بررسی مقاومت گرمایی نانوکامپوزیت‌های رزین فنولی-الیاف شیشه- نانوسیلیکا

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد دزفول، صندوق پستی: 313

2 تهران، پژوهشگاه فضایی ایران، پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل فضایی، صندوق پستی: 754-13445

چکیده

از کامپوزیت الیاف شیشه در ساخت محفظه سوختن سازه‌های فضایی استفاده می‌شود. برای بهبود عملکرد کامپوزیت‌ها در این سازه‌ها، ذرات سیلیکا در مقیاس میکرون کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. در پژوهش حاضر، امکان ساخت کامپوزیت فنولی الیاف شیشه با ذرات سیلیکا در مقیاس نانو برای جایگزینی کامپوزیت‌های رایج ساخته شده از ذرات سیلیکون دی‌اکسید در مقیاس میکرون بررسی شده است. هدف از ساخت این نانوکامپوزیت‌ها افزایش عملکرد فداشوندگی این سازه‌ها و نیز کاهش وزن مرده و هزینه ساخت این سازه‌های فضایی است. برای ساخت نمونه‌ها، ابتدا مقدار مشخصی از رزین در متیل الکل حل شد. سپس، مقدار لازم نانوسیلیکا به مخلوط اضافه شد و مخلوط حاصل به‌مدت 1h به‌طور هم‌زمان با همزن مکانیکی و فراصوت‌دهی همزده شد. برای ساخت نانوکامپوزیت الیاف شیشه، ابتدا مقدار نظری الیاف خرده شده وزن شد. سپس، این الیاف به‌طور دستی با مخلوط رزین به‌دست آمده آغشته‌سازی شدند. برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها خمیر آماده شده داخل قالب استوانه‌ای ریخته شد و به روش قالب‌گیری فشاری در دمای 170C و فشار 10bar پخت شد. برای بررسی خواص فداشوندگی نمونه‌های ساخته شده از آزمون اکسی‌استیلن استفاده شد. در این آزمون از داده‌های کاهش وزن نمونه‌ها و بررسی سطح نمونه‌ها پیش و پس از فداشوندگی برای تحلیل نتایج به‌دست آمده استفاده شد. نتایج نشان داد، وجود نانوسیلیکا باعث تشکیل لایه مذاب با گرانروی زیاد شده که به‌عنوان لایه محافظ در برابر نفوذ گرما عمل کرده و از تخریب بیشتر لایه‌های پایین‌تر نمونه‌ها جلوگیری می‌کند. همچنین، فرسایش وزنی نانوکامپوزیت دارای فقط 2، 4 و %6 وزنی نانوسیلیکا نسبت به نمونه بدون نانوسیلیکا به ترتیب حدود 12، 19 و %31 کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Thermal Resistance of Phenolic Resin/Glass Fiber/Nanosilica Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Bahram Pourhasan 1
  • Aidin Mirzapour 2
  • Zahra Islami 2
1 Islamic Azad University, Dezfoul Branch, P.O. Box: 313, Dezfoul, Iran
2 Space Transportation Research Institute, Iranian Space Research Center Institute, P.O. Box: 13445-754, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Glass-reinforced composites are used in the production of passively cooled combustion chambers. To improve the performance of these composites as well as to decrease their costs, the use of micron sized silicon dioxide particles has been widely used. In this work, the possibility of producing glass phenolic composites with nanosized silica as an alternative to micron-scaled silicon dioxide was investigated.
Methods: In order to disperse nanosilica in composites uniformly, a combination of sonication and high stirring was used. In all cases, the blends were prepared according to following procedure: the resin was weighed and diluted in methyl alcohol, and then the selected amount of nanosilica was added. The resultant mixture was sonicated and stirred for 1 h simultaneously. For preparation of glass fiber nanocopmpsites, a theoretical amount of chopped strands was weighed first and then the fibers were mixed with resin or the nanocomposites. Each produced paste was placed in a cylindrical shaped mold and then the mass was compression molded at a pressure of about 10 bar and cured at 180°C. The thermal resistance properties of the produced materials were studied using an oxy-acetylene torch. In depth temperature profiles taken through the thickness of the samples, ablation and loss of mass data of the post-test surfaces were used to evaluate the effects of nanosilica. Furthermore, to investigate the material post-test microstructure, a detailed morphological characterization was carried out using scanning electron microscopy.
Findings: In comparison to neat glass/phenolic composite, the introduction of just 2, 4 and 6 wt% nanosilica particles embedded in the matrix improved the mass loss of nanocomposites about 12, 19 and 31%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • phenolic composite
  • glass fiber
  • nanosilica
  • oxy-acetylene test
  • ablation

