La termofisica per le applicazioni spaziali e i progetti di edilizia sostenibile

L'Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Istituto austriaco di fonderia) è l'istituto comune di ricercaarcdell'industria austriaca della fonderia, con circa 40 dipendenti. Si occupa di questioni relative all'industria della fonderia e gestisce una propria fonderia di prova, dove vengono svolte ricerchearcorientate alle applicazioni nei rispettivi processi diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e di colata delle leghe. Inoltre, l'ÖGI è anche uno dei principali laboratori di prova in Austria. In questo caso, l'ÖGI si spinge ben oltre l'attuale settore centrale dell'industria della fonderia e della tecnologia dei metalli. La loro gamma di servizi di ricercaarch e di test copre un ampio spettro di applicazioni: Controlli non distruttivi con raggi X e tomografia computerizzata, dove oltre ai componenti fusi vengono testati anche campioni provenienti dall'industria dei materiali da costruzione o da quella farmaceutica; termofisica, con un'ampia gamma di materiali, simulazione numerica dei processi diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e analisi dei guasti; e anche tecnologia di giunzione/superficie e incollaggio.

In quanto istituto di ricerca non universitarioarch, l'ÖGI è accreditato come laboratorio di prova per 26 metodi di prova da Accreditation Austria nelle aree operative di laboratorio chimico, laboratorio meccanico, laboratorio fisico e metallografia. Il laboratorio di prova è conforme ai requisiti della norma EN ISO/IEC 17025:2017. Nel laboratorio termofisico, i parametri dei materiali come la conducibilità termica, l'espansione termica e la capacità termica vengono determinati da temperature molto basse a temperature molto alte. I dati sono di grande importanza per lo sviluppo di qualsiasi materiale, ma servono anche come parametri di input per le simulazioni numeriche. La gamma di materiali del laboratorio di termofisica non si limita tuttavia alle leghe metalliche, che vengono caratterizzate principalmente allo stato solido ma anche allo stato liquido. Comprende anche materiali di stampaggio a base di sabbia utilizzati nell'industria della fonderia, materiali da costruzione come il gesso e vari legni o materiali a base di legno, varietà di vetro e materiali ceramici.

Oltre all'affidabilità degli strumenti analitici, l'eccellente assistenza clienti fornita da NETZSCH-Gerätebau GmbH è stata decisiva in questa collaborazione pluriennale. La disponibilità a lungo termine dei pezzi di ricambio è stata altrettanto importante quanto l'eccellente e sempre disponibile assistenza in loco, insieme alla possibilità di effettuare una manutenzione completa dei sistemi direttamente presso NETZSCH-Gerätebau GmbH a Selb. Questa combinazione consente a ÖGI di offrire un'ampia gamma di applicazioni con materiali difficili ai propri clienti e partner nell'ambito di collaborazioni bilaterali tra progetti nazionali e internazionali.

Analisi dei materiali per applicazioni spaziali

Anche i materiali per applicazioni spaziali sono diventati una parte importante dello spettro dei materiali di ÖGI. Ogni settimana, diverse tonnellate di materiale proveniente da veicoli spaziali abbandonati entrano nell'atmosfera terrestre. Il problema è la disintegrazione incontrollata di questi detriti spaziali. Gli accordi internazionali richiedono ora un rientro controllato o una valutazione del rischio di crash incontrollato per ogni nuovo decollo nell'orbita terrestre bassa. Per la gestione del rischio vengono effettuate simulazioni numeriche del carico termico e meccanico o del burn-up durante il rientro. Per migliorare la capacità di previsione, sono necessari dati validi sui materiali fino a temperature molto elevate o fino alla fase fusa.

L'ÖGI è stata ed è rappresentata in diversi progetti e cooperazioni internazionali di ricercaarc. Viene testata un'ampia gamma di materiali, tra cui leghe metalliche, plastiche rinforzate con fibre di carbonio utilizzate nei satelliti e negli stadi dei razzi, tessuti ceramici, aerogel e schiume di grafite utilizzati come strati compositi per scudi gonfiabili di protezione dal calore.

I tessuti ceramici e le schiume di grafite, tuttavia, sono particolarmente impegnativi per la caratterizzazione dei materiali per applicazioni spaziali. Come detto, sono utilizzati come strati compositi per scudi gonfiabili di protezione dal calore (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) per la Terra e per le future missioni su Marte (figura 2). Poiché la conoscenza delle caratteristiche dei materiali è necessaria per temperature molto superiori a 1000°C, è possibile utilizzare solo il metodo del flash laser, l'unico strumento in grado di determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in un intervallo di temperature elevate. A questo scopo, presso l'ÖGI vengono utilizzati due sistemi LFA 427 di NETZSCH. Il vantaggio del metodo del flash laser non risiede solo nell'ampio intervallo di temperatura, ma anche nella capacità di misurare tessuti e schiume di grafite a diverse pressioni e atmosfere gassose.

