29.09.2022 by Aileen Sammler
60 عاماً من NETZSCH-Gerätebau: LFA في الاستخدام للتطبيقات الفضائية
في شهر سبتمبر كل شيء عن تحليل وميض الليزر. نحن فخورون بتقديم تقرير ميداني من عميلنا القديم، معهد المسبك النمساوي. اقرأ عن LFA المستخدم في معهد المسبك النمساوي - الفيزياء الحرارية للتطبيقات الفضائية.
جهاز LFA قيد الاستخدام في معهد المسابك النمساوي
معهد Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI؛ المعهد النمساوي للمسابك) هو معهد الأبحاث المشترك لصناعة المسابك النمساوية الذي يعمل به حوالي 40 موظفًا. وهو يتعامل مع قضايا صناعة المسابك وكذلك صناعة تكنولوجيا المعادن. وتشمل عروضه البحثية البحث والتطوير، والاستشارات الفنية، واختبار المواد، وفحص المواد والمكونات، والتصوير المقطعي بالكمبيوتر الصناعي، والمحاكاة العددية، والتدريب المتخصص.
"ÖGI" معتمد كمركز اختبار لـ 26 طريقة اختبار وفقًا لمعيار EN ISO/IEC 17025. في المختبر الفيزيائي الحراري، يتم تحديد معلمات المواد مثل الموصلية الحرارية والتمدد الحراري والسعة الحرارية حتى درجات حرارة عالية جداً. وتكتسب البيانات أهمية كبيرة لأي تطبيق لتطوير المواد، ولكنها تُستخدم أيضًا كمعلمات إدخال أساسية لعمليات المحاكاة الحاسوبية.
ومع ذلك، فإن نطاق المواد في المختبر الفيزيائي الحراري لا يقتصر على السبائك المعدنية التي يتم توصيفها في الحالة الصلبة والسائلة. وتشمل هذه المواد مواد التشكيل القائمة على الرمل المستخدمة في صناعة المسابك، ومواد البناء مثل الجبس، ومختلف الأخشاب أو المواد القائمة على الخشب، وأنواع الزجاج والمواد الخزفية.
أحد المتطلبات الأساسية في تغطية مثل هذه المجموعة الواسعة من المواد هو الحصول على أدوات قياس موثوقة بشكل خاص. وتحقيقًا لهذه الغاية، تعمل شركة ÖGI مع شركة NETZSCH-Gerätebau منذ عقود. وقد أثبتت جميع الأدوات الموجودة في مختبر ÖGI للفيزياء الحرارية نفسها من خلال الاستخدام على مدى فترة زمنية طويلة للغاية، عادةً ما تكون حوالي 20 عامًا. ومن بين هذه الأجهزة نظامان من طراز LFA 427، الأول يعمل هناك منذ عام 2003 والثاني منذ عام 2015. ومن المزايا الأخرى لأنظمة NETZSCH-Gerätebau توافر قطع الغيار على المدى الطويل إلى جانب الخدمة الممتازة والسريعة الاستجابة.
مواد للتطبيقات الفضائية
أصبحت المواد الخاصة بالتطبيقات الفضائية أيضًا جزءًا مهمًا من طيف مواد شركة ÖGI. تشارك ÖGI في العديد من المشاريع البحثية الدولية والتعاون الدولي. يتم اختبار مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك السبائك المعدنية والبلاستيك المقوى بألياف الكربون المستخدمة في الأقمار الصناعية ومراحل الصواريخ. كل أسبوع، تدخل عدة أطنان من المواد من المركبات الفضائية المهجورة إلى الغلاف الجوي للأرض. والمشكلة هنا هي التفكك غير المنضبط لحطام هذه المركبات الفضائية. وتتطلب الاتفاقيات الدولية الآن إما إعادة الدخول المتحكم فيه أو تقييم مخاطر التحطم غير المتحكم فيه لكل إقلاع جديد في المدار الأرضي المنخفض. وتُجرى عمليات محاكاة عددية للتحميل الحراري والميكانيكي أو الاحتراق أثناء العودة إلى الغلاف الجوي لتقييم المخاطر. ولتحسين القدرة على التنبؤ، هناك حاجة إلى بيانات مواد صالحة حتى درجات حرارة عالية جداً أو حتى المرحلة المنصهرة. وقد تمكنت ÖGI من تقديم مساهمات كبيرة في توصيف هذه المواد.
ومع ذلك، فإن الأقمشة الخزفية ورغاوي الجرافيت تمثل تحديًا خاصًا في التوصيف. وتستخدم هذه المواد كمركبات طبقات للدروع الواقية من الحرارة القابلة للنفخ (أنظمة الحماية الحرارية المتقدمة القابلة للنفخ) للبعثات الأرضية وبعثات المريخ المستقبلية.
ونظراً لأن معرفة خصائص المواد مطلوبة لدرجات حرارة أعلى بكثير من 1000 درجة مئوية، لا يمكن استخدام سوى طريقة الوميض الليزري؛ فهي الأداة الوحيدة القادرة على تحديد الانتشار الحراري في نطاق درجات الحرارة العالية. يُستخدم نظامان من طراز LFA 427 من شركة NETZSCH-Gerätebau في ÖGI لهذا الغرض. لا تكمن ميزة طريقة وميض الليزر في نطاق درجة الحرارة الواسع فحسب، بل تكمن أيضًا في قدرتها على قياس قيم الأقمشة ورغاوي الجرافيت تحت ضغوط وأجواء غازية مختلفة.
يجب أن ترتقي منهجية القياس والتقييم إلى مستوى المتطلبات التي تفرضها ليس فقط مشاكل مثل إنتاج عينات مناسبة، وسمك الأقمشة ورغوة الجرافيت الذي يصعب تحديده وعدم التجانس الجزئي، ولكن أيضًا تلك التي تفرضها مسامية المواد. في المثال التالي، تم اختبار رغوة جرافيت وهلام هوائي في جو من الأرجون. يوضح الشكل 3 أ) إشارة القياس (باللون الأزرق) بمرور الوقت لرغوة الجرافيت؛ والشكل 3 ب) للأيروجيل. نظرًا للهيكل المسامي للمادتين، لم يعد يتم امتصاص نبضة الليزر بالكامل عند السطح. ولحساب امتصاص نبضة الليزر في بنية المسام، يتم استخدام نموذج الاختراق الخاص ببرنامج NETZSCH Proteus®Ò LFA في كلتا الحالتين. لتقليل تأثيرات التدفق الحراري الطفيلي إلى الحد الأدنى، يتم تحديد نهاية نطاق تركيب المنحنى (الأحمر) بعد فترة وجيزة من الحد الأقصى. في حالة المواد الشفافة الإشعاعية، مثل الهلام الهوائي، لا تؤخذ الإشارة الأولية في الاعتبار في التقييم.
وإلى جانب التوصيف الفيزيائي الحراري لمختلف الأقمشة ورغاوي الجرافيت يتم استكمال القياسات الفيزيائية الحرارية باختبارات متعلقة بالتطبيق. من أجل اختبار السعة الحرارية للمركبات ذات الطبقات، يتم إجهادها حرارياً في مسبك اختبار ÖGI عند درجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، كما هو مخطط لهبوط المريخ. في نظام طبقات الحماية الحرارية، يتم دمج المزدوجات الحرارية بين الطبقات الفردية. عن طريق بوتقة من الجرافيت مع ذوبان النحاس، يمكن بعد ذلك تحميل مركب طبقات الحماية الحرارية فجأة حرارياً عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية تقريباً (الشكل 4 أ). يتم قياس درجات الحرارة بين الطبقات، مما يسمح بتحديد التدفق الحراري عبر نظام الطبقات. وللعزل الحراري عن البيئة، يتم وضع نظام الطبقات أثناء التجربة في قالب يتكون من إطار من السيراميك للتثبيت ومادة صب رملية ذات توصيل حراري منخفض من طابعة ثلاثية الأبعاد داخلية (الشكل 4ب). تتفق نتائج القياس للتجارب بشكل جيد جدًا مع المحاكاة الرقمية التي يتم فيها تنفيذ نتائج قياسات LFA لطبقات الحماية الحرارية الفردية (الشكل 5)."
شكراً جزيلاً لمعهد المسابك النمساوي في ليوبن على هذا التقرير المثير للاهتمام.
ونحن نتطلع إلى سنوات عديدة أخرى من التعاون الناجح!
