Termofísica para aplicaciones espaciales y proyectos de construcción sostenible

El Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Instituto Austriaco de Fundición) es el instituto común de investigación de la industria austriaca de la fundición y cuenta con unos 40 empleados. Se ocupa de cuestiones relacionadas con la industria de la fundición y gestiona su propia fundición de prueba, donde se llevan a cabo investigaciones orientadas a la aplicación en los respectivos procesos de fundición y en la fundición de aleaciones. Además, el ÖGI es también uno de los principales laboratorios de ensayos de Austria. En este sentido, el ÖGI va mucho más allá del propio ámbito central de la industria de la fundición y la tecnología del metal. Su gama de servicios de investigación y ensayos abarca un amplio espectro de aplicaciones: Ensayos no destructivos mediante rayos X y tomografía computerizada, en los que se prueban muestras de la industria de materiales de construcción o farmacéutica, además de componentes de fundición; termofísica, con una amplia gama de materiales, así como simulación numérica de procesos de fundición y análisis de fallos; e incluso tecnología de unión/superficie y pegado.

Como instituto de investigación no universitario, el ÖGI está acreditado como laboratorio de ensayos para 26 métodos de ensayo por Accreditation Austria en las áreas operativas de laboratorio químico, laboratorio mecánico, laboratorio físico y metalografía. El laboratorio de ensayos cumple los requisitos de la norma EN ISO/IEC 17025:2017. En el laboratorio termofísico se determinan parámetros de materiales como la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, la expansión térmica y la capacidad calorífica desde temperaturas muy bajas a muy altas. Los datos son de gran importancia para cualquier desarrollo de materiales, pero también sirven como parámetros de entrada para simulaciones numéricas. Sin embargo, la gama de materiales del laboratorio termofísico no se limita a las aleaciones metálicas, que se caracterizan principalmente en estado sólido, pero también en estado líquido. También incluye materiales de moldeo a base de arena utilizados en la industria de la fundición, materiales de construcción como el yeso y diversas maderas o materiales a base de madera, variedades de vidrio y materiales cerámicos.

Junto con la fiabilidad de los instrumentos analíticos, el excelente servicio de atención al cliente prestado por NETZSCH-Gerätebau GmbH ha sido decisivo en esta larga colaboración. La disponibilidad a largo plazo de piezas de repuesto ha sido tan importante como el excelente servicio in situ, siempre disponible, junto con la opción de mantenimiento integral de los sistemas directamente en NETZSCH-Gerätebau GmbH en Selb. Esta combinación permite a ÖGI ofrecer a sus clientes y socios una amplia gama de aplicaciones con materiales exigentes en el marco de colaboraciones bilaterales entre proyectos nacionales e internacionales.

Análisis de materiales para aplicaciones espaciales

Los materiales para aplicaciones espaciales también se han convertido en una parte importante del espectro de materiales de ÖGI. Cada semana entran en la atmósfera terrestre varias toneladas de material procedente de naves espaciales abandonadas. El problema es la desintegración incontrolada de estos restos espaciales. En la actualidad, los acuerdos internacionales exigen o bien una reentrada controlada o bien una evaluación del riesgo de colisión incontrolada para cada nuevo despegue en órbita terrestre baja. Para la gestión de riesgos se realizan simulaciones numéricas de la carga térmica y mecánica o de la combustión durante la reentrada. Para mejorar la capacidad de predicción, se necesitan datos válidos de los materiales hasta temperaturas muy altas o hasta la fase fundida.

El ÖGI ha estado y está representado en varios proyectos de investigación y cooperaciones internacionales. Se ensaya una amplia gama de materiales, incluyendo aleaciones metálicas, plásticos reforzados con fibra de carbono utilizados en satélites y etapas de cohetes, y tejidos cerámicos, aerogeles y espumas de grafito utilizados como compuestos de capas para escudos inflables de protección contra el calor.

Sin embargo, los tejidos cerámicos y las espumas de grafito son especialmente difíciles de caracterizar en aplicaciones espaciales. Como se ha señalado, se utilizan como compuestos de capas para escudos inflables de protección térmica (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) para misiones terrestres y futuras misiones a Marte (figura 2). Dado que el conocimiento de las características de los materiales es necesario para temperaturas muy superiores a 1000°C, sólo puede emplearse el método de flash láser; es el único instrumento capaz de determinar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en el rango de altas temperaturas. Para ello, en el ÖGI se utilizan dos sistemas LFA 427 de NETZSCH. La ventaja del método de flash láser reside no sólo en su amplio rango de temperaturas, sino también en su capacidad para medir tejidos y espumas de grafito bajo diferentes presiones y atmósferas de gas.

La metodología de medición y la evaluación deben estar a la altura de las exigencias planteadas no sólo por cuestiones como la producción de muestras adecuadas, el grosor difícil de definir de los tejidos y las espumas de grafito y la inhomogeneidad parcial, sino también por la porosidad de los materiales. En el ejemplo siguiente, se ensayaron una espuma de grafito y un aerogel en atmósfera de argón. La figura 3 muestra la señal de medición (azul) a lo largo del tiempo para una espuma de grafito; la figura 4 para un aerogel. Debido a la estructura porosa de ambos materiales, el pulso láser ya no se absorbe por completo en la superficie. Para tener en cuenta la absorción del pulso láser en la estructura porosa, se emplea en ambos casos el modelo de penetración del softwareNETZSCH Proteus^® LFA. Para minimizar los efectos del flujo de calor parásito, se selecciona un extremo del rango de ajuste de la curva (rojo) poco después del máximo. En el caso de materiales parcialmente radiotransparentes, como el aerogel, la señal inicial no se tiene en cuenta en la evaluación.

La experiencia adquirida en el ÖGI con la medición de materiales porosos o parcialmente descompuestos de la industria espacial pudo aprovecharse para acumular conocimientos en otro campo de aplicación: Los materiales derivados de la madera como materiales de construcción para futuros proyectos de construcción sostenible.

Materiales de madera para proyectos de construcción sostenible

La madera como material de construcción ha experimentado un fuerte auge en los últimos años. Su cuota en los futuros proyectos de construcción sigue aumentando debido a las propiedades positivas de la madera en cuanto a reducción de emisiones de_CO2, bajo consumo de energía durante la producción y también a sus propiedades de aislamiento térmico. En este contexto, los materiales derivados de la madera se están empleando no sólo en viviendas unifamiliares, sino también cada vez más en edificios de varios pisos o en proyectos de construcción en altura. Esto permite una redensificación sostenible en las zonas urbanas. Sin embargo, el mayor uso de materiales derivados de la madera también impone mayores requisitos de protección contra incendios a la madera como material. La resistencia al fuego de las construcciones de madera debe demostrarse y, hasta la fecha, esto se ha hecho mediante ensayos de incendio que requieren mucho tiempo y dinero. Por lo tanto, al igual que ocurre con los materiales para aplicaciones espaciales, existe un gran interés en la aplicación de simulaciones numéricas; en este caso, para predecir el comportamiento al fuego de las estructuras de madera. Como datos de entrada para los cálculos, se requieren de nuevo datos termofísicos para los materiales de madera en diferentes estados: para madera húmeda, madera seca y material pirolizado hasta el rango de alta temperatura de 900°C. Estos se recogen en ÖGI con los instrumentos de análisis de NETZSCH-Gerätebau GmbH; para ello se utiliza, entre otros, el LFA 427.

Un desafío particular en la caracterización de materiales a base de madera hasta el rango de altas temperaturas de varios cientos de grados se presenta, por un lado, por el carácter poroso de la madera y, por otro, por la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición del material bajo la influencia de la exposición a altas temperaturas, como es el caso de los disparos láser en el LFA. Para la medición de la madera hasta el límite de Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica (inicio de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición pirolítica), las muestras preparadas deben, por tanto, estar convenientemente recubiertas. Para ello, una lámina de cobre adhesiva (aprox. 35 µm de lámina de cobre + 35 µm de adhesivo de acrilato) en la cara inferior de la muestra ha demostrado ser un recubrimiento adecuado. Debido al carácter poroso de la madera, las muestras también deben recubrirse por la cara superior para evitar que el aumento de temperatura en la cara superior de la muestra se detecte a partir del espacio poroso. Para ello, las muestras se recubrieron con una fina capa de pasta térmica (aprox. 80 µm) (esquema de la figura 5). Sin embargo, el recubrimiento afecta al cálculo de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de la madera debido al aumento del grosor de toda la muestra, así como de los distintos materiales. Para estimar la influencia del revestimiento, se realizaron mediciones de referencia con materiales de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica similar; éstos pueden medirse tanto con revestimiento como sin él. La figura 6 muestra la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica medida de baquelita® negra. En relación con el espesor medido de la muestra, el revestimiento da lugar a una Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica menor (curva roja de la figura 6) que la de la muestra sin revestimiento (curva azul) debido al aumento del tiempo de subida. Mediante la corrección de todo el espesor de la muestra, puede aproximarse la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica real del material y la ligera desviación puede considerarse como otro término de la incertidumbre de medición. La corrección del espesor también puede realizarse directamente con la función integrada en el softwareNETZSCH - Proteus^® LFA en este caso.

La medición de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de materiales pirolizados no requiere revestimiento. Sin embargo, debido al carácter poroso de la madera o del carbón vegetal de madera, el pulso láser -como también demuestran las espumas de grafito- ya no se absorbe totalmente en la superficie. Para tener en cuenta la absorción del pulso láser en la estructura porosa, en el caso de las muestras pirolizadas se utiliza el modelo de penetración del softwareNETZSCH Proteus^® LFA. La figura 7 muestra la señal de medición (azul) a lo largo del tiempo para una muestra de carbón vegetal y el ajuste mediante el modelo de penetración (rojo).

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