Termoochronne zabezpieczenia infrastruktury polimerowymi kompozytami proszkowymi o właściwościach ablacyjnych

• Autorzy: Kucharczyk W. , Opara T. , Kula P.

Warianty tytułu

EN

Thermo-protective infrastructure protection by polymer pulveraceous composites about ablation properties

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Polimerowe kompozyty ablacyjne można wykorzystać w projektowaniu pasywnych zabezpieczeń ogniotrwałych konstrukcji nośnych budowli wielkokubaturowych, tuneli komunikacyjnych oraz pomieszczeń dla ludzi. Kształtowanie ablacyjnych właściwości termoochronnych polega na poszukiwaniu komponentów o dużym cieple właściwym c_ρ(t) i dużej gęstości ρ oraz o niskim współczynniku przewodzenia ciepła λ(t) (czyli małej dyfuzyjności cieplnej) α(t). Takie właściwości mogą mieć proszkowe kompozyty polimerowe z wysokotopliwymi napełniaczami ceramicznymi, np. z: węglikiem krzemu SiC, tlenkiem aluminium Al₂O₃, roztworem stałym węglika wolframu z węglikiem tytanu WCTiC lub proszkiem wolframu W. Omówiono założenia do konstytuowania ablacyjnych właściwości termoochronnych osłon autonomicznych o osnowie fenolowo-formaldehydowej F-F oraz powłok wytworzonych na bazie żywicy epoksydowej E modyfikowanych wysokotopliwymi napełniaczami proszkowymi. Przeprowadzone badania ukazały wpływ poszczególnych komponentów na właściwości ablacyjne: średnią szybkość ablacji ν_α [μm/s], względny ablacyjny ubytek masy U_α [%], temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej t_s [°C] wykonanej z badanego kompozytu. Przedstawiono także wyniki badań ciepła właściwego c_ρ(t) oraz prób TG i DTA przeprowadzonych dla wybranych kompozytów. Kompozyty fenolowo-formaldehydowe wykazują niższe, niż kompozyty epoksydowe, ablacyjne właściwości termoochronne (ν_α, t_s, c_ρ(t)), są jednak bardziej stabilne termicznie (TG, DTA), charakteryzują się niższym ubytkiem masy U_α oraz wyższą wytrzymałością doraźną R_m - czyli cechy istotne w przypadku osłon autonomicznych. Jednoczesne zwiększenie zawartości karborundu SiC i proszku wolframu W poprawia wszystkie właściwości ablacyjne kompozytów.

EN

Ablation materials are useful in all kinds of thermo-protective systems to design shields and coats - not only in space shuttles and missile constructions, but in civil applications too. The results of research should be used for fire protection of modern building constructions and in tunnels designing and it can be used also to protect people. The ablative composites have better thermo-protective properties when the components have the high density ρ, the high heat capacity c_ρ(t), and the small thermal conductivity λ(t), so the small thermal diffusivity α(t), too. These conditions could be kept by polymer resins with ceramic high-fusible fillers. For example: SiC, Al₂O₃ WCTiC or tungsten powder W. The ways of modification of thermo-protective ablative properties of polymer autonomic shields (with phenolic-of formaldehyde matrix F-F) and paint coats with the epoxy matrix E by highfusible fillers were presented. The research carried out on this project is an attempt to explain the effect of ablation material components on the average linear rate of the ablation ν_α, the mass waste U_α, and back side temperature of the specimen t_s. One represented also the research results of the heat capacity c_ρ(t) and the tests TG and DTA of chosen specimens. Phenolic-of formaldehyde composites have worse thermo-protective ablation proprieties [ν_α, t_s, c_ρ(t)] than epoxy. However, F-F composites have better thermal stability (TG, DTA) and they have the lower U_α and the higher R_m than epoxy have, and these are essential guilds in the case of autonomous shields. Simultaneous use of the higher contents of SiC and tungsten powder W improves all ablation proprieties of composites.

Słowa kluczowe

PL

budowa i eksploatacja maszyn; kompozyty polimerowe; osłony i powłoki ablacyjne; napełniacze wysokotopliwe; materiały termoochronne

EN

machine building and exploitation; polymer composites; ablative shields and coats; highfusible fillers; thermoprotective materials

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 57, nr 3
• Strony: 315--327
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kucharczyk W.

autor

Opara T.

autor

Kula P.

