Termofísica para aplicações espaciais e projetos de construção sustentável

arcO Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Instituto Austríaco de Fundição) é o instituto conjunto do setor de fundição austríaco, com cerca de 40 funcionários.arcEle lida com questões do setor de fundição e opera sua própria fundição de teste, onde são realizadas pesquisas orientadas a aplicações nos respectivos processos de fundição e fundição de ligas. Além disso, a ÖGI também é um dos principais laboratórios de testes da Áustria. Aqui, a ÖGI vai muito além da área principal do setor de fundição e tecnologia de metais.arcSua linha de serviços de testes e testes abrange um amplo espectro de aplicações: Testes não destrutivos por raios X e tomografia computadorizada, em que amostras do setor de materiais de construção ou farmacêutico são testadas, além de componentes fundidos; termofísica, com uma ampla gama de materiais, bem como simulação numérica de processos de fundição e análise de falhas; e até mesmo tecnologia de união/superfície e ligação.

arcComo um instituto não universitário, o ÖGI é credenciado como laboratório de testes para 26 métodos de teste pela Accreditation Austria nas áreas operacionais de laboratório químico, laboratório mecânico, laboratório físico e metalografia. O laboratório de testes está em conformidade com os requisitos da norma EN ISO/IEC 17025:2017. No laboratório termofísico, os parâmetros do material, como Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, expansão térmica e capacidade de calor, são determinados de temperaturas muito baixas a muito altas. Os dados são de grande importância para o desenvolvimento de qualquer material, mas também servem como parâmetros de entrada para simulações numéricas. A gama de materiais no laboratório termofísico não se limita, entretanto, às ligas metálicas, que são caracterizadas principalmente no estado sólido, mas também no estado líquido. Ela também inclui materiais de moldagem à base de areia usados no setor de fundição, materiais de construção como gesso e várias madeiras ou materiais à base de madeira, variedades de vidro e materiais cerâmicos.

Juntamente com a confiabilidade dos instrumentos analíticos, o excelente suporte ao cliente fornecido pela NETZSCH-Gerätebau GmbH foi decisivo nessa longa colaboração. A disponibilidade de peças sobressalentes a longo prazo tem sido tão importante quanto o excelente e sempre disponível serviço no local, juntamente com a opção de manutenção abrangente dos sistemas diretamente na NETZSCH-Gerätebau GmbH em Selb. Essa combinação permite que a ÖGI ofereça uma ampla gama de aplicações com materiais desafiadores para seus clientes e parceiros no âmbito de colaborações bilaterais entre projetos nacionais e internacionais.

Análise de materiais para aplicações espaciais

Os materiais para aplicações espaciais também se tornaram uma parte importante do espectro de materiais da ÖGI. Toda semana, várias toneladas de material de naves espaciais abandonadas entram na atmosfera da Terra. O problema aqui é a desintegração descontrolada desses detritos espaciais. Os acordos internacionais agora exigem reentrada controlada ou avaliação de risco de colisões descontroladas para cada nova decolagem em órbita baixa da Terra. Simulações numéricas de carga térmica e mecânica ou queima durante a reentrada são realizadas para o gerenciamento de riscos. Para melhorar a capacidade de previsão, são necessários dados válidos sobre o material até temperaturas muito altas ou até a fase fundida.

A ÖGI foi e é representada em vários projetos e cooperações internacionais de pesquisa earch. Uma grande variedade de materiais é testada, incluindo ligas metálicas, plásticos reforçados com fibra de carbono usados em satélites e estágios de foguetes, além de tecidos cerâmicos, aerogéis e espumas de grafite usados como compostos de camadas para escudos infláveis de proteção térmica.

Os tecidos cerâmicos e as espumas de grafite, no entanto, são particularmente desafiadores para a caracterização de materiais para aplicações espaciais. Conforme mencionado, eles são usados como compostos de camadas para escudos infláveis de proteção térmica (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) para missões na Terra e em Marte no futuro (figura 2). Como o conhecimento das características dos materiais é necessário para temperaturas muito acima de 1.000°C, somente o método de flash a laser pode ser empregado; ele é o único instrumento capaz de determinar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica na faixa de alta temperatura. Dois sistemas LFA 427 da NETZSCH são usados na ÖGI para esse fim. A vantagem do método de flash a laser não está apenas em sua ampla faixa de temperatura, mas também em sua capacidade de medir tecidos e espumas de grafite sob diferentes pressões e atmosferas de gás.

A metodologia de medição e a avaliação devem atender às demandas impostas não apenas por questões como a produção de amostras adequadas, a espessura difícil de definir de tecidos e espumas de grafite e a falta de homogeneidade parcial, mas também àquelas impostas pela porosidade dos materiais. No exemplo a seguir, uma espuma de grafite e um aerogel foram testados em uma atmosfera de argônio. A Figura 3 mostra o sinal de medição (azul) ao longo do tempo para uma espuma de grafite e a Figura 4 para um aerogel. Devido à estrutura porosa dos dois materiais, o pulso do laser não é mais totalmente absorvido na superfície. Para levar em conta a absorção do pulso de laser na estrutura dos poros, o modelo de penetração do softwareNETZSCH Proteus^® LFA é empregado em ambos os casos. Para minimizar os efeitos do fluxo de calor parasita, um fim da faixa de ajuste da curva (vermelho) é selected logo após o máximo. No caso de materiais parcialmente radiolúcidos, como o aerogel, o sinal inicial não é levado em consideração na avaliação.

Foi possível usar a experiência adquirida na ÖGI com a medição de materiais porosos ou parcialmente em Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do setor espacial para desenvolver conhecimentos em um campo de aplicação adicional: Materiais à base de madeira como materiais de construção para futuros projetos de construção sustentável.

Materiais à base de madeira para projetos de construção sustentável

A madeira como material de construção tem experimentado um forte crescimento nos últimos anos. Sua participação em futuros projetos de construção continua a aumentar devido às propriedades positivas da madeira em termos de redução das emissões_{de CO2}, baixo consumo de energia durante a produção e também suas propriedades de isolamento térmico. Nesse contexto, os materiais à base de madeira estão sendo empregados não apenas em casas unifamiliares, mas também, cada vez mais, em edifícios de vários andares ou em projetos de construção de arranha-céus. Isso permite a redensificação sustentável em áreas urbanas. No entanto, o aumento do uso de materiais à base de madeira também impõe requisitos mais elevados de proteção contra incêndio à madeira como material. A resistência ao fogo das construções de madeira deve ser comprovada e, até o momento, isso tem sido feito por meio de testes de fogo demorados e de alto custo. Portanto, assim como ocorre com os materiais para aplicações espaciais, há um grande interesse na aplicação de simulações numéricas; nesse caso, para prever o comportamento de fogo das estruturas de madeira. Como dados de entrada para os cálculos, os dados termofísicos para os materiais de madeira em diferentes estados são novamente necessários: para madeira úmida, madeira seca e material pirolisado até a faixa de alta temperatura de 900°C. Esses dados são coletados na ÖGI com os instrumentos de análise da NETZSCH-Gerätebau GmbH; o LFA 427 é usado para isso, entre outros.

Um desafio especial na caracterização de materiais à base de madeira até a faixa de alta temperatura de várias centenas de graus é apresentado, por um lado, pelo caráter poroso da madeira e, por outro, pela Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do material sob a influência da exposição a altas temperaturas, como é o caso do laser shots no LFA. Para a medição da madeira até o limite de Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica (início da Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição pirolítica), as amostras preparadas devem, portanto, ser revestidas adequadamente. Para esse fim, uma folha de cobre adesiva (aproximadamente 35 µm de folha de cobre + 35 µm de adesivo de acrilato) na parte inferior da amostra provou ser um revestimento adequado. Devido ao caráter poroso da madeira, as amostras também devem ser revestidas na parte superior para evitar a detecção do aumento de temperatura na parte superior da amostra a partir do espaço poroso. Para isso, as amostras foram revestidas com uma fina camada de pasta térmica (aprox. 80 µm) (esquema na figura 5). Entretanto, o revestimento afeta o cálculo da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da madeira devido ao aumento da espessura de toda a amostra, bem como dos diversos materiais. Para estimar a influência do revestimento, foram realizadas medições de referência com materiais de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica semelhante, que podem ser medidos com e sem revestimento. A Figura 6 mostra a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica medida do Bakelite® preto. Em relação à espessura medida da amostra, o revestimento leva a uma Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica menor (curva vermelha na Figura 6) do que a da amostra sem revestimento (curva azul) devido ao aumento do tempo de subida. Com a correção de toda a espessura da amostra, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica real do material pode ser aproximada e o pequeno desvio pode ser considerado como outro termo na incerteza da medição. A correção da espessura também pode ser realizada diretamente com a função integrada no softwareNETZSCH - Proteus^® LFA nesse caso.

A medição da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de materiais pirolisados não requer um revestimento.arcDevido ao caráter poroso da madeira ou do carvão de madeira, no entanto, o pulso de laser não é mais totalmente absorvido na superfície, como também evidenciado pelas espumas de grafite.arcPara levar em consideração a absorção do pulso de laser na estrutura dos poros, o modelo de penetração do softwareNETZSCH Proteus^® LFA é usado no caso de amostras pirolisadas. A Figura 7 mostra o sinal de medição (azul) ao longo do tempo para uma amostra de carvão vegetal e o ajuste usando o modelo de penetração (vermelho).

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