Lämpöfysiikka avaruussovelluksia ja kestäviä rakennushankkeita varten

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Itävallan valimoinstituutti) on Itävallan valimoteollisuuden yhteinen tutkimuslaitos, jossa on noin 40 työntekijää. Se käsittelee valimoteollisuuden kysymyksiä ja ylläpitää omaa koevalimoa, jossa tehdään sovellussuuntautunutta tutkimusta valuprosesseista ja seosten valamisesta. Lisäksi ÖGI on yksi Itävallan johtavista testauslaboratorioista. Tässä ÖGI ylittää huomattavasti valimo- ja metalliteknologiateollisuuden varsinaisen ydinalueen. ÖGI:n tutkimus- ja testauspalvelut kattavat laajan valikoiman sovelluksia: Röntgen- ja tietokonetomografialla tehtävä rikkomukseton testaus, jossa valettujen komponenttien lisäksi testataan rakennusmateriaaliteollisuuden tai lääketeollisuuden näytteitä; lämpöfysiikka, jossa käytetään monenlaisia materiaaleja sekä valuprosessien numeerista simulointia ja vika-analyysejä; ja jopa liitos-/pinta- ja liimaustekniikka.

Yliopiston ulkopuolisena tutkimuslaitoksena ÖGI on akkreditoitu Itävallan akkreditointielimen toimesta 26 testausmenetelmän testauslaboratorioksi kemian laboratorion, mekaanisen laboratorion, fysikaalisen laboratorion ja metallografian toiminta-alueilla. Testauslaboratorio täyttää standardin EN ISO/IEC 17025:2017 vaatimukset. Termofysikaalisessa laboratoriossa määritetään materiaaliparametreja, 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, hyvin alhaisista lämpötiloista hyvin korkeisiin lämpötiloihin. Tiedot ovat erittäin tärkeitä kaikessa materiaalikehityksessä, mutta ne toimivat myös syöttöparametreina numeerisissa simulaatioissa. Lämpöfysikaalisen laboratorion materiaalivalikoima ei kuitenkaan rajoitu metalliseoksiin, joita karakterisoidaan ensisijaisesti kiinteässä tilassa mutta myös nestemäisessä tilassa. Siihen kuuluvat myös valimoteollisuudessa käytettävät hiekkapohjaiset valumateriaalit, rakennusmateriaalit, kuten kipsi ja erilaiset puut tai puupohjaiset materiaalit, lasilajikkeet ja keraamiset materiaalit.

Analyysilaitteiden luotettavuuden lisäksi NETZSCH-Gerätebau GmbH:n tarjoama erinomainen asiakastuki on ollut ratkaisevaa tässä pitkäaikaisessa yhteistyössä. Varaosien pitkäaikainen saatavuus on ollut yhtä tärkeää kuin erinomainen ja aina saatavilla oleva palvelu paikan päällä sekä mahdollisuus järjestelmien kokonaisvaltaiseen huoltoon suoraan NETZSCH-Gerätebau GmbH:ssa Selbissä. Tämän yhdistelmän ansiosta ÖGI voi tarjota asiakkailleen ja yhteistyökumppaneilleen laajan valikoiman sovelluksia haastavilla materiaaleilla kansallisten ja kansainvälisten hankkeiden kahdenvälisen yhteistyön puitteissa.

Materiaalianalyysi avaruussovelluksia varten

Avaruussovelluksiin tarkoitetuista materiaaleista on tullut myös tärkeä osa ÖGI:n materiaalivalikoimaa. Joka viikko useita tonneja hylätyistä avaruusaluksista peräisin olevaa materiaalia pääsee Maan ilmakehään. 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 nousevan avaruusaluksen kohdalla on joko valvottu paluu tai riskinarviointi hallitsemattomasta putoamisesta. Riskienhallintaa varten tehdään numeerisia simulaatioita, joissa tarkastellaan lämpökuormitusta ja mekaanista kuormitusta tai palamista palamisen aikana. Ennustuskyvyn parantamiseksi tarvitaan päteviä materiaalitietoja erittäin korkeisiin lämpötiloihin tai sulaan vaiheeseen asti.

ÖGI oli ja on edustettuna useissa kansainvälisissä tutkimushankkeissa ja yhteistyöhankkeissa. Testataan monenlaisia materiaaleja, kuten metalliseoksia, hiilikuituvahvisteisia muoveja, joita käytetään satelliiteissa ja rakettivaiheissa, sekä keraamisia kankaita, aerogeelejä ja grafiittivaahtoja, joita käytetään puhallettavien lämpösuojakilpien kerroskomposiitteina.

Keraamiset kankaat ja grafiittivaahdot ovat kuitenkin erityisen haastavia avaruussovelluksiin tarkoitettujen materiaalien karakterisoinnissa. Kuten todettu, niitä käytetään kerroskomposiitteina puhallettavissa lämpösuojasuojissa (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) Maahan ja tuleviin Mars-lentoihin (kuva 2). Koska materiaalien ominaisuudet on tunnettava paljon yli 1000 °C:n lämpötiloissa, voidaan käyttää ainoastaan laserleimausmenetelmää, joka on ainoa laite, jolla voidaan määrittää lämpödiffuusiokyky korkeissa lämpötiloissa. ÖGI:ssä käytetään tähän tarkoitukseen kahta LFA 427 -järjestelmää, jotka ovat valmistajalta NETZSCH. Lasersalamamenetelmän etuna on sen laajan lämpötila-alueen lisäksi myös se, että sillä voidaan mitata kankaita ja grafiittivaahtoja erilaisissa 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 3 on grafiittivaahdon mittaussignaali (sininen) ajan funktiona, kuvassa 4 aerogeelin. Molempien materiaalien huokoisen rakenteen vuoksi laserpulssi ei enää absorboidu kokonaan pinnalla. Laserpulssin absorption huomioon ottamiseksi huokosrakenteessa käytetään molemmissa tapauksissa NETZSCH Proteus^® LFA-ohjelmiston penetraatiomallia. Loislämpövirran vaikutusten minimoimiseksi käyrän sovitusalueen loppu (punainen) valitaan pian maksimin jälkeen. Osittain säteilyn läpäisevien materiaalien, kuten aerogeelin, tapauksessa alkusignaalia ei oteta huomioon arvioinnissa.

