$SF_6$ has been widely used in high voltage power equipment, such as gas insulated switchgear (GIS) and gas insulated transmission line (GIL), because of its excellent insulation and arc extinguishing performance. However, $SF_6$ faces two environmental problems: greenhouse effect and high liquefaction temperature. Therefore, to find the $SF_6$ substitute gases has become a research hotspot in recent years. In this paper, the liquefaction characteristics of $SF_6$ substitute gases were studied. Peng-Robinson equation of state with the van der Waals mixing rule (PR-vdW model) was used to calculate the dew point temperature of the binary gas mixtures, with $SF_6$, $C_3F_8$, $c-C_4F_8$, $CF_3I$ or $C_4F_7N$ as the insulating gas and $N_2$ or $CO_2$ as the buffer gas. The sequence of the dew point temperatures of the binary gas mixtures under the same pressure and composition ratio was obtained. $SF_6/N_2$ < $SF_6/CO_2$ < $C_3F_8/N_2$ < $C_3F_8/CO_2$ < $CF_3I/N_2$ < $CF_3I/CO_2$ < $c-C_4F_8/N_2$ < $C_4F_7N/N_2$ < $c-C_4F_8/CO_2$ < $C_4F_7N/CO_2$. $SF_6/N_2$ gas mixture showed the best temperature adaptability and $C_4F_7N/CO_2$ gas mixture showed the worst temperature adaptability. Furthermore, the dew point temperatures of the $SF_6$ substitute gases at different pressures and the upper limits of the insulating gas mole fraction at $-30^{\circ}C$, $-20^{\circ}C$ and $-10^{\circ}C$ were obtained. The results would supply sufficient data support for GIS/GIL operators and researchers.
Long-fiber-reinforced composites have the advantages of cost-competitiveness and high degree of freedom of molding compared to continuous-fiber-reinforced composites. On the other hand, it is difficult to ensure uniform characteristics due to the randomly distributed fiber orientation incurred from the process of manufacturing intermediate materials. In this study, the effect of the directionality of LFPS (Long Fiber Prepreg Sheet) materials on the mechanical properties was analyzed. The eddy current measurement method was used to analyze fiber orientations, and tensile and compression tests on LFPS materials were performed according to ASTM standards. In addition, the test results and theoretical values of LFPS materials were verified using the ROM (rule-of-mixtures) theory. These results confirmed the effect of fiber orientation on mechanical properties of discontinuous-fiber-reinforced composites.
A cycloaliphatic epoxy/acidic anhydride system incorporating short carbon fibers (SCF) and short glass fibers (SGF) was fabricated and thermal/mechanical properties were characterized. At low filler content both SCF- and SGF-reinforced composites showed a similar decrease in coefficient of thermal expansion (CTE), measured by a thermomechanical analyzer, with increasing loadings, above which SCF became more effective than SGF at reducing the CTE. Experimental CTE data for the SCF-reinforced composites is best described by the rule of mixtures at lower SCF contents and by the Craft-Christensen model at higher SCF contents. Storage modulus (E') at $30^{\circ}C$ and $180^{\circ}C$ was greatly enhanced for short fiber-filled composites compared to unfilled specimens, Scanning electron microscopy of the fracture surfaces indicated that the decreased CTE and the increased E' of the short fiber-reinforced composites resulted from good interfacial adhesion between the fibers and epoxy matrix.
Poly(vinyl alcohol) (PVA)/multi-walled carbon nanotube (MWNT) composite films were prepared by casting a DMSO solution of PVA and MWNTs, whereby the MWNTs were dispersed by sonication. A significant improvement in the mechanical properties of the PVA drawn films was achieved by the addition of a small amount of MWNTs. The initial modulus and the tensile strength of the PVA drawn film increased by 30 % and 45 %, respectively, with the addition of 1 wt% MWNTs, which are close to those calculated from the rule of mixtures, and were strongly dependent upon the orientation of the PVA matrix. The mechanical properties, however, were not improved with a further increase in the MWNT content. The orientation of MWNTs in the composite was not well developed compared to that of the PVA matrix. This result suggests that the improvement of the molecular orientation of the PVA matrix plays a major role in the increase of the mechanical propeties of the drawn PVA/MWNT composite films.
Hashemi, Razieh;Mirzaei, Mostafa;Adlparvar, Mohammad R.
