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The Pressure Resistance of hollow Glass Fibers at internal Pressure Load

  • Glass has different outstanding material-specific properties which offer theoretically the application of thin-walled hollow fibers in the field of high pressure gas storage. Especially the storage of hydrogen as renewable and environmental friendly energy carrier is possible. Glass is an amorphous material which is characterized by a theoretical tensile strength much higher than this of other materials. However, in practice the tensile strength is decreased significantly by defects on the glass surface or in the material and its network structure. As part of this thesis the burst pressures of hollow glass fibers were determined. The burst pressure correlates very well with the tensile strength of hollow glass fibers. By using the Weibull statistic the results of different test series were evaluated in respect to failure probabilities and compared to each other. Thereby the influence of various parameters on the pressure resistance was investigated. Beside the influence of the chemicalGlass has different outstanding material-specific properties which offer theoretically the application of thin-walled hollow fibers in the field of high pressure gas storage. Especially the storage of hydrogen as renewable and environmental friendly energy carrier is possible. Glass is an amorphous material which is characterized by a theoretical tensile strength much higher than this of other materials. However, in practice the tensile strength is decreased significantly by defects on the glass surface or in the material and its network structure. As part of this thesis the burst pressures of hollow glass fibers were determined. The burst pressure correlates very well with the tensile strength of hollow glass fibers. By using the Weibull statistic the results of different test series were evaluated in respect to failure probabilities and compared to each other. Thereby the influence of various parameters on the pressure resistance was investigated. Beside the influence of the chemical composition of the material the aging by environmental and their effect on the pressure resistance was investigated. Additionally hollow glass fibers were loaded dynamically and statically with different gases. Afterwards the burst pressure was determined and the effect of used gas on the pressure resistance could be determined as well as the impact of method and duration of loading. A further influence of the dimension of hollow glass fibers on their resistance against inner pressure load is the ratio between wall thickness and inner diameter which was investigated as well as the combination of different glasses and the utilization of their disparate coefficient of thermal expansion which lead to prestressing of the hollow glass fiber. Finally, the impact of the variation of several production parameters on the pressure resistance was determined experimentally as like as the influence of surface coatings. These shall protect the glass surface from subsequently procured defects and, hence, increase the pressure resistance. As essential part of current thesis the defect analysis of test samples of various series was done whereby the differentiation between material and production dependent defects was important. Not only a light microscope but a scanning electron microscope was used for the investigation, as well. Beside volume defects like bubbles or inclusions surface defects in the form of scratches or spalling can be detected and observed. A calculation of the failure-causing defect size from measured burst pressure is possible. Dependent on the dimension and determined burst pressure value of each single fiber defect sizes of less than one micron were calculated. Particularly the geometry of the test samples inappropriate for many examination methods and the fact that the calculated defect size occurs only under loaded conditions at actual burst pressure the local detection of corresponding defect rendered impossible. In the end, the present thesis shows the pressure resistance of hollow glass fibers and their potential to store safely gases under high pressure.zeige mehrzeige weniger
  • Glas besitzt einige herausragende materialspezifische Eigenschaften, die theoretisch den Einsatz von dünnwandigen Hohlfasern zur Hochdruckspeicherung von Gasen zulassen. Besonders die Speicherung von Wasserstoff als regenerativer Energieträger ist denkbar. Glas ist ein amorphes Material, welches sich durch eine theoretische Zugfestigkeit auszeichnet, die mehrfach höher ist als anderer Materialien. Jedoch wird die Zugfestigkeit in der Praxis durch Defekte auf der Glasoberfläche oder im Material und dessen Netzwerk deutlich herabgesetzt. In dieser Arbeit wurde der Berstdruck von hohlen Glasfasern ermittelt, wobei der Berstdruck sehr gut mit der Zugfestigkeit von Gläsern korreliert. Unter Verwendung der Weibull Statistik wurden die Ergebnisse der verschiedenen Versuchsreihen hinsichtlich möglicher Ausfallwahrscheinlichkeiten ausgewertet und miteinander verglichen. Der Einfluss verschiedener Parameter wurde untersucht. Neben der chemischen Materialzusammensetzung wurde auch die AlterungGlas besitzt einige herausragende materialspezifische Eigenschaften, die theoretisch den Einsatz von dünnwandigen Hohlfasern zur Hochdruckspeicherung von Gasen zulassen. Besonders die Speicherung von Wasserstoff als regenerativer Energieträger ist denkbar. Glas ist ein amorphes Material, welches sich durch eine theoretische Zugfestigkeit auszeichnet, die mehrfach höher ist als anderer Materialien. Jedoch wird die Zugfestigkeit in der Praxis durch Defekte auf der Glasoberfläche oder im Material und dessen Netzwerk deutlich herabgesetzt. In dieser Arbeit wurde der Berstdruck von hohlen Glasfasern ermittelt, wobei der Berstdruck sehr gut mit der Zugfestigkeit von Gläsern korreliert. Unter Verwendung der Weibull Statistik wurden die Ergebnisse der verschiedenen Versuchsreihen hinsichtlich möglicher Ausfallwahrscheinlichkeiten ausgewertet und miteinander verglichen. Der Einfluss verschiedener Parameter wurde untersucht. Neben der chemischen Materialzusammensetzung wurde auch die Alterung durch Umwelteinflüsse und deren Wirkung auf die Druckfestigkeit gegen innere Belastung untersucht. Zusätzlich wurden die Hohlglasfasern unter Verwendung verschiedener Prüfgase zyklisch und statisch vor der Berstdruckbestimmung belastet, um die Wirkung des verwendeten Gases als auch der Art und Dauer der Belastung auf das Material zu bestimmen. Ein weiterer Einfluss auf die Druckfestigkeit von Hohlglasfasern ist das Wandstärken-Innendurchmesser-Verhältnis, welcher ebenso untersucht wurde wie die Kombination verschiedener Gläser mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die zu Vorspannungen in den Glasfasern führen. Abschließend wurde die Auswirkung von Variationen verschiedener Produktionsparameter auf die Druckresistenz ebenso experimentell bestimmt wie der Einfluss von Beschichtungen, die die Glasoberflächen vor nachträglich beigebrachten Defekten schützen und die Druckfestigkeit bei innerer Belastung erhöhen sollen. Wichtiger Bestandteil der Arbeit ist die Defektanalyse von Prüfmustern einzelner Testreihen. Es muss zwischen material- und produktionsbedingten Defekten unterschieden werden. Neben der Untersuchung von Hohlglasfasern mittels Lichtmikroskop wurde auch ein Rasterelektronenmikroskop verwendet. Sowohl Volumendefekte, wie Blasen und Steinchen, als auch Oberflächendefekte, in Form von Kratzern oder Ablagerungen, konnten als produktionsbedingte Defekte beobachtet werden. Materialbedingte Fehler wie Fehlstellen im Netzwerk konnten mit den verwendeten Untersuchungsmöglichkeiten nicht ermittelt werden. Aus den ermittelten Berstdücken von Hohlglasfasern lassen sich die zum Versagen führenden Defektgrößen errechnen. Abhängig von Dimension der Faser und erreichtem Berstdruck ergeben sich Defektgrößen kleiner als ein Mikrometer. Insbesondere durch die für viele Untersuchungsmethoden ungünstige Geometrie der Prüfmuster sowie die Tatsache, dass die errechneten Defektgrößen nur unter Spannung beim vorliegenden Berstdruck auftreten, war eine örtliche Bestimmung des entsprechenden Defekts bzw. die Zuordnung zu ermittelten Defekten nicht möglich. Letztlich zeigt die vorliegende Arbeit, dass Hohlglasfasern unter bestimmten Voraussetzungen die erforderliche Druckfestigkeit aufweisen, um Gase unter Druck sicher speichern zu können.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Ronald Meyer
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2015
Titel verleihende Institution:Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau
Gutachter*innen:Thomas Böllinghaus, Dan Eliezer, Kai Holtappels
Datum der Abschlussprüfung:15.12.2015
Verlag:Otto-von-Guericke-Universität
Verlagsort:Magdeburg
Erste Seite:1
Letzte Seite:237
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Defekte; Einflussparameter; Festigkeiten; Glaskapillaren; Wasserstoffspeicherung
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:08.08.2016
Referierte Publikation:Nein
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