À medida que um veículo viaja pelo espaço em velocidades hipersônicas, os gases ao seu redor geram calor em temperaturas perigosas para o piloto e para a instrumentação interna. Projetar um veículo que possa dissipar o calor requer uma compreensão das propriedades térmicas dos materiais usados ​​para construí-lo. Um estudo recente de duas partes na Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveu um método para criar modelos 3-D das fibras em materiais compostos e, em seguida, usou essa informação para prever a condutividade térmica do material.

"Usamos microtomografia de raios-X para criar imagens 3-D que mostram a orientação das fibras, "disse Francesco Panerai, um membro do corpo docente do Departamento de Engenharia Aeroespacial da UIUC. "Na maioria das aplicações de engenharia, usamos materiais compostos feitos com fibras de carbono, mas o método que desenvolvemos pode ser aplicado a qualquer tipo de fibra e qualquer tipo de composto. "

Panerai disse que a microtomografia é semelhante a fazer uma tomografia computadorizada no hospital, mas com raios-X de alta energia que podem detectar detalhes finos em microfibras, que são uma fração do diâmetro de um único fio de cabelo humano.

"As imagens que mostram como as fibras são organizadas são muito mais do que imagens bonitas - são uma descrição do material em uma grade tridimensional. Agora podemos usar os dados da grade 3-D para fazer simulações para calcular as propriedades do material para o qual você teria que fazer experimentos complicados, "Panerai disse.

Na primeira parte do estudo, Panerai e seus colegas testaram três métodos diferentes para visualizar as fibras. "Descobrimos que, porque diferentes materiais são feitos de arquiteturas diferentes, certos métodos funcionaram melhor com algumas fibras e tramas do que com outras. "

Por exemplo, o estudo concluiu que a abordagem do tensor de estrutura onipresente apresentou um desempenho muito bom em linha reta, fibras aleatórias, mas falhou em estimar com precisão a orientação de uma trama densamente compactada em duas direções.

Outro método baseado no fluxo artificial demonstrou desempenho relativamente bom em amostras tecidas de duas direções, mas falhou em fibras aleatórias retas.

O novo método de fundição de raios mostrou-se promissor para se tornar uma abordagem poderosa para estimar a orientação de materiais fibrosos com pouca curvatura. Mas, sua principal desvantagem é o alto custo computacional.

"Agora que podemos seguir a direção das fibras no espaço e determinar o espaço entre elas, podemos calcular a propriedade do material, neste caso, sua condutividade térmica, em três dimensões e com valores muito precisos.

"E, para medir a condutividade experimentalmente, você precisaria fazer três experimentos, um para cada direção. Usando este novo método, podemos calcular o tensor e prever propriedades nas três direções com muito mais rapidez e economia. "

Panerai disse que este novo método para visualizar as fibras e a capacidade comprovada de determinar as propriedades dos materiais pode ajudar a reprojetar os materiais.

"Podemos usar uma arquitetura de fibra muito específica para alcançar uma determinada propriedade, como resistência ou condutividade, "disse ele." A condutividade térmica é algo que todo mundo que trabalha com materiais de alta temperatura tenta estimar. Parece uma propriedade muito simples, mas é muito difícil de medir, especialmente para materiais tridimensionais. Isso é o que é notável sobre o poder desse método. "

Frederico Semeraro, autor principal do estudo no Centro de Pesquisa Ames da NASA, disse, "Calcular a condutividade térmica é fundamental para prever com segurança uma resposta do escudo térmico. Além disso, a metodologia e os métodos numéricos desenvolvidos são flexíveis o suficiente para permitir o cálculo de muitas propriedades de materiais. Uma compreensão abrangente do comportamento de um escudo térmico permitirá, em última análise, a otimização do seu design. "

Parte um da pesquisa, "Análise anisotrópica de materiais fibrosos e tecidos parte 1:Estimativa da orientação local, "foi escrito por Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, e Nagi N. Mansour. Aparece em Ciência de Materiais Computacionais .

Parte dois da pesquisa, "Análise anisotrópica de materiais fibrosos e tecidos parte 2:Computação da condutividade efetiva, "foi escrito por Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, e Nagi N. Mansour e é publicado em Ciência de Materiais Computacionais .