Materiais empregados em veículos espaciais estão sujeitos a um ambiente térmico agressivo. Estes materiais são empregados principalmente em tubeiras de exaustão dos gases de motor foguete e nas superfícies expostas ao severo ambiente da reentrada atmosférica. O ensaio em laboratório é fundamental para a qualificação dos materiais empregados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Este trabalho apresenta os resultados de pesquisas experimentais realizadas no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA, cujo objetivo principal foi qualificar materiais utilizados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Um túnel de plasma foi concebido utilizando-se a infra-estrutura laboratorial existente, cujos principiais componentes foram: uma câmara de processos de 3,2 m3, um sistema de vácuo com capacidade de bombeamento de 500 m3/h, e uma tocha de plasma alimentada por uma fonte de energia elétrica de corrente contínua de 50 kW. Os parâmetros de operação do túnel de plasma foram otimizados para reproduzirem condições próximas do ponto crítico de reentrada do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica) um veículo espacial em desenvolvimento pelo IAE (Instituto de Aeronáutica e Espaço) com o objetivo de realizar experimentos científicos de micro gravidade. Foram gerados jatos de plasmas de ar e nitrogênio. O ambiente reproduzido apresentou um fluxo térmico de 2,2 MW/m2, número de Mach de 4.1, entalpia de 6,7 MJ/kg e uma altitude simulada próxima de 40 km. Foi realizada a caracterização do jato de plasma e das amostras de materiais compósitos de quartzo-fenólico, carbono-fenólico, carbono-carbono e carbono-carbeto de silício. Algumas propriedades ablativas (perda de massa e calor de ablação) e térmicas (difusividade térmica e emissividade) das amostras foram verificadas. Os efeitos da interação do plasma com os materiais foram analisados por MEV (Microscopia de Varredura Eletrônica), EDX (Energia Dispersiva de Raios X) e Difração de Raios X. Os resultados alcançados possibilitam o desenvolvimento de uma metodologia para a qualificação de materiais utilizados em sistemas de proteção térmica em ambiente de reentrada atmosférica utilizando um túnel de plasma, bem como apresentam as principais propriedades de alguns materiais largamente empregados em sistemas de proteção térmica.

No presente trabalho foi avaliado o efeito do tratamento térmico na fluência na liga Ti-6Al-4V e na estrutura com maior resistência à fluência, foi aplicado o recobrimento como forma de barreira térmica - TBC (Thermal Barrier Coating). A liga Ti-6Al-4V, foi submetida a três diferentes condições de tratamentos térmicos, visando à obtenção das estruturas de Widmanstätten, Martensita e Bimodal. Em seguida foram realizados ensaios de fluência a 600C nas tensões de 125, 250 e 319 MPa para verificação da microestrutura com maior resistência à fluência. A estrutura de Widmanstätten apresentou maior resistência à fluência e foi realizado aplicação do recobrimento metal/cerâmico CoNiCrAlY+ZrO2 parcialmente estabilizada com ítria pela técnica de aspersão térmica nesta estrutura. As amostras com estrutura de Widmanstätten recobertas e não recobertas foram submetidas a ensaios de fluência ao ar na temperatura de 600C nas tensões de 125, 250 e 319 MPa e na tensão de 319 MPa para as temperaturas de 500 e 700C. Foram determinados os parâmetros e os mecanismos de fluência. A caracterização do material foi realizada através de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. A estrutura de Widmanstättten com recobrimento apresentou melhor comportamento em fluência em relação a liga não recoberta com redução na taxa de fluência secundária e aumento no tempo de vida por fluência. Os valores dos expoentes de tensão obtidos variaram entre 3,58 e 5,63 e da energia de ativação por fluência entre 271,3 e 312,6 kJ/mol. Com bases nesses valores pode-se sugerir que o mecanismo de fluência é controlado por discordâncias. As análises fractográficas indicam que o mecanismo predominante é caracterizado pela formação e coalescência de microcavidades com forma e tamanhos variados, com o mecanismo de fratura dúctil prevalecendo em todas as condições.

O objetivo deste trabalho é investigar sobre as características de jatos de plasma térmicos gerados por tochas de plasma de arco não transferido, otimizados para a simulação das condições de reentrada atmosférica de veículos espaciais e realização de pesquisas básicas sobre os mecanismos de oxidação de materiais de utilizados em sistemas de proteção térmica. Em particular foram testadas amostras do compósito C/C SiC em jatos de plasma de ar operando em dois diferentes bancos de ensaios. No primeiro sistema experimenral, já caracterizado em trabalhos anteriores, o jato de plasma é gerado em ambiente de vácuo operando em regime de escoamento supersônico (Mach 4) sob a pressão de 313 Pa. Para comparação, foi realizada a otimização de um segundo banco de ensaio utilizando uma tocha de plasma similar operando em pressão atmosférica e regime de escoamento subsônico (Mach 0,4), para gerar um fluxo de calor homogêneo de 2,2 MWm2 (mesma intensidade gerada em vácuo) necessário para simular as condições térmicas de reentrada do satélite brasileiro SARA. Estas tochas foram operadas na faixa de potência variando de 30 a 40 kW com eficiência térmica em torno de 75% obtida para uma vazão de ar de 4 g/s. A resposta térmica e propriedades ablativas do compósito C/C-SiC foram avaliadas pela determinação da difusividade térmica e taxa de perda de massa específica tendo como parâmetros o tempo de exposição e temperatura da superfície da amostra. Em ambos os bancos de ensaios, a difusividade térmica é uma função decrescente do tempo de exposição. A taxa de perda de massa específica é uma função crescente do tempo de exposição sob pressão atmosférica e possui um comportamento contrário em ambiente de vácuo. As análises das características microestururais e composição atômica das superfícies tratadas, realizadas por MEV e EDS respectivamente, mostram um processo de vitrificação intenso na superfície da amostra que leva à questão dos mecanismos de oxidação ativa e passiva do componente SiC do compósito e que são fortemente dependentes da pressão parcial de oxigênio e da temperatura da superfície da amostra. Em ambiente de vácuo, a uma temperatura máxima na superfície de 1450 C e pressão parcial de oxigênio da ordem de 66 Pa, a resistência à oxidação do compósito C/C-SiC é garantida pela formação de uma camada de passivação uniforme (estimada ser de SiO2) menos catalítica ou menos propensa a reações exotérmicas de recombinação com espécies atômicas que a do próprio compóstio C/C-SiC. Em pressão atmosférica, a uma pressão parcial de oxigênio de 2,1×104 Pa, a temperatura máxima da superfície é 400 C mais elevada que a obtida em vácuo, atingindo patamares da ordem de 1850 C. Nestas condições a camada de óxido superficial protetora é parcialmente volatilizada com o tempo de exposição produzindo um aumento na taxa de massa específica por sublimação do compósito exposto diretamente ao jato de plasma. Este efeito é equivalente ao que ocorre na transição do processo de oxidação passiva para ativa do SiC.

O propulsor S-30 é utilizado nos veículos de sondagem VSB-30, VS-30 e Sonda III, do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), é alimentado com propelente sólido e possui envelope-motor fabricado em aço SAE 4140. O presente trabalho tem por objetivo analisar a bobinagem filamentar e as proteções térmicas internas e externas de um envelope-motor S-30 em compósito, para poder ser utilizado nos veículos VSB-30 e VS-30 do IAE. O envelope-motor em compósito visa manter as interfaces com partes já qualificadas dos veículos, como porta-empenas, ignitor, tubeira e dispositivos de carregamento de propelente, com o objetivo de substituir o envelope-motor metálico, mantendo as características propulsivas do propulsor S-30. Neste trabalho, foram realizados os dimensionamentos da geometria e das espessuras dos domos e da parte cilíndrica, análises de bobinagem filamentar usando o software CadWind e análises das proteções térmicas internas e externas. Foram realizadas análises para duas configurações: a primeira para um envelope-motor com aberturas polares iguais, por bobinagem helicoidal geodésica isotensoidal, e a segunda para um envelope-motor com aberturas polares diferentes por bobinagem não-geodésica. A conclusão principal baseada nas análises realizadas para as duas configurações estudadas, proporciona um propulsor S-30 bobinado com melhor desempenho que o S-30 com envelope-motor metálico, em razão da sua menor massa, ou seja, proporciona um maior apogeu para uma mesma carga útil ou uma maior carga útil para o mesmo apogeu.

