شبیه‌سازی پاسخ گرمایی عایق‌های فداشونده‌ فراسبک متخلخل بر پایه ایروژل‌های کربنی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 اهواز، دانشگاه شهید چمران اهواز، دانشکده مهندسی، گروه آموزشی مهندسی شیمی، کد پستی ۶۱۳۵۷۸۳۱۵

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، کد پستی 4413 -15875

چکیده

فرضیه: در سال‌های اخیر، فداشونده‌های متخلخل کربن-فنولی، به‌دلیل قابلیت مهندسی ساختاری و تنظیم چگالی به‌منظور دستیابی به تعادل میان پایداری فداشوندگی و کارایی عایقی در شرایط گرمایی-آئرودینامیکی برای ماموریت‌های فضایی ویژه مورد توجه قرار گرفته‌اند. ایروژل‌های کربنی آغشته به رزین فنولی با ساختار شبکه‌ا‌ی سه‌بعدی نانومتخلخل و به‌هم پیوسته، چگالی بسیار کم و خواص عایقی ویژه، نمونه‌ای جدید از فداشونده‌های کربن-فنولی سبک هستند. توسعه مدل‌های ریاضی و ابزارهای شبیه‌سازی متناسب با ساختار عایق‌های فداشونده، با هدف پیش‌بینی توزیع دما و چگالی در عمق فداشونده و تعیین ضخامت مناسب آن‌ها انجام می‌گیرد.
روش‌ها: در این پژوهش، نمونه‌هایی نوین از کامپوزیت‌های فراسبک کربن-فنولی بر پایه ایروژل‌های کربنی با چگالی کم در محدوده 0.36 تا 0.76g/cm3 ساخته شدند. پس از تعریف مدل ریاضی برای پیش‌بینی توزیع دما و چگالی عمقی فداشونده‌ها، داده‌های ورودی مدل مانند پارامترهای سینتیکی تخریب گرمایی و خواص ترموفیزیکی نمونه‌ها با استفاده از آزمون گرماوزن‌سنجی و پسروی سطحی تخمین زده شدند. همچنین ریزساختار فداشونده با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی حین فدایش بررسی شد. سپس شبیه‌سازی فرایند فداشدن عایق‌های گرمایی تهیه‌شده با نرم‌افزار تجاری Comsol Multiphysics انجام شد.
یافته‌ها: مقایسه نتایج شبیه‌سازی و آزمون‌های تجربی حاکی از پیش‌بینی مطلوب رفتار گرمایی فداشونده‌های بر پایه ایروژل کربنی آغشته به رزین فنولی با استفاده از برنامه رایانه‌ای نام‌برده بود. بر پایه نتایج تجربی و مدل ریاضی‌ کاهش چگالی رزین و سبک‌سازی فداشونده متخلخل سبب رخداد پدیده‌ی فدایش عمقی شده در حالی که برای فداشونده‌ سنگین‌تر پیرولیز و فدایش در ناحیه‌ سطحی اتفاق می‌افتد. با استفاده از مدل ریاضی نام‌برده و شبیه‌سازی انجام شده می توان برای هر شرایط کاربری مدنظر چگالی و ضخامت مورد نیاز عایق گرمایی را تخمین زد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation of Thermal Response of Ultralight Porous Ablative Insulators Based on Carbon Aerogels

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mehdi Seraji 1
  • ahmad arefazar 2
1 Department of chemical engineering, engineering faculty, shahid chamran university of ahvaz, ahvaz, Iran
2 Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: In recent years, porous carbon-phenolic ablators have attracted attention for special aerospace missions due to the capability of the structural and density tuning to achieve a balance between ablation and insulation performance under thermal-aerodynamic conditions. Phenolic resin-impregnated carbon aerogels with a three-dimensional, interconnected nanoporous network structure, very low density, and special insulation properties are a novel type of lightweight carbon-phenolic ablators. Also, the development of mathematical models and simulation of thermal response of ablative insulators, appropriate to their structure is carried out with the aim of predicting the temperature and density distribution in the ablator depth. The theoretical results ultimately lead to the determination of the optimal insulation thickness for the application conditions
Methods: Novel types of ultralight carbon-phenolic composites based on carbon aerogels with low density in the range of 0.36 to 0.76 g/mL were fabricated. After defining a mathematical model to predict the temperature distribution and depth density of the ablators, the model input data such as thermal degradation kinetic parameters and thermophysical properties were estimated using TGA and recession rate analysis. Also, the microstructure of the ablator material was investigated using scanning electron microscopy during the ablation process. Then, the ablation process of the prepared thermal insulators was simulated using the commercial software Comsol Multiphysics based on the 1-D mathematical model.
Findings: The results showed that increasing the density of the ablator from 0.36 to 0.76 g/mL helped to decrease the surface and the depth temperatures of the ablator The depth temperature of the ablators with a density of 0.36 g/cm3 at the depth of 25 and 35 mm was 100°C and 65°C, respectively. The in-depth temperatures decreased  80°C at 25 mm and 58°C at 35 mm) for the ablator with the density of 0.76 g/mL. The surface recession rate also decreased from 0.091 to 0.055 mm/s with the density increase. Lightening of the ablators caused the occurrence of the in-depth ablation phenomenon, while for the ablators with higher density, pyrolysis and ablation occurred in the surface region. Comparison of simulation and experimental results indicated that the thermal behavior of phenolic impregnated carbon aerogel ablators was predicted favorably using the developed computer program. Using the developed computer program, the ablator density and the required thickness of thermal insulator could be estimated for each application condition.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Key words: Porous Composite Ablators
  • Carbon Aerogel
  • Ablation
  • Phenolic Resins
  • Insulation Properties