Um zu klären, wie sich Composite-Werkstoffe für Luft- und Raumfahrt im Kontakt mit flüssigem Wasserstoff bei Temperaturen um -253 °C verhalten, setzt das Bremer Institut auf standardisierte und vielseitig einsetzbare Materialprüfmaschinen von ZwickRoell.
Wasserstoff spielt eine große Rolle auf dem Weg zu einer emissionsfreien Luft- und Raumfahrt. Dies hat Einfluss auf die Wahl der geeigneten Materialien. Darüber hinaus müssen die Werkstoffe den hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen der Luft- und Raumfahrtbranche entsprechen, leicht und widerstandsfähig sein sowie extremen Temperaturschwankungen standhalten können. Wie sich Materialien in Verbindung mit Wasserstoff im Tiefsttemperaturbereich bis 20 K verhalten, untersucht das Faserinstitut Bremen (FIBRE) mit Prüflösungen von ZwickRoell, Ulm.
Im kryogenen Umfeld wird Wasserstoff bei Temperaturen von 20 K (-253 °C) flüssig und ist in diesem Zustand einfacher zu handhaben. Daher ist es von großer Bedeutung, Materialien zu charakterisieren, die Wasserstoff ausgesetzt sind und gleichzeitig extremen Temperaturen standhalten müssen. Mittels statischer Zug-, Druck- oder Scherbelastungsprüfungen werden diese Materialien bei Tiefsttemperaturen bis 20 K analysiert, um ihr ermüdungs- und bruchmechanisches Verhalten in diesem Umfeld zu bestimmen. Ein konkreter Anwendungsfall sind die Composite-Wandungen von Tanks, die großen thermischen Schwankungen und wechselnden Drücken ausgesetzt sind, was aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und bereits im Herstellungsprozess entstandener Spannungen zu Materialbelastungen und Undichtigkeiten führen kann.
Eine Ingenieurin mit Schutzausrüstung des Bremer Faserinstituts begutachtet eine Probe. (Foto: Faserinstitut Bremen)
Materialcharakterisierung im kryogenen Umfeld
Um den besonderen Anforderungen des Faserinstituts Bremen bei kryogenen Wasserstoffprüfungen gerecht zu werden, entschied man sich für standardisierte und vielseitig einsetzbare Materialprüfmaschinen von ZwickRoell. Diese ermöglichen die Charakterisierung unterschiedlicher Materialien bei Tiefsttemperaturen und gewährleisten eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, unabhängig von den geforderten Prüfkräften und Belastungen in der Qualitätssicherung und Forschung. Stefan Pubantz, Projekt Manager Kryo- und Wasserstofftechnologie bei ZwickRoell, erläutert, dass verschiedene Kryostatlösungen gewählt wurden, „die Prüfungen sowohl bei 77 K als auch von Raumtemperatur stufenlos bis 20 K ermöglichen.“ Ein speziell entwickeltes Lastjoch taucht den Probenhalter mit der eingespannten Probe in den Tiefsttemperaturbereich und gewährleistet so größtmögliche Temperaturkonstanz. ZwickRoell-Kryostate verfügen optional über ein Sichtfenster, um die Dehnungen und Verformungen der Probe mittels optischer Messtechnik des videoXtens von außen und berührungslos zu erfassen. Die Prüfsoftware testXpert unterstützt bei der Steuerung, Datenerfassung und -auswertung.
Tauchkryostat mit Sichtfenster zum Einsatz optischer Dehnungsmessung und Probenhalter. (Foto: Faserinstitut Bremen)
Angepasste Prüftechnik für spezielle Anforderungen
Die Versuche bei kryogenen Temperaturen bis zu -253 °C erfordern eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit den herkömmlichen Standardversuchen, die bei Temperaturen von -55 °C bis +120 °C und bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Außerdem stellen solch niedrige Temperaturen eine Herausforderung für die verwendeten Materialien und die benötigten Dehnungs- und Wegmesssysteme dar. Spezielle Werkzeuge wurden entwickelt, um Proben aufzunehmen, die Kräfte und Wegmessungen präzise durchführen und den Laststrang ausrichten. Die Prüfsysteme ermöglichen eine breite Palette von Versuchen an Faserverbundwerkstoffen, darunter Zug-, Druck- und Biegeversuche sowie die Bestimmung der Interlaminaren Scherfestigkeit (ILSS) und der kritischen interlaminaren Energiefreisetzungsraten G1c (unter Mode I Belastung) und G2c (unter Mode II Belastung). Dr. Ernö Nemeth, Laborleiter am Faserinstitut Bremen, betont, dass ZwickRoell durch sein Produktportfolio die Anforderungen des Faserinstituts Bremen optimal erfüllt habe, sodass die Forschung und Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Bereich Luft- und Raumfahrt die Möglichkeit böten, Materialcharakterisierungen bei extremen kryogenen Temperaturen durchzuführen. Nemeth: „Die gelieferten Prüfsysteme zeugen von herausragender Fachkenntnis und wurden präzise an unsere spezifischen Anforderungen angepasst.”
