29.09.2022 by Aileen Sammler
60 Years ofNETZSCH-Gerätebau：宇宙用LFA
9月はレーザーフラッシュ分析についてです。当社の長年の顧客であるオーストリア鋳造研究所によるフィールドレポートをご紹介します。オーストリア鋳造研究所で使用されているLFAについてお読みください。
オーストリア鋳造研究所で使用されるLFA
Österreichische Gießerei-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。この研究所は、鋳物産業および金属技術産業における問題を扱っている。その研究内容には、研究開発、技術コンサルティング、材料試験、材料・部品調査、工業用コンピュータトモグラフィー、数値シミュレーション、専門トレーニングが含まれる。
「ÖGIは、EN ISO/IEC 17025に準拠した26の試験方法の試験センターとして認定されています。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高温まで測定されます。このデータは、あらゆる材料開発アプリケーションにとって非常に重要であるだけでなく、コンピュータシミュレーションの入力パラメータとしても不可欠です。
しかし、熱物性研究所で扱う材料は、固体および液体状態で特性評価される金属合金に限定されません。鋳造産業で使用される砂ベースの成形材料、石膏のような建築材料、様々な木材や木材ベースの材料、様々なガラスやセラミック材料などが含まれます。
このような広範な材料をカバーするための前提条件の1つは、特に信頼性の高い測定器を用意することです。そのために、ÖGIはNETZSCH-Gerätebauと数十年にわたって協力してきました。ÖGI熱物性研究所にある測定器はすべて、通常約20年という非常に長い期間にわたって使用され、その性能が実証されています。そのうちの2台がLFA427システムで、1台目は2003年から、2台目は2015年から稼働している。NETZSCH-Gerätebauのシステムのもう一つの利点は、優れた迅速な対応サービスとスペアパーツの長期的な入手可能性である。
宇宙用素材
宇宙用途の材料もÖGIの材料スペクトルの重要な一部となっています。ÖGIは、さまざまな国際研究プロジェクトや共同研究に関わっています。人工衛星やロケットステージに使用される金属合金や炭素繊維強化プラスチックなど、幅広い材料が試験されています。毎週、放棄された宇宙船から数トンの物質が地球の大気圏に突入する。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ある。現在、国際協定は、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要求している。リスク評価のために、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、これらの材料の特性評価に大きく貢献することができました。
しかし、セラミック織物とグラファイトフォームの特性評価は特に困難です。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）の層複合材料として使用されます。
材料特性の知識は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、高温域の熱拡散率を測定できる唯一の装置である。ÖGIでは、NETZSCH-Gerätebau社の2台のLFA 427システムを使用しています。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の値を測定できることにあります。
測定方法と評価は、適切なサンプルの製造、布地やグラファイトフォームの定義しにくい厚さ、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アルゴン雰囲気中で試験した。図3a)はグラファイトフォームの経時的な測定信号（青）を、図3b)はエアロゲルの経時的な測定信号（青）を示している。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 LFAソフトウェアの浸透モデルが採用されています。 Proteus®LFA ソフトウェアの浸透モデルが採用されています。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放射線透過性材料の場合、初期信号は評価に考慮されない。
さまざまな織物とグラファイトフォームの熱物理学的特性評価とともに、熱物理学的測定は応用関連の試験で補足されます。層状複合材料の熱容量を試験するため、ÖGI試験鋳造所において、火星着陸に予定されている1000℃を超える温度で熱応力をかけています。熱保護層のシステムでは、熱電対が個々の層の間に組み込まれています。銅溶融物を入れた黒鉛るつぼにより、熱保護層の複合体を約1100℃で突然熱負荷をかけることができます（図4a））。層間の温度は測定され、層システムを通る熱の流れを決定することができる。環境からの熱絶縁のため、レイヤーシステムは実験中、固定用のセラミックフレームと、社内の3Dプリンターで作られた熱伝導率の低い砂ベースの成形材料からなる型に入れられる（図4b））。実験の測定結果は、個々の熱保護層のLFA測定結果が実装された数値シミュレーションと非常によく一致している（図5）。"
レオーベンのオーストリア鋳造研究所から、非常に興味深い報告書をいただき、ありがとうございました。
これからも末永く協力関係を築いていきたいと思います！
