ESTUDO DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO DE PROTEÇÃO DE DISPOSITIVOS AEROESPACIAIS

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1 ESTUDO DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE MATERIAIS UTILIZADOS COMO ESCUDO DE PROTEÇÃO DE DISPOSITIVOS AEROESPACIAIS Luciana Ferreira Carvalho,*, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil * Bolsista PIBIC do CNPq Marcos Massi Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias CEP São José dos Campos SP Brasil Edson de Aquino Barros Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias CEP São José dos Campos SP Brasil Resumo. Neste trabalho foi estudada a característica da emissividade de amostras de grafite e de fibras de carbono com resina fenólica. Essas fibras são também denominadas DivergenteS30, e são utilizadas no sistema de proteção térmica de dispositivos aeroespaciais. Para realização dos ensaios, as amostras foram aquecidas em um forno e suas temperaturas foran medidas por meio de termopares e pirômetros ópticos. Inicialmente foi feita uma calibração do sistema com as amostras de grafite, uma vez que este material apresenta suas características na literatura. Foi então verificado o comportamento do DivergenteS30. O material utilizado como proteção térmica agiu como esperado pois encontrou-se um valor alto para a sua emissividade e após a sua queima a sua temperatura interna encontrou-se menor que a externa. Palavras chave: emissividade, sistema de proteção térmica, 1. Introdução O corpo negro é definido como um corpo hipotético que absorve toda a radiação que incide sobre ele com qualquer comprimento de onda. A radiação do corpo negro representa o limite máximo de radiação que um corpo real pode emitir num dado comprimento de onda, para uma dada temperatura. Para corpos reais, define-se então uma quantidade chamada emissividade, que é uma função do comprimento de onda e da temperatura e tem valores entre 0 (para um refletor perfeito) a 1 (absorvedor perfeito). Para a correta determinação da temperatura de um corpo, devemos então ter o conhecimento desta emissividade, pois na maioria das vezes só podemos medir a temperatura de um corpo através da sua energia refletida, e para termos o valor correto da temperatura do corpo, temos que considerar a sua emissividade. Em sistemas de proteção térmica, para evitar danos causados pelo calor da estrutura nos sensores e carga útil do veiculo espacial, o material utilizado deve ter uma alta emissividade para que o fluxo de calor seja refletido de volta com uma maior eficiência possível. 2. Materiais e Métodos Para se calcular a emissividade foram utilizados um termopar e um pirômetro ótico. Com o primeiro medimos a temperatura termométrica do corpo e com o segundo medimos a temperatura refletida (radiométrica), fazendo-se a relação entre os resultados se obtém a emissividade do material utilizado.

2 Pela lei de Stefan-Boltzmann, temos que a radiação total emitida por um corpo será então: Onde: W W 0 b W = radiação total emitida = Constante de Stefan-Boltzmann 4 2 W T [ W / m ] Deve-se, entretanto, ter o cuidado para que a temperatura do objeto de referência não seja muito próxima da temperatura ambiente, e também levar em consideração a distância entre o objeto e o pirômetro, pois a radiação está sendo absorvida neste meio e a transmissão desta cai com a distância. Para o entendimento dos resultados utiliza-se também da análise termogravimétrica (TGA) que fornece informações sobre a perda de massa percentual da amostra em função da temperatura. Na Fig. 1 segue um exemplo de curva TGA típica. Figura 1 Curva TGA típica Onde: 1. Componentes voláteis umidade, solventes 2. Perda de água da cristalização 3. Decomposição 4. Resíduo (cinzas, espessantes, negro de fumo ou fuligem formados durante a decomposição em uma atmosfera inerte) Para o cálculo da emissividade precisou-se da medida da temperatura superficial e interna do material. Para a medida da temperatura superficial utilizou-se um pirômetro ótico (ver Fig. 2), que baseiase no fato de que a energia de radiação emitida por um corpo quente é uma função da temperatura. Para a temperatura interna utilizou-se um termopar do tipo K (ver Fig. 3), que baseia-se que a junção de dois metais gera uma tensão elétrica que é função da temperatura (Efeito de Seebeck). O termopar usado foi o do tipo K, que é feito pela junção de Cromel - Ni(90%) Cr(10%) - e Alumel Ni (95%) Mn(2%) Si (1%) Al(2%). Este termopar é o mais indicado para esta experiência pois cobre temperaturas entre -200 C e 1200 C.

