Thermophysique pour les applications spatiales et les projets de construction durable

L'Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Institut autrichien de la fonderie) est l'institut de recherche commun de l'industrie autrichienne de la fonderie et emploie environ 40 personnes. Il traite des questions relatives à l'industrie de la fonderie et exploite sa propre fonderie d'essai, où des recherches axées sur les applications sont menées dans les différents processus de coulée et la coulée des alliages. En outre, l'ÖGI est également l'un des principaux laboratoires d'essai en Autriche. Ici, l'ÖGI va bien au-delà du domaine principal de l'industrie de la fonderie et de la technologie des métaux. Sa gamme de services de recherche et d'essai couvre un large éventail d'applications : Essais non destructifs par rayons X et tomographie assistée par ordinateur, où des échantillons provenant de l'industrie des matériaux de construction ou des produits pharmaceutiques sont testés en plus des composants moulés ; thermophysique, avec une large gamme de matériaux ainsi que la simulation numérique des processus de moulage et l'analyse des défaillances ; et même la technologie d'assemblage/de surface et de collage.

En tant qu'institut de recherche non universitaire, l'ÖGI est accrédité en tant que laboratoire d'essai pour 26 méthodes d'essai par Accreditation Austria dans les domaines opérationnels du laboratoire chimique, du laboratoire mécanique, du laboratoire physique et de la métallographie. Le laboratoire d'essais est conforme aux exigences de la norme EN ISO/IEC 17025:2017. Dans le laboratoire thermophysique, les paramètres des matériaux tels que la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, la dilatation thermique et la capacité calorifique sont déterminés à partir de températures très basses jusqu'à des températures très élevées. Ces données sont d'une grande importance pour le développement des matériaux, mais servent également de paramètres d'entrée pour les simulations numériques. La gamme de matériaux du laboratoire de thermophysique ne se limite toutefois pas aux alliages métalliques, qui sont principalement caractérisés à l'état solide, mais aussi à l'état liquide. Elle comprend également les matériaux de moulage à base de sable utilisés dans l'industrie de la fonderie, les matériaux de construction tels que le gypse et divers bois ou matériaux à base de bois, les variétés de verre et les matériaux céramiques.

Outre la fiabilité des instruments d'analyse, l'excellente assistance à la clientèle fournie par NETZSCH-Gerätebau GmbH a été déterminante dans cette collaboration de longue date. La disponibilité à long terme des pièces de rechange a été tout aussi importante que l'excellent service sur site, toujours disponible, ainsi que l'option de maintenance complète des systèmes directement sur le site NETZSCH-Gerätebau GmbH à Selb. Cette combinaison permet à ÖGI d'offrir à ses clients et partenaires une large gamme d'applications avec des matériaux difficiles dans le cadre de collaborations bilatérales entre des projets nationaux et internationaux.

Analyse des matériaux pour les applications spatiales

Les matériaux destinés aux applications spatiales sont également devenus une partie importante de la gamme de matériaux de l'ÖGI. Chaque semaine, plusieurs tonnes de matériaux provenant d'engins spatiaux abandonnés pénètrent dans l'atmosphère terrestre. Le problème réside dans la désintégration incontrôlée de ces débris d'engins spatiaux. Les accords internationaux exigent désormais, pour chaque nouveau décollage en orbite terrestre basse, soit une rentrée contrôlée, soit une évaluation des risques de crash incontrôlé. Des simulations numériques de la charge thermique et mécanique ou de la combustion pendant la rentrée sont effectuées pour la gestion des risques. Pour améliorer la capacité de prévision, il faut disposer de données valables sur les matériaux jusqu'à des températures très élevées ou jusqu'à la phase de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion.

L'ÖGI a été et est représentée dans divers projets de recherche et de coopération internationaux. Une large gamme de matériaux est testée, notamment des alliages métalliques, des plastiques renforcés de fibres de carbone utilisés dans les satellites et les étages de fusée, ainsi que des tissus céramiques, des aérogels et des mousses de graphite utilisés comme couches composites pour les boucliers gonflables de protection contre la chaleur.

Les tissus céramiques et les mousses de graphite sont toutefois particulièrement difficiles à caractériser pour les applications spatiales. Comme indiqué, ces matériaux sont utilisés comme couches composites pour les boucliers de protection thermique gonflables (systèmes de protection thermique gonflables avancés) pour les missions terrestres et les futures missions sur Mars (figure 2). Comme la connaissance des caractéristiques des matériaux est nécessaire pour des températures bien supérieures à 1000°C, seule la méthode du flash laser peut être employée ; c'est le seul instrument capable de déterminer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique dans la gamme des hautes températures. Deux systèmes LFA 427 de NETZSCH sont utilisés à cette fin à l'ÖGI. L'avantage de la méthode du flash laser réside non seulement dans sa large gamme de températures, mais aussi dans sa capacité à mesurer les tissus et les mousses de graphite sous différentes pressions et atmosphères gazeuses.

