Теплофизика для космических применений и проектов экологичных зданий

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Австрийский институт литейного производства) - это объединенный исследовательскийarch институт литейной промышленности Австрии, в котором работает около 40 сотрудников. Он занимается вопросами литейной промышленности и имеет собственный испытательный литейный цех, где проводятся прикладные исследованияarch в соответствующих процессах литья и литья сплавов. Кроме того, ÖGI является одной из ведущих испытательных лабораторий в Австрии. Здесь ÖGI выходит далеко за пределы своей основной сферы деятельности - литейного производства и металлургической промышленности. Их спектр услуг по исследованиюarch и тестированию охватывает широкий спектр применений: Неразрушающий контроль с помощью рентгеновского излучения и компьютерной томографии, где наряду с литыми компонентами проверяются образцы из промышленности строительных материалов или фармацевтики; теплофизика с широким спектром материалов, а также численное моделирование процессов литья и анализ отказов; и даже технология соединения/поверхности и склеивания.

arcКак неуниверситетский институт ÖGI аккредитован в качестве испытательной лаборатории по 26 методам испытаний Австрийской организацией по аккредитации в таких областях деятельности, как химическая лаборатория, механическая лаборатория, физическая лаборатория и металлография. Испытательная лаборатория соответствует требованиям стандарта EN ISO/IEC 17025:2017. В теплофизической лаборатории определяются такие параметры материалов, как теплопроводность, тепловое расширение и теплоемкость, от очень низких до очень высоких температур. Эти данные имеют большое значение для разработки любого материала, а также служат входными параметрами для численного моделирования. Однако спектр материалов в теплофизической лаборатории не ограничивается металлическими сплавами, которые в основном характеризуются в твердом, а также в жидком состоянии. Он также включает формовочные материалы на основе песка, используемые в литейной промышленности, строительные материалы, такие как гипс и различные породы древесины или древесные материалы, сорта стекла и керамические материалы.

Наряду с надежностью аналитических приборов решающую роль в этом многолетнем сотрудничестве сыграла отличная поддержка клиентов со стороны NETZSCH-Gerätebau GmbH. Долгосрочная доступность запасных частей была не менее важна, чем отличный и всегда доступный сервис на месте, а также возможность комплексного обслуживания систем непосредственно на NETZSCH-Gerätebau GmbH в Зельбе. Такое сочетание позволяет компании ÖGI предлагать своим клиентам и партнерам широкий спектр применения сложных материалов в рамках двустороннего сотрудничества по национальным и международным проектам.

Анализ материалов для космического применения

Материалы для применения в космосе также стали важной частью спектра материалов ÖGI. Каждую неделю в атмосферу Земли попадает несколько тонн материалов с покинутых космических аппаратов. Проблема заключается в неконтролируемой дезинтеграции таких космических обломков. В настоящее время международные соглашения требуют либо контролируемого входа в атмосферу, либо оценки риска неконтролируемых аварий для каждого нового взлета на низкую околоземную орбиту. Для управления рисками проводится численное моделирование тепловых и механических нагрузок или выгорания при входе в атмосферу. Для улучшения возможности прогнозирования необходимы достоверные данные о материалах вплоть до очень высоких температур или до расплавленной фазы.

arcÖGI был и остается представлен в различных международных проектах и кооперациях. Испытывается широкий спектр материалов, включая металлические сплавы, армированные углеродным волокном пластики, используемые в спутниках и ступенях ракет, а также керамические ткани, аэрогели и графитовые пенопласты, используемые в качестве слоистых композитов для надувных теплозащитных экранов.

Керамические ткани и графитовые пенопласты, однако, представляют особую сложность для определения характеристик материалов для космического применения. Как уже говорилось, они используются в качестве слоистых композитов для надувных теплозащитных экранов (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) для Земли и будущих полетов на Марс (рис. 2). Поскольку знание характеристик материалов необходимо для температур, значительно превышающих 1000°C, можно использовать только метод лазерной вспышки; это единственный прибор, способный определить теплопроводность в высокотемпературном диапазоне. В ÖGI для этих целей используются две системы LFA 427 фирмы NETZSCH. Преимущество метода лазерной вспышки заключается не только в широком диапазоне температур, но и в возможности измерения тканей и графитовых пенопластов при различных давлениях и газовых атмосферах.

Методология измерений и оценка должны соответствовать не только требованиям, предъявляемым такими проблемами, как изготовление подходящих образцов, трудноопределимая толщина тканей и графитовых пенопластов, частичная неоднородность, но и требованиям, предъявляемым пористостью материалов. В следующем примере графитовая пена и аэрогель были испытаны в атмосфере аргона. На рисунке 3 показан измерительный сигнал (синий) с течением времени для графитовой пены; на рисунке 4 - для аэрогеля. Из-за пористой структуры этих двух материалов лазерный импульс уже не полностью поглощается на поверхности. Для учета поглощения лазерного импульса в пористой структуре в обоих случаях используется модель проникновения из программного обеспеченияNETZSCH Proteus^® LFA. Чтобы минимизировать паразитные эффекты теплового потока, конец диапазона подгонки кривой (красный) находится selected вскоре после максимума. В случае частично радиопрозрачных материалов, таких как аэрогель, начальный сигнал не учитывается при оценке.

Опыт, полученный в ÖGI при измерении пористых или частично разлагающихся материалов из космической промышленности, можно было использовать для накопления опыта в другой области применения: Древесные материалы как строительные материалы для будущих экологичных строительных проектов.

Материалы на основе древесины для экологичных строительных проектов

В последние годы древесина как строительный материал переживает значительный подъем. Ее доля в будущих строительных проектах продолжает расти благодаря положительным свойствам древесины в плане сокращения выбросов_CO2, низкому потреблению энергии при производстве, а также ее теплоизоляционным свойствам. В связи с этим древесные материалы используются не только в односемейных домах, но и все чаще в многоэтажных зданиях или в проектах высотного строительства. Это позволяет устойчиво заселять городские районы. Однако расширение использования древесных материалов также предъявляет повышенные требования к огнезащите древесины как материала. Огнестойкость деревянных конструкций должна быть доказана, и до сих пор это делалось с помощью трудоемких и дорогостоящих огневых испытаний. Поэтому, как и в случае с материалами для космического применения, большой интерес вызывает применение численного моделирования, в данном случае для прогнозирования огнестойкости деревянных конструкций. В качестве исходных данных для расчетов снова требуются теплофизические данные для деревянных материалов в различных состояниях: для влажной древесины, сухой древесины и пиролизованного материала вплоть до высокотемпературного диапазона 900°C. Эти данные собираются в ÖGI с помощью аналитических приборов компании NETZSCH-Gerätebau GmbH; для этого используется, в частности, LFA 427.

Особую сложность при определении характеристик материалов на основе древесины в диапазоне высоких температур в несколько сотен градусов представляет, с одной стороны, пористость древесины, а с другой - разложение материала под воздействием высокой температуры, как это происходит при использовании лазера shots в LFA. Поэтому для измерения древесины до предела термической стабильности (начало пиролитического разложения) подготовленные образцы должны быть соответствующим образом покрыты. Для этого хорошо зарекомендовало себя покрытие из клейкой медной фольги (примерно 35 мкм медной фольги + 35 мкм акрилатного клея) на нижней стороне образца. Из-за пористости древесины образцы должны быть покрыты и с верхней стороны, чтобы предотвратить обнаружение повышения температуры на верхней стороне образца из порового пространства. Для этого образцы были покрыты тонким слоем термопасты (около 80 мкм) (схема на рис. 5). Однако покрытие влияет на расчет теплопроводности древесины из-за увеличения толщины как всего образца, так и различных материалов. Чтобы оценить влияние покрытия, были проведены контрольные измерения с материалами, имеющими аналогичную теплопроводность; они могут быть измерены как с покрытием, так и без него. На рисунке 6 показана измеренная теплопроводность черного бакелита®. В зависимости от измеренной толщины образца, покрытие приводит к более низкой теплопроводности (красная кривая на рисунке 6), чем для образца без покрытия (синяя кривая), из-за увеличения времени нарастания. Коррекция всей толщины образца позволяет приближенно определить фактическую температуропроводность материала, а небольшое отклонение можно рассматривать как еще один член неопределенности измерений. Коррекция толщины может быть также выполнена непосредственно с помощью функции, встроенной в программное обеспечениеNETZSCH - Proteus^® LFA.

Измерение теплопроводности пиролизированных материалов не требует нанесения покрытия. Однако из-за пористости древесины или древесногоarcоала лазерный импульс, как это также подтверждается графитовыми пенами, не полностью поглощается на поверхности. Чтобы учесть поглощение лазерного импульса в структуре пор, в случае пиролизированных образцов используется модель проникновения из программного обеспеченияNETZSCH Proteus^® LFA. На рисунке 7 показан измерительный сигнал (синий) с течением времени для образца из олова Charcи подгонка с использованием модели проникновения (красный).

Поделитесь этой статьей: