THERMAL AND MECHANICAL RESPONSES OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITES UNDER ONE-SIDED FIRE EXPOSURE

This research investigated the thermal and mechanical responses of fiber reinforced polymer (FRP) composites in fire. The research focused on thermal decomposition and heat transfer, deformation, delamination, and structural integrity of FRP composites. The research was undertaken by thermal and fire testing, and fire dynamics and finite element modeling. To simplify the modeling of the decomposition of FRP composites, an infinite-rate pyrolysis model was incorporated into heat transfer modeling to predict the thermal response of the composite panels under one sided heating. The thermal prediction by the infinite-rate model was compared to the finite-rate model, in which the decomposition was described by Arrhenius equation, and was validated with both bench and intermediate scale fire tests. A concept of shift temperature was introduced into the heat transfer to account for the effect of heating rate on the decomposition temperature. With temperature results given by the heat transfer model, a simplified plane strain model was proposed to predict the mechanical response of FRP composites. Based on a bilinear traction-separation law, cohesive elements in commercial finite element software ABAQUS were incorporated in the mechanical model to consider the effect of delamination for sandwich panels. In order to evaluate the effect of heat flux of a composite's own flame on its thermal response and fire properties, two-layer flame geometry was proposed to predict the effect of flame heat flux on the thermal response of char-forming materials. The total flame heat flux in a typical cone test was estimated based on general turbulent flame temperature and combustible gas temperature. All prediction results were validated with experimental data. It was demonstrated that (1) the modeling of decomposition reaction using the infinite-rate model required less input parameters, (2) a material's own flame had significant influent on its fire reaction properties at the beginning of flaming combustion, (3) the plane-strain model was capable of predicting deformation and time-to-failure with a good accuracy, and (4) cohesive elements can be used to model the delamination of sandwich FRP panels in fire

Investigation of Knudsen and gas‐atmosphere effects on effective thermal conductivity of porous media

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity

Hybridní tkané struktury

Tato disertační práce poskytuje podrobnější informace o vlastnostech čedičových vláken vedle běžně používaných vláken, a to pro návrh a vývoj hybridních tkaných textilií určených pro výrobu kompozitních materiálů, zejména betonu vyztuženého textilií (TRC). Zkoumány jsou různé kombinace čedičové hybridní tkaniny s ohledem na mechanické, tepelné, akustické, elektrické a jiné vlastnosti, přičemž vliv hybridizace a struktury tkaných textilií je studován detailněji. Mechanické vlastnosti jsou predikovány s použitím a strukturální modely korelovány s výsledky získanými z provedených experimentů. Čedičová vlákna jsou velmi perspektivním materiálem díky jejich ohnivzdornosti spojené s lávovým původem, vynikajícím mechanickým vlastnostem a relativně nízké ceně. Na druhou stranu, tato vlákna doposud nebyla podrobena rozsáhlejšímu průzkumu, protože je možno je považovat za relativně nový typ vlákna. V technických článcích je možno nalézt jen omezené množství údajů o jejich chování po zpracování, jež je spojeno se stárnutím materiálu. Disertační práce prozkoumává možnosti využití čedičových vláken v kombinaci s jinými typy přízí a následně také vliv hybridní tkané struktury na nosnost kompozitu a dobu jeho životnosti. V této studii je vyšetřeno nosné chování TRC kompozitu (kompozitní systém tvořený jemnozrnnou betonovou matricí a výztuží složenou z vysoce funkčních vláken zpracovaných do plošné textilie) při jednoosém namáhání tahem. Průzkum je zaměřen na výztužnou schopnost hybridní tkané struktury. Při začleňování textilní struktury do betonu je zřejmé, že veškeré příze nejsou impregnovány cementovou matricí kompletně, což vede k heterogenitě systému beton - příze přispívajícímu ke komplexní nosnosti a defektnímu chování TRC kompozitu. Hlavním cílem této práce je tedy průzkum hybridizačních efektů na nosné chování TRC kompozitu.This thesis conveys a better insight into characteristics of Basalt fibers specifically, alongside commonly used fibers to design and develop hybrid woven fabrics for TRC composite materials. Various combinations of basalt hybrid fabrics are investigated with respect to mechanical, thermal, acoustic, electrical and other functional properties. The influence of hybridization and structure of woven fabric is studied in detail. The tensile properties are predicted by using structural model and correlated to the results obtained through experiments. Basalt fibers are very promising materials due to their fire resistance related to magmatic origin, superior mechanical properties and relatively low cost. On the other hand, being a relatively new kind of fiber, they are still not studied extensively. There are very few indications in technical papers about their behavior after aging treatments. The current study investigates the possibility of using basalt with other types of yarns and consequently the effect of hybrid woven structure on load bearing capacity and durability. In the present work, the load-bearing behavior of Textile Reinforced Concrete (TRC), which is a composite of a fine-grained concrete matrix and a reinforcement of high-performance fibers processed to textiles, when exposed to uniaxial tensile loading was investigated. The investigations are focused on reinforcement of hybrid woven fabrics. When textile yarns are embedded in concrete, they are not entirely impregnated with cementitious matrix, which leads to associated heterogeneity of the concrete and the yarns to a complex load-bearing and failure behavior of the composite system. The main objective of the work is the investigation of hybridization effects in the load-bearing behavior of TRC

