När ett fordon färdas genom rymden med hypersonisk hastighet, gaserna som omger den genererar värme vid farliga temperaturer för piloten och instrumenteringen inuti. Att designa ett fordon som kan driva bort värmen kräver förståelse för de termiska egenskaperna hos de material som används för att konstruera det. En ny studie i två delar vid University of Illinois Urbana-Champaign utvecklade en metod för att skapa 3D-modeller av fibrerna i kompositmaterial och använde sedan den informationen för att förutsäga materialets värmeledningsförmåga.

"Vi använde röntgenmikrotomografi för att skapa 3D-bilder som visar fibrernas orientering, "sa Francesco Panerai, en fakultetsmedlem vid Institutionen för rymdteknik vid UIUC. "I de flesta tekniska tillämpningar använder vi kompositmaterial tillverkade av kolfibrer, men metoden vi utvecklat kan appliceras på alla typer av fibrer och alla typer av komposit. "

Panerai sa att mikrotomografi liknar att få en CT -skanning på sjukhuset, men med röntgenstrålar med hög energi som kan upptäcka fina detaljer i mikrofibrer, som är en bråkdel av diametern på ett enda människohår.

"Bilderna som visar hur fibrerna är organiserade är mycket mer än bara vackra bilder-de är en beskrivning av materialet i ett tredimensionellt rutnät. Nu kan vi använda data från 3D-rutnätet för att göra simuleringar för att beräkna materialegenskaper. för vilka du annars skulle behöva göra komplicerade experiment, "Sa Panerai.

I del ett av studien, Panerai och hans kollegor testade tre olika metoder för att visualisera fibrerna. "Vi fann att eftersom olika material består av olika arkitekturer, vissa metoder fungerade bättre med vissa fibrer och väv än med andra. "

Till exempel, studien drog slutsatsen att den allestädes närvarande strukturen tensor tillvägagångssätt visade mycket bra prestanda på rak, slumpmässiga fibrer, men misslyckades med att exakt uppskatta orienteringen av en tvåriktad tätt packad väv.

En annan metod baserad på det konstgjorda flödet visade relativt god prestanda på tvåvägsvävda prover, men det misslyckades på raka slumpmässiga fibrer.

Den nya strålgjutningsmetoden visade lovande att bli ett kraftfullt tillvägagångssätt för att uppskatta orienteringen av fibrösa material med liten krökning. Men, dess största nackdel är den höga beräkningskostnaden.

"Nu när vi kan följa fibrernas riktning i rymden och bestämma utrymmet mellan dem, vi kan beräkna materialegenskapen, i detta fall dess värmeledningsförmåga, i tre dimensioner och har mycket exakta värden.

"Och, att mäta konduktivitet experimentellt, du måste göra tre experiment, en för varje riktning. Med denna nya metod, vi kan beräkna tensorn och förutsäga egenskaper i de tre riktningarna mycket snabbare och kostnadseffektivare. "

Panerai sa att denna nya metod för att visualisera fibrer och den beprövade förmågan att bestämma materialegenskaper kan hjälpa till att omforma material.

"Vi kan använda en mycket specifik fiberarkitektur för att uppnå en viss egenskap som styrka eller konduktivitet, "sa han." Värmeledningsförmåga är något alla som arbetar med högtemperaturmaterial försöker uppskatta. Det verkar som en mycket enkel egendom, men det är väldigt svårt att mäta, särskilt för material som är tredimensionella. Det är det som är anmärkningsvärt med kraften i denna metod. "

Frederico Semeraro, huvudförfattare till studien vid NASA Ames Research Center, sa, "Att beräkna värmeledningsförmågan är avgörande för att på ett tillförlitligt sätt förutsäga ett värmesköldsvar. Dessutom har den metodik och numeriska metoder som har utvecklats är tillräckligt flexibla för att beräkna många materialegenskaper. En omfattande förståelse för ett värmeskydds beteende kommer i slutändan att möjliggöra optimering av dess design. "

Del ett av forskningen, "Anisotrop analys av fibrösa och vävda material del 1:Uppskattning av lokal orientering, "skrevs av Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, och Nagi N. Mansour. Det visas i Computational Materials Science .

Del två av forskningen, "Anisotrop analys av fibrösa och vävda material del 2:Beräkning av effektiv konduktivitet, "skrevs av Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, och Nagi N. Mansour och publiceras i Computational Materials Science .