Kriogeniczne metody badawcze

Z punktu widzenia badań materiałów następujące aspekty odgrywają główną rolę, szczególnie w przypadku przechowywania ciekłego wodoru:

• Badanie statycznego, dynamicznego i mechanicznego zachowania się materiału w obszarze kriogenicznym oraz określenie wymaganych wartości charakterystycznychdo projektowania i weryfikacji odpowiednich struktur materiałowych. Ponieważ wodór w pewnych ilościach jest wybuchowy w kontakcie z tlenem, a uszkodzenie materiału miałoby fatalne konsekwencje, szczególnie interesujące są zachowanie zmęczeniowe i mechaniczne przy pękaniu.
• W infrastrukturze H2 znajdujący się materiał kompozytowy – w przeciwieństwie do metali – często nie ma bezpośredniego kontaktu z ośrodkiem wodorowym. Z tego powodu hel, który jest znacznie mniej skomplikowany w obsłudze, jako czynnik chłodzący, może być również stosowany podczas testowania kompozytów w celu osiągnięcia temperatury badawczej 20 K.
• W przypadku materiałów kompozytowych bardzo różne współczynniki rozszerzalności cieplnej włókna i osnowy w tworzywach sztucznych wzmacnianych włóknami prowadzą do naprężeń zamarzania materiału podczas procesu produkcyjnego. Znacznie większe różnice temperatur w zastosowaniach technologii wodorowej powodują silne naprężenia termomechaniczne. Ważne jest dokładne zrozumienie tego zachowania w rzeczywistych temperaturach, gdyż duże wahania ciśnienia i temperatury (np. podczas tankowania) mogą powodować mikropęknięcia w materiale kompozytowym, co negatywnie wpływa na właściwości mechaniczne i przepuszczalność.

Do badania w obszarze kriogenicznym wykorzystuje się w zależności od temperatury i zakresu stosowania komory temperaturowe, kriostaty przepływowe i kriostaty zanurzeniowe . Dzięki temu sprzętowi do badania w ultraniskich temperaturach można osiągnąć temperatury badawcze w zakresie kriogenicznym od 20 K do 130 K, w zależności od konstrukcji.

Ponieważ koszty helu są znacznie wyższe niż koszty azotu, wybór zakresu temperatur i środka chłodzącego jest zawsze kompromisem pomiędzy wysiłkiem a korzyścią. Same temperatury badawcze są określane w zależności od zastosowania.

Normy dla kriogenicznych metod badawczych dla kompozytów

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Badanie w kierunku na rozciąganie
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Badanie w kierunku na ściskanie
• ISO 14129, ASTM D3518: Ścinanie w płaszczyźnie warstwy, IPS
• ISO 14230, ASTM D2344: Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe, ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Badanie na zginanie
• EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
• ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
• ISO 13003, ASTM D3479: Próba zmęczeniowa na rozciąganie
• ISO 13003 Annex A: Próba zmęczeniowa na zginanie

Normy dla kriogenicznych metod badawczych dla metalu

• ISO 6892-3: Próba rozciągania w niskich temperaturach
• ASTM E1450: Metoda badania rozciągania stali konstrukcyjnych w ciekłym helu

Istnieją trzy możliwości szczególnie efektywnego magazynowania wodoru, co skutkuje wymaganiami dla różnych typów zbiorników, które mają kluczowe znaczenie przy doborze parametrów badania.

• W stanie ciekłym do 4 bar w zakresie skraplania wodoru w temperaturze 20 K
• W zakresie ciśnień od 250 … 700 bar w temperaturze pokojowej
• W zakresie ciśnień od 500 … 1000 bar między 33 a 73 K

W szczególności wodór ciekły stanowi alternatywę dla transportu wodoru w dużych ilościach. Oprócz metalu w zastosowaniach z ciekłym wodorem często stosuje się kompozyty. Mają one jedną istotną zaletę w porównaniu do metali: niewielką wagę. Ten aspekt odgrywa ważną rolę, zwłaszcza w zastosowaniach lotniczych i motoryzacyjnych, w celu opracowania bardzo lekkich zbiorników na wodór. Na przykład w sektorze lotniczym interesujące są zastosowania ciekłego wodoru w temperaturach kriogenicznych – na przykład ze względu na bardziej efektywną gęstość magazynowania. Jednakże w sektorze motoryzacyjnym przemysł w coraz większym stopniu opiera się na kontenerach do przechowywania gazowego wodoru pod wysokim ciśnieniem.

Badania mające na celu określenie wartości charakterystycznych na potrzeby projektowania i testowania konstrukcji kompozytowych/metalowych w zakładach upłynniania lub zbiornikach ciekłego wodoru w warunkach kryptogenicznych są zatem niezbędne, aby jak najlepiej spełnić wymagania bezpieczeństwa i zrozumieć naprężenia termomechaniczne spowodowane zmianami temperatury w zastosowaniach ciekłego wodoru. Dzieje się tak – na przykład podczas tankowania – ze względu na różne współczynniki rozszerzalności cieplnej włókien i osnowy w materiałach kompozytowych.

ZwickRoell oferuje trzy wymienione urządzenia do testów kriogenicznych, zarówno dla statycznych maszyn wytrzymałościowych jak i dynamicznych maszyn wytrzymałościowych. Obowiązuje zasada: Im niższa temperatura, tym bardziej złożony jest nakład mechaniczny.

Aby utrzymać koszty chłodziwa na rozsądnym poziomie i możliwie najniższy gradient temperatury w metalowych przepustach , zaleca się zwrócić uwagę, aby chłodzone masy – na przykład uchwyty mocujące i przepusty – miały możliwie najmniejszą objętość materiału. Ponadto maksymalna siła badawcza powinna być jak najniższa . W przeciwieństwie do badań w temperaturze pokojowej, duże wymiary nie tylko powodują wysokie koszty, ale także wpływają na maksymalną osiągalną temperaturę minimalną, możliwość kontrolowania temperatury i ostatecznie bezpieczne i powtarzalne wyniki badań.

Zasada: „Tyle, ile to konieczne“ jest w tym przypadku szczególnie ważne i należy je wziąć pod uwagę na etapie planowania projektu systemu. Systemy do badania w niskich temperaturach w ofercie produktów ZwickRoell mają maksymalne obciążenie 100 kN.

Projektując system do badań w niskiej temperaturze, należy w szczególności wziąć pod uwagę następujące punkty:

• Prawidłowy dobór materiału na uchwyty mocujące
• Najniższa możliwa objętość w niskim zakresie temperatur, tak aby wymagana była jak najmniejsza ilość chłodziwa.
• Utrzymuj straty temperatury na jak najniższym poziomie poprzez cięgna umieszczone w pojemniku chłodzącym.
• Zapobiegaj oblodzeniu za pomocą specjalnych rękawów grzewczych.
• Chronić maszynę wytrzymałościową przed kondensacją.
• Zapewnij osiowość i ustawienie cięgien obciążeniowych.
• Upewnij się, że system można skalibrować.
• Prawidłowy wybór ekstensometru.
• Wpływy sił bocznych kompensuj poprzez uszczelnienia.
• Kompensacja rozszerzalności cieplnej.