Der Einfluss kryogener Temperaturen auf Kunststoffmaterialien

Kryogene Temperaturen und Hochleistungskunststoffe

Kryotechnik ist die Untersuchung der Herstellung und des Verhaltens von Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen. Eine kryogene Umgebung weist Temperaturen unter -150°C auf. Viele moderne Industrien verwenden Kryotechnik in einer Vielzahl von Anwendungen. Einige dieser Anwendungen umfassen kryogene Treibstoffe, Raumfahrzeughardware sowie Maschinen für die Medizin und Biowissenschaft. Zu den Anwendungen gehören Gefrierschränke und Magnetresonanztomographie (MRI), Teilchenbeschleuniger und supraleitende Magnete. Curbell Plastics® hat vor kurzem ein Whitepaper von Dr. Keith Hechtel über die Auswirkungen kryogener Temperaturen auf einige gängige Hochleistungskunststoffe veröffentlicht. In diesem Artikel werden einige der wichtigsten Punkte des Whitepapers kurz zusammengefasst.

Mechanische Eigenschaften

Generell weisen alle Materialien eine höhere Härte und Steifigkeit auf, wenn sie kryogenen Temperaturen ausgesetzt werden. Zum Beispiel erhöht sich der Kompressionsmodul von PTFE von 100 kpsi auf 900 kpsi, wenn es von Raumtemperatur auf 20 K (-424 °F) abgekühlt wird. Materialien bei kryogenen Temperaturen werden jedoch spröder und haben eine geringere Izod-Schlagzähigkeit und Zugdehnung. Die Zugdehnung beschreibt, wie weit sich ein Material unter Druck biegt, bevor es reißt. Kunststoffe sind bereits anfälliger für das Aufbrechen als viele Metalle. Daher sind bei der Verwendung von Kunststoffen in einer Auslegung für eine kryogene Umgebung, die einem hohen Druck oder Stoß ausgesetzt ist, besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen.

Thermische Eigenschaften

Bei der Konstruktion von Kunststoffkomponenten für kryogene Anwendungen ist es wichtig, den hohen WAK oder thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen zu berücksichtigen. Grundsätzlich schrumpfen Kunststoffe beim Abkühlen stärker als andere Materialien und dehnen sich beim Erhitzen stärker aus. Wenn beispielsweise Materialien von Raumtemperatur auf nahezu 0 °K abgekühlt werden, zieht sich PTFE um 2,2 % zusammen, während sich Aluminium um weniger als 0,5 % zusammenzieht. Diese Schrumpfung kann bei Anwendungen, bei denen Metall- und Kunststoffkomponenten in engem Kontakt bleiben müssen, echte Probleme verursachen. Hechtel weist auch darauf hin, dass Kohlenstoff- und Glasfasern verwendet werden können, um dieses Schrumpfungsproblem zu mildern.

Reibung und Verschleiß

Die kryogene Verarbeitung oder Härtung wird seit den 1960er Jahren verwendet, um die Verschleißfestigkeit von Stahl zu erhöhen. Die gleichen Grundprinzipien gelten auch für Kunststoffe. Generell gilt:Je härter das Material, desto geringer die Reibung und der Verschleiß. Hechtel verwendet das Beispiel eines Sportschuhs gegenüber einem Anzugschuh – der Sportschuh hat eine weichere Sohle und erzeugt mehr Reibung am Boden. Kunststoffe werden bei sinkenden Temperaturen härter und weisen daher weniger Reibung auf. Kunststofflager haben beispielsweise den zusätzlichen Vorteil, dass sie auch ohne Schmierung eine gute Verschleißfestigkeit aufweisen. Diese Eigenschaft ist bei kryogenen Temperaturen besonders wichtig. Viele Öle und andere Schmiermittel können bei diesen sehr niedrigen Temperaturen weniger wirksam sein.