29.09.2022 by Aileen Sammler
60 år med NETZSCH-Gerätebau: LFA i brug til rumapplikationer
I september handler det om laserblitzanalyse. Vi er stolte af at kunne præsentere en feltrapport fra vores mangeårige kunde, det østrigske støberiinstitut. Læs om LFA i brug hos Austrian Foundry Institute - Thermophysics for Space Applications.
LFA i brug på det østrigske støberiinstitut
Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI; det østrigske støberiinstitut) er den østrigske støberiindustris fælles forskningsinstitut med omkring 40 ansatte. Det beskæftiger sig med spørgsmål inden for støberiindustrien og den metalteknologiske industri. Forskningstilbuddene omfatter F&U, teknisk rådgivning, materialetestning, materiale- og komponentundersøgelser, industriel computertomografi, numerisk simulering og specialuddannelse.
"ÖGI er akkrediteret som testcenter for 26 testmetoder i overensstemmelse med EN ISO/IEC 17025. 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 op til meget høje temperaturer. Dataene er af stor betydning for enhver materialeudvikling, men fungerer også som vigtige inputparametre til computersimuleringer.
Udvalget af materialer i det termofysiske laboratorium er dog ikke begrænset til metallegeringer, der karakteriseres i fast og flydende tilstand. De omfatter sandbaserede støbematerialer, der bruges i støberiindustrien, byggematerialer som gips, forskellige træsorter eller træbaserede materialer, glassorter og keramiske materialer.
En forudsætning for at kunne dække et så bredt udvalg af materialer er at have særligt pålidelige måleinstrumenter. Til dette formål har ÖGI arbejdet sammen med NETZSCH-Gerätebau i årtier. Alle instrumenterne i ÖGI's termofysiske laboratorium har bevist deres værd gennem brug over en usædvanlig lang periode, normalt omkring 20 år. Blandt disse er to LFA 427-systemer, hvoraf det første har været i drift siden 2003 og det andet siden 2015. En anden fordel ved systemerne fra NETZSCH-Gerätebau er den langsigtede tilgængelighed af reservedele i kombination med fremragende og hurtigt reagerende service.
Materialer til rumfart
Materialer til rumfart er også blevet en vigtig del af ÖGI's materialespektrum. ÖGI er involveret i forskellige internationale forskningsprojekter og samarbejder. En bred vifte af materialer testes, herunder metallegeringer og kulfiberforstærket plast, der bruges i satellitter og rakettrin. Hver uge kommer flere tons materiale fra forladte rumfartøjer ind i jordens atmosfære. Problemet her er den ukontrollerede opløsning af sådanne rumfartøjsrester. 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 risikovurdering. For at forbedre forudsigelsesevnen er der brug for gyldige materialedata op til meget høje temperaturer eller ned til den smeltede fase. ÖGI har været i stand til at yde væsentlige bidrag til karakteriseringen af disse materialer.
Keramiske stoffer og grafitskum er dog særligt udfordrende at karakterisere. Disse bruges som lagkompositter til oppustelige varmebeskyttelsessystemer (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) til jord- og fremtidige Mars-missioner.
Da der er brug for viden om materialets 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-Gerätebau bruges på ÖGI til dette. Fordelen ved laserflashmetoden er ikke kun det brede temperaturområde, men også dens evne til at måle værdier for tekstiler 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 testet i en argonatmosfære. Figur 3a) viser målesignalet (blåt) over tid for et grafitskum; figur 3b) 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®Ò LFA-softwaren i begge tilfælde. For at minimere parasitære varmestrømseffekter vælges en ende af kurvetilpasningsområdet (rød) kort efter maksimum. I tilfælde af radiotransparente materialer, som f.eks. aerogeler, tages der ikke hensyn til det oprindelige signal i evalueringen.
Sammen med den termofysiske karakterisering af forskellige stoffer og grafitskum suppleres de termofysiske målinger med anvendelsesrelaterede tests. For at teste den termiske kapacitet af de lagdelte kompositter udsættes disse for termisk StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress i ÖGI's teststøberi ved temperaturer på over 1000 °C, som det er planlagt for Mars-landingen. I et system af termiske beskyttelseslag er der integreret termoelementer mellem de enkelte lag. Ved hjælp af en grafitdigel med kobbersmelte kan sammensætningen af termiske beskyttelseslag derefter pludselig belastes termisk ved ca. 1100 °C (figur 4a)). Temperaturerne mellem lagene måles, hvilket gør det muligt at bestemme varmestrømmen gennem lagsystemet. For at opnå varmeisolering fra omgivelserne placeres lagsystemet under forsøget i en form, der består af en keramisk ramme til fiksering og et sandbaseret støbemateriale med lav 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 fra en intern 3-D-printer (figur 4b)). Måleresultaterne fra eksperimenterne er i meget god overensstemmelse med den numeriske simulering, hvor resultaterne af LFA-målingerne for de enkelte termiske beskyttelseslag er implementeret (figur 5)."
Mange tak til det østrigske støberiinstitut i Leoben for denne meget interessante rapport.
Vi ser frem til mange flere år med succesfuldt samarbejde!
