اثر نانوذرات گرافيت بر پايداري گرمايي و فداشوندگي نانوكامپوزيت‌هاي فنولي - الياف كربن - گرافيت

The Effect of Graphite Nanoparticles on Thermal Stability and Ablation of Phenolic/Carbon Fiber/Graphite Nanocomposites

كامپوزيت‌هاي فنولي تقويت شده با الياف كوتاه، نمونه‌اي از مواد پركاربرد در حوزه‌ فناوري‌هاي دمازيادند كه به‌عنوان سپر گرمايي در صنايع مختلف از جمله صنايع هوا‌فضا كاربرد ويژه‌اي دارند. در اين پژوهش، كامپوزيت الياف كوتاه كربن بر پايه رزين فنولي، نوع نووالاك مبناي كار قرار گرفت و تلاش شد تا ساختار ماتريس پليمري براي بهبود خواص پايداري گرمايي و فداشوندگي با استفاده از نانوذرات گرافيت اصلاح شود. در اين راستا براي ‌دستيابي به خواص مدنظر، پارامتر‌هاي پايداري گرمايي، فداشوندگي و نيز رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده ارزيابي شد تا تركيب درصد مناسب براي ساخت كامپوزيت و نانوكامپوزيت با قابليت تحمل دما‌هاي زياد به‌دست آيد. در تمام نمونه‌ها، %40 وزني الياف كوتاه كربن به‌كار گرفته شد. در نمونه‌هاي نانو‌كامپوزيت به ترتيب مقدار 6، 9 و %12 وزني نانو‌گرافيت استفاده شد. براي بررسي چگونگي توزيع و شكل‌شناسي لايه‌هاي گرافيت از آزمون پراش پرتو X استفاده شد. نمونه‌ها به روش قالب‌گيري فشاري داغ تهيه شدند. آزمون‌هاي گرماوزن‌سنجي و شعله‌ اكسي‌استيلن براي بررسي رفتار گرمايي و مقدار فداشوندگي نمونه‌ها به‌كار گرفته شد. براي مطالعه‌ خواص مكانيكي كامپوزيت‌ها، از دو آزمون خمش سه‌نقطه‌اي و سايش مكانيكي استفاده شد. نتايج اين مطالعه نشان داد، افزودن نانوذرات گرافيت ضمن بهبود پايداري گرمايي و كاهش سرعت تخريب، مقدار اتلاف وزن و سرعت فداشوندگي را نيز كاهش مي‌دهد. افزودن %12 وزني نانو‌ذرات گرافيت، پايداري گرمايي و سرعت فداشوندگي در آزمون شعله‌ اكسي‌استيلن را به ترتيب 12 و %19 بهبود مي‌دهد.

Phenolic resin composites reinforced with short carbon fiber are one of the most usable materials in ultra-high-temperature applications such as thermal protective in aerospace industries. In this work, novolac type of phenolic resin matrix was modified with graphite nanoparticles to prepare multi-layered nanocomposites. The effect of graphite nanoparticles was studied on the thermal stability, ablation and mechanical properties of novolac/short carbon fiber composites to achieve nanocomposite with optimum properties for ultra-high-temperature applications. In order to evaluate thermal stability and ablation properties of composite and nanocomposites, a sample containing 40 wt% short carbon fiber was prepared as a reference and the structure of its polymeric matrix was modified with nanographite particles. The amounts of nanographite powders in nanocomposite samples were chosen as 6, 9 and 12 wt%. XRD Spectroscopy was used to study and investigate the dispersion of the graphite nanoparticles and morphology in the polymeric matrix. The compression molding under hot press method was used to fabricate the composite and nanocomposite specimens. Thermal properties of the nanocomposites were studied by TGA and oxy-acetylene flame test. Three-point bending and wear tests were performed to measure the mechanical and wear properties of the nanocomposites. The obtained results showed that the addition of nanographite improved the thermal stability, decreased the rate of degradation and at the same time decreased the weight loss and ablation rate of the nanocomposites. Addition of 12 wt% nanographite particles increased thermal stability by about 12% compared to the reference sample. Moreover in nanocomposite with 12 wt% graphite, the rate of ablation decreased by more than 19% compared to the reference composite.