أخبار

في تصميم الحماية الحرارية لمنتجات الفضاء، تُستخدم المواد المركبة بكثرة كبديل للطلاءات الحرارية التقليدية للمكونات التي تتطلب سماكة كبيرة، أو ذات أشكال هندسية معقدة، أو المعرضة للتشقق الناتج عن الإجهاد. علاوة على ذلك، توفر هياكل الحماية الحرارية المركبة خيارات تصنيع متعددة: إذ يمكن تشكيلها بسرعة مباشرة على موقع الحماية الحرارية المحدد، أو يمكن تثبيتها في مكانها باستخدام أكمام حماية حرارية مركبة مُصنّعة مسبقًا، مما يوفر مزايا واضحة لعملية تحضير فعالة ومريحة. حاليًا، تُستخدم مركبات ألياف الزجاج الفينولية على نطاق واسع في هياكل الحماية الحرارية نظرًا لمزاياها العديدة، بما في ذلك الاستقرار الهيكلي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ونسبة التفحم العالية، ومعدل التآكل المنخفض، والقوة الميكانيكية العالية، ومقاومة الصدمات الممتازة.

مركبات الألياف الزجاجية الفينوليةتتمتع هذه المواد بإمكانات كبيرة للتطبيق على نطاق واسع في قطاع الطيران والفضاء. وتتضمن آلية الحماية الحرارية فيها تفاعلاً تآزرياً بين عمليات وقائية متعددة، تشمل تثبيط التوصيل الحراري، والتحلل الحراري الماص للحرارة، والعزل الحراري الذي توفره طبقة الفحم، والدعم الهيكلي. ستركز هذه الورقة البحثية بشكل أساسي على تحليل آلية الحماية الحرارية من منظور تثبيط التوصيل الحراري، والتحلل الحراري الماص للحرارة، والعزل الحراري الذي توفره طبقة الفحم.

1. تثبيط التوصيل الحراري

في مركبات ألياف الزجاج الفينولية، تتميز مصفوفة الراتنج الفينولي نفسها بموصلية حرارية منخفضة بطبيعتها، مما يُبطئ بشكل ملحوظ انتقال الحرارة الخارجية. عند تعرض المادة المركبة لبيئات درجات الحرارة العالية التي تُصادف أثناء الطيران، تنتشر الحرارة مبدئيًا إلى الداخل من السطح الخارجي. ومع ذلك، فإن بنية السلسلة الجزيئية الكبيرة المتأصلة في مصفوفة الراتنج الفينولي تعيق مسارات توصيل الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في معدل انتقال الحرارة. في الوقت نفسه، يُغير وجود ألياف الزجاج داخل المركب مسارات توصيل الحرارة الداخلية. علاوة على ذلك، تُظهر الواجهة بين ألياف الزجاج والراتنج الفينولي مقاومة حرارية عالية؛ وبالتالي، تواجه الحرارة مقاومة إضافية أثناء مرورها عبر هذه الواجهة، مما يُعيق عملية توصيل الحرارة بشكل أكبر ويُخفض معدل ارتفاع درجة الحرارة داخل المادة المركبة بشكل فعال.

2. الانحلال الحراري الماص للحرارة

عند تعرض الراتنج الفينولي لبيئات خارجية ذات درجات حرارة عالية، فإنه يخضع لتفاعلات تحلل حراري مستمرة. هذه العملية ماصة للحرارة: فبمجرد امتصاص الطاقة الحرارية، تنكسر الروابط الكيميائية داخل جزيئات الراتنج الفينولي، مما يؤدي إلى تحلل المادة إلى غازات ذات جزيئات صغيرة ومخلفات كربونية. تستهلك هذه العملية بكفاءة الطاقة الحرارية المنتقلة من البيئة الخارجية إلى سطح المركب، مما يؤدي في الوقت نفسه إلى خفض درجة حرارة سطح المادة المركبة. 3. العزل الحراري عبر طبقة الفحم

مع تقدم تفاعل التحلل الحراري، تتشكل طبقة من الفحم تدريجياً على سطحمركب راتنج فينوليتتميز طبقة الفحم هذه ببنية مسامية، حيث تمتلئ مساماتها بغازات ذات موصلية حرارية منخفضة للغاية؛ مما يعزز قدرات العزل الحراري للمادة المركبة. في الوقت نفسه، تتميز طبقة الفحم بسطح صلب قادر على تحمل ضغوط ديناميكية هوائية وأحمال ميكانيكية محددة، وبالتالي حماية المادة غير المتفحمة الموجودة أسفلها من تأثيرات التآكل والحت الناتج عن تدفقات الغازات ذات درجات الحرارة العالية. لا تقتصر وظيفة طبقة الفحم المتكونة على سطح المادة المركبة على العزل فحسب، بل إنها تُخفف، إلى حد ما، من فقدان الكتلة في المادة المركبة، مما يُطيل عمر خدمة هيكل الحماية الحرارية.