Cosa sono i materiali criogenici?
I materiali criogenici resistono all’infragilimento e funzionano bene a temperature estremamente basse. Un numero limitato di materie plastiche rientra in questa categoria e la maggior parte di esse ha una struttura polimerica amorfa.
Drake Plastics produce forme lavorabili, parti lavorate di precisione e componenti stampati a iniezione a partire da diversi polimeri avanzati che si comportano bene in condizioni criogeniche. Queste termoplastiche ad alte prestazioni mantengono solide proprietà fisiche in ambienti in cui le temperature scendono sotto i -150 oC(-238 oF). La loro capacità di rimanere resistenti e conformi alle temperature criogeniche li distingue dagli altri polimeri. Questa caratteristica consente loro di funzionare in modo affidabile a temperature criogeniche in applicazioni come le guarnizioni statiche e dinamiche per i sistemi di lavorazione, stoccaggio e trasporto di azoto liquido, idrogeno, ossigeno e gas naturale liquefatto, nonché per i componenti strutturali delle apparecchiature dei veicoli spaziali.
Vantaggi delle plastiche criogeniche ad alte prestazioni
I vantaggi intrinseci dei polimeri ad alte prestazioni si applicano a un’ampia gamma di ambienti operativi, compresi gas e liquidi a temperature criogeniche. I loro vantaggi rispetto ad altri polimeri e a molti metalli a temperature criogeniche includono:
- Mantenimento dell’allungamento
- Durezza e resistenza alla frattura
- Mantenimento della resistenza alla fatica
- Peso ridotto
- Resistenza all’usura in presenza di carichi dinamici senza lubrificazione esterna
- Integrità della tenuta statica e dinamica affidabile
- Isolamento termico, isolamento elettrico
- Versatilità di produzione tramite estrusione, stampaggio a iniezione e lavorazione.
Quali materiali criogenici offre DRAKE?
Drake Plastics offre forme lavorabili estruse, componenti lavorati di precisione e pezzi stampati a iniezione realizzati con polimeri avanzati che mantengono un livello significativo delle loro proprietà e funzionano in modo affidabile nelle applicazioni criogeniche. Ogni materiale offre diversi profili di proprietà per soddisfare i requisiti di una varietà di applicazioni criogeniche. Caratteristiche generali di questi materiali:
- Torlon® PAI: Torlon PAI presenta una resistenza strutturale superiore alle temperature estreme rispetto ad altri materiali avanzati. La tecnologia dei polimeri PAI ha portato allo sviluppo di gradi per cuscinetti e usura che aumentano notevolmente la durata funzionale dei componenti sottoposti a carico dinamico. Questa tecnologia ha anche dato vita a formulazioni con rinforzi in fibra di carbonio o di vetro che aumentano significativamente la resistenza strutturale rispetto ai gradi non caricati.
- Vespel® PI: Considerata il massimo in termini di prestazioni complessive tra i polimeri avanzati, la poliimmide Vespel è disponibile in forme lavorabili e parti lavorate di precisione. I gradi Vespel SP e il copolimero SCP a più alta resistenza sono particolarmente adatti alle applicazioni criogeniche lavorate. Sono disponibili anche pezzi formati direttamente. I gradi non caricati e i gradi per cuscinetti e usura soddisfano le esigenze di prestazioni delle guarnizioni statiche e dinamiche per liquidi criogenici e dei componenti strutturali in condizioni criogeniche.
- Drake PCTFE: Fluoropolimero ad alte prestazioni, il PCTFE è stato specificato per decenni nelle applicazioni criogeniche di ossigeno liquido (LOX), idrogeno liquido (LH2), azoto liquido (LN2) e gas naturale liquido (LNG). Le sue proprietà includono un “elevata resistenza, un” infiammabilità V-0 e un elevato Indice Limite di Ossigeno (LOI) di 95 che migliorano la resistenza alla combustione in presenza di fonti di accensione. Inoltre, resiste al degrado delle proprietà quando viene esposto alle radiazioni. Questa combinazione di vantaggi prestazionali ha portato a una rapida crescita come materiale per le guarnizioni che devono funzionare in modo affidabile a temperature criogeniche nelle apparecchiature dei veicoli spaziali.
- Drake CryoDyn® CT-200: Sviluppato per applicazioni di sigillatura di liquidi criogenici come alternativa al PCTFE, CryoDyn è un materiale a base di PEEK con le proprietà fisiche e la resistenza chimica che caratterizzano il polimero PEEK. La ricerca sui requisiti dei materiali per le applicazioni criogeniche ha portato allo sviluppo di un composto a base di PEEK con una seconda fase polimerica. La tecnologia del materiale permette a CryoDyn CT-200 di funzionare a temperature criogeniche che vanno oltre le capacità dei composti non caricati e di altri composti PEEK tradizionali.
- PTFE e altri fluoropolimeri standard: Drake produce pezzi di precisione in PTFE e altri fluoropolimeri per completare la sua linea di prodotti di materiali criogenici. I fluoropolimeri come il PTFE spesso non sono considerati materiali ad alte prestazioni, soprattutto a causa della loro bassa resistenza. Tuttavia, sono spesso la scelta migliore quando la forza d’urto, la resistenza chimica e il costo sono considerazioni fondamentali e i requisiti strutturali sono bassi.
- Nota tecnica su PEEK e PPS: Pur essendo polimeri importanti nella linea di prodotti ad alte prestazioni di DRAKE, il PPS e le qualità standard PEEK non sono tipicamente considerati per le applicazioni criogeniche. Essendo polimeri semicristallini, si infragiliscono a temperature inferiori a -60 o C (-76 oF).
Dati sulle proprietà criogeniche delle materie plastiche ad alte prestazioni
I fornitori di resine generano dati sulle proprietà basati su campioni di prova standardizzati, metodi e condizioni di prova. Questi test standard vengono effettuati di routine a temperature ambiente ed elevate per tutti i tipi di resina. Tuttavia, solo alcuni fornitori eseguono test sulle proprietà a temperature criogeniche e solo su una selezione limitata di proprietà e gradi. CryoDyn Un esempio sono i dati sulle proprietà disponibili sul polimero criogenico Drakee sulla resina PCTFE (Tabella 1). Inoltre, le condizioni di prova possono variare tra i fornitori di resine diverse. Tutti questi fattori rendono difficile il confronto diretto dei dati sulle proprietà dei materiali criogenici.
Tuttavia, è possibile sviluppare opzioni di materiali per applicazioni criogeniche. Nel caso del PAI di Torlon, sono disponibili dati sulle proprietà meccaniche a temperature di prova criogeniche per quattro tipi diversi: non caricato, con cuscinetti e rinforzato per l’usura e con fibre di carbonio e fibre di vetro (Tabella 2). I dati sulle proprietà criogeniche disponibili per questi tipi rappresentativi possono aiutare a valutare la fattibilità di formulazioni simili.
Proprietà tipiche della scheda tecnica come strumento di selezione del materiale
I polimeri che Drake offre per le applicazioni criogeniche conservano bene le proprietà meccaniche alle basse temperature estreme associate all’azoto liquido, all’idrogeno liquido, all’ossigeno liquido e al gas naturale liquido. Confrontando le proprietà delle loro schede tecniche “standard” e tenendo conto degli effetti di questi gas a temperature criogeniche, come indicato di seguito, si può ottenere un altro utile punto di partenza.
I dati completi sulle proprietà condotti in condizioni di test standard su tutti i materiali di Drake sono disponibili neidati sulle forme lavorabili di e nelle schede tecniche delle resine dei fornitori di polimeri.
In definitiva, le migliori pratiche prevedono che i prototipi e i pezzi di produzione vengano testati nelle condizioni operative criogeniche reali dell’applicazione per convalidare le prestazioni in uso.
Come le temperature criogeniche influenzano le proprietà dei materiali
L’esposizione a temperature di congelamento estreme influisce in qualche misura su diverse proprietà di tutti i polimeri. In genere i materiali diventano più rigidi e mostrano un aumento delle proprietà di flessione e compressione, accompagnato da una riduzione dell’allungamento a trazione e della resistenza agli urti. La resistenza all’usura spesso migliora grazie all’aumento della durezza superficiale e alla dissipazione accelerata del calore. Anche la stabilità dimensionale durante le rapide transizioni di temperatura può influire sull’integrità delle guarnizioni statiche e dinamiche.
Anche se ogni applicazione ha i suoi specifici requisiti di prestazione, le seguenti proprietà e il modo in cui le condizioni criogeniche le influenzano sono importanti per valutare i materiali per il servizio a temperature estremamente basse:
Proprietà meccaniche
Le temperature criogeniche rendono i materiali più rigidi, aumentandone la resistenza alla flessione e alla compressione e il modulo. Allo stesso tempo, il freddo estremo riduce l’allungamento a trazione e la duttilità di un materiale.
Note applicative:
- Gli effetti delle condizioni criogeniche sulle proprietà meccaniche sono fattori importanti per le applicazioni strutturali nelle apparecchiature di volo spaziale. Se da un lato si aumenta la rigidità, dall “altro i materiali devono avere la capacità di resistere alle vibrazioni e alle sollecitazioni durante la propulsione, il recupero, l” attracco, il dispiegamento degli apparati e altre operazioni.
- Un aumento significativo del modulo di compressione dovuto alle temperature criogeniche è un’altra importante considerazione ingegneristica per le guarnizioni. Le elevate proprietà di compressione possono ostacolare la capacità delle guarnizioni di conformarsi alle superfici di accoppiamento e di ottenere un contatto uniforme.
CLTE e stabilità dimensionale
Un materiale criogenico può trovarsi in prossimità di fonti di accensione calde e di temperature di congelamento estreme nel vuoto dello spazio profondo. L “attraversamento di temperature estreme da alte a basse può creare un livello significativo di espansione e contrazione termica. Un materiale polimerico ad alte prestazioni con un basso coefficiente di espansione termica del liner (CLTE) può fornire la stabilità dimensionale necessaria per far funzionare in modo affidabile componenti operativi critici come i serbatoi e i dispositivi di scarico della pressione. Inoltre, a differenza dei metalli, il coefficiente di espansione termica dei polimeri non è lineare: aumenta con l” aumentare della temperatura.
I valori delle schede tecniche per il CTE dei polimeri sono tipicamente generati da -40o C a 150o C ed espressi come un singolo punto di dati. Tuttavia, l’espansione termica dei polimeri non è lineare. I valori sono più bassi a temperature inferiori e il CTE effettivo a temperature criogeniche è inferiore ai valori “tipici” riportati nelle schede tecniche. È inoltre importante notare che nei gradi rinforzati con fibre il CTE viene misurato nella direzione del flusso delle fibre. I valori di CTE misurati nella direzione del flusso trasversale sono molto più alti, anche di due volte.
Note applicative:
- Il coefficiente di espansione termica del rivestimento (CLTE) dei polimeri per le parti strutturali e gli alloggiamenti dei veicoli spaziali può differire dal comportamento di espansione termica dei materiali nelle superfici di accoppiamento e nei dispositivi di fissaggio. Materiali con proprietà di espansione termica simili possono ridurre al minimo il rischio di cricche da stress dovute a variazioni dimensionali significative dovute a variazioni di temperatura estreme e spesso rapide.
- Anche il CLTE dei materiali utilizzati per le superfici di accoppiamento nelle tenute statiche e dinamiche è un fattore importante. Differenze significative nelle variazioni dimensionali durante gli sbalzi di temperatura, dalle condizioni di lancio dei razzi fino al raffreddamento estremo e rapido, possono influire negativamente sull’integrità delle tenute. Pertanto, le interfacce di tenuta del sistema devono essere considerate alle loro temperature di servizio criogeniche e non solo alle temperature ambiente o di assemblaggio.
Resistenza agli urti
Le basse temperature estreme indeboliscono tutti i materiali in una certa misura. Alcuni metalli sono più inclini a frantumarsi in queste condizioni rispetto alle plastiche ad alte prestazioni.
Note applicative:
- La capacità di un materiale di mantenere un buon livello di duttilità in condizioni criogeniche è importante per i componenti strutturali e gli alloggiamenti delle apparecchiature dei veicoli spaziali che possono essere esposti a forti vibrazioni e impatti.
- Le guarnizioni dei sistemi a ossigeno liquido, idrogeno liquido, azoto liquido e gas naturale liquido possono essere esposte a sollecitazioni, tra cui gli urti, durante l “installazione prima dell” esposizione criogenica. I materiali con una buona tenacità intrinseca possono aiutare a evitare le microfratture e i difetti superficiali legati agli urti, che possono diventare punti di rottura quando le temperature criogeniche creano sollecitazioni dovute alle variazioni dimensionali, alle pressioni di servizio o ad altre forze che il sistema subisce.
Proprietà dei cuscinetti e dell'usura
Le materie plastiche ad alte prestazioni composte con additivi lubrificanti solidi come grafite, PTFE e fibre di carbonio si comportano bene nelle applicazioni criogeniche di cuscinetti e usura. infatti, la loro resistenza all’usura spesso migliora con l’aumento della durezza delle superfici dovuto alle temperature criogeniche. Inoltre, la tipica causa di rottura dei cuscinetti polimerici – l’accumulo di calore localizzato – è solitamente assente nel servizio tribologico criogenico.
Note applicative:
- Le applicazioni nelle apparecchiature dei veicoli spaziali possono avere funzioni sia strutturali che dinamiche. Ad esempio, i componenti possono essere progettati con ingranaggi che aiutano a dispiegare o attivare le apparecchiature. Torlon I gradi PAI e Vespel PI composti con lubrificanti solidi come il PTFE e la grafite offrono migliori proprietà di supporto e di usura e rappresentano una valida opzione per queste applicazioni. Eliminano i problemi associati ai lubrificanti liquidi esterni che possono solidificare a temperature criogeniche e formare particolati che possono contaminare i componenti operativi.
- L’aggiunta di fibre di vetro o di carbonio in Torlon PAI aumenta la resistenza del materiale, mantenendo la tenacità criogenica intrinseca del polimero. In molti casi, questi gradi rinforzati con fibre – Torlon 5030 e Torlon 7130 – superano le loro controparti lubrificate internamente in molte applicazioni di usura criogenica come le palette di scorrimento.
- Anche le tenute dinamiche nelle applicazioni di lavorazione, stoccaggio, consegna e trasporto di ossigeno liquido, azoto, idrogeno e gas naturale liquido traggono vantaggio dalle formulazioni per cuscinetti e usura di polimeri ad alte prestazioni. Questi materiali avanzati mantengono la loro resistenza all “usura in presenza di carichi dinamici a temperature criogeniche per garantire l” affidabilità a lungo termine delle tenute richieste nelle applicazioni di movimentazione dei gas liquefatti.
Vantaggi dei polimeri avanzati in termini di prestazioni
I polimeri avanzati sono stati ampiamente utilizzati come materiali criogenici per componenti e guarnizioni nelle apparecchiature dei veicoli spaziali e per le guarnizioni e le relative applicazioni nei sistemi LOX, LH2, LN2 e LNG.
Questi materiali, sotto forma di forme lavorabili, componenti lavorati di precisione e parti stampate a iniezione da Drake Plastics hanno dimostrato la capacità di mantenere solide proprietà meccaniche in condizioni criogeniche. Ciascun materiale offre anche isolamento termico ed elettrico, isolamento e infiammabilità, vantaggi importanti per i veicoli spaziali e le apparecchiature a gas liquefatto in cui può essere presente il rischio di combustione dovuto alla vicinanza di fonti di accensione.
I dati completi sui gradi di infiammabilità e sulle proprietà elettriche e termiche delle forme lavorabili di Drakee delle resine utilizzate per produrre le forme e le parti stampate a iniezione sono disponibili nella scheda tecnica delle resine di Drake.
Inoltre, i polimeri ad alte prestazioni che Drake processa resistono a un “ampia gamma di sostanze chimiche. Ogni materiale è unico sotto questo aspetto. Drake PlasticsI tecnici applicativi dell” azienda possono aiutare i clienti ad accedere ai database dei principali fornitori di resine per ottenere informazioni più dettagliate su come le sostanze chimiche e le condizioni variabili di concentrazione, temperatura e sollecitazione influenzano le prestazioni dei componenti realizzati con ciascun polimero.