Plasma térmico para ablação de materiais utilizados como escudo de proteção térmica em sistemas aeroespaciais

• Autor(a) principal: Roberson José da Silva
• Data de Publicação: 2011
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do ITA
• Texto Completo: http://www.bd.bibl.ita.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=1979
• topic: Ablação; Materiais ablativos; Proteção térmica; Materiais compósitos; Reentrada atmosférica; Tochas de plasma; Revestimentos protetores; Engenharia de materiais

O objetivo deste trabalho é investigar sobre as características de jatos de plasma térmicos gerados por tochas de plasma de arco não transferido, otimizados para a simulação das condições de reentrada atmosférica de veículos espaciais e realização de pesquisas básicas sobre os mecanismos de oxidação de materiais de utilizados em sistemas de proteção térmica. Em particular foram testadas amostras do compósito C/C SiC em jatos de plasma de ar operando em dois diferentes bancos de ensaios. No primeiro sistema experimenral, já caracterizado em trabalhos anteriores, o jato de plasma é gerado em ambiente de vácuo operando em regime de escoamento supersônico (Mach 4) sob a pressão de 313 Pa. Para comparação, foi realizada a otimização de um segundo banco de ensaio utilizando uma tocha de plasma similar operando em pressão atmosférica e regime de escoamento subsônico (Mach 0,4), para gerar um fluxo de calor homogêneo de 2,2 MWm2 (mesma intensidade gerada em vácuo) necessário para simular as condições térmicas de reentrada do satélite brasileiro SARA. Estas tochas foram operadas na faixa de potência variando de 30 a 40 kW com eficiência térmica em torno de 75% obtida para uma vazão de ar de 4 g/s. A resposta térmica e propriedades ablativas do compósito C/C-SiC foram avaliadas pela determinação da difusividade térmica e taxa de perda de massa específica tendo como parâmetros o tempo de exposição e temperatura da superfície da amostra. Em ambos os bancos de ensaios, a difusividade térmica é uma função decrescente do tempo de exposição. A taxa de perda de massa específica é uma função crescente do tempo de exposição sob pressão atmosférica e possui um comportamento contrário em ambiente de vácuo. As análises das características microestururais e composição atômica das superfícies tratadas, realizadas por MEV e EDS respectivamente, mostram um processo de vitrificação intenso na superfície da amostra que leva à questão dos mecanismos de oxidação ativa e passiva do componente SiC do compósito e que são fortemente dependentes da pressão parcial de oxigênio e da temperatura da superfície da amostra. Em ambiente de vácuo, a uma temperatura máxima na superfície de 1450 C e pressão parcial de oxigênio da ordem de 66 Pa, a resistência à oxidação do compósito C/C-SiC é garantida pela formação de uma camada de passivação uniforme (estimada ser de SiO2) menos catalítica ou menos propensa a reações exotérmicas de recombinação com espécies atômicas que a do próprio compóstio C/C-SiC. Em pressão atmosférica, a uma pressão parcial de oxigênio de 2,1×104 Pa, a temperatura máxima da superfície é 400 C mais elevada que a obtida em vácuo, atingindo patamares da ordem de 1850 C. Nestas condições a camada de óxido superficial protetora é parcialmente volatilizada com o tempo de exposição produzindo um aumento na taxa de massa específica por sublimação do compósito exposto diretamente ao jato de plasma. Este efeito é equivalente ao que ocorre na transição do processo de oxidação passiva para ativa do SiC.