Que sont les matériaux cryogéniques ?
Les matériaux cryogéniques résistent à la fragilisation et fonctionnent bien à des températures extrêmement basses. Un nombre limité de matières plastiques entrent dans cette catégorie, et la plupart d’entre elles sont amorphes dans leur structure polymère.
Drake Plastics produit des formes usinables, des pièces usinées avec précision et des composants moulés par injection à partir de plusieurs polymères avancés qui se comportent bien dans des conditions cryogéniques. Ces thermoplastiques hautes performances conservent des propriétés physiques robustes dans des environnements où les températures sont inférieures à -150 oC(-238 oF). Leur capacité à rester résistants et conformes à des températures cryogéniques les distingue des autres polymères. Cette caractéristique leur permet de fonctionner de manière fiable à des températures cryogéniques dans des applications telles que les joints statiques et dynamiques pour les systèmes impliqués dans le traitement, le stockage et le transport de l’azote liquide, de l’hydrogène, de l’oxygène et du gaz naturel liquéfié, ainsi que les composants structurels de l’équipement des engins spatiaux.
Avantages des plastiques cryogéniques à haute performance
Les avantages inhérents aux polymères haute performance s’appliquent à une large gamme d’environnements de travail, y compris les gaz et les liquides à des températures cryogéniques. Leurs avantages par rapport à d’autres polymères et à de nombreux métaux à des températures cryogéniques sont les suivants :
- Maintien de l’élongation
- Ténacité et résistance à la rupture
- Maintien de la résistance à la fatigue
- Poids léger
- Résistance à l’usure sous charges dynamiques sans lubrification externe
- Fiabilité de l’intégrité des joints statiques et dynamiques
- Isolation thermique, isolation électrique
- Polyvalence de la production par extrusion, moulage par injection et usinage.
Quels sont les matériaux cryogéniques proposés par DRAKE?
Drake Plastics propose des pièces extrudées usinables, des pièces usinées avec précision et des pièces moulées par injection fabriquées à partir de polymères avancés qui conservent une grande partie de leurs propriétés et fonctionnent de manière fiable dans les applications cryogéniques. Chaque matériau offre différents profils de propriétés pour répondre aux exigences d’une variété d’applications cryogéniques. Caractéristiques générales de ces matériaux :
- Torlon® PAI: Torlon Le PAI se caractérise par une résistance structurelle supérieure aux températures extrêmes par rapport à d’autres matériaux avancés. La technologie des polymères PAI a permis de développer des Grades pour les roulements et l’usure qui augmentent considérablement la durée de vie des composants soumis à des charges dynamiques. Cette technologie a également permis de mettre au point des formulations renforcées par des fibres de carbone ou de verre qui augmentent considérablement la résistance structurelle par rapport aux grades non chargés.
- Vespel® PI: Considéré comme le nec plus ultra en matière de performances globales parmi les polymères avancés, le polyimide Vespel est disponible sous forme de formes usinables et de pièces usinées de précision. Des pièces directement formées sont également disponibles. Les grades non remplis et les grades pour roulements et usure répondent aux exigences de performance des joints statiques et dynamiques pour les liquides cryogéniques ainsi que des composants structurels dans des conditions cryogéniques.
- Drake PCTFE: Fluoropolymère de haute performance, le PCTFE est spécifié depuis des décennies dans les applications cryogéniques d’oxygène liquide (LOX), d’hydrogène liquide (LH2), d’azote liquide (LN2) et de gaz naturel liquide (GNL). Ses propriétés comprennent une résistance élevée ainsi qu’une inflammabilité V-0 et un indice limite d’oxygène (LOI) de 95 qui améliorent la résistance à la combustion en présence de sources d’inflammation. Il résiste également à la dégradation de ses propriétés lorsqu’il est exposé à des radiations. Cette combinaison d’avantages en termes de performances a conduit à une croissance rapide en tant que matériau pour les joints qui doivent fonctionner de manière fiable à des températures cryogéniques dans l’équipement des engins spatiaux.
- Drake CryoDyn® CT-200: Développé pour les applications de joints liquides cryogéniques comme alternative au PCTFE, CryoDyn est un matériau à base de PEEK avec les propriétés physiques et la résistance chimique qui caractérisent le polymère PEEK. La recherche sur les exigences des matériaux pour les applications cryogéniques a conduit au développement d’un composé à base de PEEK avec une seconde phase polymère. La technologie du matériau permet à CryoDyn CT-200 de fonctionner à des températures cryogéniques qui dépassent les capacités des composés non remplis et des autres composés traditionnels PEEK.
- PTFE et autres fluoropolymères standard : Drake usine avec précision des pièces en PTFE et autres fluoropolymères pour compléter sa ligne de produits de matériaux cryogéniques. Les fluoropolymères tels que le PTFE ne sont souvent pas considérés comme des matériaux de haute performance, principalement en raison de leur faible résistance. Cependant, ils constituent souvent le meilleur choix de matériau lorsque la résistance aux chocs, la résistance chimique et le coût sont des considérations essentielles – et que les exigences structurelles sont faibles.
- Note technique sur PEEK et PPS: Bien qu’il s’agisse de polymères importants dans la gamme de produits haute performance de DRAKE, le PPS et les grades standard ne sont généralement pas envisagés pour des applications cryogéniques. PEEK Grades ne sont généralement pas envisagés pour des applications cryogéniques. En tant que polymères semi-cristallins, ils se fragilisent à des températures inférieures à -60 o C (-76 oF).
Données sur les propriétés cryogéniques des plastiques à haute performance
Les fournisseurs de polymères génèrent des données de propriétés basées sur des spécimens d’essai, des méthodes d’essai et des conditions d’essai normalisés de l’industrie. Ces essais sur fiches techniques normalisées sont systématiquement effectués à température ambiante et à température élevée pour toutes les qualités de polymères. Cependant, seuls quelques fournisseurs effectuent des essais de propriétés à des températures cryogéniques, et ce pour une sélection limitée de propriétés et de Grades. Les données disponibles sur les propriétés du polymère cryogénique Drake ‘s CryoDyn et de la résine PCTFE (tableau 1) en sont un exemple. En outre, les conditions d’essai peuvent varier d’un fournisseur de polymères à l’autre. Tous ces facteurs rendent difficiles les comparaisons directes des données sur les propriétés des matériaux cryogéniques.
Néanmoins, il est possible de développer des options de matériaux pour les applications cryogéniques. Dans le cas du PAI Torlon, des données sur les propriétés mécaniques sont disponibles à des températures d’essai cryogéniques pour quatre types différents : non chargé, à roulement et à usure renforcée, ainsi que pour des qualités renforcées par des fibres de carbone et des fibres de verre (tableau 2). Les données sur les propriétés cryogéniques de ces Grades représentatives peuvent aider à évaluer la viabilité de formulations similaires.
Propriétés typiques d'une fiche technique comme outil de sélection des matériaux
Les polymères proposés par Drake pour les applications cryogéniques conservent bien leurs propriétés mécaniques à ces températures extrêmes associées à l’azote liquide, à l’hydrogène liquide, à l’oxygène liquide et au gaz naturel liquide, d’après notre expérience. La comparaison des propriétés de leur fiche technique « standard » et la prise en compte des effets de ces gaz à des températures cryogéniques, comme indiqué ci-dessous, peuvent constituer un autre point de départ utile.
Des données complètes sur les propriétés, réalisées dans des conditions d’essai standard, de tous les polymères Drake sont disponibles dans lesdonnées sur les formes usinables ( ) et dans les fiches techniques des fournisseurs de polymères.
En fin de compte, la meilleure pratique veut que les prototypes et les pièces de production soient testés dans les conditions de fonctionnement cryogéniques réelles de l’application afin de valider les performances en cours d’utilisation.
Comment les températures cryogéniques affectent les propriétés des matériaux
L’exposition à des températures de congélation extrêmes affecte, dans une certaine mesure, plusieurs propriétés de tous les polymères. Les matériaux deviennent généralement plus rigides et présentent une augmentation des propriétés de flexion et de compression, accompagnée d’une réduction de l’allongement à la traction et de la résistance aux chocs. La résistance à l’usure s’améliore souvent en raison de la dureté accrue de la surface et de la dissipation accélérée de la chaleur. La stabilité dimensionnelle lors des transitions rapides de température peut également affecter l’intégrité des joints statiques et dynamiques.
Bien que chaque application ait ses propres exigences en matière de performances, les propriétés suivantes et la manière dont les conditions cryogéniques les affectent sont importantes pour évaluer les matériaux destinés à être utilisés à des températures extrêmement basses :
Propriétés mécaniques
Les températures cryogéniques rendent les matériaux plus rigides, augmentant leur résistance à la flexion et à la compression ainsi que leur module. Dans le même temps, le froid extrême réduit l’allongement à la traction et la ductilité d’un matériau.
Notes d'application :
- Les effets des conditions cryogéniques sur les propriétés mécaniques sont des facteurs importants pour les applications structurelles des équipements de vol spatial. Tout en augmentant la rigidité, les matériaux doivent être suffisamment résistants pour supporter les vibrations et les contraintes lors de la propulsion, de la récupération, de l’amarrage, du déploiement de l’appareil et d’autres opérations.
- L’augmentation significative du module de compression due aux températures cryogéniques est également une considération technique importante pour les joints. Des propriétés de compression élevées peuvent entraver la capacité des joints à se conformer aux surfaces d’accouplement et à obtenir un contact uniforme.
CLTE et stabilité dimensionnelle
Un matériau cryogénique peut être exposé à la proximité de sources d’inflammation chaudes ainsi qu’à des températures de congélation extrêmes dans le vide associé à l’espace lointain. La traversée de températures extrêmes, hautes et basses, peut créer un niveau significatif de dilatation et de contraction thermiques. Un matériau polymère haute performance doté d’un faible coefficient de dilatation thermique (CLTE) peut assurer la stabilité dimensionnelle nécessaire au bon fonctionnement des composants critiques tels que les cuves et les dispositifs de décompression. Contrairement aux métaux, le coefficient de dilatation thermique des polymères n’est pas linéaire ; il augmente avec la température.
Notes d'application :
- Le coefficient de dilatation thermique du revêtement (CLTE) des polymères pour les pièces structurelles et les boîtiers des engins spatiaux peut différer du comportement de dilatation thermique des matériaux dans les surfaces d’accouplement et les fixations. Les matériaux présentant des propriétés de dilatation thermique similaires peuvent minimiser le risque de fissuration sous contrainte due à des changements dimensionnels importants résultant de variations de température extrêmes et souvent rapides.
- Le CLTE des matériaux utilisés pour les surfaces de contact dans les joints statiques et dynamiques est également un facteur important. Des différences significatives dans les changements dimensionnels au cours des variations de température, depuis les conditions de lancement de la fusée jusqu’à un refroidissement extrême et rapide, peuvent avoir un effet négatif sur l’intégrité des joints. Par conséquent, les interfaces des joints des systèmes doivent être prises en compte à leurs températures de service cryogéniques et pas seulement aux températures ambiantes ou d’assemblage.
Résistance aux chocs
Les températures extrêmes fragilisent tous les matériaux dans une certaine mesure. Certains métaux sont plus susceptibles de se briser dans ces conditions que les plastiques à haute performance.
Notes d'application :
- La capacité d’un matériau à conserver un bon niveau de ductilité dans des conditions cryogéniques est importante pour les composants structurels et les boîtiers des engins spatiaux qui peuvent être exposés à de fortes vibrations et à des impacts.
- Les joints des systèmes d’oxygène liquide, d’hydrogène liquide, d’azote liquide et de gaz naturel liquide peuvent être exposés à des contraintes, notamment à des chocs, lors de l’installation avant l’exposition à la cryogénie. Les matériaux présentant une bonne ténacité inhérente peuvent aider à éviter les microfissures liées aux impacts et les défauts de surface qui peuvent devenir des points de défaillance lorsque les températures cryogéniques créent des contraintes dues aux changements dimensionnels, aux pressions de service ou à d’autres forces subies par le système.
Propriétés de roulement et d'usure
Les plastiques hautes performances composés d’additifs lubrifiants solides tels que le graphite, le PTFE et les fibres de carbone donnent de bons résultats dans les applications de roulements et d’usure cryogéniques. En fait, leur résistance à l’usure s’améliore souvent à mesure que la dureté de leurs surfaces augmente sous l’effet des températures cryogéniques. En outre, la cause typique de défaillance des paliers en polymère – l’accumulation de chaleur localisée – est généralement absente en service tribologique cryogénique.
Notes d'application :
- Les applications dans l’équipement des engins spatiaux peuvent avoir des fonctions à la fois structurelles et dynamiques. Par exemple, les composants peuvent être conçus avec des engrenages pour aider au déploiement ou à l’activation de l’appareil. Torlon Les grades PAI et Vespel PI composés de lubrifiants solides tels que le PTFE et le graphite offrent des propriétés de roulement et d’usure améliorées et constituent une option de matériaux viable pour ces applications. Ils éliminent les problèmes associés aux lubrifiants liquides externes qui peuvent se solidifier à des températures cryogéniques et former des particules susceptibles de contaminer les composants opérationnels.
- L’ajout de fibres de verre ou de carbone dans le PAI Torlon augmente la résistance du matériau tout en maintenant la ténacité cryogénique inhérente au polymère. Dans de nombreux cas, ces grades renforcés de fibres – Torlon 5030 et Torlon 7130 – surpassent leurs homologues à lubrification interne dans de nombreuses applications d’usure cryogénique telles que les aubes coulissantes.
- Les joints dynamiques dans les applications de traitement, de stockage, de livraison et de transport de l’oxygène liquide, de l’azote, de l’hydrogène et du gaz naturel liquide bénéficient également de formulations de polymères hautes performances pour les roulements et l’usure. Ces matériaux avancés conservent leur résistance à l’usure sous des charges dynamiques à des températures cryogéniques afin d’assurer la fiabilité à long terme des joints requise dans les applications de manipulation des gaz liquéfiés.
Avantages des polymères avancés en termes de performances
Les polymères avancés sont largement utilisés comme matériaux cryogéniques pour les composants et les joints des engins spatiaux, ainsi que pour les joints et les applications connexes dans les systèmes LOX, LH2, LN2 et LNG.
Ces matériaux, sous forme de pièces usinées, de composants usinés avec précision et de pièces moulées par injection à partir de Drake Plastics ont démontré leur capacité à conserver des propriétés mécaniques robustes dans des conditions cryogéniques. Chaque matériau offre également une isolation thermique et électrique, une isolation et des caractéristiques d’inflammabilité, qui sont des avantages importants pour les engins spatiaux et les équipements à gaz liquéfié où le risque de combustion dû à la proximité de sources d’allumage peut être présent.
Des données complètes sur les indices d’inflammabilité et les propriétés électriques et thermiques des formes usinables de Drakeet des polymères utilisés pour produire les formes et les pièces moulées par injection sont disponibles sur la fiche technique de la résine de Drake.
En outre, les polymères haute performance utilisés dans le cadre du processus Drake résistent à une large gamme de produits chimiques. Chaque matériau est unique à cet égard. Drake PlasticsLes ingénieurs d’application ‘ peuvent aider les clients à accéder aux bases de données de ses principaux fournisseurs de polymères pour obtenir des informations plus détaillées sur la façon dont les produits chimiques et les conditions variables de concentration, de température et de contrainte affectent les performances des composants fabriqués à partir de chaque polymère.
