Karbon tabanlı nanoparçacıklar ile katkılanan organik faz değişken malzemlerin termal özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesi

Isıl enerji depolama malzemeleri olarak bilinen faz değişken malzemeler (FDM), sabit sıcaklıkta katı fazdan sıvı faza veya sıvı fazdan katı faza geçiş yapabilen, yüksek füzyon ısısına sahip olan malzemelerdir. FDM'ler yüksek ısı depolama özelliklerinden dolayı ileri teknoloji kullanan uzay, havacılık, askeri, otomotiv, tekstil, inşaat gibi birçok mühendislik alanında aktif olarak kullanılmaktadır. FDM'ler kullanım amaçlarına göre; enerji depolama, aktif ve pasif soğutma, zamana bağlı çalışan ve yüksek ısı akısı yayan elektronik birimlerin ısıl olarak korunması şeklinde sınıflandırılabilir. Katı-sıvı FDM'ler organik, inorganik ve ötektik FDM olmak üzere 3 grup altında sınıflandırılmaktadırlar. Birçok malzemeye karşı korozif olmaması ve "subcooling" özellik göstermemesinden dolayı katı/sıvı FDM'ler arasından en çok organik FDM'ler tercih edilmektedir. Organik FDM'lerin belirtilen avantajlarına karşın bilinen en büyük dezavantajları ısıl iletkenlik katsayılarının çok düşük olmasıdır. FDM'lerin belirtilen düşük ısıl iletkenlik probleminin çözümlenmesine yönelik literatürde birçok yöntem önerilmiştir. Bu yöntemler; FDM'lerin içerisine yüksek iletkenliğe sahip farklı geometri ve konfigürasyonlarda fin içeren modül yapıları, alüminyum köpük veya metal bal peteği eklemek olarak sıralanmaktadır. Belirtilen yöntemler, her ne kadar FDM'lerin düşük ısıl iletkenlik problemine çözüm getirse de kullanılan metal finlerden ve/veya köpük yapılardan dolayı sistemin ağırlığı artmakta ve ayrıca sistemin boş hacmi azaldığından kullanılan FDM miktarı azalmaktadır. Son yıllarda özellikle nanoteknoloji alanındaki gelişmelere paralel olarak 100 nm ve daha küçük boyutlarda, farklı tip, boyut ve şekillerde nanoparçacıkların sentezlenebilmesi ile organik FDM'lerin düşük ısıl iletkenlik değerlerinin arttırılmasına yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmada, çok duvarlı karbon nanotüp (KNT) nanoparçacık boyutunun ve katkılanma oranının üretilen FDM/KNT komozit malzemelerin ısıl performans özelliklerine olan etkisi sistematik olarak incelenmiştir. KNT/FDM kompozit üretiminde üç farklı boyuta sahip KNT ve kütlece 1-7 % bölüntü oranı kullanılmıştır. Üretilen KNT/FDM kompozitlerin ısıl iletkenlik, erime/katılaşma sıcaklıkları ve gizli ısıları, parçacık boyutu ve kütle oranı göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar sadece katkılanan kütlece bölüntü oranın değil aynı zamanda parçacık boyutununda kompozitlerin termal özellikleri üzerinde etkili olduğunu göstermiştir. Kısa KNT için ısıl iletkenlik artış oranı uzun KNT ile üretilen KNT/FDM kompozite kıyas ile daha düşük bulunmuştur. Buna karşın kısa KNT için ölçülen gizli ısı değeri uzun KNT'ye göre daha yüksek çıkmıştır.

The phase change materials (PCMs) are known to be energy storage material that capable of phase change transition from solid to liquid or liquid to solid at constant temperature and possess high fusion energy. Due to their high energy storage properties, they applied and used in variety of engineering fields actively including space, aviation, military, automotive, textile and building etc. Phase change materials can be classified according to their intended purposes as energy storage, active and passive cooling, and thermal protection of electronic equipment that releases high heat flux in transient operation. The solid-liquid PCMs comprise organic PCMs, inorganic PCMs and eutectic PCMs. Among the solid/liquid PCMs, organic PCMs are the most preferable due to their unique properties like non-corrosive and no supercooling effect in cooling cycles. In spite of their desirable properties of organic PCMs, low thermal conductivities are their major drawbacks. To overcome this peroblem various techniques have been proposed and used in the literature to enhance the thermal response of organic PCMs. These are included the use of high conductive fins, aluminum foam and honeycomb metal matrix. Although such types of methods may work well but they considerable increase the weight and decrease clearance volume of the systems that leads to decrease amount of used PCMs. In recent years, the advances in nanotechnology enable to synthesis of nanoparticles smaller than 100 nm at various shapes and types lead to overcome low thermal conductive of organic PCMs. In the present study the effect of loading MWCNTs and their sizes, on the thermal properties such as thermal conductivity, melting/solidification temperatures and latent heats were investigated systematically. Three sizes of multi walled carbon nanotubes (MWCNTs) that have various diameter and two different lengths as long MWCNTs and short MWCNTs were used at various mass fractions including 1%, 3%, 5% and 7% to fabricate MWCNTs/PCM composites. The thermal conductivity, melting/solidification temperatures and latent heats of MWCNTs based composites were evaluated incorporating both particle size and mass concentrations. The experimental results demonstrated that both size and the loading content of the MWCNTs have effect on the thermal properties of the samples. The thermal conductivity enhancement of the short MWCNTs was found to lower than that of the long MWCNTs. On the other hand, latent heat was measured slightly higher for short MWCNTs than the long MWCNTs.