Termofysik til rumapplikationer og bæredygtige byggeprojekter

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, det østrigske støberiinstitut) er den østrigske støberiindustris fælles forskningsinstitut med omkring 40 ansatte. Det håndterer spørgsmål inden for støberiindustrien og driver sit eget teststøberi, hvor der udføres anvendelsesorienteret forskning i de respektive støbeprocesser og støbning af legeringer. Desuden er ÖGI også et af de førende testlaboratorier i Østrig. Her bevæger ÖGI sig langt ud over det egentlige kerneområde inden for støberi- og metalteknologiindustrien. Deres udvalg af forsknings- og testtjenester dækker et bredt spektrum af anvendelser: Ikke-destruktiv testning med røntgen og computertomografi, hvor prøver fra byggematerialeindustrien eller medicinalindustrien testes ud over støbte komponenter; termofysik med en bred vifte af materialer samt numerisk simulering af støbeprocesser og fejlanalyse; og endda sammenføjnings-/overflade- og limningsteknologi.

Som et ikke-universitært forskningsinstitut er ÖGI akkrediteret som testlaboratorium for 26 testmetoder af Accreditation Austria inden for de operationelle områder kemisk laboratorium, mekanisk laboratorium, fysisk laboratorium og metallografi. Testlaboratoriet opfylder kravene i EN ISO/IEC 17025:2017. I det termofysiske laboratorium bestemmes materialeparametre som Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, varmeudvidelse og varmekapacitet fra meget lave til meget høje temperaturer. Dataene er af stor betydning for enhver materialeudvikling, men tjener også som inputparametre til numeriske simuleringer. Udvalget af materialer i det termofysiske laboratorium er dog ikke begrænset til metallegeringer, som primært karakteriseres i fast tilstand, men også i flydende tilstand. Det omfatter også sandbaserede støbematerialer, der bruges i støberiindustrien, byggematerialer som gips og forskellige træsorter eller træbaserede materialer, glassorter og keramiske materialer.

Sammen med analyseinstrumenternes pålidelighed har den fremragende kundesupport fra NETZSCH-Gerätebau GmbH været afgørende for dette mangeårige samarbejde. Den langsigtede tilgængelighed af reservedele har været lige så vigtig som den fremragende og altid tilgængelige service på stedet sammen med muligheden for omfattende vedligeholdelse af systemerne direkte hos NETZSCH-Gerätebau GmbH i Selb. Denne kombination gør det muligt for ÖGI at tilbyde en bred vifte af applikationer med udfordrende materialer til deres kunder og partnere inden for rammerne af bilaterale samarbejder mellem nationale og internationale projekter.

Materialeanalyse til rumapplikationer

Materialer til rumfart er også blevet en vigtig del af ÖGI's materialespektrum. Hver uge kommer flere tons materiale fra forladte rumfartøjer ind i jordens atmosfære. Problemet her er den ukontrollerede NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af sådanne rumfartøjer. Internationale aftaler kræver nu enten kontrolleret genindtræden eller risikovurdering for ukontrollerede nedstyrtninger for hver ny start i lavt kredsløb om jorden. Numeriske simuleringer af termisk og mekanisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning eller afbrænding under genindtræden udføres til risikostyring. For at forbedre forudsigelsesevnen er der brug for gyldige materialedata op til meget høje temperaturer eller ned til den smeltede fase.

ÖGI var og er repræsenteret i forskellige internationale forskningsprojekter og -samarbejder. En bred vifte af materialer testes, herunder metallegeringer, kulfiberforstærket plast, der bruges i satellitter og rakettrin, og keramiske stoffer, aerogeler og grafitskum, der bruges som lagkompositter til oppustelige varmebeskyttelsesskjolde.

Keramiske stoffer og grafitskum er dog særligt udfordrende, når man skal karakterisere materialer til rumfart. Som nævnt bruges de som lagkompositter til oppustelige varmebeskyttelsessystemer (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) til jord- og fremtidige Mars-missioner (figur 2). Da der er brug for viden om materialernes egenskaber ved temperaturer langt over 1000 °C, kan kun laserblitzmetoden anvendes; det er det eneste instrument, der er i stand til at bestemme Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet i højtemperaturområdet. To LFA 427-systemer fra NETZSCH bruges på ÖGI til dette formål. Fordelen ved laserflashmetoden er ikke kun dens brede temperaturområde, men også dens evne til at måle stoffer og grafitskum under forskellige tryk og gasatmosfærer.

