就地氢气输送基础设施用普通高分子材料的高压氢摩擦学试验

氢气是一种很有前途的潜在燃料，可用于近零排放的车辆。为了实现氢经济，需要一个加氢基础设施。基础设施中的典型组件包括压缩机、执行器、阀门、调节器和软管。

其中许多包括金属和聚合物材料的某种组合。虽然这些组件中使用的大多数金属的相容性和高压氢环境都经过了大量研究，但研究高压氢对聚合物相容性影响的工作相对较少。在设计动态密封件和部件时，了解聚合物在高压氢气下的摩擦和磨损性能可能非常重要。

由于聚合物的密度较低且对小分子扩散敏感，因此氢的影响可能比金属更大。在本视频中，我们将介绍我们开发的一种原位测试方法，用于测量聚合物在高达 4000 psi 的高压氢气环境下的磨损和摩擦性能。警告说明。

该实验需要在高压下使用氢气，并且需要格外小心。氢气无臭、无色，因此人类感官无法察觉。氢气高度易燃，燃烧时发出几乎看不见的蓝色火焰，在氧气存在下会形成爆炸性混合物。

超过 1， 000 psi 的高压会增加额外的爆炸危险，必须适当规划这些危险，为任何测试做准备。这种储存的能量代表着严重的安全隐患。因此，在开始此类实验之前，必须进行尽职调查、规划和安全评估，以确保减轻这些危害。

此处介绍的实验是根据适当的安全预防措施在 ASME 认证的压力容器中进行的，爆破片设置为 5， 000 psi，并有适当的通风。为了分析弹性体在高压氢气环境中的摩擦和磨损，我们设计了一种独特的原位摩擦计，可在 4， 000 psi 的密封压力容器中运行。摩擦计测量以线性往复方式移动弹性体样品与与样品接触的垂直负载钢销所需的原位摩擦力。

此外，线性可变差动变压器 （LVDT） 可测量测试过程中钢球在聚合物表面的原位压痕程度。为了制备弹性体样品，我们通过去除制造过程中涂抹的油和滑石粉来清洁聚合物板材。然后使用非研磨性海绵用肥皂和水清洗聚合物片材。

为了去除清洗过程中残留的水分，请在设置为材料最高工作温度的约 85% 的干燥箱中将聚合物条干燥约 72 小时。然后让样品冷却至室温。在进行摩擦学测试之前，将清洗和干燥的聚合物条存放在接近 25% 相对湿度的湿度受控环境中。

现在聚合物条已经准备好了，戴着无粉手套，用单侧箭头标记聚合物条的一端。在距离第一个标记约一英寸的空间中，沿与第一个标记相同的方向绘制第二个箭头。这些标记将确保在封片过程中样品方向一致。

现在在第二个箭头周围放置一个 7/8 英寸的圆形染料，并使用染料从聚合物条上切下样品试样。松开六角帽螺钉，将样品夹固定在原位摩擦计上。从样品夹的近角拆下螺钉和精密弹簧。

注意确保样品试样上标记的箭头指向原位摩擦计的背面，将样品试样滑入样品夹中。将精密弹簧和六角头螺钉重新插入近角槽。将 0.113 英寸的量块插入样品夹具顶部和底部的间隙中，并拧紧六角头螺钉，直到夹具在量块周围拧紧，确保量块对样品的压缩率达到 10%。

确保摩擦计的电源关闭后，要设置样品台的初始位置，请沿原位摩擦计壁在驱动螺钉下方放置一个 0.95 英寸的量块。使用驱动链，沿驱动螺钉向后移动样品台，直到样品台与量块紧贴。为了准备用于实验的原位摩擦计，首先用软布和适当的溶剂（在本例中为丙酮）清洁钢球的表面，以去除钢球上任何潜在的聚合物转移膜。

