Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/92478
Title: Thermal and mechanical behaviour of sandwich panels for climatic chambers of high performance
Other Titles: Caracterização do comportamento térmico e mecânico de painéis sandwich para câmaras climáticas de elevada performance
Authors: Dias, Sara Maria Santos Soares
Orientador: Ramalho, Amílcar Lopes
Tadeu, António José Barreto
Keywords: Câmaras climáticas; Comportamento mecânico; Comportamento térmico; Condutibilidade térmica; Módulo de elasticidade; Climatic chambers; Mechanical behaviour; Thermal behaviour; Thermal conductivity; Elastic modulus
Issue Date: 27-Jul-2020
Serial title, monograph or event: Thermal and mechanical behaviour of sandwich panels for climatic chambers of high performance
Place of publication or event: Departamento de Engenharia Mecânica/Departamento de Engenharia Civil
Abstract: Os testes realizados em câmaras climáticas são cada vez mais comuns à medida que o nível de qualidade esperado dos produtos e componentes aumenta. Ao passo que as condições de testes se tornam mais exigentes, os elementos que compõem o invólucro das câmaras, geralmente painéis sanduíche, são expostos a uma ampla gama de temperaturas. É importante entender como as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais do núcleo nos painéis sanduíche mudam quando submetidas a essas temperaturas.Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo realizar uma caracterização térmica e mecânica a quatro materiais frequentemente utilizados em núcleos de painéis sanduíche: balsa, lã mineral, espumas rígidas tereftalato de polietileno (PET), e de poliuretano (PUR).A caracterização térmica focou-se em duas propriedades térmicas principais: condutividade térmica e calor específico. Para avaliar estas propriedades, foi desenvolvida uma configuração experimental que refletisse um cenário de aplicação real. Uma das superfícies dos painéis sanduíche é submetida a alta temperatura, enquanto a outra fica a temperatura ambiente, criando um gradiente térmico que gera transferência de calor entre os dois ambientes.Esta configuração permitiu o estudo do comportamento térmico para diferentes níveis de temperatura. Cada teste consistiu em 5 etapas de temperatura: 40oC, 80oC, 120oC, 160oC e 200oC. O procedimento de teste incluiu períodos de regime permanente (para níveis de temperatura predefinidos) e períodos de regime transiente, resultantes da transição do patamar de temperatura. Assim, foi possível determinar o efeito da temperatura na condutividade térmica e no calor específico. Também foi possível observar o efeito da temperatura na aparência e na integridade estrutural dos materiais. A condutividade térmica a 10oC foi também determinada experimentalmente de acordo com metodologias e equipamentos normalizados. Estes resultados estavam de acordo com a condutividade térmica determinada para o primeiro nível de temperatura, validando a configuração experimental desenvolvida. Em relação ao calor específico, foi utilizado uma metodologia indireta. Este método combina os dados experimentais com os resultados de um modelo de transferência de calor transitório analítico unidimensional, alinhando os valores experimentais registrados pelos termopares com os resultados analíticos usando uma abordagem iterativa.Em relação à caracterização mecânica, foi avaliada a viabilidade do uso da técnica de excitação por impulso (IET) para avaliar a variação do módulo de Young destes materiais com a temperatura. As espumas poliméricas foram estudadas até 100 oC, a balsa foi estudada até 160oC, enquanto a lã mineral foi excluída deste teste. Este estudo foi validado com testes estáticos de flexão-quatro pontos. A aplicação desta técnica elimina a necessidade de realizar testes estáticos nos quais máquinas universais de ensaio são colocadas dentro de câmaras climáticas. Além disso, outros testes mecânicos foram realizados: testes de corte para determinar a resistência ao corte, testes de flexão-quatro pontos para perceber como o corte contribui para a rotura em flexão e testes de compressão para determinar a resistência à compressão. Todos estes testes foram realizados à temperatura ambiente.
Climate chamber tests are becoming more prevalent as the quality level expected from products and components increases. As testing conditions become more demanding, the elements that make up the envelope of the chambers, usually sandwich panels, are exposed to a wide range of temperatures. It is important to understand how the mechanical and thermal properties of the core materials in the sandwich panels change when subjected to these temperatures. In this context, this work was set out to perform a thermal and mechanical characterisation of four core materials often used in sandwich panels: balsa wood, mineral wool (MW), and polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PUR) rigid foams.The thermal characterisation focused on two main thermal properties: thermal conductivity and specific heat. To evaluate these features, an experimental setup was developed to reflect a real application scenario. In it, one of the surfaces of the sandwich panels is submitted to a high temperature, while the other faces the indoor room temperature, creating a thermal gradient that generates heat transfer between both environments. The setup allowed the study of thermal behaviour for different temperature levels. Each test comprised of 5 temperature steps: 40ºC, 80ºC, 120ºC, 160ºC, and 200ºC. The test procedure included steady state (for predefined temperature levels) and unsteady state periods, resulting from the temperature level transition. This made it possible to determine the effect of temperature on thermal conductivity and specific heat. It was also possible to observe the effect of temperature on the materials’ appearance and structural integrity. Thermal conductivity at 10oC was also experimentally determined in accordance with normalized methodologies and equipment. These results were in accordance with the thermal conductivity determined for the first temperature level, validating the developed experimental setup. Regarding specific heat capacity, an indirect method was used. This method combines the experimental data with results from a one-dimensional analytical transient heat transfer model, by aligning the experimental values registered by thermocouples with the analytical results using an iterative approach.Regarding the mechanical characterisation the feasibility of using impulse excitation technique (IET) to evaluate the variation of Young’s modulus of these materials with temperature was evaluated. The polymeric foams were studied up to 100 ºC, balsa wood was studied up to 160 ºC, while mineral wool was excluded from this test. This study was validated with static four-point bending tests. The application of this technique eliminates the need to perform static tests in which universal testing machines are placed inside climatic chambers. Additionally, other mechanical tests were performed: shear tests to determine shear resistance, four-point-bending tests in order to understand how shear contributes for rupture in bending, and compression tests to determine compression resistance. All of these tests were carried out at room temperature.
Description: Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/92478
Rights: openAccess
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