• Politechnika Radomska, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn, 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 29

Bibliografia

• [1] A. Jackowski, Ablacja ścianki płaskiej w warunkach erozyjnego unoszenia warstwy ablacyjnej, Biul. WAT, 6 (460), Warszawa, 1986, 23-33.
• [2] A. Jackowski, Model fizyczny ablacji (opracowanie niepublikowane), WAT, Warszawa, 1990.
• [3] Federal Emergency Management Agency, World Trade Center Building Performance Study: Data Collection, Preliminary Observation, and Recommendation, FEMA 403, New York, 2002.
• [4] NIST NCSTAR 1, Federal Building and Fire Safety Investigation of The World Trade Center Disaster: Final report on the Collapse of the World Trade Center, US Government Printing Office, Washington, September 2005.
• [5] NIST Buildings Fire and Structural Failure Investigation, http://www.nist.gov/public_affairs/factsheet/bfrlinvestigations.htm
• [6] T. Wilkinson, World Trade Center - Some Engineering Aspects. The University of Sydney, 2001, http://www.civil.usyd.edu.au/wtc.shtml
• [7] T. Wilkinson, The World Trade Center and 9/11: The discussion of some engineering design issues, National Conference "Safe Buildings for This Century", Australian Institute of Building Surveyors, Sydney, 2002.
• [8] A. Haack, Latest achievements and perspectives in tunnel safety, 30nd ITA - World Tunnel Congress, Singapore, 22-27 May 2004.
• [9] A. Haack, Technical options for fireproof tunnel linings-limits, advantages and disadvantages of the various solutions, 1o Congresso Brasileiro De Tuneis e Estruturas Subterraneas, Semináriointernacional South American Tunnelling, Sao Paulo, March 2004.
• [10] K. Ono, T. Otsuka, Fire design requirement for various tunnel, 32nd ITA - World Tunnel Congress, Seoul, 25 April 2006.
• [11] K. Willam, I. Rhee, B. Shing, Interface damage model for thermomechanical degradation of heterogeneous materials, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193, 2004, 3327-3350.
• [12] N. M. Bielajew, Wytrzymałość materiałów, Wyd. MON, Warszawa, 1954.
• [13] W. Kucharczyk, Kształtowanie ablacyjnych właściwości termoochronnych kompozytów polimerowych napełniaczami proszkowymi, rozprawa doktorska, Politechnika Radomska, Radom, 2007.
• [14] C. Z. Carroll-Porczyński, Materiały przyszłości, Wyd. Bellona, Warszawa, 1964.
• [15] Yu Feng-Er, Study on the ablation materials of modified polyurethane/polysiloxane, Doctoral dissertation, National Sun Yat-sen University, Materials Science and Engineering Department, 2004.
• [16] C. P. Reghunadhan Nair, R. L. Bindu, K. N. Ninan, Thermal characteristics of addition -cure phenolic resins, Polymer Degradation and Stability, 73, 2001, 251-257.
• [17] F. Wojtkun, Ju. P. Sołncew, Materiały specjalnego przeznaczenia, Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom, 2001.
• [18] Y-J. Lee, H. J. Joo, Ablation characteristics of carbon fiber reinforced carbon (CFRC) composites in the presence of silicon carbide (SiC) coating, Surface & Coating Technologies, 180-181, 2004, 286-289.
• [19] R. D. Patton, C. U. Pittman Jr., L. Wang, J. R. Hill, A. Day, Ablation, mechanical and thermal conductivity properties of vapour grown carbon fiber - phenolic matrix composites, Composites: Part A, 33, 2002, 243-251.
• [20] R. Ramesh Kumar, G. Vinod, S. Renjith, G. Rajeev, M. K. Jana, R. Harikrishnan, Thermostructural analysis of composite structures, Materials Science & Engineering A. 412, 2005, 66-70.
• [21] G. M. Song, Y. Zhou, Y-J. Wang, Thermomechanical properties of TiC particle reinforced tungsten composites for high temperature applications, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 21, 2003, 1-12.
• [22] Z. Polański, Planowanie doświadczeń w technice, PWN, Warszawa, 1984.
• [23] G. M. Song, Y. Zhou, Y-J. Wang, Effect of carbide particles on the ablation properties of tungsten composites, Materials Characterization, 50, 2003, 293-303.