Fabrication, Microstructural Optimization, and Predictive Modeling of Nanoparticles-Enhanced Carbon/Phenolic Composites for Solid Rocket Motor Nozzle Liners. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Kalid_Kassa_Thesis_Final_1.pdf Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (70MB)

Arabic Abstract

تتعرّض بطانات فوهات المحركات الصاروخية الصلبة لدرجات حرارة مرتفعة جدًا قد تقترب من ٣٠٠٠ كلفن، مما يجعل توفير حماية حرارية موثوقة ضرورة أساسية. وتُعدّ مركّبات الكربون–فينول من المواد واسعة الاستخدام نظرًا لانخفاض كثافتها وقدرتها الجيدة على تكوين طبقة متفحّمة، إلا أنّ مقاومتها للأكسدة محدودة، الأمر الذي يؤدي إلى فقدان سريع للمادة عند درجات الحرارة العالية. يهدف هذا العمل إلى تعزيز الاستقرار الحراري ومقاومة التآكل الحراري لهذه المركّبات من خلال إضافة جسيمات الألومينا واعتماد معالجة محكمة. وقد تم استخدام أسلوب توزيع متعدد المراحل يشمل التحريك الميكانيكي والخلط عالي القص والمعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحسين توزيع الجسيمات داخل مصفوفة الفينول، إضافةً إلى اعتماد نظام ثنائي لحجم جسيمات الألومينا بهدف تحسين الرص وتقليل الفجوات، بينما تم توجيه عملية التصلّب باستخدام التحليل الحراري التفاضلي. جرى تحضير عينات مركّبة تحتوي على نسب مختلفة من الألومينا ودراستها. وأظهرت صور المجهر البصري والمجهر الإلكتروني الماسح توزيعًا متجانسًا للجسيمات وترابطًا قويًا بين الألياف والمصفوفة دون حدوث انفصال في الأطوار، كما بيّنت التقييمات الحرارية واختبارات التآكل—بما في ذلك التحليل الحراري الوزني وحيود الأشعة السينية واختبار الشعلة الأوكسي–أسيتيلينية—تحسنًا في تكوين طبقة الكربون المتفحّم وانخفاضًا في فقدان المادة وانخفاضًا في درجة حرارة السطح الخلفي مع إضافة الألومينا. وتم تطوير نموذج بالعناصر المحدودة يعتمد على حركية مرتبطة بدرجة التحوّل للتنبؤ بتطور درجة الحرارة وتراجع السطح، وقد أظهر توافقًا أفضل مع السلوك التجريبي، بالإضافة إلى استخدام إطار تعلّم آلي يعتمد على التحسين البايزي للتنبؤ بالتركيبات المثلى للمواد السيراميكية وتوجيه اختيار التركيبات ذات الأداء العالي. وتُظه النتائج أن التحكم في توزيع الجسيمات وعملية التصلّب يؤديان إلى تحسين ملحوظ في أداء مركّبات الكربون–فينول المعدّلة بالألومينا، ويوفّران منهجية موثوقة لتصميم مواد الحماية الحرارية لتطبيقات المحركات الصاروخية الصلبة.

English Abstract

Solid rocket motor (SRM) nozzle liners are exposed to very high temperature, often approaching 3000 K, where reliable protection is required from thermomechanical load. Carbon–phenolic (C/Ph) composites are widely used due to low density and good char formation, but their resistance to oxidation is limited, which leads to rapid material loss at high temperature. This study aims to improve the thermal stability and ablation resistance of C/Ph composites through the addition of alumina particles and controlled processing. A multi-stage dispersion method consisting of mechanical stirring, high-shear mixing, and ultrasonic treatment was used to improve particle distribution within the phenolic matrix. A binary alumina particle system was also applied to improve packing and reduce voids. The curing process was guided using differential scan-ning calorimetry (DSC). Composite samples containing 0, 2, 4, and 6 wt.% alumina were prepared and examined. Optical and scanning electron microscopy showed uni-form particle distribution and strong fiber–matrix bonding without phase separation. Thermal and ablation evaluation using thermo gravimetric analysis, X-ray diffraction, and oxy-acetylene testing showed improved char formation, reduced material loss, and lower back surface temperature with alumina addition. A finite element model based on conversion-dependent kinetics was developed to predict temperature and surface recession, showing improved agreement with experimental behavior. In addition, a ML framework based on Bayesian optimization was used to predict optimal ceramic compositions and guide the selection of high-performance formulations. The results demonstrate that controlled dispersion and curing improve the performance of alumina-modified carbon–phenolic composites and provide a reliable approach for the design of thermal protection materials for SRM applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Abrar Baluch,
Thesis Committee Members:	Qasem Drmosh, Suhail Vattathurvalappil,
Depositing User:	KALID KASSA (g202412100)
Date Deposited:	13 May 2026 10:15
Last Modified:	13 May 2026 10:15
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144271

Available Versions of this Item

• Fabrication, Microstructural Optimization, and Predictive Modeling of Nanoparticles-Enhanced Carbon/Phenolic Composites for Solid Rocket Motor Nozzle Liners. (deposited 13 May 2026 10:15) [Currently Displayed]