Криогенные методы испытаний

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, проточные криостаты и погружные криостаты. С помощью этого оборудования для низких температур можно, в зависимости от исполнения, достичь температуры испытания в криогенной зоне от 20 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 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

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.

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.