ÖGI:ssä avaruusalan huokoisten tai osittain hajoavien materiaalien mittaamisesta saatua kokemusta voitiin käyttää asiantuntemuksen kartuttamiseen uudella sovellusalueella: Puupohjaiset materiaalit rakennusmateriaaleina tulevaisuuden kestävissä rakennushankkeissa.

Puupohjaiset materiaalit kestävän kehityksen mukaisiin rakennushankkeisiin

Puu rakennusmateriaalina on kokenut viime vuosina voimakkaan noususuhdanteen. Sen osuus tulevissa rakennushankkeissa kasvaa edelleen, koska puulla on myönteisiä ominaisuuksia_{hiilidioksidipäästöjen} vähentämisessä, sen valmistuksen alhaisessa energiankulutuksessa ja sen lämmöneristysominaisuuksissa. Tässä yhteydessä puupohjaisia materiaaleja käytetään omakotitalojen lisäksi yhä useammin myös monikerroksisissa rakennuksissa tai korkeissa rakennushankkeissa. Tämä mahdollistaa kaupunkialueiden kestävän tiivistämisen. Puupohjaisten materiaalien lisääntynyt käyttö asettaa kuitenkin myös puulle materiaalina korkeammat palosuojavaatimukset. Puurakenteiden palonkestävyys on osoitettava, ja tähän mennessä tämä on tehty aikaa ja kustannuksia vievillä palotesteillä. Tämän vuoksi, kuten avaruusmateriaalien kohdalla, numeeristen simulaatioiden käyttö on erittäin kiinnostavaa; tässä tapauksessa puurakenteiden palokäyttäytymisen ennustamiseksi. Laskelmien syöttötiedoiksi tarvitaan jälleen kerran lämpöfysikaalisia tietoja puumateriaaleista eri tiloissa: kosteasta puusta, kuivasta puusta ja pyrolysoituneesta materiaalista aina 900 °C:n korkeaan lämpötilaan asti. Nämä tiedot kerätään ÖGI:ssä NETZSCH-Gerätebau GmbH:n analyysilaitteilla LFA 427 käytetään muun muassa tähän tarkoitukseen.

Puupohjaisten materiaalien karakterisoinnissa korkeisiin, useiden satojen asteiden lämpötiloihin asti erityisenä haasteena on toisaalta puun huokoinen luonne ja toisaalta materiaalin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen suuren lämpöaltistuksen vaikutuksesta, kuten LFA:n laserlaukauksissa. Jotta puu voitaisiin mitata lämpöstabiilisuusrajaan asti (pyrolyyttisen hajoamisen alku), valmistettujen näytteiden on siksi oltava sopivasti pinnoitettuja. Näytteen alapuolelle liimattu kuparifolio (noin 35 µm kuparifolio + 35 µm akrylaattiliima) on osoittautunut sopivaksi pinnoitteeksi. Puun huokoisen luonteen vuoksi näytteet on päällystettävä myös yläpuolelta, jotta huokostilasta ei havaittaisi lämpötilan nousua näytteen yläpuolella. Tätä varten näytteet päällystettiin ohuella kerroksella lämpöliimaa (noin 80 µm) (kaavio kuvassa 5). Pinnoite vaikuttaa kuitenkin puun lämpödiffuusiokyvyn laskentaan koko näytteen sekä eri materiaalien paksuuden lisääntymisen vuoksi. Pinnoitteen vaikutuksen arvioimiseksi suoritettiin vertailumittauksia materiaaleilla, joiden 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 oli samanlainen; nämä voidaan mitata sekä pinnoitteen kanssa että ilman pinnoitetta. Kuvassa 6 esitetään mustan Bakelite®:n mitattu lämpödiffuusiokyky. Näytteen mitattuun paksuuteen suhteutettuna pinnoite johtaa alhaisempaan lämpödiffuusiokykyyn (punainen käyrä kuvassa 6) kuin pinnoittamattomalla näytteellä (sininen käyrä), mikä johtuu nousuajan pitenemisestä. Kun näytteen koko paksuus korjataan, materiaalin todellista lämpödiffuusiokykyä voidaan approksimoida, ja pientä poikkeamaa voidaan pitää toisena terminä mittausepävarmuudessa. Paksuuskorjaus voidaan tehdä myös suoraan NETZSCH-Proteus^® LFA-ohjelmistoon integroidulla toiminnolla.
.

Pyrolysoitujen materiaalien lämpödiffuusiokyvyn mittaaminen ei edellytä pinnoitusta. Puun tai puuhiilen huokoisen luonteen vuoksi laserpulssi ei kuitenkaan - kuten myös grafiittivaahdot osoittavat - enää absorboidu täysin pinnalla. Jotta laserpulssin absorptio huokosrakenteessa voitaisiin ottaa huomioon, pyrolysoitujen näytteiden tapauksessa käytetään NETZSCH Proteus^® LFA-ohjelmiston penetraatiomallia. Kuvassa 7 esitetään mittaussignaali (sininen) ajan funktiona puuhiilinäytteelle ja sovitus penetraatiomallilla (punainen).

Jaa tämä artikkeli: