اجسامی همچون نازل، موتور، محفظه احتراق و یا دماغه یك موشك كه در معرض گرمای شدیدند، اگر به روشی مناسب محافظت نشوند قادر به انجام وظایف تعیین شده نخواهند بود. لذا استفاده از عایق های فداشونده روشی مناسب برای محافظت از آنها در برابر دماهای بالاست. قبل از ورود به بحث لازم است مفاهیم پایه در ارتباط با این موضوع توضیح داده شوند.
مواد دیرسوزكننده: موادی هستند كه آتش می گیرند ولی آتش در آنها بسیار كند پیش می رود. تركیبات هالوژن دار ازجمله تترا برموفتالات ایدرید (C8Br4O3)و یا مواد معدنی مثل اكسید آنتیموان، هیدروكسید منیزیم، تری هیدرات آلومینیوم و مولیبدات آمونیوم در این گروه از مواد قرار می گیرند. دیرسوزكننده ها برای كاهش سرعت سوختن و افزایش زغال گذاری در تركیب عایق های فداشونده به كار می روند.
شاخص نارسانایی: عبارت است از حداقل ضخامت یا وزن لازم برای ثابت نگهداشتن دمای پشت دیواره عایق در یك حد معین. این معیار را میتوان بر حسب زمان رسیدن دمای دیوارۀ پشت عایق به آن مقدار معین بیان كرد.
گرمای مؤثر فداشوندگی: گرمای مؤثر فداشوندگی بیانگر توانایی ماده د رجذب حرارت و ممانعت از انتقال آن است و به صورت شار حرارتی وارده تقسیم بر سرعت كاهش جرم (kj/gr) تعریف میشود.
سرعت فداشوندگی: نشان دهنده سرعت از بین رفتن عایق در شرایط آزمون بوده و برحسب سرعت خطی (mm/s) و یا جرمی (gr/s) بیان میشود. سرعت فداشوندگی خطی را نرخ پس روی سطح نیز می نامند كه مقدار آن از طریق آزمون اكسی استیلن اندازه گیری میشود.
پدیده فداشوندگی: با افزایش دما در سطح، مواد فرار مانند آب، نرم كننده ها و پلیمرهای با وزن ملكولی كم خارج شده و وارد لایه مرزی میشوند. سپس آنقدر دما بالا می رود تا ابتدا شاخه های جانبی و بعد زنجیر اصلی پلیمر می شكند. بدین ترتیب محصولات پیرولیز پلیمر به صورت گازهای CH4, C2H4, H2, CO2, CO و سایر هیدروكربن ها خارج میشوند. این گازها با خروج به سمت لایه مرزی، موجب كاهش دمای آن شده، شار حرارتی وارد به بستر مواد را نیز كاهش می دهند.
اكثر پلیمرها- به ویژه پلیمرهای آروماتیك- به طور كامل پیرولیز نمی شوند و از خود باقیمانده زغالی برجای می گذارند. بنابراین با تشكیل لایه زغالی در سطح، ناحیه پیرولیز به سمت داخل تغییر مكان می دهد. لایه زغالی نقش عمده ای در جذب حرارت از طریق ظرفیت گرمایی دما بالای خود و همچنین واكنش های گرماگیر تشكیل آن از پلیمر و یا تقویت كننده دارد. میزان زغال باقیمانده به دو عامل تركیب اجزای پلیمر و میزان گازهای حاصل از پیرولیز بستگی دارد. زغال و بقایای حاصل از سوختن باید استحكام كافی داشته باشند، به طوری كه بتوانند در مقابل حرارت زیاد دوام آورده و به صورت گداخته درآیند. این امر سبب میشود كه پس از گداختگی مقداری از حرارت دریافتی را به صورت تابش به محیط بازپس داده و سرعت و میزان گرمادهی را كاهش دهند.
برای ساخت عایق های فداشونده كامپوزیتی معمولاً روش لایه گذاری دستی (و روش های توسعه یافته آن مانند پیش آغشته و فرآیند كیسه خلاء، قالبگیری فشاری و پیچش الیاف كاربرد بیشتری دارند. همچنین طراحی عایق بایستی توسط آزمون های حرارتی تایید شود و مواد قبل از بكارگیری در قطعه نهایی در شرایط كاربرد (دما و شار جرمی) قرار بگیرند تا امكان استفاده از آنها مورد ارزیابی قرار گیرد. روش های مختلفی برای آزمون عملكرد حرارتی عایق ها وجود دارد كه عبارتند از:
آزمون اكسی استیلن: آزمون اكسی استیلن به دلیل سادگی، قیمت پایین، تنوع شرایط و حداقل زمان لازم برای تولید اطلاعات قابل مقایسه، مرسوم ترین روش آزمون حرارتی عایق است. بازبینی سطح عایق و سطح مقطع آن، اطلاعات عمومی درمورد رفتار ماده در دمای بالا، عمق زغال به جا مانده، سرعت پس روی سطح، شاخص نارسانایی و موارد مشابه به دست می دهد.
