III
SENSIBILIDADE DE PROPELENTES SÓLIDOS À
DESCARGA ELETROSTÁTICA
Silvio Manea
Composição da Banca Examinadora:
Prof.
Prof.
Prof.
Prof.
Prof.
Dr José Atílio Fritz Fidel Rocco
Dr. Koshun Iha
Dra. Rita de Cássia Lazzarini Dutra
Dra. Elizabete Yoshie Kawachi
Dr. Marco Antonio Couto do Nascimento
ITA
Presidente - ITA
Orientador - ITA
IAE - CTA
ITA
Universidade Tuiuti do Paraná
IV
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha amada esposa e filhos e, aos meus pais que
acreditaram em mim.
“Nada deve ser temido, apenas compreendido.” Anônimo
V
AGRADECIMENTOS
A Deus por tudo.
A minha esposa Arlete e aos meus filhos Gabriela, Rafael e Julia pela paciência,
amor e incentivo.
A meu estimado orientador Prof. Dr. Koshun Iha, pela orientação, paciência e
amizade.
Ao amigo e Prof. Dr José Atílio Fritz Fidel Rocco, por compartilhar seus
conhecimentos e pelas fundamentais discussões que nortearam este trabalho.
Aos amigos que colaboraram de diversas formas, Afonso Paulo Monteiro
Pinheiro, Prof. Dr. Amílcar Porto Pimenta, Elymar Fonseca Junior, José Iram
Mota Barbosa, Ronei Ramos Monteiro e Silvio de Alvarenga Souza.
A meus amigos e colegas de curso, que contribuíram para esta conquista.
A todos os professores e professoras que participaram da minha formação.
Ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, professores e funcionários.
VI
RESUMO
Com o desenvolvimento dos motores foguetes a propelentes sólidos, houve um
consenso na comunidade propulsiva que as formulações de propelentes tipo compósito
fossem imunes ao potencial elétrico gerado por carregamento eletrostático. A ocorrência de
acidentes com motores foguetes a propelentes sólidos, durante fases de fabricação,
manipulação e estocagem sem uma causa aparente levou a vários estudos por grupos
independentes e a conclusões importantes para a segurança da formulação do propelente onde
a hipótese de ignição acidental por descarga eletrostática foi a causa mais provável.
Esta hipótese é atualmente um campo que está sendo desenvolvido e os estudos na
área buscam como objetivo primordial minimizar os riscos de acidentes com motores de
propelentes sólidos atribuídos ao fenômeno de descarga eletrostática.
O propelente tipo compósito é heterogêneo, onde as partículas se dividem em
partículas condutoras e não condutoras. Os diferentes tipos de “binder” influenciam
diretamente nas características elétricas juntamente com as partículas condutoras.
As partículas não condutoras têm efeito geométrico no espaçamento das partículas
condutoras. De acordo com as características elétricas obtidas durante ensaios realizados,
pode-se avaliar se a formulação é sensível à ignição acidental por descarga eletrostática.
Devido aos métodos de fabricação (maceração circular por pás rotativas) e por não ser
possível garantir exatamente o nível de carregamento, diâmetro médio e geometria (fator de
forma) dos componentes sólidos, cada formulação necessita ser avaliada para saber qual o
nível de sensibilidade à descarga eletrostática, e o risco de ocorrência de trincas ou ignição
(sustentada ou não) no grão propelente sólido.
O trabalho apresenta as principais metodologias que estão sendo pesquisadas e os
resultados de ensaios elétricos e de descarga eletrostática realizados em amostras de estudo,
visando tornar segura a formulação e conseqüentemente a fabricação, estocagem e manuseio
de motores foguetes a propelente sólidos utilizados tanto em lançadores espaciais como em
foguetes e mísseis balísticos.
Palavras chave: Propelente, Descarga Eletrostática, Motor Foguete a Propelente Sólido, Ignição.
VII
ABSTRACT
With the development of solid rocket motor propellant, a general consensus has
emerged from the propulsion community that formulations of composite propellant were
insensitive to electrical potential generated by electrostatic charges. Accidents and incidents
with solid rocket motor propellant, during production, handling and storage, without apparent
causes, had started studies by independent groups and they have obtained important
conclusions for the safety of propellant formulations, where subsequent investigation suggests
that motor's ignition could be attributed to electrostatic discharge.
These findings prompted renewed interest in developing experimental techniques to
evaluate Electrostatic Discharge hazards in solid rocket motors propellant and minimize them.
The composite propellant was heterogeneous system where are conductive and
nonconductive particle and different types of binder had direct influence in solid propellant
electrical characteristics. Nonconductive particles have a geometrical effect to influence the
spacing of the conductive particles.
Manufacturing methods and limits to loading, particle mean size and form factor of the
solid components have influence on electrostatic sensivity of the formulation. Each
formulation need be tested to know sensibility level and crack or accidental ignition risk of
the solid propellant.
The present work presents the principal methodologies that have been research and
results of electrical and electrostatic discharge tests that can increase the reliability of the solid
propellant formulation, manufacturing, handling and storage.
Key Words: Propellant, Electrostatic Discharge, Solid Rocket Motor, Ignition.
VIII
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
ITEM
DESCRIÇÃO
PAG.
FIGURA 1.1
FIGURA 1.2
FIGURA 2.1
FIGURA 2.2
FIGURA 2.3
FIGURA 2.4
FIGURA 2.5
FIGURA 2.6
FIGURA 2.7
FIGURA 2.8
FIGURA 2.9
FIGURA 2.10
FIGURA 2.11
FIGURA 2.12
FIGURA 2.13
FIGURA 2.14
FIGURA 3.1
FIGURA 3.2
FIGURA 3.3
FIGURA 3.4
FIGURA 3.5
FIGURA 3.6
FIGURA 3.7
FIGURA 3.8
FIGURA 3.9
FIGURA 3.10
FIGURA 3.11
FIGURA 3.12
FIGURA 3.13
FIGURA 3.14
FIGURA 3.15
FIGURA 3.16
FIGURA 4.1
FIGURA 5.1
FIGURA 5.2
FIGURA 5.3
FIGURA 5.4
FIGURA 5.5
FIGURA 5.6
FIGURA 5.7
FIGURA 5.8
FIGURA 5.9
FIGURA 5.10
FIGURA 5.11
FIGURA 5.12
FIGURA 5.13
Míssil Balístico Pershing II
Acidente do dirigível Hindenburg
Configurações do átomo
Indução
Campo Elétrico
Efeito Triboelétrico
Separação de cargas entre a sola do sapato e o piso
Carregamento por Efeito Triboelétrico
Curva de Paschen
Descarga Corona
Descarga Faísca
Descarga Escova
Modelo IEEE PESD
Canal formado por arco em propelente heterogêneo
Estrutura simplificada do canal para modelo de ignição
Caminhos de absorção da energia da descarga eletrostática
Diagrama do Microscópio Eletrônico de Varredura – MEV
Equipamento Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV
Diagrama do Microscópio Óptico e Aquisição de Dados
Equipamento de Microscopia Óptica
Diagrama do dispositivo de ensaio elétrico
Medidor LCR
Medidor de Alta Resistência
Dispositivo para Testes de Descarga Eletrostática
Esquema básico do Gerador de Descarga Eletrostática
Bancada de Testes de Ensaio de Descarga Eletrostática
Dispositivo de Testes para amostras 100 mm
Área de testes de Ensaio de Descarga Eletrostática
Amostra de propelente
Preparação de amostras
Amostra Propelente A001
Amostra Propelente C001
Protocolo de Ensaio de Sensibilidade
Imagem óptica - Propelente A001
Imagem óptica - Propelente A001
Imagem óptica - Propelente A001
Imagem óptica - Propelente B001
Imagem óptica - Propelente B001
Imagem óptica - Propelente B001
Propelente C001
Propelente C001
Propelente D001
Propelente D001
Imagem óptica - Propelente D001
Imagem óptica - Propelente E001
Imagem MEV- 100μm – Propelente A001
14
15
17
18
18
19
26
27
29
31
32
32
32
44
44
47
49
49
50
50
51
51
51
52
52
53
53
53
56
56
56
57
62
73
73
73
74
74
74
75
75
76
76
77
77
78
IX
FIGURA 5.14
FIGURA 5.15
FIGURA 5.16
FIGURA 5.17
FIGURA 5.18
FIGURA 5.19
FIGURA 5.20
FIGURA 5.21
FIGURA 5.22
FIGURA 5.23
FIGURA 5.24
FIGURA 5.25
FIGURA 5.26
FIGURA 5.27
FIGURA 5.28
FIGURA 5.29
FIGURA 5.30
FIGURA 5.31
Imagem MEV- 20μm – Propelente A001
Imagem MEV- 20μm – Propelente B001
Imagem MEV- 20μm – Propelente B001
Imagem MEV- 100μm – Propelente B001
Imagem MEV- 20μm – Propelente B001
Imagem MEV- 20μm – Propelente C001
Imagem MEV- 100μm – Propelente C001
Imagem MEV- 100μm – Propelente D001
Imagem MEV- 20μm – Propelente D001
Teste de Descarga Eletrostática
Teste de Descarga Eletrostática
Amostras Propelente E001
Dispositivo de Ensaio II
Formação de arco voltaico lateral
Curva de Fator de percolação vs. Diâmetro da partícula de
Perclorato de Amônio
Curva de Fator de percolação vs. Diâmetro da partícula de
Alumínio
Curva de Fator de percolação vs. percentual de carregamento
da partícula mais fina de Perclorato de Amônio
Curva de Fator de percolação vs. percentual de carregamento
de Alumínio
78
79
79
80
80
81
81
82
82
84
84
85
85
91
93
94
95
96
X
LISTA DE TABELAS
ITEM
DESCRIÇÃO
PAG.
TABELA 2.1
TABELA 2.2
TABELA 2.3
TABELA 2.4
Série Triboelétrica de Diversos Materiais
Eletronegatividade de Alguns Materiais
Valores dos Parâmetros do modelo PESD
Sensibilidade x pressão de um propelente
PBLH/68%PA/20%Al
Resistividade Volumétrica típica a 20 oC dos principais
ligantes de propelente sólido compósito.
Equipamentos utilizados nos ensaios
Dispositivos de Testes
Propriedades do Perclorato de Amônio (NH4ClO4)
Propriedades do Alumínio
Amostras de Propelentes
Formulações de Propelente testadas por Covino et al
Constante dielétrica das formulações utilizadas por Covino
et al
Dados de Formulações dos Propelentes
Valores de Coeficiente de Percolação (P) dos propelentes
estudados por Covino et al
Formulações dos Propelentes Ensaiados
Valores de Resistividade Volumétrica
Resultados do Teste de Descarga Eletrostática
Características dos componentes da formulação
Valores dos Coeficientes de Percolação (P)
Condições para o gráfico da Figura 5.28
Condições para o gráfico da Figura 5.29
Condições para o gráfico da Figura 5.30
Condições para o gráfico da Figura 5.31
Valores de Resistividade Volumétrica e Fator de Percolação
Valores de Resistividade Volumétrica e Fator de Percolação
Rigidez Dielétrica de Materiais
Constante Dielétrica de Materiais
20
28
33
36
TABELA 2.5
TABELA 3.1
TABELA 3.2
TABELA 3.3
TABELA 3.4
TABELA 3.5
TABELA 4.1
TABELA 4.2
TABELA 4.3
TABELA 4.4
TABELA 5.1
TABELA 5.2
TABELA 5.3
TABELA 5.4
TABELA 5.5
TABELA 5.6
TABELA 5.7
TABELA 5.8
TABELA 5.9
TABELA 5.10
TABELA 5.11
TABELA I.1
TABELA I.2
38
48
48
54
54
55
66
68
71
71
72
83
86
87
87
93
94
95
96
97
97
101
106
XI
LISTA DE SIMBOLOS
SÍMBOLO
ΔV
Δt
Q
C
V
R
Ω
id
Vm
Δq
ε0
F
σm
Eb
Φ
e
p
atm
PBLH
PBLC
PBAN
Pa
ρ
P
DESCRIÇÃO
Variação da Voltagem
Variação do tempo
Quantidade de cargas elétricas
Capacitância em Farad
Volt
Resistência em Ohms
Ohms
Corrente de decaimento
Voltagem máxima
Variação do valor de cargas elétricas
Permissividade do vácuo (8,85 x 10-12 F/m)
Farad
Densidade máxima de carga
Campo elétrico de ruptura de dielétrico
Função trabalho
Carga elétrica
Pressão em atm
Atmosfera
Polibutadieno Liquido Hidroxilado
Polibutadieno Liquido Carboxilado
Polibutadieno Acido acrílico-acriloNitrila
Pascal
Resistividade Volumétrica
Fator de percolação
XII
SUMÁRIO
ITEM
DESCRIÇÃO
PÁG.
1.
INTRODUÇÃO.
14
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
17
2.1
FUNDAMENTOS DE ELETROSTÁTICA
17
2.1.1
ELETRICIDADE ESTÁTICA
17
2.1.2
POLARIZAÇÃO E INDUÇÃO
18
2.1.3
CAMPO ELÉTRICO
18
2.1.4
EFEITO TRIBOELÉTRICO
19
2.1.5
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
21
2.2
AMBIENTE DE CARGA ELETROSTÁTICA
23
2.2.1
CARREGAMENTO CORPO HUMANO
23
2.2.2
CARREGAMENTO POR EFEITO TRIBOELÉTRICO
27
2.2.3
DESCARGA ELETROSTÁTICA
30
2.2.3.1
TIPOS DE DESCARGA
31
2.3
ELETROSTÁTICA EM PROPELENTES SÓLIDOS
34
2.4
TEORIAS DE IGNIÇÃO DOS PROPELENTES SÓLIDOS
37
2.4.1
OCORRÊNCIA DE FENÔMENOS ELETROSTÁTICOS
39
2.5
IGNIÇÃO DE PROPELENTE SÓLIDO POR DESCARGA.
ELETROSTÁTICA
42
2.5.1
MÉTODOS DE ESTUDO DA IGNIÇÃO
43
2.5.2
MECANISMOS DE REAÇÕES ATIVOS
46
3.
PARTE EXPERIMENTAL
48
3.1
EQUIPAMENTOS
48
3.1.1
MICROSCOPIA DE VARREDURA ELETRÔNICA
49
3.1.2
MICROSCOPIA ÓPTICA
50
3.1.3
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
51
3.1.4
DESCARGA ELETROSTÁTICA
52
3.2
MATERIAIS UTILIZADOS
54
3.2.1
OXIDANTE
54
3.2.2
METAL
54
3.2.3
BINDER
55
3.2.4
CORPOS DE PROVA
55
3.3
ENSAIOS
58
XIII
3.3.1
ENSAIOS DE MICROSCOPIA ÓPTICA E VARREDURA
ELETRÔNICA
58
3.3.2
ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
58
3.3.3
ENSAIOS DE DESCARGA ELETROSTÁTICA
58
4.
SUSCEPTIBILIDADE DO PROPELENTE SÓLIDO
60
4.1
CLASSIFICAÇÃO DA SENSIBILIDADE DO PROPELENTE
61
4.2
TEORIA DE PERCOLAÇÃO
63
4.3
MEDIDAS DE GRANDEZAS ELÉTRICAS DO PROPELENTE
67
4.3.1
MEDIDAS DE RESISTIVIDADE
67
4.3.2
MEDIDAS DA CONSTANTE DIELÉTRICA
67
4.3.3
VOLTAGEM DE RUPTURA DO DIELÉTRICO
68
4.3.4
TESTE DE DESCARGA RESISTIVO-CAPACITIVA (RC)
70
4.4
DADOS DE FORMULAÇÕES ENSAIADAS EM TRABALHOS
ANTERIORES
70
4.5
CRITÉRIO EXPERIMENTAL PARA CLASSIFICAÇÃO
71
5.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
72
5.1
RESULTADOS
72
5.1.1
RESULTADOS DE MICROSCOPIA ÓPTICA
73
5.1.2
RESULTADOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
78
5.1.3
RESULTADOS DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
83
5.1.4
RESULTADOS DE ENSAIO DE DESCARGA ELETROSTÁTICA
83
5.1.5
FATOR DE PERCOLAÇÃO - (P)
87
5.2
DISCUSSÕES
88
5.2.1
ANÁLISE DOS RESULTADOS
88
5.2.1.1
MICROSCOPIA ÓPTICA
88
5.2.1.2
MICROSCOPIA DE VARREDURA ELETRÔNICA
89
5.2.1.3
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
90
5.2.1.4
DESCARGA ELETROSTÁTICA
90
5.2.1.5
INFLUÊNCIA DOS COMPONENTES DO PROPELENTE SÓLIDO NO
FATOR DE PERCOLAÇÃO
91
5.2.2
COMPARAÇÃO DE RESULTADOS
97
5.2.3
REDUÇÃO DA SENSIBILIDADE DE PROPELENTES -SUGESTÕES
98
6.
CONCLUSÕES
100
7.
TRABALHOS FUTUROS
101
8.
BIBLIOGRAFIA
102
I
ANEXO
109
14
1.
INTRODUÇÃO
Atualmente, é de suma importância o conhecimento dos riscos de acidentes associados
a fenômenos de carregamento eletrostático, durante a fabricação e utilização de grãos
propelentes sólidos e conseqüentemente identificar quais os fatores que poderiam gerar:
a- Uma ignição acidental do motor foguete durante manuseio ou armazenamento;
b - Trincas no grão propelente, as quais durante a queima do grão podem gerar novas
frentes de chama causando uma explosão do motor foguete.
Durante muito tempo acreditou-se que as formulações de propelentes tipo compósito
fossem imunes ao potencial elétrico gerado por carregamento eletrostático. A ocorrência de
acidentes com vários motores foguetes a propelentes sólidos, sem causa aparente, obrigou a
comunidade propulsiva a estudar e ensaiar as diversas hipóteses para os acidentes e, com os
resultados obtidos, concluiu-se que só restava a hipótese de ignição ou trinca por efeito do
fenômeno de descarga eletrostática nestes motores [1-4].
FIGURA 1.1 – Míssil Balístico Pershing II [2]
A eletricidade estática é conhecida há milhares de anos pelo homem. Inicialmente os
gregos observaram a atração entre objetos após os mesmos terem sido atritados, sendo que o
próprio nome é derivado de elektron que significa âmbar. Nos séculos XVII e XVIII, foram
15
realizados vários experimentos visando estudar e entender a eletricidade estática. Com a
descoberta do eletro-magnetismo e seus efeitos, a eletricidade estática foi relegada ao porão
da evolução cientifica [5].
Interessante notar que muitos acidentes ocorridos no passado, envolvendo explosões,
hoje suspeita-se que a causa primária tenha sido uma descarga eletrostática.
Um dos exemplos registrados foi a explosão do dirigível alemão Hindenburg quando
chegava a Lakehurst, New Jersey, USA em 1937. Devido a tensões internacionais, os EUA
embargaram a venda de gás hélio para a Alemanha e o dirigível foi então inflado com gás
hidrogênio. O fogo resultante causou a morte de várias pessoas e criou uma péssima fama dos
dirigíveis, impedindo o seu desenvolvimento [6, 7].
FIGURA 1.2 – Acidente do dirigível Hindenburg
Têm sido registrados numerosos relatos de explosões em silos de grãos, tanques de
armazenamento de óleo durante operações de limpeza, pacientes sendo mortos durante
cirurgias pelo desligamento da válvula de pressão devido à ignição do gás anestésico,
desastres em laboratórios e desastres em veículos espaciais.
Outros casos relatados foram a explosão de foguetes a combustível liquido enquanto
era realizado o abastecimento dos mesmos e a ocorrência de ignição de motores sólidos
durante a retirada dos mesmos de seus “containeres” [8].
Propelentes e pirotécnicos são materiais sensíveis com um alto risco de fatalidades,
quando ocorrem acidentes durante a fabricação e manipulação/armazenamento. As normas
16
utilizadas para a qualificação, fabricação e testes são rígidas, porque são tarefas com alto risco
de acidentes devido à sensibilidade dos componentes energéticos utilizados.
O principal resultado que as pesquisas relacionadas aos efeitos de descarga
eletrostática em propelentes sólidos buscam, é tornar mais segura a fabricação e a operação
dos grãos propelentes sólidos com a implementação de medidas para eliminar ou minimizar
estes riscos.
Esta tese de mestrado procura auxiliar essas pesquisas realizando um resumo do
conhecimento disponível na literatura aberta, onde o entendimento do fenômeno de descarga
eletrostática em propelentes sólidos é um assunto ainda não esclarecido; ensaios de amostras
representativas de propelentes ativos e utilizando ferramentas de análise. Como finalização do
trabalho é feita uma avaliação dos resultados obtidos e, sugestão de trabalhos futuros.
17
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
FUNDAMENTOS DE ELETROSTÁTICA
Para estudarmos o efeito, é necessário entendermos os fundamentos que governam o
carregamento e descarregamento de eletricidade estática nos objetos e/ou corpos [9]. Os
fundamentos são:
1. Eletricidade Estática
2. Polarização e indução
3. Campo Elétrico
4. Efeito Triboelétrico
5. Propriedades dos Materiais
2.1.1 ELETRICIDADE ESTÁTICA
Eletricidade estática é freqüentemente considerada o efeito de cargas elétricas em
repouso nos isolantes ou em condutores isolados. Em uma descrição do fenômeno sabemos
que os átomos têm prótons, elétrons e nêutrons onde prótons possuem carga positiva, elétrons
tem carga negativa e nêutrons não possuem carga [10].
Quando um átomo tem o mesmo numero de elétrons e prótons, o átomo não possui
diferencial de carga, isto é, as cargas estão balanceadas. Se um átomo ganhar um elétron ele
ganha carga negativa e, da mesma forma, se perde um elétron fica com carga positiva (Figura
2.1). A presença de carga positiva ou negativa em um átomo é diretamente ligada à falta ou
excesso de elétrons no átomo. Se o material permanecer com esta carga “sem movimento”,
ele está com carga estática ou eletrostática.
FIGURA 2.1 - Configurações do átomo
18
2.1.2 POLARIZAÇÃO E INDUÇÃO
Existe uma diferença entre polarização e indução.
z
Polarização ocorre quando as cargas que estão misturadas de forma aleatória em um
objeto são distribuídas de forma segregada, onde as cargas positivas estão em uma
área e todas as cargas negativas em outra área diferente no mesmo objeto. O objeto
precisa ser um condutor e não pode estar aterrado.
z
A indução é o processo pelo qual o campo de uma carga gera uma carga em um objeto
condutivo que esteja próximo sem contato físico (Figura 2.2). Quando um condutor
atravessa um campo, uma corrente é gerada no condutor.
FIGURA 2.2 - Indução
2.1.3 CAMPO ELÉTRICO
Todo objeto carregado com carga elétrica é envolvido em um campo elétrico. Cargas
elétricas em objetos podem afetar outras cargas elétricas à distância. Esta força é chamada de
campo elétrico. O campo elétrico atuando em um objeto através das linhas de fluxo magnético
pode induzir cargas em um outro objeto que esteja dentro da área de autuação deste campo
(Figura 2.3).
FIGURA 2.3 – Campo Elétrico
19
2.1.4 EFEITO TRIBOELÉTRICO
A palavra tribo é originária do grego e significa friccionar. Juntamente com a palavra
elétrico designa o efeito de produzir uma carga elétrica pela fricção entre dois objetos.
Quando dois materiais com superfícies neutras (cargas equilibradas) entram em contato, com
rugosidade menor que 4 Å e são posteriormente separados, eles trocam cargas elétricas
(Figura 2.4). Um material estará com carga elétrica positiva e o outro com carga elétrica
negativa. O nível e a polaridade das cargas adquiridas nestas superfícies são dependentes de
vários fatores, mas podem ser relativamente respondidos através da série triboelétrica de
materiais.
A série triboelétrica é um “ranking” não consolidado de polaridades de materiais
quando triboelétricamente carregados. A posição de um material na tabela, pode mudar
facilmente na série, dependendo de vários fatores como rugosidade da superfície, força de
contato, função trabalho, fluxo inverso de cargas, cargas de ruptura do ar, etc.
Estas variáveis somente adicionam dificuldade para entender o mecanismo de tribo
carregamento e por isso a tabela de série triboelétrica (Tabela 2.1) para a comparação de
materiais não é uma tabela consolidada. [11]
FIGURA 2.4 – Efeito Triboelétrico
20
TABELA 2.1: Série Triboelétrica de Diversos Materiais [11]
Série Triboelétrica
Mão humana
Asbestos
Acetato
Vidro
Mica
Cabelo Humano
Nylon
Lã
Pele de animal
Chumbo
Seda
Alumínio
Papel
Algodão
Aço
Madeira
Âmbar
Cera selante
Poliuretano EU
Mylar
Níquel, cobre
Prata
Polímero p/ Proteção UV
Latão
Ouro, Platina
Enxofre
Acetato Rayon
Poliéster
Celulóide
Estireno
PMMA de celulose
Saran
Poliuretano
Polietileno
Polipropileno
PVC (vinil)
KEL F
Silicone
Teflon
Borracha de silicone
Polaridade
Adquire mais carga positiva (menor função trabalho).
Ponto referencial neutro
Adquire mais carga negativa (maior função trabalho).
Para entender o efeito triboelétrico é necessário observar os vários mecanismos que
contribuem para a geração da carga resultante do processo. Os fatores mais importantes, e
com grande influência no processo de carregamento triboelétrico, são os efeitos do contato da
superfície e a eletronegatividade dos materiais.
21
O efeito da superfície de contato inclui rugosidade de superfície, força de contato, e
aquecimento por fricção (causado por atrito), os quais influenciam a área total do material que
está em contato com o outro material durante o tribocarregamento. Quando a rugosidade é
mínima a superfície de contato aumenta.
A carga resultante é diretamente proporcional ao tamanho da superfície de contato. O
desequilíbrio de cargas na superfície é relacionado à fricção na qual ambos são dependentes
da adesão entre as superfícies no nível molecular.
Duas superfícies podem estar aderidas devido às ligações químicas formadas nas
superfícies. Quando as superfícies em contato são então separadas, algumas ligações podem
romper-se, e qualquer assimetria nestas ligações tenderá a deixar um desequilíbrio de cargas
para trás. A ruptura das ligações na superfície é dependente da eletronegatividade dos
materiais envolvidos.
2.1.5 PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
Os materiais para a eletrostática são classificados em três categorias:
z Condutivos
z Dissipativos
z Isolantes
Estas propriedades dos materiais governam o que acontece à carga elétrica, durante o
carregamento do material.
Materiais condutivos permitem à carga (elétrons) mover-se livremente em sua superfície ou
através do seu volume. Cargas colocadas em um ponto em um objeto condutivo fluirão em
torno do objeto de tal forma que toda superfície do objeto partilhe as cargas. Se o objeto for
conectado a um potencial “aterrado”, as cargas irão recombinar movendo-se para o “terra” até
o objeto não ter mais carga. Materiais condutivos têm uma baixa resistividade ôhmica para o
fluxo de corrente.
22
Materiais dissipativos permitem que as cargas (elétrons) movam-se vagarosamente na sua
superfície ou através do seu volume. As cargas colocadas em um ponto também fluirão em
torno do objeto até que todas as partes do mesmo estejam com a mesma distribuição de carga.
Se o objeto for “aterrado” as cargas irão recombinar lentamente até o objeto ficar
descarregado. Os materiais dissipativos têm uma resistência ôhmica maior que os materiais
condutores, porém menor que os materiais isolantes.
Materiais Isolantes não permitem que as cargas (elétrons) movam-se ao longo da superfície
ou através do seu volume. As cargas colocadas em um ponto de um objeto isolante
permanecerão na posição. Se um objeto isolante carregado é “aterrado” as cargas não se
moverão para o “terra”. O mesmo objeto isolante pode estar carregado positiva e
negativamente em diferentes áreas. Como os isolantes não permitem o movimento de cargas
(elétrons), eles podem acumular uma quantidade significativa de cargas. Materiais isolantes
têm uma alta resistividade ôhmica ao fluxo de corrente.
23
2.2
AMBIENTE DE CARGA ELETROSTÁTICA
A geração de cargas eletrostáticas pode ser realizada pelo corpo humano bem como
por objetos. Dependendo dos materiais envolvidos, a pessoa pode apresentar carregamento
positivo ou negativo.
É importante salientar que o corpo humano nem sempre é o gerador
eletrostático e sim o portador. Exemplificando, o corpo humano adquire a condição de
portador quando uma pessoa desce de seu carro e ao colocar sua mão na maçaneta e tocar seu
pé no chão sente um choque. Neste caso o gerador eletrostático é o carro.
Outras fontes de geradores eletrostáticos não humanos são:
z Móveis e cadeiras com rodas de material polimérico isolante.
z Correias de borracha e tecido e esteiras e suas polias ou roletes
z Ventiladores com lâminas do rotor de plástico
z Movimento de papel em impressoras e copiadoras
z Fluxo rápido e com atrito de gás, liquido ou grãos contra materiais isolantes
ou condutores não aterrados.
2.2.1 CARREGAMENTO CORPO HUMANO
Podemos descrever o carregamento de uma pessoa caminhando em um piso isolante
como o contato e a fricção entre o solado do calçado da pessoa e o piso separado por uma
carga Δq para cada passo [12]. Se ele caminha com uma taxa de n passos por unidade de
tempo, isto corresponde a uma corrente de carregamento, Ic de:
Ic = nΔQ
(2.1)
A corrente carregará a pessoa de forma que ela terá uma voltagem V, que aumentará com uma
taxa média de:
ΔV
Δq
=n
C
Δt
(2.2)
onde C é a capacitância da pessoa, n a taxa de passos.
24
O aumento na voltagem, ΔV, devido ao primeiro passo será:
ΔV =
Δq
C
(2.3)
A voltagem causará uma corrente de decaimento, id, através da resistência, R, da pessoa para o
“terra”:
id =
V
R
(2.4)
E a voltagem atingirá seu valor máximo, Vm, quando ic = id ou
Vm = Rn Δq
(2.5)
Se a voltagem mais alta aceitável pelo corpo é Vac, então a resistência para o “terra” precisa
atender a condição
R≤
Vac
nΔqmax
(2.6)
Onde Δqmax é o valor máximo de carga separada por cada passo.
O valor máximo de Δqmax para o exemplo relatado na figura 2.5 é de
Δqmax = ε0EbA,
(2.7)
Onde:
ε0 é a permissividade do ar igual a 8,85x10-12 Farad/m,
Eb é a força do campo de ruptura no ar entre eletrodos planos, no caso Eb = 3 x 106 V/m
A é a área da sola do sapato, no caso A = 150 cm2.
Introduzindo estes valores na equação 2.7 temos um valor de
Δqmax = 4 x 10-7 C,
(2.8)
Que para uma taxa n = 2 passos/seg., corresponde a uma corrente de carregamento de
Ic,max = n Δqmax = 8 x 10-7 A
(2.9)
Se Vac = 100V, então R ≤ 100 MΩ (valores aceitáveis) e utilizando a equação 2.3 pode-se
indicar o aumento esperado na voltagem no primeiro passo:
25
ΔV = 4x 10-7 / 100 x 10-12 = 4.000 V
(2.10)
assumindo uma capacitância de 100 pF por cada passo.
Para obter valores mais reais para Δq e ΔV, foi realizada uma série de medidas de
voltagem de um corpo humano caminhando em um piso altamente isolante (tipo Vinil) onde a
resistência do corpo para o “terra” medida foi de 1011 Ω , com uma variação sobre o piso, de
0,5 x 1011 a 1,5 x 1011 Ω. A capacitância do corpo medida foi de 160 pF para ambos os passos
e de 100pF para um único passo, em uma média de 10 medidas. Os valores experimentais
obtidos são:
Δqmax = 3 x 10-8 C
(2.11)
A voltagem não aumentará diretamente com uma taxa constante, mas diretamente em
função dos passos. Isto é mais um complicador pelo fato que a capacitância diminui quando o
pé é levantado e aumenta novamente quando o pé tem contato novamente com o piso. A
voltagem, V, irá aumentar, mas não infinitamente, porque o efeito de carregamento da
corrente ic será contrabalançado pelo decaimento da corrente id dado pela equação 2.4, onde R
é a resistência da pessoa para o terra através da cobertura do piso. A voltagem atingirá seu
máximo valor Vm quando as duas correntes ficarem balanceadas, que podemos apresentar
como:
nΔq =
Vm
R
(2.12)
Utilizando o valor obtido na equação 2.11 tem-se que o valor máximo de voltagem esperado é
Vm = Rn Δq = 1011 x 2 x 3 x 10-8 = 6.000 V
26
FIGURA 2.5 – Separação de cargas entre a sola do sapato e o piso
Embora a capacitância, C, da pessoa não influencie a máxima voltagem, ela em
conjunto com a resistência de decaimento, determina a taxa com a qual a voltagem aumenta.
Quando dois objetos com diferentes cargas (numero de elétrons) são colocados juntos,
as cargas se movem entre os dois objetos até ambos estarem com o mesmo potencial ou
mesma carga. Quando isto ocorre dizemos que houve uma descarga.
A descarga eletrostática é algo que pode danificar componentes eletrônicos,
equipamentos e produtos, grãos propelentes e pirotécnicos. Para sentirmos um choque quando
abrimos uma porta ou tocamos em um objeto aterrado, após o carregamento pelo efeito de
tribocarregamento é necessário mais de 3.500 volts, sendo que com algumas centenas de volts
podemos danificar de forma latente ou até gerar uma falha catastrófica pela corrente induzida
durante a descarga em componentes e equipamentos. [5]
27
2.2.2 CARREGAMENTO POR EFEITO TRIBOELÉTRICO
A quantidade de carga (Q) (Figura 2.6) transferida de um material para outro durante
contato (efeito triboelétrico) é diretamente relacionada à diferença entre a função trabalho dos
dois materiais.
FIGURA 2.6–Carregamento por Efeito Triboelétrico
Podemos representar o carregamento Q por meio de:
Q1 = k (φ1 − φ2 )e −1
(2.13)
Q2 = C.V = C .(φ1 − φ2 )e −1
(2.14)
Onde:
Q1 e Q2 = carga ou ampère.segundo (A.s)
k = constante
Φ1= função trabalho do material 1 (eV)
Φ2= função trabalho do material 2 (eV)
C = capacitância entre superfícies
V = voltagem
e = carga elétrica (1,602003 x 10-19 C)
28
A transferência de carga ocorre durante contato em distâncias da ordem de nm e entre
materiais diferentes, incluindo metal-metal, metal-dielétrico, dielétrico-dielétrico, durante
eventos de contato/separação [11]. O nível teórico de triboeletrificação que é baseado nos
níveis de Fermi aplica-se em um simples contato/separação [5]. Múltiplos contatos e
separações aumentam o total de carga transferida. Um limite para o processo de carregamento
tem sido demonstrado experimentalmente, permitindo obter empiricamente uma constante
k = 6 X 10-8. Esta constante permite prever o nível de carregamento dos materiais envolvidos.
TABELA 2.2 - Eletronegatividade de Alguns Materiais [5]
Material
Metais
Alumínio (Al)
Ouro (Au)
Carbono (C)
Cobre ( Cu)
Níquel ( Ni)
urânio ( U)
Plásticos
Politetrafluoroetileno (PTFE)
Policarbonato (Lexcan)
Pyrex
Quartzo
Nylon
Acrílico
Valor Experimental - Φ(eV)
4,28
5,1
5,0
4,65
5,15
3,63
6,71
3,85
4,84
4,87
4,71
4,3
Observando a Tabela 2.2 onde estão listados alguns materiais e suas respectivas
eletronegatividades, podemos observar pela equação 2.15 que, quando a carga acumulada na
capacitância representativa, por triboeletrificação aumenta,
V = Q x C− 1
(2.15)
a voltagem da descarga eletrostática atinge um nível corona ou um nível de começo de
descarga parcial, que é o fator limitante da triboeletrificação. A atividade corona ocorre
29
quando o campo de força elétrico E, excede a resistência do meio dielétrico circundante
ocasionando um caminho de baixa resistividade e assim descarregando o material [13].
Considerando o ar como meio circundante, usamos a lei de Paschen [14] para campos
uniformes. A lei de Paschen, Vr = f(pd) é uma formula empírica para o ar, considerando o
mesmo como um gás ideal. A figura 2.7 apresenta a Curva de Paschen onde,
Vr = voltagem de ruptura em kV, d = distancia em cm, e p= pressão em escala
absoluta.
FIGURA 2.7 – Curva de Paschen [14]
Quando o dielétrico é o ar e a distancia é de alguns milímetros a equação é
simplificada para:
Vruptura = ( 30 pd + 1,35 ) kV
(2.16)
onde:
d em centímetros e p em atmosferas
A equação 2.16 indica que a diminuição da distância influência fortemente na
diminuição da voltagem de ruptura. No ar, aumentando a umidade aumenta a voltagem de
30
ruptura, pois a umidade diminui a resistividade do meio criando caminhos alternativos. O
efeito é mais evidente em campos uniformes, e menos importante em espaços não uniformes.
2.2.3 DESCARGA ELETROSTÁTICA
Dependendo da voltagem inicial, resistência, indutância, e capacitâncias parasíticas do
objeto:
1- Pode ocorrer um arco voltaico entre uma superfície carregada e o objeto
2- Pode ocorrer um arco com uma faísca inicial - descarga rápida.
3- Podem ocorrer múltiplos arcos de mesma polaridade ou polaridade alternada:
A descarga eletrostática pode achar caminhos em um equipamento através de cinco
formas de caminhos de acoplamento [5]:
1- Um campo elétrico inicial pode capacitivamente acoplar como uma rede com uma
área de grande superfície, gerando acima de 4000V/m.
2- Carga/corrente injetada por um arco pode:
z Danificar as camadas isolantes de um circuito eletrônico integrado
z Curto-circuitar junções reversamente polarizadas
z Curto-circuitar junções diretamente polarizadas
z Fundir fios ou trilhas
3- A corrente causa um pulso de voltagem nos condutores se eles são de potência,
terra, ou de sinais.
4- Um campo magnético intenso de um arco tem uma faixa de freqüência de cerca de
1 a 500 MHz que pode acoplar indutivamente em todos os laços (“loops”) nas
proximidades, com uma corrente de 15 Ampères /m, a uma distância de 100 mm do
arco gerado pela descarga eletrostática.
5- Um campo magnético irradiado do arco torna-se um campo eletromagnético, que
acopla em todos os cabos que atuam como se fossem antenas de recepção.
31
2.2.3.1 TIPOS DE DESCARGA
As descargas podem ser classificadas em três grupos que algumas vezes se sobrepõem:
descarga corona, descarga faísca e descarga escova.
Descarga Corona: Se a intensidade do campo elétrico em um eletrodo tipo ponta de
agulha excede a força de ruptura do campo do meio, a descarga corona acontece. A descarga
Corona representada na figura 2.8 pode ocorrer quando moléculas do ar são ionizadas por um
forte campo elétrico, usualmente criadas em um eletrodo tipo ponta de agulha energizado com
alta voltagem e colocado próximo à superfície alvo. Isto também pode ocorrer com um
eletrodo aterrado que seja colocado próximo a um objeto carregado, pois para ocorrer a
descarga só é necessário um campo de força alto [15].
FIGURA 2.8 - Descarga Corona
Na descarga corona, a ionização é limitada a uma pequena região em redor do
eletrodo, onde a força de ruptura do campo é excedida. No resto do campo, nós temos uma
corrente com baixa movimentação de íons. A descarga corona é também conhecida como
descarga silenciosa.
Descarga Faísca: No outro extremo da escala de descargas temos a descarga faísca
representada na figura 2.9. Este tipo de descarga pode acontecer entre dois condutores com
diferentes potenciais cada, sendo um deles normalmente aterrado. A descarga inicia em um
ponto onde a força do campo de ruptura é excedida. Mas em contraste com a descarga corona,
em uma faísca a ionização acontece em todo o percurso entre os dois eletrodos. Se os
eletrodos são conectados a uma fonte de voltagem, a descarga pode tornar-se um arco
32
contínuo, mas normalmente no caso de um condutor isolado, a descarga é um processo muito
rápido.
FIGURA 2.9 - Descarga Faísca
Descarga Escova: Entre a descarga corona e a descarga faísca está a descarga escova
representada na figura 2.10, que pode acontecer, por exemplo, entre um material carregado e
um eletrodo normalmente aterrado com raio de curvatura de alguns milímetros. Se uma
descarga escova é mantida por longos períodos podem aparecer caminhos luminescentes
irregulares.
FIGURA 2.10 - Descarga Escova
Geração de Descarga Eletrostática - Modelo Corpo Humano
O modelo IEEE STD 62.47 1998 [5] representa o carregamento e a descarga do corpo
humano conforme representado na figura 2.11.
FIGURA 2.11 – Modelo IEEE PESD [5]
33
O circuito tanque inicial na figura 2.11 representa o corpo composto pela capacitância,
indutância e resistência respectivamente Cc, Lc, Rc. O segundo circuito tanque representa a
mão onde similarmente temos Cm, Lm, Rm. A norma define uma faixa de valores conforme
Tabela 2.3.
TABELA 2.3: Valores dos Parâmetros do modelo PESD [5]
Componente ou Parâmetro
IEEE 62.47 (PESD)
Capacitância do corpo - Cc
60 a 300 pF – (típico 300 pF)
Indutância do corpo - Lc
0,5 a 2 μH - (típico 0,5 μH)
Resistência do corpo - Rc
150 a 1500 Ω (típico 150 Ω)
Capacitância da mão - Cm
3 a 10 pF – (típico 10 pF)
Indutância da mão - Lm
0,05 a 0,2 μH - (típico 0,05 μH)
Resistência da mão - Rm
20 a 200 Ω (típico 20 Ω)
Chaveamento
indefinido
Carga - RL
Considerar um curto circuito
Efeito severo total – 25 kV
6,2 x 10-04 A2.s (94 mJ)
Efeito extremo total – 40 kV
1,6 x 10-03 A2.s (240 mJ)
Efeito da umidade do ambiente em Descarga Eletrostática
Um dos parâmetros mais importantes que influenciam a ocorrência de descarga
eletrostática é a umidade relativa. A mistura contida no ar em condições normais tende a
abaixar a resistência superficial de pisos, tapetes criando através de partículas molhadas um
filme ligeiramente condutivo na superfície dos mesmos. Durante o período em que o ar tornase mais seco, notadamente no inverno, com a redução da umidade relativa este fenômeno
favorável desaparece. O ar, mesmo estando seco, torna-se parte do mecanismo de geração de
eletrostática, muitas vezes através do próprio fluxo de ar (vento, ar condicionado,
ventiladores).
34
2.3
ELETROSTÁTICA EM PROPELENTES SÓLIDOS
A maioria das propriedades elétricas dos propelentes tipo compósito são influenciadas
pelo ligante (“binder”) e, de uma forma menos intensa, pela concentração e tamanho das
partículas de alumínio. As partículas do oxidante (não condutivo) contribuem somente
geometricamente para influenciar o espaçamento entre as partículas de alumínio. Dentre as
inúmeras pesquisas já realizadas [16, 17] para entender o fenômeno de descarga eletrostática
em propelentes e obter as propriedades elétricas dos propelentes, os pesquisadores franceses
do SNPE obtiveram resultados significativos, sendo que o protocolo desenvolvido por Kent e
Rat [16] foi utilizado nas pesquisas e experiências realizadas por Covino e Hudson [17]. O
foco das pesquisas foi entender o papel das características elétricas na sensibilidade dos
propelentes sólidos, a influência do ligante polibutadieno hidroxilado (PBLH) e da carga
sólida, em relação à sensibilidade do propelente iniciar ignição sustentada ou não, ou trincar
por efeito do fenômeno de descarga eletrostática. A teoria da percolação para propelentes
sólidos foi desenvolvida em conjunto com o estudo de novos testes, e aplicada a estudar a
sensibilidade do propelente tipo compósito. A teoria da percolação é o estudo da geometria de
materiais aleatórios [18]. No contexto de propelentes sólidos, é a influência da geometria dos
aglomerados metálicos em um meio isolante e como as partículas afetam o nível de voltagem
de ruptura do dielétrico do propelente.
No cálculo de percolação o “binder” influencia muito o valor de P, que é o índice de
percolação utilizado como parâmetro final para realizar a avaliação da sensibilidade. Este
efeito tem sido validado por medidas de descarga eletrostática efetuadas em propelentes com
“binders” mais condutivos, no qual a sensibilidade à descarga eletrostática destes sistemas é
drasticamente reduzida.
Características dos propelentes estudados por Covino e Hudson [17]:
z Resistividade volumétrica baixa (105- 1010 Ω . cm ; 103 – 108 Ω.m)
35
z Constante dielétrica alta (10-300 na freqüência de 1 kHz)
z Potencial de ruptura do dielétrico, moderado para alto, (1 a 6 x 106 V/m)
Dados obtidos de estudos [16, 17, 19] mostram que para propelentes a base de PBLH,
o alumínio influencia fortemente as propriedades elétricas do propelente como um todo. Uma
observação importante feita por Covino e Hudson [17] é que a constante dielétrica do
propelente é proporcional à quantidade de alumínio no sistema.
A diminuição do diâmetro médio da partícula de alumínio aumenta (a força) o
potencial de ruptura do dielétrico. Estes resultados [16, 17] permitem a conclusão que em
propelentes PBLH é possível torná-los mais seguros em relação à Descarga Eletrostática, se a
concentração de alumínio é reduzida (abaixo de 20% em volume), ou se o diâmetro médio da
partícula de alumínio é reduzido. As partículas de alumínio são envoltas por uma camada de
Alumina (Al2O3) que possui uma resistividade volumétrica da ordem de 2.1014 ohm.cm. Esta
camada isolante da partícula de alumínio faz com que a resistividade do propelente aumente
de valor. Este aumento da resistividade faz com que haja maior acúmulo de cargas elétricas no
propelente, se não houver medidas mitigadoras para descarregar de forma segura estas cargas.
Nas pesquisas atuais, a ignição de materiais energéticos com níveis de energia
relativamente baixos, da ordem de 10 mJ, tem sido associada com a indução de uma reação
exotérmica sustentada em materiais energéticos [20]. Estas energias estão de acordo com os
valores esperados que podem ser armazenados nas carcaças feitas de compósito e
subseqüentemente transferidos para o material energético [19]. Um dos experimentos
realizados permitiu obter baixa energia de ignição através da pressurização das amostras. Em
uma câmara fechada foi introduzido nitrogênio e conforme a pressão aumentava foi
observado que a energia elétrica necessária para a ignição diminuía (Tabela 2.4)
36
TABELA 2.4 – Sensibilidade x pressão de um propelente PBLH/68%PA/20%Al - [19]
Pressão, MPa.
0,1
1
5
10
Energia necessária para a
ignição.
5J
760 mJ
-
340 mJ
A tabela 2.4 foi obtida experimentalmente por meio de ensaios em amostras
representativas de propelentes ativos. Pode-se observar que a ignição do propelente sólido
pode ocorrer acidentalmente, devido às pressões mecânicas internas no grão propelente.
37
2.4
TEORIAS DE IGNIÇÃO DOS PROPELENTES SÓLIDOS
Propelentes sólidos são sistemas complexos no aspecto de combustão. A ignição de
propelentes sólidos é um processo que ocorre entre a aplicação de um estimulo energético em
um bloco de propelente e a combustão total do mesmo [21, 22]. Intrinsecamente, a ignição é
um estimulo energético que pode ser físico-químico, térmico, ou eventualmente fotoquímico.
Para entender o processo físico-químico da ignição em propelente sólido foram propostas três
principais teorias que estão sendo ainda pesquisadas:
Teoria da Ignição térmica: Esta teoria, proposta por Hicks, sugere que a reação química
exotérmica que ocorre no sólido aumenta a temperatura da superfície até o ponto de ignição.
Devido a isto, a ignição é governada pelo aumento da temperatura no sólido embaixo da
superfície exposta ao fluxo de calor [21].
Teoria da Fase-Gás: De acordo com esta teoria, as condições de aquecimento são devidas ao
resultado da reação química exotérmica na fase gás entre os constituintes do propelente a uma
pequena, mas finita, distância da superfície [21].
Teoria Heterogênea: Esta teoria estabelece que a reação primária ocorra na superfície ou
abaixo dela entre os produtos gasosos da decomposição do oxidante e da matriz sólida do
“binder” orgânico. Esta reação heterogênea controla o processo de ignição [21].
Estas teorias geraram pesquisas sobre influência da pressão, catalisadores, e outros
componentes do “binder” na energia necessária para iniciar a ignição do propelente. Esta
ignição pode ser sustentável ou não sustentável [19].
Com o desenvolvimento industrial de formulações com PBLH aluminizadas, ignições
acidentais começaram a ser observadas em propelentes curados, sem qualquer choque
significativo ou estímulo por fricção. Após estudos concluiu-se que a origem destas ignições
era uma descarga de eletricidade estática. Os testes padrões da época utilizavam pequenas
quantidades de propelentes e forneciam resultados que indicavam não ser a Descarga
38
Eletrostática a causa da ignição [23]. A principal razão do fenômeno não ter sido observado
antes, é porque houve um sistemático aumento da resistividade dos propelentes quando as
formulações de binder passaram de poliuretanos para Polibutadieno Carboxilado (PBLC) e
então para Polibutadieno hidroxilado (PBLH) [19, 24, 25]. A tabela 2.5 mostra a variação da
resistividade dos ligantes mais utilizados.
TABELA 2.5 – Resistividade Volumétrica típica a 20 oC dos principais ligantes de propelente
sólido compósito.
Tipo de “Binder”
Poliuretano Polieter
Polibutadieno Carboxilado
Polibutadieno hidroxilado
Resistividade, Ω
6 x 108
7 x 109
2 x 1012
Ao mesmo tempo as carcaças e os materiais de isolação evoluíram em direção de
materiais com alta resistividade resultando que a resistividade dos propelentes aumentava, e o
efeito protetor da gaiola de Faraday desaparecia, ocasionando o surgimento de fenômenos de
Descarga Eletrostática nos grãos propelentes sólidos. Até 1976 os únicos incidentes
relacionados à Descarga Eletrostática eram as reações dos pós das composições pirotécnicas
[23, 26].
Quando os propelentes sólidos tipo compósito foram desenvolvidos, os testes de
Descarga Eletrostática foram adaptados dos testes utilizados em pirotécnicos. E quando
aplicados nos propelentes nenhuma reação era observada. Porém, do fim de 1976 ao meio de
1978, dez incidentes ou acidentes [19] aconteceram durante a manipulação e produção de
grãos propelentes na fábrica francesa SNPE, todos envolvendo propelentes aluminizados, que
tinham sido aprovados anteriormente nos testes de descarga eletrostática utilizados até então.
Alguns dos incidentes envolviam claramente manifestações eletrostáticas sem a
ignição do propelente. Em um dos casos, o operador ao tocar o grão escutou uma explosão e
um ruído de trinca. Após inspeção visual observou-se uma trinca no lugar onde havia tido a
39
explosão e ejeção de fragmento. Todas as formulações utilizavam o PBLH como pré-polímero
do “binder”.
Em 11 de janeiro de 1985, em Heilbronn, Alemanha, um míssil Pershing II com um
motor foguete encapsulado em Kevlar e propelente PBLH aluminizado teve a queima iniciada
acidentalmente, ocasionando a morte de três pessoas [2]. As investigações posteriores
indicaram como causa da ignição do motor foguete a ocorrência de Descarga Eletrostática
através do motor devido à separação de materiais com dielétricos diferentes em um clima frio
e seco.
Em 29 de Dezembro de 1987, o motor foguete do 1.o estágio do míssil Peacekeeper
(PK-322) iniciou a queima com resultados catastróficos, levando a empresa Morton Thiokol,
a desenvolver um extensivo programa de testes [27] para avaliação dos riscos, devido a
grande quantidade de motores já entregues e espalhados nas bases militares em diversos
países.
2.4.1 OCORRÊNCIA DE FENÔMENOS ELETROSTÁTICOS
As manifestações eletrostáticas que podem ocorrer nos motores de propelente sólidos
são oriundas de cargas geradas durante as diversas operações efetuadas nos mesmos.
A carga pode ser gerada por diversos meios [5, 17]:
1- Efeito triboelétrico, que acontece quando uma superfície não condutiva entra em
contato com outra superfície e então é separada. Este efeito pode ser observado nas
interfaces entre o motor foguete a propelente sólido e apoios de empilhadeiras ou
outro tipo de suporte para o motor.
2- Polarização, quando o material adquire carga eletrostática sob a influencia de um
campo elétrico.
3- Emissões termiônicas, que é a emissão de elétrons causada pelo aumento da
temperatura das partículas.
40
4- Carregamento Fotoelétrico, onde os fótons devidos à luz transmitem energia
suficiente para ejetar elétrons da superfície.
5- Fratura Mecânica, onde o mecanismo proposto para a geração de elétrons é a
ruptura, deformação, ou quebra das ligações em sólidos mecanicamente.
