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No projeto de proteção térmica de produtos aeroespaciais, para componentes que exigem espessura substancial, possuem geometrias complexas ou são suscetíveis a fissuras por tensão, materiais compósitos são frequentemente empregados como substitutos dos revestimentos de proteção térmica tradicionais. Além disso, as estruturas de proteção térmica compostas oferecem opções de fabricação versáteis: podem ser moldadas rapidamente diretamente sobre o local específico de proteção térmica ou podem ser fixadas no local utilizando mangas de proteção térmica compostas pré-fabricadas, oferecendo assim as vantagens distintas de um processo de preparação eficiente e conveniente. Atualmente, os compósitos de fibra de vidro fenólica são amplamente utilizados em estruturas de proteção térmica devido aos seus inúmeros méritos, incluindo estabilidade estrutural, resistência a altas temperaturas, alto rendimento de carbono, baixa taxa de ablação, alta resistência mecânica e excelente resistência ao impacto.

Compósitos de fibra de vidro fenólicaOs materiais carbonizados apresentam um potencial significativo para ampla aplicação no setor aeroespacial. Seu mecanismo de proteção térmica envolve uma interação sinérgica de múltiplos processos protetores, incluindo a inibição da condução de calor, a pirólise endotérmica, o isolamento térmico proporcionado pela camada carbonizada e o suporte estrutural. Este artigo analisará principalmente o mecanismo de proteção térmica sob as perspectivas da inibição da condução de calor, da pirólise endotérmica e do isolamento térmico proporcionado pela camada carbonizada.

1. Inibição da condução de calor

Em compósitos de fibra de vidro fenólica, a própria matriz de resina fenólica possui uma condutividade térmica inerentemente baixa, o que retarda significativamente a condução de calor externo. Quando o material compósito é submetido a ambientes de alta temperatura, como os encontrados durante o voo, o calor inicialmente se propaga de fora para dentro. No entanto, a estrutura macromolecular da cadeia inerente à matriz de resina fenólica obstrui os caminhos de condução de calor, causando uma redução acentuada na taxa de transferência de calor. Concomitantemente, a presença de fibras de vidro no compósito altera ainda mais os caminhos internos de condução de calor. Além disso, a interface entre as fibras de vidro e a resina fenólica apresenta alta resistência térmica; consequentemente, o calor encontra impedância adicional ao atravessar essa interface, inibindo ainda mais o processo de condução de calor e reduzindo efetivamente a taxa de aumento de temperatura no material compósito.

2. Pirólise Endotérmica

Quando exposta a ambientes externos de alta temperatura, a resina fenólica sofre reações contínuas de pirólise. Esse processo de pirólise é uma reação endotérmica: ao absorver energia térmica, as ligações químicas dentro das moléculas da resina fenólica se rompem, fazendo com que o material se decomponha em gases de moléculas pequenas e resíduos carbonáceos. Esse processo consome efetivamente a energia térmica transferida do ambiente externo para a superfície do compósito, reduzindo, assim, a temperatura da superfície do material compósito. 3. Isolamento Térmico via Camada Carbonizada

À medida que a reação de pirólise prossegue, uma camada de carvão se forma gradualmente na superfície docompósito de resina fenólicaEssa camada carbonizada possui uma estrutura porosa, com seus poros preenchidos por gases que exibem condutividade térmica extremamente baixa; essa característica aprimora ainda mais as capacidades de isolamento térmico do compósito. Simultaneamente, a camada carbonizada apresenta uma textura superficial rígida capaz de suportar pressões aerodinâmicas e cargas mecânicas específicas, protegendo assim o material subjacente não carbonizado dos efeitos abrasivos e erosivos dos fluxos de gás em alta temperatura. A camada carbonizada gerada na superfície do compósito não apenas desempenha uma função isolante, mas também, em certa medida, mitiga a perda de massa no compósito, prolongando assim a vida útil da estrutura de proteção térmica.