Termofizika az űralkalmazások és a fenntartható építési projektek számára

Az Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Osztrák Öntödei Intézet) az osztrák öntödeipar közös kutatóintézete, amely mintegy 40 alkalmazottat foglalkoztat. Az intézet az öntödeipar kérdéseivel foglalkozik, és saját tesztöntödét működtet, ahol alkalmazásorientált kutatásokat végeznek az adott öntési eljárások és ötvözetek öntése terén. Az ÖGI emellett Ausztria egyik vezető vizsgáló laboratóriuma is. Az ÖGI itt messze túlmutat az öntöde- és fémtechnológiai ipar tényleges alapterületén. Kutatási és vizsgálati szolgáltatásaik az alkalmazások széles spektrumát fedik le: Röntgensugaras és számítógépes tomográfiás roncsolásmentes vizsgálat, ahol az öntött alkatrészek mellett az építőanyag- vagy gyógyszeriparból származó mintákat is vizsgálnak; termofizika, az anyagok széles skálájával, valamint az öntési folyamatok numerikus szimulációjával és hibaelemzéssel; és még az illesztési/felület- és ragasztástechnika is.

Nem egyetemi kutatóintézetként az ÖGI 26 vizsgálati módszerre vonatkozóan akkreditált vizsgálati laboratórium az Accreditation Austria által a kémiai laboratórium, a mechanikai laboratórium, a fizikai laboratórium és a metallográfia működési területein. A vizsgáló laboratórium megfelel az EN ISO/IEC 17025:2017 szabvány követelményeinek. A termofizikai laboratóriumban az olyan anyagparamétereket, mint a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, a hő tágulás és a hőkapacitás, nagyon alacsony és nagyon magas hőmérséklettől kezdve határozzák meg. Az adatok nagy jelentőséggel bírnak minden anyagfejlesztés szempontjából, de numerikus szimulációk bemeneti paramétereiként is szolgálnak. A termofizikai laboratórium anyagainak köre azonban nem korlátozódik a fémötvözetekre, amelyeket elsősorban szilárd állapotban, de folyékony állapotban is jellemeznek. Ide tartoznak még az öntödeiparban használt homokalapú öntőanyagok, az építőanyagok, mint például a gipsz és a különböző faanyagok vagy faalapú anyagok, az üvegfajták és a kerámiaanyagok.

Az analitikai műszerek megbízhatósága mellett a NETZSCH-Gerätebau GmbH által nyújtott kiváló ügyfélszolgálat is döntő szerepet játszott ebben a hosszú évek óta tartó együttműködésben. A pótalkatrészek hosszú távú rendelkezésre állása ugyanolyan fontos volt, mint a kiváló és mindig rendelkezésre álló helyszíni szerviz, valamint a rendszerek átfogó karbantartásának lehetősége közvetlenül a NETZSCH-Gerätebau GmbH Selbben. Ez a kombináció lehetővé teszi, hogy az ÖGI a kihívást jelentő anyagokkal kapcsolatos alkalmazások széles skáláját kínálja ügyfeleinek és partnereinek a nemzeti és nemzetközi projektek közötti kétoldalú együttműködések keretében.

Anyagelemzés űrtechnikai alkalmazásokhoz

Az ÖGI anyagspektrumának fontos részévé váltak az űrtechnológiai alkalmazásokhoz használt anyagok is. Minden héten több tonna elhagyott űrhajóból származó anyag kerül a Föld légkörébe. A problémát itt az ilyen űrhajótörmelékek ellenőrizetlen szétesése jelenti. A nemzetközi egyezmények ma már minden új, alacsony Föld körüli pályára történő felszállásnál vagy ellenőrzött visszalépést, vagy az ellenőrizetlen lezuhanás kockázatának felmérését írják elő. A kockázatkezelés érdekében numerikus szimulációkat végeznek a visszatérés során fellépő termikus és mechanikai terhelésről vagy kiégésről. A jobb előrejelzési képességhez érvényes anyagadatokra van szükség egészen a nagyon magas hőmérsékletig vagy az olvadt fázisig.

Az ÖGI számos nemzetközi kutatási projektben és együttműködésben vett és vesz részt. Az anyagok széles skáláját vizsgálják, beleértve a fémötvözeteket, a műholdakban és rakétafokozatokban használt szénszál-erősítésű műanyagokat, valamint a felfújható hővédő pajzsok rétegkompozitjaiként használt kerámiaszöveteket, aerogéleket és grafithabokat.

A kerámiaszövetek és a grafithabok azonban különösen nagy kihívást jelentenek az űrtechnikai alkalmazásokhoz használt anyagok jellemzése szempontjából. Mint említettük, ezeket a Földön és a jövőbeli Mars-missziókban alkalmazott felfújható hővédő pajzsok (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) rétegkompozitjaiként használják (2. ábra). Mivel az anyagok jellemzőinek ismerete jóval 1000°C feletti hőmérsékleten szükséges, csak a lézervillantásos módszer alkalmazható; ez az egyetlen olyan műszer, amely képes a magas hőmérsékleti tartományban is meghatározni a hővezető képességet. Az ÖGI-ben erre a célra a NETZSCH két LFA 427-es rendszerét használják. A lézervillanásos módszer előnye nemcsak a széles hőmérsékleti tartományban rejlik, hanem abban is, hogy különböző nyomáson és gázlégkörben is képes szövetek és grafithabok mérésére.