1.Torre L., Kenny J.M., and Maffezzoli A.M., Degradation Behaviour of a Composite Material for Thermal Protection Systems Part I–Experimental Characterization, J. Mater. Sci., 33, 3137-3143, 1998.
2.Park J.K. and Kang T.J., Thermal and Ablative Properties of Low Temperature Carbonfibre-Phenol Formaldehyde Resin Composites, Carbon, 40, 2125-2134, 2002.
3.Xuetao S., Kezhi L., Hejun L., Hongying D., Weifeng C., and Fengtao L., Microstructure and Ablation Properties of Zirconium Carbide Doped Carbon/Carbon Composites, Carbon, 48, 344-351, 2010.
4.Natali M., Monti M., Puglia D., Kenny J.M., and Torre L., Ablative Properties of Carbon Black and MWNT/Phenolic Composites: A Comparative Study, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact., 43, 174-182, 2012.
5.Lu X.F., Xiao P., Chen J., and Long Y., Oxidation Behavior of C/C Composites with the Fibre/Matrix Interface Modified by Carbon Nanotubes Grown In Situ at Low Temperature, Corros Sci., 55, 20-25, 2012.
6.Lee Y.J. and Joo H.J., Investigation on Ablation Behavior of CFRC Composites Preparedat Different Pressure, Compos., Part A: Appl. Sci. Manufact., 35, 1285-1290, 2004.
7.Cho D. and Yoon B.I., Microstructural Interpretation of the Effect of Various Matriceson the Ablation Properties of Carbon-Fibre-Reinforced Composites, Compos. Sci. Technol., 61, 271-280, 2001.
8.Cho D., Ha H.S., Lim Y.S., Yoon B.I., and Kim K.S., Microstructural Evidence for the Thermal Oxidation Protection of Carbon/Phenolic Towpregs and Composites, Carbon, 34, 861-868, 1996.
9.Mirzapour M., Haghighat H., and Eslami Z., Effect of Zirconia on Ablation Mechanism of Asbestos Fibre/Phenolic Composites in Oxyacetylene Torch Environment, Ceram. Int., 39, 9263-9272, 2013.
10.Henderson J.B. and Tant M.R., A Study of the Kinetics of High-Temperature Carbon-Silica Reactions in an Ablative Polymer Composites, J. Polym. Compos., 4, 233-237, 1983.
11.Chen Y., Chen P., Hong C., Zhang B., and Hui D., Improved Ablation Resistance of Carbon–Phenolic Composites by Introducing Zirconium Diboride Particles, Compos. Part B: Eng., 47, 320-325, 2013.
12.Mirzapour A., Pourhasan B., and Eslami Z., Effect of Nanosilica on Bending Strength and Thermal Stability of Glass Fiber/Phenolic Nanocomposite, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 377-386, 2016.
13.Zamani J. and Moosabeiki V., Manufacturing Method of Carbon/PhenolicComposites and Its Implication on Ablative Characteristics, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 243-256, 2013.
14.Mirzapour M.A., Haghighat H.R., and Eslami Z., Study on Ablation Behavior of Phenolic Pomposites Prepared with Different Amounts of Zirconia and Asbestos Fiber, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 25, 181-191, 2012.
15.Kucuk A., Lima R.S., and Berndt C.C., Hybrid Carbon-Carbon Ablative Composite for Termal Protection in Aerospace, J. Am. Ceram. Soc., 84, 693-700, 2001.
16.Sanoj P. and Kandasubramanian B.J., Influence of Plasma Spray Parameters on Formation and Morphology of ZrO2-8wt.% Y2O3 Deposites, Composites, 2014, DOI: 10.1155/2014/825607.
17.Natali M., Monti M., Kenny J.M., and Torre L., A nanostructured Ablative Bulk Moulding Compound: Development and Characterization, Compos., Part A: Appl. Sci. Manufact., 42, 1197-1204, 2011.
18.Mirzapour A., Asadollahi M.H., Baghshaei S., and Akbari M., Effect of Nanosilica on the Microstructure, Thermal Properties and Bending Strength of Nanosilica Modified Carbon Fiber/Phenolic Nanocomposite., Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact., 63, 159-167, 2014.
19.Asaro A., Manfredi L.B., and Rodriguez E.S., Study of the Ablative Properties of Phenolic/Carbon Composites Modified with Mesoporous Silica Particles, J. Compos. Mater., DOI: 10.1177/2018.
20.Yin R., Cheng H., Hong C., and Zhang X., Synthesis and Characterization of Novel Phenolic Resin/Silicone Hybrid Aerogel Composites with Enhanced Thermal, Mechanical and Ablative Properties, Compos., Part A: Appl. Sci. Manufact., 101, 500-510, 2017.
21.Wang C., Cheng H., Hong C., and Zhang X., Lightweight Chopped Carbon Fibre Reinforced Silane Modified Phenolic Resin Aerogel Nanocomposite: Facile Preparation, Properties and Application to Thermal Protection, Compos., Part A: Appl. Sci. Manufact., 112, 81-90,2018.
22.Chen J., Zhang W., and Liu L., Improve Thermal Stability of Phenolic Resin by Graphene-Encapsulated Nano-SiO2 Hybrid, J. Therm. Analy., DOI: 10.1007/10973/2018.
23.Campbell F.C., Chapter 2- Fibers and Reinforcements: The String that Provides the Strength, in Manufacturing Processes for Advanced Compositesm, Elsevier Science: Amsterdam. 2003.
24.Rahatekar S.S., Zammarano M., Matko S., Koziol K.K., Windle A.H., Nyden M., Kashiwagi T., and Gilman J.W., Effect of Carbon Nanotubes and Montmorillonite on the Flammability of Epoxy Nanocomposites, J. Polym. Degrad. Stabil., 95, 870-879, 2010.
25.Srikanth I., Daniel A., Kumar S., Padmavathi N., Singh V., and Ghosal P., Nanosilica Modified Carbon-Phenolic Composites for Enhanced Ablation Resistance, Scr. Mater., 63, 200-203, 2010.
26.Tran H.K., Development of Lightweight Ceramic Ablators and Arc-Jet Test Result, NASA Technical Memorandum, 108798, 1994.