Термофизика за космически приложения и проекти за устойчиви сгради

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Австрийски леярски институт) е съвместният изследователски институт на австрийската леярска промишленост с около 40 служители. Институтът се занимава с проблемите на леярската промишленост и разполага със собствена тестова леярна, в която се провеждат ориентирани към приложение изследвания в областта на съответните процеси на леене и леене на сплави. Освен това ÖGI е и една от водещите лаборатории за изпитване в Австрия. Тук ÖGI излиза далеч извън рамките на действителната основна сфера на леярската и металообработващата промишленост. Техният спектър от услуги за научни изследвания и изпитване обхваща широк спектър от приложения: Безразрушително изпитване чрез рентгенова и компютърна томография, при което освен отливани компоненти се изпитват и образци от строителната индустрия или фармацевтиката; термофизика с широк спектър от материали, както и числено симулиране на процесите на леене и анализ на повредите; и дори технология за съединяване/повърхностно и лепене.

Като неуниверситетски научноизследователски институт ÖGI е акредитиран като изпитвателна лаборатория за 26 метода за изпитване от Accreditation Austria в оперативните области на химическата лаборатория, механичната лаборатория, физическата лаборатория и металографията. Изпитвателната лаборатория отговаря на изискванията на EN ISO/IEC 17025:2017. В термофизичната лаборатория се определят параметрите на материалите като топлопроводимост, топлинно разширение и топлинен капацитет от много ниски до много високи температури. Данните са от голямо значение за всяко разработване на материали, но също така служат като входни параметри за числени симулации. Обхватът на материалите в термофизичната лаборатория обаче не се ограничава само до металните сплави, които се характеризират предимно в твърдо състояние, но също и в течно състояние. Той включва също така материали за формоване на пясъчна основа, използвани в леярската промишленост, строителни материали като гипс и различни видове дървесина или материали на дървесна основа, разновидности на стъклото и керамични материали.

Наред с надеждността на аналитичните инструменти, отличната поддръжка на клиентите, осигурена от NETZSCH-Gerätebau GmbH, е от решаващо значение за това дългогодишно сътрудничество. Дългосрочната наличност на резервни части е също толкова важна, колкото и отличното и винаги достъпно обслужване на място, заедно с възможността за цялостна поддръжка на системите директно в NETZSCH-Gerätebau GmbH в Селб. Тази комбинация позволява на ÖGI да предложи широк спектър от приложения с предизвикателни материали на своите клиенти и партньори в рамките на двустранното сътрудничество сред национални и международни проекти.

Анализ на материали за космически приложения

Материалите за космически приложения също се превърнаха във важна част от спектъра на материалите на ÖGI. Всяка седмица няколко тона материали от изоставени космически кораби навлизат в земната атмосфера. Проблемът тук е неконтролируемото разпадане на тези космически отпадъци. Понастоящем международните споразумения изискват или контролирано влизане в атмосферата, или оценка на риска от неконтролирано разпадане за всяко ново излитане в ниска околоземна орбита. За целите на управлението 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 беше и е представена в различни международни изследователски проекти и сътрудничества. Изпитват се широк спектър от материали, включително метални сплави, пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, използвани в спътници и ракетни степени, както и керамични тъкани, аерогелове и графитни пяни, използвани като слоести композити за надуваеми топлинно-защитни щитове.

Керамичните тъкани и графитната пяна обаче са особено предизвикателство за характеризиране на материалите за космически приложения. Както беше посочено, те се използват като композитни материали за надуваеми топлинно-защитни щитове (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) за мисии на Земята и бъдещи мисии на Марс (фигура 2). Тъй като са необходими познания за характеристиките на материалите при температури далеч 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 от NETZSCH. Предимството на метода на лазерната светкавица се състои не само в широкия температурен диапазон, но и в способността му да измерва 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 3 е показан измервателният сигнал (син) с течение на времето за графитна пяна; на фигура 4 - 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 порестата структура, и в двата случая се използва моделът на проникване на софтуераNETZSCH Proteus^® LFA. 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 частично радиопрозрачни материали, като аерогел, първоначалният сигнал не се взема предвид при оценката.