将青铜球架滑到垂直于样品滑架的导轨上，使反球滑入锁孔并放在聚合物样品上。将铜固定砝码放在青铜支架上。使用六角扳手和两个青铜螺钉，将 LVDT 测量臂重新安装到青铜支架上，使 LVDT 的自由浮动圆柱体靠在臂上。

调整将 LVDT 固定到位的夹具，使 LVDT 在零点附近进行测量。将摩擦计组件降低到压力容器中，确保容器顶部法兰上的热井下降到摩擦计和容器壁之间的间隙中。用两层半 PTFE 胶带包裹哈氏合金 O 形圈，然后将 O 形圈放入压力容器唇部的凹槽中。

重新连接摩擦计电机的 5 根电源线、称重传感器的 4 根数据线和 LVDT 的 5 根数据线。现在，要密封压力容器，请降低压力容器的顶部法兰以将其关闭，注意将顶部轻轻降低到 PTFE 包裹的 O 形圈上。降低时，请注意数据线和电源线的位置，以免它们被夹在盖子和镜头环之间。

将螺栓按升序插入顶部法兰上的编号孔中，直到用手拧紧。使用六角扳手按升序拧紧法兰螺栓，然后用手拧紧并重复，直到螺栓无法再拧紧。从 90 英尺磅开始，以 30 英尺磅的增量增加，使用扭矩扳手按升序拧紧法兰螺栓，直到它们被拧紧到 200 英尺磅。

这部分实验需要使用高压氢气。在使用易燃和高压气体时，考虑全面的安全评估和适当的安全系数至关重要。将世伟洛克气体接头连接到高压釜盖上，用大约 80 psi 氩气的低压冲洗压力容器约一小时，直到容器的氧含量降至 10 ppm 以下。

一旦氧气水平达到安全水平，以低于每秒 40 psi 的速度缓慢地用 99.995% 纯度的氢气冲洗容器至 1000 psi，然后缓慢排出气体。再重复刷新过程两次。冲洗压力容器后，缓慢向压力容器中注入高达 2， 000 psi 的氢气，并让容器静置 10 分钟，使容器内的气体温度平衡至室温。

继续向容器中填充高压氢气，这次最高 3， 000 psi，然后再等待 10 分钟。最后，用氢气将容器加热至 4， 000 psi 的目标压力，并关闭所有阀门。在开始实验之前，让聚合物样品在氢气中浸泡约 12 小时。

该实验进行 1 小时的线性运动，相当于样品台的 120 次线性往复循环。在实验过程中，称重传感器测量将弹性体样品试样表面滑过加载的钢球所需的力。此外，LVDT 还测量钢球进入弹性体样品的穿透深度随时间的变化。

实验完成后，以低于每秒 50 psi 的速率缓慢减压系统，以防止可能的爆炸性减压，从而损坏聚合物样品表面，不代表任何摩擦或磨损机制。根据称重传感器测得的摩擦力（称为 F of k）和钢球施加的法向力（称为 F of n），可以计算出动摩擦系数 mu。使用 LVDT 针入深度数据 x，以及压力、体积和时间、磨损系数、材料的耐磨性。

这些图包含使用本视频中描述的测试方法收集的代表性数据，同时测试 EPDM 橡胶和高压氢气（蓝色数据）和环境压力空气（黑色数据）。在此处显示的数据集中，与环境空气相比，EPDM 聚合物样品上钢球的摩擦系数在高压氢气中增加。然而，EPDM 样品在高压氢气中的耐磨性低于在环境压力空气中的耐磨性。

这很可能是由于加压样品的密度增加。氢燃料输送基础设施正在迅速扩展，以满足新型替代燃料汽车的需求。这种基础设施的安全性和可靠性将取决于了解软材料与高压氢的相容性。

在这里，我们展示了一种测试方法，使用独特的原位摩擦计在高压氢环境中测量聚合物材料的摩擦学性能。该测试方法可用于评估聚合物材料在氢基础设施中的适用性。