Абляция полимеров (ablation)

Абляция полимеров (ablation) —это разрушение полимерного материала, сопровождающееся уносом его массы, при воздействии горячего газового потока. 

Абляция —  это результат суммарного воздействия механических сил, тепла и агрессивных сред потока. Вклад каждого из этих факторов определяется физико-химическими и газодинамическими параметрами потока:

  1. Интенсивность;
  2. Температура;
  3. Давление;
  4. Скорость и характер движения — ламинарное или турбулентное;
  5. Состав газов;
  6. Наличие твердых частиц.

Абляция полимерных материалов — это сложный процесс, в котором наряду с химическими превращениями при деструкции (термической, термоокислительной и механической) важную роль играют процессы теплообмена и массообмена. Абляция полимеров подчиняется основным законам теплопередачи  и массопередачи для твердых тел.

В начальный период действия горячего газового потока на полимерный материал наблюдается так называемая нестационарная абляция. При этом скорость подвода тепла к поверхности превышает скорость его отвода (в толщу материала и при уносе массы). По истечении некоторого времени t при условии постоянства скорости подвода тепла к поверхности материала процесс абляции переходит в квазистационарное состояние, характеризующееся постоянными значениями скорости абляции, температуры и градиента температур по толщине слоя материала. Время t определяется по уравнению:

t=a(1/v)2,

где а — температуропроводность, v — линейная скорость А.


Абляционные свойства полимерных материалов

Абляционные свойства материалов характеризуются следующими параметрами:

  1. Температурой абляции;
  2. Удельной эффективной теплотой или удельной эффективной энтальпией абляции;
  3. Линейной или массовой скоростью абляции;
  4. Теплоизоляционными параметрами.

Линейная скорость абляции полимеров (мм/сек):

  • Фенольная смола (отвержденная) – 0,157 (мм/сек)
  • Кремнийорганический полимер – 0,378 (мм/сек)
  • Полиметилметакрилат – 0,446 (мм/сек)
  • Поликарбонат – 0,487 (мм/сек)
  • Политетрафторэтилен- 0,523 (мм/сек)
  • Полипропилен – 0,597 (мм/сек)
  • Полистирол – 0,645 (мм/сек)
  • Полиэтилен -0,673 (мм/сек)

(Образцы были установлены под углом 90° к фронту пламени кислородно-ацетиленовой горелки).

Удельная эффективная теплота абляции отражает связь между скоростью уноса массы и поверхностной плотностью теплового потока:

formula_udelnoy_effektivnoy_teploty_ablyatcii


 Абляционная стойкость полимерных материалов

Абляционная стойкость полимерных материалов определяется в основном их устойчивостью к механической, термической и термоокислительной деструкции. Поэтому материалы на основе полимеров линейного строения, относительно легко деполимеризующихся или деструктирующих с разрывом основной цепи макромолекул и образованием низкомолекулярных осколков, характеризуются низкой абляционной стойкостью. Температура абляции таких материалов обычно не превышает 900° С. Значительно более высокой абляционной стойкостью обладают материалы на основе термостойких полимеров лестничного или сетчатого строения — феноло-альдегидных, эпоксидных, кремнийорганических, фурановых и др. В этих полимерах при воздействии высоких температур протекают сложные химические превращения, приводящие к структурированию и обуглероживанию остатка (см. Карбонизация). Температура абляции подобных материалов может достигать 3000° С.

Для увеличения абляционной стойкости полимеров используют различные армирующие наполнители, снижающие вклад в абляцию механического разрушения и повышающие эффективную теплоту абляции. Для этой цели применяют волокна и ткани на основе неорганических оксидов (стеклянное, кремнеземистое, кварцевое волокно, волокна на основе огнеупорных окислов циркония, титана, тория), а также асбест и термостойкие углеродные нити. Менее эффективны волокна органического происхождения.

Типичная схема абляции полимерного материала на примере армированного фенольного стеклопластика приведена на рис. 1.:

shema_ablyatcii_polimerov_grafik

Рис. 1. Схема абляции фенольного стеклопластика: I — зона абляции; II — защитная зона; III — рабочая зона.

Абляционная стойкость полимерных композитов

Абляционностойкие полимерные материалы находят широкое применение для тепловой защиты конструкционных элементов высокоскоростных летательных аппаратов. Эффективность применения пластмасс для этих целей обусловлена их высокой теплопоглощающей способностью, низкой плотностью, высокой удельной теплоемкостью, прочностью, низкой теплопроводностью, легкостью изготовления изделий заданной конфигурации, относительной дешевизной и доступностью.

Способность материала локализовать высокий температурный градиент в неглубоком поверхностном слое характеризуют показателем теплоизоляционного качества (толщина слоя материала, необходимая для сохранения заданной температуры на тыльной стороне теплозащитного покрытия в конце периода нагревания). Толщину теплозащитного покрытия, необходимую для обеспечения тепловой защиты несущей конструкции, можно определить как:

3formula_rascheta_tolshciny_teplozashchitnogo_pokritiya

Примерные значения величин, характеризующих теплоизоляционные качества некоторых полимерных материалов, приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1: Абляционные характеристики композитов на основе фенольных связующих при воздействии высокотемпературного потока воздуха

Поверхностная плотность теплового потока, квт/м2 (ккал/(м2·сек) Время экспозиции, сек Температура поверхости,⁰С Линейная скорость абляции, мм/сек Удельная теплота абляции, Мдж/кг(ккал/кг)

Стеклотекстолит

1360 (325)  120  1630  0,0415  18,8 (4500) 
4600 (1100)  58  1950  0,0945  28,2 (6730)
9200 (2200)  60  2140  0,1925  27,7 (6610)
15900 (3800) 30 2320 0,3230  28,9  (6900)

Асботекстолит

1360 (325)  120  1643  0,0107  75,8 (18100) 
4600 (1100) 60  1950  0,0910  29,3 (7000) 
9200 (2200)  60  2116  0,1480  36,3 (8660) 
15900 (3800) 30 2320 0,2540 37,3 (8900)

Пластики на основе ткани из кремнеземистого волокна

1360 (325)  122  1541  0,0084  105,5 (25210) 
4600 (1100)  60  1975  0,0282  110,5 (26400)
9200 (2200)  56  2090  0,1290  50,5 (12050) 
15900 (3800) 30 2370 0,3920 27,9 (6665)

Пластик, армированный полиамидным волокном

1360 (325)  120  1710  0,0229  48,4 (11550) 
4600 (1100)  62  1999  0,0485  75,8 (18100) 
9200 (2200) 59 2390 0,0855 86,0 (20550)

Таблица 2: Абляционные характеристики армированных пластмасс (композитов) при воздействии пламени кислородно-ацетиленовой горелки (образцы размером 101,5мм×101,6мм×6,35мм установлены под углом 90⁰ к фронту пламени).

Полимерное связующее Армирующий наполнитель Линейная скорость, мм/сек Время, в течение которого температура на обратной стороне слоя достигнет 200⁰С
Тип Содержание,% Тип Содержание,%
Графит, контрольный образец 100 0,0101 2,2
Фенольное 40 Ткань из углеродных волокон 60 0,0305 37,0
40 Ткань из углеродных волокон и полиамидное волокно 6 0,0406 22,3
44 Асбестовый мат 56 0,0534 95,0
45 Стеклоткань 55 0,1119 48,0
30 70 0,127 32,0
51 Асбестовый войлок 49 0,0812 54,3
Кремнийорганическое 15 Стеклоткань 85 0,142 37,0
Эпоксидное 32 Стеклоткань 68 0,150 29,0

Список литературы: Конструкционные свойства пластмасс, пер. с англ., под ред. Э. Бэра, М., 1967; Исследования при высоких температурах, пер. с англ., под ред. В. А. Кирилина и А. С. Шейндлина, М., 1962; В re n пе г W., L u m D., В i 1 е у М. W., Hightemperature plastics, N. Y., 1962; Encyclopedia of polymer science and technology, v. I, N. Y.— Ea.о.1,1964, p. 1,L u n d e 1 1 J. H., Wakefield R. M., Jones J. W., AIAA Journal, 3, 2087 A965); Barker D. H. [a.o.], Chem. Eng. Progr. Sympos. ser., 61, 108 A965); Hunsel J. ft., McAlevy R. F., AIAA Journal, 4, 841 A966), Хим. и технол. полимеров, Na 2, 67 A961). М. И. Рогайлин.
Автор:
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией Каргина В.А
Дата в источнике: 1972 год
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter