BR102017025999B1 - Método para formar um material ablativo - Google Patents

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Abstract

MATERIAL ABLATIVO, E, MÉTODO Um material ablativo compreende uma resina fenólica, uma amida fosforilada polimérica e uma quantidade de enchimentos. A amida fosforilada polimérica está na proporção entre 1 e 10 partes da amida fosforilada polimérica por 100 partes de resina fenólica ou sólidos de resina, em peso.

Description

INFORMAÇÃO DE FUNDAMENTO 1. Campo:
[001] A presente divulgação é relativa, genericamente, a materiais ablativos. Mais especificamente, a presente divulgação é relativa a materiais ablativos incluindo uma amida fosforilada polimérica.
2. Fundamento:
[002] Materiais ablativos protegem as estruturas do calor excessivo prejudicando porções do material. Materiais ablativos são usados em escudos térmicos de veículos de entrada atmosférica, tais como veículos de retorno lunar ou planetário, e podem ser usados em qualquer estrutura exposta a grandes quantidades de calor.
[003] Materiais ablativos existentes de fluxo térmico médio (400 W/ cm2 - 1500 W/cm2) são rígidos e possuem baixa capacidade de deformação. As propriedades do material de materiais ablativos de fluxo térmico médio existentes podem resultar em condições de desempenho indesejáveis durante deflexões de um veículo ou outra estrutura.
[004] Abladores existentes de maior flexibilidade oferecem níveis de proteção térmica inferiores aos de materiais ablativos convencionais de fluxo térmico médio. Níveis desejáveis de proteção térmica podem não ser possíveis com materiais ablativos existentes de maior flexibilidade.
[005] Estruturas rígidas do veículo ou almofadas de isolamento de deformação podem ser usadas para evitar flexão dos materiais ablativos. No entanto, estruturas de veículo rígidas adicionam peso extra ao veículo. Almofadas de isolamento de deformação também adicionam custos extras significativos e podem complicar a instalação do material ablativo.
[006] Portanto, seria desejável ter um método e aparelho que levem em consideração, pelo menos, alguns dos aspectos discutidos acima, bem como outros aspectos possíveis. Por exemplo, seria desejável ter um material ablativo com ambos, níveis desejáveis de proteção térmica e uma rigidez desejável.
SUMÁRIO
[007] Uma modalidade ilustrativa da presente divulgação fornece um material ablativo. O material ablativo compreende uma resina fenólica, uma amida fosforilada polimérica e uma quantidade de enchimentos. A amida fosforilada polimérica está na proporção de entre 1 e 10 partes da amida fosforilada polimérica por 100 partes de resina fenólica, ou sólidos de resina, em peso.
[008] Outra modalidade ilustrativa da presente divulgação fornece uma estrutura que compreende um material ablativo curado em uma forma desejada. O material ablativo compreende uma resina fenólica resol, uma amida fosforilada polimérica na proporção de entre 1 e 10 partes da amida fosforilada polimérica por 100 partes de resina fenólica, ou sólidos de resina, em peso, e uma quantidade de enchimentos que inclui uma quantidade de enchimentos de densidade e uma quantidade de enchimentos de reforço estrutural.
[009] Outra modalidade ilustrativa da presente divulgação fornece um método. Uma resina fenólica é adicionada a um misturador. Entre 1 e 10 partes de uma amida fosforilada polimérica por 100 partes de resina fenólica, ou sólidos de resina, em peso, são adicionadas ao misturador. A resina fenólica e a amida fosforilada polimérica são misturadas durante pelo menos 5 minutos. Uma quantidade de enchimentos é adicionada ao misturador. A quantidade de enchimentos, amida fosforilada polimérica e resina fenólica são misturadas para formar um material ablativo.
[0010] As características e funções podem ser conseguidas independentemente em várias modalidades da presente divulgação ou podem ser combinadas em ainda outras modalidades nas quais podem ser observados outros detalhes com referência à descrição e desenhos a seguir. Cláusula 1. Uma estrutura (122) que compreende: um material ablativo (100) curado em uma forma desejada, o material ablativo (100) compreendendo: uma resina fenólica resol (123); uma amida fosforilada polimérica (106) em uma proporção de entre 1 e 10 partes da amida fosforilada polimérica (106) por 100 partes da resina fenólica (104), ou sólidos de resina, em peso; e uma quantidade de enchimentos (108) que inclui uma quantidade de enchimentos de densidade (120) e uma quantidade de enchimentos de reforço estrutural (118). Cláusula 2. A estrutura (122) da cláusula 1, em que a quantidade de enchimentos de reforço estrutural (118) é selecionada a partir de fibras de carbono (110) e fibras de sílica (112). Cláusula 3. A estrutura (122) das cláusulas 1-2, em que a quantidade de enchimentos de densidade (120) é selecionada a partir de microesferas fenólicas (114) e microesferas de sílica (116). Cláusula 4. A estrutura (122) das cláusulas 1-3, em que a resina fenólica resol (123) é Hexion SC1008 VHS. Cláusula 5. A estrutura (122) das cláusulas 1-4 compreendendo ainda: um núcleo (130), em que o material ablativo (100) é aderido ao núcleo (130) por cura simultânea (co-cura).
