低温试验

特别是对于液态氢的存储，从材料测试的角度来看，以下几个方面起着主要作用：

• 研究低温范围内的静态、动态和断裂力学材料性能，测定设计与验证相应材料结构所需的特性值。由于一定量的氢气与氧气接触时会爆炸，且材料失效可能会产生致命后果，因此，疲劳行为或断裂力学性能尤其值得关注。
• 对于H2基础设施，复合材料（不像金属）通常不与氢气介质直接接触。因此，在测试复合材料时，也可以使用处理起来要简单得多的冷却介质氦来达到20 K的试验温度。
• 就复合材料来说，纤维增强塑料中纤维和基体的热膨胀系数有很大差异，可能会导致材料在制造过程中存在冻结应力。氢气技术应用中更大的温度变化会导致强烈的热机械应力。必须对真实温度下的性能有准确的了解，因为强烈的压力和温度波动（例如，在换装燃料期间）会在复合材料中造成微裂纹，这可能会对其机械性能和渗透性产生负面影响。

根据不同的工作温度和应用，可选择将环境试验箱和浸没式低温恒温器用于在低温范围内执行试验。基于该低温试验设备的类型或型号，试验温度可达到 77 K 至 130 K 的低温范围。

由于氦的成本明显高于氮，因此必须权衡成本与收益，以确定应选择的温度范围和冷却介质。实际温度取决于应用。

复合材料低温试验的标准

• ISO 527-4、ISO 527-5、ASTM D3039：拉伸试验
• ISO 14126、ASTM D3410、ASTM D6641、ASTM D695：压缩试验
• ISO 14129、ASTM D3518：面内剪切(IPS)
• ISO 14230、ASTM D2344： Interlaminar shear strength , ILSS
• ISO 14125、ASTM D7264：弯曲试验
• EN 1465、ASTM D3164：测定粘结组件的拉伸搭接剪切强度
• ASTM D7905：层间断裂韧性模式II
• ISO 13003、ASTM D3479：拉伸循环载荷下的疲劳行为
• ISO 13003附录A：弯曲疲劳试验

金属低温试验的标准

• ISO 6892-3：低温拉伸试验
• ASTM E1450：在液氦中进行结构合金拉伸试验的标准试验方法

有三种特别有效的储氢方法，因此对不同类型的容器或储罐有不同的要求，这就决定了试验参数的选择。

• 液态，最高4 bar，在氢液化范围内，温度20 K
• 压力范围250 ...700 bar，环境温度
• 压力范围500 ...1000 bar，33到73 K之间

特别是液态氢，为大量运输氢气提供了一种替代方案。除了金属之外，复合材料也常用于液态氢应用。与金属相比，复合材料有一个显著的优势：重量轻。此方面在航空航天或汽车应用中发挥着极其重要的作用，可用于研发极轻量化的氢气罐。例如，由于其更有效的存储密度，使得低温下的液态氢应用在航空航天领域中特别有意义。另一方面，在汽车领域中，该行业也越来越依赖于高压下储存气态氢的容器。

特性值测定试验用于设计与测试低温条件下液化设施或液态氢罐上的复合材料/金属结构，因此最大程度地满足安全要求并了解液态氢应用中温度变化所引起的热机械应力是至关重要的。例如，在换装燃料过程中，由于复合材料中纤维和基体的热膨胀系数不同，就会导致这种情况发生。

ZwickRoell为静态试验机和动态试验机提供了三种低温试验机。以下原则适用：温度越低，机械作用力就越复杂。

为了控制冷却剂的成本并使金属馈通的温度梯度尽可能低，我们建议要确保待冷却物体（如试样夹具和馈通）的材料体积尽可能小。此外，最大试验载荷应尽可能低。这是因为，与环境温度下的试验相反，选择大尺寸不仅会导致成本高，还会影响可达到的最低温度和温度可控性，并最终影响测试结果的可靠性和可再现性。

在此情况下，“按需即可”这条规则就显得尤为重要，须从系统的项目规划阶段就开始考虑。ZwickRoell产品组合中低温测试系统的最大载荷为100 kN。

设计低温测试系统时，必须特别考虑以下几点：

• 选择适用于试样夹具的材料
• 尽量减少低温区域中的体积，以使需要的冷却剂尽可能少。
• 尽可能减少由插入冷却罐中的杆所造成的温度损失。
• 使用专用加热套筒防止结冰。
• 防止试验机形成冷凝。
• 确保负载管柱的调准和调准性能。
• 确保系统的标定性能。
• 选择合适的引伸计。
• 利用密封件来补偿力分路。
• 补偿热膨胀。