Termofisika untuk Aplikasi Luar Angkasa dan Proyek Bangunan Berkelanjutan

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Institut Pengecoran Austria) adalah lembaga penelitian bersama industri pengecoran Austria dengan sekitar 40 karyawan. Lembaga ini menangani masalah-masalah dalam industri pengecoran dan mengoperasikan pengecoran uji coba sendiri, di mana penelitian yang berorientasi pada aplikasi dilakukan dalam proses pengecoran dan pengecoran paduan. Selain itu, ÖGI juga merupakan salah satu laboratorium pengujian terkemuka di Austria. Di sini, ÖGI bergerak jauh melampaui area inti dari industri pengecoran dan teknologi logam. Jangkauan layanan penelitian dan pengujian mereka mencakup spektrum aplikasi yang luas: Pengujian non-destruktif dengan sinar X dan tomografi komputer, di mana sampel dari industri bahan bangunan atau farmasi diuji di samping komponen tuang; termofisika, dengan berbagai macam material serta simulasi numerik proses pengecoran dan analisis kegagalan; dan bahkan teknologi penyambungan/permukaan dan pengikatan.

Sebagai lembaga penelitian non-universitas, ÖGI diakreditasi sebagai laboratorium pengujian untuk 26 metode pengujian oleh Accreditation Austria di bidang operasional laboratorium kimia, laboratorium mekanik, laboratorium fisika dan metalografi. Laboratorium pengujian memenuhi persyaratan EN ISO/IEC 17025:2017. Di laboratorium termofisika, parameter material seperti Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal, ekspansi termal, dan kapasitas panas ditentukan dari suhu yang sangat rendah hingga suhu yang sangat tinggi. Data ini sangat penting untuk pengembangan material apa pun, tetapi juga berfungsi sebagai parameter input untuk simulasi numerik. Namun, kisaran material di laboratorium termofisika tidak terbatas pada paduan logam, yang terutama dikarakterisasi dalam kondisi padat tetapi juga dalam kondisi cair. Ini juga mencakup bahan cetakan berbasis pasir yang digunakan dalam industri pengecoran, bahan bangunan seperti gipsum dan berbagai kayu atau bahan berbasis kayu, varietas kaca, dan bahan keramik.

Seiring dengan keandalan instrumen analitik, dukungan pelanggan yang sangat baik yang disediakan oleh NETZSCH-Gerätebau GmbH telah menjadi penentu dalam kolaborasi yang telah berlangsung lama ini. Ketersediaan suku cadang jangka panjang sama pentingnya dengan layanan yang sangat baik dan selalu tersedia di tempat, bersama dengan opsi untuk pemeliharaan sistem yang komprehensif secara langsung di NETZSCH-Gerätebau GmbH di Selb. Kombinasi ini memungkinkan ÖGI untuk menawarkan berbagai macam aplikasi dengan bahan yang menantang kepada pelanggan dan mitra mereka dalam lingkup kolaborasi bilateral di antara proyek-proyek nasional dan internasional.

Analisis Material untuk Aplikasi Luar Angkasa

Material untuk aplikasi luar angkasa juga telah menjadi bagian penting dari spektrum material ÖGI. Setiap minggu, beberapa ton material dari pesawat ruang angkasa yang ditinggalkan memasuki atmosfer Bumi. Masalahnya di sini adalah disintegrasi yang tidak terkendali dari puing-puing pesawat ruang angkasa tersebut. Perjanjian internasional saat ini mengharuskan re-entry yang terkendali atau penilaian risiko untuk kecelakaan yang tidak terkendali untuk setiap lepas landas ke orbit rendah Bumi. Simulasi numerik dari pembebanan termal dan mekanis atau pembakaran selama masuk kembali dilakukan untuk manajemen risiko. Untuk meningkatkan kemampuan prediksi, data material yang valid hingga suhu yang sangat tinggi atau hingga fase cair diperlukan.

ÖGI telah dan sedang diwakili dalam berbagai proyek penelitian dan kerja sama internasional. Berbagai macam material diuji, termasuk paduan logam, plastik yang diperkuat serat karbon yang digunakan pada satelit dan roket, serta kain keramik, aerogel, dan busa grafit yang digunakan sebagai komposit lapisan untuk perisai pelindung panas tiup.

Akan tetapi, kain keramik dan busa grafit sangat menantang untuk mengkarakterisasi bahan untuk aplikasi luar angkasa. Seperti yang telah disebutkan, bahan-bahan ini digunakan sebagai komposit lapisan untuk perisai pelindung panas tiup (Sistem Perlindungan Termal Tiup Tingkat Lanjut) untuk misi Bumi dan Mars di masa depan (gambar 2). Karena pengetahuan tentang karakteristik bahan diperlukan untuk suhu jauh di atas 1000°C, hanya metode laser flash yang dapat digunakan; ini adalah satu-satunya instrumen yang mampu menentukan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal ke dalam kisaran suhu tinggi. Dua sistem LFA 427 dari NETZSCH digunakan di ÖGI untuk tujuan ini. Keuntungan metode laser flash tidak hanya terletak pada kisaran suhunya yang luas, tetapi juga pada kemampuannya untuk mengukur kain dan busa grafit di bawah tekanan dan atmosfer gas yang berbeda.

Metodologi pengukuran dan evaluasi harus memenuhi tuntutan yang tidak hanya disebabkan oleh masalah seperti produksi sampel yang sesuai, ketebalan kain dan busa grafit yang sulit ditentukan, dan ketidakhomogenan parsial, tetapi juga disebabkan oleh porositas bahan. Pada contoh berikut, busa grafit dan aerogel masing-masing diuji dalam atmosfer argon. Gambar 3 menunjukkan sinyal pengukuran (biru) dari waktu ke waktu untuk busa grafit; gambar 4 untuk aerogel. Karena struktur berpori dari kedua bahan tersebut, pulsa laser tidak lagi sepenuhnya diserap di permukaan. Untuk memperhitungkan Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan pulsa laser dalam struktur pori, model penetrasi perangkat lunakNETZSCH Proteus^® LFA digunakan dalam kedua kasus. Untuk meminimalkan efek fluks panas parasit, ujung kisaran kurva fitting (merah) dipilih sesaat setelah maksimum. Dalam kasus bahan yang sebagian radiolusen, seperti aerogel, sinyal awal tidak dipertimbangkan dalam evaluasi.

Pengalaman yang diperoleh di ÖGI dari pengukuran material berpori atau terurai sebagian dari industri luar angkasa dapat digunakan untuk membangun keahlian dalam bidang aplikasi lebih lanjut: Bahan berbasis kayu sebagai bahan bangunan untuk proyek konstruksi berkelanjutan di masa depan.

Material Berbasis Kayu untuk Proyek Bangunan Berkelanjutan

Kayu sebagai bahan bangunan telah mengalami peningkatan yang kuat dalam beberapa tahun terakhir. Pangsa pasarnya dalam proyek-proyek bangunan masa depan terus meningkat karena sifat-sifat positif kayu dalam hal mengurangi emisi_CO2, konsumsi energi yang rendah selama produksi, dan juga sifat insulasi termalnya. Dalam konteks ini, material berbasis kayu tidak hanya digunakan pada rumah keluarga tunggal, tetapi juga semakin banyak digunakan pada bangunan bertingkat atau pada proyek-proyek konstruksi bertingkat. Hal ini memungkinkan redensifikasi yang berkelanjutan di daerah perkotaan. Namun, peningkatan penggunaan bahan berbasis kayu juga menempatkan persyaratan perlindungan kebakaran yang lebih tinggi pada kayu sebagai bahan. Ketahanan api dari konstruksi kayu harus dibuktikan, dan sampai saat ini, hal ini telah dilakukan dengan cara uji api yang memakan waktu dan biaya. Oleh karena itu, seperti halnya material untuk aplikasi ruang angkasa, terdapat minat yang tinggi dalam penerapan simulasi numerik; dalam hal ini, untuk memprediksi perilaku kebakaran struktur kayu. Sebagai data masukan untuk perhitungan, data termofisika untuk material kayu dalam kondisi yang berbeda kembali diperlukan: untuk kayu lembab, kayu kering, dan material yang terpirolisis hingga kisaran suhu tinggi 900°C. Data ini dikumpulkan di ÖGI dengan instrumen analisis dari NETZSCH-Gerätebau GmbH; LFA 427 digunakan untuk hal ini, antara lain.

Tantangan khusus dalam karakterisasi bahan berbasis kayu hingga kisaran suhu tinggi beberapa ratus derajat disajikan, di satu sisi, oleh karakter kayu yang berpori dan, di sisi lain, oleh Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian bahan di bawah pengaruh paparan panas yang tinggi, seperti halnya dengan tembakan laser di LFA. Untuk pengukuran kayu hingga batas Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal (awal dekomposisi pirolitik), sampel yang disiapkan harus dilapisi dengan tepat. Untuk tujuan ini, kertas tembaga berperekat (sekitar 35 µm kertas tembaga + 35 µm perekat akrilat) pada bagian bawah sampel telah terbukti menjadi pelapis yang sesuai. Karena karakter kayu yang berpori, sampel juga harus dilapisi di sisi atas untuk mencegah deteksi kenaikan suhu di sisi atas sampel dari ruang pori. Untuk tujuan ini, sampel dilapisi dengan lapisan tipis pasta termal (sekitar 80 µm) (skema pada gambar 5). Namun, pelapisan mempengaruhi perhitungan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal kayu karena peningkatan ketebalan seluruh sampel serta berbagai bahan. Untuk memperkirakan pengaruh pelapisan, pengukuran referensi dilakukan dengan bahan yang memiliki Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang sama; ini dapat diukur dengan dan tanpa pelapisan. Gambar 6 menunjukkan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang diukur dari Bakelite® hitam. Terkait dengan ketebalan sampel yang diukur, pelapisan menyebabkan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang lebih rendah (kurva merah pada gambar 6) dibandingkan dengan sampel yang tidak dilapisi (kurva biru) karena peningkatan waktu naik. Dengan koreksi seluruh ketebalan sampel, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal aktual material dapat diperkirakan dan sedikit deviasi dapat dianggap sebagai istilah lain dalam ketidakpastian pengukuran. Koreksi ketebalan juga dapat dilakukan secara langsung dengan fungsi yang terintegrasi dalam perangkat lunakNETZSCH - Proteus^® LFA dalam hal ini.

Pengukuran difusivitas termal bahan PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis tidak memerlukan lapisan. Namun demikian, karena karakter kayu atau arang kayu yang berpori, pulsa laser - seperti yang juga dibuktikan oleh busa grafit - tidak lagi terserap sepenuhnya di permukaan. Untuk mempertimbangkan Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan pulsa laser dalam struktur pori, model penetrasi perangkat lunakNETZSCH Proteus^® LFA digunakan dalam kasus sampel PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis. Gambar 7 menggambarkan sinyal pengukuran (biru) dari waktu ke waktu untuk sampel arang dan pencocokan menggunakan model penetrasi (merah).

Bagikan artikel ini: