نکتهی حائز ااهمیت این است که واکنش پیرولیز موجب تغییرات زیادی در خواص ماده خواهد گذاشت. بویژه؛ تغییرات ترکیب شیمیایی ماده و انبساط حرارتی-شیمیایی موجب تغییرات زیادی در خواص حرارتی و انتقالی ماده میگذارد. بعلاوه این فرآیندها بسیار وابسته به نرخ گرمایش هستند. با افزایش میزان نرخ گرمایش؛ واکنشها و انبساط حرارتی-شیمیایی مربوطه و دیگر خواص مرتبط به دماهای بالاتر منتقل خواهند شد. زمانیکه فرایند تجزیه آغاز میشود؛ رفتار حرارتی ماده بوسیله واکنشهای شیمیایی؛ انبساط شیمیایی-حرارتی؛ تغییرات حرارتی و خواص انتقال و حضور گازهای تجزیه تغییر خواهد کرد.
بطور طبیعی برای مدلسازی پاسخ ماده پلیمری به حرارت اعمال شده، تأثیرات این فرآیندها باید در نظر گرفته شود. مدلهای تحلیلی مختلفی برای توصیف و در نظر گرفتن انتقال حرارت در فرایند تجزیه مواد کامپوزیتی پیشنهاد شدهاند که براساس فرایند تجزیه چوب و و ساختار ذغال باقیمانده از آن بدست آمدهاند. بطور کلی این مدلها شبیه به هم هستند و تنها اختلاف اولیه آنها در شکل هندسی، شرایط مرزی و روش حل آنهاست.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
در برخی از این مدلها فرض شده است که خواص حرارتی ثابت و واکنش تجزیه مرتبه اول اتفاق میافتد. بعد از آن مدلهایی بر اساس تغییر خواص حرارتی و فیزیکی ماده در حین تجزیه ارائه شدند.
برخی دیگر مدلی را پیشنهاد کردند که نه تنها به بررسی تغییرات خواص ماده بلکه به بررسی تأثیر جریان گاز در ساختار ذغال و وابستگی دمایی گرمای تجزیه و تبخیر پرداختند. در نهایت مدلهایی پیشنهاد شد که ماده را به دو بخش فعال و بخش باقیمانده تقسیم نمود.
تجزیه حرارتی پلیمرهای تقویت شده با الیاف در شعله یکی از پیچیدهترین مفاهیم و عنوانهایی است که ترکیبی از اثرات فرایندهای حرارتی، شیمیایی و فیزیکی است. فرایندهای حرارتی شامل هدایت حرارتی[۹۹] از سمت آتش به طرف کامپوزیت با گرمای تولید شده یا جذب شده از طرف واکنش تجزیه ماتریس پلیمری، الیاف آلی و ماده هسته ای[۱۰۰] ، گرمای تولید شده به وسیله احتراق و واکنش گازهای قابل اشتعال حاصل از تجزیه و گرمای جابه جایی هدر رفته[۱۰۱] ناشی از خروج گازهای داغ واکنش و همچنین بخارات آب از درون کامپوزیت به درون آتش می باشد.
فرایندهای شیمیایی شامل نرم شدگی حرارتی[۱۰۲]، ذوب[۱۰۳]، پیرولیز و ناپایدار شدن[۱۰۴] ماتریس پلیمری، الیاف آلی با ماده هسته با هم و تشکیل گازهای ناپایدار، رشد و اکسیداسیون ذغال میباشد.
فرایندهای فیزیکی شامل، انبساط حرارتی و انقباض حرارتی، افزایش فشار داخلی به دلیل تشکیل گازهای ناپایدار و تبخیر رطوبت[۱۰۵]، کرنش های ناشی از حرارت[۱۰۶]، صدمات ناشی از جدا شدن لایه ها[۱۰۷]، ایجاد شیار در ماتریس[۱۰۸]، فرسایش سطح[۱۰۹]، نرم شدگی، ذوب و اتصال فیزیکی[۱۱۰] الیاف می 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 محدود[۱۱۱] جهت پیش بینی پاسخ کامپوزیت لایه ای[۱۱۲] و کامپوزیت های ساندویچی در دماهای بالا و تحت مجاورت شعله به کار میرود.
برای تامین و ضمانت امنیت حرارتی قطعه ، مدل های ترموفیزیکی[۱۱۳] و ترمومکانیکی[۱۱۴] در سال ۱۹۷۰ 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 مجدد[۱۱۵] فضاپیما)
در مورد این کاربردها، مدل هایی احتیاج است که بتواند پاسخ حرارتی کامپوزیت های تحت مجاورت فلاکس های حرارتی بسیار بالا (تا ۳۰۰) در زمان های کوتاه (کمتر از چند دقیقه) راپیش بینی کند.