A mérési módszertannak és az értékelésnek nem csak az olyan követelményekkel kell megbirkóznia, mint a megfelelő minták előállítása, a szövetek és grafithabok nehezen meghatározható vastagsága és a részleges inhomogenitás, hanem az anyagok porozitása által támasztott követelményekkel is. A következő példában egy grafithabot és egy aerogélt vizsgáltunk argon atmoszférában. A 3. ábra a grafithab mérési jelét (kék) mutatja az idő függvényében; a 4. ábra az aerogélét. A két anyag porózus szerkezete miatt a lézerimpulzus már nem nyelődik el teljesen a felületen. A lézerimpulzus pórusszerkezetben történő elnyelésének figyelembevételére mindkét esetben a NETZSCH Proteus^® LFA szoftver penetrációs modelljét alkalmazzuk. A parazita hőáramhatások minimalizálása érdekében a görbeillesztés tartományának egy végét (piros) röviddel a maximum után választjuk ki. A részben sugárzástól átlátszó anyagok, például aerogél esetében a kezdeti jelet nem vesszük figyelembe az értékelés során.

Az ÖGI-nél az űrkutatásban használt porózus vagy részben bomló anyagok mérése során szerzett tapasztalatokat fel lehetett használni egy további alkalmazási terület szakértelme kiépítéséhez: Faalapú anyagok, mint építőanyagok a jövőbeli fenntartható építési projektekhez.

Faalapú anyagok a fenntartható építési projektekhez

A fa mint építőanyag az elmúlt években erőteljes fellendülést tapasztalt. A jövőbeni építési projektekben való részesedése tovább növekszik a fa pozitív tulajdonságainak köszönhetően, amelyek a_{CO2-kibocsátás} csökkentésében, a gyártás során történő alacsony energiafogyasztásban és a hőszigetelő tulajdonságaiban rejlenek. Ebben az összefüggésben a faalapú anyagokat nemcsak az egylakásos családi házaknál, hanem egyre inkább a többszintes épületeknél vagy a magasépítési projekteknél is alkalmazzák. Ez lehetővé teszi a városi területek fenntartható újratelepítését. A faalapú anyagok fokozott használata azonban magasabb tűzvédelmi követelményeket is támaszt a fával mint anyaggal szemben. A faszerkezetek tűzállóságát bizonyítani kell, és ez eddig időigényes és költségigényes tűzvizsgálatokkal történt. Ezért - hasonlóan az űrtechnikai alkalmazások anyagaihoz - nagy érdeklődés mutatkozik a numerikus szimulációk alkalmazása iránt; ebben az esetben a faszerkezetek tűzvédelmi viselkedésének előrejelzésére. A számítások bemeneti adataiként ismét a különböző állapotú faanyagok termofizikai adataira van szükség: nedves fa, száraz fa és pirolízisre a 900 °C-os magas hőmérsékleti tartományig. Ezeket az ÖGI-nél a NETZSCH-Gerätebau GmbH elemzőműszereivel gyűjtik; többek között az LFA 427-es készüléket használják.

A faalapú anyagok jellemzésében a több száz fokos magas hőmérsékleti tartományig különös kihívást jelent egyrészt a fa porózus jellege, másrészt az anyag bomlása a nagy hőhatás hatására, mint ahogyan az LFA lézerrel történő lövések esetében is történik. A fa méréséhez a hőstabilitási határig (a pirolitikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás kezdetéig) az előkészített mintákat ezért megfelelően be kell vonni. Ebből a célból a minta alján elhelyezett öntapadós rézfólia (kb. 35 µm-es rézfólia + 35 µm-es akrilát ragasztó) megfelelő bevonatnak bizonyult. A fa porózus jellege miatt a mintákat a felső oldalon is be kell vonni, hogy a pórustérből a minta felső oldalán ne lehessen kimutatni a hőmérséklet-emelkedést. Ebből a célból a mintákat egy vékony (kb. 80 µm-es) hővédő paszta réteggel vontuk be (vázlat az 5. ábrán). A bevonat azonban befolyásolja a fa Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének kiszámítását a teljes minta, valamint a különböző anyagok vastagságának növekedése miatt. A bevonat hatásának becsléséhez hasonló Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességű anyagokkal végeztünk referenciaméréseket; ezek bevonattal és bevonat nélkül is mérhetők. A 6. ábra a fekete Bakelite® mért Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét mutatja. A minta mért vastagságához viszonyítva a bevonat a felfutási idő növekedése miatt alacsonyabb hővezetési tényezőt eredményez (6. ábra piros görbéje), mint a bevonat nélküli minta esetében (kék görbe). A minta teljes vastagságának korrekciójával az anyag tényleges hővezetési tényezője megközelíthető, és a csekély eltérés a mérési bizonytalanság egy újabb terminusának tekinthető. A vastagságkorrekciót ebben az esetben közvetlenül is el lehet végezni a NETZSCH-Proteus^® LFA szoftverbe integrált funkcióval.

A pirolizált anyagok hődiffúziós képességének méréséhez nincs szükség bevonatra. A fa vagy a faszén porózus jellege miatt azonban a lézerimpulzus - amint azt a grafithabok is bizonyítják - már nem nyelődik el teljesen a felületen. A lézerimpulzus pórusszerkezetben való elnyelődésének figyelembevétele érdekében a pirolizált minták esetében a NETZSCH Proteus^® LFA szoftver penetrációs modelljét kell használni. A 7. ábra a mérési jelet (kék) mutatja egy faszénminta időbeli változását és a penetrációs modellel (piros) történő illesztést.

Ossza meg ezt a cikket: