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O professor Zhiyong (Richard) Liang e o membro do corpo docente de pesquisa Ayou Hao seguram pedaços de compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono com um escudo térmico protetor feito de uma folha de nanotubo de carbono que foi aquecida a uma temperatura de 1.900 graus Celsius. Crédito: © 2019 FAMU-FSU Faculdade de Engenharia
O mundo aeroespacial depende cada vez mais de compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono para construir estruturas de satélites, foguetes e aviões a jato.
Mas a vida útil desses materiais é limitada pela forma como eles lidam com o calor.
Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU de Universidade Estadual da FlóridaO Instituto de Materiais de Alto Desempenho está desenvolvendo um projeto para um escudo térmico que protege melhor essas máquinas extremamente rápidas. Seu trabalho será publicado na edição de novembro da Carbono.
“Neste momento, os nossos sistemas de voo estão a tornar-se cada vez mais rápidos, chegando mesmo a sistemas hipersónicos, que são cinco vezes a velocidade do som”, disse o professor Richard Liang, diretor do HPMI. “Quando você atinge velocidades tão altas, há mais calor na superfície. Portanto, precisamos de um sistema de proteção térmica muito melhor.”
A equipe usou nanotubos de carbono, que são hexágonos de átomos de carbono ligados em forma de cilindro, para construir os escudos térmicos. As folhas desses nanotubos também são conhecidas como “buckypaper”, um material com incríveis habilidades de condução de calor e eletricidade que tem sido foco de estudo no HPMI. Ao embeber o buckypaper em uma resina feita de um composto chamado fenol, os pesquisadores conseguiram criar um material leve e flexível que também é durável o suficiente para proteger potencialmente o corpo de um foguete ou jato do intenso calor que enfrenta durante o vôo.
Os escudos térmicos existentes costumam ser muito grossos em comparação com a base que protegem, disse Ayou Hao, membro do corpo docente de pesquisa da HPMI.
Esse projeto permite que os engenheiros construam um escudo muito fino, como uma espécie de pele que protege a aeronave e ajuda a sustentar sua estrutura.
Depois de construir escudos térmicos de espessuras variadas, os pesquisadores os testaram.
Um teste envolveu a aplicação de uma chama nas amostras para ver como elas impediam que o calor atingisse a camada de fibra de carbono que deveriam proteger. Depois disso, os pesquisadores dobraram as amostras para ver o quão fortes elas permaneciam.
Eles descobriram que as amostras com folhas de buckypaper eram melhores do que as amostras de controle para dispersar o calor e evitar que ele atingisse a camada base. Eles também permaneceram fortes e flexíveis em comparação com amostras de controle feitas sem camadas protetoras de nanotubos.
Essa flexibilidade é uma qualidade útil. Os nanotubos são menos vulneráveis a rachaduras em altas temperaturas em comparação com a cerâmica, um material típico de proteção térmica. Eles também são leves, o que é útil para engenheiros que desejam reduzir o peso de qualquer coisa em uma aeronave que não ajude na maneira como ela voa.
O projeto recebeu um segundo lugar entre os pôsteres revisados por pares no Simpósio Nacional de Materiais Espaciais e Mísseis de 2019 e recebeu o terceiro lugar no Simpósio de Pesquisa Universitária da Sociedade para o Avanço da Engenharia de Materiais e Processos de 2019.
Esse reconhecimento é útil para mostrar ao Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos, que apoiou parcialmente o trabalho, a promessa de mais pesquisas, disse Hao.
Referência: “Blindagem térmica leve de superfície de nanotubos de carbono para compósitos de fibra de carbono/bismaleimida” por Zhe Liu, Ayou Hao, Songlin Zhang, Yourri-Samuel Dessureault e Richard Liang, 5 de julho de 2019, Carbono.
DOI: 10.1016/j.carbon.2019.07.018