طی سال ۱۹۹۰، 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 ( ۱۵۰-۲۵) و زمان های طولانی (بیشتر از ۳۰ 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 سنتی[۱۱۶] و بهبود و تکامل مواد ضدآتش جدید شود.
این ها مزایای قابل توجهی است، با این حال نیاز به ترکیب تجزیه و تحلیل نظری[۱۱۷] 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 شعله[۱۱۸]
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 حرارت[۱۱۹] 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 ۵۰) قرار بگیرد. سطح داغ به وسیله هدایت تا میزان بیشتر از تقریبا ۱۰۰۰ گرم خواهد شد در صورتیکه سطح پشتی توسط انتقال حرارت هدایتی به میزان کمتری و در حدود ۲۰-۱ 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 محوری[۱۲۰] الیاف کربن و شیشه در دمای اتاق در حدود ۸۰-۲۰ و ۲۵/۰-۱۰/۰ است. با توجه به نتایج بدست آمده ؛ میزان هدایت حرارتی در یک تک لایه[۱۲۱] (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 حرارتی[۱۲۲] 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 یکنواخت[۱۲۳] 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 ۴۰۰ درجه سانتی گراد تا ۲۵۰ 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 جاری[۱۲۴] 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 ۱۵۰-۱۰۰ 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 ۱۰ اتسمفر اندازه گیری شده است. [۲۳] اگرچه گفته می شود که این فشار می تواند تا میزان ۲۰۰ اتمسفر هم برسد. [۸۰]
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 حرارتی[۱۲۵] را بازی کند. (در غیاب هر گونه فرایندهای همرفتی خارجی مانند جریان هوا)
گازها همچنین می توانند به درون کامپوزیت اصلی و بکر[۱۲۶] نفوذ کرده، گرچه نفوذپذیری گاز در این فرایند کمتر از جریان خروجی[۱۲۷] است.
تجزیه گرماگیر ماتریس و الیاف آلی تا زمانیکه ناحیه واکنش به سطح پشتی[۱۲۸] 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 ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد بالاتر رود در آن زمان ذغال می تواند با شبکه سیلیکا[۱۲۹] درون الیاف شیشه واکنش دهد نتیجه این امر کاهش قابل توجه جرم[۱۳۰] خواهد بود. [۸۱]
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 ۱۰۰۰ 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 ۲‑۱: خلاصه فرآیندهای اصلی در هنگام مواجهه کامپوزیت با شعله خلاصه شده است.
جدول ۲‑۱: خلاصه فرآیندهای اصلی در هنگام مواجهه کامپوزیت با شعله
شکل ۲‑۹، دماهای تقریبی برای هر کدام از فرایندها برای کامپوزیت شیشه /پلیمر نشان میدهد.
شکل ۲‑۹: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 ۱-۵ است، دارد.
مدلسازی ریاضی قابلیت های شعله مواد کامپوزیتی به مقدار زیادی بر اساس مطالعات نظری[۱۳۱] انجام شده است در اواسط ۱۹۴۰ بر روی رفتار اشتعال چوب است. [۸۲-۸۷]
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 فازی[۱۳۲] که شامل ذغال باقی مانده و ماده اصلی و پیرولیز نشده است مدل می شود.شکل ۲‑۱۰
شکل ۲‑۱۰: شکل شماتیک از تجزیه حرارتی چوب[۱]
مطالعات زیادی – بیشتر توسط kung [85]، kansa و همکاران [۸۶]و fredlund [87]جهت بهبود مدلهای ترموشیمیایی که فرایندهای انتقال حرارت هدایتی[۱۳۳] واکنشهای گرماگیر تجزیه چوب[۱۳۴] جریان همرفت گازهای ناپایدار[۱۳۵] و اشتعال مواد ناپایدار در نزدیکی سطح جامد[۱۳۶] را توصیف میکنند، انجام شده است.
جدیدترین تکنولوژی موجود[۱۳۷] برای مدلسازی پاسخ حرارتی کامپوزیت ها بر اساس کارهای منتشر شده میان اواسط سال ۱۹۸۰ تا اواسط سال ۱۹۹۰ به وسیله گروه های پژوهشی به رهبری Henderson (دانشگاه Rhode Island ) [35-40] ،Sulllivan (مرکز هوا- فضای Marshal) [94-97]، Springer از دانشگاه استنفورد [۱۳, ۱۹, ۲۰]، 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 ۱-۵ را توصیف می کند توضیح داده شده است.
مدلسازی هدایت حرارتی در کامپوزیتها[۱۳۸]
در مورد انتقال حرارت در مواد جامد با سه نوع و سه حالت در بحث انتقال انرژی حرارتی سر و کار داریم:
۱)هدایت[۱۳۹]