Advances in nano research
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v.10
no.1
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pp.43-57
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2021
In this study, thermally induced bifurcation buckling of shallow composite cylindrical panels reinforced with aligned single-walled carbon nanotubes is investigated. Distribution of carbon nanotubes across the thickness of the cylindrical panel as reinforcements may be either uniform or functionally graded. Thermo-mechanical properties of the matrix and reinforcements are considered to be temperature dependent. Properties of the cylindrical panel are obtained using a refined micromechanical approach which introduces the auxiliary parameters into the rule of mixtures. The governing equations are obtained by using the static version of the Hamilton principle based on the first-order shear deformation theory and considering the linear strain-displacement relation. An energy-based Ritz method and an iterative process are used to obtain the critical buckling temperature of composite cylindrical panel with temperature dependent material properties. In addition, the effect of various parameters such as the boundary conditions, different geometrical conditions, distribution pattern of CNTs across the thickness and their volume fraction are studied on the critical buckling temperature and buckled pattern of cylindrical panels. It is shown that FG-X type of CNT dispersion is the most influential type in thermal stability.
This study investigates the buckling behavior of CNTRC beams on a Winkler-Pasternak elastic foundation, considering their stiffness. To achieve the highest accuracy, the shear stiffness is taken into account based on the Higher-order Shear Deformation Theory (HSDT). A novel exponential power-law distribution of the CNT volume fraction across the beam thickness is employed to model CNTRC beams. Various reinforcement patterns are incorporated into the polymer matrix, featuring single-walled carbon nanotubes (SWCNT) that are both aligned and distributed. The effective mechanical properties of the CNTRC beam are predicted using the rule of mixtures. Hamilton's principle is applied to derive the differential equations of motion. This theoretical framework enables the validation of the approach by comparing numerical simulation results with previous studies. The impact of the exponent order (n), CNT volume fraction, geometrical ratio, and Winkler-Pasternak parameters on buckling analysis is thoroughly presented and discussed. The results indicate that, among the different types of analyzed CNTRC beams, the X-Beam pattern demonstrates the highest buckling load capacity.
The object of this paper is to investigate the free vibration behavior under the effect of carbon nanotube distribution in functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) by using higher-order shear deformation theories. In this work, we present a novel distribution method for carbon nanotubes in the polymer matrix by using a new exponential power law distribution of carbon nanotube volume fraction. It is assumed that the SWCNTs are aligned along the beam axial direction and the distribution of the SWCNTs may vary through the thickness of the beam with different patterns of reinforcement. The rule of mixtures is used in order to obtain material properties of the CNTRC beams. Hamilton's principle is used in deriving the equations of motion. The validity of the free Vibration results is examined by comparing them with those of the known data in the literature. The results that obtained indicate that the carbon nanotube volume fraction distribution play a very important role on the free vibrations characteristics of the CNTRC beam.
In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
This paper aims to investigate the transient vibration behavior of functionally graded carbon nanotube (FG-CNT) reinforced nanocomposite plate resting on Pasternak foundation under pulse excitation. The plate is considered to be composed of matrix material and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with distribution as per the functional grading concept. The functionally graded distribution patterns in nanocomposite plate are explained more appropriately with the layer-wise variation of carbon nanotubes weight fraction in the thickness coordinate. The layers are stacked up in such a way that it yields uniform and three other types of distribution patterns. The effective material properties of each layer in nanocomposite plate are obtained by modified Halpin-Tsai model and rule of mixtures. The governing equations of an illustrative case of simply-supported nanocomposite plate resting on the Pasternak foundation are derived from third order shear deformation theory and Navier's solution technique. A converge transient response of nanocompiste plate under uniformly distributed load with triangular pulse is obtained by varying number of layer in thickness direction. The validity and accuracy of the present model is also checked by comparing the results with those available in literature for isotropic case. Then, numerical examples are presented to highlight the effects of distribution patterns, foundation stiffness, carbon nanotube parameters and plate aspect ratio on the central deflection response. The results are extended with the consideration of proportional damping in the system and found that nanocomposite plate with distribution III have minimum settling time as compared to the other distributions.
Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference
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2000.11a
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pp.15-20
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2000
Filament winding process is a comparatively simple operation in which continuous reinforcements in the form of roving are wound over a rotating mandrel. And it is now well established as a versatile method for storage tanks and pipe for the chemical and other industries. In this study, tensile strength of a filament wound ring specimens were evaluated by split disk test fixture and dress disk test fixture. The results obtained from experiments were compared with the theoretical values obtained by the rule of mixtures in composites . And the purpose of this paper is the suggestion of an appropriate test method for the evaluation of tensile properties of filament wound structures. The tensile strength of a ring specimen tested by the dress disk test showed better agreement with the theoretical values than that of a ring specimen tested by the split disk test because the stress concentration in edges of a split disk test fixture is more severe than that of dress disk test fixture. The results showed that the tensile strength of a ring specimen was influenced by the geometry of test fixture, the continuity of fibers, fiber-tension, fiber-end and stress concentration in specimen.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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