nieuws

Bij het ontwerpen van thermische bescherming voor ruimtevaartproducten, met name voor componenten die een aanzienlijke dikte vereisen, complexe geometrieën hebben of gevoelig zijn voor spanningsscheuren, worden composietmaterialen vaak gebruikt als alternatief voor traditionele thermische beschermingscoatings. Bovendien bieden composiet thermische beschermingsstructuren veelzijdige fabricagemogelijkheden: ze kunnen snel direct op de gewenste plek worden gevormd of met behulp van geprefabriceerde composiet thermische beschermingshulzen worden aangebracht, wat de duidelijke voordelen van een efficiënt en gemakkelijk voorbereidingsproces biedt. Momenteel worden fenolglasvezelcomposieten veelvuldig gebruikt in thermische beschermingsstructuren vanwege hun talrijke voordelen, waaronder structurele stabiliteit, hoge temperatuurbestendigheid, hoge verkoolingsopbrengst, lage ablatiesnelheid, hoge mechanische sterkte en uitstekende slagvastheid.

Fenolische glasvezelcomposietenZe hebben een aanzienlijk potentieel voor brede toepassing binnen de lucht- en ruimtevaartsector. Hun thermische beschermingsmechanisme omvat een synergetische wisselwerking van meerdere beschermingsprocessen, waaronder de remming van warmtegeleiding, endotherme pyrolyse, thermische isolatie door de verkoolde laag en structurele ondersteuning. Dit artikel analyseert voornamelijk het thermische beschermingsmechanisme vanuit de perspectieven van remming van warmtegeleiding, endotherme pyrolyse en thermische isolatie door de verkoolde laag.

1. Remming van de warmtegeleiding

In fenolharscomposieten met glasvezels heeft de fenolharsmatrix zelf een inherent lage thermische geleidbaarheid, waardoor de geleiding van externe warmte aanzienlijk wordt vertraagd. Wanneer het composietmateriaal wordt blootgesteld aan de hoge temperaturen die tijdens een vlucht voorkomen, verspreidt de warmte zich aanvankelijk van het buitenoppervlak naar binnen. De macromoleculaire ketenstructuur van de fenolharsmatrix blokkeert echter de warmtegeleidingspaden, waardoor de warmteoverdracht aanzienlijk wordt verminderd. Tegelijkertijd verandert de aanwezigheid van glasvezels in het composiet de interne warmtegeleidingspaden verder. Bovendien vertoont het grensvlak tussen de glasvezels en de fenolhars een hoge thermische weerstand; daardoor ondervindt warmte extra weerstand wanneer deze dit grensvlak passeert, wat het warmtegeleidingsproces verder remt en de temperatuurstijging in het composietmateriaal effectief verlaagt.

2. Endotherme pyrolyse

Wanneer de fenolhars wordt blootgesteld aan een omgeving met hoge temperaturen, ondergaat deze continue pyrolyse-reacties. Dit pyrolyseproces is een endotherme reactie: bij absorptie van thermische energie breken de chemische bindingen binnen de fenolharsmoleculen, waardoor het materiaal ontleedt in kleine gasmoleculen en koolstofhoudende residuen. Dit proces verbruikt effectief de thermische energie die van de externe omgeving naar het oppervlak van het composiet wordt overgedragen, waardoor tegelijkertijd de oppervlaktetemperatuur van het composietmateriaal daalt. 3. Thermische isolatie via de verkoolde laag

Naarmate de pyrolyse-reactie voortschrijdt, vormt zich geleidelijk een verkoolde laag op het oppervlak van defenolharscomposietDeze verkoolde laag heeft een poreuze structuur, waarbij de poriën gevuld zijn met gassen met een extreem lage thermische geleidbaarheid; deze eigenschap verbetert de thermische isolatiecapaciteiten van het composietmateriaal verder. Tegelijkertijd heeft de verkoolde laag een harde oppervlaktestructuur die bestand is tegen specifieke aerodynamische druk en mechanische belastingen, waardoor het onderliggende, niet-verkoolde materiaal wordt beschermd tegen de schurende en eroderende effecten van hogetemperatuurgasstromen. De verkoolde laag die op het composietoppervlak ontstaat, heeft niet alleen een isolerende functie, maar beperkt ook tot op zekere hoogte het massaverlies in het composiet, waardoor de levensduur van de thermische beschermingsstructuur wordt verlengd.