6- Carregamento por congelamento, onde as diferenças de potencial que são
induzidas durante o congelamento (por exemplo, durante o congelamento da água).
Por meio desses mecanismos, uma considerável carga eletrostática pode ser criada
durante a manipulação e fabricação de um motor foguete de propelente sólido. De acordo com
pesquisas, potenciais elétricos no núcleo de um propelente podem exceder milhares de volts
durante a extração do “mandril” [19]. Os fabricantes utilizam grafite como medida preventiva
ao acumulo de cargas eletrostáticas durante o processo, assim como a fabricação de carcaças
utilizando a grafite na composição das mesmas diminui a resistividade das carcaças e com
isso se obtém o efeito protetor da gaiola de Faraday.
Antes do acidente com o míssil Pershing II, os níveis de sensibilidade à Descarga
Eletrostática de motores foguete a propelente sólido eram determinados por descargas
capacitivas. O método que foi utilizado por muitos anos nos EUA era baseado em dados
experimentais do U.S. Bureau of Mines [27, 28].
O incidente com o Pershing II mostrou que um propelente que seria insensível a 21 oC,
pode ser mais sensível em temperaturas baixas. Isto levou a necessidade de realizar novos
testes, nos grãos propelentes sólidos que já tinham sido colocados em campo em outras
temperaturas e os resultados definiram novas medidas de prevenção dos riscos. Por força de
tratado internacional entre EUA e Rússia, todos os motores Pershing II foram destruídos.
Covino et al [17] elaboraram no “Naval Weapon Center” (NWC), um protocolo
baseado no trabalho preliminar em efeitos de Descarga Eletrostática em propelentes
desenvolvido na Societé Nationale dês Poudres et Explosifs (SNPE) por Kent e Rat [16].
41
O protocolo apresentado por Covino et al [17] indica várias etapas para testar a
sensibilidade de um propelente. O protocolo sendo executado em todos os passos irá
classificar o propelente em relação a sua sensibilidade à Descarga Eletrostática. As etapas são
a obtenção dos dados referentes a características elétricas através de ensaios, cálculos do fator
de percolação e testes de descarga eletrostática nas amostras do propelente estudado.
42
2.5
IGNIÇÃO DE PROPELENTE SÓLIDO POR DESCARGA ELETROSTÁTICA
Cargas de eletricidade estática estão normalmente presentes nas interfaces das várias
fases do motor foguete a propelente sólido: no compósito, isolação térmica, “liner” e em
outras partes do motor foguete. O carregamento de superfícies dos vários constituintes do
grão propelente sólido, pode ocorrer por contato entre as mesmas (contato triboelétrico) e por
trincas ou separação da fase sólida como em fracto-eletrificação.
Descargas imprevistas de energia eletrostática podem resultar em ignição, deflagração
e, até mesmo, explosão do motor-foguete caso não sejam previstas contramedidas no processo
de produção e carregamento do grão no tubo motor-foguete. Dentre as espécies químicas que
compõem a formulação do compósito, o perclorato de amônio representa um risco potencial a
este fenômeno eletrostático tendo em vista que, em função de sua alta higroscopicidade,
necessita ter seu teor de umidade reduzido antes de ser incorporado à massa líquida que se
transformará no grão após o processo de cura do propelente sólido [29].
Ocorre que seu processo de secagem é feito em leito fluidizado em contracorrente com
ar seco que arrasta sua umidade. Daí pode resultar seu carregamento eletrostático. Tanto por
atrito como por diminuição de sua umidade intrínseca.
Pontos de aterramento devidamente posicionados na planta de produção da fábrica
podem reduzir e, até mesmo, eliminar este fenômeno.
Os mecanismos de ignição de propelentes sólidos propostos na literatura buscam
estudar o fenômeno através da abordagem de “pontos quentes” que podem evoluir para uma
reação sustentada ou para uma trinca.
Na análise de ignição causada por eventos de descarga eletrostática em propelente
sólidos, precisamos incluir o estudo de:
a - Energia elétrica disponível para iniciar a ignição em uma típica geometria em nível
de sistema.
43
b - Deposição de energia elétrica em arcos típicos como uma função do tamanho das
amostras e características tais como a resistência.
c - Energia elétrica, potência, e o tempo necessário para o arco causar ignição.
d - Mecanismos de perda resistiva em arcos.
e - Propriedades físicas do propelente sólido que são diretamente relacionadas à
ignição. Ex. Capacidade de calor.
2.5.1 MÉTODOS DE ESTUDO DA IGNIÇÃO
Para o estudo da ignição do propelente sólido há duas vertentes de pesquisa:
z métodos ou modelos teóricos,
z método ou modelo experimental.
Dentre os métodos teóricos que têm sido desenvolvidos podemos destacar métodos
computacionais [8], onde o foco do estudo é a correlação entre a taxa de queima do material e
a sensibilidade à descarga eletrostática [30].
Método chamado Modelo de Tempo Característico [8] onde o critério de ignição é
estabelecido quando a taxa de calor liberado resultante da reação química torna-se igual ou
excede a taxa de calor perdido, de um volume aquecido local chamado de ponto quente [31].
Há ainda o modelo proposto por Lee que é um modelo analítico baseado em ignição
por choque, onde os constituintes reativos presos no canal de plasma gerado pelo arco elétrico
poderiam explodir térmicamente após um tempo de indução [8].
O modelo idealizado por Lee para explicar a formação de um canal de plasma, que
gera a ignição através da energia transportada pelo canal, é uma coluna de plasma cilíndrica.
O canal do arco voltaico é formado no propelente sólido (figura 2.12), entre as partículas de
alumínio entrelaçando um percurso em torno dos cristais de perclorato de amônio [32].
O canal irá formar-se, preferencialmente, nas fronteiras intersticiais entre regiões de
diferente constituição (ver figura 2.13), por exemplo, o “binder” e os cristais de Perclorato de
44
Amônio, porque a rigidez dielétrica destas regiões é mais fraca que os constituintes
individuais. As pequenas partículas de alumínio servem para aumentar o campo elétrico
externo através da amostra, pois a distância entre elas facilita a formação do arco aumentando
a condutividade elétrica.
O efeito é mais pronunciado na matriz “binder”/alumínio, porque é onde o alumínio
está localizado. O aumento da concentração do campo elétrico nesta região, devido à presença
do alumínio, induz falha em voltagens baixas. Assim a formação do canal do arco está
fortemente associada com as partículas de alumínio.
FIGURA 2.12 – Canal formado por arco em propelente heterogêneo [8]
FIGURA 2.13 - Estrutura simplificada do canal para modelo de ignição.
45
Após a ruptura do dielétrico, é formado o canal pelo arco que é uma coluna de gás
ionizado (plasma) localizado no ponto onde inicia a ruptura [32]. Confinado pelos sólidos, o
plasma permanecerá altamente condensado permitindo um aumento de corrente, pois a
condutância do canal gerado pelo arco voltaico aumenta. A energia elétrica da descarga é
depositada no plasma e o estado físico do canal de plasma, (tamanho, temperatura, densidade,
etc), é alterado, aumentando a condutância o que permite o aumento da corrente. O plasma
oriundo da gaseificação e ionização de pequena quantidade do material do “binder”
permanece preso no volume inicial ao longo do trajeto do canal formado.
O alumínio contido no canal não vaporiza porque a energia necessária para evaporar o
alumínio é muito maior que a energia elétrica fornecida para o canal de plasma.
Logo após a formação da coluna de plasma, a continuação de deposição de energia
elétrica faz com que a coluna expanda radialmente. A ablação dos sólidos constituintes pela
deposição de energia irradiada é muito pequena.
Durante a descarga eletrostática e logo após, perdas por radiação causam um rápido
esfriamento do plasma e conseqüente aquecimento dos sólidos da vizinhança devido à
absorção.
O transporte térmico condutivo e radiativo do plasma é o aspecto importante porque a
deposição desta energia para o meio vizinho é o estímulo para a ignição [33].
Porém esta perda de energia do ponto inicial para o meio reativo pode fazer com que a
reação cesse e a temperatura pode cair a um nível onde a decomposição química não tenha
tempo suficiente para tornar-se auto sustentada.
A ignição ocorre em regiões localizadas adjacentes à coluna de plasma onde o
aquecimento é mais intenso [8].
46
2.5.2 MECANISMOS DE REAÇÕES ATIVOS
Como as partículas de perclorato de amônio não são constituintes do plasma, não há
oxigênio suficiente no canal de plasma. A coluna de plasma é considerada uma fonte de calor
finita. A ignição pode ocorrer em regiões adjacentes à coluna de plasma onde o aquecimento é
mais intenso. Os mecanismos de reação ativos são:
1- Decomposição unimolecular dos cristais adjacentes de Perclorato de Amônio.
2- Pirólise do “binder” PBLH resultando em uma reação exotérmica entre os gases
gerados na pirólise, e que envolve as pequenas partículas de perclorato de amônio
contidas no “binder”.
3- Reação dos gases de hidrocarbonetos superaquecidos complementando o plasma
com o Perclorato de Amônio.
Nas experiências efetuadas por Lee, foram realizadas inspeções nos corpos de prova e
observou-se que o canal do arco é formado no material do “binder” entre as partículas de
alumínio, e Lee assumiu que o plasma é formado por vários constituintes do “binder” [8].
Como a maior parte do “binder” é PBLH pode-se assumir que o plasma é composto de
oligômeros vaporizados de PBLH. Isto conduz à conclusão que a região do canal pode ser
modelada como um gás quente com propriedades térmicas similares ao PBLH pirolisado.
O interesse nos mecanismos de ignição por pontos quentes levou a experiências que
resultaram em dados e conclusões, nas quais foi observado que a energia requerida para
iniciar a ignição de um propelente ou explosivo, pode ser significativamente menor que a
necessária para obter o mesmo efeito em um espécime para testes (bloco) do material [8, 34].
Os resultados são independentes da forma original da energia não térmica e têm sido usados,
para interpretar dados de estímulos por choque, impacto, fricção e descarga eletrostática.
Os mecanismos de ignição por descarga eletrostática, propostos na literatura
convergem para a decomposição química do “binder” através da ruptura do dielétrico do
47
propelente tipo compósito em formulações contendo partículas de alumínio. De acordo com
Mellor et al [35], se o oxidante perclorato de amônio, está perto o suficiente da fonte dos
produtos em decomposição, reações químicas podem então ocorrer entre o oxidante e o
“binder”. Lee [8] e Larson et al [1] sugerem que micro arcos entre as partículas de alumínio
são os precursores da reação química local e não o caminho de ruptura contínuo. O grau de
confinamento também influencia no processo de ignição, isto é, quando aumenta o
confinamento, a probabilidade de ignição aumenta [36].
FIGURA 2.14 – Caminhos de absorção da energia da descarga eletrostática
A figura 2.14 apresenta um diagrama dos caminhos de condução para a absorção da
energia no propelente sólido onde a energia liberada pela descarga eletrostática pode seguir
dois possíveis caminhos dependendo das características do propelente sólido. Pode ocorrer
micro arcos entre as partículas de alumínio gerando um inicio de ignição local (ruptura local),
ou ruptura do dielétrico gerando um caminho contínuo que pode evoluir para um início de
ignição ou uma trinca no grão propelente sólido. Nas duas situações de início de ignição, o
nível de confinamento irá determinar se haverá ignição sustentada.
48
3.
PARTE EXPERIMENTAL
3.1
EQUIPAMENTOS
Para obter os dados referentes a características elétricas e físicas das amostras de
propelentes foram utilizados os equipamentos identificados na tabela 3.1. A tabela 3.2
apresenta a identificação dos dispositivos construídos para a manipulação, preparo e
conformação das amostras a serem testadas.
TABELA 3.1 – Equipamentos utilizados nos ensaios.
ITEM EQUIPAMENTO
MODELO
AFERIÇÃO
01
High Resistance Meter
HP-4329 A
OK
02
LCR Meter
HP-3444 A
OK
03
Electrostatic Discharge Simulator
FTS-930 D
OK
04
Microscópio Óptico LEICA
MZ95
Não Aplicável
05
Microscópio Óptico METALOGRAFICO LEICA DM5000M
Não Aplicável
06
Microscópio de Varredura Eletrônica - MEV
OK
LEO-15SS-
TABELA 3.2 – Dispositivos de Testes
ITEM DESCRIÇÃO
MODELO
01
Dispositivo para ensaio de capacitância
Não Aplicável
02
Dispositivo para ensaio de Descarga Eletrostática
Não Aplicável
03
Dispositivo para ensaio de Microscopia - MEV
Não Aplicável
Os equipamentos foram utilizados em etapas de acordo com as características a serem
medidas.
z Etapa 1 – Microscopia de Varredura eletrônica
z Etapa 2 – Microscopia Óptica
z Etapa 3 – Características Elétricas
z Etapa 4 - Descarga Eletrostática
49
3.1.1
MICROSCOPIA DE VARREDURA ELETRÔNICA
Os ensaios foram realizados utilizando um Microscópio Eletrônico de Varredura. As
amostras foram posicionadas dentro da unidade de varredura e identificadas posicionalmente.
O equipamento é composto pelo microscópio de varredura eletrônica (Figura 3.1) e um
sistema de aquisição de imagens (Figura 3.2).
FIGURA 3.1 – Diagrama do Microscópio Eletrônico de Varredura – MEV
FIGURA 3.2 –Equipamento Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV
50
3.1.2
MICROSCOPIA ÓPTICA
Os ensaios realizados nas amostras de propelentes ativos utilizaram uma microscopia
com luz polarizada para um melhor imageamento das amostras. As amostras em forma de
fatias foram visualizadas em diferentes graus de ampliação, definidos conforme a necessidade
de identificar a distribuição das partículas. O equipamento é composto por dois microscópios
ópticos com diferentes graus de ampliação em conjunto com um sistema de aquisição de
dados e controle em um microcomputador (Figura 3.3 e Figura 3.4).
FIGURA 3.3 – Diagrama do Microscópio Óptico e Aquisição de Dados
FIGURA 3.4 – Equipamento de Microscopia Óptica
51
3.1.3 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
Para a realização das medidas de caracterização elétrica foi utilizado um dispositivo
para permitir o contato elétrico entre os equipamentos de teste e a amostra (Figura 3.5). Os
equipamentos utilizados na realização das medidas (Figura 3.6 e Figura 3.7) estavam aferidos
e operacionais:
FIGURA 3.5 – Diagrama do dispositivo de ensaio elétrico
FIGURA 3.6 - Medidor LCR
FIGURA 3.7 - Medidor de Alta Resistência
52
3.1.4
DESCARGA ELETROSTÁTICA
O ensaio de Descarga Eletrostática foi feito nos grupos de amostras dos propelentes
sólidos, observando-se as limitações de nível de energia disponibilizado pelo equipamento.
Foi desenvolvido um dispositivo (Figura 3.8) para abrigar a amostra e efetuar o contato
elétrico entre o Simulador de Descarga Eletrostática e a amostra. O dispositivo foi construído
para permitir a visualização de eventual ignição ou trinca durante a injeção de energia.
FIGURA 3.8 – Dispositivo para Testes de Descarga Eletrostática
O diagrama do equipamento de Simulação de Descarga Eletrostática permite entender
a operação do mesmo (Figura 3.9). O sistema permite controlar a energia e a seqüência de
disparos das descargas através do módulo de Controle e Descarga.
FIGURA 3.9 - Esquema básico do Gerador de Descarga Eletrostática
A bancada de testes (Figura 3.10) foi posicionada em um local para garantir a
segurança dos operadores. (Figura 3.11 e Figura 3.12).
53
FIGURA 3.10 – Bancada de Testes de Ensaio de Descarga Eletrostática
FIGURA 3.11 – Dispositivo de Testes para amostras 100 mm
FIGURA 3.12 – Área de testes de Ensaio de Descarga Eletrostática
54
3.2
MATERIAIS UTILIZADOS
As amostras de propelentes sólidos compósitos, utilizadas na parte experimental são
oriundas de varias formulações fabricadas. Propelentes compósitos são misturas heterogêneas
de grãos de oxidantes, alumínio em partículas esféricas que atua como combustível, e um
ligante conhecido como binder, que também é combustível.
3.2.1 OXIDANTE
O oxidante usado na fabricação das amostras é o Perclorato de Amônio NH4ClO4, uma
substancia cristalina com boa estabilidade química e alto teor de oxigênio. As características
do Perclorato de Amônio são apresentadas na tabela 3.3.
TABELA 3.3: Propriedades do Perclorato de Amônio (NH4ClO4) [17]
Propriedades
Valor
3
Densidade (ρ)
1,95 g/cm
Calor especifico (Cp)
0,31 cal/g.K
Difusividade Térmica (dp)
2,5x10-3 a 4,55x10-6T(oC)cm2/seg
Ponto de fusão (MP)
835K
Massa molar (M)
116,5 g/mol com 55% de Oxigênio em massa
3.2.2 METAL
O metal combustível utilizado é um pó de alumínio cujas partículas têm um diâmetro
médio definido pela formulação a ser utilizada. A partícula deve ter preferencialmente o
formato esférico. A combustão do alumínio é um processo muito complexo. O alumínio é um
combustível muito exotérmico produzindo Al2O3 que é liquido na temperatura da chama
(~3500K) [37]. As propriedades do alumínio estão descritas na tabela 3.4.
TABELA 3.4: Propriedades do Alumínio [38]
Propriedades
Valor
Densidade (ρ)
2,7 g/cm3
Calor especifico (Cp)
0,2241 cal/g.K
Ponto de Fusão (MP)
660 0C
55
3.2.3 BINDER
O binder é um polibutadieno com terminação hidroxila também chamado
polibutadieno hidroxilado. O PBLH (em inglês HTPB) é uma resina sintética rica em carbono
e hidrogênio.
A melhor performance é obtida com um percentual de Perclorato de Amônio (PA)
variando de um mínimo de 60% a um máximo de 89 % da massa total do propelente, porém
as propriedades mecânicas requerem um mínimo de binder. A concentração normal de
Perclorato de Amônio é cerca de 70% de massa, a do alumínio é em torno de 16% e o binder
em torno de 14% [39].
3.2.4 CORPOS DE PROVA
Os corpos de prova consistem de cinco grupos de amostras de quatro formulações
distintas, conforme Tabela 3.5 a seguir:
TABELA 3.5: Amostras de Propelentes
Grupo
Quantidade
Formulação
Observações
(% PA)
Prop A001
06
AP/HTPB/Al - Bimodal
Carga ~70%
Prop B001
06
AP/HTPB/Al - Bimodal
Carga~75%
Prop C001
06
AP/HTPB/Al - Bimodal
Carga~69%
Prop D001
06
AP/HTPB/Al - Bimodal
Carga~69%
Prop E001
06
AP/HTPB/Al - Trimodal
Carga~69%
A distribuição granulométrica do perclorato de amônio pode conter dois ou três
diâmetros de partícula na formulação. Quando há dois diâmetros distintos de perclorato de
amônio, a distribuição é chamada de bimodal e quando há três diâmetros distintos de PA é
chamada de trimodal.
56
As amostras foram preparadas com a aplicação em uma das superfícies de uma resina
com prata coloidal para uniformizar o contato elétrico entre a amostra e o eletrodo negativo
conforme as figuras 3.13 a 3.16.
FIGURA 3.13 – Amostra de propelente
As amostras foram identificadas em cinco grupos de seis unidades cada grupo e os
testes foram realizados em todos os grupos nas mesmas condições ambientais.
FIGURA 3.14 – Preparação de amostras
FIGURA 3.15 – Amostra Propelente A001
57
FIGURA 3.16 - Amostra Propelente C001
58
3.3
ENSAIOS
Os ensaios foram realizados utilizando as amostras de propelentes ativos, seguindo a
linha de pesquisa utilizada por Covino e Hudson [17], os quais utilizando trabalhos prévios de
Kent e Rat [16] obtiveram resultados que permitiram identificar a sensibilidade às descargas
eletrostáticas dos propelentes estudados. No presente trabalho, foram estudadas cinco
amostras de diferentes lotes dentro das condições indicadas a seguir.
Os ensaios realizados nos corpos de prova foram divididos em três fases:
1- Ensaios de microscopia óptica e de varredura eletrônica
2- Ensaios de caracterização elétrica
3- Ensaios de Descarga Eletrostática.
3.3.1 ENSAIOS DE MICROSCOPIA ÓPTICA E DE VARREDURA ELETRÔNICA
Na aquisição de imagens ópticas, cada amostra foi identificada e fotografada em
ampliações entre 20x a 120x. Em casos particulares para visualizar algum detalhe utilizou-se
também ampliação de 60x. Nas imagens feitas através de varredura eletrônica, definiu-se duas
escalas prioritárias a saber, 20 μm e 100 μm.
3.3.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
Para as medidas de caracterização elétrica, as amostras foram inseridas em um
dispositivo (Figura 3.5) e um valor de 100 Volts DC por 4 minutos, foi aplicado em cada
amostra para o teste de medida de resistividade volumétrica. Para o ensaio de medidas
capacitivas foram utilizados um valor máximo de 2 Volts e freqüência de 1 kHz, 100 kHz e
1MHz.
3.3.3 ENSAIOS DE DESCARGA ELETROSTÁTICA
O ensaio de descarga eletrostática foi realizado baseado no procedimento gerado de
acordo com as normas aplicáveis. O teste define uma faixa de voltagem de 0 a 26 kV,
correntes acima de 2,0 mA e uma capacitância máxima de 500 pF para obter a energia de até
59
1,69 J. Não foi utilizado o resistor limitador de 5 kΩ para que o tempo de descarga fosse
dependente somente da resistividade da amostra. Análises dos ensaios foram feitas através dos
resultados obtidos, em conjunto com os resultados elétricos e de percolação.
O ensaio foi realizado com dois níveis de energia: a 12kV e 26kV. A energia
acumulada em um capacitor depende de dois valores: a capacidade do mesmo e o quadrado da
tensão de carga onde: [E]=Joule; [C]=Farad; [V]=(Volt), ou seja:
E = 0.5 C V 2
(3.1)
O capacitor utilizado nos ensaios é de valor de 500 pF, gerando energias de 0,36 J e
1,69 J para cada nível de voltagem aplicado (12kV e 26kV).
Este teste utiliza uma descarga Resistivo-capacitiva (RC) através de amostras de
propelente de formato tubular e de diferentes dimensões (10 mm de diâmetro x 6 mm de
comprimento e de 40 mm de diâmetro x 70 mm de comprimento).
Os resultados são a ocorrência ou não, de ignição ou trinca na amostra de propelente,
em função da temperatura e umidade [40].
As características básicas do teste de descarga RC são:
1- Uma energia conhecida é aplicada através de um eletrodo tipo ponteira, de latão, e permite
a dissipação através do propelente para um eletrodo base de alumínio (Figura 3.8).
2- Uma série típica de testes contém 30 descargas consecutivas em cada espécime com 0,36J
e 1,6 J (12kV/ 500pF e 26kV/ 500 pF).
Se alguma das descargas resultar em trinca, detonação, fumaça ou fogo, então a
formulação é considerada sensível a ESD. O contato do eletrodo com o propelente é garantido
por um ligeiro esforço do eletrodo para aproximadamente 1 mm dentro do propelente e
utilizando pintura condutiva prateada entre o eletrodo da base (placa) e o propelente.
60
4.
SUSCEPTIBILIDADE DO PROPELENTE SÓLIDO
Propelentes sólidos do tipo compósito têm uma micro-estrutura muito complexa
consistindo de um empacotamento denso de partículas envoltas em uma matriz polimérica
chamada “binder”. As partículas são tipicamente combustíveis, oxidantes, agentes de controle
de combustão, e outras. Estas partículas têm uma larga variedade de tamanhos, forma, e
propriedades
elétricas.
Cargas
eletrostáticas
surgem
normalmente
nas
interfaces
“binder”/sólidos, na superfície do grão propelente, bem como em outras interfaces entre
outros componentes do propelente, isto é, na interface entre partículas condutivas como as
partículas de alumínio e um “binder” não condutivo ou menos condutivo.
Certas composições de propelente sólido têm uma condutividade maior que outras
composições. Um propelente com um polímero polar, pode conter espécies iônicas
dissociadas disponíveis para transportar cargas e poderia ter relativamente uma condutividade
alta. Tais espécies iônicas podem estar presentes em um sistema como perclorato de amônio
dissolvido em um “binder” polar. Cargas eletrostáticas serão rapidamente dissipadas e
descargas catastróficas não serão normais em propelentes utilizando este tipo de “binder”.
Exemplificando, em um propelente tipo Polibutadieno Acrilo-Nitrila (PBAN) os
constituintes sólidos são envolvidos em um binder “PBAN” [41]. O polímero do binder
contem grupos funcionais nitrílicos polares ao longo da cadeia. Neste sistema é adicionado
um cloreto benzil-alquil-Amônia quaternário durante a fabricação. O polímero e o sal juntos
produzem uma condutividade elétrica relativamente alta.
Outra composição comumente utilizada como sistema binder em foguetes de
propelente sólido é o Polibutadieno Hidroxilado (PBLH). Em contraste com o sistema
“PBAN”, os ligantes PBLH são não polares e têm um valor intrínseco de isolação muito alto.
Assim, propelentes com “binder” PBLH são mais susceptíveis, sob certas circunstâncias, a
um carregamento eletrostático alto com potencial para descargas eletrostáticas catastróficas.
61
Estes fatos refletem a necessidade de pesquisas para obter composições que tenham
suficiente condutividade para reduzir a susceptibilidade à descarga eletrostática, fácil de
processar e mantendo o desempenho energético, propriedades balísticas, mecânicas e
reológicas.
Para obter uma classificação da susceptibilidade do propelente à ignição ou geração de
trincas devido à energia liberada durante uma descarga eletrostática, é necessário dados que
podem ser obtidos usando os critérios expostos neste trabalho.
De acordo com a matriz polimérica utilizada, podemos obter os dados elétricos da
mesma através de literatura e efetuando medições em amostras tanto do binder como do
próprio propelente.
No sistema compósito, o “binder” é o elemento que sofre inicialmente a decomposição
devido à energia liberada durante a descarga eletrostática [42].
4.1
CLASSIFICAÇÃO DA SENSIBILIDADE DO PROPELENTE
Para classificar a sensibilidade da formulação a fenômenos de Descarga Eletrostática
pode-se utilizar o método experimental que inclui a teoria de percolação e medidas de
grandezas elétricas do propelente.
Para obter os dados necessários para a avaliação da formulação pode-se utilizar o
protocolo proposto nos trabalhos prévios [8, 10] composto de cinco etapas de ensaios para
classificar o propelente em relação a sua sensibilidade a Descarga Eletrostática. As etapas
são:
z
Cálculos de Percolação
z
Medidas de Resistividade
z
Medidas da Constante Dielétrica
z
Voltagem de Ruptura do dielétrico
z
Teste de descarga RC
62
A realização destas etapas permite classificar o propelente em relação à sensibilidade a
efeitos de descarga eletrostática. A teoria da percolação é aplicada como uma ferramenta,
onde o coeficiente de percolação obtido expõe as variações em cada formulação de
propelente, permitindo uma avaliação prévia da nova formulação e guiando a decisões
necessárias para reduzir ou até eliminar a sensibilidade à descarga eletrostática.
FIGURA 4.1 – Protocolo de Ensaio de Sensibilidade
4.2
TEORIA DE PERCOLAÇÃO
A teoria de percolação é o estudo da geometria de materiais aleatórios. No contexto de
propelentes sólidos, é a geometria dos grãos metálicos em um ambiente isolante; ou como as
partículas afetam a ruptura. Para estudar a condutividade elétrica, a camada de alumina
altamente isolante precisa ser considerada na teoria de percolação. O termo percolação foi
aplicado para esta área da física por causa das suas aplicações para tópicos como o fluxo de
água através de material similar ao pó de café.
Para entender porque certos propelentes são sensíveis a Descarga Eletrostática e outros
não, Kent e Rat [16] usaram a teoria de percolação. A análise dos ingredientes ativos do
propelente mostra que o diâmetro da partícula de alumínio e as propriedades elétricas do
“binder” (binder = pré-polímero + aditivos) são os principais fatores na determinação das
63
propriedades elétricas do propelente. Com a concentração constante de alumínio, quando o
diâmetro da partícula diminui (o numero de partículas aumenta) a sensibilidade do propelente
para descargas capacitivas aumenta.
Percolação como teoricamente definida é independente da voltagem aplicada e para
um dado sistema de partículas, com condutividade Nc e isolação Ni, é possível determinar a
razão critica entre partículas condutoras e não condutoras (Nc/Ni).
No caso de um propelente tipo compósito, não é possível obter o dado com exatidão,
pois uma fina camada de óxido cobre as partículas de alumínio e sendo o óxido isolante, a
superfície da partícula é isolada e o núcleo condutivo. Apesar disso todo alumínio é
considerado condutivo para o cálculo de percolação.
O modelo para cálculo do coeficiente de percolação [16, 17], aplicado em propelentes
identificados como sensíveis a descargas capacitivas e onde há ocorrência de trincas antes da
ignição, sugere que o mecanismo de reação pode ser dividido em duas fases:
1- Surgimento de um fenômeno de trincamento relacionado ao potencial crítico,
2- Surgimento de um fenômeno de ignição relacionado a uma específica energia
crítica.
Todas as observações tendem a confirmar que a reação inicia dentro do propelente. A
existência de potenciais críticos mostra que a trinca é causada por um ou vários fenômenos
elétricos. Dentre estes fenômenos elétricos que foram identificados, descargas entre as
partículas de alumínio podem ser consideradas como a mais provável em iniciar uma trinca ou
a ignição.
As observações permitem concluir que:
1- Composições somente com aluminio são insensíveis à descarga eletrostática.
2- A resistividade volumétrica do pó de alumínio puro apresenta que para um dado
valor de potencial elétrico crítico, o valor da resistividade muda de 107 para 103 Ω.m.
64
Este potencial elétrico consegue romper a camada de oxido, que possui uma
resistividade mais alta, nas partículas. Isto corresponde a um pequeno furo, para certo
número de partículas, na camada de oxido que recobre o alumínio puro.
Uma análise dos ingredientes ativos do propelente revela essencialmente a influência de:
1- Percentual em massa, diâmetro e a geometria das partículas de alumínio;
2- Percentual em massa, distribuição modal e diâmetro da partícula do perclorato de
amônio;
3- Resistividade do binder.
Quando o percentual de alumínio é constante, a diminuição no diâmetro das partículas
de alumínio leva a um aumento no numero total de partículas e torna a composição mais
sensível às descargas capacitivas [43].
A equação 4.1 é uma simplificação do cálculo do fator de percolação P, permitindo
uma análise preliminar da importância dos principais agentes da formulação do propelente
sólido.
P=
Nc
N i CbVb
(4.1)
onde:
Nc = numero de partículas condutivas (alumínio)
Ni = numero de partículas isolantes (perclorato de amônio)
Cb = condutividade do binder
Vb = unidade de volume do binder
O risco de ser mais sensível é maior quando o valor de P é mais alto. Para compostos
não aluminizados P = 0 pois Nc. é igual a zero. Com perclorato de amônio (partículas
isolantes, Ni) a influência do tamanho da partícula é inversa ao do alumínio. As medidas de
resistividade volumétrica dos “binders” têm demonstrado que o “binder” de poliuretano com
65
um pré-polímero de base poliéter é menos resistivo. Os “binders” de polibutadieno, ao
contrário, são mais resistivos.
O fator de percolação P tem a dimensão de resistividade e é expresso em Ω.m.
Composições com valores maiores que 1010 Ω.m são sempre sensíveis à descarga
eletrostática. A validação do modelo foi realizada na França com 50 formulações diferentes
[16].
Por ser um cálculo com fatores obtidos de forma empírica, não é possível obter
exatidão absoluta na definição do nível de sensibilidade à descarga eletrostática do propelente
estudado. Porém, de acordo com os dados obtidos por Davenas e Rat [19], acima de um valor
de P igual a 1010 Ω.m, as formulações são sempre sensíveis e abaixo de 109 Ω.m são sempre
insensíveis.
66
Cálculo do Fator de Percolação. [17]
Covino e Hudson utilizaram uma equação melhorada para o cálculo do fator de
percolação. A equação 4.2 é a utilizada para o calculo do Fator de Percolação das amostras
aqui testadas [17].
⎛ρ
P=⎜ n
⎝ ρc
3
⎞ ⎛ pC ⎞ ⎛ d nf ⎞ ⎡ ρb ⎛ pC pn ⎞ ⎤
+
⎟⎟ ⎢ ⎜
⎟⎜
⎟ + 1⎥ ρ vb
⎟ ⎜⎜
⎠ ⎝ pnf ⎠ ⎝ d cf ⎠ ⎣ pb ⎝ ρ c ρ n ⎠ ⎦
(4.2)
onde:
dcf =
dnf =
diâmetro da fração mais fina de partículas condutivas
diâmetro da fração mais fina das partículas não condutivas
percentual em massa do binder
percentual em massa das partículas condutivas
percentual em massa de todas as partículas não condutivas
percentual em massa das frações mais finas das partículas não condutivas
densidade do binder
densidade das partículas condutivas
densidade das partículas não condutivas
resistividade volumétrica do binder (Ω . m)
pb =
pC =
pn =
pnf =
ρb =
ρc =
ρn =
ρvb =
As tabelas 4.1 e 4.3 apresentam os dados dos propelentes testados por Covino et al
[17] e que serão utilizados para comparação dos resultados.
TABELA 4.1 : Formulações de Propelente testadas por Covino et al [17].
Propelente
Material
Percentual em massa do total
de sólidos não condutivos
% em massa
(AP)
A
Alumínio
18 a 20
65 a 70
10 a 15
B
Alumínio
18 a 20
65 a 70
10 a 15
C
ZrC
1a4
---------
10 a 15
18 a 20
65 a 70
10 a 15
Material Condutivo
Pershing II Alumínio
Percentual em
massa do Binder
PBLH
67
4.3
MEDIDAS DE GRANDEZAS ELÉTRICAS DO PROPELENTE
Para determinar as propriedades elétricas do propelente é necessária a obtenção de
varias características elétricas do mesmo. Estas características e seus valores são obtidos
através de vários testes aplicados em amostras representativas do propelente [44].
4.3.1 MEDIDAS DE RESISTIVIDADE
A capacidade do material para conduzir, armazenar, e dissipar cargas pode ser
avaliada para condições específicas de processamento ou uso. Estes valores podem ser usados
para modelar o processo ou condição bem como determinar os níveis de risco nos quais
cargas eletrostáticas e/ou voltagens podem ser produzidas ou armazenadas no material [45].
Dados de experimentos realizados indicam que o comportamento da resistividade
volumétrica do propelente em função da temperatura pode ser importante na característica de
sensibilidade do propelente à descarga eletrostática [16].
Os experimentos mediram a resistividade volumétrica na faixa de temperatura de -40o
C a +80o C em amostras em função da temperatura, tempo de aplicação da voltagem, nível da
voltagem, umidade relativa e espessura da amostra.
4.3.2 MEDIDAS DA CONSTANTE DIELÉTRICA.
A constante dielétrica do propelente e dos ingredientes do propelente é uma função da
freqüência, temperatura, e umidade relativa e é uma importante propriedade do material que
caracteriza a capacidade de armazenamento de energia e o potencial de descarga de energia do
propelente. Covino e Hudson [17] realizaram medidas utilizando um capacitor de placa
paralela. Concluíram que a constante dielétrica do binder e também do propelente C são
independentes da temperatura. A tabela 4.2 apresenta os valores obtidos nas medições
efetuadas por eles.
68
TABELA 4.2 - Constante dielétrica das formulações utilizadas por Covino et al [17].
Propelente
Constante dielétrica (permissividade)
A
8,0 a 8,7
B
7,0 a 8,0
C
5,5
PBLH (Binder)
2,8 a 3
Em geral, quanto mais alumínio presente na formulação do propelente, mais alta será a
constante dielétrica do mesmo e também é esperado um aumento da sensibilidade à descarga
eletrostática. Não considerando os efeitos do potencial de ruptura, quanto mais alto a
constante dielétrica, mais energia poderá ser armazenada no material. Neste caso, a
quantidade de energia que a amostra de propelente pode armazenar é diretamente
proporcional à concentração de alumínio e inversamente proporcional a concentração do
Perclorato de amônio.
4.3.3 VOLTAGEM DE RUPTURA DO DIELÉTRICO
A voltagem de ruptura do dielétrico de um material é a voltagem que pode ser
sustentada através da amostra quando ocorre a transição, onde a amostra de um material
dielétrico (não condutivo) torna-se um condutor. A voltagem de ruptura é importante para
entender o comportamento do material durante uma descarga eletrostática. A rigidez dielétrica
de um material é a voltagem de ruptura do dielétrico dividida pela espessura e é medida de
acordo com a norma ASTM D149 [46].
Medidas de ruptura de dielétrico são tipicamente utilizadas para estabelecer qual será a
voltagem necessária na qual o material deixará de ser isolante. Muitos propelentes são
também condutivos porem considerados dielétricos. Nestes casos, os testes quantificam a
condição necessária para ocorrer a transição de um estado mais resistivo para um estado
menos resistivo. A ruptura ou a decomposição do material é a evidência positiva da voltagem
de ruptura do mesmo. Analisando o trabalho de Covino e Hudson [17], pode-se pressupor que
69
o alumínio permanece como o maior responsável pela rigidez dielétrica do material, onde os
cristais de perclorato de amônio têm efeito mais geométrico que elétrico, pois afetam a
distribuição e espaçamento das partículas de alumínio. Esta informação é consubstanciada por
trabalhos [16, 17] indicando que a sensibilidade de propelentes energéticos é uma função da
concentração da distribuição modal do perclorato de amônio e que propelentes contendo
cristais maiores de Perclorato de amônio são mais sensíveis às descargas eletrostáticas.
Há também uma relação linear através da geometria do alumínio e do oxidante, entre o
campo de ruptura e a média de espaçamento na superfície entre as partículas de metal, e o
"gap" para o dielétrico mínimo [18]. A média de distância entre as partículas na superfície é
calculada utilizando um modelo onde a micro geometria da amostra é bem caracterizada por
uma função de correlação g(r) que descreve a probabilidade relativa de encontrar o centro de
duas partículas em uma distancia especificada dentro do compósito. O resultado desta função
é utilizado em uma equação que permite prever teoricamente os valores do campo (voltagem)
de ruptura Eb:
A função de distribuição da distância entre as partículas é dada por:
(
r
p (r ) = 4π ng (r )r 2 exp −4π n ∫ g (r )r 2 dr 2
0
)
(4.3)
Onde
p(r) dr = probabilidade que a partícula vizinha mais próxima está entre r e r+dr
n = numero de densidade das partículas dado por 4π ng (r )r 2 dr
⎛ d ⎞
Eb = Ebbinder ⎜
⎟
⎝ D+d ⎠
(4.4)
onde
d= espaçamento normalizado da partícula e D= diâmetro da partícula
Ensaios realizados [10] apresentam uma voltagem de ruptura do dielétrico do binder
PBLH puro da ordem de 23 MV/m.
70
4.3.4 TESTE DE DESCARGA RESISTIVO–CAPACITIVA (RC)
O teste de descarga eletrostático RC é utilizado para simular o efeito de uma descarga
eletrostática no corpo de prova. A metodologia usual definida pela norma MIL-1576 aplica o
modelo do corpo humano (PESD). Para o ensaio de propelentes sólidos ocorre uma variação
do teste tornando-o mais severo. Esta metodologia não está ainda definida como norma
devido ao caráter de sigilo que existe em torno do assunto. Uma proposição já testada e
relatada é:
1- Energia aplicada: Uma energia conhecida é aplicada através de um eletrodo pontual e que
permita dissipar através do propelente até um outro eletrodo de placa.
2- Número de descargas e espécimes: Uma série típica de testes consiste de 30 descargas
consecutivas em cada espécime com energia de até 15,6 J (Voltagem de 30 KV e Capacitância
de 34,7 nF) utilizando três espécimes idênticos.
3-Critério de avaliação: Se alguma das 90 descargas resultarem em trinca, deflagração,
fumaça ou fogo no espécime, então a formulação é considerada sensível à descarga
eletrostática.
4.4
DADOS DE FORMULAÇÕES ENSAIADAS EM TRABALHOS ANTERIORES
[17].
Os estudos realizados e os dados disponibilizados em trabalhos anteriores permitem
avaliar os resultados obtidos nas formulações testadas neste trabalho. Os dados foram
compilados da literatura disponível no assunto.
Os dados de alguns componentes das formulações dos propelentes indicadas na tabela
4.3 foram utilizados para o cálculo do fator de percolação. Os valores obtidos estão
apresentados na tabela 4.4 e permitiram classificar em termos de sensibilidade a descarga
eletrostática todos os propelentes testados por Covino et al.
71
TABELA 4.3 – Dados de Formulações dos Propelentes [17]
Formulação do Propelente
Alumínio 12μm
Binder HTPB
Resistividade
Volumétrica do binder
Densidade: 2,702 g/cc 10 a 15 % em peso 3 x 1010 Ω.m
18 a 20% em peso
Perclorato de
Amônio
65 a 70% em peso
TABELA 4.4: Valores de Fator de Percolação (P) dos propelentes estudados por Covino et al,
[17]
Amostras de Propelente Energético P (Ω.m)
Propelente A
Propelente B
129 x 10
Observações
10
20,6 x 10
8
Sensível à Descarga Eletrostática
10
Sensível à Descarga Eletrostática
8
Propelente C
5 x 10 a 8 x 10
Contém quantidades variáveis de
ZrC
Primeiro estágio do Pershing II
64 x 1010
Sensível à Descarga Eletrostática
4.5
CRITÉRIO EXPERIMENTAL PARA CLASSIFICAÇÃO [16, 17]:
z
Composições com valores de P maior que 1010 Ω.m são sempre sensíveis a
Descarga Eletrostática.
z
Formulações com P menor que 109 Ω.m são sempre insensíveis a Descarga
Eletrostática.
72
5.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1
RESULTADOS
Os resultados obtidos foram agrupados em cinco grupos de acordo com o ensaio
realizado.
1- Resultados de Microscopia Óptica
2- Resultados de Microscopia de Varredura Eletrônica
3- Resultados de Caracterização Elétrica
4- Resultados de Descarga Eletrostática
5- Resultados do Fator de Percolação
As amostras são procedentes de quatro formulações diferentes e a composição de cada
amostra esta descrita na tabela 5.1.
TABELA 5.1 – Formulações dos Propelentes Ensaiados.
Amostra
% em massa
PA - 400μm PA - 200μm PA – 45μm Total de PA
Al
Binder PBLH
Propelente A001
~49
~21
-
~70
~15*
~15
Propelente B001
~47
~23
-
~70
~15*
~15
Propelente C001
~48
~21
-
~69
~18+
~12
Propelente D001
~48
~21
-
~69
~18+
~12
Propelente E001
~26
* diâmetro médio 15μm
• + diâmetro médio 18μm
~25
18
~69
~16*
~15
73
5.1.1 RESULTADOS DE MICROSCOPIA ÓPTICA.
Os ensaios de microscopia óptica foram realizados com três amostras de cada grupo.
FIGURA 5.1 – Imagem óptica - Propelente A001
A figura 5.1 mostra a imagem óptica do propelente A001 com grade para identificar o
diâmetro da amostra.
FIGURA 5.2 – Imagem óptica 72x - Propelente A001
A Figura 5.2 do propelente A001 permite visualizar a distribuição na massa das
partículas sólidas de diâmetros acima de 100 micrômetros.
FIGURA 5.3 – Imagem óptica 50x - Propelente A001
74
Na Figura 5.3 do propelente A001 vemos a distribuição granulométrica onde o
particulado com diâmetro abaixo de 80 micrômetros está presente na massa do propelente.
FIGURA 5.4 – Imagem óptica - Propelente B001
Pode-se observar na imagem da amostra do propelente B001 (figura 5.4) o
desprendimento de um cristal de Perclorato de Amônio no canto superior esquerdo.
FIGURA 5.5-Imagem óptica 80x - Propelente B001
FIGURA 5.6 – Imagem óptica 120x - Propelente B001
75
A distribuição granulométrica apresentada nas Figuras 5.5 e 5.6 permitem identificar o
fator de forma das partículas sólidas.
FIGURA 5.7 - Imagem óptica 60x - Propelente C001
FIGURA 5.8 - Imagem óptica 100x – Propelente C001
O propelente C001, mostrado nas Figuras 5.7 e 5.8, apresenta a distribuição modal do
Perclorato de Amônio. Podemos também observar a ocorrência de particulado não esférico na
massa e a visualização do fator de forma das partículas de Perclorato de Amônio do
propelente.
76
FIGURA 5.9 - Imagem óptica - Propelente D001
FIGURA 5.10 - Imagem óptica – Propelente D001
O propelente D001 (Figura 5.9) tem a mesma formulação do propelente C001 (Figura
5.10), porém proveniente de lote diferente. Pode-se observar na Figura 5.9 um grau maior de
esfericidade das partículas de Perclorato de Amônio. A imagem avermelhada apresentada na
figura 5.10 permite observar que o catalisador de queima utilizado foi óxido de ferro e a
densidade de particulados com diâmetro abaixo de 200 μm é maior.
77
FIGURA 5.11 – Imagem óptica 80x - Propelente D001
Na Figura 5.11 detalhe da distribuição dos sólidos no propelente D001. Observa-se
que o fator de forma predominante é de formato ovóide.
FIGURA 5.12 – Imagem óptica - Propelente E001
O propelente E001 (Figura 5.12) é um propelente que usa o Polibutadieno Hidroxilado
como ligante e Alumínio como combustível e a distribuição granulométrica do oxidante
Perclorato de Amônio é tri-modal. A Figura 5.12 permite observar que o fator de forma
esférico dos componentes sólidos não é o ideal.
78
5.1.2 ENSAIOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA.
Os ensaios utilizaram duas amostras de cada grupo, condicionadas em dispositivo
próprio do microscópio de varredura eletrônica.
FIGURA 5.13– Imagem MEV- 100μm – Propelente A001
A Figura 5.13 apresenta a amostra do propelente A001 onde há um numero elevado de
partículas de pequeno diâmetro de Perclorato de Amônio derivadas do atrito entre as
partículas maiores (diâmetros médios de 200 e 400 μm). Esta densidade de particulado fino
menor que 20 μm de diâmetro, diminui a taxa de carregamento de sólidos no ligante do
propelente.
FIGURA 5.14 – Imagem MEV- 20μm – Propelente A001
79
A Figura 5.14 apresenta uma ampliação do propelente A001 onde é possível observar a
densidade de partículas finas do Perclorato de Amônio e o formato não esférico das mesmas.
FIGURA 5.15 – Imagem MEV- 20μm – Propelente B001
A figura 5.15 permite observar que no propelente B001 as partículas menores são de
formato lasca e pode-se também observar o recobrimento deficiente das partículas maiores de
Perclorato de Amônio.
FIGURA 5.16 – Imagem MEV- 100μm – Propelente B001
A figura 5.16 do propelente B001 mostra a presença de “grumos de alumínio”
distribuídos de forma não homogênea na massa do propelente.
80
FIGURA 5.17 – Imagem MEV- 100μm – Propelente B001
Na figura 5.17 do propelente B001 vê-se que fator de forma predominante é oval ou
irregular. Esta irregularidade e não esfericidade também compromete o percentual de carga
máxima a ser atingido na maceração.
FIGURA 5.18 – Imagem MEV- 20μm – Propelente B001
Na figura 5.18 observa-se a presença de aglomerados de alumínio e partículas não
esféricas no compósito.
81
FIGURA 5.19 – Imagem MEV- 20μm – Propelente C001
A figura 5.19, feita com detector SEI, (este tipo de detector utiliza os elétrons
secundários ejetados da amostra com energia menor que 50 eV) do propelente C001 apresenta
um fator de forma onde se observa também a molhagem deficiente indicando possível
ausência de aditivo de ligação.
FIGURA 5.20 – Imagem MEV- 100μm – Propelente C001
Na figura 5.20 do propelente C001 observa-se que a maioria das partículas de
Perclorato de Amônio não apresenta fator de forma esférico.
82
FIGURA 5.21– Imagem MEV- 100μm – Propelente D001
A figura 5.21 do propelente D001 apresenta uma região de acúmulo de partículas não
dispersas no ligante (“binder”) que pode ser atribuído a uma deficiência no processo de
maceração.
FIGURA 5.22 – Imagem MEV- 20μm – Propelente D001
A figura 5.22 apresenta detalhes das áreas grumosas, e que dificultam uma maior
homogeneidade do propelente sólido.
83
5.1.3 RESULTADOS DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
Os ensaios de caracterização elétrica realizados permitem observar a variação na
composição do percentual dos componentes das formulações por meio da variação dos
valores medidos de resistividade das amostras. Estas variações são decorrentes da não
homogeneidade da mistura, da granulometria usada e do fator de forma das partículas
condutivas e não condutivas e da densidade do carregamento. A tabela 5.2 apresenta os
valores de resistividade encontrados nos testes.
TABELA 5.2. Valores de Resistividade Volumétrica.
Amostras
Formulação AP/HTPB/Al
ρ (Ω.cm)
Propelente A001
3,9 x 1011
Propelente B001
4,2 x 1010
Propelente C001
7,4 x 1011
Propelente D001
9,1 x 1011
Propelente E001
6,7 X 1011
5.1.4 RESULTADOS DE DESCARGA ELETROSTÁTICA
O ensaio de descarga eletrostática foi realizado com descargas de dois níveis de
energia nas amostras. Os dados em literatura aberta informam que a ignição pode ocorrer com
energias de 1 J, e em condições de pressão interna no grão propelente, a energia necessária
para iniciar a ignição é reduzida para valores em torno de 100 mJ [19]. Após o ensaio as
amostras foram analisadas para verificar eventual trinca ou início de canal de descarga.
As medidas foram adquiridas por meio do Simulador de Descarga Eletrostática ETS930D-FTS. O resultado do ensaio no espécime foi visualizado durante a descarga de forma
segura, para observar se ocorre alguma atividade de ignição ou trinca durante a descarga
eletrostática.
84
FIGURA 5.23 - Teste de Descarga Eletrostática
FIGURA 5.24 - Teste de Descarga Eletrostática
As figuras 5.23 e 5.24 apresentam uma mudança no caminho do arco voltaico, saindo
do corpo da amostra e ionizando o ar circundante; indicando que há um aumento na
resistividade volumétrica da amostra no ponto de fuga. Este aumento da resistividade
ocasiona um aumento da rigidez dielétrica da área que fica maior que a do ar, e como foi
observado nas análises das imagens das figuras 5.16 e 5.18, há pontes de alumínio que
permitem a fuga de corrente elétrica para as laterais da amostra e isto permite a ruptura da
rigidez dielétrica do ar aparecendo o arco voltaico na lateral da amostra.
Os ensaios foram feitos em 4 grupos de amostras de pequeno volume de propelente e
em 1 grupo de amostras com volume 90 vezes maior que o volume dos grupos anteriores
(Figura 5.25) para verificar se o tamanho da amostra influencia os resultados.
85
FIGURA 5.25 - Amostras Propelente E001
Foi utilizado um dispositivo construído de forma a isolar resistivamente a amostra do
ambiente de teste (Figura 5.26), estabelecer o contato elétrico entre o equipamento e amostras
de maior volume e garantir a segurança do ensaio.
FIGURA 5.26 – Dispositivo de Ensaio II
86
Na tabela 5.3 é indicado o resultado dos testes, onde foram feitas 30 descargas
eletrostáticas utilizando o equipamento Simulador de Descargas Eletrostáticas, com intervalo
entre as descargas variando entre 10 e 30 segundos. Após o ensaio as amostras foram
inspecionadas visualmente para verificar possível trinca ou inicio de ignição.
TABELA 5.3: Resultados do Teste de Descarga Eletrostática
Identificação das
Amostras
(Teste em 3 espécimes de
cada propelente)
Formulação AP/HTPB/Al
Energia 1 (0,36 J)
Ocorrência Ocorrência
de
de
Energia 2 (1,69 J)
Ignição
Trincamento
Numero de
Descargas
Numero de
Descargas
Propelente A001
30 descargas
30 descargas
Não
Não
Propelente B001
30 descargas
30 descargas
Não
Não
Propelente C001
30 descargas
30 descargas
Não
Não
Propelente D001
30 descargas
30 descargas
Não
Não
Propelente E001
30 descargas
30 descargas
Não
Não
87
5.1.5 FATOR DE PERCOLAÇÃO - (P)
O fator de percolação (P) utiliza os dados de resistividade volumétrica obtidos no
ensaio de caracterização elétrica do propelente, a distribuição granulométrica e percentual em
massa dos sólidos bem como o fator de forma dos mesmos. Para a obtenção do resultado do
cálculo, foi utilizada a equação 4.2 e uma planilha. Estes resultados indicam a faixa de
sensibilidade do propelente. As formulações das amostras de propelentes testadas são
apresentadas na tabela 5.1 e os valores de P obtidos estão apresentados na tabela 5.5.
Para o cálculo, é necessário os dados característicos dos componentes das formulações
das amostras, dados obtidos de catálogos de fornecedores. Estes dados são apresentados na
tabela 5.4.
TABELA. 5.4 – Características dos componentes da formulação
Componente
Densidade ρ (g/cm3) Resistividade volumétrica - ρvb
(Ω.m)
Alumínio
2,702
Condutivo
Perclorato de Amônio
2,165
Não condutivo
Binder PBLH+ aditivos
0,903
3 x 1010 Ω.m
TABELA 5.5 – Valores dos Coeficientes de Percolação (P)
Amostra
Coeficiente de Percolação (Ω.m)
Propelente A001
1,09 x 1014
Propelente B001
9,99 x 1013
Propelente C001
1,08 x 1014
Propelente D001
1,08 x 1014
Propelente E001
6,08 x 1014
88
5.2
DISCUSSÕES
5.2.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS
A análise dos resultados segue a ordem dos ensaios realizados e a convergência dos
mesmos na análise global.
1- Microscopia Óptica
2- Microscopia de Varredura Eletrônica
3- Caracterização Elétrica
4- Descarga Eletrostática
5- Fator de Percolação
6- Comparação de Resultados
5.2.1.1 MICROSCOPIA ÓPTICA
As imagens ópticas exibem uma maceração não uniforme sendo observado no
propelente resultante um desbalanceamento granulométrico. Esta condição pode comprometer
a amostragem do CDP por região ou batelada de produção, gerando variações nas
características do grão propelente tanto no âmbito elétrico como de desempenho. Esta não
uniformidade da massa gera dificuldades adicionais na avaliação elétrica do grão propelente
ocasionando flutuações nos valores característicos elétricos e conseqüentemente no nível de
sensibilidade à eletrostática [47]. As análises das imagens indicam que a distribuição dos
sólidos no binder não apresenta uma homogeneidade entre as granulometrias dos sólidos
utilizadas na formulação do propelente. A “molhagem” dos sólidos também se mostra
deficiente ocasionando pequenos bolsões no entorno das partículas de Perclorato de Amônio.
Há também um aumento na quantidade de cristais com dimensões abaixo de 20 μm,
provavelmente devido ao processo de maceração que provoca atrito entre as partículas de
maior diâmetro de Perclorato de Amônio gerando uma quantidade significativa de micropartículas. Na análise visual observou-se que as amostras liberam uma grande quantidade de
cristais de Perclorato de Amônio, indicando que há falta de aditivo agente de ligação que
89
aumente a adesão do ligante (“binder”) às partículas. Baker et al [48] observaram que em
propelentes usando Polibutadieno Hidroxilado e Perclorato de Amônio, a adição de
plastificantes e ausência de agente de ligação, aumenta a sensibilidade do propelente,
reduzindo o nível de energia necessário para a ignição. Esta característica observada é um dos
fatores de risco que podem gerar ignições acidentais. Devido a esta redução nos níveis de
energia necessários, estes níveis podem ser fornecidos por uma descarga eletrostática
iniciando uma reação no propelente.
5.2.1.2 MICROSCOPIA DE VARREDURA ELETRÔNICA
Quando observamos as imagens realizadas via microscopia eletrônica de varredura –
MEV, podemos visualizar o fator de forma dos componentes sólidos do propelente,
principalmente das partículas do oxidante Perclorato de Amônio. Observa-se também um
número muito grande de particulados de Perclorato de Amônio de tamanhos variados
inferiores a 20 micrômetros. Pressupõe-se que estes particulados são originados durante o
processo de maceração, do propelente onde as partículas de maior diâmetro do Perclorato de
Amônio atritam entre si gerando as partículas menores na variedade de formas apresentada na
imagem. Pode-se, também, observar que o alumínio incorporado no propelente concentra-se
em determinados pontos com formação de aglomerados [49]. Esta ocorrência de coalescência
das partículas de alumínio formando pontes de metal dentro do grão pode ser explicada como
uma falta de recobrimento passivante nas partículas de alumínio e que durante o processo de
maceração não é distribuída uniformemente no ligante (“binder”). As imagens mostram,
também, que as partículas de Perclorato de Amônio não apresentam o fator de forma esférico
ideal e um alto grau de partículas de várias formas e com diâmetro inferior a 20 micrômetros.
Esta granulometria e formato são derivados do processo de maceração do propelente, onde o
atrito entre as partículas de maior diâmetro do Perclorato de Amônio gera estas micro
partículas através de quebra ou cisalhamento das mesmas. Esta variação no perfil
90
granulométrico influi diretamente nas propriedades elétricas e na taxa de queima do grão
propelente sólido. Baker et al [48] sugerem esta sensibilidade e que é, também, função da
energia de ativação [1, 50]. Esta dependência da energia de ativação está sendo estudada e os
modelos são empíricos. No caso das amostras utilizadas neste trabalho a energia de ativação
dos propelentes é da ordem de 120kJ/mol [20,51].
5.2.1.3 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
Os dados obtidos das medidas de características elétricas apresentam uma variação de
valores de resistividade, onde podemos relacionar a taxa de carregamento dos sólidos não
condutivos, como o segundo maior responsável pela variação da resistividade volumétrica do
propelente, logo após as características elétricas intrínsecas do polímero. A resistividade
volumétrica medida está próxima dos valores esperados da ordem de 1011 Ω.cm, observando
uma resistividade alta em todas as amostras, como era previsto devido à resistividade alta do
polímero da ordem de 109 a 1014 Ω.cm. Observa-se que os valores de resistividade
volumétrica das amostras A001 e E001 apresentam a mesma ordem de grandeza, e com um
fator de 101 menor que as amostras B001. Esta ocorrência pode ser atribuída a dois fatores: o
primeiro fator é o diâmetro das partículas de alumínio. Com um diâmetro de partícula menor
para um mesmo percentual em massa de carregamento, teremos um numero maior de
partículas de alumínio no propelente reduzindo as distâncias médias entre partículas. O
segundo fator é a distribuição granulométrica no percentual em massa do perclorato de
amônio. A distribuição granulométrica quando utilizando partículas de oxidante com diâmetro
menor, com no caso da amostra E001, diminui a distância média entre as partículas
condutivas, diminuindo a resistividade do propelente.
5.2.1.4 DESCARGA ELETROSTÁTICA
Durante os ensaios de descarga eletrostática observou-se uma fuga do arco pela lateral
de uma amostra. Esta fuga deu-se em decorrência de uma concentração de partículas de
91
alumínio em um dos pontos da amostra. Com este caminho elétrico formado, o arco pode
saltar pelo ar (ionizando o mesmo) através da lateral da amostra conforme a figura 5.27.
FIGURA 5.27 – Formação de arco voltaico lateral
Observou-se também o efeito de acúmulo de cargas na amostra. Após as 30 descargas
consecutivas, a amostra estava carregada com carga elétrica sendo necessário estabelecer um
curto-circuito ao terra elétrico para descarregar a amostra antes da manipulação da mesma. O
efeito foi mais evidente nas amostras de maior volume. Observou-se que as amostras de maior
volume mantêm acumulada por um tempo maior a energia das descargas consecutivas após o
término do ensaio, o efeito capacitivo é maior, sendo necessário efetuar procedimento para
descarregar as amostras antes de retirá-las do dispositivo. Este resultado demonstra que um
acumulo alto de cargas elétricas em grandes volumes de propelente é possível, sugerindo a
necessidade de medidas mitigadoras para o fenômeno.
5.2.1.5 INFLUÊNCIA DOS COMPONENTES DO PROPELENTE SÓLIDO NO
FATOR DE PERCOLAÇÃO.
Para análise das formulações de propelentes sólidos, o fator de percolação pode
indicar como a variação na formulação irá influenciar na característica de sensibilidade do
propelente sólido formulado. No cálculo do fator de percolação, as variáveis que influenciam
fortemente o resultado são:
•
Percentual total em massa de Perclorato de Amônio
92
•
Percentual em massa da partícula de menor diâmetro do Perclorato de Amônio
•
Percentual em massa de PBLH
•
Percentual em massa de alumínio
•
Diâmetros das partículas de Perclorato de Amônio (bimodal e trimodal)
•
Diâmetro da partícula de Alumínio
Modificando uma variável e mantendo as outras com valores determinados obtém-se
um perfil da influência de cada componente da formulação no Fator de Percolação (P).
Esta variação nos valores de P é diretamente relacionada com a sensibilidade da
formulação aos efeitos de uma descarga eletrostática com risco de ignição acidental ou no
grão propelente [52].
Para este estudo foram consideradas quatro variáveis na formulação, sendo que
somente uma variável é independente em cada caso. As outras tem um valor médio atribuído
para permitir o cálculo de P em cada caso.
93
No primeiro caso o objetivo foi analisar o comportamento de P quando ocorre variação
no diâmetro médio das partículas com granulometria mais fina em composições bimodais e
trimodais.
A tabela 5.6 mostra as condições pré-determinadas para a obtenção do gráfico da
Figura 5.28.
TABELA 5.6 – Condições para o gráfico da Figura 5.28
Percentual de PA total
Percentual de PBLH
Percentual de alumínio
Percentual de PA variando diâmetro
Diâmetro da partícula de Alumínio
70%
12%
15%
21%
15μm
FIGURA 5.28 – Curva de Fator de percolação vs. Diâmetro da partícula de Perclorato de
Amônio
A Figura 5.28 permite concluir que o aumento no diâmetro médio das partículas de
Perclorato de Amônio na formulação induz a um aumento no valor do Fator de Percolação.
Este aumento indica uma maior sensibilidade a um início de ignição ou trinca por uma
Descarga Eletrostática. Esta característica foi comprovada experimentalmente por Backer [48]
94
Neste caso o objetivo foi analisar a variação do fator de percolação P quando há uma
mudança no diâmetro médio das partículas de alumínio, mantendo o mesmo nível de
carregamento implicando na variação do número de partículas de alumínio na formulação.
A tabela 5.7 mostra as condições impostas para a análise da influência do diâmetro
médio da partícula de alumínio no Fator de Percolação
TABELA 5.7 – Condições para o gráfico da Figura 5.29
Percentual de PA total
Percentual de PBLH
Percentual de alumínio
Diâmetro da partícula mais fina de PA
Diâmetro da partícula de Alumínio
70%
12%
15%
200μm
15μm
FIGURA 5.29 – Curva de Fator de percolação vs. Diâmetro da partícula de Alumínio
A análise do gráfico da figura 5.29 indica que quando ocorre diminuição do diâmetro
da partícula de alumínio, o fator de percolação P aumenta. O número de partículas de
alumínio na formulação também aumenta (o percentual em massa permanece constante) e este
fato permite concluir que partículas com diâmetros maiores são desejáveis, se as
especificações de desempenho da formulação permitir para reduzir a sensibilidade à descarga
eletrostática.
95
Neste caso o objetivo foi verificar qual a influência do percentual de carregamento da
partícula mais fina de perclorato de amônio dentro da distribuição modal utilizada. A tabela
5.8 apresenta as condições impostas para o cálculo.
TABELA 5.8 – Condições para o gráfico da Figura 5.30
Percentual de PA total
Percentual de PBLH
Percentual de alumínio
Diâmetro da partícula mais fina de PA
Diâmetro da partícula de Alumínio
70%
12%
15%
200μm
15μm
FIGURA 5.30 – Curva de Fator de percolação vs. percentual de carregamento da partícula
mais fina de Perclorato de Amônio
O gráfico da figura 5.30 mostra a grande variação que ocorre no Fator de Percolação
com a modificação no percentual de carregamento da partícula menor de perclorato de
amônio em uma distribuição modal. O aumento no percentual de carregamento das partículas
de menor diâmetro diminui o valor de P. Esta diminuição de P indica menor sensibilidade do
propelente à descarga eletrostática. Este resultado é coerente com os dados obtidos por Baker
et al [48].
96
Neste caso o objetivo foi verificar qual a influência do percentual de carregamento da
partícula de Alumínio dentro da distribuição modal utilizada. A tabela 5.9 apresenta as
condições impostas para o cálculo.
TABELA 5.9 – Condições para o gráfico da Figura 5.31
Percentual de PA total
Percentual de PBLH
Percentual de alumínio
Diâmetro da partícula mais fina de PA
Diâmetro da partícula de Alumínio
70%
12%
15%
200μm
15μm
FIGURA 5.31 – Curva de Fator de percolação vs. percentual de carregamento de Alumínio
A análise do gráfico da figura 5.31 indica que quando ocorre aumento de percentual de
carregamento das partículas de alumínio, o fator de percolação P aumenta. O número de
partículas de alumínio na formulação também aumenta e este fato permite concluir que o
percentual de carregamento desejável das partículas de alumínio deve ser o mínimo possível
sem comprometer as especificações de desempenho da formulação para permitir a redução da
sensibilidade à descarga eletrostática.
97
5.2.2 COMPARAÇÃO DE RESULTADOS
As tabelas 5.10 e 5.11 permitem a comparação dos resultados de características
elétricas e de percolação publicados por Covino e Hudson [17], com os resultados obtidos
neste presente trabalho.
TABELA 5.10 – Valores de Resistividade Volumétrica e Fator de Percolação [17]
Amostra
Resistividade
Volumétrica - ρ
(Ω.cm)
Fator de
Percolação – P
(Ω.m)
Características da
formulação.
(% em massa)
Propelente A
~300 x 1011
129 x 1010
18 a 20% de Alumínio
Propelente B
~150 x10
11
20,6 x 10
10
18 a 20% de Alumínio
~790 x10
11
10
Propelente C
Pershing II
-
5 x 10
64 x 10
10
1 a 4% de Zircônio
18 a 20% de Alumínio
TABELA 5.11 – Valores de Resistividade Volumétrica e Fator de Percolação
Amostra
Resistividade
Volumétrica - ρ
(Ω.cm)
Fator de Percolação - P
(Ω.m)
Características da
formulação.
(% em massa de Al)
Propelente A001
3,9 x 1011
1,09 x 1014
~15
Propelente B001
4,2 x 1010
9,99 x 1013
~15
Propelente C001
7,4 x 1011
1,08 x 1014
~18
Propelente D001
9,1 x 1011
1,08 x 1014
~18
Propelente E001
6,7 x 1011
6,08 x 1014
~16
Utilizando os resultados experimentais dos trabalhos publicados na literatura aberta
[17, 19, 53, 54] para comparação com os dados obtidos neste trabalho, observou-se que a
qualidade do alumínio e também o diâmetro das partículas dos sólidos influenciam
significativamente o valor do fator de percolação que define a sensibilidade à descarga
eletrostática do propelente estudado.
Os ensaios foram feitos na pressão ambiente e o fator estatístico de ocorrência de
ignição ou trinca por fenômeno de descarga eletrostático não permite assegurar o nível de
98
sensibilidade do propelente somente com estes resultados de injeção de energia pela descarga
eletrostática. Quando, porém, se analisa o conjunto de resultados dos diferentes testes,
observou-se que os resultados obtidos no cálculo do fator de percolação P estão acima do
valor de P crítico (Pcrit ~ 1010 Ω.m), obtido por meio de estudos experimentais [17,19], limite
mínimo desejado. Valores superiores a esse limite mínimo ou crítico prevê a possibilidade de
ocorrer uma ignição acidental por Descarga Eletrostática. A resistividade das amostras tem um
valor alto, o que indica uma maior capacidade de armazenamento de cargas eletrostáticas. Os
fatores de percolação (P) das amostras estão acima do fator de percolação do propelente do
míssil Pershing II, que iniciou uma ignição acidental por efeito de uma Descarga Eletrostática
[17]. Algumas formulações estudadas são mais sensíveis a baixos níveis de energia devido a
aparente ausência do agente de ligação na formulação, podendo iniciar ignição por impacto
(balístico ou não) [48] ou pela energia de uma descarga eletrostática. Outro dado relevante a
ser observado é a distribuição modal do perclorato de amônio. Se houver prevalência de
partículas de diâmetros maiores (ex. 400 μm) a sensibilidade à descarga eletrostática aumenta.
Os dados de resistividade volumétrica (ρ) e o fator de percolação (P) analisados
simultaneamente indicam que todas as formulações estudadas são sensíveis a fenômenos de
ignição ou aparecimento de trincas devido a uma Descarga Eletrostática no propelente.
5.2.3 REDUÇÃO DA SENSIBILIDADE - SUGESTÕES
De trabalhos anteriores na área selecionamos sugestões para a obtenção de propelentes
menos sensíveis ao fenômeno de descarga eletrostática [17, 55].
Para obter propelentes menos sensíveis a Descarga Eletrostática, o carregamento de
sólidos compostos por partículas não condutivas poderia ser aumentado. Esta abordagem
poderia minimizar a contribuição do binder para as propriedades elétricas do propelente. A
rigidez dielétrica aumenta com o aumento da concentração de partículas menores não
condutivas. Esta distribuição poderia ser uma grande concentração de partículas finas de
99
oxidante; entretanto a mudança nas formulações pode alterar significativamente o
desempenho do propelente [56, 57, 58, 59].
Os resultados dos ensaios efetuados nas amostras de propelentes indicando que as
formulações são sensíveis fazem com seja prioritária pesquisas para tornar o propelente da
classe PBLH menos sensível a Descarga Eletrostática. Algumas mudanças são complexas e
outras apesar de serem fáceis de implementar, podem não ser factíveis devido aos projetos dos
motores atuais [60, 61, 62].
Selecionamos as sugestões que Covino e Hudson [17] apresentam em sua pesquisa
onde propõem:
1- Mudar o “binder” PBLH para um tipo mais condutivo.
2- Reduzir a concentração de partículas condutivas para menos de 20% em volume.
3- Diminuir o tamanho das partículas condutivas e fabricá-las mais uniformes.
4- Aumentar o carregamento dos sólidos e um espalhamento melhor da distribuição
modal das partículas não condutivas.
5- Adicionar traços de espécies condutivas.
Projetar mudanças nas formulações que permitam modificações nas propriedades
elétricas tais como:
1- Diminuição da resistividade dos propelentes
2- A constante dielétrica poderia ser reduzida e o fator de dissipação poderia ser
aumentado.
3- A rigidez dielétrica deveria ser grande o suficiente de tal forma que a ruptura não
possa ser atingida em condições normais.
4- A energia de ignição (a energia requerida para uma ignição sustentada existir)
poderia ser relativamente alta em ordem para garantir que nenhuma ignição ocorra
durante a manipulação normal dos motores foguetes.
100
6.
CONCLUSÕES
A contribuição deste trabalho foi demonstrar que o risco de acidentes por descarga
eletrostática existe e está bem presente nas formulações de propelentes sólidos em uso. Os
resultados e dados obtidos indicam que a metodologia aplicada pode ser utilizada para a
avaliação das formulações. Para minimizar os riscos, os envolvidos nas atividades de
pesquisa, fabricação e operação de materiais energéticos devem buscar desenvolver métodos e
ferramentas de análise e novos materiais que aumentem a segurança mitigando o risco
presente no uso de propelentes sólidos.
As cargas elétricas sempre estiveram presentes, só se desconhecia o efeito.
Conhecendo este fato pode-se concluir que há uma real necessidade de testar todas as
formulações de propelentes sólidos usadas, em ensaios mais acurados para conhecer as
características e os riscos associados a elas, em todos os propelentes utilizados no país.
101
7.
TRABALHOS FUTUROS
As direções para futuros trabalhos são delineadas pela premente necessidade de
conhecer este processo complexo que é a ignição e combustão dos propelentes sólidos.
Um ponto particularmente importante é o estudo da ignição confinada no grão
propelente e a sua modelagem. Há a necessidade de estudar mais profundamente as
características elétricas das formulações tais como o papel da rigidez dielétrica do compósito
no acúmulo de cargas, desenvolver novos testes elétricos, e projeto de equipamentos que
auxiliem esta tarefa.
Outra área que necessita de maior pesquisa é o papel dos aditivos nas características de
sensibilidade do propelente. Há inúmeros caminhos que necessitam ser percorridos para que
se tenha conhecimento da área. Entre estes se vê a necessidade de estudar a distribuição
granulométrica dos sólidos usados nas formulações e as influências dos mesmos nas
características de sensibilidade às descargas eletrostáticas.
A necessidade de aumentar a confiabilidade e a segurança dos motores foguetes a
propelente sólido também abre uma área nobre de pesquisa em análise de riscos e
confiabilidade para a garantia do produto.
102
8.
1
BIBLIOGRAFIA
Larson, R. W et all, Microstructural Modeling of Electrical Breakdown in Solid
fuel Propellants, Electro Magnetic Applications, Inc., U.S. Army Research Office,
AD-A263 466
2
Knauer, J. A, Technical Investigation of 11 January 1985 Pershing II Motor Fire,
U.S. Army Missile Command, AD-P005 343 pp.1005-1013
3
Kepsun S.., Gefei Y., Xuewen L., Simulation Test Research on Incenditive ESD in
Tanker Cargo, Journal of Electrostatic Vol. 63 pp 469-473, 2005.
4
Davenas A., History of the Development of Solid Rocket Propellant in France,
Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, No. 2, March-April 1995, pp 285-291.
5
Mardiguian, M. Electrostatic Discharge: Understand, Simulate and fix problems
Interference Control Technologies, Inc – Don White Consultants Inc. First Ed. 1986
6
Bain Addison, Colorless, Nonradiant, Blameless: A Hindenburg Disaster Study ,
Aerostation: March 1999
7
Dessler A. J., Atmospheric Electricity and Energy in a Spark –App. A, Lunar and
Planetary Lab., University of Arizona – pp 15-21 ( pag 15)
8
Lee, R. J, Ignition in Solid Energetic Materials Due to Electrical Discharge,
Indian Head Division NSWC, IHTR 1925, 25 October 1996
9
Chubb J., Electrostatic Measurements: Opportunities and Applications, VTT
Automation, Electrostatics Measurements Lectures, Helsinki, May,2000. (pag 17)
10
Beamer B., SCC Technical Bulletin G1 Basics of Static Electricity -SCC
11
Niels Jonassen, How Is Static Electricity Generated? In Mr. Static, Compliance
Engineering, (Jan/Feb. - 2001)
103
12
Niels Jonassen, Walking in chargeking in Mr. Static, Compliance Engineering,
(Mar/April- 2001).
13
Gyure M. F., Beale P. D., Dielectric Breakdown of a Random Array of Conducting
Cylinders, Physical Review B, Vol. 40, No. 14, pp 9533-9540, Nov 1989-I
14
F. Paschen, Wiedemanns Annalen, Annalen der Physik und Chemie Ser. 3, 37 (1),
pp. 69-96 (1889).
15
Niels Jonassen, Explosions and ESD in Mr. Static, Compliance Engineering,
(Nov/Dic- 1999).
16
Kent, R., and Rat, R. J., “Static Electricity Phenomena in the Manufacture and
Handling of Solid Propellant”, Journal of Electrostatics, Vol. 17, No. 299, 1985,
pp. 299-312
17
Covino, J. and Hudson F. E., “Current Assessment Methodology for Electrostatic
Discharge Hazards of Energetic Materials”, Journal of Propulsion and Power, Vol.
7, No. 6 – Nov-Dec. 1991 pp. 894-903
18
Essam J. W., Percolation theory, Rep. Prog. Phys., Vol. 43, 1980, pp. 833-911
19
Davenas A., Rat R. “Sensitivity of Solid Rocket Motors to Electrostatic
Discharge: History and Future” , Journal of Propulsion and Power, Vol. 18 No. 4,
July-August 2002, pp. 805-809
20
Shannon L. J and Deverall L. I., A Model of Solid-Propellant Ignition in a Neutral
Environment, AIAA Journal Vol , No 3, March 1969, pp. 497-502 (pag 35)
21
Kuo, K., Summerfield, M., Fundamentals of Solid-Propellant Combustion,
Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol 90. 1984, pp.53
22
Beckstead M. W., Solid Propellant Combustion Mechanisms and Flame Structure,
Pure & Appl. Chem., Vol. 65, No. 2, pp. 297-307, 1993. (pag 37)
104
23
Brown, F. W., Kusler, D. J., and Gibson, F. C., Sensitivity of Explosives to
Initiation by Electrostatic Discharge, Bureau of Mines Rept. Of Investigations
5002, Sept. 1953
24
Desai S., Thakore I. M., Sarawade B. D., Devi S., Effect of Polyols and
Diisocyanates
on Thermo-Mechanical and
Morphological
Properties
of
Polyurethanes, European Polymer Journal 36 (2000) 711-725. (pag 38)
25
Merran A. D., Polyurethane Binder System for Polymer Bonded Explosives,
Weapon Systems Division, DSTO Defence Science and Technology Organization,
Australian Government- DSTO-GD-0492, December 2006. (pag 38)
26
Raha K., Chhabra J. S., Static Charge Development and Impact Sensitivity of
High Explosives, Journal of Hazardous Materials, 34 (1993) pp. 385-391 (pag 38)
27
Campbell L. A, Morton Thiokol, Inc., SRM Propellant, Friction /ESD TestingECS-SS-3059, NASA-CR-183706
28
Pidoll U. V., Brzostek E., Froechtenigt H. R., Determining the Incendivity of
Electrostatic Discharges without Explosive Gas Mixtures, PhysikalischTechnische Bundesanstalt 38116 Braunschweig, Germany
29
Dedgaonkar V. G., Navle P. B., Shrotri P. G., Properties of Hydroxyl-Terminated
Polybutadiene-Base Elastomers Under the Influence of γ-Radiation., J. Radioanal.
Nucl. Chem., Letters 176 (2) pp. 153-160, 1993. (pag 42)
30
Zecevic B., Terzic J., Baskarad M., Influence of the Solid Propellant Grains
Processing on Burning Rate of Double Base Rocket Propellants, Sixth Seminar
“New Trends in Research of Energetic Materials”, Univ. of Pardubice, pp. 54755, ISBN 0-7194-543-9 April 23-25, 2003. (pag 43)
105
31
Bonnet D. L., Butler P. B., Hot-Spot Ignition of Condensed Phase Energetic
Materials, Journal of Propulsion and Power, Vol. 12, No. 4, pp. 680-690, JulyAugust,1996. (pag 43]
32
Borisov M. F., Danilov M. F., Zobov E. A., Litvinova I. G., Sidorov A. N.,
Discharge Channel Structure in Breakdown in a Inhomogeneous Field, Zhurnal
prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fisiki, No. 6, pp. 29-32, Nov.-Dic., 1988
(pag 45)
33
Baker P. J., Mellor A. M., Critical Impact Initiation Energies for Three HTPB
Propellants, Journal of Propulsion and Power, Vol. 8, No. 3, pp 578-585, MayJune 1992.
34
Shiang-Woei C., Dynamic Analysis of Solid Propellant Grains Subjected to
Ignition Pressurization Loading, Journal of Sound and Vibration 268 – 2003 , pp.
465-483 (pag 46)
35
Mellor A. M., Wiegand D. A. and Isom B. K., Hot Spot Histories in Energetic
Materials, Combustion and Flame 101: 26-35-1995
36
Raun R. L., Modeling of ESD-Induced Confined Ignition of Solid Rocket
Propellants, Combustion and Flame 120:107-124(2000)
37
Meda L., Marra G.., Galfetti L., Severini F., De Lucca L., Nano-Aluminum as
Energetic Material for Rocket Propellant, Materials Science and Engineering C
(2006), doi: 10.1016/j.msec.2006.09.030. (pag 54)
38
Aluminum’s Properties – International Aluminum Institute, www.worldaluminium.org
39
Sciamareli, J.; Takahashi, M. F. K.; Teixeira, J. M.; Iha, K., Solid polyurethanebased composite propellant: I- influence of the bonding agent. Química Nova,
107-110 ,2002, vol.25, n. 1, ISSN 0100-4042.
106
40
Luke G. D., Eagar M. A., Dwyer H. A., Ignition Transient Model for Large Aspect
Ratio Solid Rocket Motors, AIAA, ASME, SAE, and ASEE, Joint Propulsion
Conference and Exhibit, 32nd, Lake Buena Vista, FL, July 1-3, 1996 (pag 59)
41
Hunley J. D. , The History of Solid-Propellant Rocketry: What We Do and Do Not
Know, NASA Dryden Flight Research Center Edwards, CA
42
Minier L., Behrens R., Thermal Decomposition Characteristics of Orthorhombic
Ammonium Perchlorate (alfa AP) and tau AP/HTPB-Based Propellant., 1999 36th
JANNAF Combustion and Propulsion Systems Hazards Subcommitee Meeting,
Kenedy Space Center FL.
43
Rodiè V., Bajlovski M., Influence of Trimodal Fraction Mixture of AmmoniumPerchlorate on Characteristics of Composite Rocket Propellants, ScientificTechnical Review, Vol. LVI, No. 2, pp 38-44, 2006.
44
Melick D. J., Browning D., Shelton K., Evaluation of Electrical Material
Properties: Embedment Stress Testing on Electrical Encapsulation Resins, Elf
Atochem North American, INC. (pag 67) Chemical Propulsion Information
Agency
45
Dahn C. J., Reyes B. N., Kashani A., FinKelshtein J., Electrostatic Hazards of
Explosive, Propellant and Pyrotechnic Powders, EOS/ESD Symposium 98- pp
139-150.
46
Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at
Commercial Power Frequencies, ASTM Standard D149-81, 1981, pp. 1-13
47
Kalyon D. M., Birinci E., Yazici R., karuv B., Walsh S., Electrical Properties of
Composite as Affected by the Degree of Mixedness of the Conductive Filler in the
Polymer Matrix, Polymer Engineering and Science, Vol. 42, No. 7, July 2002, pp.
1609-1617 (pag 88)
107
48
Baker, P. J.; Mellor, A. M.; Coffey, C. S. ,Critical Impact Initiation Energies for
Three HTPB Propellants, Journal of Propulsion and Power Vol. 8. No. 3,578-585
May-June 1992
49
Yagodnikov D. A., Andreev E. A., Vorob’ev V. S., Glotov O. G., Ignition,
Combustion, and Agglomeration of Encapsulated Aluminum Particles in a
Composite Solid Propellant. I. Theoretical Study of the Ignition and Combustion
of Aluminum with Fluorine-Containing Coatings., Combustion, Explosion, and
Shock Waves, Vol. 42, No. 5, pp. 534-542, 2006. (pag 89)
50
Yeh W. and Budenstein, Electrical Conduction at Low Fields of Composites
Sparsely Filled with Aluminum Particles – IEEE Transactions on Dielectrics and
Isolation Vol. 2 No.1 pp 84-96, February 1995
51
Rocco J. A. F. F. et al, TG Studies of a Composite Solid Rocket Propellant based
on HTPB-binder, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 77 (2004)
803–813
52
Akers D. W., Rideout C. A., Nondestructive In-Situ Examination of Solid Rocket
Motor Propellant Using Induced Positron Technology, AIAA Space 2004
Conference and Exhibit 28-30 Sept. 2004, San Diego, CA.
53
Keenan A. G.
and Siegmund R. F., Thermal Decomposition of Ammonium
Perchlorate, Department of Chemistry, University of Miami, Coral Gables,
Florida 33124
54
SunderRaj R.D. Vivek et al, Modeling of Electrostatic Fields in Solid Propellants
using Finite Element Techniques, Session 3D-CH2736-7/89/0000-0113 – IEEE1989
55
Hearn G., Static Electricity- guidance for Plant Engineers., Wolfson Electrostatics,
University of Southampton – 2002 (pag 98)
108
56
Yeh W., and Budenstein P. P., The Electrical Properties at Low Field of Aluminum
Filled Hydroxyl Polybutadiene Composites, 1990. Department of Physics,
Auburn University Auburn, Alabama.
57
Coats D. E., Dunn S. S., French J. C., Performance Modeling Requirements for
Solid Propellant Rocket Motors, Software and Engineering Associates,
58
Ramakrishna P. A., Paul P. J., Mukunda H.S., Revisiting the Modeling of
Ammonium-Perchlorate Combustion: Development of an Unsteady Model.,
Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 3, pp. 661-669, May-June 2006
59
Voelkl H. R., Thermal Decomposition and Explosion of Ammonium Perchlorate
and Ammonium Perchlorate Propellant Up to 50 Kilobars, Lewis Research Center
– NASA TN D-6013, September 1970.
60
Bourham M. A., Initiation of Chemical Reactions in Energetic Materials Using
Plasmas and Arc Voltaic, U.S. Navy Office of Naval Research – Progress Report
N00014-00-1-0901, May 2001.
61
Vyazokvkin S., Clawson J. S., Wight C. A., Thermal Dissociation Kinetics of
Solid and Liquid Ammonium Nitrate, Chem. Mater. 2001, 13, 960-966
62
Lang V. I., Bohman K. R., Tooley J. T., Frolik S. A., Fournier E. W., Brady B.B.,
Nealy D. C., Assessment of Perchlorate Releases in Launch Operations II, Space
and Missile System Center - Air Force Space Command , CA – TR-2003(1306)-1
109
ANEXO I
DEFINIÇÕES:
Rigidez dielétrica: Valor máximo de campo elétrico que o material pode suportar sem
romper. Para cada dielétrico existe um valor de campo elétrico, que se aplicado ao material irá
destruir algumas ligações moleculares internas, possibilitando o aparecimento de uma
corrente [5]. Quando a ruptura ocorre, o dielétrico passa a ter características semelhantes às de
um condutor.
TABELA I.1- Rigidez Dielétrica de Materiais [5]
Material
Rigidez dielétrica
(kV/mm)
Ar (1 atm)
3
Poliestireno
24
Papel
16
Pirex
14
Titanato de Estrôncio
8
Dielétrico: O dielétrico determina o número de linhas de campo elétrico entre as duas placas,
e também a densidade de fluxo, isto é, o número de linhas por unidade de área.
Permissividade: A razão entre a densidade de fluxo e a intensidade de campo elétrico é a
permissividade do dielétrico ε. A permissividade é uma medida da facilidade com que o
dielétrico permite o estabelecimento de linhas de campo em seu interior. Quanto maior a
permissividade, maior a quantidade de carga depositada nas placas.
Constante dielétrica: A razão da capacitância com um dado material separando as placas de
um capacitor, para capacitância com o vácuo entre elas. A tabela I.2 apresenta valores de
constante dielétrica de alguns materiais.
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TABELA I.2- Constante Dielétrica de Materiais [5]
Energia da Descarga: A energia acumulada em um capacitor depende de 2 valores: a
capacidade do mesmo e o quadrado da tensão de carga onde [E]=Joule; [C]=Farad;
[V]=(Volt), ou seja:
E = 0.5 C V 2
(I.1)
Função Trabalho (Ф): A grandeza Ф é a função trabalho, ou energia mínima exigida para
remover um elétron de sua ligação atômica, f é radiação eletromagnética de freqüência
quantizada em fótons de energia E = h f, onde h é a constante de Planck,
φ = hf 0
(I.2)
Resistência de superfície: Resistência de superfície é a razão da voltagem DC pela corrente
fluindo entre dois eletrodos de configuração específica que atem contato no mesmo lado do
material é expresso em ohms. Método: Association Standard Test Methods ESD- STM
11.11“Surface Resistance Measurements of Static Dissipative Planar Materials”, (2001)
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Resistência Volumétrica: Resistência Volumétrica é a resistência medida em ohms através do
corpo do material e expressa em Ohms-cm (Ω-cm). Medidas de resistência volumétrica são
feitas seguindo o ESD STM 11.12 “Volume Resistivity Measurements of Static Dissipative
Planar Materials”, (2001).