■Zwickroell China
前言
在上一期我們介紹了氫能行業對材料測試技術的挑戰，以及ZwickRoell在製氫和用氫上的解決方案。今天我們將重點介紹ZwickRoell在複合材料儲氫罐的應用解決方案，在後續文章中我們還會持續介紹ZwickRoell在金屬材料氫運輸管道中的應用方案，敬請期待！
在氫能產業鏈中除了製氫和用氫階段，在儲氫和運氫環節同樣需要材料擁有穩定的機械性能，因此測試的可靠性尤為關鍵。由於氫氣通常需要在超低溫度下以液態或在高壓下以氣態形式進行儲存和運輸，這就要求氫氣儲罐和運輸管道材料在氫氣環境下和超低溫下要保持穩定的機械性能和長生命週期的考驗，所以材料的靜態、動態力學性能和蠕變性能都需要進行表徵。
儲氫罐類型與特點
氫氣的儲存運輸是連接氫氣生產端和需求端的關鍵橋梁，深刻影響著氫能行業發展和應用的節奏及進度。由於氫氣在常溫常壓狀態下密度極低（僅為空氣的1/14）、單位體積儲能密度低、易燃易爆等，其特性導致氫氣的安全高效輸送和儲存難度較大，採用高壓氣態或超低溫液態的方式進行氫氣的儲存和運輸。高壓儲氫罐是現階段主要的儲氫方式，它具有充放氫速度快、容器結構簡單等特點，目前市面上的儲氫壓力罐主要有四種類型，如圖1所示。
其中I型瓶的重量大，僅適用於加氫站固定式儲氫；II型瓶較I型瓶重量有所下降，但儲氫密度依舊較低，難以滿足車載儲氫要求；III型瓶和IV型瓶使用於車載儲氫，其中帶塑料內襯的IV碳纖維增強複合材料(CFRP)壓力罐具有最先進的技術，不僅重量輕而且具備優異的抗氫脆腐蝕、高儲氫密度等優勢，是車載儲氫和航空航天應用最有效的解決方案。
與傳統的金屬儲罐相比，CFRP製成的儲氫罐更具有優勢，但仍面臨諸多挑戰，例如複合材料在超低溫環境下的機械性能變化、在高負荷循環下的疲勞行為。
CFRP在氫能應用中的機械性能測試
在液氫存在的情况下，CFRP的機械性能、高低溫、靜態和動態載荷下的材料行為均需要量化表徵，但是由於測試標準發展的滯後性，目前行業內普遍採用常規複合材料的測試標準進行低溫環境測試。
涉及到的複合材料測試標準包括：
- 拉伸測試：ISO 527-4,5或ASTM D3039
- 壓縮測試：ISO 14126或ASTM D3410、D6641、D695
- 面內剪切應力/剪切應變響應：ISO 14129或ASTM D3518
- 層間剪切強度（ILSS）：ISO 14230或ASTM D2344
- 彎曲性能測試：ISO 14125或ASTM D7264
- 黏接組件搭接剪切強度測試：EN 1465或ASTM D3164
- 層間斷裂韌性Mode II：ASTM D7905
- 拉伸疲勞測試：ISO 13003或ASTM D3479
- 彎曲疲勞測試：ISO 13003附錄A
ZwickRoell在CFRP氫儲罐應用中案例分享
ZwickRoell在CFRP儲罐中的應用有非常完善的解決方案，可以滿足靜態以及動態的超低溫測試要求，同時配備浸入式恆溫器或持續流動式的恆溫器實現測試所需的超低溫環境。
案例1──靜態超低溫測試
客戶：德國某研究所
配置方案：靜態試驗機Z100帶LN2/LHe（液氮/液氦）持續流動式恆溫器（如圖3）
- LN2/LHe連續流動式溫恆溫器，溫度低至15K
- 用於複合材料靜態測試，從室溫至-258℃/15K無級調溫
- 採用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
- 採用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
- 用於拉伸和彎曲測試的低溫夾具
- 壓力：max 1bar；載荷：Max 100KN
- 可選：氫氣環境
案例2──靜/動態超低溫測試
客戶：德國某研究所
配置方案：動態試驗機HB100 LN2/LHe連續流動式低溫恆溫器（如圖4）
- 用於複合材料動態和靜態測試，從室溫至-258℃/15K無級調溫
- 採用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
- 採用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
- 用於拉伸和彎曲測試的低溫夾具
- 壓力：max 1bar；載荷：Max 100KN
- 可選：氫氣環境
案例3──靜/動態超低溫測試
客戶：歐洲某工廠
配置方案：動態試驗機HB100帶液氮浸入式恆溫器和低溫箱（如圖5）
- LN2浸入式低溫恆溫器，溫度低至-196℃/77K
- 另配溫箱溫度低至-173℃/100K
- 用於複合材料、塑料和其他材料的超低溫環境下動態和靜態測試
- 採用低溫clip-on引伸計進行伸長率測量
- 採用低溫clip-on撓度計進行彎曲撓度測量
- 用於拉伸和彎曲測試的低溫夾具
- 壓力：max 1bar
資料來源
[1]. 本文經Zwickroell China授權後刊登，引自https://mp.weixin.qq.com/s/U8ukgwUEVEPvXPotHU6p9g
