宇宙への応用と持続可能な建築プロジェクトのための熱物理学

ÖsterreichischeGießerei-Institut（ÖGI、オーストリア鋳物研究所）は、オーストリアの鋳物産業の共同研究機関であり、約40名の従業員を擁している。鋳物産業における問題を扱い、独自の試験鋳造所を運営し、それぞれの鋳造プロセスや合金の鋳造において応用志向の研究が行われている。さらにÖGIは、オーストリア有数の試験所でもある。ここでÖGIは、鋳造および金属技術産業の実際の中核分野をはるかに超えて活動しています。ÖGIの研究および試験サービスの範囲は、幅広い用途をカバーしています：X線およびコンピュータ・トモグラフィーによる非破壊検査では、鋳造部品だけでなく、建材産業や医薬品の試料も検査しています。熱物理学では、鋳造プロセスの数値シミュレーションや故障解析だけでなく、幅広い材料を扱っています。

大学以外の研究機関として、ÖGIは、化学研究所、機械研究所、物理研究所、金属組織学の各分野において、26の試験法に関する試験所としてオーストリア認定機関（Accreditation Austria）に認定されています。試験所はEN ISO/IEC 17025:2017の要求事項に準拠している。熱物理試験所では、熱伝導率、熱膨張率、熱容量などの材料パラメータが超低温から超高温まで測定される。これらのデータは、あらゆる材料開発にとって非常に重要であるだけでなく、数値シミュレーションの入力パラメータとしても機能します。しかし、熱物性研究所で扱う材料は、主に固体状態で特性評価される金属合金だけでなく、液体状態でも特性評価される。また、鋳造産業で使用される砂ベースの成形材料、石膏や様々な木材、木質系材料などの建築材料、ガラス、セラミック材料なども含まれます。

分析装置の信頼性とともに、NETZSCH-Gerätebau GmbHが提供する優れたカスタマーサポートが、この長年にわたる協力関係において決定的な役割を果たしてきた。スペアパーツの長期的な入手可能性は、NETZSCH-Gerätebau GmbH社（セルブ市）で直接システムを包括的にメンテナンスするオプションとともに、常に利用可能な優れたオンサイトサービスと同様に重要であった。この組み合わせにより、ÖGI社は、国内外のプロジェクトにおける二者間協力の範囲内で、顧客やパートナーに難度の高い材料を使用した幅広いアプリケーションを提供することができます。

宇宙用材料分析

宇宙用途の材料もまた、ÖGIの材料スペクトルの重要な一部となっている。毎週、放棄された宇宙船から数トンの材料が地球の大気圏に突入しています。ここで問題となるのは、このような宇宙船の残骸が制御されずに崩壊することです。現在、国際協定では、地球低軌道への新たな離陸のたびに、制御された再突入か、制御されない墜落のリスク評価のいずれかを義務付けている。リスク管理のために、再突入時の熱的・機械的負荷や燃焼の数値シミュレーションが行われている。予測能力を向上させるためには、超高温または溶融相までの有効な材料データが必要です。

ÖGIは、さまざまな国際研究プロジェクトや協力に参加しています。金属合金、人工衛星やロケットステージに使用される炭素繊維強化プラスチック、膨張式熱保護シールドの層複合材料として使用されるセラミック織物、エアロゲル、グラファイトフォームなど、幅広い材料が試験されています。

しかし、セラミック織物とグラファイトフォームは、宇宙用途の材料を特性評価する上で特に難しい。前述のように、これらは地球や将来の火星ミッション用の膨張式熱保護シールド（Advanced Inflatable Thermal Protection Systems）用の層複合材料として使用される（図2）。材料の特性に関する知識は1000℃をはるかに超える温度で必要とされるため、レーザーフラッシュ法しか採用できない。レーザーフラッシュ法は、高温領域まで熱拡散率を測定できる唯一の装置である。ÖGIではこの目的のために、NETZSCH の2つのシステム（LFA 427 ）が使用されている。レーザーフラッシュ法の利点は、温度範囲が広いだけでなく、さまざまな圧力やガス雰囲気下で織物やグラファイトフォームを測定できることです。

測定方法と評価は、適切な試料の作成、織物やグラファイトフォームの定義が難しい厚さ、部分的な不均一性といった問題だけでなく、材料の多孔性によって生じる要求にも対応しなければならない。以下の例では、グラファイトフォームとエアロゲルをそれぞれアルゴン雰囲気中で試験した。図3はグラファイトフォームの経時的な測定信号（青）、図4はエアロゲルの測定信号（青）である。この2つの材料は多孔質構造であるため、レーザーパルスは表面で完全に吸収されることはない。多孔質構造におけるレーザーパルスの吸収を考慮するために、NETZSCH Proteus^® LFAソフトウェアの浸透モデルを両方のケースで採用しています。寄生熱流束の影響を最小にするため、曲線フィッティングの範囲の端（赤）を最大値のすぐ後に選択した。エアロゲルのような部分的に放射線透過性の材料の場合、初期信号は評価に考慮されない。

ÖGIでは、宇宙産業で使用される多孔質材料や部分的に分解する材料の測定から得た経験を活かし、さらなる応用分野の専門知識を蓄積することができました：将来の持続可能な建設プロジェクトのための建築材料としての木質系材料。

持続可能な建築プロジェクトのための木質材料

建築材料としての木材は、近年急速に増加している。_CO2排出量の削減、生産時のエネルギー消費の少なさ、断熱性といった木材の優れた特性により、今後の建築プロジェクトにおける木材のシェアはますます高まっていくだろう。このような背景から、木質系材料は一戸建て住宅だけでなく、集合住宅や高層建築プロジェクトにも採用されるようになってきている。これにより、都市部における持続可能な再高層化が可能になる。しかし、木質建材の使用が増えるにつれ、木材に求められる防火性能も高くなっている。木造建築の耐火性は証明されなければならないが、これまでは時間とコストのかかる火災試験によって証明されてきた。そのため、宇宙用材料と同様に、数値シミュレーションの適用に高い関心が寄せられている。計算の入力データとして、湿った木材、乾燥した木材、900℃の高温域までの熱分解材料など、さまざまな状態の木質材料の熱物理学的データが再び必要となる。これらのデータは、ÖGIでNETZSCH-Gerätebau GmbHの分析装置を用いて収集される。 LFA 427が使用されている。

数百℃の高温域まで木質系材料の特性評価を行う上で特に問題となるのは、一方では木材の多孔質性、他方ではLFAでのレーザーショットのように高熱照射の影響下での材料の分解である。熱安定性限界（熱分解開始）まで木材を測定するためには、試料を適切にコーティングする必要があります。このため、試料の裏面に粘着性の銅箔（約35 µmの銅箔＋35 µmのアクリレート系粘着剤）を貼るのが適切なコーティングであることが証明されています。木材は多孔質であるため、試料の上側の温度上昇が気孔から検出されるのを防ぐために、試料は上側にもコーティングする必要があります。この目的のため、試料は薄いサーマルペースト層（約80 µm）でコーティングされた（図5の概略図）。しかし、コーティングは、様々な材料だけでなく、試料全体の厚みが増すため、木材の熱拡散率の計算に影響を与えます。コーティングの影響を推定するため、類似の熱伝導率を持つ材料で参照測定を実施しました。これらの材料は、コーティングの有無にかかわらず測定できます。図6は、黒色ベークライト®の熱拡散率の測定結果を示しています。測定された試料の厚さに関連して、コーティングは、立ち上がり時間の増加により、コーティングなしの試料（青い曲線）よりも低い熱拡散率（図6の赤い曲線）をもたらします。試料全体の厚さを補正することで、材料の実際の熱拡散率を近似することができ、わずかなずれは測定の不確かさの別の項として考えることができます。この厚み補正は、NETZSCH-Proteus^® LFAソフトウェアに統合された機能を使って直接行うこともできます。

熱分解物質の熱拡散率の測定には、コーティングは必要ありません。しかし、木材や木炭は多孔質であるため、黒鉛発泡体でも実証されているように、レーザーパルスは表面で完全には吸収されません。気孔構造におけるレーザーパルスの吸収を考慮するため、熱分解した試料の場合、NETZSCH Proteus^® LFAソフトウェアの浸透モデルを使用します。図7は、木炭試料の経時的な測定信号（青）と浸透モデル（赤）を使用したフィッティングを示しています。

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