60 χρόνια NETZSCH-Gerätebau: LFA σε χρήση για διαστημικές εφαρμογές

"Η ÖGI είναι διαπιστευμένη ως κέντρο δοκιμών για 26 μεθόδους δοκιμών σύμφωνα με το πρότυπο EN ISO/IEC 17025. Στο θερμοφυσικό εργαστήριο προσδιορίζονται παράμετροι υλικών όπως η θερμική αγωγιμότητα, η θερμική διαστολή και η θερμοχωρητικότητα μέχρι πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα δεδομένα αυτά έχουν μεγάλη σημασία για κάθε εφαρμογή ανάπτυξης υλικών, αλλά χρησιμεύουν επίσης ως βασικές παράμετροι εισόδου για προσομοιώσεις σε υπολογιστές.

Ωστόσο, το φάσμα των υλικών στο θερμοφυσικό εργαστήριο δεν περιορίζεται σε μεταλλικά κράματα που χαρακτηρίζονται σε στερεή και υγρή κατάσταση. Σε αυτά περιλαμβάνονται υλικά χύτευσης με βάση την άμμο που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία χυτηρίων, οικοδομικά υλικά όπως ο γύψος, διάφορα ξύλα ή υλικά με βάση το ξύλο, ποικιλίες γυαλιού και κεραμικά υλικά.

Μια προϋπόθεση για την κάλυψη ενός τόσο μεγάλου εύρους υλικών είναι η ύπαρξη ιδιαίτερα αξιόπιστων οργάνων μέτρησης. Για το σκοπό αυτό, η ÖGI συνεργάζεται εδώ και δεκαετίες με την NETZSCH-Gerätebau. Όλα τα όργανα του θερμοφυσικού εργαστηρίου της ÖGI έχουν δοκιμαστεί με τη χρήση τους για εξαιρετικά μεγάλο χρονικό διάστημα, συνήθως περίπου 20 χρόνια. Μεταξύ αυτών είναι δύο συστήματα LFA 427, το πρώτο λειτουργεί εκεί από το 2003 και το δεύτερο από το 2015. Ένα άλλο πλεονέκτημα των συστημάτων της NETZSCH-Gerätebau είναι η μακροχρόνια διαθεσιμότητα ανταλλακτικών σε συνδυασμό με την άριστη και ταχεία ανταπόκριση των υπηρεσιών.

Υλικά για διαστημικές εφαρμογές

Τα υλικά για διαστημικές εφαρμογές αποτελούν επίσης σημαντικό μέρος του φάσματος υλικών της ÖGI.arcΗ ÖGI συμμετέχει σε διάφορα διεθνή έργα και συνεργασίες. Δοκιμάζεται ένα ευρύ φάσμα υλικών, συμπεριλαμβανομένων μεταλλικών κραμάτων και πλαστικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους και στάδια πυραύλων. Κάθε εβδομάδα, αρκετοί τόνοι υλικών από εγκαταλελειμμένα διαστημόπλοια εισέρχονται στη γήινη ατμόσφαιρα. Το πρόβλημα εδώ είναι η ανεξέλεγκτη αποσύνθεση αυτών των συντριμμιών διαστημοπλοίων. Οι διεθνείς συμφωνίες απαιτούν πλέον είτε ελεγχόμενη επανείσοδο είτε εκτίμηση κινδύνου για ανεξέλεγκτη συντριβή για κάθε νέα απογείωση σε χαμηλή γήινη τροχιά. Για την εκτίμηση του κινδύνου πραγματοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις της θερμικής και μηχανικής φόρτισης ή της καύσης κατά την επανείσοδο. Για τη βελτίωση της ικανότητας πρόβλεψης απαιτούνται έγκυρα δεδομένα υλικών μέχρι πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή μέχρι τη λιωμένη φάση. Το ÖGI έχει καταφέρει να συμβάλει σημαντικά στον χαρακτηρισμό αυτών των υλικών.

Τα κεραμικά υφάσματα και οι αφροί γραφίτη, ωστόσο, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να χαρακτηριστούν. Αυτά χρησιμοποιούνται ως σύνθετα στρώματα για φουσκωτές ασπίδες θερμικής προστασίας (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) για τη Γη και τις μελλοντικές αποστολές στον Άρη.

Δεδομένου ότι η γνώση των χαρακτηριστικών των υλικών είναι απαραίτητη για θερμοκρασίες πολύ πάνω από 1000°C, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο η μέθοδος laser flash- είναι το μόνο όργανο που μπορεί να προσδιορίσει τη θερμική διαχυτότητα στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών. Στο ÖGI χρησιμοποιούνται δύο συστήματα LFA 427 της NETZSCH-Gerätebau. Το πλεονέκτημα της μεθόδου laser flash δεν έγκειται μόνο στο ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αλλά και στην ικανότητά της να μετρά τιμές για υφάσματα και αφρούς γραφίτη υπό διαφορετικές πιέσεις και ατμόσφαιρες αερίων.

Η μεθοδολογία μέτρησης και η αξιολόγηση πρέπει να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις που θέτουν όχι μόνο ζητήματα όπως η παραγωγή κατάλληλων δειγμάτων, το δύσκολα προσδιορίσιμο πάχος των υφασμάτων και των αφρών γραφίτη και η μερική ανομοιογένεια, αλλά και σε αυτές που θέτει το πορώδες των υλικών. Στο παράδειγμα που ακολουθεί, ένας αφρός γραφίτη και ένα αερογέλο δοκιμάστηκαν σε ατμόσφαιρα αργού. Στο σχήμα 3α) παρουσιάζεται το σήμα μέτρησης (μπλε) με την πάροδο του χρόνου για έναν αφρό γραφίτη- στο σχήμα 3β) για ένα αερογέλο. Λόγω της πορώδους δομής των δύο υλικών, ο παλμός λέιζερ δεν απορροφάται πλέον εξ ολοκλήρου στην επιφάνεια. Για να ληφθεί υπόψη η απορρόφηση του παλμού λέιζερ στην πορώδη δομή, το μοντέλο διείσδυσης του NETZSCH Proteus^®Ò LFA χρησιμοποιείται και στις δύο περιπτώσεις. Για την ελαχιστοποίηση των παρασιτικών επιδράσεων της ροής θερμότητας, ένα τέλος του εύρους της προσαρμογής της καμπύλης (κόκκινο) είναι selected λίγο μετά το μέγιστο. Στην περίπτωση ακτινοδιαπερατών υλικών, όπως τα αερογέλη, το αρχικό σήμα δεν λαμβάνεται υπόψη στην αξιολόγηση.

Παράλληλα με τον θερμοφυσικό χαρακτηρισμό διαφόρων υφασμάτων και αφρών γραφίτη, οι θερμοφυσικές μετρήσεις συμπληρώνονται με δοκιμές που σχετίζονται με την εφαρμογή. Προκειμένου να ελεγχθεί η θερμική ικανότητα των σύνθετων υλικών σε στρώσεις, αυτά καταπονούνται θερμικά στο δοκιμαστικό χυτήριο ÖGI σε θερμοκρασίες άνω των 1000°C, όπως προβλέπεται για την προσεδάφιση στον Άρη. Σε ένα σύστημα θερμικών προστατευτικών στρωμάτων, μεταξύ των επιμέρους στρωμάτων ενσωματώνονται θερμοστοιχεία. Μέσω ενός χωνευτηρίου γραφίτη με τήγμα χαλκού, το σύνθετο των θερμικών προστατευτικών στρωμάτων μπορεί στη συνέχεια να φορτιστεί ξαφνικά θερμικά σε θερμοκρασία περίπου 1100°C (σχήμα 4α)). Οι θερμοκρασίες μεταξύ των στρωμάτων μετρώνται, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της ροής θερμότητας μέσω του συστήματος στρωμάτων. Για τη θερμική μόνωση από το περιβάλλον, το σύστημα στρώσεων τοποθετείται κατά τη διάρκεια του πειράματος σε ένα καλούπι, το οποίο αποτελείται από ένα κεραμικό πλαίσιο για τη στερέωση και ένα υλικό μορφοποίησης με βάση την άμμο με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα από έναν εσωτερικό τρισδιάστατο εκτυπωτή (σχήμα 4b)). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων των πειραμάτων βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με την αριθμητική προσομοίωση στην οποία υλοποιούνται τα αποτελέσματα των μετρήσεων LFA για τα επιμέρους στρώματα θερμικής προστασίας (σχήμα 5)"

Πολλές ευχαριστίες στο Αυστριακό Ινστιτούτο Χυτηρίων στο Leoben για αυτή την πολύ ενδιαφέρουσα έκθεση.

Προσβλέπουμε σε πολλά ακόμη χρόνια επιτυχημένης συνεργασίας!

Μάθετε περισσότερα για το LFA 427:

• 

  LFA 427