Carbon nanotube architectures and polymer composites for flow boiling and thermal rectification enhancement

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multiscale thermal management is increasingly critical for next-generation power electronics, electric mobility, and high-density energy systems, where heat must be dissipated efficiently and, in some cases, directionally controlled. This dissertation investigates two complementary strategies for engineering heat transport across fluidic and solid media.
In chapter 2, saturated flow-boiling characteristics are examined in millimeter-scale channels lined with two-tier vertically aligned multi-walled carbon nanotubes (VAMWNTs). Surface tension induced aggregation forms simultaneous nanopores (<72 nm) and micropores (10–200 µm), enabling liquid–vapor pathway separation, strong capillary replenishment, and confined bubble growth. These mechanisms produce an exceptionally high heat transfer coefficient of 100,666 W m-2 K-1 at 183 W cm-2 with no observed critical heat flux (CHF), significantly outperforming Cu foam and plain channels. The two-tier CNT structure demonstrates a robust approach for suppressing dryout while enabling efficient two-phase cooling.
In chapter 3, thermal rectification is realized in bilayer silicon rubber (SR) composites whose asymmetric elastic modulus is tuned by varying aluminum nitride (AlN) filler concentrations. A three-dimensional lattice vibration model is developed to show that elastic-modulus asymmetry alone can induce directional heat flux in nonlinear lattices, complementing asymmetric conduction and radiation. Experiments confirm significant rectification in SR5–51 vol% composites (TR = 18.4% at ΔT = 60 oC) and a greatly amplified effect in GO–SR51 vol% bilayers (elastic modulus ratio = 141.8, TR = 82.9%). Finite element simulations indicate that conduction + radiative asymmetry contribute partially, but the full TR requires the elastic modulus mechanism.

국문 초록 (Abstract)

차세대 전력전자, 전기 모빌리티, 고집적 에너지 시스템에서는 열을 효율적으로 제거하고, 경우에 따라서는 열 흐름을 방향성 있게 제어하는 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 본 학위논문에서는 유체 및 고체 매질에서의 열전달을 공학적으로 제어하기 위한 두 가지 상보적인 전략을 제시한다. 제2장에서는 미세–나노 계층 구조를 갖는 이중 단계 탄소나노튜브 채널을 이용한 향상된 유동 비등 열전달, 제3장에서는 탄성계수 비대칭성과 열복사 거동을 활용한 벌크 스케일 열정류 기술을 각각 다룬다.
제2장에서는 이중 단계 구조의 수직배열 다중벽 탄소나노튜브로 코팅된 밀리미터 스케일 채널에서 포화 유동 비등 특성을 조사하였다. 표면 장력에 의해 탄소나노튜브가 미세·나노 수준에서 자가 응집되면서 72 nm 이하의 나노 기공과 10–200 µm 크기의 마이크로 기공이 동시에 형성되며, 이를 통해 액상–증기 경로가 자연스럽게 분리되고, 강한 모세관 재급유와 제한된 기포 성장이 가능해진다. 이러한 메커니즘의 결합으로 인해 183 W cm-2 조건에서 100,666 W m-2 K-1의 매우 높은 열전달계수를 달성했으며, 임계열유속도 관찰되지 않았다. 이는 구리 폼 및 일반 채널과 비교해 상당히 우수한 성능으로, 이중 단계 탄소나노튜브 구조가 건조 영역 형성을 억제하고 고효율 2상 냉각을 실현할 수 있음을 보여준다.
제3장에서는 서로 다른 농도의 질화알루미늄 충전재를 함유한 실리콘 고무(SR) 이중층을 제작하여 탄성계수 비대칭성을 구현하고, 이를 통해 열정류 (TR) 특성을 규명하였다. 3차원 격자 진동 모델을 개발하여 탄성계수 비대칭성만으로도 비선형 격자에서 방향성 열흐름이 유도될 수 있음을 이론적으로 확인하였으며, 이는 열전도 및 복사 비대칭성과 상호 보완적으로 작동한다. 실험적으로는 SR5–51 vol% 조합에서 ΔT = 60 oC 조건에서 18.4%의 열정류 비를 달성하였고, 그래핀 옥사이드를 포함한 SR51 vol% 조합에서는 탄성계수 비가 141.8까지 증가함에 따라 TR이 82.9%로 크게 향상되었다. 유한요소해석(FEM)을 통해 열전도 비대칭성과 복사 비대칭성이 일부 기여함을 확인했으나, 실험에서 나타난 전체 TR을 설명하기 위해서는 탄성계수 기반 메커니즘이 필수적임을 밝혔다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Overview 1
• 1.2 Background And motivation 4
• 1.2.1 Two-phase flow boiling and micro/nanostructures 7
• 1.2.2 Concept and importance of thermal rectification 10
• 1.2.3 Existing mechanisms for thermal rectification 15
• 1.3 Application 17
• Chapter 2. Dryout Suppression and Significantly Enhanced Flow Boiling Heat Transfer through the Two-tier Vertically Aligned Carbon Nanotube Channel 21
• 2.1 Introduction 21
• 2.2 Experimental section 25
• 2.2.1 Fabrication of VAMWNTs 25
• 2.2.2 Flow boiling experimental setup 27
• 2.2.3 Characterization 29
• 2.3 Results and discussion 32
• 2.3.1 Two-tier pore structure of the VAMWNT channel 32
• 2.3.2 Flow boiling heat transfer through the VAMWNT channel 36
• 2.3.3 Enhanced flow boiling mechanism of the two-tier VAMWNT channel 55
• 2.3.4 Performance comparison of the VAMNWT channel 60
• 2.4 Conclusion 64
• Chapter 3. Thermal Rectification of Bilayered Composites via Asymmetric Elastic Modulus and Thermal Radiation 65
• 3.1 Introduction 65
• 3.2 Results and discussion 68
• 3.2.1 Synthesis of the bilayered SR composites with different AlN concentrations for thermal rectification. 68
• 3.2.2 The heat transfer characteristics of a uniform specimen (SR5-5 vol%) with and without pressure compensation. 81
• 3.2.3 Thermal rectification of the asymmetric bilayered SR composites 92
• 3.3 Conclusion 108
• 3.4 Methods 108
• 3.4.1 Synthesis of the bilayered SR composites 108
• 3.4.2 Characterization 110
• Chapter 4. Summary and Future Work 112
• 4.1 Summary 112
• 4.2 Future work and applications 116
• 4.2.1 Limitations of the Present Study 116
• 4.2.2. Future Work on Two-Tier CNT Flow Boiling Systems 119
• 4.2.3. Future Work on Bulk Thermal Rectification 120
• 4.2.4 Hybrid Systems for Application-Oriented Future Directions 121
• Reference 125
• Appendix 142
• 국문초록 148