Heat transport mechanisms in silica-based core materials for thermal superinsulations

Diese Arbeit befasst sich mit der Wärmeübertragung in Silica-basierten Superisolatoren. In systematischer Abfolge werden vier Publikationen zu diesem Thema vorgestellt. Der Fokus liegt auf analytischen Berechnungsmethoden für die verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen. Diese werden mit einer Vielzahl von Messungen der gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit verglichen und entsprechend bewertet. Zur Durchführung der Wärmeleitfähigkeitsmessungen wurde ein spezieller Guarded-Hot-Plate-Apparatus entwickelt und aufgebaut. Dieser ermöglicht es, auch fragile Pulverpresslinge hinsichtlich ihrer gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in einem Druckbereich von < 0.01 mbar bis Atmosphärendruck zu vermessen. Es wurden verschiedene Fällungskieselsäuren, pyrogene Kieselsäuren, Silicagele und Glasperlen untersucht. Die bekannten Wärmeübertragungsmechanismen in diesen Materialien können nicht vollkommen getrennt voneinander untersucht werden, da sie zur Kopplung neigen. Insbesondere ist eine Wechselwirkung zwischen der Wärmeleitung des Feststoffgerippes mit der Wärmeleitung der Gasphase zu beobachten. Dieser sogenannte Kopplungseffekt ist je nach Material unterschiedlich stark ausgeprägt. Als wesentliches Element dieser Arbeit wurde der Kopplungseffekt in verschiedenen Materialien quantifiziert und zu dessen Beschreibung wurden heuristische Modelle gefunden. Die erste Veröffentlichung handelt von der Gas-Feststoff-Kopplung in Fällungskieselsäuren. In dieser wird den Fragen nachgegangen, ob sich verschiedene kommerziell erhältliche Fällungskieselsäuren hinsichtlich ihrer Neigung zur Kopplung unterscheiden und welche Materialeigenschaften für die Kopplung verantwortlich sind. Zur Bewertung wird der Kopplungseffektfaktor f eingeführt. Es hat sich gezeigt, dass zwischen den Produkten keine signifikanten Unterschiede zu erfassen sind. Stattdessen ist ein deutlicher, nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Porosität und dem Kopplungseffektfaktor festgestellt worden. Daraus kann gefolgert werden, dass die untersuchten Fällungskieselsäuren auf der keine für den Wärmefluss entscheidenden strukturellen Unterschiede aufweisen. Die Gas-Feststoff-Kopplung wird vor allem den Bereichen um die Berührungspunkte der Partikel zugeschrieben. Der Kopplungseffektfaktor ist demnach von deren Anzahl und, bei konstanter Partikelgröße, direkt von der Porosität abhängig. Es hat sich folglich gezeigt, dass die Gas-Feststoff-Wechselwirkung für die Beschreibung der Wärmeübertragung in Superisolationen von entscheidender Bedeutung ist. Der Faktor der Energieübertragung beim Wandstoß eines Gasmoleküls heißt thermischer Akkommodationskoeffizient $\alpha$ (TAC). Er beschreibt den Temperatursprung, der sich an einer Gas-Feststoff-Grenze einstellt. In makroskopischen Systemen kann er vernachlässigt werden. In mikro-/nanoporösen gibt es jedoch viele stoffliche Grenzen, so dass dieser Faktor relevant wird. In der Literatur wird für Luft dennoch häufig ein Akkommodationskoeffizient von eins, und somit eine vollständige Energieübertragung zwischen Gas und Feststoffoberfläche, angenommen. Aktuell gibt es ausschließlich Methoden, um den TAC von makroskopischen Materialoberflächen zu bestimmen. Dabei werden auch schwer quantifizierbare Effekte der Oberflächenrauhigkeit mitgemessen. Der TAC in den Mikro- und Nanoporen eines heterogenen Gas-Feststoff-Gemisches ist jedoch messtechnisch nicht zugänglich. In der zweiten Veröffentlichung wird eine Methode vorgestellt, um die TACs verschiedener Gase an den Porenwänden von Fällungskieselsäure und pyrogener Kieselsäure miteinander zu vergleichen. Ein einfaches Modell aus der Stoßtheorie besagt, dass es beim Stoß einer Kugel mit einer Geschwindigkeit $v\neq 0$ auf eine gleich schwere, ruhende Kugel zur vollständigen Energieübertragung kommt (vgl. Billardkugeln). Das würde einem Akkommodationskoeffizienten von eins entsprechen. Je stärker die Massen der Kugeln voneinander abweichen, desto unvollständiger erfolgt der Energieübertrag. Wendet man dieses Modell auf ein Gasteilchen beim Wandstoß an, erhält man einen TAC von eins für $M_G = M_S$. Die Molmasse des Gasteilchens wird mit $M_G$, die der Feststoffoberfläche (hier von $SiO_2$) mit $M_S$ abgekürzt. Diese Annahme entspricht der kinetischen Gastheorie, es muss jedoch bedacht werden, dass hier einige wichtige Effekte vernachlässigt werden (z.B. Polarität, Rotationsenergie, Adsorptionseffekte). Da die Molmassen von $SiO_2$ und $SO_2$ nahezu identisch sind wird für diese Kombination $\alpha=1$ angenommen. Anschließend werden aus Wärmeleitfähigkeitsmessungen für sechs weitere Gase relativ zu $SO_2$ sogenannte scheinbare TACs bestimmt. Die ermittelten Werte folgen den Zusammenhängen der Stoßtheorie und können daher nachvollzogen werden. Für die Kombination Luft/$SiO_2$ ergibt sich $\alpha=0.41$ und $\alpha=0.33$ für Fällungs- bzw. pyrogene Kieselsäure. Obwohl diese Werte nicht als allgemein physikalisch gültig angesehen werden können und nur im Zusammenhang mit den vorgestellten Modellen gültig sind, kann die Annahme $\alpha=1$ für Luft widerlegt und die Signifikanz des thermischen Akkommodationskoeffizienten bewiesen werden. Die Gültigkeit der verwendeten Modelle für die Gaswärmeleitfähigkeit und die effektive Wärmeleitfähigkeit ist für die Bewertung der bisherigen Ergebnisse entscheidend. Deshalb wird in der nächsten Veröffentlichung zunächst eine Literaturrecherche solcher Modelle präsentiert. Dabei zeigt sich, dass sowohl für die effektive als auch für die Gaswärmeleitfähigkeit sowie für die darin enthaltenen Parameter eine Vielzahl unterschiedlicher Berechnungsmodelle existiert. Des Weiteren wird in der Regel keine Angabe dazu gemacht, welche Messwerte für die Partikel- und die Porengröße verwendet werden sollen, um die Modelle ordnungsgemäß auf verschiedene poröse Materialien anwenden zu können. Aus der Recherche werden die in der Literatur am häufigsten verwendeten Modelle extrahiert. Zusammen mit den unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten der Messwerte für Poren- und Partikelgröße ergeben sich 2800 Kombinationsmöglichkeiten, um die gasdruckabhängige Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Materialien zu berechnen. Alle Modellkombinationen werden mithilfe eines Computerprogrammes auf die 15 kommerziell erhältlichen, Silica-basierten Materialien angewendet. Diese setzen sich aus sechs Fällungskieselsäuren, drei pyrogenen Kieselsäuren, drei Silicagelen und drei Glasperlensorten zusammen. Alle Materialien wurden hinsichtlich ihrer gasduckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit sechs verschiedenen Porengasen vermessen. Die Ergebnisse wurden mit denen der Berechnungen verglichen, um die für die jeweiligen Materialien am besten geeigneten Modellkombinationen zu ermitteln. Als Ergebnis werden materialspezifische Empfehlungen zur Berechnung ausgesprochen. Die mittlere Abweichung liegt, ohne die Verwendung von anpassbaren Parametern, bei 10\,\%. Um die Modelle für die Gaswärmeleitfähigkeit und den Kopplungsbeitrag sinnvoll vergleichen zu können, wurden die Anteile der Feststoffwärmeleitfähigkeit und der Strahlung aus den Messungen bei sehr kleinen Gasdrücken extrahiert. Die Ergebnisse sollen auf die reale Entwicklung von Superisolationen anwendbar sein. Deshalb wurden die favorisierten Modellkombinationen in der vierten Veröffentlichung mit Modellen für die Feststoff- und Strahlungsleitfähigkeit komplementiert. Somit können Parameterstudien über die Partikelgröße und die Porosität der verschiedenen Materialien durchgeführt werden. Damit der Einfluss der Porengrößenverteilung berücksichtigt werden kann, ohne für jedes Material und jede untersuchte Porosität eine Quecksilberporosimetrie-Messung durchführen zu müssen, wurde ein Modell entwickelt, um die Verteilungen aus nur einer Messung und der entsprechenden Porosität berechnen zu können. Um den Strahlungsanteil ordnungsgemäß miteinzubeziehen, wurden Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie-Messungen durchgeführt. Auf diese Weise konnte der massenspezifische Extinktionskoeffizient der Materialien bestimmt werden. Die Ergebnisse der Parameterstudien können zukünftig bei der Auswahl der Kernmaterialien von Superisolationen eingesetzt werden. Ein Fokus der Arbeit liegt auf der gezielten Auslegung der Isolationskerne für verschiedene Anwendungen. Die präsentierte Vorgehensweise kann auch auf Materialmischungen mit Additiven, insbesondere mit Infrarottrübungsmitteln, übertragen werden, um Materialmischungen zweckgerichtet für verschiedene Gegebenheiten optimieren zu können. Somit liefert diese Arbeit einen zentralen Beitrag für den systematischeren Einsatz von Superisolationen. Durch die Verwendung von alternativen Kernmaterialien können Hochleistungsdämmstoffe noch mehr zur Energiewende beitragen, indem sie für weitere Wirtschaftssektoren attraktiv werden. Der Autor sieht in diesem Zusammenhang vor allem in der Verwendung von Fällungskieselsäuren ein großes Potenzial. Daher beschäftigt sich die Arbeit im Ausblick mit der gezielten Produktion von Kernmaterialien auf Basis von Fällungskieselsäure. Das neuartige Produktionsverfahren verspricht eine Verbesserung der Langlebigkeit der Paneele durch optimierte Aggregatstrukturen. Des Weiteren würde ein zeit- und kostenintensiver Prozessschritt in der VIP-Herstellung - das Vermischen der Trockensubstanzen - entfallen, da alle benötigten Komponenten bereits in der Flüssigphase dem Fällreaktor zugegeben werden würden. Dies würde zudem zu einer homogeneren Verteilung und besseren Haftung der Additive in bzw. an der Kieselsäure führen. Dadurch wird eine Verringerung des Trübungsmittelbedarfs und eine deutlich erhöhte Stabilität der Kernmaterialien erwartet. Diese Entwicklungen könnten entscheidend zu einer erfolgreichen Energiewende beitragen

