60 jaar NETZSCH-Gerätebau: De LFA in gebruik voor ruimtevaarttoepassingen

"ÖGI is geaccrediteerd als testcentrum voor 26 testmethoden in overeenstemming met EN ISO/IEC 17025. In het thermofysisch laboratorium worden materiaalparameters zoals Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, thermische uitzetting en warmtecapaciteit bepaald tot zeer hoge temperaturen. De gegevens zijn van groot belang voor elke materiaalontwikkelingstoepassing, maar dienen ook als essentiële invoerparameters voor computersimulaties.

De reeks materialen in het thermofysisch laboratorium is echter niet beperkt tot metaallegeringen die in vaste en vloeibare toestand worden gekarakteriseerd. Hieronder vallen op zand gebaseerde vormmaterialen die gebruikt worden in de gieterij-industrie, bouwmaterialen zoals gips, verschillende houtsoorten of op hout gebaseerde materialen, glassoorten en keramische materialen.

Een voorwaarde om zo'n breed scala aan materialen te kunnen verwerken, is het hebben van bijzonder betrouwbare meetinstrumenten. Hiervoor werkt ÖGI al tientallen jaren samen met NETZSCH-Gerätebau. Alle instrumenten in het thermofysische laboratorium van ÖGI hebben zichzelf bewezen door gebruik over een buitengewoon lange periode, meestal rond de 20 jaar. Hiertoe behoren twee LFA 427 systemen, waarvan het eerste sinds 2003 en het tweede sinds 2015 in gebruik is. Een ander voordeel van de systemen van NETZSCH-Gerätebau is de langdurige beschikbaarheid van reserveonderdelen in combinatie met een uitstekende en snel reagerende service.

Materialen voor ruimtevaarttoepassingen

Materialen voor ruimtevaarttoepassingen zijn ook een belangrijk onderdeel geworden van het materialenspectrum van ÖGI. ÖGI is betrokken bij diverse internationale onderzoeksprojecten en samenwerkingsverbanden. Er wordt een breed scala aan materialen getest, waaronder metaallegeringen en koolstofvezelversterkte kunststoffen die worden gebruikt in satellieten en rakettrappen. Elke week komen er enkele tonnen materiaal van verlaten ruimtevaartuigen in de atmosfeer van de aarde terecht. Het probleem hier is de ongecontroleerde desintegratie van dergelijk ruimtepuin. Internationale overeenkomsten vereisen nu ofwel gecontroleerde terugkeer of risicobeoordeling voor ongecontroleerde crashes voor elke nieuwe start in een lage baan om de aarde. Voor risicobeoordeling worden numerieke simulaties van thermische en mechanische belasting of burn-up tijdens de terugkeer uitgevoerd. Voor betere voorspellingen zijn geldige materiaalgegevens tot zeer hoge temperaturen of tot in de gesmolten fase nodig. ÖGI heeft aanzienlijke bijdragen kunnen leveren aan de karakterisering van deze materialen.

Keramische weefsels en grafietschuimen zijn echter bijzonder moeilijk te karakteriseren. Deze worden gebruikt als laagcomposieten voor opblaasbare hittebeschermingsschilden (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) voor aardse en toekomstige Marsmissies.

Aangezien kennis van de materiaaleigenschappen nodig is voor temperaturen ver boven 1000°C, kan alleen de laserflitsmethode worden gebruikt; dit is het enige instrument dat de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in het hoge temperatuurbereik kan bepalen. Bij ÖGI worden hiervoor twee LFA 427 systemen van NETZSCH-Gerätebau gebruikt. Het voordeel van de laser-flitsmethode ligt niet alleen in het grote temperatuurbereik, maar ook in de mogelijkheid om waarden te meten voor weefsels en grafietschuimen onder verschillende drukken en gasatmosferen.

Meetmethodologie en evaluatie moeten niet alleen voldoen aan de eisen die gesteld worden door de productie van geschikte monsters, de moeilijk te definiëren dikte van weefsels en grafietschuimen en gedeeltelijke inhomogeniteit, maar ook aan de eisen die gesteld worden door de porositeit van materialen. In het volgende voorbeeld werden een grafietschuim en een aerogel getest in een argonatmosfeer. Figuur 3a) toont het meetsignaal (blauw) in de tijd voor een grafietschuim; figuur 3b) voor een aerogel. Door de poreuze structuur van de twee materialen wordt de laserpuls niet meer volledig geabsorbeerd aan het oppervlak. Om rekening te houden met de absorptie van de laserpuls in de poriestructuur wordt het penetratiemodel van de NETZSCH Proteus^®Ò LFA-software in beide gevallen gebruikt. Om parasitaire warmtestromingseffecten te minimaliseren, wordt een einde van het bereik van de curvefitting (rood) kort na het maximum gekozen. In het geval van radiolucente materialen, zoals aerogels, wordt het initiële signaal niet meegenomen in de evaluatie.

Naast de thermofysische karakterisering van verschillende weefsels en grafietschuimen worden de thermofysische metingen aangevuld met toepassingsgerelateerde testen. Om de thermische capaciteit van de gelaagde composieten te testen, worden deze thermisch belast in de ÖGI testgieterij bij temperaturen boven de 1000°C, zoals gepland voor de landing op Mars. In een systeem van thermische beschermlagen zijn thermokoppels geïntegreerd tussen de afzonderlijke lagen. Door middel van een grafietkroes met kopersmelt kan de composiet van thermische beschermlagen dan plotseling thermisch worden belast bij ongeveer 1100°C (figuur 4a)). De temperaturen tussen de lagen worden gemeten, waardoor de warmtestroom door het lagensysteem kan worden bepaald. Voor thermische isolatie tegen de omgeving wordt het lagensysteem tijdens het experiment in een mal geplaatst, bestaande uit een keramisch frame voor fixatie en een op zand gebaseerd vormmateriaal met lage Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid uit een eigen 3D-printer (figuur 4b)). De meetresultaten van de experimenten komen zeer goed overeen met de numerieke simulatie waarin de resultaten van de LFA-metingen voor de individuele thermische beschermlagen zijn geïmplementeerd (figuur 5)."

Hartelijk dank aan het Oostenrijkse gieterij-instituut in Leoben voor dit zeer interessante verslag.

We kijken uit naar nog vele jaren van succesvolle samenwerking!

Meer informatie over de LFA 427:

• 

  LFA 427