новини

У проектуванні теплового захисту аерокосмічної продукції, для компонентів, що потребують значної товщини, мають складну геометрію або схильні до розтріскування під напругою, композитні матеріали часто використовуються як заміна традиційних теплозахисних покриттів. Крім того, композитні теплозахисні структури пропонують універсальні варіанти виготовлення: їх можна швидко сформувати безпосередньо на конкретній ділянці теплового захисту або склеїти за допомогою попередньо виготовлених композитних теплозахисних гільз, що забезпечує явні переваги ефективного та зручного процесу підготовки. Наразі фенольні скловолокнисті композити широко використовуються в теплозахисних конструкціях завдяки своїм численним перевагам, включаючи структурну стабільність, стійкість до високих температур, високий вихід вуглецю, низьку швидкість абляції, високу механічну міцність та чудову ударну в'язкість.

Фенольні скловолокнисті композитимають значний потенціал для широкого застосування в аерокосмічній галузі. Їхній механізм теплового захисту включає синергетичну взаємодію кількох захисних процесів, включаючи гальмування теплопровідності, ендотермічний піроліз, теплоізоляцію, що забезпечується шаром вугілля, та структурну підтримку. У цій статті буде проаналізовано механізм теплового захисту в першу чергу з точки зору гальмування теплопровідності, ендотермічного піролізу та теплоізоляції, що забезпечується шаром вугілля.

1. Пригнічення теплопровідності

У фенольних скловолокнистих композитах сама фенольна смоляна матриця має низьку теплопровідність, що значно уповільнює проведення зовнішнього тепла. Коли композитний матеріал піддається впливу високотемпературного середовища під час польоту, тепло спочатку поширюється всередину від зовнішньої поверхні. Однак макромолекулярна ланцюгова структура, властива фенольній смоляній матриці, перешкоджає шляхам теплопровідності, тим самим спричиняючи помітне зниження швидкості теплопередачі. Одночасно, наявність скляних волокон у композиті ще більше змінює внутрішні шляхи теплопровідності. Крім того, межа розділу між скляними волокнами та фенольною смолою демонструє високий термічний опір; отже, тепло стикається з додатковим опором, коли воно перетинає цю межу, що ще більше гальмує процес теплопровідності та ефективно знижує швидкість підвищення температури в композитному матеріалі.

2. Ендотермічний піроліз

Під впливом високотемпературного зовнішнього середовища фенольна смола зазнає безперервних реакцій піролізу. Цей процес піролізу є ендотермічною реакцією: після поглинання теплової енергії хімічні зв'язки в молекулах фенольної смоли розриваються, що призводить до розкладання матеріалу на низькомолекулярні гази та вуглецеві залишки. Цей процес ефективно споживає теплову енергію, що передається із зовнішнього середовища на поверхню композиту, тим самим одночасно знижуючи температуру поверхні композитного матеріалу. 3. Теплоізоляція через шар вугілля

У міру протікання реакції піролізу на поверхні поступово утворюється шар вугілляфенольний смоляний композитЦей шар вугілля має пористу структуру, пори якої заповнені газами, що демонструють надзвичайно низьку теплопровідність; ця особливість ще більше підвищує теплоізоляційні властивості композиту. Одночасно шар вугілля має тверду текстуру поверхні, здатну витримувати певний аеродинамічний тиск і механічні навантаження, тим самим захищаючи нижній необвуглений матеріал від впливу стирання та ерозії високотемпературних газових потоків. Шар вугілля, що утворюється на поверхні композиту, не тільки виконує ізоляційну функцію, але й певною мірою зменшує втрату маси в композиті, тим самим продовжуючи термін служби теплозахисної конструкції.