Um motor-foguete a propelente sólido se caracteriza por operar internamente com altas temperaturas, altas pressões, altas taxas de erosão, grandes choques térmicos e com ausência de sistemas convencionais de resfriamento. Devido a esses fatores, há necessidade de proteger o tubo-motor e isto é feito por compósitos poliméricos ablativos e liners. Como material ablativo são utilizados os compósitos com matriz fenólica. Como reforço desses compósitos, foram utilizados tecidos de fibras de algodão, de amianto, de dióxido de silício e nos últimos 15 anos, quase que exclusivamente os tecidos de fibras de carbono. O objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar pré-impregnados e compósitos carbono-fenólicos aditivados com nanopartículas de carbono, pois peças como os divergentes dos motores-foguete de alto desempenho dos boosters do Space Shuttle norte-americano utilizam esse material como proteção ablativa. Três tipos de nanopartículas de carbono foram utilizados como aditivo à matriz fenólica: grafite natural micronizado, negro de fumo tipo acetileno e negro de fumo tipo fornalha. Para o estudo foi projetada e fabricada uma impregnadeira de escala piloto. Nesse equipamento foram produzidos pré-impregnados (pre-pregs), com concentrações de 5, 10 e 15% (m/m) de aditivo. Nas mesmas condições, foi obtido também pre-preg sem aditivo. De cada concentração de aditivo foram prensados 9 placas de compósito que foram utilizadas como corpo-de-prova. Esses compósitos foram obtidos prensando os pre-pregs em uma prensa hidráulica, utilizando o processo de compressão à quente. Para caracterização dos aditivos e do tecido de fibras de carbono foram obtidos os espectros de difração de raios-X e Raman. Nos pre-pregs foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o escoamento e os voláteis. Nos compósitos foram determinados: a concentração % mássica e volumétrica da matriz, reforço e aditivos; o teor de vazios, a massa específica teórica e experimental, o coeficiente de transmissão de calor, o coeficiente de expansão térmica linear, a resistência ao cisalhamento Iosipescu e a resistência à ablação em maçarico oxiacetilênico e em tocha de plasma. Amostras do compósito foram examinadas por microscopia ótica para caracterização de trincas e vazios. Os resultados mostraram que a aditivação com nanopartículas de carbono, produziu compósitos ablativos com propriedades superiores ao material sem aditivação, entretanto, a aditivação da resina fenólica com nanopartículas de carbono impõe limites no processo de impregnação dos pre-pregs.

Os compósitos de resina fenólica reforçados com fibras de carbono (FRFC) têm sido utilizados na indústria aeroespacial para fabricação de componentes termo-estruturais, isto é, que suportem ambientes termicamente severos, com é o caso das tubeiras de foguetes, por onde escoam os gases provenientes da queima do propelente. Neste trabalho são descritas as técnicas utilizadas para obter e caracterizar compósitos ablativos de matriz (resina) fenólica reforçados com tecido tricotado de carbono. Estes compósitos foram submetidos a um processo de cura utilizando-se o método de moldagem por prensagem a quente. A caracterização dos compósitos de matriz fenólica reforçado com fibras de carbono (FRFC) proposta neste trabalho, envolve a determinação de propriedades físicas e mecânicas de amostras sem tratamento térmico após o ciclo de cura e de amostras submetidas às temperaturas de tratamento térmico de 400C, 1000C, 1500C e 2000 C. As amostras dos compósitos apresentaram valores de massa específica aparente entre 1,27 g/cm3 e 1,36 g/cm3 e resistividade elétrica entre 4,8 x 10-3v.m e 6,7 x 10-5v.m. O módulo em cisalhamento das amostras apresentaram valores entre 2,4 GPa e 3,6 GPa e o módulo dinâmico, obtido através do ensaio dinâmico-mecânico, variou entre 7,3 GPa e 9,4 GPa. Os resultados deste trabalho mostram que a temperatura de tratamento térmico é um fator determinante na variação das propriedades elétricas, mecânicas (módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento) e dinâmico-mecânicas (fator de amortecimento, módulo de perda), visto que tais temperaturas causam alterações na estrutura cristalina da fibra de carbono, bem como na microestrutura do compósito.

O objetivo principal deste trabalho de pesquisa foi obter duas formulações de compósitos ablativos. A primeira formulação (Compósito I) foi obtida com matriz de resina fenólica reforçada com fibra de carbono picada e a segunda (Compósito II) com matriz de resina fenólica modificada com epóxi, reforçada com fibra de carbono picada. Os compósitos foram obtidos pelo processo de prensagem a quente. Esses compósitos também são conhecidos como compósitos estruturais ablativos, para aplicações em atmosferas onde as condições são severas, de acordo com o alto fluxo de gases aquecidos e alta temperatura, devido à queima do propelente sólido. Outro propósito deste trabalho foi realizar a caracterização física e química da matriz, dos reforços e dos compósitos. Após a caracterização, um divergente de cada formulação foi fabricado e seu desempenho foi avaliado pelo teste estático em motor foguete de treinamento. As amostras de compósitos apresentaram densidades na faixa de 1,45 a 1,47 g/cm. Em análise de propriedades Termo Dinâmico Mecânica, foram obtidos o Módulo Elástico (E') de 1,14 GPa a 2,50 GPa e Módulo de Dissipação Viscosa (E'') de 60,2 MPa a 163,0 MPa, de acordo com a faixa de temperatura. A Temperatura de Transição Vítrea (Tg) obtida por Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC) foi de 95C e 92C e a dilatação térmica linear de 449,85x10-7/C e 76,36x10-7/C respectivamente. O calor específico (Cp) dos compósitos obtidos foi de 0,319 J/g/C a 1,254 J/g/C, de acordo com a faixa de temperatura. As propriedades mecânicas obtidas para ambas as formulações de compósitos exibiram valores considerados similares. A performance em ablação para a formulação do Compósito I foi superior ao Compósito II, comprovado pelo teste estático em motor foguete de treinamento. A condutividade térmica dos compósitos obtidos foi de 39,1 a 48,0 W/mK, de acordo com a faixa de temperatura.