3 Fig. 3 Termopar do tipo k Fig. 2 Exemplo de pirômetro Para a verificação da emissividade calculada pelo pirômetro ótico e termopar, utilizou-se um pirômetro medidor de emissividade Pyrofiber (ver Fig.4). Figura 4 Foto do Medidor de Temp. e Emissiv. utilizado O método utilizado compara a emissividade calculada com os valores encontrados pelo termopar e pirômetro, com o valor medido pelo pirômetro Pyrofiber. Para o aquecimento da amostra até temperaturas elevadas e uniformes na amostra, utilizou-se o forno mostrado nas Figuras 5 e 6, onde a amostra é colocada dentro de um tubo de quartzo. Para a aplicação do experimento, colocou-se a amostra no centro do tubo, com o termopar de um lado e o pirômetro do lado oposto, como mostra a Figura 7. Fig. 5 Forno Fig. 6 Forno em detalhe

4 Fig 7 Foto do experimento Para verificar a veracidade do método utilizou-se inicialmente uma amostra de grafite para que pudéssemos comparar os valores calculados e medidos com os valores encontrados na bibliografia. Feito isto, partiu-se para a análise do Divergente S30 utilizando o método descrito acima. O grafite é uma das formas alótropas do carbono e possui uma emissividade de 0,98. O Divergente S30 é um material composto de fibra de carbono e resina fenólica e é utilizado nos sistemas de proteção térmica em dispositivos aeroespaciais. 5. Resultados e Discussão No estudo da emissividade dos materiais calculou-se o seu valor com o auxilio do termopar, pirômetro óptico de temperatura e pirômetro (Pyrofiber) de emissividade como explicado anteriormente. Inicialmente aqueceu-se a amostra de grafite até 600 C e calculou os valores de emissividade a partir do pirômetro e termopar. Os valores medidos encontram-se na Tab. 1 Tab. 1 Valores obtidos no pirômetro, termopar e pyrofiber para o grafite Termopar Pirometro Emiss. Calculada Emissiv. Medida ,960 0, ,957 0, ,964 0, ,950 0,9828 Em seguida, aqueceu-se a amostra de grafite até 1000 C e calculou-se a emissividade com o auxilio do termopar e pirômetro ótico e mediu-se a emissividade fornecida pelo Pyrofiber. Os valores encontram-se na Tab. 2 Tab. 2 Valores obtidos pelo termopar e pyrofiber até 960 C para o grafite Temperatura Emiss. Medida 960 0, , , , , , , , ,9827 Emiss. Média 0,9828

5 TG (%) TEMPO (MIN) Para o cálculo da emissividade do Divergente S30, utilizou-se o mesmo método de cálculo e experimento feitos acima. Os valores encontrados para este material encontram-se na Tab. 3. Tab. 3 Valores obtidos com pirômetro e termopar Termopar Pirômetro Emiss. Calculada , , , , , , ,866 Como já dito, o material em análise, Divergente S30 é composto de fibra de carbono com resina fenólica. Como podemos observar pela análise TGA da fibra de carbono (Fig. 8), a maior perda de massa do material ocorre na faixa de temperatura entre 400 e 600 C, que corresponde a evaporação da resina fenólica. Deve-se ressaltar que nesta faixa de temperatura a fibra de carbono permanece intacta. A evaporação da resina foi observada visualmente durante os experimentos realizados em laboratório, quando a temperatura atingiu cerca de 500 C TG97 TG97A TEMPERATURA ( 0 C) Fig. 8 Análise TGA da fibra de carbono 5. CONCLUSÕES Neste trabalho de análise das propriedades térmicas de materiais utilizados como escudo de proteção de dispositivos aeroespaciais, verificou-se que o uso do termopar e pirômetro óticos podem fornecer resultados bastante precisos de emissividade de um material e que o pirômetro de emissividade Pyrofiber pode fornecer valores bem reais, sendo mais indicado para experimentos que requerem um menor erro dos resultados. Através da análise TGA da fibra de carbono, pode-se perceber que sua grande perda de massa ocorre entre 400 e 600 C e que quando é utilizado este tipo de material para a sistemas de proteção térmica esta perda de material funciona para fazer a proteção necessária, verificando-se que após a sua queima comprova-se esse fenômeno pela temperatura interna (medida pelo termopar) ser menor que a temperatura externa (medida pelo pirômetro).

6 Agradecimentos Ao CNPq pelo suporte financeiro. Aos professores Marcos Massi, Cap. Edson e Gilberto Petraconi Filho pela ajuda e atenção. Ao IAE pelo fornecimento de materiais Referências Bibliográficas LEVENSPIEL, O. Engenharia das reações químicas. São Paulo: Edgard Blücher, 1974 FLORIAN, M. et al. Cerâmica Compósitos SiCf /SiC utilizados em sistemas de proteção térmica, v.51, n.319, São Paulo, julho/setembro 2005 Disponível em: < acesso em 5 de agosto de 2008