Evaluation of nonmetallic thermal protection materials for the manned space shuttle. Volume 1, task 1: Assessment of technical risks associated with utilization of nonmetallic thermal protection system

Technical problems of design and flight qualification of the proposed classes of surface insulation materials and leading edge materials were reviewed. A screening test plan, a preliminary design data test plan and a design data test plan were outlined. This program defined the apparent critical differences between the surface insulators and the leading edge materials, structuring specialized screening test plans for each of these two classes of materials. Unique testing techniques were shown to be important in evaluating the structural interaction aspects of the surface insulators and a separate task was defined to validate the test plan. In addition, a compilation was made of available information on proposed material (including metallic TPS), previous shuttle programs, pertinent test procedures, and other national programs of merit. This material was collected and summarized in an informally structured workbook

Vacuum insulation in cold chain equipment: A review

Copyright © 2019 The Author(s). In 2017, 11.41 million refrigerators and 1.85 million freezers were sold in USA alone; each unit consuming approximately 500 kWh/year with an average life expectancy of 12 years. Traditionally, fridges and freezers have been insulated with polyurethane foam (thermal conductivity >0.020 W/m.K). There is a significant scope of reducing the heat gain by the cooled interior space from external environment by employing better insulation materials such as vacuum insulation panels (VIPs) than polyurethane foam. VIPs can achieve a thermal conductivity of <0.002 W/m.K. This paper presents an overview of heat transfer theory for VIPs and historical research into VIPs suitable for fridges, freezers and reefer trucks. A refrigerator with 56% of its external surface area covered with VIPs is reported to reduce the energy consumption by 21% compared to that consumed when using polyurethane foam. This means a potential energy saving of 1260 kWhp over the lifetime of a refrigerator and 5 billion kWhp if 25% of all fridges were VIP insulated. A proportionate reduction in the concomitant carbon emissions is predicted

Application of heat pipes to spacecraft thermal control problems

Application of heat pipes to spacecraft thermal control problem