29.09.2022 by Aileen Sammler
60 vuotta NETZSCH-Gerätebau: LFA:n käyttö avaruussovelluksissa
Syyskuussa on kyse laser-salama-analyysistä. Meillä on ilo esitellä pitkäaikaisen asiakkaamme, Itävallan valimoinstituutin kenttäraportti. Lue LFA:n käytöstä Itävallan valimoinstituutissa - Thermophysics for Space Applications.
LFA Itävallan valimoinstituutin käytössä
Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI) on Itävallan valimoteollisuuden yhteinen tutkimuslaitos, jossa työskentelee noin 40 työntekijää. Se käsittelee valimoteollisuuden ja metalliteknologiateollisuuden kysymyksiä. Sen tutkimustarjontaan kuuluvat tutkimus- ja kehitystoiminta, tekninen konsultointi, materiaalitestaus, materiaali- ja komponenttitutkimus, teollinen tietokonetomografia, numeerinen simulointi ja erikoiskoulutus.
"ÖGI on akkreditoitu testauskeskukseksi 26 testimenetelmälle EN ISO/IEC 17025 -standardin mukaisesti. Lämpöfysikaalisessa laboratoriossa määritetään materiaaliparametrit, kuten LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, lämpölaajeneminen ja lämpökapasiteetti, erittäin korkeisiin lämpötiloihin asti. Tiedot ovat erittäin tärkeitä kaikkien materiaalien kehittämissovellusten kannalta, mutta ne toimivat myös olennaisina syöttöparametreina tietokonesimulaatioissa.
Termofysikaalisen laboratorion materiaalivalikoima ei kuitenkaan rajoitu ainoastaan kiinteässä ja nestemäisessä tilassa oleviin metalliseoksiin. Näitä ovat esimerkiksi valimoteollisuudessa käytettävät hiekkapohjaiset valumateriaalit, rakennusmateriaalit, kuten kipsi, erilaiset puut tai puupohjaiset materiaalit, lasilajikkeet ja keraamiset materiaalit.
Näin laajan materiaalivalikoiman kattaminen edellyttää erityisen luotettavia mittauslaitteita. Tässä tarkoituksessa ÖGI on jo vuosikymmeniä tehnyt yhteistyötä NETZSCH-Gerätebaun kanssa. Kaikki ÖGI:n lämpöfysikaalisen laboratorion laitteet ovat osoittautuneet toimiviksi poikkeuksellisen pitkään, yleensä noin 20 vuotta, käytössä. Näihin kuuluu kaksi LFA 427 -järjestelmää, joista ensimmäinen on ollut käytössä vuodesta 2003 ja toinen vuodesta 2015. Toinen NETZSCH-Gerätebaun järjestelmien etu on varaosien pitkäaikainen saatavuus yhdessä erinomaisen ja nopean palvelun kanssa.
Avaruusmateriaalit
Avaruussovelluksiin tarkoitetuista materiaaleista on tullut myös tärkeä osa ÖGI:n materiaalivalikoimaa. ÖGI on mukana useissa kansainvälisissä tutkimushankkeissa ja yhteistyöhankkeissa. Testataan monenlaisia materiaaleja, kuten metalliseoksia ja hiilikuituvahvisteisia muoveja, joita käytetään satelliiteissa ja rakettivaiheissa. Maan ilmakehään pääsee joka viikko useita tonneja hylätyistä avaruusaluksista peräisin olevaa materiaalia. Ongelmana on tällaisten avaruusalusten jäänteiden hallitsematon HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen. Kansainvälisissä sopimuksissa edellytetään nykyään, että jokaisen uuden matalalle Maan kiertoradalle lähtevän avaruusaluksen kohdalla on joko valvottu paluu tai riskinarviointi hallitsemattomasta putoamisesta. Riskinarviointia varten tehdään numeerisia simulaatioita paluun aikana tapahtuvasta termisestä ja mekaanisesta kuormituksesta tai palamisesta. Ennustuskyvyn parantamiseksi tarvitaan päteviä materiaalitietoja hyvin korkeisiin lämpötiloihin tai sulaan vaiheeseen asti. ÖGI on pystynyt antamaan merkittävän panoksen näiden materiaalien karakterisointiin.
Keraamisten kankaiden ja grafiittivaahtojen karakterisointi on kuitenkin erityisen haastavaa. Niitä käytetään kerroskomposiitteina ilmatäytteisissä lämpösuojakilvissä (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) Maahan ja tuleviin Mars-lentoihin.
Koska materiaalin ominaisuudet on tunnettava paljon yli 1000 °C:n lämpötiloissa, voidaan käyttää vain laserleimausmenetelmää, joka on ainoa laite, jolla voidaan määrittää lämpödiffuusiokyky korkeissa lämpötiloissa. ÖGI:ssä käytetään tähän tarkoitukseen kahta LFA 427 -järjestelmää, jotka ovat peräisin NETZSCH-Gerätebaulta. Lasersalamamenetelmän etuna on sen laajan lämpötila-alueen lisäksi myös se, että sillä voidaan mitata kankaiden ja grafiittivaahtojen arvoja eri paineissa ja kaasuilmakehissä.
Mittausmenetelmien ja arvioinnin on vastattava vaatimuksiin, joita asettavat paitsi sopivien näytteiden tuottaminen, kankaiden ja grafiittivaahtojen vaikeasti määriteltävä paksuus ja osittainen epähomogeenisuus myös materiaalien huokoisuus. Seuraavassa esimerkissä grafiittivaahtoa ja aerogeeliä testattiin argonilmakehässä. Kuvassa 3a) on grafiittivaahdon mittaussignaali (sininen) ajan funktiona, kuvassa 3b) aerogeelin. Molempien materiaalien huokoisen rakenteen vuoksi laserpulssi ei enää absorboidu kokonaan pintaan. Jotta laserpulssin absorptio huokosrakenteessa voitaisiin ottaa huomioon, käytetään tunkeutumismallia NETZSCH Proteus®Ò LFA-ohjelmiston läpäisymallia käytetään molemmissa tapauksissa. Loislämpövirran vaikutusten minimoimiseksi käyrän sovitusalueen loppu (punainen) valitaan pian maksimin jälkeen. Säteilyä läpäisevien materiaalien, kuten aerogeelien, tapauksessa alkusignaalia ei oteta huomioon arvioinnissa.
Erilaisten kankaiden ja grafiittivaahtojen termofysikaalisen karakterisoinnin ohella termofysikaalisia mittauksia täydennetään sovellukseen liittyvillä testeillä. Kerroksellisten komposiittien lämpökapasiteetin testaamiseksi niitä rasitetaan ÖGI:n testivalimossa yli 1000 °C:n lämpötiloissa, kuten Marsiin laskeutumista varten on suunniteltu. Lämpösuojakerrosten järjestelmässä yksittäisten kerrosten väliin on integroitu termopareja. Lämpösuojakerrosten komposiitti voidaan sitten kuparisulaa sisältävän grafiittiupokkaan avulla äkillisesti kuormittaa lämpökuormituksella noin 1100 °C:n lämpötilassa (kuva 4a)). Kerrosten väliset lämpötilat mitataan, jolloin voidaan määrittää lämpövirta kerrosjärjestelmän läpi. Lämpöeristämiseksi ympäristöstä kerrosjärjestelmä asetetaan kokeen aikana muottiin, joka koostuu kiinnittämistä varten käytettävästä keraamisesta kehyksestä ja talon sisäisestä kolmiulotteisesta tulostimesta saatavasta hiekkapohjaisesta valumateriaalista, jonka LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on alhainen (kuva 4b)). Kokeiden mittaustulokset ovat erittäin hyvässä yhteisymmärryksessä numeerisen simulaation kanssa, jossa yksittäisten lämpösuojakerrosten LFA-mittausten tulokset on toteutettu (kuva 5)."
Kiitokset Itävallan Leobenin valimoinstituutille tästä erittäin mielenkiintoisesta raportista.
Odotamme innolla vielä monia vuosia menestyksekästä yhteistyötä!