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0011] Os aspectos inovadores considerados característicos das modalidades ilustrativas são apresentados nas reivindicações anexas. Contudo, as modalidades ilustrativas, bem como um modo de utilização preferido, outros objetivos e seus aspectos, serão melhor entendidos por meio de referência à descrição detalhada a seguir de uma modalidade ilustrativa da presente divulgação quando lida em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:
[0012] a Figura 1 é uma ilustração de um diagrama de blocos de um ambiente de fabricação de acordo com uma modalidade ilustrativa;
[0013] a Figura 2 é uma ilustração de uma espaçonave na qual uma modalidade ilustrativa pode ser implementada; e
[0014] a Figura 3 é uma ilustração de um fluxograma de um método para formar um material ablativo de acordo com uma modalidade ilustrativa.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0015] As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração uma ou mais considerações diferentes. Por exemplo, as modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que materiais aditivos podem afetar diversas propriedades materiais de uma mistura. As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que seria desejável ter um aditivo para materiais ablativos que mantenham as propriedades de proteção térmica do material ablativo enquanto reduzindo a rigidez.
[0016] As modalidades ilustrativas também reconhecem e levam em consideração que um aditivo se mistura desejavelmente de forma homogenea ao material ablativo. Ainda mais, as modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que um aditivo desejavelmente não se separa após a mistura.
[0017] As modalidades ilustrativas também reconhecem e levam em consideração que os materiais compósitos são materiais resistentes e leves, criados combinando dois ou mais componentes funcionais. Por exemplo, um material compósito pode incluir fibras de reforço ligadas em matriz de resina polimérica. As fibras podem ser unidirecionais ou podem assumir a forma de um pano tecido ou tecido. As fibras e resinas são dispostas e curadas para formar um material compósito.
[0018] As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que diferentes formas de materiais compósitos utilizam diferentes técnicas de processamento. Por exemplo, em alguns exemplos ilustrativos, uma resina pode ser impregnada em um pano ou molhada sobre fibras longas para formar um material compósito. Quando estes materiais compósitos são colocados sobre uma ferramenta antes da cura, os materiais compósitos podem ser referidos como "pré-pregs" ou materiais compósitos pré-impregnados. Os materiais “pre-preg” são primariamente unidirecionais. Materiais compósitos unidirecionais têm fibras apontadas em uma direção.
[0019] Outra forma de material compósito é uma resina a granel com fibras de enchimento misturadas na resina. As fibras de enchimento podem ser mais curtas que as fibras de um “pré-preg”. Devido ao processo de mistura, as fibras de enchimento não são unidirecionais. O material compósito resultante pode ser moldado por qualquer método desejável.
[0020] As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que as propriedades do material e a funcionalidade das peças de compósito são afetadas por diversos fatores. As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que o conteúdo do material compósito, bem como o processamento do material compósito, afeta as propriedades materiais do material compósito. Por exemplo, o tipo de resina, o tipo de fibras, o comprimento das fibras, a direção das fibras, os tipos de aditivos, o tempo de cura, a temperatura de cura e a pressão aplicada durante a cura podem, todos, afetar todas as propriedades materiais de um material compósito. Além disso, a espessura da peça de material compósito, a forma da peça de material compósito e a direção das forças aplicadas na peça em relação à direção das fibras, todos afetam como uma peça de compósito se comportará.
[0021] As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que as propriedades materiais de materiais compósitos são determinadas através do teste das peças de compósito fabricadas. As modalidades ilustrativas reconhecem e levam em consideração que devido às interações químicas e mecânicas de componentes de materiais compósitos, efeitos de aditivos em materiais ablativos fenólicos são determinados através de testes repetidos.
[0022] Com referência agora às figuras, e em particular, com referência à Figura 1, uma ilustração de um diagrama de blocos de um ambiente de fabricação está delineada de acordo com uma modalidade ilustrativa. Material ablativo 100 pode ser pelo menos um dos criados ou processados no ambiente de fabricação 102.
[0023] Como aqui utilizada, a frase "pelo menos um de", quando usada com uma lista de itens, significa que combinações diferentes de um ou mais dos itens listados podem ser usadas, e apenas um de cada item na lista pode ser necessário. Em outras palavras, "pelo menos um de" significa que qualquer combinação de itens e quantidade de itens podem ser usados da lista, mas nem todos os itens da lista são necessários. O item pode ser um objeto particular, uma coisa ou uma categoria.
[0024] Por exemplo, "pelo menos um do item A, item B ou item C" pode incluir, sem limitação, item A, item A e item B ou item B. Este exemplo também pode incluir item A, item B e item C, ou item B e item C. Naturalmente, qualquer combinação desses itens pode estar presente. Em outros exemplos, "pelo menos um de" pode ser, por exemplo, sem limitação, dois de item A, um de itens B e dez de item C; quatro de item B e sete de item C; ou outras combinações adequadas.
[0025] Material ablativo 100 compreende resina fenólica 104, amida fosforilada polimérica 106 e quantidade de enchimentos 108. Tal como aqui utilizado, "uma quantidade de" quando usada com referência a itens significa um ou mais itens. Assim, quantidade de enchimentos 108 inclui um ou mais enchimentos.
[0026] Amida fosforilada polimérica 106 está na proporção de entre 1 e 10 partes de amida fosforilada polimérica 106 por 100 partes de resina fenólica 104 ou sólidos de resina, em peso. Misturar amida fosforilada 106 polimérica na resina fenólica 104 nas proporções designadas faz com que a amida fosforilada polimérica 106 se ligue com algumas partes de resina fenólica 104 para conferir uma diminuição no módulo 109. Conforme delineado, a quantidade de enchimentos 108 inclui pelo menos um de fibras de carbono 110, fibras de sílica 112, microesferas fenólicas 114, ou microesferas de sílica 116. A quantidade de enchimentos 108 é utilizada para fornecer características de material ao material ablativo 100. A quantidade de enchimentos 108 inclui quantidade de enchimentos de reforço estrutural 118 e quantidade de enchimentos de densidade 120. A quantidade de enchimentos de reforço estrutural 118 proporciona reforço estrutural ao material ablativo 100. Ambas, as fibras de sílica 112 e as fibras de carbono 110, fornecem reforço estrutural ao material ablativo 100. Consequentemente, fibras de sílica 112 e fibras de carbono 110 podem ser referidas como enchimentos de reforço estrutural.
[0027] Material ablativo 100 é usado para formar a estrutura 122. Quando a estrutura 122 é usada em uma aeronave, uma espaçonave ou outra plataforma que tem considerações de peso, a densidade da estrutura 122 pode ser reduzida de forma desejável. A quantidade de enchimentos de densidade 120 pode ser utilizada para reduzir a densidade de material ablativo 100. Microesferas de sílica 116 e microesferas fenólicas 114 são utilizadas como enchimentos que reduzem densidade.
[0028] A quantidade de enchimentos 108 é selecionada de tal modo que propriedades desejáveis de material da resina fenólica 104 não sejam reduzidas de forma significativa. Por exemplo, a quantidade de enchimentos 108 pode ser selecionada para aprimorar propriedades ablativas da resina fenólica 104. Fibras de sílica 112 e fibras de carbono 110 aumentam o desempenho térmico e ablativo. Microesferas de sílica 116 e microesferas fenólicas 114 também aumentam o desempenho térmico e ablativo do material ablativo 100.
[0029] Tamanhos e materiais da quantidade de enchimentos 108 são selecionados para fornecer propriedades de material desejáveis para o material ablativo 100. Em um exemplo ilustrativo, fibras de sílica 112 podem ter um diâmetro de cerca de 1,19 μm - 1,75 μm. Em um exemplo ilustrativo, fibras de carbono 110 podem ser fibras moidas que têm um comprimento de cerca de 150 μm e um diâmetro de cerca de 7-9 μm. Microesferas de sílica 116 podem ter um diâmetro entre cerca de 20-250 μm. Microesferas fenólicas 114 podem ter um diâmetro mais comum entre cerca de 20-100 μm. No entanto, medições fornecidas são apenas exemplos ilustrativos. Tamanhos e materiais da quantidade de enchimentos 108 podem ser selecionados de acordo com as necessidades de uma aplicação particular.
[0030] A resina fenólica 104 é selecionada com base em pelo menos uma das propriedades desejáveis de material ou considerações de fabricação. As propriedades desejáveis de materiais se referem a propriedades tais como rigidez, resistência térmica, resistência, ou quaisquer outras propriedades da resina fenólica 104. As propriedades desejáveis de material podem ser selecionadas com base nas expectativas de desempenho da estrutura 122.
[0031] Considerações de fabricação desejáveis podem incluir quaisquer fatores para fabricação. Por exemplo, considerações de fabricação para resina fenólica incluem qualquer número ou quantidade de componentes, temperaturas de cura, toxidez, temperatura de manuseio ou tempo de manuseio, ou aditivos necessários para processamento. Aditivos para processamento também podem afetar as propriedades de material da resina fenólica 104. Por exemplo, a resina fenólica 104 pode ter melhores características de resposta termodinâmica quando não estão presentes aditivos, como agentes de cura, diluentes ou solventes.
[0032] Em alguns exemplos ilustrativos, a resina fenólica 104 é a resina fenólica resol 123. Em um exemplo específico, a resina fenólica 104 é resina Plenco 11956. A resina Plenco 11956 é à base de água e um componente único. A resina Plenco 11956 não requer aditivos adicionais para processamento tais como solventes, agentes de cura ou diluentes. Além disso, a resina Plenco 11956 é misturada à temperatura ambiente sem aquecimento.
[0033] Em outro exemplo específico, a resina fenólica 104 é Hexion SC1008 VHS. Hexion SC1008 VHS é baseada em álcool isopropílico e um único componente. Hexion SC1008 VHS não requer aditivos adicionais tais como solventes, agentes de cura ou diluentes para processamento. Além disso, Hexion SC1008 VHS é misturada à temperatura ambiente sem aquecimento. VHS é um acrônimo de sólidos muito elevados. Hexion SC1008 VHS também tem um alto teor de sólidos. Mais especificamente, Hexion SC1008 VHS tem um teor de sólidos na faixa de 50% a 80% em peso.
[0034] Material ablativo 100 pode ter uma vida útil mais longa na temperatura ambiente quando um agente de cura não está presente. Uma vida útil mais longa permitirá que a estrutura 122 seja uma grande estrutura monolítica, como um escudo térmico.
[0035] A mistura dos componentes para formar o material ablativo 100 é feita no misturador 124 que transmite forças de cisalhamento elevadas para a mistura, mas não pica ou esmaga as fibras e microesferas. Em alguns exemplos ilustrativos, o misturador 124 pode ser um misturador comercial de pão. A resina fenólica 104 é adicionada ao misturador 124 primeiro.
[0036] Ao formar o material ablativo 100, os componentes podem ser adicionados em uma ordem desejada. A ordem desejada pode ser selecionada para conseguir molhamento e consistência uniformes dos componentes do material ablativo 100. A ordem desejada pode ser selecionada para conseguir uma mistura uniforme e evitar formar aglomerados. Em um exemplo ilustrativo, amida fosforilada polimérica 106 é adicionada à resina fenólica 104 antes de adicionar a quantidade de enchimentos 108. Ao adicionar amida polimérica fosforilada 106 primeiro, a amida polimérica fosforilada 106 pode, desejavelmente, se ligar à resina fenólica 104.
[0037] Nesse exemplo ilustrativo, após adicionar amida fosforilada polimérica 106, a quantidade de enchimentos 108 é adicionada à combinação. Em alguns exemplos ilustrativos, a quantidade de enchimentos 108 tem uma ordem de adição desejável. A ordem de adição desejável é selecionada para fornecer molhamento e consistência uniformes após a mistura.
[0038] Em um exemplo ilustrativo, fibras de sílica 112 são adicionadas à mistura primeiro, seguidas por fibras de carbono 110, microesferas de sílica 116 e microesferas fenólicas 114. Após cada adição, é realizada mistura. Em alguns exemplos, a mistura é realizada após cada adição. Após adicionar tudo de fibras de sílica 112, fibras de carbono 110, microesferas de sílica 116 e microesferas fenólicas 114, material ablativo 100 é misturado para obter dispersão e molhamento uniformes por resina fenólica 104.
[0039] Em alguns exemplos ilustrativos, amida polimérica fosforilada 106 é poli(hidrogenofosfinohidrazida) polímero 126. Poli(hidrogenofosfinohidrazida) pode ser referido como H-PPA. Em alguns exemplos ilustrativos, amida fosforilada polimérica 106 é poli(metil- fosfinohidrazida) polímero 128. O polímero de poli(metil-fosfinohidrazida) 128 pode ser referido como M-PPA.
[0040] A estrutura 122 compreende material ablativo 100 curado para a forma desejada. O material ablativo 100 compreende resina fenólica resol 123; amida fosforilada polimérica 106 na proporção de entre 1 e 10 partes de amida fosforilada polimérica 106 por 100 partes de resina fenólica, ou sólidos de resina, em peso; e quantidade de enchimentos 108, incluindo quantidade de enchimentos de densidade 120 e quantidade de enchimentos de reforço estrutural 118.
[0041] Em alguns exemplos ilustrativos, a quantidade de enchimentos de reforço estrutural 118 é selecionada a partir de fibras de carbono 110 e fibras de sílica 112. Em alguns exemplos ilustrativos, a quantidade de enchimentos de densidade 120 é selecionada a partir de microesferas fenólicas 114 e microesferas de sílica 116. Em alguns exemplos ilustrativos, resina fenólica resol 123 é uma de resina Plenco 11956 ou Hexion SC1008 VHS.
[0042] Para formar a estrutura 122, material ablativo 100 é conformado e curado. Material ablativo 100 é conformado através de qualquer processo de moldagem desejável.
[0043] Em alguns exemplos ilustrativos, a estrutura 122 compreende ainda núcleo (macho) 130, em que material ablativo 100 é aderido ao núcleo 130 por cura simultânea. Quando é utilizada cura simultânea, o material ablativo 100 e o núcleo 130 são ambos colocados no mesmo molde. Na curam simultânea, o material ablativo 100 e o núcleo 130 são submetidos em conjunto às mesmas temperaturas e pressões de cura.
[0044] Material ablativo 100 pode ser incorporado no núcleo 130. Por exemplo, o núcleo 130 pode ser um núcleo de reforço de vidro-fenólico que tenha sido tratado com um agente de acoplamento, tal como etilenodiamina, para promover adesão do material ablativo 100 ao núcleo 130.
[0045] Qualquer tipo desejável de ferramental 134 pode ser usado para conformar material ablativo 100. Quando a estrutura 122 é um escudo térmico para uma espaçonave, o ferramental 134 pode compreender uma estrutura elevada de 3 a 5 polegadas, de até aproximadamente 5 pés quadrados em área, usada para conformar material ablativo 100. Se núcleo 130 é usado, ele é colocado dentro do ferramental 134 antes da introdução de material ablativo 100.
[0046] Em alguns exemplos ilustrativos, o ferramental 134 compreende molde 136. Para formar a estrutura 122, material ablativo 100 é adicionado no molde 136 e material ablativo 100 é curado. Quando núcleo 130 está presente na estrutura 122, o núcleo 130 é adicionado ao molde 136, e curar material ablativo 100 compreende curar material ablativo 100 para ligar material ablativo 100 ao núcleo 130.
[0047] Material ablativo 100 tem uma consistência semelhante a massa. Devido à consistência, o material ablativo 100 pode ser dividido em aglomerados discretos de 0,5 polegadas até 1,0 polegadas. Em alguns exemplos ilustrativos, material ablativo 100 pode ser quebrado usando uma peneira. Os aglomerados são então borrifados no ferramental 134 (e núcleo 130 se presente) para preencher o ferramental 134, e pelo menos uma polegada acima do núcleo 130, se presente. Material ablativo 100 é pressionado para baixo com uma ferramenta plana se ele se salienta acima do ferramental 134. Quando pressionada, a parte superior do material ablativo 100 é riscada para promover a adesão antes que o material ablativo adicional 100 seja borrifado no topo.
[0048] Em alguns exemplos ilustrativos, o material ablativo 100 é preparado e misturado em lotes suficientes para o tamanho do ferramental 134, e usado de tal modo que todo o lote é borrifado na ferramenta 134. Placas de coifa (caul) são colocadas sobre o material ablativo 100 para fornecer propriedades de superfície externa desejáveis para a estrutura 122 . A forma e material das placas de coifa são selecionadas com base na estrutura 122 e no material ablativo 100.
[0049] Quando a estrutura 122 é um escudo térmico para uma espaçonave, as placas de coifa em colmeia de Armalon, borracha e/ou alumínio são colocadas sobre material ablativo 100 que é coberto com etileno propileno fluorado (FEP), Kapton ou outro material de folha polimérica apropriado para conter resina fenólica 104 durante a cura.
[0050] O ferramental 134 é então coberto com materiais de respiro e saco de vácuo e curado para um estado verde em uma autoclave com uma rampa lenta até a primeira temperatura desejada para a resina selecionada e pressão escalonada de 206,8427 a 413,6854 kPa (30 a 60 psi) e 413,6854 a 862,8447 kPa (60 a 125 psi). Seguindo a cura em autoclave, placas de coifa e revestimentos são removidos, e material ablativo 100 é removido do ferramental 134 e colocado em uma bolsa de vácuo fresca com respiro. O painel é colocado em um forno para uma cura de segundo estágio. A cura de segundo estágio é realizada a uma segunda temperatura desejável para a resina selecionada. Em alguns exemplos, a segunda temperatura desejável é superior à primeira temperatura desejada.
[0051] Em alguns exemplos ilustrativos, a primeira temperatura desejada está na faixa de 200°F a 260°F. Em alguns exemplos ilustrativos, a segunda temperatura desejável está na faixa de 260°F a 330°F.
[0052] As temperaturas específicas para a cura são escolhidas sobre o desempenho desejável e as características do material de material ablativo 100. Além disso, as temperaturas específicas para a cura são escolhidas com base no tipo de resina fenólica 104.
[0053] Em alguns exemplos, material ablativo 100 pode ser curado diretamente sobre a estrutura portadora de um veículo. Nestes exemplos, o núcleo 130, se usado, é primeiro ligado à estrutura portadora com uma película adesiva antes de o ferramental 134 ser colocado em torno dele e material ablativo 100 ser incorporado. A estrutura 122 sofre então avaliação não destrutiva e é usinada para a forma final. Em alguns exemplos ilustrativos, ao invés de curar material ablativo 100 diretamente sobre a estrutura portadora, material ablativo 100 pode ser curado em blocos separados de material. A estrutura 122 pode ser um desses blocos de material. Cada um dos blocos de material, tal como a estrutura 122, é usinado para uma forma e tamanho desejados, e ligado à estrutura portadora com um adesivo apropriado de alta temperatura ou um epóxi. Quando presente, o núcleo 130 fornece reforço ao material ablativo 100. O núcleo 130 é opcional. Em alguns exemplos ilustrativos, a estrutura 122 é formada de material ablativo 100 sem o núcleo 130. Quando o núcleo 130 não está presente, material ablativo 100 pode ser conformado sem reforço.
