60 anos de NETZSCH-Gerätebau: O LFA em uso para aplicações espaciais

"A ÖGI é credenciada como centro de testes para 26 métodos de teste, de acordo com a norma EN ISO/IEC 17025. 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 térmica, são determinados até temperaturas muito altas. Os dados são de grande importância para qualquer aplicação de desenvolvimento de material, mas também servem como parâmetros de entrada essenciais para simulações de computador.

Entretanto, a gama de materiais no laboratório termofísico não se limita a ligas metálicas caracterizadas no estado sólido e líquido. Isso inclui materiais de moldagem à base de areia usados no setor de fundição, materiais de construção, como gesso, várias madeiras ou materiais à base de madeira, variedades de vidro e materiais cerâmicos.

Um pré-requisito para cobrir uma gama tão ampla de materiais é ter instrumentos de medição particularmente confiáveis. Para isso, a ÖGI tem trabalhado em conjunto com a NETZSCH-Gerätebau há décadas. Todos os instrumentos do laboratório termofísico da ÖGI foram comprovados pelo uso em um período de tempo extraordinariamente longo, geralmente em torno de 20 anos. Entre eles estão dois sistemas LFA 427, o primeiro em operação desde 2003 e o segundo desde 2015. Outra vantagem dos sistemas da NETZSCH-Gerätebau é a disponibilidade de longo prazo de peças sobressalentes em combinação com um serviço excelente e de resposta rápida.

Materiais para aplicações espaciais

Os materiais para aplicações espaciais também se tornaram uma parte importante do espectro de materiais da ÖGI. A ÖGI está envolvida em vários projetos e colaborações internacionais de pesquisa earch. Uma grande variedade de materiais é testada, incluindo ligas metálicas e plásticos reforçados com fibra de carbono usados em satélites e estágios de foguetes. Toda semana, várias toneladas de material de espaçonaves abandonadas entram na atmosfera da Terra. O problema aqui é a desintegração descontrolada desses detritos de naves 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 avaliação de risco. Para melhorar a capacidade de previsão, são necessários dados válidos sobre o material até temperaturas muito altas ou até a fase fundida. O ÖGI conseguiu fazer contribuições significativas para a caracterização desses materiais.

No entanto, os tecidos cerâmicos e as espumas de grafite são particularmente difíceis de caracterizar. Eles são usados como compostos de camadas para escudos infláveis de proteção térmica (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) para a Terra e futuras missões em Marte.

Como o conhecimento das características do material 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. Para isso, dois sistemas LFA 427 da NETZSCH-Gerätebau são usados na ÖGI. A vantagem do método de flash a laser não está apenas em sua ampla faixa de temperatura, mas também em sua capacidade de medir valores para 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 3a) mostra o sinal de medição (azul) ao longo do tempo para uma espuma de grafite; a Figura 3b) 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 software NETZSCH Proteus^®Ò do software 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 radiolúcidos, como aerogéis, o sinal inicial não é levado em consideração na avaliação.

Juntamente com a caracterização termofísica de diferentes tecidos e espumas de grafite, as medições termofísicas são complementadas com testes relacionados à aplicação. Para testar a capacidade térmica dos compostos em camadas, eles são submetidos a EstresseA tensão é definida como um nível de força aplicado a uma amostra com uma seção transversal bem definida. (Tensão = força/área). As amostras com seção transversal circular ou retangular podem ser comprimidas ou esticadas. Materiais elásticos, como a borracha, podem ser esticados até 5 a 10 vezes seu comprimento original.estresse térmico na fundição de teste da ÖGI a temperaturas acima de 1.000°C, conforme planejado para o pouso em Marte. Em um sistema de camadas de proteção térmica, os termopares são integrados entre as camadas individuais. Por meio de um cadinho de grafite com cobre fundido, o composto de camadas de proteção térmica pode ser subitamente carregado termicamente a aproximadamente 1100°C (figura 4a). As temperaturas entre as camadas são medidas, permitindo a determinação do fluxo de calor através do sistema de camadas. Para isolamento térmico do ambiente, o sistema de camadas é colocado durante o experimento em um molde, que consiste em uma estrutura de cerâmica para fixação e um material de moldagem à base de areia com baixa 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 de uma impressora 3D interna (figura 4b)). Os resultados das medições dos experimentos estão em ótima concordância com a simulação numérica na qual os resultados das medições de LFA para as camadas de proteção térmica individuais são implementados (figura 5)."

Muito obrigado ao Instituto Austríaco de Fundição em Leoben por esse relatório muito interessante.

Estamos ansiosos por muitos outros anos de colaboração bem-sucedida!

Saiba mais sobre o LFA 427:

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  LFA 427