原位高压氢气条件下输氢基础设施常用聚合物材料的摩擦学性能测试

摘要

本文展示了一种用于量化在氢气基础设施中使用的聚合物摩擦学性能的测试方法，并讨论了一种常见弹性体的典型测试结果。

摘要

高压氢气已知会对压缩机、阀门、软管和执行器等部件的金属组分产生不利影响。然而，对于同样存在于这些部件中的聚合物密封材料和阻隔材料在高压氢气环境下的性能变化，目前了解相对较少。为了确定氢燃料输送基础设施中常见聚合物材料与高压氢气的相容性，还需开展更多研究。因此，有必要关注摩擦、磨损等物理性能的变化情况 原位 在聚合物暴露于高压氢气的同时。在本方案中，我们介绍了一种使用自行搭建的装置在28 MPa高压氢气环境下测试三元乙丙橡胶（EPDM）弹性体样品摩擦与磨损性能的方法。 原位 销-盘式线性往复摩擦磨损试验机。测试得到的代表性结果表明，在高压氢气环境中，EPDM样品与钢对磨表面之间的摩擦系数相较于在环境空气中的测量值有所升高。

引言

近年来，氢气作为一种潜在的零排放或近零排放燃料，在车辆和固定式动力源领域引起了广泛关注。由于氢气在室温下以低密度气体形式存在，大多数应用采用某种形式的压缩氢气作为燃料。^1,2 使用高压压缩氢气的一个潜在缺点是其与基础设施^2,3,4 以及车辆应用⁵ 中许多材料的不相容性，其中兼容性问题还伴随着反复的压力和温度循环。纯氢环境已知会通过多种机制（包括氢化物形成、膨胀、表面起泡和脆化）对金属部件（如某些钢材和钛合金）造成损伤。^2,6,7,8 用于压电陶瓷的非金属部件（如锆钛酸铅（PZT））也被证实会因氢不相容效应（如表面起泡和铅迁移）而发生降解。^9,10,11

方案

本实验需要使用氢气，氢气无色无味，无法通过人类感官察觉。氢气具有高度可燃性，燃烧时产生几乎不可见的蓝色火焰，并可在氧气存在下形成爆炸性混合物。超过 6.9 MPa 的高压会带来额外的爆炸风险，因此在开展任何测试前必须对此进行充分规划。如此高能量的储存构成严重的安全隐患，因此在开展此类实验前，必须进行审慎的评估、周密的计划和安全评估，以确保这些风险得到有效缓解。本文所述实验是在符合适当安全防护措施的条件下进行的，使用经美国机械工程师学会（ASME）认证的压力容器，并配备设定爆破压力为 34.5 MPa 的爆破片，且具备良好的通风条件。

1. 聚合物片材储备液的制备

1. 使用非研磨性海绵将洗涤剂涂抹在三元乙丙橡胶（EPDM）聚合物片材原料上，并在水中冲洗约 3 分钟，以去除制造和运输过程中残留的油渍和滑石粉。
2. 将聚合物片材置于干燥烘箱中，在材料工作温度的 85% 条件下（EPDM 约为 75 °C）干燥约 72 小时，以彻底去除清洗后残留的水分。
3. 关闭烘箱，使聚合物片材原料在烘箱内冷却至室温。
4. 在片材原料的一角标记一个箭头，指向聚合物片材的顶部。该箭头有助于在样品试件制备过程中识别片材的方向，确保从聚合物片材上切割出的样品具有统一的取向。
5. 在进行摩擦学测试前，将聚合物原料片材储存在温度为室温、湿度受控（相对湿度约为 25%）的环境中。

结果

采用本方法，可在高压氢气环境中测量弹性体样品的动摩擦系数和磨损因子。图1 所示的代表性数据表明，在高压氢气环境中，推动三元乙丙橡胶（EPDM）聚合物样品在钢对磨表面下滑动需要更大的力。利用法向力 F_N 与摩擦力 F_K 之间的关系，可确定 EPDM 样品与钢球之间的摩擦系数 µ。图2 展示了该数据，其中在氢气环境中测试的 EPDM 样品比在环境空气下测试的样品表现出更高的摩擦系数。该结果表明，与环境空气相比，在高压氢气环境中，EPDM 聚合物与钢表面之间的滑动接触会产生更大的摩擦。

图3显示，在高压氢气中，钢对磨表面侵入EPDM聚合物样品的穿透深度小于在环境空气样品中测得的深度。与之前的研究²⁶

讨论

目前用于聚合物材料摩擦学测试的ex situ技术要求将样品暴露于高压氢气中，然后在使用商用摩擦仪测试前进行减压。^15,24,25 本实验方案中的测试方法旨在实现在高压环境下对聚合物样品的摩擦学性能进行原位（in situ）测试。通过在加压状态下对聚合物材料（例如上文所述的EPDM样品）进行测试，该方案能够更真实地测量氢气输送基础设施组件中所存在的高密度、受压压缩聚合物样品的性能。由于材料的摩擦学性能是在原位条件下测得，因此可有效减少传统ex situ方法中因减压过程（如爆炸性减压）所导致的数据异常。

该方案要求将附着在摩擦计仪器上的聚合物样品进行充分的浸泡，以确保氢气完全扩散至整个聚合物样品内部，对于EPDM而言，浸泡时间约为12小时。因此，在高压氢气环境下测量聚合物样品的摩擦学性能时，本方案所用摩擦计的金属功能部件和结构部件.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EPDM 聚合物原料板	McMaster-Carr	8525T68	24" x 24", 1/8" 厚
压力容器，高压灭菌器	Fluitron Inc.	8308-1788-U	5" 直径，1' 高
高纯度氢气	Praxair	HY4.5	4.5 级，5 ppm O₂，5 ppm H₂O
O₂ 传感器	Advanced Micro Instruments	T2	量程最小 0–5 ppm，最大 100,000 ppm
预纯化氩气	Oxarc	LCCO-HP818	高纯度，99.998%
液体洗洁精	McMaster-Carr	98365T89	32 盎司倾倒瓶，柠檬香味
防霉海绵	McMaster-Carr	7309T1	6" 长 × 3-1/2" 宽 × 1" 高，黄色
聚四氟乙烯管螺纹密封带	McMaster-Carr	4591K12	1/2" 宽，白色
气体管路接头	Swagelok	SS-400-1-4	外径 1/4"，不锈钢，外螺纹 NPT
锤击式冲模	McMaster-Carr	3427A22	7/8" 锤击式冲孔器
线性可变差动变压器	Omega	LD320-2.5	2.5 mm，交流输出，带弹簧导向
高压灭菌器 O 形密封圈	Fluitron Inc.	A-4511	哈氏合金 C-276，外径 5-3/4" × 内径 5" × 3/8"
扭矩扳手	McMaster-Carr	85555A422	可调限矩扳手，快速释放，1/2" 方驱，扭矩范围 50–250 英尺·磅
木槌	McMaster-Carr	5939A11	硬质与超硬橡胶锤，2-1/4 磅
iLoad Mini 电容式载荷传感器	Loadstar Sensors	MFM-050-050-S*C03	50 磅，U 级校准，精度 0.5%，钢制