Kryogene Prüfverfahren

Speziell bei der Flüssigwasserstoffspeicherung spielen aus Sicht der Materialprüfung folgende Gesichtspunkte eine große Rolle:

• Die Untersuchung des statischen, dynamischen und bruchmechanischen Werkstoffverhaltens im kryogenen Bereich und die Ermittlung der für Design und Nachweisführung entsprechender Materialstrukturen erforderlichen Kennwerte. Da Wasserstoff in Kontakt mit Sauerstoff in bestimmten Mengen explosiv ist und ein Werkstoffversagen fatale Folgen hätte, ist insbesondere das Ermüdungsverhalten bzw. bruchmechanische Verhalten von hohem Interesse.
• Bei der H2-Infrastruktur steht der Composite-Werkstoff - anders als bei Metallen - oft nicht in direktem Kontakt zum Medium Wasserstoff. Aus diesem Grund kann bei der Prüfung von Composites zum Erreichen der Prüftemperatur von 20 K auch das weit weniger komplex zu handhabende Kühlmedium Helium eingesetzt werden.
• Bei Composite Materialien führen die sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Faser und Matrix in faserverstärkten Kunststoffen im Herstellungsprozess zu eingefrorenen Spannungen im Werkstoff. Durch die weit größeren Temperaturunterschiede bei Anwendungen in der Wasserstofftechnologie kommt es zu starken thermo-mechanischen Belastungen. Dieses Verhalten gilt es bei realen Temperaturen genau zu verstehen, da durch die starken Druck- und Temperaturschwankungen (z.B. bei der Betankung) im Composite Werkstoff Mikrorisse entstehen können, welche die mechanischen Eigenschaften, sowie die Permeabilität negativ beeinflussen.

Für die Prüfung im kryogenen Bereich werden je nach Einsatztemperatur und Anwendung Temperierkammern und Tauchkryostate eingesetzt. Mit diesem Tiefsttemperatur-Prüfequipment lassen sich je nach Ausführung Prüftemperaturen im kryogenen Bereich zwischen 77 K und 130 K erreichen. 

Nachdem die Kosten für Helium deutlich über den Kosten für Stickstoff liegen, ist es immer eine Abwägung zwischen Aufwand und Nutzen für welchen Temperaturbereich und welches Kühlmedium man sich entscheidet. Die Prüftemperaturen an sich werden durch die Anwendung bestimmt.

Normen für kryogene Prüfungen an Composite

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Zugversuche
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Druckversuche
• ISO 14129, ASTM D3518: Scherung in Lagenebene, IPS
• ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminaren Scherfestigkeit, ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Biegeversuche
• EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
• ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
• ISO 13003, ASTM D3479: Zugschwellender Ermüdungsversuch
• ISO 13003 Annex A: Biege-Ermüdungsversuch

Normen für kryogene Prüfungen an Metallen

• ISO 6892-3: Zugversuch bei bei tiefen Temperaturen
• ASTM E1450: Prüfverfahren für die Spannungsprüfung an Baustählen in flüssigem Helium

Es gibt es drei Möglichkeiten einer besonders effektiven Wasserstoffspeicherung, aus denen sich die Anforderungen für unterschiedliche Tanktypen ergeben, die ausschlaggebend sind für die zu wählenden Prüfparameter.

• Im flüssigen Zustand bis 4 bar im Bereich der Verflüssigung von Wasserstoff bei 20 K
• Im Druckbereich von 250 …700 bar bei Raumtemperatur
• Im Druckbereich von 500 … 1000 bar zwischen 33 und 73 K

Besonders Flüssigwasserstoff stellt eine Alternative dar, um Wasserstoff in großen Mengen zu transportieren. Neben Metall werden bei Flüssigwasserstoff-Anwendungen häufig Composites eingesetzt. Diese haben im Vergleich zu Metallen einen wesentlichen Vorteil: das geringe Gewicht. Dieser Aspekt spielt vor allem bei Anwendungen der Luft- und Raumfahrt oder bei Automotive eine wesentliche Rolle, um sehr leichte Wasserstofftanks zu entwickeln. So sind im Bereich Luft- und Raumfahrt beispielsweise Anwendungen von flüssigem Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen interessant – etwa durch die effizientere Speicherdichte. Im Bereich Automotive hingegen setzt die Industrie verstärkt auch auf Behälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei hohen Drücken. 

Prüfungen zur Bestimmung charakteristischer Werte für die Auslegung und Prüfung von Verbundwerkstoff-/Metallstrukturen an Verflüssigungsanlagen bzw. Flüssigwasserstofftanks unter krypgenen Bedingungen sind daher unerlässlich, um die Sicherheitsanforderungen bestmöglich zu erfüllen und die thermomechanische Beanspruchung zu verstehen, die durch Temperaturänderungen bei Flüssigwasserstoff-Anwendungen entsteht. Dies geschieht - beispielsweise beim Betanken - aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fasern und Matrix in Verbundwerkstoffen.

ZwickRoell bietet die drei genannten kryogenen Prüfeinrichtungen sowohl für statische Prüfmaschinen als auch dynamische Prüfmaschinen. Dabei gilt der Grundsatz: Je tiefer die Temperatur, desto komplexer der mechanische Aufwand.

Damit die Kosten etwa für das Kühlmittel überschaubar bleiben und, um einen möglichst geringen Temperaturgradienten über metallische Durchführungen zu erhalten, empfiehlt es sich darauf zu achten, dass die zu kühlenden Massen – beispielsweise Probenhalter sowie die Durchführungen – ein geringstmögliches Materialvolumen aufweisen. Außerdem sollte die maximale Prüfkraft so gering wie möglich sein. Denn im Unterschied zur Prüfung bei Raumtemperatur haben großzügig gewählte Abmessungen nicht nur hohe Kosten zur Folge, sondern wirken sich auch aus auf die maximal erreichbare Tiefsttemperatur, die Temperatur-Regelbarkeit und letztlich auf sichere und reproduzierbare Prüfergebnisse.

Die Regel: „So viel wie nötig“ kommt in diesem Fall besonders zum Tragen und muss bereits in der Projektierungsphase der Anlage besonderes betrachtet werden. Die Tieftemperatur-Prüfanlagen im ZwickRoell-Produktportfolio haben eine Maximallast von 100 kN.

Bei der Ausführung einer Tieftemperaturprüfanlage müssen folgende Punkte besonders berücksichtigt werden:

• Richtige Materialauswahl für Probenhalter
• Möglichst geringes Volumen im Tieftemperaturbereich, damit möglichst wenig Kühlmittel benötigt wird.
• Temperaturverluste durch das in den Kühlbehälter eingeführte Gestänge möglichst gering halten.
• Vereisung mit speziellen Heizmanschetten verhindern.
• Die Prüfmaschine gegen Kondenswasser schützen.
• Die Ausrichtung und die Ausrichtbarkeit des Laststrangs gewährleisten.
• Die Kalibrierfähigkeit des Systems gewährleisten.
• Richtige Auswahl der Extensometer.
• Kraftnebenschlüsse durch Dichtungen kompensieren.
• Wärmeausdehnung kompensieren.