новости

В конструкции теплозащитных элементов аэрокосмической продукции, особенно для компонентов, требующих значительной толщины, имеющих сложную геометрию или подверженных растрескиванию под напряжением, композитные материалы часто используются в качестве замены традиционных теплозащитных покрытий. Кроме того, композитные теплозащитные конструкции предлагают универсальные варианты изготовления: их можно быстро формировать непосредственно на конкретном участке теплозащиты или приклеивать с помощью предварительно изготовленных композитных теплозащитных втулок, что обеспечивает преимущества эффективного и удобного процесса изготовления. В настоящее время фенольные стекловолоконные композиты широко используются в теплозащитных конструкциях благодаря многочисленным преимуществам, включая структурную стабильность, высокую термостойкость, высокий выход коксового остатка, низкую скорость абляции, высокую механическую прочность и превосходную ударную вязкость.

Композиты из фенольного стекловолокнаОбладают значительным потенциалом для широкого применения в аэрокосмической отрасли. Механизм их тепловой защиты включает в себя синергетическое взаимодействие множества защитных процессов, в том числе подавление теплопроводности, эндотермический пиролиз, теплоизоляцию, обеспечиваемую слоем обугливания, и структурную поддержку. В данной статье будет проведен анализ механизма тепловой защиты с точки зрения подавления теплопроводности, эндотермического пиролиза и теплоизоляции, обеспечиваемой слоем обугливания.

1. Ингибирование теплопроводности

В композитах на основе фенольного стекловолокна сама фенольная смола обладает изначально низкой теплопроводностью, что значительно замедляет передачу внешнего тепла. Когда композитный материал подвергается воздействию высоких температур, встречающихся во время полета, тепло первоначально распространяется внутрь от внешней поверхности. Однако макромолекулярная цепная структура, присущая фенольной смоле, препятствует путям теплопроводности, вызывая тем самым заметное снижение скорости теплопередачи. Одновременно присутствие стекловолокон в композите дополнительно изменяет внутренние пути теплопроводности. Более того, граница раздела между стекловолокнами и фенольной смолой обладает высоким термическим сопротивлением; следовательно, тепло встречает дополнительное сопротивление при прохождении через эту границу раздела, что еще больше замедляет процесс теплопроводности и эффективно снижает скорость повышения температуры внутри композитного материала.

2. Эндотермический пиролиз

При воздействии высокотемпературной внешней среды фенольная смола подвергается непрерывным реакциям пиролиза. Этот процесс пиролиза является эндотермической реакцией: при поглощении тепловой энергии химические связи внутри молекул фенольной смолы разрываются, вызывая разложение материала на мелкомолекулярные газы и углеродистые остатки. Этот процесс эффективно поглощает тепловую энергию, передаваемую из внешней среды на поверхность композита, тем самым одновременно снижая температуру поверхности композитного материала. 3. Теплоизоляция за счет слоя обугливания

В процессе пиролиза на поверхности постепенно образуется слой обугливания.композит на основе фенольной смолыЭтот слой обугливания обладает пористой структурой, поры которой заполнены газами, обладающими чрезвычайно низкой теплопроводностью; эта особенность дополнительно повышает теплоизоляционные свойства композита. Одновременно слой обугливания имеет твердую поверхностную текстуру, способную выдерживать определенные аэродинамические давления и механические нагрузки, тем самым защищая нижележащий необугленный материал от воздействия высокотемпературных газовых потоков, вызывая его истирание и эрозию. Слой обугливания, образующийся на поверхности композита, не только выполняет изоляционную функцию, но и в определенной степени уменьшает потерю массы композита, тем самым продлевая срок службы теплозащитной конструкции.