29.09.2022 by Aileen Sammler
60 ans de NETZSCH-Gerätebau : Le LFA au service des applications spatiales
En septembre, tout tourne autour de l'analyse laser flash. Nous sommes fiers de présenter un rapport de terrain réalisé par notre client de longue date, l'Institut autrichien de fonderie. Découvrez le LFA utilisé par l'Institut autrichien de fonderie - Thermophysique pour les applications spatiales.
Le LFA en service à l'Institut autrichien de la fonderie
L'Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI ; Institut autrichien de la fonderie) est l'institut de recherche commun de l'industrie autrichienne de la fonderie et compte environ 40 employés. Il traite des questions relatives à l'industrie de la fonderie ainsi qu'à l'industrie de la technologie des métaux. Ses offres de recherche comprennent la R&D, le conseil technique, les essais de matériaux, l'étude des matériaux et des composants, la tomographie industrielle par ordinateur, la simulation numérique et la formation spécialisée.
"ÖGI est accrédité en tant que centre d'essai pour 26 méthodes d'essai conformément à la norme EN ISO/IEC 17025. 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 jusqu'à des températures très élevées. Ces données sont d'une grande importance pour toute application de développement de matériaux, mais servent également de paramètres d'entrée essentiels pour les simulations informatiques.
Cependant, la gamme de matériaux du laboratoire de thermophysique ne se limite pas aux alliages métalliques caractérisés à l'état solide et liquide. Il s'agit notamment de matériaux de moulage à base de sable utilisés dans l'industrie de la fonderie, de matériaux de construction tels que le gypse, de divers bois ou matériaux à base de bois, de variétés de verre et de matériaux céramiques.
Pour couvrir une telle gamme de matériaux, il est indispensable de disposer d'instruments de mesure particulièrement fiables. À cette fin, ÖGI collabore depuis des décennies avec NETZSCH-Gerätebau. Tous les instruments du laboratoire de thermophysique de l'ÖGI ont fait leurs preuves sur une période extraordinairement longue, généralement d'une vingtaine d'années. Parmi eux figurent deux systèmes LFA 427, le premier en service depuis 2003 et le second depuis 2015. Un autre avantage des systèmes de NETZSCH-Gerätebau est la disponibilité à long terme des pièces de rechange, associée à un service excellent et rapide.
Matériaux pour les applications spatiales
Les matériaux pour les applications spatiales sont également devenus une partie importante de la gamme de matériaux d'ÖGI. ÖGI participe à divers projets de recherche et de collaboration internationaux. Une large gamme de matériaux est testée, notamment des alliages métalliques et des plastiques renforcés de fibres de carbone utilisés dans les satellites et les étages de fusée. 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 réalisées pour l'évaluation des risques. Pour améliorer la capacité de prédiction, 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 pu contribuer de manière significative à la caractérisation de ces matériaux.
Les tissus céramiques et les mousses de graphite sont toutefois particulièrement difficiles à caractériser. Ils sont utilisés comme couches composites pour les boucliers de protection thermique gonflables (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) pour les missions terrestres et les futures missions martiennes.
Comme la connaissance des caractéristiques du matériau 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-Gerätebau sont utilisés à l'ÖGI à cette fin. 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 valeurs pour 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 3a) montre le signal de mesure (bleu) en fonction du temps pour une mousse de graphite ; la figure 3b) 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 logiciel NETZSCH Proteus®Ò 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 radiotransparents, tels que les aérogels, le signal initial n'est pas pris en compte dans l'évaluation.
Outre la caractérisation thermophysique de différents tissus et mousses de graphite, les mesures thermophysiques sont complétées par des essais liés à l'application. Afin de tester la capacité thermique des composites stratifiés, ceux-ci sont soumis à des contraintes thermiques dans la fonderie d'essai de l'ÖGI à des températures supérieures à 1000°C, comme prévu pour l'atterrissage sur Mars. Dans un système de couches de protection thermique, des thermocouples sont intégrés entre les différentes couches. Au moyen d'un creuset en graphite contenant du cuivre fondu, le composite de couches de protection thermique peut être soudainement soumis à une charge thermique à environ 1100°C (figure 4a)). Les températures entre les couches sont mesurées, ce qui permet de déterminer le flux de chaleur à travers le système de couches. Pour l'isolation thermique de l'environnement, le système de couches est placé pendant l'expérience dans un moule, composé d'un cadre en céramique pour la fixation et d'un matériau de moulage à base de sable à faible 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 provenant d'une imprimante 3-D interne (figure 4b)). Les résultats des mesures des expériences sont en très bon accord avec la simulation numérique dans laquelle les résultats des mesures de l'ACL pour les différentes couches de protection thermique sont mis en œuvre (figure 5)."
Un grand merci à l'Institut autrichien de la fonderie de Leoben pour ce rapport très intéressant.
Nous nous réjouissons à l'avance de ces nombreuses années de collaboration fructueuse !