O sistema de envernizamento empregado no mobiliário de aviação executiva está sujeito a variações físico-químicas e mecânicas devido ao seu envelhecimento com o tempo, exposição à umidade, a temperatura, e no caso da região da porta, a incidência de luz ultravioleta. Além disso, a adição de aditivo retardante de chama ao sistema de envernizamento para atender requisitos de certificação das aeronaves executivas também pode provocar modificações na superfície do revestimento. Não foram encontrados na literatura consultada trabalhos referentes ao estudo da influência do aditivo retardante de chama na qualidade superficial de sistemas poliméricos utilizados em mobiliário aeronáutico e nem sobre as técnicas específicas para avaliar as alterações provocadas pelas intempéries. Assim, o objetivo desse estudo é caracterizar fisico-quimicamente um sistema de envernizamento com e sem aditivo retardante de chama, sugerindo o uso de uma ou mais técnicas que sejam eficazes na avaliação da qualidade superficial do verniz, bem como avaliar a influência de intempéries (umidade, temperatura e radiação ultravioleta) na qualidade superficial de um sistema de envernizamento com e sem retardante de chama aplicado sobre mobiliário destinado à aviação executiva. Para isso, amostras representando o mobiliário aeronáutico envernizado com e sem retardante de chamas foram condicionadas em quatro diferentes ciclos sujeitos à variação: da temperatura, umidade e radiação ultravioleta (UV). Os efeitos do condicionamento e da adição do retardante de chamas na qualidade superficial do verniz foram avaliados utilizando as técnicas: FT-IR (Espectrometria no Infravermelho com Transformada de Fourier), DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial), medidas utilizando medidor de brilho a 20, espectrofotômetro de cor, medidor de ondulação da superfície (wavescan), rugosímetro, durômetro Shore A e D, micrografia, medidas de espessura de camada e cromatografia gasosa. O estudo mostrou que a as técnicas combinadas de medição de brilho a 20C e medições da qualidade superficial com wavescan são as mais eficazes na avaliação da qualidade superficial dos sistemas de vernizes bem como foram sensíveis o suficiente para perceber pequenas alterações provocadas pelos condicionamentos estudados no presente trabalho.

A borracha de EPDM vem sendo empregada com sucesso como proteção térmica flexível de motor foguete. Entretanto, sendo essa aplicação ainda recente em nosso país, existe a necessidade do desenvolvimento de metodologias de caracterização para o melhor entendimento de seus mecanismos de degradação e otimização de suas formulações. As metodologias existentes para análise de aditivos desse material envolvem etapa de extração, aumentando o tempo de análise. Sendo assim, nesta tese de doutorado, a borracha de EPDM crua e vulcanizada, bem como seus aditivos, foram investigados, sem extração, por pirólise gasosa aliada à espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (PIR-G/FT-IR) e pelo acoplamento das técnicas termogravimetria (TG) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (TG/FT-IR). Foi realizada também uma comparação entre os dados obtidos com as duas metodologias. Os resultados demonstraram que grupos funcionais dos aditivos podem ser detectados nas borrachas crua e vulcanizada, sem extração prévia. Os aditivos sulfurados TMTM e MBT, em teores tão baixos quanto 0,7 phr (0,63%), foram detectados por ambas as metodologias. Contudo, outros aditivos como óleo parafínico, ácido esteárico e TMQ não puderam ser identificados na borracha formulada. Individualmente, todos os aditivos analisados apresentaram espectros FT-IR distintos e foram identificados de forma inequívoca pelas metodologias PIR-G/FT-IR e TG/FT-IR.

O objetivo deste trabalho foi o estudo do efeito do recobrimento metálico e do recobrimento como forma de barreira térmica no comportamento de fluência da liga Ti-6Al-4V. O uso de recobrimentos pode ser utilizado como técnica para aumentar a vida útil ou a temperatura de trabalho das ligas de titânio, melhorando a eficiência de motores de turbinas a gás. Para isto, em alguns corpos de prova foram aplicados recobrimento metálico de NiCoCrAlY por aspersão térmica, em outros corpos de prova foram aplicados recobrimento como forma de barreira térmica (TBC), composto por uma camada de ligação de NiCoCrAlY e uma camada cerâmica de zircônia parcialmente estabilizada com ítria (ZrO2 + 8 % peso ítria) por aspersão térmica. Foram realizados ensaios de fluência na modalidade de carga constante na temperatura de 600 C nas tensões de 125, 250 e 319 MPa e na tensão de 125 MPa para as temperaturas de 500 e 700 C, para os corpos de prova com e sem recobrimentos. Foram determinados os parâmetros e os mecanismos de fluência. A caracterização do material foi realizada através de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A liga com recobrimento metálico e TBC apresentou um aumento médio na resistência à fluência em relação à liga não recoberta de 77% e 131%, respectivamente, com redução na taxa de fluência secundária e aumento no tempo de vida por fluência. Os valores dos expoentes de tensão obtidos variaram entre 3,59 e 3,88 e da energia de ativação entre 265 e 270 kJ/mol, indicando que o mecanismo de fluência era controlado por escalagem de discordâncias. As análises fractográficas indicaram que o mecanismo predominante foi caracterizado pela formação e coalescência de microcavidades com forma e tamanhos variados, formando os dimples ou vazios, prevalecendo o mecanismo de fratura dúctil em todas as condições.

Compósitos de Carbono Reforçado com Fibras de Carbono (CRFC) pertencem à classe de materiais termoestruturais e são utilizados em aplicações de demanda termomecânica extrema. A título de exemplo pode-se mencionar o uso desses materiais em sistemas de proteção térmica de componentes aeroespaciais. O processamento desses compósitos envolve rotas em fase líquida e fase gasosa. Em ambas as rotas o uso de ciclos de tratamento térmico resulta em mudanças na morfologia, microestrutura e propriedades termomecânicas, que podem ser monitoradas por resistividade elétrica. A resistividade elétrica é ferramenta bastante utilizada no monitoramento de processos industriais e controle de qualidade de materiais, mas pouco explorada para compósitos CRFC. Neste trabalho, o processamento dos compósitos CRFC foi monitorado por medidas de resistividade elétrica em corrente contínua, por amostragem, em diferentes níveis de temperatura de tratamento térmico (Processo Isotérmico), e em tempo real (Processo Dinâmico). As medidas foram realizadas a partir da temperatura ambiente até 1000oC, faixa crítica de mudança micro estrutural e morfológica durante o processamento do compósito CRFC. Fitas unidirecionais (UD) e bidirecionais (2D) de fibras de carbono, obtidos de fibras de poliacrilonitrila (PAN) e fibras de Rayon, foram utilizados como reforço na manufatura dos compósitos. Uma preforma tri-direcional (3D) também foi utilizada nos experimentos. A matriz precursora de carbono utilizada foi a resina fenólica. A resistividade elétrica de compósitos é função da direção de orientação de fibras de carbono. As medidas de resistividade elétrica foram efetuadas em temperatura ambiente, pelos métodos de duas pontas e de quatro pontas, para os materiais obtidos em processo isotérmico. Medidas dinâmicas foram também obtidas pelos métodos de duas pontas e de quatro pontas para efeito de controle de processo em tempo real. Nos compósitos (3D) (preforma) foram realizadas somente medidas dinâmicas, por ambos os métodos. Embora ocorra aumento no volume de poros, durante tratamento térmico dos compósitos, que impede a passagem de corrente elétrica no material, em ambas as medidas (isotérmicas e dinâmicas) a resistividade elétrica dos compósitos 2D e 3D reduz à medida que a temperatura atinge 1000 oC, como resultado da transformação do material isolante (resina fenólica) em matriz condutora (carbono vítreo). As diferenças nos valores de resistividade elétrica nos compósitos 2D e 3D refletem a dependência do tipo de fibras de carbono e fração em volume de fibras utilizadas na manufatura dos compósitos, bem como a temperatura de tratamento térmico.

Entre suas inúmeras aplicações, os elastômeros são utilizados no setor espacial como proteção-térmica de motor-foguete, protegendo-o das altas temperaturas e pressões resultantes da combustão do propelente. Para isto, o elastômero deve apresentar boas propriedades mecânicas, térmicas, ablativas e adesivas, a fim de suportar difíceis situações resultantes do transporte, estoque e voo. O elastômero de etileno-propileno-dieno-monômero, EPDM, caracteriza-se por sua alta resistência à oxidação e intempéries, baixa densidade, excelentes propriedades a baixas temperaturas e baixa energia de superfície e, assim, sua aplicação como revestimento interno de motor-foguete vem sendo estudada com o intuito de substituir as proteções-térmicas à base de borracha nitrílica, utilizada atualmente. Neste trabalho, é proposto o desenvolvimento de formulações à base de EPDM, com propriedades mecânicas, térmicas e físico-químicas para uso como proteção-térmica de motor-foguete. Os materiais propostos para estudo e que devem atender aos requisitos necessários, tem como características: ser à base de borrachas de EPDM; não conter plastificante; ser vulcanizado com peróxido e ter como cargas, sílica e a aramida Technora . Apesar de certa dificuldade para incorporação de cargas às formulações, a proposta do trabalho foi alcançada, de forma que foi desenvolvido um elastômero, extremamente carregado, com as características propostas, processável e com propriedades adequadas para uso como proteção-térmica à motor-foguete.

Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor. A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente. As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas. / On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level. The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on overcurrent protection. The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models, one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload currents.