Die Ermüdung von CFK-Wasserstofftanks im kryogenen Bereich vorhersagen

Die Ermüdung von CFK-Wasserstofftanks im kryogenen Bereich vorhersagen

Bei der Kryo-Druckspeicherung von Wasserstoff bei -240°C und 350 bar in CFK-Druckbehältern entstehen durch mikro- und makroskopische Effekte nicht unerhebliche mechanische Spannungen, die auf Dauer zur Ermüdung des Materials führen. Das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat Materialmodelle entwickelt, die Vorhersagen der Lebensdauer solcher Wasserstofftanks unter Berücksichtigung dieser Effekte ermöglichen. Diese ermöglichen zugleich ihre gewichtsoptimierte Auslegung.

Die Materialeigenschaften der Konstituenten von CFK sind sehr verschieden. Bei einer Abkühlung zieht sich die polymere Matrix zusammen, während sich die Kohlenstofffasern geringfügig ausdehnen. Die Verbindung der Komponenten zu einem Komposit behindert die gegenteiligen thermischen Dehnungen und erzeugt dadurch mechanische Spannungen (Mikro-Effekt). Zudem verhält sich der unidirektionale Verbund, bestehend aus gleich gerichteten Faserlagen, in und quer zur Faserrichtung unterschiedlich. Im multidirektionalen Laminat eines Drucktanks sorgt diese „Anisotropie“ der Einzellagen ebenfalls für eine Behinderung der thermischen Dehnung der Lagen und ruft dadurch mechanische Spannungen in den Einzellagen hervor (Makro-Effekt).

Mikro- und Makroeffekt können das Material schädigen. Die neu entwickelten Berechnungsmodelle erlauben nun eine separierte Betrachtung der Ermüdungsmechanismen auf Mikro- und Makroebene. Der Vergleich mit Validierungsexperimenten der DLR-Wissenschaftler hat belegt, dass die Modelle die Ermüdungsphänomene im Material auf beiden Skalen gut abbilden und eine sehr gute Lebensdauervorhersage für den Makroeffekt liefern. Sie bieten zudem einen weiteren sehr wichtigen Vorteil: Die einzelnen Beiträge des Mikro- und des Makroeffekts zur Materialermüdung lassen sich nun getrennt quantifizieren. Das war mit bisherigen Test- und Berechnungsmethoden nicht möglich. Die Berechnungsmodelle erlauben auch die gewichtsoptimierte Auslegung von Wasserstoffbehältern.

Bild oben: Mikromechanische Simulation: berechnete Matrix­risse (schwarze Bereiche) bei Ermüdungsversagen durch kryogene Temperaturwechsellast. (Quelle: Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik)


Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung

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