Termofysik för rymdtillämpningar och hållbara byggnadsprojekt

Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI, Austrian Foundry Institute) är den österrikiska gjuteriindustrins gemensamma forskningsinstitut med cirka 40 anställda. Det hanterar frågor inom gjuteriindustrin och driver ett eget testgjuteri, där tillämpningsorienterad forskning bedrivs inom respektive gjutprocesser och gjutning av legeringar. ÖGI är också ett av de ledande testlaboratorierna i Österrike. Här rör sig ÖGI långt utanför det faktiska kärnområdet för gjuteri- och metallteknikindustrin. Deras utbud av forsknings- och provningstjänster täcker ett brett spektrum av tillämpningar: Oförstörande provning med röntgen och datortomografi, där prover från byggmaterialindustrin eller läkemedelsindustrin testas utöver gjutna komponenter; termofysik, med ett brett utbud av material samt numerisk simulering av gjutningsprocesser och felanalys; och till och med sammanfogning / yt- och limningsteknik.

Som ett forskningsinstitut utanför universiteten är ÖGI ackrediterat som ett testlaboratorium för 26 testmetoder av Accreditation Austria inom verksamhetsområdena kemiskt laboratorium, mekaniskt laboratorium, fysikaliskt laboratorium och metallografi. Provningslaboratoriet uppfyller kraven i EN ISO/IEC 17025:2017. 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 från mycket låga till mycket höga temperaturer. Uppgifterna är av stor betydelse för all materialutveckling, men fungerar också som ingångsparametrar för numeriska simuleringar. Utbudet av material i det termofysiska laboratoriet är dock inte begränsat till metallegeringar, som främst karakteriseras i fast tillstånd men även i flytande tillstånd. Det omfattar också sandbaserade gjutmaterial som används inom gjuteriindustrin, byggnadsmaterial som gips och olika träslag eller träbaserade material, glasvarianter och keramiska material.

Förutom tillförlitligheten hos analysinstrumenten har den utmärkta kundsupport som tillhandahålls av NETZSCH-Gerätebau GmbH varit avgörande för detta mångåriga samarbete. Den långsiktiga tillgången till reservdelar har varit lika viktig som den utmärkta och alltid tillgängliga servicen på plats, tillsammans med möjligheten till omfattande underhåll av systemen direkt på NETZSCH-Gerätebau GmbH i Selb. Denna kombination gör det möjligt för ÖGI att erbjuda ett brett utbud av applikationer med utmanande material till sina kunder och partners inom ramen för bilaterala samarbeten mellan nationella och internationella projekt.

Materialanalys för rymdtillämpningar

Material för rymdtillämpningar har också blivit en viktig del av ÖGI:s materialspektrum. Varje vecka kommer flera ton material från övergivna rymdfarkoster in i jordens atmosfär. Problemet här är den okontrollerade sönderdelningen av sådana rymdfarkoster. 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 riskhantering. För förbättrad prediktionsförmåga behövs giltiga materialdata upp till mycket höga temperaturer eller ner till smältfasen.

ÖGI var och är representerat i olika internationella forskningsprojekt och samarbeten. Ett brett spektrum av material testas, inklusive metallegeringar, kolfiberförstärkt plast som används i satelliter och raketsteg, och keramiska tyger, aerogeler och grafitskum som används som skiktkompositer för uppblåsbara värmesköldar.

Keramiska tyger och grafitskum är dock särskilt utmanande när det gäller att karakterisera material för rymdtillämpningar. Som nämnts används dessa som skiktkompositer för uppblåsbara värmesköldar (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) för uppdrag på jorden och framtida uppdrag på Mars (figur 2). Eftersom kunskap om materialens egenskaper 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. Två LFA 427 system från NETZSCH används på ÖGI för detta ändamål. Fördelen med laserflashmetoden ligger inte bara i dess breda temperaturområde, utan också i dess förmåga att mäta 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. I figur 3 visas mätsignalen (blå) över tid för ett grafitskum och i figur 4 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 programvaranNETZSCH Proteus^® LFA i båda fallen. För att minimera parasitära värmeflödeseffekter väljs ett slut på kurvanpassningsintervallet (rött) strax efter maximum. När det gäller delvis strålningsgenomsläppliga material, t.ex. aerogel, tas inte hänsyn till den initiala signalen i utvärderingen.

