29.09.2022 by Aileen Sammler
60 let NETZSCH-Gerätebau: LFA ve vesmírných aplikacích
V září se vše točí kolem laserové bleskové analýzy. Jsme hrdí na to, že můžeme představit zprávu z terénu od našeho dlouholetého zákazníka, Rakouského slévárenského institutu. Přečtěte si o použití LFA v Rakouském slévárenském institutu - Termofyzika pro vesmírné aplikace.
LFA v provozu v Rakouském slévárenském institutu
Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI) je společný výzkumný ústav rakouského slévárenského průmyslu s přibližně 40 zaměstnanci. Zabývá se problematikou slévárenského průmyslu a kovoprůmyslu. Jeho výzkumná nabídka zahrnuje výzkum a vývoj, technické poradenství, testování materiálů, zkoumání materiálů a součástí, průmyslovou počítačovou tomografii, numerické simulace a specializované školení.
"ÖGI je akreditováno jako zkušební středisko pro 26 zkušebních metod podle normy EN ISO/IEC 17025. 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 až do velmi vysokých teplot. Tyto údaje mají velký význam pro jakoukoli aplikaci vývoje materiálů, ale slouží také jako základní vstupní parametry pro počítačové simulace.
Rozsah materiálů v termofyzikální laboratoři však není omezen pouze na kovové slitiny charakterizované v pevném a kapalném stavu. Patří mezi ně například formovací materiály na bázi písku používané ve slévárenství, stavební materiály, jako je sádra, různé druhy dřeva nebo materiálů na bázi dřeva, různé druhy skla a keramické materiály.
Jedním z předpokladů pro pokrytí tak širokého spektra materiálů je mít k dispozici obzvláště spolehlivé měřicí přístroje. Za tímto účelem ÖGI již po desetiletí spolupracuje s NETZSCH-Gerätebau. Všechny přístroje v termofyzikální laboratoři ÖGI se osvědčily používáním po mimořádně dlouhou dobu, obvykle kolem 20 let. Patří mezi ně i dva systémy LFA 427, z nichž první je zde v provozu od roku 2003 a druhý od roku 2015. Další výhodou systémů od NETZSCH-Gerätebau je dlouhodobá dostupnost náhradních dílů v kombinaci s vynikajícím a rychle reagujícím servisem.
Materiály pro kosmické aplikace
Důležitou součástí spektra materiálů ÖGI se staly také materiály pro kosmické aplikace. ÖGI je zapojena do různých mezinárodních výzkumných projektů a spolupráce. Testuje se široká škála materiálů, včetně kovových slitin a plastů vyztužených uhlíkovými vlákny, které se používají v družicích a raketových stupních. Každý týden se do zemské atmosféry dostane několik tun materiálu z opuštěných kosmických lodí. Problémem je zde 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 posouzení 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 se podařilo významně přispět k charakterizaci těchto materiálů.
Keramické tkaniny a grafitové pěny jsou však obzvláště náročné na charakterizaci. Ty se používají jako vrstvené kompozity pro nafukovací tepelně ochranné štíty (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) pro mise na Zemi a budoucí mise na Mars.
Protože je třeba znát vlastnosti materiálu pro teploty vysoko nad 1000 °C, lze použít pouze metodu laserového záblesku; je to jediný přístroj, který je schopen určit tepelnou difuzivitu do vysokoteplotního rozsahu. V ÖGI se k tomu používají dva systémy LFA 427 od společnosti NETZSCH-Gerätebau. Výhoda metody laserového záblesku spočívá nejen v širokém teplotním rozsahu, ale také v možnosti měřit hodnoty pro tkaniny a grafitové pěny při různých tlacích a plynných atmosférách.
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 byla testována grafitová pěna a aerogel v atmosféře argonu. Obrázek 3a) ukazuje signál měření (modře) v průběhu času pro grafitovou pěnu; obrázek 3b) pro aerogel. Vzhledem k porézní struktuře obou materiálů již není laserový puls zcela absorbován na povrchu. Pro zohlednění absorpce laserového pulzu v pórové struktuře byl použit penetrační model NETZSCH Proteus®Ò softwaru LFA v obou případech. Pro minimalizaci parazitních účinků tepelného toku je zvolen konec rozsahu přizpůsobení křivky (červená barva) krátce za maximem. V případě radiolucentních materiálů, jako jsou aerogely, se počáteční signál při vyhodnocování nebere v úvahu.
Vedle termofyzikální charakterizace různých tkanin a grafitových pěn jsou termofyzikální měření doplněna o testy související s aplikacemi. Za účelem testování tepelné kapacity vrstvených kompozitů jsou tyto tepelně namáhány ve zkušební slévárně ÖGI při teplotách nad 1000 °C, jak je plánováno pro přistání na Marsu. V systému tepelně ochranných vrstev jsou mezi jednotlivé vrstvy integrovány termočlánky. Pomocí grafitového kelímku s měděnou taveninou lze pak kompozit tepelně ochranných vrstev náhle tepelně zatížit při teplotě přibližně 1100 °C (obr. 4a)). Měří se teploty mezi vrstvami, což umožňuje určit tepelný tok systémem vrstev. Pro tepelnou izolaci od okolního prostředí je systém vrstev během experimentu umístěn do formy, která se skládá z keramického rámu pro fixaci a formovacího materiálu na bázi písku s nízkou tepelnou vodivostí z vlastní 3D tiskárny (obr. 4b)). Výsledky měření experimentů jsou ve velmi dobré shodě s numerickou simulací, v níž jsou implementovány výsledky měření LFA pro jednotlivé tepelně ochranné vrstvy (obr. 5)."
Děkujeme Rakouskému slévárenskému institutu v Leobenu za tuto velmi zajímavou zprávu.
Těšíme se na další roky úspěšné spolupráce!
