Estudo de blindagem mista contendo compósito cerâmico para proteção contra impactos de micrometeoróides em satélites artificiais

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Carlos Alberto de OLiveira Couto
• Orientador(a): Maria do Carmo de Andrade Nono
• Banca de defesa: Francisco Cristovão Lourenço de Melo
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: This project aimed to study the compound shields of a ceramic composite alumina - tetragonal zirconia (Y-TZP - tetragonal zirconia policrystalline stabilized with yttria) for protection of artificial satellites against meteoroids impact. The datas used for compound shields qualification was obtained from ballistic impacts and drop test of 12 meters, evaluating the shields kinetic energy absorption capacity. The meteoroids are materials fragments traveling at speeds between 12 km/s and 70 km/s and have different sizes. For results comparative analysis was performed the largest meteoroid value that impact the Space Shuttle Orbiter, with a 0,2 g mass and 900 J of kinect energy. The ceramics used in the shields were made by submicron alpha alumina powder and nanometric tetragonal zirconia powder stabilized with 3 \% mol of ytria. Three different compositions of zirconia added to alumina were studied: 15, 18 and 20 wt \% of ZrO$_2$ (by weight) in order to obtain ceramic composites with low production cost and high mechanical properties, based on literature values and Sucera group experience. The ceramics for flexion test were compacted with 40 MPa in uniaxial pressure and 300 MPa in isostatic pressure. However, the ceramics used in ballistic test were uniaxial compacted due to the limited size capacity of isostatic press. The ceramics were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The values of the mechanical properties parameters were obtained by using the flexion tests at four points and Vickers hardness. The fracture toughness values were obtained by using the technique based on Vickers penetration. The properties of alumina-zirconia ceramic composite Y-TZP showed higher than pure reported in the literature: the fracture resistance was above 400 MPa, hardness exceeding 15 GPa and fracture toughness exceeding 11,6 MPa.m$^{1/2}$. The compound shield studied was subjected to three levels of NBR 15000 Brazilian standard ballistic tests, levels II, IIIA and III which use .357 Magnum ammunition, 9 mm, .44 Magnum and 7,62 x 51 FMJ. The metallic materials used on shields were aluminum honeycomb plates from CBERS satellite and AISI 304 stainless steel. The proof of the tested shields efficiency against the real impact of meteoroids on satellites was accomplished through the equivalence of the kinetic energy involved (around 900 J). The compound shields of ceramic composites of alumina-tetragonal zirconia bonded to the metallic bases presented effective for energy absorption for the studied levels.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/05.02.17.31

Este projeto teve como principal objetivo o estudo de blindagens mistas de metais e compósito cerâmico de alumina - zircônia tetragonal policristalina (Y-TZP - $\textit{tetragonal zirconia policrystalline stabilized with yttria}$) para proteção de satélites artificiais contra impacto de micro meteoróides. Os dados para a qualificação das blindagens mistas foram obtidos a partir de ensaios padronizados de impactos balísticos e ensaio de queda de 12 m, para a avaliação da capacidade de absorção de energia cinética das blindagens. Os meteoróides são fragmentos de materiais que viajam com velocidades entre 12 e 70 km/s e possuem formas e tamanhos variados. Para a análise comparativa dos resultados foram utilizados os valores do maior micro meteoróide que impactou o $\textit{Space Shuttle Orbiter}$, com massa de 0,2 g e energia cinética de 900 J. As cerâmicas utilizadas nas blindagens foram produzidas com pó de alumina alfa com tamanhos de partículas na escala submicrométrica e pó de zircônia tetragonal com tamanhos de partículas na escala nanométrica, estabilizada com 3 \% (em mol) de ítria. Foram estudadas três composições diferentes de zircônia adicionada à alumina: 15, 18 e 20 \% de ZrO$_2$ (em peso). O objetivo foi o de obter compósitos cerâmicos com custo baixo e parâmetros de propriedades mecânicas otimizadas. As cerâmicas para o ensaio de flexão foram compactadas com 40 MPa em pressão uniaxial e 300 MPa em pressão isostática. Entretanto, as cerâmicas utilizadas no ensaio balístico foram compactadas uniaxial devido à limitação de tamanho da prensa isostática. As cerâmicas foram submetidas à caracterização por difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Os valores dos parâmetros de propriedades mecânicas foram obtidos pelo uso dos ensaios de flexão em quatro pontos e dureza $\textit{Vickers}$. Os valores de tenacidade à fratura foram obtidos pelo uso da técnica baseada em penetração $\textit{Vickers}$. As propriedades dos compósitos cerâmicos alumina-zircônia Y-TZP mostraram superiores à alumina pura relatadas na literatura, os valores da resistência à fratura foi superior a 400 MPa, a dureza superior a 15 GPa e a tenacidade à fratura superior a 11,6 MPa.m$^{1/2}$. As blindagens mistas estudadas foram submetidas a três níveis de ensaios balísticos da norma brasileira NBR 15000, níveis II, IIIA e III, que utilizam as munições .357 $\textit{Magnum}$, 9 mm, .44 $\textit{Magnum}$ e 7,62 x 51 FMJ. Os materiais metálicos utilizados nas blindagens foram painéis sanduíche-colméia de alumínio do satélite CBERS e chapas de aço inox AISI 304. A comprovação da eficiência das blindagens testadas em relação ao impacto real de meteoróides em satélites foi realizada utilizando a equivalência da energia cinética envolvida (de 900 J). As blindagens mistas de compósitos cerâmicos de alumina-zircônia tetragonal sobre as bases metálicas apresentaram-se eficazes para absorção de energia para os níveis estudados.