Det var möjligt att använda erfarenheterna från mätning av porösa eller delvis sönderfallande material från rymdindustrin på ÖGI för att bygga upp expertis inom ytterligare ett tillämpningsområde: Träbaserade material som byggmaterial för framtida hållbara byggprojekt.

Träbaserade material för hållbara byggprojekt

Trä som byggmaterial har upplevt ett starkt uppsving under de senaste åren. Dess andel i framtida byggprojekt fortsätter att öka på grund av träets positiva egenskaper när det gäller att minska_{CO2-utsläppen}, låg energiförbrukning under produktionen och även dess värmeisolerande egenskaper. I detta sammanhang används träbaserade material inte bara i enfamiljshus, utan också i allt högre grad i flervåningshus eller i höghusprojekt. Detta möjliggör en hållbar förtätning i stadsområden. Den ökade användningen av träbaserade material ställer dock också högre brandskyddskrav på trä som material. Träkonstruktioners brandmotstånd måste bevisas, och hittills har detta gjorts med hjälp av tidskrävande och kostnadsintensiva brandtester. Precis som med material för rymdtillämpningar finns det därför ett stort intresse för att tillämpa numeriska simuleringar, i det här fallet för att förutsäga träkonstruktioners brandbeteende. Som indata för beräkningarna krävs återigen termofysikaliska data för trämaterial i olika tillstånd: för fuktigt trä, torrt trä och pyrolyserat material upp till högtemperaturområdet 900°C. Dessa samlas in på ÖGI med analysinstrument från NETZSCH-Gerätebau GmbH; bland annat används LFA 427 används bland annat för detta.

En särskild utmaning vid karakterisering av träbaserade material upp till högtemperaturområdet på flera hundra grader är å ena sidan träets porösa karaktär och å andra sidan nedbrytningen av materialet under påverkan av hög värmeexponering, vilket är fallet med laserskott i LFA. För mätning av trä upp till den termiska stabilitetsgränsen (början av pyrolytisk nedbrytning) måste de förberedda proverna därför beläggas på lämpligt sätt. För detta ändamål har en självhäftande kopparfolie (ca 35 µm kopparfolie + 35 µm akrylatlim) på undersidan av provet visat sig vara en lämplig beläggning. På grund av träets porösa karaktär måste proverna också beläggas på ovansidan för att förhindra att temperaturökningen på provets ovansida detekteras från porutrymmet. För detta ändamål belades proverna med ett tunt lager termopasta (ca 80 µm) (schematisk bild i figur 5). Beläggningen påverkar dock beräkningen av träets värmediffusivitet på grund av den ökade tjockleken på hela provet och de olika materialen. För att uppskatta beläggningens inverkan utfördes referensmätningar med material med liknande 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; dessa kan mätas både med och utan beläggning. Figur 6 visar den uppmätta värmediffusiviteten för svart Bakelite®. I förhållande till den uppmätta tjockleken på provet leder beläggningen till en lägre värmediffusivitet (röd kurva i figur 6) än för det obelagda provet (blå kurva) på grund av den ökade stigtiden. Genom att korrigera provets hela tjocklek kan materialets faktiska värmediffusivitet approximeras och den lilla avvikelsen kan betraktas som ytterligare en term i mätosäkerheten. Tjocklekskorrigeringen kan också utföras direkt med den funktion som är integrerad i NETZSCH-Proteus^® LFA-programvaran i detta fall.

Mätning av den termiska diffusiviteten hos pyrolyserade material kräver ingen beläggning. På grund av träets eller träkolets porösa karaktär absorberas dock inte längre laserpulsen helt vid ytan, vilket också framgår av grafitskum. För att ta hänsyn till absorptionen av laserpulsen i porstrukturen används penetrationsmodellen i programvaranNETZSCH Proteus^® LFA för pyrolyserade prover. I figur 7 visas mätsignalen (blå) över tid för ett träkolsprov och anpassning med penetrationsmodellen (röd).

Dela med dig av denna artikel: