Faserverstärkte Kunststoffe werden auch für Bauteile eingesetzt, die selbst unter kryogenen Temperaturen – unter -253 Grad Celsius (20 Kelvin) – belastbar, dicht und sicher sein müssen. Das geringe Gewicht der Composites ist beispielsweise für Wasserstoffstanks wesentlich, sei es in der Luft- und Raumfahrt- oder der Straßenmobilität für Anwendungen im Automobil oder in Nutzfahrzeugen. Aus Gründen der Sicherheit ist es deshalb notwendig, die Werkstoffe sowohl in statischen Zug-, Druck- oder Schubbelastungsprüfungen bei Tiefsttemperaturen zu prüfen als auch ihr Ermüdungs- und bruchmechanisches Verhalten im kryogenen Umfeld zu ermitteln.
Abhängig von Druck und Temperatur ermöglichen drei Bereiche eine besonders effektive Wasserstoffspeicherung. Aus diesen ergeben sich die Anforderungen für unterschiedliche Tanktypen, die zur Speicherung und für den Transport von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff benötigt werden und geeignet sind. Diese drei Bereiche sind ausschlaggebend für die zu wählenden Prüfparameter.
- Im flüssigen Zustand bei Drücken bis 4 bar im Bereich der Verflüssigung von Wasserstoff bei 20 K (-253 °C),
- im Druckbereich von 250 bis 700 bar bei Raumtemperatur sowie
- im Druckbereich von 500 bis 1000 bar zwischen 33 und 73 K.
Für Prüfungen bei erhöhten Temperaturen sowie Tiefsttemperaturen bis etwa -170 °C eignen sich Temperierkammern. Dabei ist die Tieftemperatur abhängig vom gekühlten Volumen in der Kammer sowie dem Volumen der Prüfgestänge, die in die Kammer hineinragen.
Bei Stickstoff Tauchkryostaten wird die Composite-Probe in ein Stickstoffbad getaucht. Die Proben werden über ein in sich geschlossenes Lastjoch samt Probenhalter von oben in den Tauchkryostat eingeführt.
Hingegen werden Stickstoff- und Helium- Durchflusskryostate je nach Kühlmedium von Raumtemperatur bis Tiefsttemperaturen von ca. 20 K (-253 °C) betrieben. Dabei ist es entscheidend die Volumina und die Körper, die in den Kryostat hineinragen, auf das Wesentliche zu reduzieren. Durchflusskryostate werden mit Stickstoff vorgekühlt. Sobald die tiefst mögliche Temperatur des Stickstoffs erreicht ist, wird aus Kostengründen mit Helium nachgekühlt, bis die Endtemperatur von ca. 10 K bis 20 K erreicht ist.
Als Sondervariante lassen sich ZwickRoell Durchflusskryostate auch mit Wasserstoff betreiben. Die drei Temperiereinrichtungen sind sowohl in statischen als auch dynamischen Prüfmaschinen erhältlich. Dabei gilt der Grundsatz: Je tiefer die Temperatur, desto komplexer ist der mechanische Aufwand. Die Tieftemperatur-Prüfanlagen im ZwickRoell-Produktportfolio haben eine Maximallast von 100 kN.
Bild oben: Kryogene Prüfungen von Composites sichern die Zuverlässigkeit unter extremen Temperaturen. (Quelle: ZwickRoell)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung
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