آزمون قوس الكتریكی: دومین روش آزمون حرارتی مرسوم، قوس الكتریكی است. این روش تنها وسیله آزمایشگاهی موجود برای تعیین رفتار حالت گذرا و پایدار عایق در شرایط ماورای صوت است. درمورد عایق هایی كه برای محافظت در محیط های گازی با آنتالپی بالا (مانند عایق سرجنگی پرتابه های بالستیك كه از جو زمین خارج و دوباره به آن باز می گردند) در نظر گرفته شده اند، روش جت قوس الكتریك به كار گرفته میشود.
آزمون موتور مقیاس كوچك یا موتور مدل: برای ارزیابی آزمایشگاهی عایقی كه برای محافظت از بدنه موتور راكت در برابر گازهای حاصل از اشتعال سوخت در نظر گرفته شده است، آزمون موتور مقیاس كوچك (با سوخت مایع یا جامد) مناسب است. موتور اكسیژن- هیدروژن نمونه ای از این ابزار است كه قابلیت آن را دارد كه فشاری معادل 5/5 مگاپاسكال، دمای 3500 درجه سانتی گراد و شار حرارتی KJ/m2s 32000 را در گلویی نازل ایجاد كند.
درنهایت یك عایق فداشونده مناسب با كارایی بالا باید دارای ویژگی های زیر باشد:
منبع: نشریه كامپوزیت
مواد دیرسوزكننده: موادی هستند كه آتش می گیرند ولی آتش در آنها بسیار كند پیش می رود. تركیبات هالوژن دار ازجمله تترا برموفتالات ایدرید (C8Br4O3)و یا مواد معدنی مثل اكسید آنتیموان، هیدروكسید منیزیم، تری هیدرات آلومینیوم و مولیبدات آمونیوم در این گروه از مواد قرار می گیرند. دیرسوزكننده ها برای كاهش سرعت سوختن و افزایش زغال گذاری در تركیب عایق های فداشونده به كار می روند.
شاخص نارسانایی: عبارت است از حداقل ضخامت یا وزن لازم برای ثابت نگهداشتن دمای پشت دیواره عایق در یك حد معین. این معیار را میتوان بر حسب زمان رسیدن دمای دیوارۀ پشت عایق به آن مقدار معین بیان كرد.
گرمای مؤثر فداشوندگی: گرمای مؤثر فداشوندگی بیانگر توانایی ماده د رجذب حرارت و ممانعت از انتقال آن است و به صورت شار حرارتی وارده تقسیم بر سرعت كاهش جرم (kj/gr) تعریف میشود.
سرعت فداشوندگی: نشان دهنده سرعت از بین رفتن عایق در شرایط آزمون بوده و برحسب سرعت خطی (mm/s) و یا جرمی (gr/s) بیان میشود. سرعت فداشوندگی خطی را نرخ پس روی سطح نیز می نامند كه مقدار آن از طریق آزمون اكسی استیلن اندازه گیری میشود.
پدیده فداشوندگی: با افزایش دما در سطح، مواد فرار مانند آب، نرم كننده ها و پلیمرهای با وزن ملكولی كم خارج شده و وارد لایه مرزی میشوند. سپس آنقدر دما بالا می رود تا ابتدا شاخه های جانبی و بعد زنجیر اصلی پلیمر می شكند. بدین ترتیب محصولات پیرولیز پلیمر به صورت گازهای CH4, C2H4, H2, CO2, CO و سایر هیدروكربن ها خارج میشوند. این گازها با خروج به سمت لایه مرزی، موجب كاهش دمای آن شده، شار حرارتی وارد به بستر مواد را نیز كاهش می دهند.