La metodologia di misurazione e la valutazione devono rispondere alle esigenze poste non solo dalla produzione di campioni adeguati, dallo spessore difficilmente definibile di tessuti e schiume di grafite e dalla parziale disomogeneità, ma anche a quelle poste dalla porosità dei materiali. Nell'esempio seguente, una schiuma di grafite e un aerogel sono stati testati in un'atmosfera di argon. La figura 3 mostra il segnale di misura (blu) nel tempo per una schiuma di grafite; la figura 4 per un aerogel. A causa della struttura porosa dei due materiali, l'impulso laser non viene più interamente assorbito in superficie. Per tenere conto dell'assorbimento dell'impulso laser nella struttura dei pori, in entrambi i casi viene utilizzato il modello di penetrazione del softwareNETZSCH Proteus^® LFA. Per minimizzare gli effetti parassiti del flusso di calore, la fine dell'intervallo di adattamento della curva (rosso) è selected è poco dopo il massimo. Nel caso di materiali parzialmente radiotrasparenti, come l'aerogel, il segnale iniziale non viene preso in considerazione nella valutazione.

È stato possibile utilizzare l'esperienza acquisita presso l'ÖGI nella misurazione di materiali porosi o parzialmente decomponibili provenienti dall'industria spaziale per costruire competenze in un ulteriore campo di applicazione: I materiali a base di legno come materiali da costruzione per i futuri progetti di edilizia sostenibile.

Materiali a base di legno per progetti di edilizia sostenibile

Il legno come materiale da costruzione ha registrato una forte crescita negli ultimi anni. La sua quota nei progetti edilizi futuri continua ad aumentare grazie alle proprietà positive del legno in termini di riduzione delle emissioni di_CO2, al basso consumo energetico durante la produzione e alle sue proprietà di isolamento termico. In questo contesto, i materiali a base di legno vengono impiegati non solo nelle case monofamiliari, ma anche, sempre più spesso, in edifici a più piani o in progetti edilizi di alto livello. Ciò consente una ridensificazione sostenibile delle aree urbane. Tuttavia, l'aumento dell'uso di materiali a base di legno impone anche requisiti di protezione antincendio più elevati al legno come materiale. La resistenza al fuoco delle costruzioni in legno deve essere dimostrata e, fino ad oggi, ciò è stato fatto attraverso test antincendio che richiedono tempo e costi elevati. Pertanto, come per i materiali per applicazioni spaziali, vi è un grande interesse nell'applicazione di simulazioni numeriche; in questo caso, per prevedere il comportamento al fuoco delle strutture in legno. Come dati di input per i calcoli, sono nuovamente necessari dati termofisici per i materiali in legno in diversi stati: per il legno umido, per il legno secco e per il materiale pirolizzato fino all'intervallo di alta temperatura di 900°C. Questi dati vengono raccolti presso l'ÖGI con gli strumenti di analisi di NETZSCH-Gerätebau GmbH; a questo scopo viene utilizzato, tra gli altri, l'LFA 427.

Una sfida particolare nella caratterizzazione dei materiali a base di legno fino a temperature elevate di diverse centinaia di gradi è rappresentata, da un lato, dal carattere poroso del legno e, dall'altro, dalla Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del materiale sotto l'influenza di un'elevata esposizione al calore, come nel caso del laser shots nell'LFA. Per misurare il legno fino al limite di Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica (inizio della Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione pirolitica), i campioni preparati devono quindi essere adeguatamente rivestiti. A tal fine, un foglio di rame adesivo (circa 35 µm di foglio di rame + 35 µm di adesivo acrilico) sul lato inferiore del campione si è dimostrato un rivestimento adeguato. A causa del carattere poroso del legno, i campioni devono essere rivestiti anche sul lato superiore per evitare di rilevare l'aumento di temperatura sul lato superiore del campione dallo spazio dei pori. A questo scopo, i campioni sono stati rivestiti con un sottile strato di pasta termica (circa 80 µm) (schema in figura 5). Tuttavia, il rivestimento influisce sul calcolo della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del legno a causa dell'aumento dello spessore dell'intero campione e dei vari materiali. Per valutare l'influenza del rivestimento, sono state effettuate misure di riferimento con materiali di conducibilità termica simile, che possono essere misurati sia con che senza rivestimento. La Figura 6 mostra la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica misurata della Bakelite® nera. In relazione allo spessore misurato del campione, il rivestimento determina una Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica inferiore (curva rossa in figura 6) rispetto al campione non rivestito (curva blu) a causa dell'aumento del tempo di salita. Correggendo l'intero spessore del campione, è possibile approssimare l'effettiva Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del materiale e la leggera deviazione può essere considerata come un altro termine dell'incertezza di misura. La correzione dello spessore può anche essere eseguita direttamente con la funzione integrata nel softwareNETZSCH - Proteus^® LFA in questo caso.

La misurazione della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dei materiali pirolizzati non richiede un rivestimento. Tuttavia, a causa del carattere poroso del legno o delarclegno, l'impulso laser, come dimostrato anche dalle schiume di grafite, non viene più assorbito completamente in superficie. Per tenere conto dell'assorbimento dell'impulso laser nella struttura dei pori, nel caso dei campioni pirolizzati viene utilizzato il modello di penetrazione del softwareNETZSCH Proteus^® LFA. La Figura 7 mostra il segnale di misura (blu) nel tempo per un campione di charcoal e l'adattamento con il modello di penetrazione (rosso).

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