60 de ani de NETZSCH-Gerätebau: LFA în uz pentru aplicații spațiale

"ÖGI este acreditat ca centru de testare pentru 26 de metode de testare în conformitate cu EN ISO/IEC 17025. În laboratorul termofizic, parametrii materialelor, cum ar fi conductivitatea termică, dilatarea termică și capacitatea termică, sunt determinați până la temperaturi foarte ridicate. Datele sunt de mare importanță pentru orice aplicație de dezvoltare a materialelor, dar servesc și ca parametri de intrare esențiali pentru simulările pe calculator.

Cu toate acestea, gama de materiale din laboratorul termofizic nu este limitată la aliajele metalice caracterizate în stare solidă și lichidă. Printre acestea se numără materialele de turnare pe bază de nisip utilizate în industria turnătoriilor, materialele de construcție precum gipsul, diferite tipuri de lemn sau materiale pe bază de lemn, varietăți de sticlă și materiale ceramice.

O condiție prealabilă pentru a acoperi o gamă atât de largă de materiale este de a avea instrumente de măsurare deosebit de fiabile. În acest scop, ÖGI colaborează de zeci de ani cu NETZSCH-Gerätebau. Toate instrumentele din laboratorul de termofizică ÖGI și-au dovedit eficiența prin utilizare pe o perioadă extraordinar de lungă, de obicei în jur de 20 de ani. Printre acestea se numără două sisteme LFA 427, primul fiind în funcțiune acolo din 2003, iar al doilea din 2015. Un alt avantaj al sistemelor de la NETZSCH-Gerätebau este disponibilitatea pe termen lung a pieselor de schimb, în combinație cu un service excelent și cu reacție rapidă.

Materiale pentru aplicații spațiale

Materialele pentru aplicații spațiale au devenit, de asemenea, o parte importantă a spectrului de materiale al ÖGI. ÖGI este implicat în diverse proiecte de cercetare și colaborări internaționale. Este testată o gamă largă de materiale, inclusiv aliaje metalice și materiale plastice ranforsate cu fibre de carbon utilizate în sateliți și în etajele rachetelor. 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 evaluarea 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 în măsură să aducă contribuții semnificative la caracterizarea acestor materiale.

Cu toate acestea, caracterizarea țesăturilor ceramice și a spumelor de grafit este deosebit de dificilă. Acestea sunt utilizate ca straturi compozite pentru scuturi gonflabile de protecție termică (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) pentru misiunile terestre și viitoarele misiuni pe Marte.

Deoarece cunoașterea caracteristicilor materialului este necesară pentru temperaturi cu mult peste 1000°C, poate fi utilizată doar metoda laser flash; acesta este singurul instrument capabil să determine difuzivitatea termică în domeniul temperaturilor ridicate. Două sisteme LFA 427 de la NETZSCH-Gerätebau sunt utilizate la ÖGI în acest scop. Avantajul metodei laser flash constă nu numai în gama largă de temperaturi, ci și în capacitatea sa de a măsura valorile pentru 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 într-o atmosferă de argon. Figura 3a) prezintă semnalul de măsurare (albastru) în timp pentru o spumă de grafit; figura 3b) 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, se utilizează modelul de penetrare al programului NETZSCH Proteus^®Ò software LFA este utilizat în ambele cazuri. 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 radiolucente, cum ar fi aerogelurile, semnalul inițial nu este luat în considerare în evaluare.

Împreună cu caracterizarea termofizică a diferitelor țesături și spume de grafit, măsurătorile termofizice sunt completate cu teste legate de aplicații. Pentru a testa capacitatea termică a compozitelor stratificate, acestea sunt solicitate termic la turnătoria de testare ÖGI la temperaturi de peste 1000°C, așa cum este planificat pentru aterizarea pe Marte. Într-un sistem de straturi de protecție termică, termocuplurile sunt integrate între straturile individuale. Cu ajutorul unui creuzet de grafit cu topitură de cupru, compozitul de straturi de protecție termică poate fi apoi brusc încărcat termic la aproximativ 1100°C (figura 4a)). Temperaturile dintre straturi sunt măsurate, ceea ce permite determinarea fluxului de căldură prin sistemul de straturi. Pentru izolarea termică față de mediul înconjurător, sistemul de straturi este plasat în timpul experimentului într-o matriță, constând dintr-un cadru ceramic pentru fixare și un material de turnare pe bază de nisip cu conductivitate termică scăzută de la o imprimantă 3-D internă (figura 4b)). Rezultatele măsurătorilor din cadrul experimentelor sunt în foarte bună concordanță cu simularea numerică în care sunt implementate rezultatele măsurătorilor LFA pentru straturile individuale de protecție termică (figura 5)."

Multe mulțumiri Institutului austriac de turnătorie din Leoben pentru acest raport foarte interesant.

Așteptăm cu nerăbdare încă mulți ani de colaborare de succes!

Aflați mai multe despre LFA 427:

• 

  LFA 427