Беше възможно да се използва опитът, натрупан в ÖGI от измерването на порести или частично разлагащи се материали от космическата индустрия, за да се натрупат експертни познания в друга област на приложение: Материали на дървесна основа като строителни материали за бъдещи устойчиви строителни проекти.

Материали на основата на дървесина за устойчиви строителни проекти

Дървото като строителен материал преживява силен подем през последните години. Нейният дял в бъдещите строителни проекти продължава да се увеличава поради положителните свойства на дървесината по отношение на намаляване на емисиите на_CO2, ниското потребление на енергия при производството, както и нейните топлоизолационни свойства. В този контекст материалите на основата на дървесина се използват не само в еднофамилни къщи, но и все по-често в многоетажни сгради или в проекти за високо строителство. Това дава възможност за устойчива редензификация в градските райони. Все по-широкото използване на материали на основата на дървесина обаче поставя и по-високи изисквания за противопожарна защита на дървесината като материал. Пожароустойчивостта на дървените конструкции трябва да бъде доказана, а досега това е ставало чрез трудоемки и скъпоструващи пожарни изпитвания. Ето защо, както и при материалите за космически приложения, има голям интерес към прилагането на числени симулации; в този случай за прогнозиране на поведението при пожар на дървени конструкции. Като входни данни за изчисленията отново са необходими термофизични данни за дървените материали в различни състояния: за влажна дървесина, суха дървесина и пиролизиран материал до високотемпературния диапазон от 900°C. Те се събират в ÖGI с инструментите за анализ на NETZSCH-Gerätebau GmbH; за целта се използва, наред с другото, и LFA 427.

Особено предизвикателство при характеризирането на материалите на дървесна основа до високотемпературния диапазон от няколкостотин градуса представлява, от една страна, порестият характер на дървесината, а от друга - разлагането на материала под въздействието на висока температура, какъвто е случаят с лазерните изстрели в LFA. Следователно за измерване на дървесината до границата на термична стабилност (начало на пиролитично разлагане) подготвените проби трябва да бъдат подходящо покрити. За тази цел подходящо покритие се оказва залепващо медно фолио (приблизително 35 µm медно фолио + 35 µm акрилатно лепило) от долната страна на образеца. Поради порьозния характер на дървесината образците трябва да бъдат покрити и от горната страна, за да се предотврати засичането на повишаването на температурата от горната страна на образеца от пространството на порите. За тази цел образците бяха покрити с тънък слой термопаста (около 80 µm) (схема на фигура 5). Покритието обаче оказва влияние върху изчисляването на термичната дифузия на дървесината поради увеличаването на дебелината на целия образец, както и на различните материали. За да се оцени влиянието на покритието, бяха извършени референтни измервания с материали с подобна топлопроводимост; те могат да бъдат измерени както с, така и без покритие. На фигура 6 е показана измерената топлинна дифузия на черен бакелит® . Във връзка с измерената дебелина на образеца, покритието води до по-ниска топлинна дифузия (червената крива на фигура 6), отколкото за образеца без покритие (синята крива), поради увеличаването на времето на нарастване. Чрез корекция на цялата дебелина на образеца може да се апроксимира действителната топлинна дифузия на материала, а лекото отклонение може да се разглежда като друг член на неопределеността на измерването. Корекцията на дебелината може да се извърши и директно с функцията, интегрирана в софтуераNETZSCH - Proteus^® LFA в този случай.

Измерването на топлинната дифузия на пиролизирани материали не изисква покритие. Поради порьозния характер на дървесината или дървените въглища обаче лазерният импулс - както се вижда и от графитната пяна - вече не се абсорбира напълно на повърхността. За да се вземе предвид поглъщането на лазерния импулс в структурата на порите, в случая на пиролизирани проби се използва моделът на проникване на софтуераNETZSCH Proteus^® LFA. На фигура 7 е представен измервателният сигнал (синьо) във времето за проба от дървени въглища и напасване с помощта на модела на проникване (червено).

Споделете тази статия: