極低温試験

特に液体水素貯蔵では、材料試験の観点から、次の側面が重要な役割を果たします。

• 極低温領域での静的、動的、および破壊力学的材料挙動の調査と、対応する材料構造の設計と検証に必要な特性値の決定。 一定量の水素は、酸素と接触すると爆発し、材料破壊が致命的な結果をもたらす可能性があるため、特に疲労挙動または破壊機械挙動は非常に重要です。
• H2 インフラストラクチャの場合、複合材料は、金属とは異なり、水素媒体と直接接触しないことがよくあります。 このため、複合材料をテストする場合、取り扱いがはるかに簡単な冷却媒体ヘリウムを使用して、20 K のテスト温度に到達させることもできます。
• 複合材料の場合、繊維強化プラスチックの繊維とマトリックスの熱膨張係数が大きく異なるため、製造プロセス中に材料に凍結応力が生じます。 水素技術のアプリケーションでは温度変化がはるかに大きいため、強い熱機械的ストレスが発生します。 実際の温度でのこの挙動を正確に理解することが重要です。これは、圧力と温度の強い変動 (燃料補給中など) が複合材料に微小な亀裂を引き起こし、その機械的特性と透過性に悪影響を及ぼす可能性があるためです。

動作温度と用途に応じて、恒温槽と浸漬クライオスタットが極低温範囲での試験に使用されます。この極低温試験装置のタイプまたはバージョンに基づいて、77 K から 130 K の極低温範囲で試験温度に到達できます。

ヘリウムのコストは窒素のコストよりも大幅に高いため、コストと利点を比較検討して、選択する温度範囲と冷却媒体を決定する必要があります。 実際の温度はアプリケーションによって決まります。

複合材料の極低温試験方法の規格

• ISO 527-4、ISO 527-5、ASTM D3039：引張試験
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: 圧縮試験
• ISO 14129、ASTM D3518： 面内せん断（IPS）
• ISO 14230、ASTM D2344： Interlaminar shear strength , ILSS
• ISO 14125、ASTM D7264： 曲げ試験
• EN 1465, ASTM D3164: 接着組立の引張りラップせん断強度の測定
• ASTM D7905： 層間破壊靭性モード II
• ISO 13003、ASTM D3479： 引張繰返し荷重下の疲労挙動
• ISO 13003 Annex A: たわみ疲労試験

金属の極低温試験方法の規格

• ISO 6892-3：極低温引張試験
• ASTM E1450： 液体ヘリウム中での構造用合金の引張試験の規格試験方法

特に効果的な水素貯蔵には 3 つのオプションがあり、その結果、さまざまなタイプの容器またはタンクの要件が生じ、テスト パラメータの選択に決定的な影響を与えます。

• 液体状態で最大 4 bar、温度 20 K の水素液化範囲で
• 250の圧力範囲で... 常温で700 bar
• 500の圧力範囲で...1000 bar 33 ～ 73 K で

特に液体水素は、水素を大量に輸送するための代替手段となります。液体水素の用途では、金属に加えて複合材料がよく使用されます。金属と比較すると、軽量という大きな利点があります。この側面は、非常に軽量な水素タンクを開発するために、航空宇宙または自動車用途で特に重要な役割を果たします。これにより、極低温での液体水素の用途は、たとえば、より効率的な貯蔵密度のために、航空宇宙部門で特に注目されています。一方、自動車部門では、高圧でガス状水素を貯蔵するためのコンテナへの依存度も高まっています。

極低温条件下での液化施設または液体水素タンクでの複合材/金属構造の設計および特性値の決定をするための試験は、安全要件を可能な限り最大限に満たすため、また、液体水素アプリケーションの温度変化に起因する熱機械的ストレスを理解するために重要となります。これは、たとえば燃料補給中に、複合材料の繊維とマトリックスの熱膨張係数が異なるために発生します。

ツビックローエルは、静的試験機と動的試験機の両方に対応する 3 つの極低温試験機を提供しています。次の原則が適用されます：温度が低いほど、機械的な作業は複雑になります。

冷却剤のコストを管理しやすくし、金属フィードスルー全体の温度勾配をできるだけ低く保つために、試験片グリップやフィードスルーなど、冷却する質量の材料体積を可能な限り少なくすることをお勧めします。 さらに、最大テスト負荷はできるだけ低くする必要があります。 これは、周囲温度でのテストとは対照的に、寛大に選択された寸法はコストが高くなるだけでなく、到達可能な極低温、温度制御性、そして最終的にはテスト結果の信頼性と再現性にも影響を与えるためです。

この場合、「必要なだけ」というルールが特に重要であり、システムのプロジェクト計画フェーズから検討する必要があります。 ツビックローエル製品ポートフォリオの極低温試験システムの最大負荷は 100 kN です。

極低温試験システムを設計するときは、次の点を特に考慮する必要があります。

• 正しい試験片グリップ材質の選択。
• 必要な冷却剤の量を可能な限り少なくするために、低温領域での可能な限りの最小量。
• 冷却タンクに挿入されたロッドによる温度損失をできる限り低く保ちます。
• 特殊な加熱スリーブで氷の蓄積を防ぎます。
• 結露の蓄積から試験機を保護します。
• ロード ストリングの位置合わせと位置合わせ機能を確認します。
• システムのキャリブレーション機能を確認してください。
• 適切な伸び計の選択。
• シールを使用して強制シャントを補償します。
• 熱膨張を補正します。