien establecido que la dispersión FG de nanorrelleno en materiales nanocompuestos da como resultado respuestas termomecánicas más manejables de estructuras nanocompuestas.


Dado que el análisis térmico es muy crítico en las estructuras de ingeniería, muchos investigadores han investigado la conductividad térmica de los materiales nanocompuestos. Estos materiales y estructuras generan uno de los temas candentes de investigación en varias tecnologías emergentes y, por lo tanto, están siendo investigados ampliamente por los investigadores debido a que han mejorado considerablemente sus comportamientos termomecánicos. Varios parámetros, incluido el tamaño del nanorrelleno, la fracción de volumen, la relación de aspecto, la conductividad térmica y la resistencia térmica de intersección, así como la temperatura y la pegajosidad de la interfaz nanorrelleno-matriz, influyen en la conductividad térmica efectiva de los nanocompuestos. Los rellenos altamente conductores, como los materiales metálicos o a base de carbono, se pueden agregar a los cilindros de nanocompuestos para mejorar su conductividad térmica. El estado de dispersión / agregación y la forma del relleno son los factores críticos que influyen en la conductividad térmica de los nanofluidos y los compuestos sólidos. En cuanto a los nanorrellenos, la resistencia de la interfase térmica es otro factor crítico que afecta el transporte térmico. Los investigadores creen que el factor principal que limita el rendimiento térmico de las suspensiones y los compuestos de CNT es la resistencia térmica interfacial. Guetal realizó algunas pruebas y demostró que el uso de plaquetas de grafeno al 21,4% en un tipo de polietileno (PE) llamado polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) aumentó la conductividad térmica del material huésped hasta alrededor de nueve veces la matriz de UHMWPE original. Zabihi et al estudiaron los efectos de diferentes tipos de defectos sobre la conductividad térmica efectiva de materiales nanocompuestos reforzados con CNT defectuoso, grafeno y rellenos híbridos de CNT / grafeno. Moheimani et al también llevaron a cabo una extensa investigación sobre el desarrollo de un modelo micromecánico de celda unitaria de forma cerrada para determinar las conductividades térmicas efectivas de nanocompuestos poliméricos reforzados con CNT unidireccionales.

Conclusiones
En este artículo, se investigaron los impactos del grafeno y CNT en los comportamientos de transferencia de calor transitoria y en estado estable de los cilindros simétricos de nanocompuestos FG utilizando un método sin malla en diferentes tipos de condiciones de límite térmico. Empleando un modelo micromecánico, se calcularon las propiedades térmicas de los materiales nanocompuestos. Se estudiaron los efectos del contenido y la distribución de nanocargas, así como las condiciones de los límites térmicos sobre los comportamientos de transferencia de calor de los cilindros de nanocompuestos, lo que arrojó las siguientes conclusiones principales:
El uso de nanorrelleno y el aumento de su cantidad dan como resultado tiempos estacionarios más cortos, de modo que el aumento de fmaxrfrmax de 0,1 a 0,3 conduce a la reducción del tiempo estacionario de 400 sa 100 s.
La asignación de nanorrelleno cerca de los límites conduce a aproximarse a las temperaturas del límite más cercano.
La asignación de FG de nanorrelleno intensifica el gradiente de temperatura y la gestión térmica de los cilindros de nanocompuestos FG. En un caso que se muestra en la Figura 6, se observó que el Ti en el cilindro V-CNT / PE era de alrededor de 356 K mientras que en el cilindro UD y ∧-CNT / PE Ti = 344 K.
El uso de grafeno en nanocompuestos tiene un impacto más fuerte en la respuesta térmica que el uso de CNT. La comparación de la Figura 6b y 7b muestra que el uso de grafeno conduce a una mejor conducción, de modo que el Ti en los cilindros de grafeno / PE es 10 K menos que los cilindros de CNT / PE.

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