A Study on the Sequential Multiscale Homogenization Method to Predict the Thermal Conductivity of Polymer Nanocomposites with Kapitza Thermal Resistance

In this study, a sequential multiscale homogenization method to characterize the effective thermal conductivity of nano particulate polymer nanocomposites is proposed through a molecular dynamics(MD) simulations and a finite element-based homogenization method. The thermal conductivity of the nanocomposites embedding different-sized nanoparticles at a fixed volume fraction of 5.8% are obtained from MD simulations. Due to the Kapitza thermal resistance, the thermal conductivity of the nanocomposites decreases as the size of the embedded nanoparticle decreases. In order to describe the nanoparticle size effect using the homogenization method with accuracy, the Kapitza interface in which the temperature discontinuity condition appears and the effective interphase zone formed by highly densified matrix polymer are modeled as independent phases that constitutes the nanocomposites microstructure, thus, the overall nanocomposites domain is modeled as a four-phase structure consists of the nanoparticle, Kapitza interface, effective interphase, and polymer matrix. The thermal conductivity of the effective interphase is inversely predicted from the thermal conductivity of the nanocomposites through the multiscale homogenization method, then, exponentially fitted to a function of the particle radius. Using the multiscale homogenization method, the thermal conductivities of the nanocomposites at various particle radii and volume fractions are obtained, and parametric studies are conducted to examine the effect of the effective interphase on the overall thermal conductivity of the nanocomposites.

Kapitza 열저항이 존재하는 나노복합재의 열전도 특성 예측을 위한 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법에 관한 연구

본 연구에서는 분자동역학 전산모사와 유한요소해석 기반의 균질화 기법을 통해 나노복합재의 열전도 특성을 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법을 제안하였다. 나노입자의 크기효과가 나노복합재의 유효 열전도 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 크기가 다른 구형 나노입자가 첨가된 나노복합재의 열전도 계수를 분자동역학 전산모사를 통해 예측했고, 그 결과 나노입자의 크기가 작아질수록 계면에서의 Kapitza열저항에 의해 나노복합재의 열전도 계수가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 나노입자의 크기효과를 균질화 해석모델을 통해 정확하게 묘사하기 위해 Kapitza 열저항에 의한 계면에서의 온도 불연속 구간과 고분자 기지가 높은 밀도를 가지며 흡착되는 유효계면을 추가적인 상으로 도입하여 나노복합재를 입자, Kapitza 계면, 유효계면, 기지로 구성된 4상의 연속체 구조로 모델링하였다. 이후 순차적 멀티스케일 균질화 해석기법을 통해 유효계면의 열전도 계수를 나노복합재의 열전도 계수로부터 역으로 예측했으며, 이를 입자의 반경에 대한 함수로 근사하였다. 근사 함수를 토대로 다양한 입자 체적분율과 반경에 대한 나노복합재의 유효 열전도 특성을 예측하였으며, 유효계면에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.