La méthodologie de mesure et l'évaluation doivent répondre aux exigences posées non seulement par la production d'échantillons appropriés, l'épaisseur difficile à définir des tissus et des mousses de graphite et l'inhomogénéité partielle, mais aussi par la porosité des matériaux. Dans l'exemple suivant, une mousse de graphite et un aérogel ont été testés dans une atmosphère d'argon. La figure 3 montre le signal de mesure (bleu) en fonction du temps pour une mousse de graphite ; la figure 4 pour un aérogel. En raison de la structure poreuse des deux matériaux, l'impulsion laser n'est plus entièrement absorbée à la surface. Pour tenir compte de l'absorption de l'impulsion laser dans la structure des pores, le modèle de pénétration du logicielNETZSCH Proteus^® LFA est utilisé dans les deux cas. Pour minimiser les effets de flux de chaleur parasites, la fin de la plage d'ajustement de la courbe (rouge) est sélectionnée peu après le maximum. Dans le cas de matériaux partiellement radiotransparents, comme l'aérogel, le signal initial n'est pas pris en compte dans l'évaluation.

L'expérience acquise à l'ÖGI dans la mesure des matériaux poreux ou partiellement décomposés provenant de l'industrie spatiale a pu être utilisée pour développer une expertise dans un autre domaine d'application : Les matériaux à base de bois comme matériaux de construction pour les futurs projets de construction durable.

Matériaux à base de bois pour les projets de construction durable

Le bois en tant que matériau de construction a connu un fort essor ces dernières années. Sa part dans les futurs projets de construction continue d'augmenter en raison des propriétés positives du bois en termes de réduction des émissions de_CO2, de faible consommation d'énergie pendant la production et de ses propriétés d'isolation thermique. Dans ce contexte, les matériaux à base de bois sont utilisés non seulement dans les maisons individuelles, mais aussi de plus en plus dans les bâtiments à plusieurs étages ou dans les projets de construction de grande hauteur. Cela permet une redensification durable des zones urbaines. Cependant, l'utilisation accrue des matériaux à base de bois impose également des exigences plus élevées en matière de protection contre l'incendie du bois en tant que matériau. La résistance au feu des constructions en bois doit être prouvée et, jusqu'à présent, cela s'est fait au moyen d'essais de résistance au feu longs et coûteux. Par conséquent, comme pour les matériaux destinés aux applications spatiales, l'application de simulations numériques suscite un grand intérêt ; dans ce cas, il s'agit de prédire le comportement au feu des structures en bois. Comme données d'entrée pour les calculs, des données thermophysiques pour les matériaux en bois dans différents états sont à nouveau nécessaires : pour le bois humide, le bois sec et le matériau pyrolysé jusqu'à la plage de températures élevées de 900°C. Ces données sont collectées à l'ÖGI à l'aide d'un système d'échantillonnage et d'un système d'analyse. Ces données sont collectées à l'ÖGI à l'aide des instruments d'analyse de NETZSCH-Gerätebau GmbH ; le LFA 427 est notamment utilisé à cette fin.

La caractérisation des matériaux à base de bois jusqu'à une plage de températures élevées de plusieurs centaines de degrés présente un défi particulier, d'une part, en raison du caractère poreux du bois et, d'autre part, en raison de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition du matériau sous l'influence d'une exposition à une chaleur élevée, comme c'est le cas avec les tirs laser dans le LFA. Pour mesurer le bois jusqu'à la limite de Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique (début de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition pyrolytique), les échantillons préparés doivent donc être revêtus de manière appropriée. À cette fin, une feuille de cuivre adhésive (environ 35 µm de feuille de cuivre + 35 µm d'adhésif acrylique) sur la face inférieure de l'échantillon s'est avérée être un revêtement approprié. En raison du caractère poreux du bois, les échantillons doivent également être revêtus sur la face supérieure afin d'éviter que l'augmentation de température sur la face supérieure de l'échantillon ne soit détectée à partir de l'espace poreux. À cette fin, les échantillons ont été recouverts d'une fine couche de pâte thermique (environ 80 µm) (schéma de la figure 5). Cependant, le revêtement affecte le calcul de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique du bois en raison de l'augmentation de l'épaisseur de l'ensemble de l'échantillon et des différents matériaux. Pour estimer l'influence du revêtement, des mesures de référence ont été effectuées avec des matériaux de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique similaire ; ces mesures peuvent être effectuées avec et sans revêtement. La figure 6 montre la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique mesurée de la Bakélite® noire. En fonction de l'épaisseur mesurée de l'échantillon, le revêtement entraîne une Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique plus faible (courbe rouge dans la figure 6) que pour l'échantillon non revêtu (courbe bleue) en raison de l'augmentation du temps de montée. En corrigeant l'épaisseur totale de l'échantillon, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique réelle du matériau peut être approchée et le léger écart peut être considéré comme un autre terme de l'incertitude de mesure. La correction de l'épaisseur peut également être effectuée directement à l'aide de la fonction intégrée dans le logicielNETZSCH - Proteus^® LFA dans ce cas.

La mesure de la diffusivité thermique des matériaux pyrolysés ne nécessite pas de revêtement. En raison du caractère poreux du bois ou du charbon de bois, l'impulsion laser n'est toutefois pas entièrement absorbée à la surface, comme le montrent également les mousses de graphite. Afin de tenir compte de l'absorption de l'impulsion laser dans la structure des pores, le modèle de pénétration du logicielNETZSCH Proteus^® LFA est utilisé dans le cas des échantillons pyrolysés. La figure 7 représente le signal de mesure (bleu) en fonction du temps pour un échantillon de charbon de bois et l'ajustement à l'aide du modèle de pénétration (rouge).

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