Termofizică pentru aplicații spațiale și proiecte de construcții durabile

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Institutul austriac de turnătorie) este institutul comun de cercetare al industriei austriece de turnătorie, cu aproximativ 40 de angajați. Acesta se ocupă de problemele din industria turnătoriilor și operează propria turnătorie de testare, unde se desfășoară cercetări orientate spre aplicații în procesele de turnare respective și turnarea aliajelor. În plus, ÖGI este și unul dintre cele mai importante laboratoare de testare din Austria. Aici, ÖGI depășește cu mult domeniul de bază actual al industriei turnătoriilor și tehnologiei metalelor. Gama lor de servicii de cercetare și testare acoperă un spectru larg de aplicații: Încercări nedistructive cu raze X și tomografie computerizată, în care, pe lângă componentele turnate, sunt testate și probe din industria materialelor de construcții sau din industria farmaceutică; termofizică, cu o gamă largă de materiale, precum și simularea numerică a proceselor de turnare și analiza defecțiunilor; și chiar tehnologia de îmbinare/suprafață și lipire.

În calitate de institut de cercetare neuniversitar, ÖGI este acreditat ca laborator de testare pentru 26 de metode de testare de către Accreditation Austria în domeniile operaționale laborator chimic, laborator mecanic, laborator fizic și metalografie. Laboratorul de testare respectă cerințele standardului EN ISO/IEC 17025:2017. În laboratorul termofizic, parametrii materialelor, cum ar fi conductivitatea termică, dilatarea termică și capacitatea termică, sunt determinați de la temperaturi foarte scăzute până la temperaturi foarte ridicate. Datele sunt de mare importanță pentru dezvoltarea oricărui material, dar servesc și ca parametri de intrare pentru simulările numerice. Gama de materiale din laboratorul termofizic nu se limitează, totuși, la aliajele metalice, care sunt caracterizate în principal în stare solidă, dar și în stare lichidă. Aceasta include, de asemenea, materiale de turnare pe bază de nisip utilizate în industria de turnătorie, materiale de construcție precum gipsul și diverse lemne sau materiale pe bază de lemn, varietăți de sticlă și materiale ceramice.

Alături de fiabilitatea instrumentelor analitice, asistența excelentă oferită clienților de NETZSCH-Gerätebau GmbH a fost decisivă în această colaborare de mulți ani. Disponibilitatea pe termen lung a pieselor de schimb a fost la fel de importantă ca și serviciul excelent și întotdeauna disponibil la fața locului, împreună cu opțiunea de întreținere completă a sistemelor direct la NETZSCH-Gerätebau GmbH în Selb. Această combinație permite ÖGI să ofere clienților și partenerilor săi o gamă largă de aplicații cu materiale dificile în cadrul colaborărilor bilaterale în cadrul proiectelor naționale și internaționale.

Analiza materialelor pentru aplicații spațiale

Materialele pentru aplicații spațiale au devenit, de asemenea, o parte importantă a spectrului de materiale al ÖGI. În fiecare săptămână, câteva tone de materiale provenite de la nave spațiale abandonate intră în atmosfera Pământului. Problema în acest caz este dezintegrarea necontrolată a acestor resturi de nave spațiale. În prezent, acordurile internaționale impun fie reintrarea controlată, fie evaluarea riscurilor de prăbușire necontrolată pentru fiecare nouă decolare pe orbita joasă a Pământului. Simulările numerice ale încărcării termice și mecanice sau ale arderii în timpul reintrării sunt efectuate pentru gestionarea riscurilor. Pentru îmbunătățirea capacității de predicție, sunt necesare date valide privind materialele până la temperaturi foarte ridicate sau până la faza topită.

ÖGI a fost și este reprezentat în diverse proiecte de cercetare și cooperări internaționale. Se testează o gamă largă de materiale, inclusiv aliaje metalice, materiale plastice ranforsate cu fibre de carbon utilizate în sateliți și etaje de rachete, precum și țesături ceramice, aerogeluri și spume de grafit utilizate ca straturi compozite pentru scuturi gonflabile de protecție termică.

Cu toate acestea, țesăturile ceramice și spumele de grafit sunt deosebit de dificile pentru caracterizarea materialelor destinate aplicațiilor spațiale. După cum s-a menționat, acestea sunt utilizate ca straturi compozite pentru scuturi gonflabile de protecție termică (sisteme avansate gonflabile de protecție termică) pentru misiunile terestre și viitoarele misiuni pe Marte (figura 2). Deoarece cunoașterea caracteristicilor materialelor este necesară pentru temperaturi cu mult peste 1 000 °C, se poate utiliza doar metoda laser flash; acesta este singurul instrument capabil să determine difuzivitatea termică în domeniul temperaturilor înalte. Două sisteme LFA 427 de la NETZSCH sunt utilizate în acest scop la ÖGI. Avantajul metodei laser flash constă nu numai în gama largă de temperaturi, ci și în capacitatea sa de a măsura țesături și spume de grafit sub diferite presiuni și atmosfere gazoase.

Metodologia de măsurare și evaluarea trebuie să se ridice la nivelul cerințelor impuse nu numai de aspecte precum producția de probe adecvate, grosimea greu de definit a țesăturilor și a spumelor de grafit și neomogenitatea parțială, ci și la nivelul celor impuse de porozitatea materialelor. În exemplul următor, o spumă de grafit și un aerogel au fost testate fiecare într-o atmosferă de argon. Figura 3 prezintă semnalul de măsurare (albastru) în timp pentru o spumă de grafit; figura 4 pentru un aerogel. Datorită structurii poroase a celor două materiale, impulsul laser nu mai este absorbit în întregime la suprafață. Pentru a ține seama de absorbția impulsului laser în structura porilor, în ambele cazuri se utilizează modelul de penetrare al software-uluiNETZSCH Proteus^® LFA. Pentru a minimiza efectele fluxului de căldură parazit, se selectează un capăt al intervalului de ajustare a curbei (roșu) la scurt timp după maxim. În cazul materialelor parțial radiolucente, cum ar fi aerogelul, semnalul inițial nu este luat în considerare în evaluare.

A fost posibil să se utilizeze experiența dobândită la ÖGI din măsurarea materialelor poroase sau parțial în Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere din industria spațială pentru a crea expertiză într-un alt domeniu de aplicare: Materialele pe bază de lemn ca materiale de construcție pentru viitoarele proiecte de construcții durabile.

Materiale pe bază de lemn pentru proiecte de construcții durabile

Lemnul ca material de construcție a cunoscut o creștere puternică în ultimii ani. Ponderea sa în viitoarele proiecte de construcții continuă să crească datorită proprietăților pozitive ale lemnului în ceea ce privește reducerea emisiilor de_CO2, consumul redus de energie în timpul producției și, de asemenea, proprietățile sale de izolare termică. În acest context, materialele pe bază de lemn sunt utilizate nu numai în case unifamiliale, ci și, din ce în ce mai mult, în clădiri cu mai multe etaje sau în proiecte de construcții înalte. Acest lucru permite redensificarea durabilă în zonele urbane. Cu toate acestea, utilizarea sporită a materialelor pe bază de lemn impune, de asemenea, cerințe mai ridicate de protecție împotriva incendiilor pentru lemn ca material. Rezistența la foc a construcțiilor din lemn trebuie dovedită și, până în prezent, acest lucru a fost realizat prin intermediul unor teste de rezistență la foc care necesită mult timp și costuri ridicate. Prin urmare, la fel ca în cazul materialelor pentru aplicații spațiale, există un interes ridicat în aplicarea simulărilor numerice; în acest caz, pentru a prezice comportamentul la foc al structurilor din lemn. Ca date de intrare pentru calcule, sunt necesare din nou date termofizice pentru materialele din lemn în diferite stări: pentru lemn umed, lemn uscat și material pirolizat până la temperaturi înalte de 900°C. Aceste date sunt colectate la ÖGI cu instrumentele de analiză de la NETZSCH-Gerätebau GmbH; pentru aceasta se utilizează, printre altele, LFA 427.

O provocare deosebită în caracterizarea materialelor pe bază de lemn până la temperaturi înalte de câteva sute de grade este reprezentată, pe de o parte, de caracterul poros al lemnului și, pe de altă parte, de descompunerea materialului sub influența expunerii la temperaturi ridicate, cum este cazul împușcăturilor laser în LFA. Prin urmare, pentru măsurarea lemnului până la limita stabilității termice (începutul descompunerii pirolitice), probele preparate trebuie să fie acoperite în mod corespunzător. În acest scop, o folie de cupru adezivă (aproximativ 35 µm folie de cupru + 35 µm adeziv acrilat) pe partea inferioară a probei s-a dovedit a fi o acoperire adecvată. Datorită caracterului poros al lemnului, probele trebuie să fie acoperite și pe partea superioară pentru a preveni detectarea creșterii temperaturii pe partea superioară a probei din spațiul poros. În acest scop, probele au fost acoperite cu un strat subțire de pastă termică (aprox. 80 µm) (schemă în figura 5). Cu toate acestea, acoperirea afectează calculul difuzivității termice a lemnului din cauza creșterii grosimii întregii probe, precum și a diferitelor materiale. Pentru a estima influența acoperirii, s-au efectuat măsurători de referință cu materiale cu conductivitate termică similară; acestea pot fi măsurate atât cu cât și fără acoperire. Figura 6 prezintă difuzivitatea termică măsurată a Bakelite® negru. În raport cu grosimea măsurată a probei, acoperirea duce la o difuzivitate termică mai mică (curba roșie din figura 6) decât în cazul probei fără acoperire (curba albastră) din cauza creșterii timpului de creștere. Prin corectarea întregii grosimi a probei, difuzivitatea termică reală a materialului poate fi aproximată, iar abaterea ușoară poate fi considerată ca un alt termen al incertitudinii de măsurare. De asemenea, corecția grosimii poate fi efectuată direct cu funcția integrată în software-ulNETZSCH - Proteus^® LFA în acest caz.

Măsurarea difuzivității termice a materialelor pirolizate nu necesită un strat de acoperire. Cu toate acestea, din cauza caracterului poros al lemnului sau al cărbunelui de lemn, pulsul laser nu mai este absorbit în totalitate la suprafață, după cum se demonstrează și în cazul spumelor de grafit. Pentru a lua în considerare absorbția impulsului laser în structura porilor, în cazul probelor pirolizate se utilizează modelul de penetrare al software-uluiNETZSCH Proteus^® LFA. Figura 7 prezintă semnalul de măsurare (albastru) în timp pentru o probă de cărbune și ajustarea cu ajutorul modelului de penetrare (roșu).

Distribuiți acest articol: