Thermofysica voor ruimtetoepassingen en duurzame bouwprojecten

Het Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Oostenrijks gieterij-instituut) is het gezamenlijke onderzoeksinstituut van de Oostenrijkse gieterij-industrie met ongeveer 40 werknemers. Het houdt zich bezig met vraagstukken in de gieterij-industrie en beheert een eigen testgieterij, waar toepassingsgericht onderzoek wordt uitgevoerd in de respectieve gietprocessen en het gieten van legeringen. Bovendien is ÖGI ook een van de toonaangevende testlaboratoria in Oostenrijk. Hier gaat ÖGI veel verder dan het eigenlijke kerngebied van de gieterij- en metaaltechnologie-industrie. Hun onderzoeks- en testdiensten bestrijken een breed spectrum van toepassingen: Niet-destructief onderzoek met röntgenstralen en computertomografie, waarbij naast gegoten componenten ook monsters uit de bouwmaterialenindustrie of de farmaceutische industrie worden getest; thermofysica, met een breed scala aan materialen evenals numerieke simulatie van gietprocessen en bezwijkanalyse; en zelfs verbindings-/oppervlakte- en verbindingstechnologie.

Als niet-universitair onderzoeksinstituut is ÖGI door Accreditation Austria geaccrediteerd als testlaboratorium voor 26 testmethoden in de operationele gebieden chemisch laboratorium, mechanisch laboratorium, fysisch laboratorium en metallografie. Het testlaboratorium voldoet aan de eisen van EN ISO/IEC 17025:2017. 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 van zeer lage tot zeer hoge temperaturen. De gegevens zijn van groot belang voor elke materiaalontwikkeling, maar dienen ook als invoerparameters voor numerieke simulaties. De reeks materialen in het thermofysisch laboratorium is echter niet beperkt tot metaallegeringen, die voornamelijk worden gekarakteriseerd in vaste toestand, maar ook in vloeibare toestand. Het omvat ook op zand gebaseerde vormmaterialen die gebruikt worden in de gieterij-industrie, bouwmaterialen zoals gips en verschillende houtsoorten of op hout gebaseerde materialen, glassoorten en keramische materialen.

Naast de betrouwbaarheid van de analytische instrumenten is de uitstekende klantenservice van NETZSCH-Gerätebau GmbH doorslaggevend geweest voor deze jarenlange samenwerking. De beschikbaarheid op lange termijn van reserveonderdelen is net zo belangrijk geweest als de uitstekende en altijd beschikbare service op locatie, samen met de mogelijkheid voor uitgebreid onderhoud van de systemen direct bij NETZSCH-Gerätebau GmbH in Selb. Deze combinatie stelt ÖGI in staat om een breed scala aan toepassingen met uitdagende materialen aan te bieden aan hun klanten en partners in het kader van bilaterale samenwerkingen tussen nationale en internationale projecten.

Materiaalanalyse voor ruimtevaarttoepassingen

Materialen voor ruimtevaarttoepassingen zijn ook een belangrijk onderdeel geworden van het materialenspectrum van ÖGI. Elke week komen er enkele tonnen materiaal van verlaten ruimtetuigen in de atmosfeer van de aarde terecht. Het probleem hier is de ongecontroleerde desintegratie van dergelijk ruimtevaartpuin. Internationale overeenkomsten vereisen nu ofwel gecontroleerde terugkeer of risicobeoordeling voor ongecontroleerde crashes voor elke nieuwe start in een lage baan om de aarde. Voor risicobeheer 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 was en is vertegenwoordigd in verschillende internationale onderzoeksprojecten en samenwerkingsverbanden. Er wordt een breed scala aan materialen getest, waaronder metaallegeringen, koolstofvezelversterkte kunststoffen die worden gebruikt in satellieten en rakettrappen, en keramische weefsels, aerogels en grafietschuimen die worden gebruikt als laagcomposieten voor opblaasbare hitteschilden.

Keramische weefsels en grafietschuimen vormen echter een bijzondere uitdaging voor het karakteriseren van materialen voor ruimtetoepassingen. Zoals gezegd worden deze gebruikt als laagcomposieten voor opblaasbare hittebeschermingsschilden (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) voor aardse en toekomstige Marsmissies (figuur 2). Omdat 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. Hiervoor worden bij ÖGI twee LFA 427 systemen van NETZSCH gebruikt. Het voordeel van de laser-flitsmethode ligt niet alleen in het grote temperatuurbereik, maar ook in de mogelijkheid om stoffen en grafietschuimen onder verschillende drukken en gasatmosferen te meten.

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 3 toont het meetsignaal (blauw) in de tijd voor een grafietschuim; figuur 4 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 in beide gevallen het penetratiemodel van de NETZSCH Proteus^® LFA software 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 gedeeltelijk radiolucente materialen, zoals aerogel, wordt het initiële signaal niet meegenomen in de evaluatie.

Het was mogelijk om de ervaring die bij ÖGI was opgedaan met het meten van poreuze of gedeeltelijk ontbindende materialen uit de ruimtevaartindustrie te gebruiken om expertise op te bouwen in een ander toepassingsgebied: Op hout gebaseerde materialen als bouwmaterialen voor toekomstige duurzame bouwprojecten.

Materialen op houtbasis voor duurzame bouwprojecten

Hout als bouwmateriaal heeft de afgelopen jaren een sterke opleving doorgemaakt. Het aandeel van hout in toekomstige bouwprojecten blijft stijgen vanwege de positieve eigenschappen van hout op het gebied van vermindering van_CO2-uitstoot, laag energieverbruik tijdens de productie en ook de thermische isolatie-eigenschappen. In deze context worden op hout gebaseerde materialen niet alleen gebruikt in eengezinswoningen, maar ook steeds meer in gebouwen met meerdere verdiepingen of in hoogbouwprojecten. Dit maakt duurzame verdichting in stedelijke gebieden mogelijk. Het toegenomen gebruik van materialen op houtbasis stelt echter ook hogere eisen aan de brandwerendheid van hout als materiaal. De brandwerendheid van houtconstructies moet worden aangetoond en tot op heden gebeurt dit door middel van tijdrovende en kostenintensieve brandtesten. Daarom is er, net als bij materialen voor ruimtevaarttoepassingen, veel belangstelling voor de toepassing van numerieke simulaties; in dit geval om het brandgedrag van houten constructies te voorspellen. Als invoergegevens voor de berekeningen zijn opnieuw thermofysische gegevens voor de houten materialen in verschillende toestanden nodig: voor vochtig hout, droog hout en gepyrolyseerd materiaal tot het hoge temperatuurbereik van 900°C. Deze worden bij ÖGI verzameld met de analyse-instrumenten van NETZSCH-Gerätebau GmbH; de LFA 427 wordt hier onder andere voor gebruikt.

Een bijzondere uitdaging bij de karakterisering van materialen op houtbasis tot het hoge temperatuurbereik van enkele honderden graden wordt enerzijds gevormd door het poreuze karakter van hout en anderzijds door de ontbinding van het materiaal onder invloed van hoge blootstelling aan hitte, zoals het geval is bij lasershots in de LFA. Voor het meten van hout tot aan de thermische stabiliteitsgrens (begin van pyrolytische ontleding), moeten de geprepareerde monsters daarom van een geschikte coating worden voorzien. Hiervoor is een zelfklevende koperfolie (ca. 35 µm koperfolie + 35 µm acrylaatlijm) aan de onderkant van het monster een geschikte coating gebleken. Vanwege het poreuze karakter van hout moeten de monsters ook aan de bovenkant worden gecoat om te voorkomen dat de temperatuurstijging aan de bovenkant van het monster door de poriën wordt gedetecteerd. Hiervoor werden de monsters gecoat met een dunne laag thermische pasta (ca. 80 µm) (schematisch weergegeven in figuur 5). De coating beïnvloedt echter de berekening van de warmtediffusie van het hout door de toename in dikte van het hele monster en de verschillende materialen. Om de invloed van de coating in te schatten, zijn referentiemetingen uitgevoerd met materialen met een vergelijkbare 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; deze kunnen zowel met als zonder coating worden gemeten. Figuur 6 toont de gemeten 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 van zwart bakeliet®. Gerelateerd aan de gemeten dikte van het proefstuk, leidt de coating tot een lagere 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 (rode curve in figuur 6) dan voor het niet-gecoate proefstuk (blauwe curve) als gevolg van de toename in stijgtijd. Door de volledige dikte van het proefstuk te corrigeren, kan de werkelijke warmtediffusie van het materiaal worden benaderd en kan de geringe afwijking worden beschouwd als een andere term in de meetonzekerheid. De diktecorrectie kan ook direct uitgevoerd worden met de functie die geïntegreerd is in de NETZSCH-Proteus^® LFA software in dit geval.

Het meten van 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 van gepyrolyseerde materialen vereist geen coating. Door het poreuze karakter van hout of houtskool wordt de laserpuls echter - zoals ook blijkt uit grafietschuimen - 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^® LFA software gebruikt in het geval van PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse monsters. Figuur 7 toont het meetsignaal (blauw) in de tijd voor een houtskoolmonster en de aanpassing met behulp van het penetratiemodel (rood).

Deel dit artikel: