Published February 22, 2015 | Version v1
Publication Open

Effect of the Fiber Orientation Relatively to the Plasma Flow Direction in the Ablation Process of a Carbon-Phenolic Composite

  • 1. Instituto de Aeronáutica e Espaço
  • 2. Hospital de Clínicas da Unicamp
  • 3. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)

Description

Composite materials are vastly employed in rocket nozzle extensions and as thermal protection shields in aerospace industry. In both cases, ablative and thermal properties play an important role for material choice and equipment sizing. These properties are strongly dependent on the way the pieces are manufactured. For the case of nozzle extensions, wrapping is the most common technique employed, which can be done by diverse ways. In this work, samples of the carbon reinforced carbon fiber (CRCF) were extracted from pre-forms obtained by biased and parallel tape wrapping processes with a resol-type phenolic resin used as polymer matrix, in order to study the influence of the fiber angle in the ablative behavior and thermal conductivity. Experimental results for both manufacturing techniques were obtained through ablation tests carried out in a plasma torch, were compared and had the different behaviors discussed. A computational simulation based in a two-front ablation model was also performed, in order to explain the influence of thermal conductivity on the different behaviors presented for biased fiber samples. Results show that the angle of the fibers relative to the heat flux direction is an important parameter to determine the ablative properties and the thermal performance of composite wrapped structures.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تُستخدم المواد المركبة بشكل كبير في امتدادات فوهات الصواريخ وكدروع حماية حرارية في صناعة الطيران. في كلتا الحالتين، تلعب الخواص الجرسية والحرارية دورًا مهمًا في اختيار المواد وتحديد حجم المعدات. تعتمد هذه الخصائص بشدة على طريقة تصنيع القطع. بالنسبة لحالة امتدادات الفوهات، فإن التغليف هو التقنية الأكثر شيوعًا المستخدمة، والتي يمكن القيام بها بطرق متنوعة. في هذا العمل، تم استخراج عينات من ألياف الكربون المعززة بالكربون (CRCF) من الأشكال المسبقة التي تم الحصول عليها عن طريق عمليات تغليف الشريط المتحيزة والمتوازية باستخدام راتنج فينولي من النوع المحلل المستخدم كمصفوفة بوليمر، من أجل دراسة تأثير زاوية الألياف في السلوك الجردي والتوصيل الحراري. تم الحصول على النتائج التجريبية لكلا تقنيتي التصنيع من خلال اختبارات الاستئصال التي أجريت في شعلة البلازما، وتمت مقارنتها ومناقشة السلوكيات المختلفة. كما تم إجراء محاكاة حسابية تعتمد على نموذج الاجتثاث ثنائي الجبهة، من أجل شرح تأثير الموصلية الحرارية على السلوكيات المختلفة المقدمة لعينات الألياف المتحيزة. تظهر النتائج أن زاوية الألياف بالنسبة لاتجاه التدفق الحراري هي معلمة مهمة لتحديد خصائص الاستئصال والأداء الحراري للهياكل المركبة الملفوفة.

Translated Description (French)

Les matériaux composites sont largement utilisés dans les extensions de tuyères de fusée et comme boucliers de protection thermique dans l'industrie aérospatiale. Dans les deux cas, les propriétés ablatives et thermiques jouent un rôle important pour le choix des matériaux et le dimensionnement des équipements. Ces propriétés dépendent fortement de la façon dont les pièces sont fabriquées. Dans le cas des extensions de buse, l'enveloppement est la technique la plus couramment utilisée, qui peut être réalisée de diverses manières. Dans ce travail, des échantillons de la fibre de carbone renforcée au carbone (CRCF) ont été extraits de préformes obtenues par des procédés de banderolage polarisés et parallèles avec une résine phénolique de type résol utilisée comme matrice polymère, afin d'étudier l'influence de l'angle de la fibre dans le comportement ablatif et la conductivité thermique. Les résultats expérimentaux pour les deux techniques de fabrication ont été obtenus par des tests d'ablation effectués dans une torche à plasma, ont été comparés et ont fait l'objet de discussions sur les différents comportements. Une simulation computationnelle basée sur un modèle d'ablation à deux fronts a également été réalisée, afin d'expliquer l'influence de la conductivité thermique sur les différents comportements présentés pour les échantillons de fibres biaisés. Les résultats montrent que l'angle des fibres par rapport à la direction du flux thermique est un paramètre important pour déterminer les propriétés ablatives et la performance thermique des structures enveloppées composites.

Translated Description (Spanish)

Los materiales compuestos se emplean ampliamente en extensiones de boquillas de cohetes y como escudos de protección térmica en la industria aeroespacial. En ambos casos, las propiedades ablativas y térmicas juegan un papel importante para la elección del material y el tamaño del equipo. Estas propiedades dependen en gran medida de la forma en que se fabrican las piezas. Para el caso de las extensiones de boquilla, la envoltura es la técnica más común empleada, que se puede realizar de diversas maneras. En este trabajo, se extrajeron muestras de la fibra de carbono reforzada con carbono (CRCF) de preformas obtenidas mediante procesos de envoltura de cinta sesgada y paralela con una resina fenólica de tipo resol utilizada como matriz polimérica, con el fin de estudiar la influencia del ángulo de la fibra en el comportamiento ablativo y la conductividad térmica. Los resultados experimentales para ambas técnicas de fabricación se obtuvieron a través de pruebas de ablación realizadas en un soplete de plasma, se compararon y se discutieron los diferentes comportamientos. También se realizó una simulación computacional basada en un modelo de ablación de dos frentes, con el fin de explicar la influencia de la conductividad térmica en los diferentes comportamientos presentados para muestras de fibras sesgadas. Los resultados muestran que el ángulo de las fibras con respecto a la dirección del flujo de calor es un parámetro importante para determinar las propiedades ablativas y el rendimiento térmico de las estructuras envueltas de material compuesto.

Files

pdf_55.pdf

Files (739.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:82df3d13bda4e3b0d86bc52be05cc10d
739.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثير اتجاه الألياف بالنسبة لاتجاه تدفق البلازما في عملية استئصال مركب كربوني فينولي
Translated title (French)
Effet de l'orientation des fibres par rapport à la direction d'écoulement du plasma dans le processus d'ablation d'un composite carbone-phénolique
Translated title (Spanish)
Efecto de la orientación de la fibra en relación con la dirección del flujo plasmático en el proceso de ablación de un compuesto carbono-fenólico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2019520473
DOI
10.5028/jatm.v7i1.437

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1531396812
  • https://openalex.org/W157567591
  • https://openalex.org/W1921716853
  • https://openalex.org/W1988715129
  • https://openalex.org/W2007085357
  • https://openalex.org/W2012063891
  • https://openalex.org/W2026629078
  • https://openalex.org/W2030744844
  • https://openalex.org/W2094502964
  • https://openalex.org/W2094893720
  • https://openalex.org/W2108941699
  • https://openalex.org/W3023171317
  • https://openalex.org/W35714267