Als een voertuig met hypersonische snelheden door de ruimte reist, de gassen eromheen genereren hitte bij gevaarlijke temperaturen voor de piloot en instrumentatie binnenin. Om een ​​voertuig te ontwerpen dat de warmte kan wegdrijven, is inzicht nodig in de thermische eigenschappen van de materialen die zijn gebruikt om het te bouwen. Een recente tweedelige studie aan de University of Illinois Urbana-Champaign ontwikkelde een methode om 3D-modellen van de vezels in composietmaterialen te maken en gebruikte die informatie vervolgens om de thermische geleidbaarheid van het materiaal te voorspellen.

"We gebruikten röntgenmicrotomografie om 3D-beelden te maken die de oriëntatie van de vezels laten zien, " zei Francesco Panerai, een faculteitslid bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UIUC. "In de meeste technische toepassingen gebruiken we composietmaterialen gemaakt met koolstofvezels, maar de methode die we hebben ontwikkeld kan worden toegepast op elke soort vezel en elke soort composiet."

Panerai zei dat microtomografie vergelijkbaar is met een CT-scan in het ziekenhuis, maar met röntgenstralen met hoge energie die fijne details in microvezels kunnen detecteren, die een fractie zijn van de diameter van een enkele mensenhaar.

"De afbeeldingen die laten zien hoe de vezels zijn georganiseerd, zijn veel meer dan alleen mooie afbeeldingen - ze zijn een beschrijving van het materiaal in een driedimensionaal raster. Nu kunnen we de gegevens van het 3D-raster gebruiken om simulaties uit te voeren om materiaaleigenschappen te berekenen waarvoor je anders ingewikkelde experimenten zou moeten doen, ' zei Panerai.

In deel één van de studie, Panerai en zijn collega's testten drie verschillende methoden om de vezels te visualiseren. "We ontdekten dat, omdat verschillende materialen bestaan ​​uit verschillende architecturen, bepaalde methoden werkten bij sommige vezels en weefsels beter dan bij andere."

Bijvoorbeeld, de studie concludeerde dat de alomtegenwoordige structuurtensorbenadering zeer goede prestaties vertoonde op rechte stukken, willekeurige vezels, maar slaagde er niet in om de oriëntatie van een dicht opeengepakt weefsel in twee richtingen nauwkeurig te schatten.

Een andere methode op basis van de kunstmatige flux toonde relatief goede prestaties op tweerichtingsgeweven monsters, maar het mislukte op rechte willekeurige vezels.

De nieuwe straalgietmethode beloofde een krachtige benadering te worden om de oriëntatie van vezelige materialen met weinig kromming te schatten. Maar, het belangrijkste nadeel zijn de hoge rekenkosten.

"Nu we de richting van de vezels in de ruimte kunnen volgen en de ruimte ertussen kunnen bepalen, we kunnen de materiële eigenschap berekenen, in dit geval de thermische geleidbaarheid, in drie dimensies en hebben zeer nauwkeurige waarden.

"En, om de geleidbaarheid experimenteel te meten, je zou drie experimenten moeten doen, één voor elke richting. Met behulp van deze nieuwe methode, we kunnen de tensor berekenen en eigenschappen in de drie richtingen veel sneller en goedkoper voorspellen."

Panerai zei dat deze nieuwe methode om vezels te visualiseren en het bewezen vermogen om materiaaleigenschappen te bepalen, kan helpen bij het opnieuw ontwerpen van materialen.

"We kunnen een zeer specifieke vezelarchitectuur gebruiken om een ​​bepaalde eigenschap te bereiken, zoals sterkte of geleidbaarheid, " zei hij. "Thermische geleidbaarheid is iets dat iedereen die aan materialen op hoge temperatuur werkt probeert te schatten. Het lijkt een heel eenvoudige eigenschap, maar het is heel moeilijk te meten, vooral voor materialen die driedimensionaal zijn. Dat is het opmerkelijke aan de kracht van deze methode."

Frederico Semeraro, hoofdauteur van de studie bij NASA Ames Research Center, zei, "Het berekenen van de thermische geleidbaarheid is van cruciaal belang om de reactie van een hitteschild betrouwbaar te voorspellen. de methodologie en numerieke methoden die zijn ontwikkeld zijn flexibel genoeg om de berekening van veel materiaaleigenschappen mogelijk te maken. Een uitgebreid begrip van het gedrag van een hitteschild zal uiteindelijk de optimalisatie van het ontwerp mogelijk maken."

Deel één van het onderzoek, "Anisotrope analyse van vezel- en geweven materialen deel 1:Schatting van lokale oriëntatie, " is geschreven door Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, en Nagi N. Mansour. Het verschijnt in Computational Materials Science .

Deel twee van het onderzoek, "Anisotrope analyse van vezelige en geweven materialen deel 2:Berekening van effectieve geleidbaarheid, " is geschreven door Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, en Nagi N. Mansour en is gepubliceerd in Computational Materials Science .