A medida que un vehículo viaja por el espacio a velocidades hipersónicas, los gases que lo rodean generan calor a temperaturas peligrosas para el piloto y la instrumentación en su interior. Diseñar un vehículo que pueda ahuyentar el calor requiere una comprensión de las propiedades térmicas de los materiales utilizados para construirlo. Un estudio reciente de dos partes en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign desarrolló un método para crear modelos 3-D de las fibras dentro de materiales compuestos y luego utilizó esa información para predecir la conductividad térmica del material.

"Usamos la microtomografía de rayos X para crear imágenes tridimensionales que muestran la orientación de las fibras, "dijo Francesco Panerai, miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la UIUC. "En la mayoría de las aplicaciones de ingeniería utilizamos materiales compuestos hechos con fibras de carbono, pero el método que desarrollamos se puede aplicar a cualquier tipo de fibra y cualquier tipo de compuesto ".

Panerai dijo que la microtomografía es similar a obtener una tomografía computarizada en el hospital, pero con rayos X de alta energía que pueden detectar detalles finos en microfibras, que son una fracción del diámetro de un solo cabello humano.

"Las imágenes que muestran cómo están organizadas las fibras son mucho más que imágenes bonitas:son una descripción del material en una cuadrícula tridimensional. Ahora podemos usar los datos de la cuadrícula 3-D para hacer simulaciones para calcular las propiedades del material. para lo que, de lo contrario, tendrías que hacer experimentos complicados, "Dijo Panerai.

En la primera parte del estudio, Panerai y sus colegas probaron tres métodos diferentes para visualizar las fibras. "Descubrimos que debido a que los diferentes materiales se componen de diferentes arquitecturas, ciertos métodos funcionaron mejor con algunas fibras y tejidos que con otros ".

Por ejemplo, El estudio concluyó que el enfoque del tensor de estructura ubicua mostró un muy buen desempeño en recta, fibras aleatorias, pero no pudo estimar con precisión la orientación de un tejido densamente empaquetado en dos direcciones.

Otro método basado en el flujo artificial demostró un rendimiento relativamente bueno en muestras tejidas en dos direcciones, pero falló en fibras rectas al azar.

El novedoso método de fundición por rayos parecía prometedor para convertirse en un poderoso enfoque para estimar la orientación de materiales fibrosos con poca curvatura. Pero, su principal desventaja es el alto costo computacional.

"Ahora que podemos seguir la dirección de las fibras en el espacio y determinar el espacio entre ellas, podemos calcular la propiedad del material, en este caso su conductividad térmica, en tres dimensiones y tienen valores muy precisos.

"Y, para medir la conductividad experimentalmente, necesitarías hacer tres experimentos, uno para cada dirección. Usando este nuevo método, podemos calcular el tensor y predecir propiedades en las tres direcciones de forma mucho más rápida y rentable ".

Panerai dijo que este nuevo método para visualizar fibras y la capacidad probada para determinar las propiedades de los materiales pueden ayudar a rediseñar los materiales.

"Podemos utilizar una arquitectura de fibra muy específica para lograr una determinada propiedad, como resistencia o conductividad, ", dijo." La conductividad térmica es algo que todos los que trabajan con materiales de alta temperatura intentan estimar. Parece una propiedad muy simple, pero es muy difícil de medir, especialmente para materiales que son tridimensionales. Eso es lo notable del poder de este método ".

Frederico Semeraro, autor principal del estudio en el Centro de Investigación Ames de la NASA, dijo, "Calcular la conductividad térmica es fundamental para predecir de manera confiable la respuesta del escudo térmico. Además, la metodología y los métodos numéricos que se han desarrollado son lo suficientemente flexibles como para permitir el cálculo de muchas propiedades de los materiales. Una comprensión completa del comportamiento de un escudo térmico permitirá, en última instancia, la optimización de su diseño ".

Primera parte de la investigación, "Análisis anisotrópico de materiales fibrosos y tejidos parte 1:Estimación de la orientación local, "fue escrito por Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, y Nagi N. Mansour. Aparece en Ciencia de los materiales computacionales .

Segunda parte de la investigación, "Análisis anisotrópico de materiales fibrosos y tejidos, parte 2:Cálculo de la conductividad efectiva, "fue escrito por Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acín, Francesco Panerai, y Nagi N. Mansour y se publica en Ciencia de los materiales computacionales .