اكثر پلیمرها- به ویژه پلیمرهای آروماتیك- به طور كامل پیرولیز نمی شوند و از خود باقیمانده زغالی برجای می گذارند. بنابراین با تشكیل لایه زغالی در سطح، ناحیه پیرولیز به سمت داخل تغییر مكان می دهد. لایه زغالی نقش عمده ای در جذب حرارت از طریق ظرفیت گرمایی دما بالای خود و همچنین واكنش های گرماگیر تشكیل آن از پلیمر و یا تقویت كننده دارد. میزان زغال باقیمانده به دو عامل تركیب اجزای پلیمر و میزان گازهای حاصل از پیرولیز بستگی دارد. زغال و بقایای حاصل از سوختن باید استحكام كافی داشته باشند، به طوری كه بتوانند در مقابل حرارت زیاد دوام آورده و به صورت گداخته درآیند. این امر سبب میشود كه پس از گداختگی مقداری از حرارت دریافتی را به صورت تابش به محیط بازپس داده و سرعت و میزان گرمادهی را كاهش دهند.
برای ساخت عایق های فداشونده كامپوزیتی معمولاً روش لایه گذاری دستی (و روش های توسعه یافته آن مانند پیش آغشته و فرآیند كیسه خلاء، قالبگیری فشاری و پیچش الیاف كاربرد بیشتری دارند. همچنین طراحی عایق بایستی توسط آزمون های حرارتی تایید شود و مواد قبل از بكارگیری در قطعه نهایی در شرایط كاربرد (دما و شار جرمی) قرار بگیرند تا امكان استفاده از آنها مورد ارزیابی قرار گیرد. روش های مختلفی برای آزمون عملكرد حرارتی عایق ها وجود دارد كه عبارتند از:
آزمون اكسی استیلن: آزمون اكسی استیلن به دلیل سادگی، قیمت پایین، تنوع شرایط و حداقل زمان لازم برای تولید اطلاعات قابل مقایسه، مرسوم ترین روش آزمون حرارتی عایق است. بازبینی سطح عایق و سطح مقطع آن، اطلاعات عمومی درمورد رفتار ماده در دمای بالا، عمق زغال به جا مانده، سرعت پس روی سطح، شاخص نارسانایی و موارد مشابه به دست می دهد.
آزمون قوس الكتریكی: دومین روش آزمون حرارتی مرسوم، قوس الكتریكی است. این روش تنها وسیله آزمایشگاهی موجود برای تعیین رفتار حالت گذرا و پایدار عایق در شرایط ماورای صوت است. درمورد عایق هایی كه برای محافظت در محیط های گازی با آنتالپی بالا (مانند عایق سرجنگی پرتابه های بالستیك كه از جو زمین خارج و دوباره به آن باز می گردند) در نظر گرفته شده اند، روش جت قوس الكتریك به كار گرفته میشود.
آزمون موتور مقیاس كوچك یا موتور مدل: برای ارزیابی آزمایشگاهی عایقی كه برای محافظت از بدنه موتور راكت در برابر گازهای حاصل از اشتعال سوخت در نظر گرفته شده است، آزمون موتور مقیاس كوچك (با سوخت مایع یا جامد) مناسب است. موتور اكسیژن- هیدروژن نمونه ای از این ابزار است كه قابلیت آن را دارد كه فشاری معادل 5/5 مگاپاسكال، دمای 3500 درجه سانتی گراد و شار حرارتی KJ/m2s 32000 را در گلویی نازل ایجاد كند.
درنهایت یك عایق فداشونده مناسب با كارایی بالا باید دارای ویژگی های زیر باشد:
- زغال ایجاد شده پایداری خوبی داشته باشد.
- گازهایی كه در اثر تجزیه مواد عایق به وجود می آیند دارای وزن ملكولی پایینی باشند.
- عایق مذكور ظرفیت گرمایی بالایی داشته و هدایت حرارتی آن كم باشد.
- دارای چگالی و پس روی ابعادی پایینی باشد.
- مقاوم به شوك حرارتی بوده و گرمای فداشوندگی زیادی داشته باشد.
- جاذب رطوبت نبوده و به راحتی قالببگیری شود.
- گازهایی كه در اثر تجزیه مواد عایق به وجود می آیند دارای وزن ملكولی پایینی باشند.
- عایق مذكور ظرفیت گرمایی بالایی داشته و هدایت حرارتی آن كم باشد.
- دارای چگالی و پس روی ابعادی پایینی باشد.
- مقاوم به شوك حرارتی بوده و گرمای فداشوندگی زیادی داشته باشد.
- جاذب رطوبت نبوده و به راحتی قالببگیری شود.
منبع: نشریه كامپوزیت
