극저온 시험

특히 액체 수소 저장을 위해서는 재료 물성 시험의 관점에서 다음과 같은 측면이 중요한 역할을 합니다.

• 극저온 범위에서의 정적, 동적, 파괴 역할 재료 거동 조사 및 해당 재료 구조의 설계 및 입증에 필요한 물성값 측정. 특정 수량의 수소는 산소와 접촉했을 때 폭발성을 띠고 재료가 파손되면 치명적인 결과를 낳기 때문에 특히 피로 거동이나 파괴 역학 거동이 중요합니다.
• H2 인프라의 경우 금속과 달리 복합재료는 수소 매질과 직접 접촉하는 경우가 많지 않습니다. 이런 이유로 합성물을 시험할 때는 다루기가 훨씬 덜 복잡한 냉매 헬륨을 사용하여 20K의 시험 온도에 도달하는 방법도 있습니다.
• 복합재료의 경우 섬유의 열팽창계수와 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스가 매우 달라 제조 공정 중 재료에 동결 응력이 생깁니다. 수소 기술 애플리케이션에서 온도 변화가 훨씬 더 커지면 열 기계적 응력이 강해집니다. 실제 온도에서 이 거동을 정확하게 이해하는 것이 중요합니다. 압력과 온도가 극심하게 변하면(예: 재급유 중) 복합재료에 미세한 균열이 발생하여 기계적 성질과 투과율에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

극저온 범위에서 시험을 수행하려면 작동 온도 및 애플리케이션에 따라 온도 챔버, 연속흐름식 저온유지장치 또는 침지식 저온유지장치를 사용합니다. 이 극저온 시험 장치의 타입이나 버전에 따라 극저온 범위 20K~130K에 있는 시험 온도에 도달할 수 있습니다.

헬륨 비용이 질소 비용보다 훨씬 비싸기 때문에 온도 범위와 냉매를 선택할 때는 비용과 이점을 잘 따져봐야 합니다. 실제 온도는 애플리케이션에서 결정합니다.

합성물 극저온 시험 규격

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: 인장 시험
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: 압축 시험
• ISO 14129, ASTM D3518: 면내 전단(IPS)
• ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminar shear strength , ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: 굴곡 시험
• EN 1465, ASTM D3164: 결합된 어셈블리의 인장 중첩 전단 강도 측정
• ASTM D7905: 층간 파괴 인성 모드 II
• ISO 13003, ASTM D3479: 인장 반복 하중을 가했을 때의 피로 거동
• ISO 13003 부록 A: 굴곡 피로 시험

금속 극저온 시험 규격

• ISO 6892-3: 극저온 인장 시험
• ASTM E1450: 액체 헬륨의 구조용 합금 인장 시험을 위한 표준 시험법

특히 수소 저장의 효과를 높이는 방법은 세 가지가 있으며, 이로 인해 여러 가지 용기나 탱크가 요구됩니다. 이는 시험 매개변수 선택에 결정적 요소로 작용합니다.

• 최대 4bar의 액체 상태, 20K 온도의 수소 액화 범위
• 주변 온도에서 250 ~700bar의 압력 범위
• 33~73K에서 500 ~1,000bar의 압력 범위

액체 수소는 특히 대량의 수소 운송을 위한 대안이 됩니다. 금속 외에도 합성물은 액체 수소 애플리케이션에서 자주 사용됩니다. 금속 대비 무게가 가볍다는 장점이 있습니다. 이러한 측면은 항공우주나 자동차 애플리케이션에서 매우 가벼운 수소 탱크를 개발하는 데 특히 중요한 역할을 합니다. 극저온에서의 액체 수소 사용은 효율적인 저장 밀도 때문에 특히 항공우주산업 애플리케이션의 관심을 받고 있습니다. 한편 자동차 분야 역시 고압 수소 저장 용기에 점점 더 의존하고 있습니다.

따라서 극저온 조건의 액화 시설이나 액체 수소 탱크에 있는 합성물/금속 구조의 설계 및 시험을 위한 물성값 측정 시험은 안전 요구사항을 최대한 준수하고,액체 수소 애플리케이션에서 온도 변화로 인한 열기계 응력을 이해하는 데 중요합니다. 이는 가령 재급유할 때 섬유의 열팽창계수와 복합재료의 매트릭스가 달라서 발생합니다.

ZwickRoell은 정적 시험기와 동적 시험기 모두를 위한 세 가지 극저온 시험기를 제공합니다. 여기에는 온도가 낮을수록 기계 작업은 더 복잡해진다는 원리가 담겨 있습니다.

냉각수 가격을 적정선에서 유지하고 금속 피드스루의 온도 변화도를 가급적 낮게 유지하기 위해서는 시편 그립이나 피드스루와 같이 냉각해야 할 질량의 재료 부피가 가능한 한 작은 것이 좋습니다. 최대 시험 하중 역시 가능한 한 낮아야 합니다. 왜냐하면 주변 온도 시험과 달리 치수를 넉넉하게 선택하면 비용이 늘 뿐 아니라 최대 달성 가능한 극저온 온도, 온도 제어성, 궁극적으로는 시험 결과값의 신뢰성과 재현성도 지장을 받기 때문입니다.

이 경우 “필요한 만큼만” 법칙이 특히 중요하며, 이는 시스템의 프로젝트 구상 단계부터 고려해야 합니다. ZwickRoell 제품 포트폴리오의 극저온 시험 시스템의 최대 하중은 100kN입니다.

극저온 시험 시스템 설계 시 특별히 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 정확한 시편 그립 재료 선택
• 가급적 냉각수는 소량이 필요하도록 저온 구역의 부피를 최대한 작게 유지
• 냉각 탱크에 삽입된 로드로 인한 온도 손실은 가급적 적게 유지
• 특수 가열 슬리브를 이용한 결빙 방지
• 결로로부터 시험기 보호
• 하중 스트링의 정렬 및 정렬 능력 보장
• 시스템의 검교정 능력 보장
• 적절한 신율계 선택
• 씰을 사용하여 포스 션트(force shunt) 보상
• 열 팽창 보상