Kriogeno preskušanje
Kriogeno preskušanje (ekstremno nizke temperature pod <120 K) je še posebej pomembno v rastočem sektorju vodikove tehnologije. Cilj: identificirati značilnosti materiala in pridobiti vpogled v obnašanje materiala pri izjemno nizkih temperaturah, pri katerih se material uporablja. Pri transportu in shranjevanju tekočega vodika je delovna temperatura 20 K.
Poleg čistih statičnih lastnosti pri nateznih, tlačnih ali strižnih obremenitvah pri nizki temperaturi je zanimivo tudi obnašanje ob utrujanju ali mehansko obnašanje pri lomu, saj je vodik v stiku s kisikom eksploziven že v majhnih količinah in okvara materiala lahko povzroči usodne posledice.
Za preskusne metode, vključno s kriogenim nateznim preskušanjem, preskusom utrujanja ali udarnim preskusom, ZwickRoell ponuja naslednje možnosti:
Hlajenje s temperaturnimi komorami Hlajenje s potopnimi kriostati Hlajenje s kriostati z neprekinjenim tokom Kriogen udarni preskus Povezani kriogenski merilniki
Cilj kriogenega preskusa
Zlasti za shranjevanje tekočega vodika imajo naslednji vidiki pomembno vlogo z vidika preskušanja materialov:
- Preiskava statičnega, dinamičnega in lomno-mehanskega obnašanja materiala v kriogenem območju ter določitev karakterističnih vrednosti, potrebnih za načrtovanje in verifikacijo ustreznih materialnih struktur. Ker je vodik v določenih količinah v stiku s kisikom eksploziven in bi lahko imela poškodba materiala usodne posledice, je zelo zanimivo zlasti obnašanje ob utrujanju ali mehansko obnašanje pri lomu.
- Za infrastrukturo H2 kompozitni material – za razliko od kovin – pogosto ni v neposrednem stiku z vodikovim medijem. Zaradi tega se lahko pri preskušanju kompozitov za doseganje preskusne temperature 20 K uporabi tudi hladilni medij helij, ki je veliko manj zapleten za rokovanje.
- V primeru kompozitnih materialov zelo različni koeficienti toplotnega raztezanja vlaken in matrice v z vlakni ojačani plastiki povzročijo zamrznjene napetosti v materialu med proizvodnim procesom. Veliko večja temperaturna nihanja v aplikacijah vodikove tehnologije povzročajo močne termomehanske obremenitve. Pomembno je natančno razumevanje tega obnašanja pri realnih temperaturah, saj lahko močna nihanja tlaka in temperature (npr. med polnjenjem goriva) povzročijo mikro razpoke v kompozitnem materialu, kar lahko negativno vpliva na njegove mehanske lastnosti in prepustnost.
Za izvajanje preskusov v kriogenem območju se glede na delovno temperaturo in uporabo uporabljajo temperaturne komore, kriostati z neprekinjenim tokom, ali potopni kriostati. Glede na vrsto ali različico te opreme za kriogeno preskušanje lahko dosežete preskusne temperature v kriogenem območju med 20 K in 130 K.
Ker so stroški helija znatno višji od stroškov dušika, morate pretehtati stroške in koristi, da ugotovite, katero temperaturno območje in kateri hladilni medij je treba izbrati. Dejanske temperature določa aplikacija.
Standardi za kriogene preskusne metode
Standardi za kriogene preskuse na kompozitih
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Natezno preskušanje
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Tlačno preskušanje
- ISO 14129, ASTM D3518: Strižna ravnina (IPS)
- ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminar shear strength , ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Upogibno preskušanje
- EN 1465, ASTM D3164: Ugotavljanje natezne prekrivne strižne trdnosti lepljenih sklopov
- ASTM D7905: Način interlaminarne lomne žilavosti II
- ISO 13003, ASTM D3479: Obnašanje utrujanja pri natezni ciklični obremenitvi
- ISO 13003 Priloga A: Preskus utrujanja pri upogibanju
Standardi za kriogene preskuse kovin
- ISO 6892-3: Kriogeno natezno preskušanje
- ASTM E1450: Standardna preskusna metoda za natezno preskušanje konstrukcijskih zlitin v tekočem heliju
Kriogeno preskušanje v hranilniku vodika
Obstajajo tri možnosti posebej učinkovitega shranjevanja vodika, iz katerih izhajajo zahteve za različne tipe posod ali rezervoarjev, ki so odločilni za izbiro preskusnih parametrov.
