우주 응용 분야 및 지속 가능한 건축 프로젝트를 위한 열물리학

오스트리아 파운드리 연구소(Österreichische Gießerei-Institut, ÖGI)는 오스트리아 파운드리 산업의 공동 연구 기관으로 약 40명의 직원이 근무하고 있습니다. 파운드리 산업의 문제를 처리하고 자체 테스트 파운드리를 운영하며, 각 주조 공정 및 합금 주조에서 응용 중심 연구를 수행합니다. 또한 ÖGI는 오스트리아를 대표하는 테스트 연구소 중 하나입니다. ÖGI는 파운드리 및 금속 기술 산업의 실제 핵심 영역을 훨씬 뛰어넘습니다. 다양한 연구 및 테스트 서비스를 통해 광범위한 응용 분야를 포괄합니다: 주조 부품 외에도 건축 자재 산업이나 의약품의 샘플을 검사하는 X-선 및 컴퓨터 단층 촬영을 통한 비파괴 검사, 광범위한 재료에 대한 열물리학, 주조 공정 및 고장 분석의 수치 시뮬레이션, 접합/표면 및 접합 기술까지.

대학이 아닌 연구 기관인 ÖGI는 화학 실험실, 기계 실험실, 물리 실험실 및 금속학 분야의 운영 영역에서 오스트리아 인증 기관으로부터 26개 시험 방법에 대한 시험 기관으로 인정을 받았습니다. 이 시험소는 EN ISO/IEC 17025:2017의 요구 사항을 준수합니다. 열물리 실험실에서는 열전도도, 열팽창, 열용량과 같은 재료 파라미터를 매우 낮은 온도에서 매우 높은 온도까지 측정합니다. 이 데이터는 모든 재료 개발에 매우 중요할 뿐만 아니라 수치 시뮬레이션을 위한 입력 파라미터로도 사용됩니다. 그러나 열물리 실험실의 재료 범위는 주로 고체 상태뿐만 아니라 액체 상태에서도 특징이 나타나는 금속 합금에 국한되지 않습니다. 또한 주조 산업에서 사용되는 모래 기반 성형 재료, 석고 및 다양한 목재 또는 목재 기반 재료와 같은 건축 자재, 유리 종류 및 세라믹 재료도 포함됩니다.

분석 기기의 신뢰성과 함께 NETZSCH-Gerätebau GmbH가 제공하는 탁월한 고객 지원은 이 오랜 협력 관계에 결정적인 역할을 했습니다. 예비 부품의 장기적인 가용성은 항상 이용 가능한 우수한 현장 서비스와 함께 셀브의 NETZSCH-Gerätebau GmbH에서 직접 시스템을 종합적으로 유지보수할 수 있는 옵션만큼이나 중요했습니다. 이러한 조합을 통해 ÖGI는 국내 및 국제 프로젝트의 양자 간 협력 범위 내에서 고객과 파트너에게 까다로운 재료를 사용한 광범위한 애플리케이션을 제공할 수 있습니다.

우주 애플리케이션을 위한 재료 분석

우주 응용 분야용 소재도 ÖGI의 소재 스펙트럼에서 중요한 부분을 차지하게 되었습니다. 매주 수 톤의 버려진 우주선에서 나온 물질이 지구 대기로 유입됩니다. 문제는 이러한 우주선 잔해가 통제되지 않은 상태로 분해된다는 것입니다. 현재 국제 협약에서는 지구 저궤도로 새로 이륙할 때마다 통제된 재진입 또는 통제되지 않은 추락에 대한 위험 평가를 요구하고 있습니다. 위험 관리를 위해 재진입 중 열 및 기계적 부하 또는 연소에 대한 수치 시뮬레이션이 수행됩니다. 예측 능력을 향상시키기 위해서는 초고온 또는 용융 단계까지 유효한 재료 데이터가 필요합니다.

ÖGI는 다양한 국제 연구 프로젝트와 협력에 참여하고 있습니다. 금속 합금, 인공위성 및 로켓 단계에 사용되는 탄소섬유 강화 플라스틱, 팽창식 열 보호막의 층 복합재로 사용되는 세라믹 직물, 에어로젤 및 그라파이트 폼 등 다양한 소재를 테스트합니다.

그러나 세라믹 패브릭과 흑연 폼은 우주 응용 분야의 소재 특성 분석에 특히 까다롭습니다. 앞서 언급한 바와 같이, 이들은 지구 및 미래 화성 탐사를 위한 팽창식 열 보호막(고급 팽창식 열 보호 시스템)의 레이어 복합재로 사용됩니다(그림 2). 1000°C 이상의 온도에서는 재료의 특성에 대한 지식이 필요하기 때문에 고온 범위의 열 확산도를 측정할 수 있는 유일한 장비인 레이저 플래시 방법만 사용할 수 있습니다. 이를 위해 ÖGI에서는 NETZSCH 의 LFA 427 시스템 2대를 사용하고 있습니다. 레이저 플래시 방식의 장점은 넓은 온도 범위뿐만 아니라 다양한 압력과 가스 분위기에서 직물과 그라파이트 폼을 측정할 수 있다는 점입니다.

측정 방법론과 평가는 적절한 샘플의 생산, 직물과 흑연 폼의 정의하기 어려운 두께, 부분적인 불균일성과 같은 문제뿐만 아니라 재료의 다공성으로 인한 문제까지 고려해야 합니다. 다음 예에서는 아르곤 분위기에서 흑연 폼과 에어로젤을 각각 테스트했습니다. 그림 3은 흑연 폼의 시간 경과에 따른 측정 신호(파란색)를, 그림 4는 에어로젤의 측정 신호(파란색)를 보여줍니다. 두 재료의 다공성 구조로 인해 레이저 펄스가 더 이상 표면에서 완전히 흡수되지 않습니다. 기공 구조에서 레이저 펄스의 흡수를 설명하기 위해 NETZSCH Proteus^® LFA 소프트웨어의 침투 모델이 두 경우 모두에 사용됩니다. 기생 열유속 효과를 최소화하기 위해 곡선 피팅 범위의 끝(빨간색)은 최대값 바로 뒤에 선택됩니다. 에어로젤과 같이 부분적으로 방사성 물질인 경우 초기 신호는 평가에서 고려되지 않습니다.

우주 산업에서 다공성 또는 부분적으로 분해되는 재료의 측정을 통해 ÖGI에서 얻은 경험을 바탕으로 다른 응용 분야에 대한 전문성을 쌓을 수 있었습니다: 미래의 지속 가능한 건설 프로젝트를 위한 건축 자재로서의 목재 기반 재료.

지속 가능한 건축 프로젝트를 위한 목재 기반 자재

건축 자재로서의 목재는 최근 몇 년 동안 큰 상승세를 보이고 있습니다._CO2 배출량 감소, 생산 과정에서의 낮은 에너지 소비, 단열성 등 목재의 긍정적인 특성으로 인해 미래 건축 프로젝트에서 목재의 비중은 계속 증가하고 있습니다. 이러한 맥락에서 목재 기반 자재는 단독주택뿐만 아니라 다층 건물이나 고층 건축 프로젝트에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이를 통해 도시 지역의 지속 가능한 재녹화가 가능합니다. 그러나 목재 기반 자재의 사용이 증가함에 따라 목재에 대한 화재 방지 요구 사항도 높아지고 있습니다. 목재 건축물의 내화성은 입증되어야 하며, 지금까지는 시간과 비용이 많이 드는 화재 테스트를 통해 이를 입증해 왔습니다. 따라서 우주용 자재와 마찬가지로 목조건축물의 화재 거동을 예측하기 위한 수치 시뮬레이션의 적용에 대한 관심이 높습니다. 계산을 위한 입력 데이터로 습한 목재, 건조한 목재, 900°C의 고온 범위까지 열분해된 재료 등 다양한 상태의 목재 재료에 대한 열물리학적 데이터가 다시 필요합니다. 이러한 데이터는 ÖGI에서 NETZSCH-Gerätebau GmbH의 분석 장비를 통해 수집되며, 그 중에서도 LFA 427이 사용됩니다.

수백 도의 고온 범위까지 목재 기반 재료의 특성 분석에서 특히 어려운 점은 한편으로는 목재의 다공성 특성과 다른 한편으로는 LFA에서 레이저를 쏘는 경우처럼 높은 열 노출의 영향으로 재료가 분해된다는 점입니다. 따라서 열 안정성 한계(열분해 분해 시작)까지 목재를 측정하려면 준비된 샘플을 적절히 코팅해야 합니다. 이를 위해 시료 밑면에 접착식 구리 호일(약 35µm 구리 호일 + 35µm 아크릴레이트 접착제)을 붙이는 것이 적합한 코팅으로 입증되었습니다. 목재의 다공성 특성으로 인해 기공 공간에서 시료의 윗면 온도 상승을 감지하지 못하도록 시료의 윗면도 코팅해야 합니다. 이를 위해 샘플을 얇은 열 페이스트 층(약 80 µm)으로 코팅했습니다(그림 5의 모식도). 그러나 코팅은 다양한 재료뿐만 아니라 전체 샘플의 두께를 증가시키기 때문에 목재의 열확산도 계산에 영향을 미칩니다. 코팅의 영향을 추정하기 위해 열전도율이 비슷한 재료로 기준 측정을 수행했으며, 이는 코팅 유무에 관계없이 측정할 수 있습니다. 그림 6은 검정색 베이클라이트®의 측정된 열 확산도를 보여줍니다. 측정된 시료의 두께와 관련하여 코팅은 상승 시간의 증가로 인해 코팅하지 않은 시료(파란색 곡선)보다 낮은 열 확산도(그림 6의 빨간색 곡선)로 이어집니다. 시료의 전체 두께를 보정하면 재료의 실제 열 확산도를 근사화할 수 있으며 약간의 편차는 측정 불확도의 다른 용어로 간주할 수 있습니다. 이 경우 두께 보정은 NETZSCH-Proteus^® LFA 소프트웨어에 통합된 기능을 사용하여 직접 수행할 수도 있습니다(
).

열분해된 물질의 열확산도 측정에는 코팅이 필요하지 않습니다. 그러나 목재나 목탄의 다공성 특성으로 인해 흑연 폼에서도 알 수 있듯이 레이저 펄스는 더 이상 표면에서 완전히 흡수되지 않습니다. 기공 구조에서 레이저 펄스의 흡수를 고려하기 위해 열분해 시료의 경우 NETZSCH Proteus^® LFA 소프트웨어의 침투 모델을 사용합니다. 그림 7은 침투 모델을 사용한 숯 시료와 피팅(빨간색)에 대한 시간 경과에 따른 측정 신호(파란색)를 보여줍니다.

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