A medida que un vehículo viaja por el espacio a velocidades hipersónicas, los gases que lo rodean generan calor a temperaturas peligrosas para el piloto y la instrumentación en el interior. Diseñar un vehículo que pueda alejar el calor requiere una comprensión de las propiedades térmicas de los materiales utilizados para construirUn estudio reciente de dos partes en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign desarrolló un método para crear modelos 3D de las fibras dentro de materiales compuestos y luego usó esa información para predecir la conductividad térmica del material.
"Usamos la microtomografía de rayos X para crear imágenes en 3D que muestran la orientación de las fibras", dijo Francesco Panerai, miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de UIUC. "En la mayoría de las aplicaciones de ingeniería utilizamos materiales compuestos hechos con carbonofibras, pero el método que desarrollamos se puede aplicar a cualquier tipo de fibra y cualquier tipo de compuesto ".
Panerai dijo que la microtomografía es similar a obtener una tomografía computarizada en el hospital, pero con rayos X de alta energía que pueden detectar detalles finos en microfibras, que son una fracción del diámetro de un solo cabello humano.
"Las imágenes que muestran cómo están organizadas las fibras son mucho más que imágenes bonitas; son una descripción del material en una cuadrícula tridimensional. Ahora podemos usar los datos de la cuadrícula 3D para hacer simulaciones para calcular el materialpropiedades para las que de otro modo tendría que hacer experimentos complicados ", dijo Panerai.
En la primera parte del estudio, Panerai y sus colegas probaron tres métodos diferentes para visualizar las fibras. "Descubrimos que debido a que los diferentes materiales se componen de diferentes arquitecturas, ciertos métodos funcionaron mejor con algunas fibras y tejidos que con otros".
Por ejemplo, el estudio concluyó que el enfoque del tensor de estructura ubicua mostró muy buen rendimiento en fibras rectas y aleatorias, pero no pudo estimar con precisión la orientación de un tejido densamente empaquetado en dos direcciones.
Otro método basado en el fundente artificial demostró un rendimiento relativamente bueno en muestras tejidas en dos direcciones, pero falló en fibras rectas al azar.
El novedoso método de fundición de rayos se mostró prometedor para convertirse en un método poderoso para estimar la orientación de materiales fibrosos con poca curvatura. Pero su principal desventaja es el alto costo computacional.
"Ahora que podemos seguir la dirección de las fibras en el espacio y determinar el espacio entre ellas, podemos calcular la propiedad del material, en este caso su conductividad térmica, en tres dimensiones y tener valores muy precisos.
"Y, para medir la conductividad experimentalmente, necesitaría hacer tres experimentos, uno para cada dirección. Con este nuevo método, podemos calcular el tensor y predecir las propiedades en las tres direcciones de manera mucho más rápida y rentable".
Panerai dijo que este nuevo método para visualizar fibras y la capacidad probada para determinar las propiedades de los materiales pueden ayudar a rediseñar los materiales.
"Podemos usar una arquitectura de fibra muy específica para lograr una propiedad determinada, como resistencia o conductividad", dijo. "La conductividad térmica es algo que todos los que trabajan con materiales de alta temperatura intentan estimar. Parece una propiedad muy simple, peroes muy difícil de medir, especialmente para materiales que son tridimensionales. Eso es lo que es notable sobre el poder de este método ".
Frederico Semeraro, autor principal del estudio en el Centro de Investigación Ames de la NASA, dijo: "Calcular la conductividad térmica es fundamental para predecir de manera confiable una respuesta del escudo térmico. Además, la metodología y los métodos numéricos que se han desarrollado son lo suficientemente flexibles como para permitirel cálculo de muchas propiedades de los materiales. Una comprensión completa del comportamiento de un escudo térmico permitirá, en última instancia, la optimización de su diseño. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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