Termofyzika pro vesmírné aplikace a projekty udržitelných budov

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Rakouský slévárenský institut) je společný výzkumný ústav rakouského slévárenského průmyslu s přibližně 40 zaměstnanci. Zabývá se problematikou slévárenství a provozuje vlastní zkušební slévárnu, kde se provádí aplikačně orientovaný výzkum v oblasti příslušných procesů odlévání a odlévání slitin. Kromě toho je ÖGI také jednou z předních zkušebních laboratoří v Rakousku. Zde se ÖGI pohybuje daleko za hranicemi vlastní hlavní oblasti slévárenství a kovozpracujícího průmyslu. Jejich nabídka výzkumných a zkušebních služeb pokrývá široké spektrum aplikací: Kromě odlitků se zde testují i vzorky ze stavebního průmyslu nebo farmaceutického průmyslu, termofyzika s širokou škálou materiálů a numerická simulace procesů odlévání a analýza poruch, a dokonce i technologie spojování/povrchové úpravy a lepení.

Jako neuniverzitní výzkumný ústav je ÖGI akreditován jako zkušební laboratoř pro 26 zkušebních metod rakouskou akreditací v provozních oblastech chemické laboratoře, mechanické laboratoře, fyzikální laboratoře a metalografie. Zkušební laboratoř splňuje požadavky normy EN ISO/IEC 17025:2017. V termofyzikální laboratoři se stanovují parametry materiálů, jako je Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost, tepelná roztažnost a tepelná kapacita, a to od velmi nízkých až po velmi vysoké teploty. Tyto údaje mají velký význam pro jakýkoli vývoj materiálu, ale slouží také jako vstupní parametry pro numerické simulace. Rozsah materiálů v termofyzikální laboratoři se však neomezuje pouze na kovové slitiny, které se charakterizují především v pevném stavu, ale také v kapalném stavu. Zahrnuje také formovací materiály na bázi písku používané ve slévárenství, stavební materiály, jako je sádra a různé dřevo nebo materiály na bázi dřeva, různé druhy skla a keramické materiály.

Vedle spolehlivosti analytických přístrojů byla pro tuto dlouholetou spolupráci rozhodující vynikající zákaznická podpora poskytovaná společností NETZSCH-Gerätebau GmbH. Dlouhodobá dostupnost náhradních dílů byla stejně důležitá jako vynikající a vždy dostupný servis na místě, spolu s možností komplexní údržby systémů přímo na adrese NETZSCH-Gerätebau GmbH v Selbu. Tato kombinace umožňuje společnosti ÖGI nabízet svým zákazníkům a partnerům širokou škálu aplikací s náročnými materiály v rámci bilaterální spolupráce mezi národními a mezinárodními projekty.

Analýza materiálů pro kosmické aplikace

Důležitou součástí materiálového spektra ÖGI se staly také materiály pro kosmické aplikace. Každý týden se do zemské atmosféry dostane několik tun materiálu z opuštěných kosmických lodí. Problémem je přitom nekontrolovaný rozpad těchto úlomků kosmických lodí. Mezinárodní dohody nyní vyžadují pro každý nový start na nízkou oběžnou dráhu Země buď řízený návrat do atmosféry, nebo posouzení rizika neřízeného rozpadu. Pro účely řízení rizik se provádějí numerické simulace tepelného a mechanického zatížení nebo vyhoření při návratu do atmosféry. Pro lepší schopnost předpovědí jsou zapotřebí platné údaje o materiálu až do velmi vysokých teplot nebo až do roztavené fáze.

ÖGI byla a je zastoupena v různých mezinárodních výzkumných projektech a kooperacích. Testuje se široká škála materiálů, včetně kovových slitin, plastů vyztužených uhlíkovými vlákny používaných v družicích a raketových stupních a keramických tkanin, aerogelů a grafitových pěn používaných jako vrstvené kompozity pro nafukovací tepelně ochranné štíty.

Keramické tkaniny a grafitové pěny jsou však obzvláště náročné pro charakterizaci materiálů pro kosmické aplikace. Jak bylo uvedeno, používají se jako vrstvené kompozity pro nafukovací tepelně ochranné štíty (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) pro mise na Zemi a budoucí mise na Mars (obrázek 2). Protože je třeba znát vlastnosti materiálů pro teploty vysoko nad 1000 °C, lze použít pouze metodu laserového záblesku; je to jediný přístroj, který je schopen stanovit tepelnou difuzivitu do vysokoteplotního rozsahu. V ÖGI se k tomuto účelu používají dva systémyLFA 427 od společnosti NETZSCH. Výhoda metody laserového záblesku spočívá nejen v širokém teplotním rozsahu, ale také v možnosti měřit tkaniny a grafitové pěny za různých tlaků a plynných atmosfér.

Metodika měření a vyhodnocování musí odpovídat nejen požadavkům, které klade výroba vhodných vzorků, obtížně definovatelná tloušťka tkanin a grafitových pěn a částečná nehomogenita, ale také požadavkům, které klade pórovitost materiálů. V následujícím příkladu byly testovány grafitová pěna a aerogel v atmosféře argonu. Obrázek 3 ukazuje signál měření (modře) v průběhu času pro grafitovou pěnu; obrázek 4 pro aerogel. Vzhledem k porézní struktuře obou materiálů již není laserový puls zcela absorbován na povrchu. Pro zohlednění absorpce laserového pulzu v pórové struktuře je v obou případech použit penetrační model softwaruNETZSCH Proteus^® LFA. Pro minimalizaci parazitních efektů tepelného toku je zvolen konec rozsahu přizpůsobení křivky (červená barva) krátce za maximem. V případě částečně radiolucentních materiálů, jako je aerogel, se počáteční signál při vyhodnocování nebere v úvahu.

Zkušenosti získané v ÖGI při měření porézních nebo částečně rozkládajících se materiálů z kosmického průmyslu bylo možné využít k vybudování odborných znalostí v další oblasti použití: Materiály na bázi dřeva jako stavební materiály pro budoucí udržitelné stavební projekty.

Materiály na bázi dřeva pro udržitelné stavební projekty

Dřevo jako stavební materiál zažívá v posledních letech silný vzestup. Jeho podíl na budoucích stavebních projektech stále roste díky pozitivním vlastnostem dřeva, pokud jde o snižování emisí_CO2, nízkou spotřebu energie při výrobě a také jeho tepelně izolační vlastnosti. V této souvislosti se materiály na bázi dřeva používají nejen v rodinných domech, ale stále častěji také ve vícepodlažních budovách nebo ve výškových stavebních projektech. To umožňuje udržitelnou redensifikaci městských oblastí. Zvýšené používání materiálů na bázi dřeva však také klade na dřevo jako materiál vyšší požadavky na požární ochranu. Požární odolnost dřevěných konstrukcí musí být prokázána, a to se dosud dělo pomocí časově a finančně náročných požárních zkoušek. Proto je stejně jako u materiálů pro kosmické aplikace velký zájem o použití numerických simulací; v tomto případě k předpovědi chování dřevěných konstrukcí při požáru. Jako vstupní data pro výpočty jsou opět požadována termofyzikální data pro dřevěné materiály v různých stavech: pro vlhké dřevo, suché dřevo a pyrolyzovaný materiál až do vysokoteplotního rozsahu 900 °C. Tyto údaje jsou shromažďovány v ÖGI pomocí analytických přístrojů společnosti NETZSCH-Gerätebau GmbH; LFA 427 se k tomu používá mj.

Zvláštní výzvu při charakterizaci materiálů na bázi dřeva až do vysokoteplotního rozsahu několika set stupňů představuje na jedné straně porézní charakter dřeva a na druhé straně Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad materiálu vlivem působení vysokých teplot, jako je tomu v případě laserových výstřelů v LFA. Pro měření dřeva až po hranici tepelné stability (počátek pyrolytického rozkladu) je proto nutné připravené vzorky vhodně natřít. Za tímto účelem se jako vhodný nátěr ukázala měděná lepicí fólie (cca 35 µm měděné fólie + 35 µm akrylátového lepidla) na spodní straně vzorku. Vzhledem k poréznímu charakteru dřeva musí být vzorky potaženy také na horní straně, aby se zabránilo detekci nárůstu teploty na horní straně vzorku z prostoru pórů. Za tímto účelem byly vzorky potaženy tenkou vrstvou termální pasty (přibližně 80 µm) (schéma na obrázku 5). Nátěr však ovlivňuje výpočet tepelné difuzivity dřeva v důsledku nárůstu tloušťky celého vzorku i různých materiálů. Pro odhad vlivu nátěru byla provedena referenční měření s materiály s podobnou tepelnou vodivostí; ty lze měřit jak s nátěrem, tak bez něj. Obrázek 6 ukazuje naměřenou tepelnou difuzivitu černého bakelitu® . V souvislosti s naměřenou tloušťkou vzorku vede povlak k nižší tepelné difuzivitě (červená křivka na obrázku 6) než u vzorku bez povlaku (modrá křivka) v důsledku prodloužení doby náběhu. Korekcí celé tloušťky vzorku lze aproximovat skutečnou tepelnou difuzivitu materiálu a mírnou odchylku lze považovat za další člen nejistoty měření. Korekci tloušťky lze v tomto případě provést také přímo pomocí funkce integrované v softwaruNETZSCH - Proteus^® LFA.
.

Měření tepelné difuzivity pyrolyzovaných materiálů nevyžaduje nátěr. Vzhledem k poréznímu charakteru dřeva nebo dřevěného uhlí však laserový puls není - jak je patrné i u grafitových pěn - na povrchu již plně absorbován. Pro zohlednění absorpce laserového pulzu ve struktuře pórů se v případě pyrolyzovaných vzorků používá penetrační model softwaruNETZSCH Proteus^® LFA. Na obr. 7 je znázorněn měřicí signál (modře) v čase pro vzorek dřevěného uhlí a fitování pomocí penetračního modelu (červeně).

Sdílet tento článek: