60 años de NETZSCH-Gerätebau: El ALF en aplicaciones espaciales

"ÖGI está acreditado como centro de ensayos para 26 métodos de ensayo conforme a la norma EN ISO/IEC 17025. 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 hasta temperaturas muy elevadas. Los datos son de gran importancia para cualquier aplicación de desarrollo de materiales, pero también sirven como parámetros de entrada esenciales para simulaciones por ordenador.

Sin embargo, la gama de materiales del laboratorio termofísico no se limita a las aleaciones metálicas caracterizadas en estado sólido y líquido. Entre ellos se incluyen materiales de moldeo a base de arena utilizados en la industria de la fundición, materiales de construcción como el yeso, diversas maderas o materiales a base de madera, variedades de vidrio y materiales cerámicos.

Un requisito previo para cubrir una gama tan amplia de materiales es disponer de instrumentos de medición especialmente fiables. Para ello, ÖGI colabora desde hace décadas con NETZSCH-Gerätebau. Todos los instrumentos del laboratorio termofísico de ÖGI han demostrado su eficacia a lo largo de un periodo de tiempo extraordinariamente largo, normalmente de unos 20 años. Entre ellos se encuentran dos sistemas LFA 427, el primero en funcionamiento allí desde 2003 y el segundo desde 2015. Otra ventaja de los sistemas de NETZSCH-Gerätebau es la disponibilidad a largo plazo de piezas de repuesto en combinación con un servicio excelente y de rápida respuesta.

Materiales para aplicaciones espaciales

Los materiales para aplicaciones espaciales también se han convertido en una parte importante del espectro de materiales de ÖGI. ÖGI participa en varios proyectos de investigación y colaboraciones internacionales. Se ensaya una amplia gama de materiales, incluyendo aleaciones metálicas y plásticos reforzados con fibra de carbono utilizados en satélites y etapas de cohetes. 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, para cada nuevo despegue en órbita terrestre baja, bien la reentrada controlada, bien la evaluación del riesgo de colisión incontrolada. Para evaluar los riesgos, se realizan simulaciones numéricas de las cargas térmicas y mecánicas 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 contribuido significativamente a la caracterización de estos materiales.

Los tejidos cerámicos y las espumas de grafito, sin embargo, son especialmente difíciles de caracterizar. Éstos se utilizan como compuestos de capas para escudos inflables de protección térmica (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) para misiones terrestres y futuras a Marte.

Dado que el conocimiento de las características del material es necesario para temperaturas muy superiores a 1.000 °C, sólo puede emplearse el método del destello 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 ÖGI se utilizan dos sistemas LFA 427 de NETZSCH-Gerätebau. La ventaja del método de flash láser reside no sólo en su amplio rango de temperaturas, sino también en su capacidad para medir valores de 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 falta de homogeneidad 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 3a) muestra la señal de medición (azul) a lo largo del tiempo para una espuma de grafito; la figura 3b) 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 el modelo de penetración del software NETZSCH Proteus^®Ò LFA en ambos casos. 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 radiotransparentes, como los aerogeles, la señal inicial no se tiene en cuenta en la evaluación.

Junto con la caracterización termofísica de diferentes tejidos y espumas de grafito, las mediciones termofísicas se complementan con pruebas relacionadas con la aplicación. Para comprobar la capacidad térmica de los materiales compuestos estratificados, éstos se someten a esfuerzos térmicos en la fundición de pruebas de ÖGI a temperaturas superiores a 1.000 °C, como las previstas para el aterrizaje en Marte. En un sistema de capas protectoras térmicas, se integran termopares entre las distintas capas. Mediante un crisol de grafito con cobre fundido, el compuesto de capas protectoras térmicas puede someterse a una carga térmica repentina a aproximadamente 1100°C (figura 4a)). Se miden las temperaturas entre las capas, lo que permite determinar el flujo de calor a través del sistema de capas. Para el aislamiento térmico del entorno, el sistema de capas se coloca durante el experimento en un molde, que consiste en un marco de cerámica para la fijación y un material de moldeo a base de arena con baja 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 de una impresora 3D propia (figura 4b)). Los resultados de las mediciones de los experimentos concuerdan muy bien con la simulación numérica en la que se implementan los resultados de las mediciones del LFA para las capas protectoras térmicas individuales (figura 5)."

Muchas gracias al Instituto Austriaco de Fundición de Leoben por este informe tan interesante.

Esperamos seguir colaborando con éxito durante muchos años más

Más información sobre el LFA 427:

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  LFA 427