Computational study on the effect of the microstructure on macroscopic properties for carbon fiber felts

Abstract

[EN] Carbon/phenolic ablators are successfully used as thermal protection materials for spacecraft. Nevertheless, the characterization of their properties experimentally in a microscopic scale is expensive and time-consuming. Accurate and robust numerical models are required to optimize design margin policy. The feasibility of using numerical models to extract effective material properties of carbon/ablators is assessed. In this thesis, a synthetic model based on Calcarb CBCF 18-2000 is developed using the Porous Microsctucture Analysis (PuMA) software. This model is first validated with available experimental data and then is applied to represent the response of carbon fibers exposed to high temperatures.The synthetic model faithfully represents the simulation of experimental analyses given a limited number of parameters. Even though further verification of the model must be done by comparing with the analysis of microtomographies from real materials, these results open the possibility for generating better carbon/phenolic ablators with the aid of computer simulations.

[CA] Els materials ablatius de carboni/fenòlics s'utilitzen amb èxit com a materials de protecció tèrmica per a naus espacials. No obstant això, la caracterització de les seues propietats experimentalment a escala microscòpica és costosa i porta molt temps. Es requereixen models numèrics precisos i robustos per a optimitzar la seua experimentació. S'avalua la viabilitat de l'ús de models numèrics per a extraure propietats efectives de materials de carboni ablatius. En aquest treball, es desenvolupa un model sintètic basat en Calcarb CBCF 18-2000 utilitzant el Porous Microsctucture Analysis (PUMA) software. Aquest model es valida primer amb les dades experimentals disponibles i després s'aplica per a representar la resposta de les fibres de carboni exposades a altes temperatures. El model sintètic representa fidelment la simulació d'anàlisis experimentals donat un nombre limitat de paràmetres. Si bé s'ha de realitzar una major verificació del model comparant-lo amb l'anàlisi de microtomografies de materials reals, aquests resultats obrin la possibilitat de generar millors materials de carboni/fenòlics amb l'ajuda de simulacions numèriques.

Los materiales ablativos de carbono/fenólicos se utilizan con éxito como materiales de protección térmica para naves espaciales. Sin embargo, la caracterización de sus propiedades experimentalmente a escala microscópica es costosa y lleva mucho tiempo. Se requieren modelos numéricos precisos y robustos para optimizar su experimentación. Se evalúa la viabilidad del uso de modelos numéricos para extraer propiedades efectivas de materiales de carbono ablativos. En este trabajo, se desarrolla un modelo sintético basado en Calcarb CBCF 18-2000 utilizando el Porous Microsctucture Analysis (PuMA) software. Este modelo se valida primero con los datos experimentales disponibles y luego se aplica para representar la respuesta de las fibras de carbono expuestas a altas temperaturas. El modelo sintético representa fielmente la simulación de análisis experimentales dado un número limitado de parámetros. Si bien se debe realizar una mayor verificación del modelo comparándolo con el análisis de microtomografías de materiales reales, estos resultados abren la posibilidad de generar mejores materiales de carbono/fenólicos con la ayuda de simulaciones numéricas.