Криогенные методы испытаний
Криогенные методы испытаний (низкие температуры: ниже <120 K) особенно необходимы в быстро растущем секторе водородных технологий. Цель: определение характеристик материала и получение знаний о поведении материала при самых низких температурах - температурах его применения. При транспортировке и хранении жидкого водорода температура его применения составляет 20 K.
При этом помимо чисто статических характеристик при нагружении на растяжение, сжатие или сдвиг в условиях низких температур большой интерес вызывают усталостные свойства (механика разрушения), т.к. водород в контакте с кислородом даже в малых количествах взрывоопасен и разрушение материала может иметь фатальные последствия.
Для криогенных испытаний (например, на растяжение или усталость) фирма ZwickRoell предлагает следующие возможности:
Охлаждение с помощью термокамер Охлаждение с помощью погружных криостатов Подходящие криогенные испытательные машины
Цель криогенного испытания
С точки зрения испытаний материалов особенно важную роль для хранения жидкого водорода играют следующие аспекты:
- исследование статических, динамических и усталостных свойств материалов в криогенной зоне и определение необходимых характеристик для дизайна и поверочного расчета соответствующих структур материала. Так как водород в контакте с кислородом в определенных количествах взрывоопасен и разрушение материала может привести к фатальным последствиям, особый интерес вызывают усталостные свойства (механика разрушения).
- При инфраструктуре H2 композитный материал - в отличие от металлов - зачастую не находится в прямом контакте с водородной средой. По этой причине при испытаниях композитов для достижения температуры испытания в 20 K можно также использовать охлаждающую среду гелий, с которой гораздо проще обращаться.
- В случае композитных материалов очень разные коэффициенты теплового расширения волокна и матрицы в усиленных волокнами пластмассах вызывают замороженные напряжения в материале в процессе производства. Из-за гораздо больших перепадов температур в водородных технологиях возникают сильные термомеханические нагрузки. Такое поведение необходимо точно понимать при реальных температурах, так как сильные колебания давления и температуры (например, при заправке топливом) могут вызывать микротрещины в композитном материале, что отрицательно сказывается на механических свойствах и проницаемости.
Для испытаний в криогенной зоне применяются, в зависимости от температуры использования и типа испытания, термокамеры и погружные криостаты. С помощью этого оборудования для низких температур можно, в зависимости от исполнения, достичь температуры испытания в криогенной зоне от 77 К до 130 К.
Поскольку затраты на гелий значительно выше, чем на азот, всегда необходимо взвешивать расходы и выгоды от того, какой температурный диапазон и какую охлаждающую среду следует выбрать. Сами температуры испытания определяются типом испытания.
Стандарты для криогенных испытаний
Стандарты для криогенных испытаний композитов
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Испытания на растяжение
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Испытания на сжатие
- ISO 14129, ASTM D3518: Сдвиг вдоль слоев, IPS
- ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminaren Scherfestigkeit, ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Испытания на изгиб
- EN 1465, ASTM D3164: Определение прочности при растяжении склеенных изделий со сдвигом
- ASTM D7905: Межслойная вязкость разрушения, режим II
- ISO 13003, ASTM D3479: Испытание на усталость при растяжении
- ISO 13003, прил. A: Усталостное испытание на изгиб
Стандарты для криогенных испытаний металлов
- ISO 6892-3: Испытание на растяжение при низких температурах
- ASTM E1450: Метод испытания конструкционной стали на наличие напряжения в среде жидкого гелия
Криогенное испытание в области хранения водорода
Существует три варианта особенно эффективного хранения водорода, из которых следуют требования для различных типов резервуаров, имеющие решающее значение для выбираемых параметров испытания.
- В жидком состоянии до 4 бар в зоне сжижения водорода при температуре 20 K
- В диапазоне давления 250 …700 бар при комнатной температуре
- В диапазоне давления 500 … 1000 бар при температуре от 33 до 73 K
Жидкий водород, в частности, представляет собой альтернативу, чтобы перевозить водород в больших количествах. Помимо металла для хранения жидкого водорода часто используют композиты. По сравнению с металлами они обладают значительным преимуществом: малым весом. Этот аспект играет существенную роль для разработки очень легких водородных баков для авиации и космонавтики, а также автомобильной промышленности. Так, например, в сфере авиации и космонавтики интерес вызывают испытания жидкого азота при криогенных температурах - из-за более эффективной плотности хранения. В автомобильной промышленности, напротив, делают усиленную ставку на баки для хранения газообразного водорода при высоких давлениях.
Поэтому необходимы испытания для определения характеризующих значений для разработки и анализа композитно-металлических структур на установках для сжижения / резервуарах для жидкого водорода в криогенных условиях, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям к безопасности и понимать термомеханическое нагружение, возникающее вследствие изменений температуры при использовании жидкого водорода. Это происходит - например, при заправке топливом - по причине разных коэффициентов теплового расширения волокон и матрицы в композитах.
Охлаждение с помощью термокамеры
Для проведения испытаний с повышенными температурами, а также низкими температурами до -170 °C подходят термокамеры. При этом низкая температура зависит от охлажденного объема в камере, а также от объема тяг, входящих в термокамеру. В исполнении с термокамерой тяги вводятся в нее сверху и снизу.
Охлаждение с помощью азотного погружного криостата
При использовании азотных погружных криостатов образец погружают в ванну с азотом. Температурный диапазон погружных криостатов снижен до температуры жидкого азота. Образцы посредством закрытого хомута вместе с захватами вводятся сверху в погружной криостат. По завершении криогенного испытания азот, как правило, сливается или испаряется в атмосферу.
Применение в статических и динамических испытательных машинах
Фирма ZwickRoell предлагает три упомянутые криогенные установки как для статических, так и для динамических испытательных машин. При этом действует принцип: чем ниже температура, тем комплекснее механические усилия.
Чтобы затраты на охлаждающую жидкость оставались приемлемыми и для получения как можно меньшего температурного градиента из-за металлических вводов рекомендуется обратить внимание на то, что охлаждаемые массы – например, захваты и вводы – обладали минимальным возможным объемом. Кроме того, максимальное усилие испытания должно как можно более низким. В отличие от испытаний при комнатной температуре, большие размеры не только приводят к высоким затратам, но и влияют на максимально достижимую низкую температуру, возможность регулирования температуры и, в конечном итоге, на получение надежных воспроизводимых результатов испытаний.
Правило: „Столько, сколько необходимо“ в данном случае особенно важно, и на этапе проектирования установки этому необходимо уделять особое внимание. Низкотемпературные испытательные системы в производственной палитре фирме ZwickRoell обладают максимальной нагрузкой 100 кН.
При разработке низкотемпературной испытательной системы необходимо уделять особое внимание следующим пунктам:
- Правильный выбор материала для захватов
- Минимальный возможный объем в зоне низких температур, чтобы использовать минимум охлаждающей жидкости.
- Удержание на минимальном уровне температурных потерь из-за введенных в холодильный резервуар тяг.
- Предотвращение обледенения, благодаря специальным нагревательным манжетам.
- Защита испытательной машины от конденсата.
- Обеспечение возможности корректного выравнивания линии нагружения.
- Обеспечение возможности калибровки системы.
- Правильный выбор экстензометров.
- Компенсация силовых ответвлений посредством уплотнений.
- Компенсация теплового расширения.
FAQ
Криотехника - это техника для генерации низких температур. Криогенная зона начинается с температур в 120 K (-153 °C) и ниже.
Испытание в криогенном окружении позволяет выявлять характеристики материалов при низких температурах. Эта техника используется в различных отраслях промышленности, чтобы исследовать поведение материалов при реальных температурах применения. В сфере испытаний материалов криотехника применяется, прежде всего, в следующих областях: композиты, металлы, аэрокосмическая и автомобильная промышленность, а также энергоаккумуляторы (водород).
Криогенные температуры начинаются со 120 K (-153 °C) и ниже. Эти низкие температуры указывают, как правило в кельвинах.
Криогенное охлаждение применяется для генерации низких температур. Для этого используют, в основном, сжиженные газы (азот или гелий).