Cryogene tests

Voor opslag van vloeibaar waterstof spelen de volgende aspecten een belangrijke rol wat betreft materiaaltests:

• Onderzoek naar de statische, dynamische en breukmechanische materiaaleigenschappen in het cryogene bereik en de bepaling van karakteristieke waarden voor het ontwerp en de verificatie van de corresponderende materiaalstructuren. Aangezien waterstof in bepaalde hoeveelheden explosief wordt in contact met zuurstof en falen van het materiaal dus fatale gevolgen kan hebben, zijn het vermoeiingsgedrag en breukmechanica van groot belang.
• Bij H2 infrastructuur komt het composietmateriaal - in tegenstelling tot metaal - zelden in direct contact met het waterstofmedium. Daarom kan voor het testen van composieten ook helium gebruikt worden als koelmiddel, aangezien dit veel minder complex te behandelen is en ook een testtemperatuur van 20 K kan bereiken.
• Bij composieten leiden de zeer verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van de vezels en de matrix in vezelversterkte kunststoffen tot vriesspanningen in het materiaal tijdens de productie. De nog veel grotere temperatuurvariaties in toepassingen uit de waterstoftechnologie resulteren in sterke thermo-mechanische spanningen. Het is belangrijk dit gedrag precies te begrijpen bij reële temperaturen, aangezien de hoge spanningen en temperatuurfluctuaties (bv. tijdens het tanken) microscheuren in het composiet kunnen veroorzaken. Deze hebben een negatief effect op de mechanische eigenschappen en de permeabiliteit.

Voor het uitvoeren van tests in het cryogene bereik worden temperatuurkasten, cryostaten met continu debiet of cryostaten met onderdompeling gebruikt, afhankelijk van de gewenste temperatuur en de toepassing. Naargelang het type en de versie van deze cryogene testapparatuur kan u testtemperaturen bereiken in het cryogene gebied tussen 20 K en 130 K.

Omdat helium aanzienlijk duurder is dan stikstof, moeten de kosten en baten afgewogen worden bij de keuze voor een temperatuurbereik en een koelmedium. De werkelijke temperaturen worden bepaald door de toepassing:

Normen voor cryogene tests op composieten

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Trektests
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Druktests
• ISO 14129, ASTM D3518: Afschuiving in het vlak (IPS)
• ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminar shear strength , ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Buigtests
• EN 1465, ASTM D3164: Bepaling van de afschuifsterkte in trekrichting van gehechte samenstellingen
• ASTM D7905: Interlaminaire breukvastheid Mode II
• ISO 13003, ASTM D3479: Vermoeiingsgedrag onder cyclische trekbelasting
• ISO 13003 Annex A: Vermoeiingstest onder buigbelasting

Normen voor cryogene tests op metaal

• ISO 6892-3: cryogene trektests
• ASTM E1450: Standaard testmethode voor trektests op structurele legeringen in vloeibaar helium

Er bestaan drie opties voor bijzonder effectieve waterstofopslag, die leiden tot vereisten voor verschillende types tanks of vaten, en die dus beslissend zijn voor de keuze van de testparameters.

• In vloeibare staat tot 4 bar, in de smeltfase bij een temperatuur van 20 K
• In een drukbereik van 250 ...700 bar bij kamertemperatuur
• In een drukbereik van 500 ...1000 bar tussen 33 en 73 K

Vloeibaar stikstof, vormt een alternatief voor het transport van waterstof in grote hoeveelheden.. Naast metaal worden ook vaak composieten gebruikt voor toepassingen met vloeibaar waterstof. In vergelijking met metalen hebben composieten een groot voordeel: hun geringe gewicht. Dit aspect is bijzonder belangrijk in de lucht- en ruimtevaart of de automobielsector voor het ontwerp van lichtgewicht waterstoftanks. Hierdoor zijn toepassingen met vloeibaar waterstof bij cryogene temperaturen in het bijzonder interessant voor de lucht- en ruimtevaart omwille van onder andere de efficiëntere opslagdensiteit. In de automobielsector wordt ook steeds meer vertrouwd op opslagvaten voor gasvormig waterstof bij hoge druk.

Tests voor de bepaling van de karakteristieke waarden nodig voor het ontwerp en het testen van composiet/metaalstructuren in waterstofplants of vloeibare waterstoftanks onder cryogene condities zijn daarom essentieel voor het voldoen aan de veiligheidsvereisten en om de thermo-mechanische spanningen te begrijpen die ontstaan door de temperatuurveranderingen in toepassingen met vloeibaar waterstof. Dit gebeurt bijvoorbeeld tijdens het tanken, door de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van vezels en matrix in composietmateriaal.

ZwickRoell levert de drie cryogene testers voor zowel statische testmachines als dynamische testmachines. De volgende principes gelden: Hoe lager de temperatuur, hoe complexer de mechanische inspanning.

Om de kost voor het koelmedium beheersbaar te houden en de temperatuurgradiënt door metalen doorvoerstukken zo laag mogelijk te houden raden we aan de te koelen massa’s zoals klemmen en doorvoerstukken uit te voeren met een zo laag mogelijk volume. Daarnaast is de maximale testlast best zo laag mogelijk. Dit is omdat, in tegenstelling tot kamertemperatuur, grote afmetingen niet enkel zorgen voor een hoge kost maar ook de maximale bereikbare cryogene temperatuur, de stuurbaarheid en uiteindelijk de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de testresultaten beïnvloeden.

De regel “zo weinig mogelijk, zo veel als nodig” is belangrijk in dit geval en moet van bij de projectplanning voor het systeem in gedachten gehouden worden. De cryogene testsystemen in het ZwickRoell productgamma hebben een maximale belasting van 100 kN.

Bij het ontwerp van een cryogeen testsysteem moet bijzondere aandacht besteed worden aan de volgende zaken:

• Correcte selectie van het materiaal waaruit de klemmen gemaakt zijn.
• Laagst mogelijke volume in de zone met lage temperatuur, zodat zo weinig mogelijk koelmedium nodig is.
• Temperatuurverliezen onder invloed van doorvoeren naar de koeltank zoveel mogelijk beperken.
• Ijsopbouw voorkomen met speciale verwarmingsmantels.
• De testmachine beschermen tegen opbouw van condensatie.
• De algemene uitlijning en de uitlijning van de laststrang verzekeren.
• De kalibreerbaarheid van het systeem verzekeren.
• Selectie van een geschikte extensometer.
• Compensatie van krachtoverbruggingen met dichtingen.
• Compensatie van thermische uitzetting.