- V tekočem stanju do 4 barov, v območju utekočinjenja vodika pri temperaturi 20 K
- V območje tlaka 250 ...700 barov pri sobni temperaturi
- V območje tlaka 500 ...1000 barov med 33 in 73 K
Predvsem tekoči vodik, predstavlja alternativo za transport vodika v velikih količinah. Poleg kovin se v aplikacijah s tekočim vodikom pogosto uporabljajo kompoziti. V primerjavi s kovinami ponujajo bistveno prednost: majhna teža. Ta vidik ima posebno pomembno vlogo v vesoljskih ali avtomobilskih aplikacijah, da bi razvili zelo lahke rezervoarje za vodik. Zaradi tega je uporaba tekočega vodika pri kriogenih temperaturah še posebej zanimiva v vesoljskem sektorju, na primer zaradi učinkovitejše gostote shranjevanja. Po drugi strani pa se v avtomobilski industriji vse bolj zanašajo tudi na posode za shranjevanje plinastega vodika pri visokih tlakih.
Preskusi za določanje značilnih vrednosti za načrtovanje in preskušanje kompozitnih/kovinskih struktur na objektih za utekočinjenje ali rezervoarjih za tekoči vodik, v kriogenih pogojih, so zato bistvenega pomena za izpolnjevanje varnostnih zahtev v najvišji možni meri in za razumevanje termomehanske obremenitve, ki je posledica temperaturnih sprememb pri aplikacijah s tekočim vodikom. To se zgodi na primer med točenjem goriva zaradi različnih koeficientov toplotnega raztezanja vlaken in matrice v kompozitnih materialih.
Hlajenje s temperaturno komoro
Temperaturne komore so idealne za preskuse pri visokih in nizkih temperaturah do pribl. -170 °C. Tu je nizka temperatura odvisna od ohlajene prostornine v komori in prostornine preskusnih palic, ki segajo v temperaturno komoro. Pri izvedbi s temperaturno komoro se palice potegnejo v komoro od zgoraj in od spodaj.
Hlajenje z dušikovim potopnim kriostatom
Pri dušikovih potopnih kriostatih je materialni vzorec potopljen v dušikovo kopel. Preskusno temperaturno območje potopnih kriostatov je zmanjšano na temperaturo tekočega dušika. Vzorci se skupaj s čeljustmi vodijo v potopni kriostat od zgoraj z uporabo samostojnega jarma. Takoj ko je kriogeni preskus končan, se dušik običajno izprazni ali pa izhlapi v ozračje.
Hlajenje z dušikom in helijem v kriostatu z neprekinjenim tokom
Kriostati z neprekinjenim pretokom dušika in helija delujejo v območju od temperature okolja do nizkih temperatur približno 20 K, odvisno od hladilnega medija. Tukaj je ključnega pomena, da prostornina in telesa, ki segajo v kriostat, ostanejo čim manjša. Osnovno pravilo je: manj kot (kovinske) prostornine štrli iz kriostata z neprekinjenim tokom, nižje temperature je mogoče doseči.
Glede na stroškovni faktor so kriostati z neprekinjenim tokom predhodno ohlajeni z dušikom. Ko je dosežena najnižja možna temperatura dušika, se ohladi s helijem iz Dewarjeve posode, dokler ni dosežena končna temperatura približno 10 K do 20 K (-253 °C). Okoliški medij okoli vzorca je vedno helij. Da bi prihranili stroške, je možno zajeti in pridobiti plin ter ga stisniti ali ponovno utekočiniti.
Posebna različica ZwickRoell kriostata z neprekinjenim tokom lahko deluje tudi z vodikom. V tem primeru je vodik okoljski medij okoli vzorca. Pod pogojem, da so pri ravnanju z vodikom upoštevani ustrezni varnostni ukrepi, kriostat z neprekinjenim tokom ZwickRoell zahteva le nekaj tehničnih sprememb.
Čisti potopni kriostati za delovanje s tekočim helijem niso del ponudbe izdelkov ZwickRoell.
Kriogeno kladivo za preskušanje udarne žilavosti in hlajenjem s helijem
Če pride vodik v stik s kisikom, je lahko v določenih količinah eksploziven. Materialna okvara komponent, ki prenašajo vodik, bi imela usodne posledice. Zato so trdnostne lastnosti materiala poleg mehanskih lastnosti ter mehanskega obnašanja ob utrujanju in lomu zelo zanimive za raziskave materialov.
Kriogeno kladivo za preskušanje udarne žilavosti se uporablja za določanje trdnostnih lastnosti v kriogenih pogojih. S pomočjo posebne hladilne naprave se Charpyjev vzorec ohladi, dokler ne doseže temperature 20 K. Nato se izvede tradicionalni Charpyjev udarni preskus na izjemno hladnem kovinskem vzorcu po DIN EN ISO 148-1.
Instrumentirano kladivo za preskušanje udarne žilavosti meri silo med udarcem, zagotavlja podatke o napetosti in deformaciji ter zagotavlja informacije o parametrih žilavosti lomne mehanike. Instrumentacija nam torej omogoča, da določimo način okvare in ne le energijo okvare.
Uporaba v napravah za statično in dinamično preskušanje
ZwickRoell ponuja tri kriogene merilnike za oboje statične in dinamične preskusne stroje. Velja naslednje načelo: Nižja kot je temperatura, bolj zapleten je mehanski napor.
Da bi ohranili stroške hladilne tekočine obvladljive in temperaturni gradient skozi kovinske dovode čim nižji, priporočamo, da zagotovite, da imajo mase, ki jih je treba hladiti, kot so čeljusti in podajalniki vzorcev, najmanjšo možno prostornino materiala. Poleg tega mora biti največja preskusna obremenitev čim manjša. To je zato, ker v nasprotju s preskušanjem pri sobni temperaturi velikodušno izbrane dimenzije ne povzročajo le visokih stroškov, temveč vplivajo tudi na najvišjo dosegljivo kriogeno temperaturo, možnost nadzora temperature in končno na zanesljivost in obnovljivost rezultatov preskusa.
Pravilo »samo toliko, kot je potrebno« je v tem primeru še posebej pomembno in ga je treba upoštevati že v fazi načrtovanja sistema. Sistemi za kriogeno preskušanje v ponudbi izdelkov ZwickRoell imajo največjo obremenitev 100 kN.
Pri načrtovanju sistema za kriogeno preskušanje je treba posebej upoštevati naslednje točke:
- Pravilna izbira materiala za čeljusti.
- Najnižja možna prostornina v območju nizkih temperatur, tako da je potrebna najmanjša možna količina hladilne tekočine.
- Naj bodo izgube temperature zaradi palic, vstavljenih v hladilno posodo, čim nižje.
- Preprečite nabiranje ledu s posebnimi grelnimi tulci.
- Preskusni stroj zaščitite pred nabiranjem kondenza.
- Zagotovite poravnavo in sposobnost poravnave obremenitvenega niza.
- Zagotovite zmožnost umerjanja sistema.
- Pravilna izbira ekstenziometra.
- Kompenzirajte spoje sile z uporabo tesnil.
- Kompenzirajte toplotno raztezanje.
Pogosta vprašanja
Kriogenika je tehnologija, ki se uporablja za ustvarjanje ultra nizkih temperatur. Temperature 120 K (-153 °C) ali nižje so v kriogenem območju.
Preskušanje materialov v kriogenih pogojih zagotavlja lastnosti materiala pri izjemno nizkih temperaturah. Ta tehnologija se uporablja v različnih panogah za raziskovanje obnašanja materiala pri dejanskih delovnih temperaturah. Kriogenika se uporablja pri preskušanju materialov kompozitov, kovin, vesoljskih, avtomobilskih in aplikacij za shranjevanje energije (vodik).
Kriogene temperature so 120 K (-153 °C) in manj. Te temperature so običajno izražene v Kelvinih.
Kriogeno hlajenje se uporablja za ustvarjanje izjemno nizkih temperatur. Najpogosteje se doseže z uporabo tekočih plinov, kot sta dušik ali helij.