Målemetoder og evaluering skal leve op til de krav, der stilles, ikke kun i forbindelse med fremstilling af egnede prøver, den svært definerbare tykkelse af tekstiler og grafitskum og delvis inhomogenitet, men også i forbindelse med materialernes porøsitet. I det følgende eksempel blev et grafitskum og en aerogel hver især testet i en argonatmosfære. Figur 3 viser målesignalet (blåt) over tid for et grafitskum; figur 4 for en aerogel. På grund af den porøse struktur i de to materialer absorberes laserpulsen ikke længere helt ved overfladen. For at tage højde for absorptionen af laserpulsen i porestrukturen anvendes penetrationsmodellen i NETZSCH Proteus^® LFA-softwaren i begge tilfælde. For at minimere parasitære varmestrømseffekter vælges en ende af kurvetilpasningsområdet (rød) kort efter maksimum. I tilfælde af delvist radiotransparente materialer, som f.eks. aerogel, tages der ikke hensyn til det oprindelige signal i evalueringen.

Det var muligt at bruge erfaringerne fra ÖGI med måling af porøse eller delvist nedbrudte materialer fra rumfartsindustrien til at opbygge ekspertise inden for et andet anvendelsesområde: Træbaserede materialer som byggematerialer til fremtidige bæredygtige byggeprojekter.

Træbaserede materialer til bæredygtige byggeprojekter

Træ som byggemateriale har oplevet et stærkt opsving i de senere år. Dets andel i fremtidige byggeprojekter fortsætter med at stige på grund af træets positive egenskaber med hensyn til at reducere_{CO2-udledningen}, det lave energiforbrug under produktionen og dets varmeisolerende egenskaber. I denne sammenhæng anvendes træbaserede materialer ikke kun i enfamiliehuse, men også i stigende grad i bygninger med flere etager eller i højhusprojekter. Det giver mulighed for bæredygtig fortætning i byområder. Men den øgede brug af træbaserede materialer stiller også højere krav til brandbeskyttelse af træ som materiale. Trækonstruktioners brandmodstandsdygtighed skal dokumenteres, og det er hidtil sket ved hjælp af tidskrævende og omkostningstunge brandtests. Derfor er der, ligesom med materialer til rumfart, stor interesse for at anvende numeriske simuleringer; i dette tilfælde til at forudsige brandadfærden i trækonstruktioner. Som inputdata til beregningerne er der igen brug for termofysiske data for træmaterialerne i forskellige tilstande: for fugtigt træ, tørt træ og pyrolyseret materiale op til højtemperaturområdet på 900 °C. Disse data indsamles på ÖGI med analyseinstrumenter fra NETZSCH-Gerätebau GmbH; LFA 427 bruges blandt andet til dette.

En særlig udfordring ved karakterisering af træbaserede materialer op til højtemperaturområdet på flere hundrede grader er på den ene side træets porøse karakter og på den anden side nedbrydningen af materialet under påvirkning af høj varmeeksponering, som det er tilfældet med laserskud i LFA. Til måling af træ op til den termiske stabilitetsgrænse (start af pyrolytisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning) skal de forberedte prøver derfor være passende belagt. Til dette formål har en selvklæbende kobberfolie (ca. 35 µm kobberfolie + 35 µm akrylatklæbemiddel) på undersiden af prøven vist sig at være en passende belægning. På grund af træets porøse karakter skal prøverne også coates på oversiden for at forhindre, at temperaturstigningen på oversiden af prøven registreres fra porerummet. Til dette formål blev prøverne belagt med et tyndt lag termisk pasta (ca. 80 µm) (skematisk i figur 5). Belægningen påvirker dog beregningen af træets termiske diffusivitet på grund af stigningen i tykkelsen af hele prøven samt de forskellige materialer. For at estimere belægningens indflydelse blev der udført referencemålinger med materialer med lignende Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne; disse kan måles både med og uden belægning. Figur 6 viser den målte termiske diffusivitet for sort Bakelite®. I forhold til den målte tykkelse af prøven fører belægningen til en lavere Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet (rød kurve i figur 6) end for den ubelagte prøve (blå kurve) på grund af den øgede stigningstid. Ved at korrigere hele prøvens tykkelse kan man tilnærme sig materialets faktiske termiske diffusivitet, og den lille afvigelse kan betragtes som endnu et led i måleusikkerheden. Tykkelseskorrektionen kan også udføres direkte med den funktion, der er integreret i NETZSCH- i dette tilfældeProteus^® LFA-software.

Måling af den termiske diffusivitet af pyrolyserede materialer kræver ikke en belægning. På grund af den porøse karakter af træ eller trækul absorberes laserpulsen dog ikke længere fuldt ud på overfladen, som det også fremgår af grafitskum. For at tage højde for absorptionen af laserpulsen i porestrukturen anvendes penetrationsmodellen i NETZSCH Proteus^® LFA-softwaren i tilfælde af pyrolyserede prøver. Figur 7 viser målesignalet (blå) over tid for en trækulsprøve og tilpasning ved hjælp af penetrationsmodellen (rød).

Del denne artikel: