29.09.2022 by Aileen Sammler
60 år av NETZSCH-Gerätebau: LFA i bruk för rymdtillämpningar
I september handlar allt om Laser Flash Analysis. Vi är stolta över att kunna presentera en fältrapport från vår långvariga kund, Austrian Foundry Institute. Läs om LFA som används vid Austrian Foundry Institute - Thermophysics for Space Applications.
LFA i bruk vid det österrikiska gjuteriinstitutet
Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI; Austrian Foundry Institute) är den österrikiska gjuteriindustrins gemensamma forskningsinstitut med cirka 40 anställda. Institutet arbetar med frågor som rör gjuteriindustrin och metallteknikindustrin. Forskningsutbudet omfattar FoU, teknisk konsultation, materialtestning, material- och komponentundersökningar, industriell datortomografi, numerisk simulering och specialiserad utbildning.
"ÖGI är ackrediterat som testcenter för 26 testmetoder i enlighet med EN ISO/IEC 17025. I det termofysiska laboratoriet bestäms materialparametrar som Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, termisk expansion och värmekapacitet upp till mycket höga temperaturer. Uppgifterna är av stor betydelse för alla materialutvecklingsapplikationer, men fungerar också som viktiga ingångsparametrar för datorsimuleringar.
Utbudet av material i det termofysiska laboratoriet är dock inte begränsat till metallegeringar som karakteriseras i fast och flytande tillstånd. Här ingår sandbaserade gjutmaterial som används inom gjuteriindustrin, byggnadsmaterial som gips, olika träslag eller träbaserade material, glasvarianter och keramiska material.
En förutsättning för att kunna täcka in ett så brett materialområde är att man har särskilt tillförlitliga mätinstrument. För detta ändamål har ÖGI arbetat tillsammans med NETZSCH-Gerätebau i årtionden. Alla instrument i ÖGI:s termofysiska laboratorium har bevisat sin duglighet genom användning under en ovanligt lång tidsperiod, vanligtvis cirka 20 år. Bland dessa finns två LFA 427 -system, det första i drift där sedan 2003 och det andra sedan 2015. En annan fördel med systemen från NETZSCH-Gerätebau är den långsiktiga tillgången till reservdelar i kombination med utmärkt och snabb service.
Material för rymdtillämpningar
Material för rymdtillämpningar har också blivit en viktig del av ÖGI:s materialspektrum. ÖGI är involverat i olika internationella forskningsprojekt och samarbeten. Ett brett spektrum av material testas, inklusive metallegeringar och kolfiberförstärkt plast som används i satelliter och raketsteg. Varje vecka kommer flera ton material från övergivna rymdfarkoster in i jordens atmosfär. Problemet här är den okontrollerade upplösningen av sådant rymdskrot. Internationella avtal kräver nu antingen kontrollerat återinträde eller riskbedömning för okontrollerade krascher för varje ny start i låg omloppsbana runt jorden. Numeriska simuleringar av termisk och mekanisk belastning eller utbränning under återinträdet utförs för riskbedömning. För förbättrad prediktionsförmåga krävs giltiga materialdata upp till mycket höga temperaturer eller ner till smältfasen. ÖGI har kunnat ge betydande bidrag till karakteriseringen av dessa material.
Keramiska tyger och grafitskum är dock särskilt utmanande att karakterisera. Dessa används som skiktkompositer för uppblåsbara värmesköldar (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) för uppdrag på jorden och framtida uppdrag på Mars.
Eftersom kunskap om materialegenskaperna behövs för temperaturer långt över 1000°C, kan endast laserblixtmetoden användas; det är det enda instrument som kan bestämma Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet i högtemperaturområdet. På ÖGI används två LFA 427 -system från NETZSCH-Gerätebau för detta ändamål. Fördelen med laserblixtmetoden ligger inte bara i det breda temperaturområdet, utan också i dess förmåga att mäta värden för tyger och grafitskum under olika tryck och gasatmosfärer.
Mätmetodik och utvärdering måste uppfylla de krav som ställs, inte bara på grund av produktion av lämpliga prover, den svårdefinierade tjockleken på tyger och grafitskum och partiell inhomogenitet, utan även på grund av materialens porositet. I följande exempel testades ett grafitskum och en aerogel i en argonatmosfär. Figur 3a) visar mätsignalen (blå) över tid för ett grafitskum; figur 3b) för en aerogel. På grund av den porösa strukturen hos de två materialen absorberas laserpulsen inte längre helt vid ytan. För att ta hänsyn till absorptionen av laserpulsen i porstrukturen används penetrationsmodellen i programvaran NETZSCH Proteus®Ò LFA-programvaran i båda fallen. För att minimera parasitära värmeflödeseffekter väljs ett slut på kurvanpassningsintervallet (rött) strax efter maximum. När det gäller strålningsgenomsläppliga material, t.ex. aerogeler, tas inte hänsyn till den initiala signalen i utvärderingen.
Tillsammans med den termofysiska karakteriseringen av olika tyger och grafitskum kompletteras de termofysiska mätningarna med applikationsrelaterade tester. För att testa den termiska kapaciteten hos de skiktade kompositerna utsätts dessa för termisk StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress vid ÖGI:s testgjuteri vid temperaturer över 1000°C, vilket är planerat för landningen på Mars. I ett system med termiska skyddsskikt är termoelement integrerade mellan de enskilda skikten. Med hjälp av en grafitdegel med kopparsmälta kan kompositen av termiska skyddsskikt sedan plötsligt termiskt belastas vid ca 1100°C (bild 4a)). Temperaturerna mellan skikten mäts, vilket gör det möjligt att bestämma värmeflödet genom skiktsystemet. För värmeisolering från omgivningen placeras skiktsystemet under försöket i en form, bestående av en keramisk ram för fixering och ett sandbaserat gjutmaterial med låg Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga från en intern 3D-skrivare (figur 4b)). Mätresultaten från experimenten stämmer mycket väl överens med den numeriska simuleringen där resultaten från LFA-mätningarna för de enskilda termiska skyddslagren implementeras (figur 5)."
Stort tack till Austrian Foundry Institute i Leoben för denna mycket intressanta rapport.
Vi ser fram emot många fler år av framgångsrikt samarbete!
