60 lat NETZSCH-Gerätebau: LFA w zastosowaniach kosmicznych

"ÖGI posiada akredytację jako ośrodek badawczy dla 26 metod badawczych zgodnie z normą EN ISO/IEC 17025. 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 do bardzo wysokich temperatur. Dane te mają ogromne znaczenie dla wszelkich zastosowań związanych z opracowywaniem materiałów, ale służą również jako podstawowe parametry wejściowe do symulacji komputerowych.

Jednak zakres materiałów w laboratorium termofizycznym nie ogranicza się do stopów metali scharakteryzowanych w stanie stałym i ciekłym. Obejmują one materiały formierskie na bazie piasku stosowane w przemyśle odlewniczym, materiały budowlane, takie jak gips, różne rodzaje drewna lub materiałów drewnopochodnych, odmiany szkła i materiały ceramiczne.

Jednym z warunków objęcia tak szerokiej gamy materiałów jest posiadanie szczególnie niezawodnych przyrządów pomiarowych. W tym celu ÖGI od dziesięcioleci współpracuje z NETZSCH-Gerätebau. Wszystkie przyrządy w laboratorium termofizycznym ÖGI sprawdziły się w wyjątkowo długim okresie użytkowania, zwykle około 20 lat. Wśród nich znajdują się dwa systemy LFA 427, z których pierwszy działa od 2003 roku, a drugi od 2015 roku. Kolejną zaletą systemów firmy NETZSCH-Gerätebau jest długoterminowa dostępność części zamiennych w połączeniu z doskonałym i szybko reagującym serwisem.

Materiały do zastosowań kosmicznych

Materiały do zastosowań kosmicznych stały się również ważną częścią spektrum materiałów ÖGI. ÖGI jest zaangażowane w różne międzynarodowe badaniaarch projekty i współpracę. Testowana jest szeroka gama materiałów, w tym stopy metali i tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym stosowane w satelitach i stopniach rakiet. Każdego tygodnia kilka ton materiałów z porzuconych statków kosmicznych dostaje się do ziemskiej atmosfery. Problemem jest niekontrolowana dezintegracja 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 oceny ryzyka 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 w stanie wnieść znaczący wkład w charakterystykę tych materiałów.

Tkaniny ceramiczne i pianki grafitowe są jednak szczególnie trudne do scharakteryzowania. Są one wykorzystywane jako kompozyty warstwowe do nadmuchiwanych osłon termicznych (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) dla Ziemi i przyszłych misji marsjańskich.

Ponieważ znajomość charakterystyki materiału 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-Gerätebau. Zaletą metody błysku laserowego jest nie tylko szeroki zakres temperatur, ale także możliwość pomiaru wartości dla 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 3a) przedstawia sygnał pomiarowy (niebieski) w czasie dla pianki grafitowej; rysunek 3b) dla aerożelu. Ze względu na porowatą strukturę obu materiałów, impuls laserowy nie jest już całkowicie pochłaniany na powierzchni. W celu uwzględnienia absorpcji impulsu laserowego w strukturze porów, model penetracji oprogramowania NETZSCH Proteus^®Ò LFA jest stosowany w obu przypadkach. Aby zminimalizować efekty pasożytniczego strumienia ciepła, koniec zakresu dopasowania krzywej (czerwony) jest selected krótko po maksimum. W przypadku materiałów półprzezroczystych, takich jak aerożele, sygnał początkowy nie jest brany pod uwagę w ocenie.

Oprócz charakterystyki termofizycznej różnych tkanin i pianek grafitowych, pomiary termofizyczne są uzupełniane testami aplikacyjnymi. W celu przetestowania pojemności cieplnej kompozytów warstwowych, są one poddawane naprężeniom termicznym w odlewni testowej ÖGI w temperaturach powyżej 1000°C, zgodnie z planem lądowania na Marsie. W systemie termicznych warstw ochronnych, termopary są zintegrowane pomiędzy poszczególnymi warstwami. Za pomocą tygla grafitowego ze stopioną miedzią, kompozyt termicznych warstw ochronnych może zostać nagle obciążony termicznie w temperaturze ok. 1100°C (rysunek 4a). Temperatury pomiędzy warstwami są mierzone, co pozwala na określenie przepływu ciepła przez układ warstw. W celu izolacji termicznej od otoczenia, system warstw jest umieszczany podczas eksperymentu w formie, składającej się z ceramicznej ramy do mocowania i materiału formierskiego na bazie piasku o niskiej przewodności cieplnej z własnej drukarki 3D (rysunek 4b). Wyniki pomiarów eksperymentalnych są w bardzo dobrej zgodności z symulacją numeryczną, w której zaimplementowano wyniki pomiarów LFA dla poszczególnych termicznych warstw ochronnych (rysunek 5)."

Dziękujemy Austriackiemu Instytutowi Odlewnictwa w Leoben za ten bardzo interesujący raport.

Z niecierpliwością czekamy na kolejne lata udanej współpracy!

Dowiedz się więcej o modelu LFA 427:

• 

  LFA 427