ارزیابی خواص گرمایی کامپوزیت‌های مقاوم به دمای زیاد در شرایط شار گرمایی مختلف

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی ۱۱۴-۱۴۱۱۵

چکیده

برای حفاظت از سازه‌­ها در شرایط شوک‌­های گرمایی ناگهانی، استفاده از عایق‌­های گرمایی غیرفعال، به­ ویژه کامپوزیت­‌های فداشونده زغال‌گذار نسبت به سایر روش‌­های حفاظت گرمایی مؤثرتر و به­ صرفه‌تر است. افزون بر مدون­ نبودن دانش طراحی عایق گرمایی با ضخامت بهینه در شرایط واقعی، مهم‌­ترین محدودیت‌­های گزارش شده درباره این عایق­‌های فداشونده سرعت به نسبت زیاد خوردگی ناشی از جریان گاز داغ و کم­بودن مقاومت مکانیکی زغال تشکیل شده حاصل از فرایند فداشدن است. در این پژوهش، کامپوزیت سرامیکی سیالون (SiAlON) تقویت‌ شده با الیاف کربن به عنوان نمونه‌­ای از سپرهای گرمایی مقاوم به دمای زیاد با هدف غلبه بر محدودیت­‌های مزبور ارائه شده است. ارزیابی کارایی حفاظت گرمایی این سامانه کامپوزیتی با تعیین کمی سرعت فداشوندگی و نفوذ گرمایی مؤثر در شرایط شارهای گرمایی مختلف اعمال شده به کمک آزمون شعله اکسی­ استیلن و مدل­‌سازی فرایند فداشدن انجام شد. طبق نتایج این پژوهش، کامپوزیت مزبور به عنوان سپر گرمایی فداشونده دما زیاد و کارآمد پیشنهاد شده است. زیرا نسبت به کامپوزیت‌­های مشابه در شرایط یکسان آزمون­‌های فداشوندگی، کامپوزیت سرامیکی سیالون تقویت شده با الیاف کربن کارایی بیشتری نشان می­‌دهد. در شارهای گرمایی ۸۵۰۰  و kW/m2 ۵۰۰۰ سرعت خوردگی (فداشوندگی) کامپوزیت مدنظر به ترتیب برابر با    ۰/۰۷۵ و mm/s ۰/۰۲۶ است. همچنین کامپوزیت مزبور در شار گرمایی kW/m2 ۲۵۰۰ و در زمان اعمال شار کمتر از  ۲۵ ثانیه مقاومت در برابر شوک گرمایی خوبی نشان می دهد. به ­طوری که بیشترین مقدار کاهش استحکام خمشی در این شرایط %۲۳/۴ است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of High Temperature Composites Thermal Properties under Different Heat Flux Conditions

نویسندگان [English]

  • Ahmad Reza Bahramian
  • Azadeh Seifi
Polymer Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

The thermal protection of structures in vehicles, at instantaneous high thermal shocks, would be more effective and economically feasible among other thermal protection methods using the passive heat shields especially charring the ablative composites. The most important limitations reported are lack of compiled knowledge on designing heat shield with optimal thickness under real conditions and high surface erosion rate and low mechanical strength of char layer of a composite created by ablation process. In this paper SiAlON ceramic composites, reinforced with short carbon fiber, are identified as high performance heat shields for challenging these limitations. Ablation rate and effective thermal diffusivity at different external heat fluxes are determined and calculated using oxyacetylene flame test and modeling of temperature distributions in ablation process for evaluation of thermal protection performance and effective thermal diffusivity of this composite, as a thermal protection system. The results of this work have indicated that the carbon fiber reinforced SiAlON ceramic composite can be considered as a high ablation heat shield. Under the same condition of ablation test, SiAlON ceramic composites reinforced by carbon fiber show higher ablation performance relative to other commercial carbon fiber reinforced composite heat shields. At 8500 and 5000 kWm-2 external heat flux the ablation rates of this composite are 0.075 and 0.026 mms-1, respectively. Also, at 2500 kWm-2 external heat flux and test duration time of less than 25 s, this composite displays an adequate thermal shock protection with maximum flexural strength loss of about 23.4 %.

کلیدواژه‌ها [English]

  • thermal protection
  • carbon fiber reinforced ceramic composite
  • ablation
  • thermal properties
  • modeling