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Nella progettazione della protezione termica dei prodotti aerospaziali, per i componenti che richiedono spessori considerevoli, presentano geometrie complesse o sono soggetti a fessurazioni da stress, i materiali compositi vengono spesso impiegati in sostituzione dei tradizionali rivestimenti di protezione termica. Inoltre, le strutture di protezione termica in materiale composito offrono opzioni di fabbricazione versatili: possono essere formate rapidamente direttamente sul sito specifico di protezione termica, oppure possono essere incollate in posizione utilizzando manicotti di protezione termica prefabbricati in materiale composito, offrendo così i vantaggi di un processo di preparazione efficiente e conveniente. Attualmente, i compositi in fibra di vetro fenolica sono ampiamente utilizzati nelle strutture di protezione termica grazie ai loro numerosi pregi, tra cui stabilità strutturale, resistenza alle alte temperature, elevata resa di carbonizzazione, basso tasso di ablazione, elevata resistenza meccanica ed eccellente tenacità all'impatto.

Compositi in fibra di vetro fenolicaQuesti materiali presentano un notevole potenziale di applicazione nel settore aerospaziale. Il loro meccanismo di protezione termica implica un'interazione sinergica di molteplici processi protettivi, tra cui l'inibizione della conduzione del calore, la pirolisi endotermica, l'isolamento termico fornito dallo strato di carbonio e il supporto strutturale. Questo articolo analizzerà principalmente il meccanismo di protezione termica dal punto di vista dell'inibizione della conduzione del calore, della pirolisi endotermica e dell'isolamento termico fornito dallo strato di carbonio.

1. Inibizione della conduzione del calore

Nei compositi in fibra di vetro fenolica, la matrice di resina fenolica stessa possiede una conduttività termica intrinsecamente bassa, che contribuisce a rallentare significativamente la conduzione del calore esterno. Quando il materiale composito è sottoposto agli ambienti ad alta temperatura riscontrati durante il volo, il calore si propaga inizialmente verso l'interno dalla superficie esterna. Tuttavia, la struttura a catena macromolecolare intrinseca alla matrice di resina fenolica ostruisce i percorsi di conduzione del calore, causando una marcata riduzione della velocità di trasferimento del calore. Allo stesso tempo, la presenza di fibre di vetro all'interno del composito modifica ulteriormente i percorsi di conduzione del calore interni. Inoltre, l'interfaccia tra le fibre di vetro e la resina fenolica presenta un'elevata resistenza termica; di conseguenza, il calore incontra un'ulteriore impedenza attraversando questa interfaccia, inibendo ulteriormente il processo di conduzione del calore e riducendo efficacemente la velocità di aumento della temperatura all'interno del materiale composito.

2. Pirolisi endotermica

Quando esposta ad ambienti esterni ad alta temperatura, la resina fenolica subisce continue reazioni di pirolisi. Questo processo di pirolisi è una reazione endotermica: assorbendo energia termica, i legami chimici all'interno delle molecole di resina fenolica si rompono, causando la decomposizione del materiale in gas a basso peso molecolare e residui carboniosi. Questo processo consuma efficacemente l'energia termica trasferita dall'ambiente esterno alla superficie del composito, abbassando contemporaneamente la temperatura superficiale del materiale composito. 3. Isolamento termico tramite lo strato carbonizzato

Man mano che procede la reazione di pirolisi, si forma gradualmente uno strato di carbone sulla superficie delcomposito di resina fenolicaQuesto strato carbonizzato possiede una struttura porosa, con pori riempiti di gas che presentano una conduttività termica estremamente bassa; questa caratteristica migliora ulteriormente le capacità di isolamento termico del composito. Allo stesso tempo, lo strato carbonizzato presenta una texture superficiale dura in grado di resistere a specifiche pressioni aerodinamiche e carichi meccanici, proteggendo così il materiale sottostante non carbonizzato dagli effetti di abrasione ed erosione dei flussi di gas ad alta temperatura. Lo strato carbonizzato generato sulla superficie del composito non solo svolge una funzione isolante, ma, in una certa misura, riduce anche la perdita di massa nel composito, prolungando così la durata della struttura di protezione termica.