Termofizyka w zastosowaniach kosmicznych i zrównoważonych projektach budowlanych

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Austriacki Instytut Odlewnictwa) jest wspólnym instytutem badawczymarch austriackiego przemysłu odlewniczego, zatrudniającym około 40 pracowników.arcZajmuje się kwestiami związanymi z przemysłem odlewniczym i prowadzi własną odlewnię testową, w której prowadzone są badania zorientowane na zastosowania w odpowiednich procesach odlewania i odlewania stopów. Ponadto ÖGI jest również jednym z wiodących laboratoriów badawczych w Austrii. Tutaj ÖGI wykracza daleko poza rzeczywisty główny obszar przemysłu odlewniczego i technologii metalowej. Ich zakres badańarch i usług testowych obejmuje szerokie spektrum zastosowań: Badania nieniszczące za pomocą promieniowania rentgenowskiego i tomografii komputerowej, gdzie oprócz komponentów odlewniczych badane są próbki z przemysłu materiałów budowlanych lub farmaceutycznego; termofizyka, z szerokim zakresem materiałów, a także symulacja numeryczna procesów odlewniczych i analiza awarii; a nawet technologia łączenia/powierzchni i klejenia.

arcJako pozauniwersytecki instytut badawczy, ÖGI jest akredytowane przez Accreditation Austria jako laboratorium badawcze dla 26 metod badawczych w obszarach operacyjnych laboratorium chemicznego, laboratorium mechanicznego, laboratorium fizycznego i metalografii. Laboratorium badawcze spełnia wymagania normy EN ISO/IEC 17025:2017. W laboratorium termofizycznym parametry materiałów, takie jak Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna, rozszerzalność cieplna i pojemność cieplna, są określane od bardzo niskich do bardzo wysokich temperatur. Dane te mają ogromne znaczenie dla rozwoju każdego materiału, ale służą również jako parametry wejściowe do symulacji numerycznych. Zakres materiałów w laboratorium termofizycznym nie ogranicza się jednak do stopów metali, które są charakteryzowane głównie w stanie stałym, ale także w stanie ciekłym. Obejmuje on również materiały formierskie na bazie piasku stosowane w przemyśle odlewniczym, materiały budowlane, takie jak gips i różne drewno lub materiały drewnopochodne, odmiany szkła i materiały ceramiczne.

Oprócz niezawodności instrumentów analitycznych, doskonałe wsparcie klienta zapewniane przez NETZSCH-Gerätebau GmbH było decydujące w tej wieloletniej współpracy. Długoterminowa dostępność części zamiennych była równie ważna, jak doskonały i zawsze dostępny serwis na miejscu, wraz z opcją kompleksowej konserwacji systemów bezpośrednio w NETZSCH-Gerätebau GmbH w Selb. To połączenie pozwala ÖGI oferować swoim klientom i partnerom szeroki zakres zastosowań z wymagającymi materiałami w ramach dwustronnej współpracy w ramach projektów krajowych i międzynarodowych.

Analiza materiałów dla zastosowań kosmicznych

Materiały do zastosowań kosmicznych stały się również ważną częścią spektrum materiałów ÖGI. Każdego tygodnia kilka ton materiałów z porzuconych statków kosmicznych dostaje się do ziemskiej atmosfery. Problemem jest niekontrolowany rozpad takich szczątków statków kosmicznych. Międzynarodowe porozumienia wymagają obecnie albo kontrolowanego ponownego wejścia w atmosferę, albo oceny ryzyka niekontrolowanych katastrof dla każdego nowego startu na niską orbitę okołoziemską. W celu zarządzania ryzykiem przeprowadzane są symulacje numeryczne obciążenia termicznego i mechanicznego lub wypalenia podczas ponownego wejścia na orbitę. W celu poprawy zdolności przewidywania, potrzebne są prawidłowe dane materiałowe do bardzo wysokich temperatur lub do fazy stopionej.

ÖGI było i jest reprezentowane w różnych międzynarodowych badaniacharch projektach i współpracy. Testowana jest szeroka gama materiałów, w tym stopy metali, tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym stosowane w satelitach i stopniach rakiet oraz tkaniny ceramiczne, aerożele i pianki grafitowe stosowane jako kompozyty warstwowe do nadmuchiwanych osłon termicznych.

Tkaniny ceramiczne i pianki grafitowe są jednak szczególnie trudne do scharakteryzowania materiałów do zastosowań kosmicznych. Jak wspomniano, są one wykorzystywane jako kompozyty warstwowe do nadmuchiwanych osłon termicznych (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) dla Ziemi i przyszłych misji marsjańskich (rysunek 2). Ponieważ znajomość charakterystyki materiałów jest potrzebna dla temperatur znacznie powyżej 1000°C, można zastosować tylko metodę błysku laserowego; jest to jedyny instrument zdolny do określenia dyfuzyjności termicznej w zakresie wysokich temperatur. W tym celu w ÖGI wykorzystywane są dwa systemy LFA 427 firmy NETZSCH. Zaletą metody błysku laserowego jest nie tylko szeroki zakres temperatur, ale także możliwość pomiaru tkanin i pianek grafitowych pod różnymi ciśnieniami i w różnych atmosferach gazowych.

Metodologia pomiarów i ocena muszą sprostać wymaganiom stawianym nie tylko przez takie kwestie, jak produkcja odpowiednich próbek, trudna do zdefiniowania grubość tkanin i pianek grafitowych oraz częściowa niejednorodność, ale także przez porowatość materiałów. W poniższym przykładzie pianka grafitowa i aerożel zostały przetestowane w atmosferze argonu. Rysunek 3 przedstawia sygnał pomiarowy (niebieski) w czasie dla pianki grafitowej; rysunek 4 dla aerożelu. Ze względu na porowatą strukturę obu materiałów, impuls laserowy nie jest już całkowicie pochłaniany na powierzchni. Aby uwzględnić absorpcję impulsu laserowego w strukturze porów, w obu przypadkach zastosowano model penetracji oprogramowaniaNETZSCH Proteus^® LFA. Aby zminimalizować efekty pasożytniczego strumienia ciepła, koniec zakresu dopasowania krzywej (czerwony) jest selected krótko po maksimum. W przypadku częściowo przezroczystych materiałów, takich jak aerożel, sygnał początkowy nie jest brany pod uwagę w ocenie.

Możliwe było wykorzystanie doświadczenia zdobytego w ÖGI podczas pomiarów porowatych lub częściowo rozkładających się materiałów z przemysłu kosmicznego w celu zbudowania wiedzy specjalistycznej w innym obszarze zastosowań: Materiały drewnopochodne jako materiały budowlane dla przyszłych zrównoważonych projektów budowlanych.

Materiały drewnopochodne dla zrównoważonych projektów budowlanych

Drewno jako materiał budowlany doświadczyło w ostatnich latach silnego wzrostu. Jego udział w przyszłych projektach budowlanych stale rośnie ze względu na pozytywne właściwości drewna w zakresie redukcji emisji_CO2, niskiego zużycia energii podczas produkcji, a także jego właściwości termoizolacyjnych. W tym kontekście materiały drewnopochodne są wykorzystywane nie tylko w domach jednorodzinnych, ale także coraz częściej w budynkach wielopiętrowych lub wieżowcach. Pozwala to na zrównoważoną redensyfikację obszarów miejskich. Jednak zwiększone wykorzystanie materiałów drewnopochodnych stawia również wyższe wymagania w zakresie ochrony przeciwpożarowej drewna jako materiału. Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych musi zostać udowodniona, a do tej pory odbywało się to za pomocą czasochłonnych i kosztownych testów ogniowych. Dlatego, podobnie jak w przypadku materiałów do zastosowań kosmicznych, istnieje duże zainteresowanie zastosowaniem symulacji numerycznych; w tym przypadku do przewidywania zachowania konstrukcji drewnianych w warunkach pożaru. Jako dane wejściowe do obliczeń ponownie wymagane są dane termofizyczne dla materiałów drewnianych w różnych stanach: dla wilgotnego drewna, suchego drewna i pirolizowanego materiału do zakresu wysokich temperatur 900 ° C. Są one zbierane w ÖGI za pomocą instrumentów analitycznych firmy NETZSCH-Gerätebau GmbH; do tego celu wykorzystywany jest między innymi LFA 427.

Szczególnym wyzwaniem w charakteryzacji materiałów drewnopochodnych w zakresie temperatur do kilkuset stopni jest z jednej strony porowaty charakter drewna, a z drugiej stronyReakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład materiału pod wpływem wysokiej temperatury, jak ma to miejsce w przypadku lasera shots w LFA. W celu pomiaru drewna do granicy stabilności termicznej (początek rozkładu pirolitycznego), przygotowane próbki muszą być odpowiednio pokryte. W tym celu odpowiednią powłoką okazała się samoprzylepna folia miedziana (ok. 35 µm folii miedzianej + 35 µm kleju akrylowego) na spodniej stronie próbki. Ze względu na porowaty charakter drewna, próbki muszą być również pokryte na górnej stronie, aby zapobiec wykrywaniu wzrostu temperatury na górnej stronie próbki z przestrzeni porów. W tym celu próbki zostały pokryte cienką warstwą pasty termicznej (ok. 80 µm) (schemat na rysunku 5). Jednak powłoka wpływa na obliczenia dyfuzyjności cieplnej drewna ze względu na wzrost grubości całej próbki, jak również różnych materiałów. Aby oszacować wpływ powłoki, przeprowadzono pomiary referencyjne z materiałami o podobnej przewodności cieplnej; można je mierzyć zarówno z powłoką, jak i bez niej. Rysunek 6 przedstawia zmierzoną dyfuzyjność cieplną czarnego bakelitu®. W odniesieniu do zmierzonej grubości próbki, powłoka prowadzi do niższej dyfuzyjności cieplnej (czerwona krzywa na rysunku 6) niż w przypadku próbki bez powłoki (niebieska krzywa) ze względu na wydłużenie czasu narastania. Poprzez korektę całej grubości próbki można przybliżyć rzeczywistą dyfuzyjność cieplną materiału, a niewielkie odchylenie można uznać za kolejny termin w niepewności pomiaru. Korektę grubości można również przeprowadzić bezpośrednio za pomocą funkcji zintegrowanej z oprogramowaniemNETZSCH - Proteus^® LFA w tym przypadku.

Pomiar dyfuzyjności cieplnej materiałów pirolizowanych nie wymaga powłoki. Jednak ze względu na porowaty charakter drewna lub charcoalu, impuls laserowy nie jest już w pełni absorbowany na powierzchni, o czym świadczą również pianki grafitowe. Aby uwzględnić absorpcję impulsu laserowego w strukturze porów, w przypadku próbek pirolizowanych stosowany jest model penetracji oprogramowaniaNETZSCH Proteus^® LFA. Rysunek 7 przedstawia sygnał pomiarowy (niebieski) w czasie dla próbki charcoal i dopasowanie przy użyciu modelu penetracji (czerwony).

Udostępnij ten artykuł: