Wybrane właściwości cieplne polimerowych kompozytów ablacyjnych

Pojęcie ablacji odnosi się do wymiany ciepła i masy w warstwie wierzchniej ciała w procesach termochemicznych i mechanicznych. Istnieje wiele zastosowań technicznych ablacji materiałowej. Polimerowe materiały ablacyjne coraz częściej stosowane są w zakresie systemów ochrony termicznej. Można wykorzystywać je w projektowaniu pasywnych zabezpieczeń ogniotrwałych konstrukcji nośnych budowli wielkokubaturowych, tuneli komunikacyjnych oraz do ochrony danych przechowywanych na nośnikach elektronicznych, optycznych, magnetycznych itp. Kształtowanie ablacyjnych właściwości termoochronnych polega na poszukiwaniu składników kompozytu o dużym cieple właściwym cp(t) i dużej gęstości [rho](t) oraz niskim współczynniku przewodzenia ciepła [lambda](t), czyli małej dyfuzyjności cieplnej a(t). W artykule zaprezentowano badania wybranych właściwości cieplnych i ablacyjnych osłon autonomicznych o osnowie fenolowo-formaldehydowej oraz powłok wytworzonych na bazie żywicy epoksydowej z wysokotopliwymi napełniaczami proszkowymi, w tym o dużej gęstości: karborundem SiC, korundem Al2O3, roztworem stałym WCTiC i proszkiem wolframu W. Przedstawiono wyniki badań podstawowych właściwości ablacyjnych: średniej szybkości ablacji va, ablacyjnego ubytku masy Ua, temperatury tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej ts kompozytu po oddziaływaniu strumienia gazów palnych, a także wyniki mikrokalorymetrycznych pomiarów ciepła właściwego cp(t) oraz badań stabilności cieplnej i procesów termicznej degradacji materiału przeprowadzonych metodami TG i DTA dla wybranych kompozytów. Proszkowy kompozyt fenolowo-formaldehydowy F-F8 ma niższe niż kompozyt epoksydowy E8 ciepło właściwe cp(t), w zależności od temperatury - od 36 do 52%. Cechuje się jednak większą stabilnością termiczną, wyrażoną trzy razy węższym zakresem zmian wartości ciepła właściwego cp(t), ponad trzy razy wyższą temperaturą początku rozkładu oraz ponad 3,5 razy mniejszym ubytkiem masy w procesie rozkładu.

---

The term "ablation" refers to the transport of heat and mass on surface of a body by thermochemical and mechanical processes. There are many applications involving ablation. At present polymer ablative composites are more and more often used to create thermo-protective systems in various applications. They should be used due the fire protection of modern building constructions, in tunnelling designing and as thermo protective systems of electronic, optic and magnetic memories of digital data. The ablative composites have the better thermo-protective properties when the components have: high specific heat cp(t), high density [rho], and small thermal conductivity [lambda](t), so small thermal diffusivity a(t) too. This paper reports results of studies on chosen thermal and ablative properties of polymer shields made of phenolic- of formaldehyde matrix or coats with epoxy matrix with high-melting and high-density powder fillers. Silicate carbon SiC, aluminium oxide Al2O3, solid solution WCTiC and tungsten powders W were used to prepare composite specimens. There were presented typical ablative properties of polymer composite under intensive heat flow: average rate of ablation va, the mass waste Ua and the back side temperature of specimen ts, as well as the research results of thermal stability analysed by thermo gravimetric analysis TG and thermal degradation of composite structure by differential thermal analysis DTA. One represented also the results of measurements in Perkin Elmer microcalorimeter of specific heat cp(t) as a function of temperature. Phenolic- of formaldehyde composites have worse typical thermo-protective ablation properties: bigger average linear rate of ablation va and higher back side temperature of specimen ts, but they have smaller mass waste Ua than epoxies. F-F8 composites also has lower specific heat cp(t) than epoxy E8 (in dependence from temperature - from 36 to 52%). However it F-F8 has better thermal stability expressed: 3 times narrower range of changes of specific heat cp(t); over 3 times higher temperature of thermal degradation, as well as over 3.5 times smaller mass waste during degradation processes, and those with connecting of small mass waste Ua are essential guilds in the case of autonomous shields.