Tortuosity index based on dynamic mechanical properties of polyimide foam for aerospace application

Abstract

The aerospace industry has focused on the development of high performance polyimide foams because these materials are known for their thermal and acoustic insulation properties. Tortuosity is defined as a parameter that describes such thermal and acoustic insulation capacity as related to its absorption capacity. The determination of a reliable tortuosity index is lacking on the aerospace industry, therefore a methodology is formulated via direct and indirect characterization methods of a fluidfilled porous media. Biot parameters that describe the interaction of the solid phase and the fluid phase are correlated with the tortuosity. In this investigation, a chemical, thermal, and mechanical characterization was performed to the PolyuMACTM polyimide foam. The tortuosity of this material is measured considering a pressure difference as the resistivity variable, rather than electrical resistivity or molecular diffusivity as proposed on previous models. The present analysis is focused on an empirical establishment of the tortuosity index considering the correlation among hydraulic and structural dimensionless parameters obtained through the Buckingham’s Pi theorem. The behavior of the polyimide was studied for samples of different lengths compressed at 30%, 60%, and 90% from its original length on the foaming direction. It was found that factors such as porosity, length of the sample, and viscosity of the fluid are relevant considerations on the insulation performance of the material. Regression analysis produced a significant statistical model fit to the data correlated from the dimensionless parameters for each dynamic compression series.

La industria aeroespacial está enfocada en el desarrollo de espumas de poliimida de alto rendimiento, ya que estos materiales son reconocidos por sus propiedades de aislamiento térmico y acústico. La tortuosidad se define como un parámetro que describe dicha capacidad de aislamiento. Actualmente, en la industria aeroespacial no existe un método definido para determinar el índice de tortuosidad. Por lo tanto, una metodología fue formulada a través de métodos directos e indirectos de caracterización de materiales porosos saturados por un fluido. Los parámetros de Biot describen la interacción de una fase sólida y una fase del fluido que se correlacionan con la tortuosidad. En esta investigación se llevó a cabo caracterización química, térmica y mecánica de la espuma de poliimida PolyuMACTM. La tortuosidad de este material fue medida considerando el cambio en presión como variable de resistividad eléctrica ó difusividad molecular como en modelos de tortuosidad previos. El análisis está enfocado en establecer un modelo de tortuosidad empírico utilizando el teorema Pi de Buckingham considerando la correlación entre parámetros adimensionales hidráulicos y estructurales. El comportamiento de la espuma de poliimida fue estudiada para muestras con diferentes largos comprimidas a un 30%, 60%, y 90% de su largo original en la dirección de espumado. Se encontró que factores como porosidad, longitud de la muestra y la viscosidad del fluido son consideraciones relevantes en el desempeño aislante del material. Finalmente, el análisis de regresión produjo un modelo estadístico significativo para los datos correlacionados de los parámetros adimensionales para cada compresión dinámica; la cual varió entre 1 a 3 compresiones dinámicas para cada porciento de compresión.