[0054] Voltando agora à Figura 2, é delineada uma ilustração de uma espaçonave na qual uma modalidade ilustrativa pode ser implementada. A espaçonave 200 inclui o escudo térmico 202. O escudo térmico 202 protege a espaçonave 200 e qualquer carga ou ocupantes, do calor durante a entrada na atmosfera de um planeta. O escudo térmico 202 é uma implementação física da estrutura 122 da Figura 1. O escudo térmico 202 inclui um material ablativo, tal como material ablativo 100 da Figura 1.
[0055] A espaçonave 200 e o escudo térmico 202 são apenas uma implementação física de uma espaçonave e escudo térmico. A espaçonave 200 pode ter qualquer projeto desejável. O escudo térmico 202 pode ter qualquer projeto e forma desejáveis. A espaçonave 200 é apenas uma implementação física de uma plataforma que incorpora material ablativo 100 da Figura 1.
[0056] Embora os exemplos ilustrativos para uma modalidade ilustrativa sejam descritos em relação a uma espaçonave, uma modalidade ilustrativa pode ser aplicada a outros tipos de plataformas. Material ablativo 100 pode ser usado em qualquer plataforma desejável que encontre altas temperaturas. A plataforma pode ser, por exemplo, uma plataforma móvel, uma plataforma estacionária, uma estrutura terrestre, uma estrutura aquática ou uma estrutura espacial. Mais especificamente, a plataforma, pode ser um navio de superfície, um tanque, um transportador de pessoal, um trem, uma nave espacial, uma estação espacial, um satélite, um submarino, um automóvel, uma usina de energia, uma ponte, uma barragem, uma casa, uma instalação de fabricação, um edifício e outras plataformas adequadas.
[0057] Os diferentes componentes mostrados na Figura 2 podem ser combinados com componentes na Figura 1, usados com componentes na Figura 1, ou uma combinação dos dois.
[0058] Além disso, alguns dos componentes da Figura 2 podem ser exemplos ilustrativos de como os componentes mostrados na forma de bloco na Figura 1 podem ser implementados como estruturas físicas.
[0059] Voltando agora para a Figura 3, uma ilustração de um fluxograma de um método para formar um material ablativo está delineada de acordo com uma modalidade ilustrativa. O método 300 pode ser usado para formar material ablativo 100 da Figura 1. O método 300 pode ser usado para formar um material ablativo usado para formar o escudo térmico 202 da Figura 2.
[0060] O método 300 adiciona uma resina fenólica a um misturador (operação 302). Em alguns exemplos ilustrativos, a resina fenólica é uma resina fenólica resol. Em alguns exemplos ilustrativos, a resina fenólica é Hexion SC1008 VHS.
[0061] O método 300 adiciona entre 1 e 10 partes de uma amida fosforilada polimérica, por 100 partes de resina fenólica ou sólidos de resina, em peso ao misturador (operação 304). Em alguns exemplos ilustrativos, a amida fosforilada polimérica é um de um poli(metil-fosfinohidrazida) polímero ou um poli(hidrogênio fosfino-hidrazida) polímero. O método 300 mistura a resina fenólica e a amida fosforilada polimérica por pelo menos 5 minutos (operação 306).
[0062] O método 300 adiciona uma quantidade de enchimentos ao misturador (operação 308). Em alguns exemplos ilustrativos, a quantidade de enchimentos inclui pelo menos um de fibras de carbono, fibras de sílica, microesferas fenólicas ou microesferas de sílica. O método 300 mistura a quantidade de enchimentos, amida fosforilada polimérica e resina fenólica, para formar um material ablativo (operação 310). Depois disso, o método termina.
[0063] Os fluxogramas e diagramas de blocos nas diferentes modalidades ilustrativas delineadas ilustram a arquitetura, funcionalidade e operação de algumas implementações possíveis de aparelhos e métodos em uma modalidade ilustrativa. A este respeito, cada bloco nos fluxogramas ou diagramas de blocos pode representar um módulo, um segmento, uma função e/ou uma porção de uma operação ou etapa.
[0064] Em algumas implementações alternativas de uma modalidade ilustrativa, a função ou funções observadas nos blocos podem ocorrer fora da ordem observada nas figuras. Por exemplo, em alguns casos, dois blocos mostrados em sucessão podem ser executados substancialmente simultaneamente, ou os blocos às vezes podem ser realizados na ordem inversa, dependendo da funcionalidade envolvida. Além disso, outros blocos podem ser adicionados, além dos blocos ilustrados em um fluxograma ou diagrama de blocos.
[0065] Por exemplo, o método 300 pode ainda compreender fabricar o material ablativo em uma pré-forma. Como outro exemplo, o método 300 pode ainda compreender adicionar o material ablativo a um molde e curar o material ablativo. Em alguns exemplos ilustrativos, o método 300 também inclui adicionar um núcleo ao molde, em que curar o material ablativo compreende curar o material ablativo para ligar o material ablativo ao núcleo.
[0066] O método 300 pode ser descrito como um método para aumentar a conformidade de deformação de um material ablativo. O método 300 aumenta a conformidade de deformação de um material ablativo conhecido por meio da adição de uma amida fosforilada polimérica à composição anterior do material ablativo.
[0067] Uma vez que o material ablativo é formado de uma resina fenólica, o método 300 pode ser descrito como um método para aumentar a conformidade de deformação de um ablador fenólico.
[0068] Foi desenvolvida uma formulação de material de proteção térmica ablativo e um método de processamento que permite que o material ablativo tenha propriedades melhoradas, tal como conformidade de deformação aumentada, módulo reduzido, densidade reduzida, e estabilidade de carbono melhorada sobre o material existente para um escudo térmico da base de uma cápsula ou sonda.
[0069] A adição de uma amida fosforilada polimérica a um ablativo à base de resina fenólica melhora as propriedades mecânicas e térmicas em relação a formulações existentes devido a ligações químicas nas cadeias de fenol. Os exemplos ilustrativos resultam em um material de proteção térmica ablativo capaz de fluxo térmico de faixa média (400 W/cm2 - 1500 W/cm2) com um módulo reduzido. O módulo reduzido mitiga a formação de fissuras induzidas por tensão no material ablativo.
[0070] O material ablativo também tem uma densidade reduzida que diminui o peso adicionado a um veículo ou a outra plataforma. O material ablativo também possui uma estabilidade de carbono melhorada que resulta em menos transferência de calor através do material ablativo e uma extensão do tempo em que o material ablativo pode ser exposto às condições de calor/reentrada. Uma vez que o material ablativo tem uma maior estabilidade de carbono e menor densidade, há menos peso adicionado ao veículo para obter a mesma proteção térmica em relação a materiais ablativos existentes.
[0071] Os processos ilustrativos detalham a fabricação de um material ablativo fenólico que inclui um aditivo poli(metil-fosfinohidrazida) polímero para aumentar conformidade de deformação e reduzir o módulo, permitindo que o material resista a deflexões estruturais de um escudo térmico da espaçonave. A formulação inclui 1 a 10 partes, por 100 partes de resina fenólica, ou sólidos de resina, em peso. O aditivo é incorporado na resina usando um misturador comercial de pão que transmite forças de cisalhamento elevadas à mistura, mas não pica ou esmaga fibras e microesferas. Os dois líquidos deveriam ser misturados por um mínimo de cinco minutos. Uma vez que a poli(metil-fosfinohidrazida) é incorporada na resina, os enchimentos do material ablativo são misturados no líquido.
[0072] O material ablativo completado pode ser incorporado em um núcleo de reforço de vidro-fenólico que foi tratado com um agente de acoplamento, tal como etilenodiamina, para promover adesão do material ablativo ao núcleo, ou pode ser conformado sem reforço. O ferramental, composto por uma estrutura elevada de 3 a 5 polegadas de até aproximadamente 5 ft2 de área, é usado para conformar o material ablativo. Se um núcleo é usado, ele é colocado dentro do ferramental antes da introdução do material ablativo. O material ablativo de consistência de massa é dividido em aglomerados discretos de 0.5 polegadas até 1.0 polegadas, geralmente usando uma peneira. Os aglomerados são então borrifados na ferramenta (e núcleo se presente) para preencher a ferramenta, e pelo menos uma polegada acima do núcleo, se presente. O material é pressionado para baixo com uma ferramenta plana se ele se salienta acima da ferramenta. A parte superior do material pressionado é riscada para promover adesão antes que material adicional seja borrifado em cima dela. O material é preparado e misturado em lotes suficientes para o tamanho da ferramenta utilizada, de tal modo que todo o lote é borrifado na ferramenta. As placas de coifa (caul) em colméia de Armalon, borracha e/ou alumínio são colocadas sobre o material que é coberto com etileno propileno fluorado (FEP), Kapton ou outro material de folha polimérica apropriado para conter resina durante a cura. A ferramenta é então coberta com materiais padrão de respiro e saco de vácuo, e curado para um estado verde em uma autoclave com uma rampa lenta até uma temperatura máxima e uma pressão escalonada de 206,8427 a 413,6854 kPa (30 a 60 psi) e 413,6854 a 862,8447 kPa (60 a 125 psi) de pressão. A temperatura máxima é selecionada com base na resina selecionada. Em seguida à cura em autoclave, placas de coifa (caul) e revestimentos são removidos, e o material é removido do ferramental e colocado em uma bolsa de vácuo fresca com respiro. O painel é colocado em um forno para um segundo estágio de cura. Em alguns exemplos, o segundo estágio de cura está em uma temperatura maior do que a cura em autoclave. O segundo estado de cura é realizado até um nível desejado de cura ser obtido no material ablativo. Em alguns exemplos ilustrativos, um nível de cura pode ser determinado com base em dados de dureza e resistência.
[0073] O ablativo pode ser curado diretamente sobre a estrutura portadora de um veículo, caso em que o núcleo de reforço, se usado, é primeiro ligado à estrutura portadora com um filme de adesivo, tal como HT- 424, antes que o ferramental seja colocado em torno dele e o ablativo incorporado. O escudo térmico sofre uma avaliação não destrutiva e é usinado para a forma final. Alternativamente, o material pode ser curado em blocos de material separados, usinados para a forma e tamanho desejados e ligados sobre a estrutura portadora com um adesivo apropriado de alta temperatura, tal como uma borracha vulcanizada à temperatura ambiente (RTV-560) ou uma epóxi.
[0074] A descrição das diferentes modalidades ilustrativas foi apresentada para fins de ilustração e descrição, e não se destina a ser exaustiva ou limitada às modalidades na forma divulgada. Diversas modificações e variações serão evidentes para aqueles versados na técnica. Além disso, diferentes modalidades ilustrativas podem fornecer características diferentes em comparação com outras modalidades ilustrativas. A modalidade ou modalidades selecionadas são escolhidas e descritas para melhor explicar os princípios das modalidades, a aplicação prática, e para permitir que outros de talento ordinário na técnica compreendam a divulgação para várias modalidades com várias modificações, tal como são adequadas ao uso particular contemplado.

Claims (20)

1. Método para formar um material ablativo, caracterizado pelo fato de que compreende: adicionar uma resina fenólica (104) a um misturador (124); adicionar entre 1 e 4,9 partes de uma amida fosforilada polimérica (106), por 100 partes da resina fenólica (104), em peso, ao misturador (124); misturar a resina fenólica (104) e a amida fosforilada polimérica (106) durante pelo menos 5 minutos; adicionar uma quantidade de enchimentos (108) ao misturador (124) após misturar a resina fenólica (104) e a amida fosforilada polimérica (106) por pelo menos 5 minutos; e misturar a quantidade de enchimentos (108), a amida fosforilada polimérica (106) e a resina fenólica (104), para formar um material ablativo (100).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a resina fenólica (104) ser uma resina fenólica resol (123).
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a amida fosforilada polimérica (106) ser pelo menos um de um poli(metil-fosfinohidrazida) polímero (128) ou um poli(hidrogênio fosfinohidrazida) polímero (126).
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a quantidade de enchimentos (108) incluir pelo menos uma de fibras de carbono (110), fibras de sílica (112), microesferas fenólicas (114) ou microesferas de sílica (116).
5. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a adição da resina fenólica ao misturador (124) compreende: adicionar a resina fenólica (104) ao misturador (124) de modo que nenhum aditivo adicional seja adicionado ao misturador (124).
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resina fenólica e a amida fosforilada polimérica (106) são misturadas à temperatura ambiente sem aquecimento.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda: fabricar o material ablativo (100) em uma pré-forma.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: adicionar o material ablativo (100) a um molde (136); e curar o material ablativo (100).
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: adicionar um núcleo (130) no molde (136), em que curar o material ablativo (100) compreende curar o material ablativo (100) para ligar o material ablativo (100) ao núcleo (130).
10. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o aditivo adicional não adicionado ao misturador (124) é pelo menos um de um solvente, um agente de cura ou um diluente.
11. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a resina fenólica (104) é uma resina fenólica resol.
12. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a amida fosforilada polimérica (106) é pelo menos um de um polímero poli(metil-fosfino-hidrazida) ou um polímero poli(hidrogenofosfino- hidrazida).
13. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o número de enchimentos (108) inclui pelo menos uma de fibras de carbono (110), fibras de sílica (112), microesferas fenólicas (114) ou microesferas de sílica (116).
14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a adição da resina fenólica (104) ao misturador (124) compreende: adicionar a resina fenólica (104) ao misturador (124) de forma que nenhum aditivo adicional seja adicionado ao misturador (124).
15. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a resina fenólica (104) e a amida fosforilada polimérica (106) são misturadas à temperatura ambiente sem aquecimento.
16. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a resina fenólica (104) é uma resina fenólica resol.
17. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a amida fosforilada polimérica (106) é pelo menos um de um polímero poli(metil-fosfino-hidrazida) ou um polímero poli(hidrogenofosfino- hidrazida).
18. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o número de enchimentos (108) inclui pelo menos uma dentre fibras de carbono (110), fibras de sílica (112), microesferas fenólicas (114) ou microesferas de sílica (116).
19. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que adicionar a resina fenólica (104) ao misturador (124) compreende: adicionar a resina fenólica (104) ao misturador (124) de forma que nenhum aditivo adicional seja adicionado ao misturador (124).
20. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a resina fenólica (104) e a amida fosforilada polimérica (106) são misturadas à temperatura ambiente sem aquecimento.
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