60년의 NETZSCH-Gerätebau: 우주 애플리케이션에 사용되는 LFA

"ÖGI는 EN ISO/IEC 17025에 따라 26개 시험 방법에 대한 시험 기관으로 인증받았습니다. 열물리 실험실에서는 열전도도, 열팽창 및 열용량과 같은 재료 파라미터를 매우 높은 온도까지 측정합니다. 이 데이터는 모든 재료 개발 애플리케이션에서 매우 중요할 뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 필수 입력 파라미터로도 사용됩니다.

그러나 열물리 실험실의 재료 범위는 고체 및 액체 상태의 금속 합금에만 국한되지 않습니다. 여기에는 주조 산업에서 사용되는 모래 기반 성형 재료, 석고와 같은 건축 자재, 다양한 목재 또는 목재 기반 재료, 유리 종류 및 세라믹 재료가 포함됩니다.

이러한 광범위한 재료를 다루기 위한 전제 조건 중 하나는 특히 신뢰할 수 있는 측정 장비를 갖추는 것입니다. 이를 위해 ÖGI는 수십 년 동안 NETZSCH-Gerätebau와 협력해 왔습니다. ÖGI 열물리 연구소의 모든 기기는 보통 약 20년이라는 매우 오랜 기간 동안 사용되어 그 성능이 입증되었습니다. 이 중 두 대의 LFA 427 시스템이 있는데, 첫 번째는 2003년부터, 두 번째는 2015년부터 운영되고 있습니다. NETZSCH -Gerätebau 시스템의 또 다른 장점은 우수하고 신속한 대응 서비스와 함께 예비 부품을 장기간 사용할 수 있다는 점입니다.

우주 응용 분야용 재료

우주 응용 분야용 소재도 ÖGI의 소재 스펙트럼에서 중요한 부분을 차지하게 되었습니다. ÖGI는 다양한 국제 연구 프로젝트와 협업에 참여하고 있습니다. 인공위성과 로켓 스테이지에 사용되는 금속 합금과 탄소섬유 강화 플라스틱을 비롯한 다양한 소재를 테스트합니다. 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 평가를 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 이러한 재료의 특성 분석에 상당한 기여를 할 수 있었습니다.

그러나 세라믹 직물과 흑연 폼은 특성 분석이 특히 까다롭습니다. 이들은 지구 및 미래 화성 탐사를 위한 팽창식 열 보호막(고급 팽창식 열 보호 시스템)의 층 복합 재료로 사용됩니다.

1000°C 이상의 온도에서는 재료 특성에 대한 지식이 필요하기 때문에 고온 범위의 열 확산도를 측정할 수 있는 유일한 장비인 레이저 플래시 방법만 사용할 수 있습니다. 이를 위해 ÖGI에서는 두 대의 LFA 427 시스템( NETZSCH-Gerätebau)을 사용하고 있습니다. 레이저 플래시 방식의 장점은 넓은 온도 범위뿐만 아니라 다양한 압력과 가스 분위기에서 직물과 그라파이트 폼의 값을 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 테스트했습니다. 그림 3a)는 흑연 폼의 시간 경과에 따른 측정 신호(파란색)를, 그림 3b)는 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^®Ò LFA 소프트웨어의 침투 모델이 두 경우 모두에 사용됩니다. 기생 열유속 효과를 최소화하기 위해 곡선 피팅 범위의 끝(빨간색)은 최대값 바로 뒤에 선택됩니다. 에어로젤과 같은 방사성 물질의 경우 초기 신호는 평가에서 고려되지 않습니다.

다양한 직물 및 흑연 폼의 열물리학적 특성 분석과 함께 열물리학적 측정은 응용 분야 관련 테스트를 통해 보완됩니다. 레이어드 복합재의 열 용량을 테스트하기 위해 화성 착륙을 위해 계획된 대로 ÖGI 테스트 파운드리에서 1000°C 이상의 온도에서 열 스트레스를 받습니다. 열 보호 층 시스템에서 열전대는 개별 층 사이에 통합되어 있습니다. 그런 다음 구리 용융물이 있는 흑연 도가니를 사용하여 열 보호 층의 복합체를 약 1100°C에서 갑자기 열 부하를 가할 수 있습니다(그림 4a)). 레이어 사이의 온도를 측정하여 레이어 시스템을 통한 열 흐름을 파악할 수 있습니다. 환경으로부터의 단열을 위해 실험 중에 레이어 시스템을 고정용 세라믹 프레임과 사내 3D 프린터로 만든 열전도율이 낮은 모래 기반 몰딩 재료로 구성된 몰드에 배치합니다(그림 4b)). 실험의 측정 결과는 개별 열 보호 층에 대한 LFA 측정 결과가 구현된 수치 시뮬레이션과 매우 잘 일치합니다(그림 5)."

매우 흥미로운 보고서를 제공해 주신 레오벤의 오스트리아 파운드리 연구소에 감사드립니다.

앞으로도 더 많은 성공적인 협업을 기대합니다!

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  LFA 427