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Im Bereich des Wärmeschutzes von Luft- und Raumfahrtprodukten werden für Bauteile mit erheblicher Dicke, komplexen Geometrien oder Anfälligkeit für Spannungsrisse häufig Verbundwerkstoffe anstelle herkömmlicher Wärmeschutzbeschichtungen eingesetzt. Darüber hinaus bieten Verbundwerkstoff-Wärmeschutzstrukturen vielseitige Fertigungsmöglichkeiten: Sie lassen sich schnell direkt auf die jeweilige Wärmeschutzstelle aufbringen oder mithilfe vorgefertigter Verbundwerkstoff-Wärmeschutzhülsen verkleben. Dies bietet die Vorteile eines effizienten und komfortablen Herstellungsverfahrens. Phenol-Glasfaser-Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, wie z. B. strukturelle Stabilität, Hochtemperaturbeständigkeit, hohe Kohlenstoffausbeute, geringe Abtragsrate, hohe mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Schlagzähigkeit, derzeit häufig für Wärmeschutzstrukturen verwendet.

PhenolglasfaserverbundwerkstoffeSie bergen ein erhebliches Potenzial für den breiten Einsatz im Luft- und Raumfahrtsektor. Ihr Wärmeschutzmechanismus beruht auf dem synergistischen Zusammenspiel mehrerer Schutzprozesse, darunter die Hemmung der Wärmeleitung, endotherme Pyrolyse, die Wärmedämmung durch die Kohleschicht und die strukturelle Unterstützung. Diese Arbeit analysiert den Wärmeschutzmechanismus primär unter den Gesichtspunkten der Wärmeleitungshemmung, der endothermen Pyrolyse und der Wärmedämmung durch die Kohleschicht.

1. Hemmung der Wärmeleitung

Innerhalb von Phenol-Glasfaser-Verbundwerkstoffen weist die Phenolharzmatrix selbst eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Wärmeleitung von außen deutlich verlangsamt wird. Wird der Verbundwerkstoff den hohen Temperaturen im Flug ausgesetzt, breitet sich die Wärme zunächst von der Oberfläche nach innen aus. Die makromolekulare Kettenstruktur der Phenolharzmatrix behindert jedoch die Wärmeleitungswege und führt so zu einer deutlichen Reduzierung der Wärmeübertragungsrate. Gleichzeitig verändern die im Verbundwerkstoff enthaltenen Glasfasern die internen Wärmeleitungswege zusätzlich. Darüber hinaus weist die Grenzfläche zwischen den Glasfasern und dem Phenolharz einen hohen Wärmewiderstand auf. Folglich erfährt die Wärme beim Durchdringen dieser Grenzfläche einen zusätzlichen Widerstand, was die Wärmeleitung weiter hemmt und den Temperaturanstieg im Verbundwerkstoff effektiv verringert.

2. Endotherme Pyrolyse

Bei Einwirkung hoher Umgebungstemperaturen unterliegt das Phenolharz kontinuierlichen Pyrolyse-Reaktionen. Dieser Pyrolyseprozess ist endotherm: Durch die Aufnahme von Wärmeenergie brechen die chemischen Bindungen innerhalb der Phenolharzmoleküle auf, wodurch sich das Material in niedermolekulare Gase und kohlenstoffhaltige Rückstände zersetzt. Dieser Prozess verbraucht effektiv die von der Umgebung auf die Oberfläche des Verbundwerkstoffs übertragene Wärmeenergie und senkt somit gleichzeitig dessen Oberflächentemperatur. 3. Wärmedämmung durch die Kohleschicht

Im Verlauf der Pyrolyse bildet sich allmählich eine Kohleschicht auf der Oberfläche des Materials.Phenolharz-VerbundwerkstoffDiese Kohleschicht besitzt eine poröse Struktur, deren Poren mit Gasen extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt sind. Diese Eigenschaft verbessert die Wärmedämmeigenschaften des Verbundwerkstoffs zusätzlich. Gleichzeitig weist die Kohleschicht eine harte Oberflächenstruktur auf, die bestimmten aerodynamischen Drücken und mechanischen Belastungen standhält und so das darunterliegende, nicht verkohlte Material vor der Ausspülung und Erosion durch Hochtemperaturgasströme schützt. Die auf der Verbundwerkstoffoberfläche entstehende Kohleschicht dient nicht nur der Isolierung, sondern mindert auch bis zu einem gewissen Grad den Massenverlust des Verbundwerkstoffs und verlängert dadurch die Lebensdauer der Wärmeschutzstruktur.