29.09.2022 by Aileen Sammler
60 години NETZSCH-Gerätebau: LFA в употреба за космически приложения
През септември всичко е посветено на лазерния флаш анализ. Горди сме да представим доклад от полеви условия, изготвен от нашия дългогодишен клиент - Австрийския леярски институт. Прочетете за използвания LFA в Австрийския леярски институт - Термофизика за космически приложения.
Използване на LFA в Австрийския леярски институт
Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI) е съвместният изследователски институт на австрийската леярска промишленост с около 40 служители. Той се занимава с въпроси на леярската промишленост, както и на металообработващата промишленост. Изследователските му предложения включват научноизследователска и развойна дейност, технически консултации, изпитване на материали, изследване на материали и компоненти, промишлена компютърна томография, цифрова симулация и специализирано обучение.
"ÖGI е акредитиран като център за изпитване на 26 метода за изпитване в съответствие с EN ISO/IEC 17025. В термофизичната лаборатория се определят параметрите на материалите като топлопроводимост, топлинно разширение и топлинен капацитет до много високи температури. Данните са от голямо значение за всяко приложение за разработване на материали, но също така служат като основни входни параметри за компютърни симулации.
Обхватът на материалите в термофизичната лаборатория обаче не се ограничава само до метални сплави, характеризирани в твърдо и течно състояние. Те включват материали за формоване на пясъчна основа, използвани в леярската промишленост, строителни материали като гипс, различни видове дървесина или материали на дървесна основа, разновидности на стъклото и керамични материали.
Една от предпоставките за обхващане на такъв широк спектър от материали е наличието на особено надеждни измервателни инструменти. За тази цел ÖGI от десетилетия работи съвместно с NETZSCH-Gerätebau. Всички уреди в термофизичната лаборатория на ÖGI са се доказали чрез използване в продължение на изключително дълъг период от време, обикновено около 20 години. Сред тях са две системи LFA 427, първата от които работи там от 2003 г., а втората от 2015 г. Друго предимство на системите от NETZSCH-Gerätebau е дългосрочната наличност на резервни части в комбинация с отлично и бързо реагиращо обслужване.
Материали за космически приложения
Материалите за космически приложения също се превърнаха във важна част от спектъра на материалите на ÖGI. ÖGI участва в различни международни изследователски проекти и сътрудничества. Изпитва се широк спектър от материали, включително метални сплави и подсилени с въглеродни влакна пластмаси, използвани в спътници и ракетни степени. Всяка седмица няколко тона материали от изоставени космически апарати навлизат в земната атмосфера. Проблемът тук е неконтролируемото разпадане на тези космически отпадъци. Понастоящем международните споразумения изискват за всяко ново излитане в ниска околоземна орбита или контролирано влизане в атмосферата, или оценка на риска от неконтролирано разпадане. За оценка на риска се извършват числени симулации на топлинното и механичното натоварване или изгаряне по време на повторното влизане в атмосферата. За да се подобрят възможностите за прогнозиране, са необходими валидни данни за материалите до много високи температури или до разтопена фаза. ÖGI успя да даде значителен принос за характеризирането на тези материали.
Керамичните тъкани и графитната пяна обаче са особено трудни за характеризиране. Те се използват като слоести композити за надуваеми щитове за топлинна защита (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) за мисиите на Земята и бъдещите мисии на Марс.
Тъй като са необходими познания за характеристиките на материала при температури над 1000 °C, може да се използва само методът на лазерната светкавица; това е единственият инструмент, който може да определи топлинната дифузия във високотемпературния диапазон. За тази цел в ÖGI се използват две системи LFA 427 на NETZSCH-Gerätebau. Предимството на метода на лазерната светкавица се състои не само в широкия температурен диапазон, но и във възможността за измерване на стойности за тъкани и графитни пяни при различни налягания и газови атмосфери.
Методологията на измерването и оценката трябва да отговарят на изискванията, които се поставят не само от проблеми като производството на подходящи образци, трудната за определяне дебелина на тъканите и графитната пяна и частичната нехомогенност, но и от порьозността на материалите. В следващия пример графитна пяна и аерогел са тествани в аргонова атмосфера. На фигура 3а) е показан измервателният сигнал (син) с течение на времето за графитна пяна; на фигура 3б) - за аерогел. Поради порестата структура на двата материала лазерният импулс вече не се поглъща изцяло на повърхността. За да се отчете поглъщането на лазерния импулс в структурата на порите, моделът на проникване на NETZSCH Proteus®Ò LFA софтуер се използва и в двата случая. За да се сведат до минимум ефектите на паразитния топлинен поток, краят на диапазона на напасване на кривата (червено) е избран малко след максимума. В случай на радиопрозрачни материали, като например аерогелове, първоначалният сигнал не се взема предвид при оценката.
Наред с термофизичното охарактеризиране на различни тъкани и графитни пяни, термофизичните измервания се допълват с тестове, свързани с приложението. За да се тества термичният капацитет на слоестите композити, те се подлагат на термично натоварване в тестовата леярна на ÖGI при температури над 1000 °C, както е планирано за кацането на Марс. В системата от термични защитни слоеве между отделните слоеве са вградени термодвойки. С помощта на графитен тигел с медна стопилка композитът от термозащитни слоеве може да бъде внезапно термично натоварен при приблизително 1100°C (фигура 4а)). Измерват се температурите между слоевете, което позволява да се определи топлинният поток през системата от слоеве. За топлинна изолация от околната среда системата от слоеве се поставя по време на експеримента в калъп, състоящ се от керамична рамка за фиксиране и материал за формоване на пясъчна основа с ниска топлопроводимост от собствен 3-D принтер (фигура 4б)). Резултатите от измерванията на експериментите са в много добро съответствие с числената симулация, в която са реализирани резултатите от измерванията на LFA за отделните термозащитни слоеве (фигура 5)."
Благодарим на Австрийския институт по леярство в Леобен за този много интересен доклад.
Очакваме с нетърпение още много години успешно сътрудничество!
