Estudo Das Propriedades Termomecânicas E Características Morfológicas De Grafites Sintéticos De Uso Aeroespacial
Data
2017-07-31
Autores
Motta, Jose Andre Da 
Orientadores
Rezende, Mirabel Cerqueira
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
In a rocket motor with solid propulsion, the energy of the combustion reaction of chemical propellant at high pressure results in the generation of gases at temperatures in the order of 2700 °C. These extreme operating conditions lead to the search for materials with adequate mechanical characteristics around 2500 °C, good heat conductors and which are little affected by severe thermal shock. In compliance with these strict requirements, one of the materials used is the synthetic graphite. Considering that there is no available direct correlation in the literature among morphological, thermal and mechanical characteristics of synthetic graphites for space use, the present work has the objective of characterizing three types of synthetic graphites by means of mechanical tests (tensile and compression strength), physical (porosity, density and of thermal expansion coefficients and thermal diffusivity measurements) and morphological (optical microscopy) analyses. The results obtained in morphological analyses show that the studied samples are anisotropic carbon materials with very different optical textures. The analysis of the surface porosity shows values between ~2.3 and 30%, depending on the type of graphite and the radial or longitudinal position of withdrawal of the specimen in the graphite billet. The apparent density varied between 1.72 and 1.79 g/cm3. The density values obtained by helium pycnometry ranged from 2.05 to 2.14 g/cm3. These results indicate that the samples present different volumes of open pores. BET and BJH analyses confirm that the samples present a micropores distribution with different shapes. Measurements of coefficient of thermal expansion (3.58-4.64x10-6 oC-1, in the range 25-500 oC) and thermal diffusivity (~ 14-26x10-6 m2/s at 850 oC) show the influence of grain direction and also indicate that one of the samples of graphite was probably obtained by uniaxial pressing and not by extrusion. The correlation of tensile (~10 to 26 MPa) and compression (~30 to 76 MPa) strength results as a function of surface porosity shows that these properties are affected by the porosity level in a non-linear manner. The results show that the evaluation of the optical textures and the distribution of surface pores and also the tensile and compression strength are priority requirements in the selection of synthetic graphite of space use.
Em um motor foguete a propulsão sólida, a energia da reação de combustão do propelente químico a alta pressão resulta na geração de gases a temperaturas da ordem de 2700 °C. Essas condições extremas de operação levam à busca por materiais que apresentem adequadas características mecânicas em torno de 2500 °C, bons condutores de calor e que sejam pouco afetados pelo severo choque térmico. No atendimento desses rígidos requisitos, um dos materiais utilizados é o grafite sintético. Considerando que não existe disponível na literatura uma correlação direta entre as características morfológicas, térmicas e mecânicas de grafites sintéticos de uso espacial, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização de três tipos de grafites sintéticos, por meio de ensaios mecânicos (resistência à tração e compressão), físicos (medidas de porosidade, massa específica e coeficientes de expansão térmica e de difusividade térmica) e morfológicos, via microscopia óptica. Os resultados obtidos nas análises morfológicas evidenciam que as amostras analisadas referem-se a materiais carbonosos anisotrópicos, com texturas ópticas muito distintas. A análise da porosidade superficial mostra valores entre ~2,3 e 30%, em função do tipo de grafite e da posição radial ou longitudinal de retirada do corpo de prova no tarugo de grafite. A massa específica aparente variou entre 1,72 e 1,79 g/cm3. Já os valores de massa específica obtidos por picnometria de hélio variaram entre 2,05 e 2,14 g/cm3, indicando que as amostras apresentam diferentes volumes de poros abertos. Análises de BET e BJH confirmam que as amostras apresentam uma distribuição de microporos com diferentes formatos. Medidas de coeficiente expansão térmica (3,58 - 4,64.10-6 oC-1, na faixa de 25-500 oC) e de difusividade térmica (~14 - 26.10-6 m2/s a 850 oC) mostram a influência da direção do grão e também indicam que uma das amostras de grafite foi provavelmente obtida por prensagem uniaxial e não por extrusão. A correlação dos resultados dos ensaios de resistência à tração (~10 a 26 MPa) e à compressão (~30 a 76 MPa) em função da porosidade superficial mostra que essas propriedades são afetadas pelo nível de porosidade de maneira não linear. Os resultados obtidos mostram que a avaliação das texturas ópticas e da distribuição de poros superficiais e a avaliação de resistências à tração e compressão são requisitos prioritários na seleção de grafites sintéticos de uso espacial.
Em um motor foguete a propulsão sólida, a energia da reação de combustão do propelente químico a alta pressão resulta na geração de gases a temperaturas da ordem de 2700 °C. Essas condições extremas de operação levam à busca por materiais que apresentem adequadas características mecânicas em torno de 2500 °C, bons condutores de calor e que sejam pouco afetados pelo severo choque térmico. No atendimento desses rígidos requisitos, um dos materiais utilizados é o grafite sintético. Considerando que não existe disponível na literatura uma correlação direta entre as características morfológicas, térmicas e mecânicas de grafites sintéticos de uso espacial, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização de três tipos de grafites sintéticos, por meio de ensaios mecânicos (resistência à tração e compressão), físicos (medidas de porosidade, massa específica e coeficientes de expansão térmica e de difusividade térmica) e morfológicos, via microscopia óptica. Os resultados obtidos nas análises morfológicas evidenciam que as amostras analisadas referem-se a materiais carbonosos anisotrópicos, com texturas ópticas muito distintas. A análise da porosidade superficial mostra valores entre ~2,3 e 30%, em função do tipo de grafite e da posição radial ou longitudinal de retirada do corpo de prova no tarugo de grafite. A massa específica aparente variou entre 1,72 e 1,79 g/cm3. Já os valores de massa específica obtidos por picnometria de hélio variaram entre 2,05 e 2,14 g/cm3, indicando que as amostras apresentam diferentes volumes de poros abertos. Análises de BET e BJH confirmam que as amostras apresentam uma distribuição de microporos com diferentes formatos. Medidas de coeficiente expansão térmica (3,58 - 4,64.10-6 oC-1, na faixa de 25-500 oC) e de difusividade térmica (~14 - 26.10-6 m2/s a 850 oC) mostram a influência da direção do grão e também indicam que uma das amostras de grafite foi provavelmente obtida por prensagem uniaxial e não por extrusão. A correlação dos resultados dos ensaios de resistência à tração (~10 a 26 MPa) e à compressão (~30 a 76 MPa) em função da porosidade superficial mostra que essas propriedades são afetadas pelo nível de porosidade de maneira não linear. Os resultados obtidos mostram que a avaliação das texturas ópticas e da distribuição de poros superficiais e a avaliação de resistências à tração e compressão são requisitos prioritários na seleção de grafites sintéticos de uso espacial.