Mentre un veicolo viaggia nello spazio a velocità ipersoniche, i gas che lo circondano generano calore a temperature pericolose per il pilota e la strumentazione al suo interno. La progettazione di un veicolo in grado di allontanare il calore richiede la comprensione delle proprietà termiche dei materiali utilizzati per costruirlo. Un recente studio in due parti presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha sviluppato un metodo per creare modelli 3D delle fibre all'interno dei materiali compositi, quindi ha utilizzato tali informazioni per prevedere la conduttività termica del materiale.

"Abbiamo utilizzato la microtomografia a raggi X per creare immagini 3D che mostrano l'orientamento delle fibre, " disse Francesco Panerai, un membro di facoltà nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'UIUC. "Nella maggior parte delle applicazioni ingegneristiche utilizziamo materiali compositi realizzati con fibre di carbonio, ma il metodo che abbiamo sviluppato può essere applicato a qualsiasi tipo di fibra e a qualsiasi tipo di composito".

Panerai ha affermato che la microtomografia è simile a una TAC in ospedale, ma con raggi X ad alta energia in grado di rilevare dettagli fini nelle microfibre, che sono una frazione del diametro di un singolo capello umano.

"Le immagini che mostrano come sono organizzate le fibre sono molto più che belle immagini:sono una descrizione del materiale in una griglia tridimensionale. Ora possiamo usare i dati della griglia 3D per fare simulazioni per calcolare le proprietà del materiale per cui altrimenti dovresti fare esperimenti complicati, " ha detto Panerai.

Nella prima parte dello studio, Panerai e i suoi colleghi hanno testato tre diversi metodi per visualizzare le fibre. "Abbiamo scoperto che, poiché materiali diversi sono costituiti da architetture diverse, alcuni metodi hanno funzionato meglio con alcune fibre e trame che con altri."

Per esempio, lo studio ha concluso che l'approccio onnipresente del tensore della struttura ha mostrato ottime prestazioni su rettilineo, fibre casuali, ma non è riuscito a stimare con precisione l'orientamento di una trama fitta in due direzioni.

Un altro metodo basato sul flusso artificiale ha dimostrato prestazioni relativamente buone su campioni di tessuto bidirezionale, ma ha fallito su fibre casuali diritte.

Il nuovo metodo di ray casting ha mostrato la promessa di diventare un potente approccio per stimare l'orientamento dei materiali fibrosi con poca curvatura. Ma, il suo principale svantaggio è l'alto costo computazionale.

"Ora che possiamo seguire la direzione delle fibre nello spazio e determinare lo spazio tra loro, possiamo calcolare la proprietà materiale, in questo caso la sua conducibilità termica, in tre dimensioni e hanno valori molto precisi.

"E, misurare la conducibilità sperimentalmente, dovresti fare tre esperimenti, uno per ogni direzione. Utilizzando questo nuovo metodo, possiamo calcolare il tensore e prevedere le proprietà nelle tre direzioni in modo molto più rapido ed economico".

Panerai ha affermato che questo nuovo metodo per visualizzare le fibre e la comprovata capacità di determinare le proprietà dei materiali possono aiutare a riprogettare i materiali.

"Possiamo utilizzare un'architettura in fibra molto specifica per ottenere una certa proprietà come resistenza o conduttività, " ha detto. "La conduttività termica è qualcosa che tutti coloro che lavorano su materiali ad alta temperatura cercano di stimare. Sembra una proprietà molto semplice, ma è molto difficile da misurare, soprattutto per i materiali che sono tridimensionali. Questo è ciò che è notevole della potenza di questo metodo".

Federico Semeraro, autore principale dello studio presso il NASA Ames Research Center, disse, "Il calcolo della conduttività termica è fondamentale per prevedere in modo affidabile una risposta dello scudo termico. Inoltre, la metodologia ei metodi numerici che sono stati sviluppati sono sufficientemente flessibili da consentire il calcolo di molte proprietà dei materiali. Una comprensione completa del comportamento di uno scudo termico alla fine consentirà l'ottimizzazione del suo design".

Prima parte della ricerca, "Analisi anisotropa di materiali fibrosi e tessuti parte 1:Stima dell'orientamento locale, " è stato scritto da Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, e Nagi N. Mansour. Appare in Scienza computazionale dei materiali .

Seconda parte della ricerca, "Analisi anisotropa di materiali fibrosi e tessuti parte 2:Calcolo della conduttività effettiva, " è stato scritto da Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, e Nagi N. Mansour ed è pubblicato in Scienza computazionale dei materiali .