مدل سازی و ارزیابی تجربی عایق فداشونده نانوکامپوزیتی الاستومری

احتراق سوخت جامد در موتور موشک، محیطی متلاطم متشکل از گازهایی با سرعت بیش از m/s 1000 و دمای بیش از c?3000 و فشاری متجاوز از mpa10 ایجاد می کند که هر آلیاژ فلزی را تخریب می کند. عایق های حرارتی نانوکامپوزیتی الاستومری به دلیل قابلیت تحمل تنش های حرارتی و تغییر شکل بیشتر نسبت به عایق های حرارتی مشابه بر پایه غیر الاستومری نقش مهمی در حفاظت موتورهای موشک در برابر شارهای حرارتی بالا ایفا می کنند و نیازمند توجه ویژه هستند. مدل سازی فداشونده نانوکامپوزیتی الاستومری، توانایی تعیین ضخامت دقیق مورد نیاز و توزیع دما در آن را برای شرایط مختلف حرارتی قبل از ساخت فراهم می آورد. معادله کامل فرایند فداشدن نانوکامپوزیت الاستومری، معادله دیفرانسیل مرتبه دوم غیرخطی و گذرا است. ضرایب این معادله، خواص فیزیکی-گرمایی عایق است که تابع دما است. برای حل این معادله، ضروری است ابتدا خواص فیزیکی-گرمایی عایق در خلال تخریب حرارتی و فداشدن مدل-سازی و تعیین شود. سپس معادله حاصل که ترکیبی از معادلات موازنه جرم و انرژی است به طور همزمان حل شود. مدل سازی و حل معادله کامل فرایند فداشدن برای کامپوزیت های آزبست/ فنولیک به کمک روش عددی (اختلاف محدود) توسط محققان قبلی گزارش شده است. حل تحلیلی نیز به دلیل برخی مزایا، مورد توجه ویژه است. در این تحقیق فرایند فداشدن با رویکردی متمایز از سایر محققان، به کمک نظریه اغتشاش، مدل سازی و تحلیل شد. داده های ورودی مدل شامل خواص گرمایی-فیزیکی و سینتیک تخریب نمونه های عایق، از انجام آزمون های لازم بر روی نمونه های واقعی به دست آمد و نتایج نظری مدل سازی با نتایج تجربی در آزمون شعله اکسی استیلن مقایسه گردید که تطابق خوبی مشاهده شد. بر مبنای این مدل، خواص گرمایی-فیزیکی بهینه برای دستیابی به عایقی با کارایی بالا قابل پیشگویی است. به کمک این مدل و با به کارگیری فناوری نانو، نمونه عایق های فداشونده ای بر پایه الاستومر نیتریل، با خواص برتر نسبت به عایق های گزارش شده تاکنون، معرفی شد. در ترکیب بندی این عایق، از اجزا با پایداری حرارتی بالا مانند سیلیکا، الیاف کوتاه کربن و نانورس استفاده و نقش هر یک در تهیه عایق الاستومری نانوکامپوزیتی با کارایی بالا بررسی شد. افزودن phr15 (8% وزنی) سیلیکا نقش غالب تری در مقایسه با افزودن 15% وزنی نانو رس در کاهش دمای پشت عایق در شار حرارتی بالا نشان داد. ولیکن افزودن سیلیکا خواص مکانیکی عایق را در حد مطلوب افزایش نداد. افزودن نانو رس موجب افزایش خواص مکانیکی عایق در حد مطلوب و نیز افزایش استحکام زغال حاصل در دماهای بالا (در مقابل فرسایش گرمایی-مکانیکی) شد، ولی اندکی تورم در ساختار زغال ایجاد نمود. الیاف کوتاه کربن موجب کاهش تورم زغال و نیز افزایش مقاومت آن در مقابل فرسایش مکانیکی شد. حضور توام الیاف و نانو رس با تشکیل زغالی با ریزساختار متراکم تر، ممانعت بیشتر در مقابل نفوذ حرارت به لایه های زیرین ایجاد کرد و خواص فداشوندگی نانوکامپوزیت الاستومری را ارتقا داد. بهترین عایق الاستومری نانوکامپوزیتی حاوی 15% وزنی نانورس، 8% وزنی سیلیکا و 5% وزنی الیاف کوتاه کربن معرفی شد. تحت شار حرارتی 2kw/m2500 به مدت 15 ثانیه، شاخص این عایق برابر s/m 6800، سرعت جرمی فداشوندگی g/s 014/0 و سرعت پسروی سطح mm/s 014/0 است، که علاوه بر تامین الزامات عایق حرارتی فداشونده موتور موشک (سرعت پسروی کمتر از mm/s 09/0)، در مقایسه با نمونه کامپوزیتی (با شاخص عایق s/m 3843، سرعت جرمی فداشوندگی g/s 036/0 و سرعت پسروی سطح mm/s 042/0) خواص فداشوندگی بهتری نشان داد. این عایق دارای استحکام کششی mpa 6/15 و مدول کششی (در100% کرنش) mpa 6/5، کرنش تا پارگی 808% و سختی shore a 88 است که بالاتر از خواص مکانیکی عایق های گزارش شده تاکنون بر پایه الاستومر نیتریل است. دستیابی به خواص فداشوندگی و مکانیکی برتر می تواند موجب بهبود عملکرد این گونه عایق ها و گامی رو به جلو در راستای خودکفایی در صنایع هوا- فضای کشورمان باشد.