9.5 Tribologie und Verschleißschutz
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Das Kompetenzzentrum H2Safety@BAM forscht zu sicherheitstechnischen Fragestellungen über die gesamte Wertschöpfungskette von Wasserstoff. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf Untersuchungen zu Materialeignung und -kompatibilitäten, neuen Konzepten für die Bauteilsicherheit und -prüfung, Zertifizierungen, Sensortechnik und Analytik sowie der Prozess- und Anlagensicherheit. Das Poster gibt einen Praxisnahen überblick über die Aktivitäten.
In this talk, an overview of BAM research activities related to Hydrogen is given with a brief presentation of the Competence Center H2Safety@bam. The second part focuses on current projects dealing with the tribological behavior of polymeric materials in Hydrogen. In particular, results regarding the performances of PTFE -free and sustainable materials are given and promising candidates are suggested along with friction mechanisms.
This study investigates the effect of the addition of a 2D filler (Struktosil) to a carbon black-filled acrylonitrile butadiene rubber, developed for seals in hydrogen applications. Several characterization methods have been adopted. The addition of Struktosil increases the stiffness of the material up to a strain of about 100%, to a lesser extent in presence of a plasticizer. The dissipative response of the material is increased by Struktosil addition and decreased in presence of the plasticizer. Concerning fracture behaviour, the crack initiation and Rapid Gas Decompression (RGD) resistance were not affected by the addition of Struktosil but decreased in presence of plasticizer. Furthermore, the addition of Struktosil had a positive effect on crack propagation resistance. The effects of pressurized hydrogen exposure on physical-mechanical properties were also evaluated and correlated with the results. A correlation between fracture toughness and RGD resistance has been also attempted.
In this study, friction and wear of conventional and alternative high performance polymer compounds, typically used for components of compressors, were investigated in gaseous hydrogen and nitrogen up to 80 bar of gas pressure. The compounds used were a commercial PEEK matrix with 10 wt.% each of PTFE, graphite, and short carbon fibres, a PPS matrix with 10 wt.% each of PTFE and graphite, and an experimental PA12 matrix with PTFE chemically coupled with an oleyl alcohol. Due to the cylindrical shape of the polymer samples, the contact area and pressure change if wear occurs. Therefore, experimental results of pre-screening tests have been used as input for FEM and an analytical model to determine the decreasing contact pressure over time. Afterwards, the outcome of the models was used to determine the duration of the experiments to reach typical contact pressures of seals in hydrogen compressors.
Materialien auf PTFE-Basis werden in der Regel als Kolbenringe in Hochdruck- und/oder kryogenem Wasserstoff verwendet. In diesem Projekt werden neu formulierte und nachhaltigere Polymerwerkstoffe mit herkömmlichen Materialien verglichen. Auf Grundlage der tribologischen Ergebnisse werden vielversprechende Kandidaten zusammen mit Reibungsmechanismen sowohl bei Hochdruck- als auch bei Niedrigtemperatur-Wasserstoff vorgeschlagen.
Materialien auf PTFE-Basis werden in der Regel als Kolbenringe in Hochdruck- und/oder kryogenem Wasserstoff verwendet. In diesem Projekt werden neu formulierte und nachhaltigere Polymerwerkstoffe mit herkömmlichen Materialien verglichen. Auf Grundlage der tribologischen Ergebnisse werden vielversprechende Kandidaten zusammen mit Reibungsmechanismen sowohl bei Hochdruck- als auch bei Niedrigtemperatur-Wasserstoff vorgeschlagen.
Am 10. März fand die Gründungssitzung des neuen DIN-Ausschusses NA 062-10-21 AA "Tribologie" statt. Er fokussiert den praxisnahen Wissenstransfer zur Lösung aktueller Herausforderungen und beschäftigt sich mit Querschnittsthemen sowie übergreifenden Aspekten. Der Vortrag informiert über den Kontext der Gründung und stellt die ersten Normungsprojekte vor.
As sealing components, polymeric materials are used in a wide range of applications e.g. as O-rings and piston rings in high-pressure and/or cryogenic hydrogen. For these extreme demanding application, PTFE or PPS based materials are often used as high-performance polymer matrix. This project aims to provide a safe and sustainable sealing solutions for hydrogen applications. New materials with improved sustainability were investigated and compared with conventional grades. Tests were performed in hydrogen over a wide range of temperature and pressure (0.1 MPa to 40 MPa, and 100°C down to -150°C) at Kyushu University and BAM using a pin-on-disk apparatus in a continuous sliding motion. Polymer samples ran against 316L disk at 0.5 m/s and 3 MPa contact pressure. Based on the tribological results and surface analyses, promising candidates are suggested along with friction mechanisms in both high-pressure and low temperature hydrogen.
Untersuchung des Potenzials von Kaltgasspritzen für die Reparatur zyklisch belasteter Bauteile
(2024)
Die Reparatur mittels Kaltgasspritzen ist eine vielversprechende Alternative zum
teuren Austausch fehlerbehafteter Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. Im Rahmen
dieser Arbeit wurde das Potential des Verfahrens an der hochfesten
Aluminiumlegierungen Al6061-T6 unter Anwendung von Stickstoff als kostengünstiges
Prozessgas untersucht. Es wurden quasi-statische Zugversuche und einachsige
Zeitfestigkeitsversuche mit besonderem Fokus auf das in-situ Kugelstrahlen zur
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Im Ergebnis wurde die
Verbesserung der Adhäsion zwischen Substrat und aufgebautem Werkstoff als
entscheidendes Kriterium für eine Anwendbarkeit ermittelt. Die Laserstrukturierung
von Substratoberflächen ist hierfür vielversprechend und wurde im Rahmen der Arbeit
mittels Adhäsionsversuchen untersucht.
