¿Qué son los materiales criogénicos?
Los materiales criogénicos resisten la fragilización y funcionan bien a temperaturas extremadamente bajas. Un número limitado de plásticos entran en esta categoría, y la mayoría son amorfos en su estructura polimérica.
Drake Plastics produce formas mecanizables, piezas mecanizadas de precisión y componentes moldeados por inyección a partir de varios polímeros avanzados que funcionan bien en condiciones criogénicas. Estos termoplásticos de alto rendimiento mantienen sólidas propiedades físicas en entornos con temperaturas inferiores a -150 oC(-238 oF). Su capacidad para seguir siendo resistentes y conformes a temperaturas criogénicas los diferencia de otros polímeros. Esta característica les permite funcionar de forma fiable a temperaturas criogénicas en aplicaciones como juntas estáticas y dinámicas para sistemas implicados en el procesamiento, almacenamiento y transporte de nitrógeno líquido, hidrógeno, oxígeno y gas natural licuado, así como componentes estructurales en equipos de naves espaciales.
Ventajas de los plásticos criogénicos de alto rendimiento
Las ventajas inherentes a los polímeros de alto rendimiento se aplican a una amplia gama de entornos operativos, incluidos gases y líquidos a temperaturas criogénicas. Sus ventajas en comparación con otros polímeros y muchos metales a temperaturas criogénicas incluyen:
- Retención del alargamiento
- Dureza y resistencia a la fractura
- Mantenimiento de la resistencia a la fatiga
- Peso ligero
- Resistencia al desgaste bajo cargas dinámicas sin lubricación externa
- Integridad de estanquidad estática y dinámica fiable
- Aislamiento térmico, aislamiento eléctrico
- Versatilidad de producción por extrusión, moldeo por inyección y mecanizado.
¿Qué materiales criogénicos ofrece DRAKE?
Drake Plastics ofrece formas mecanizables extruidas, componentes mecanizados de precisión y piezas moldeadas por inyección fabricadas con polímeros avanzados que conservan un nivel significativo de sus propiedades y rinden con fiabilidad en aplicaciones criogénicas. Cada material ofrece distintos perfiles de propiedades para satisfacer los requisitos de diversas aplicaciones criogénicas. Características generales de estos materiales:
- Torlon® PAI: Torlon PAI presenta una resistencia estructural superior a temperaturas extremas en comparación con otros materiales avanzados. La tecnología de polímeros PAI ha permitido desarrollar grados de rodamiento y desgaste que aumentan enormemente la vida funcional de los componentes sometidos a cargas dinámicas. La tecnología también ha dado lugar a formulaciones con refuerzo de fibra de carbono o de vidrio que aumentan significativamente la resistencia estructural respecto a los grados sin relleno.
- Vespel® PI: Considerada lo último en rendimiento global entre los polímeros avanzados, la poliimida Vespel está disponible en formas mecanizables y piezas mecanizadas de precisión. También hay disponibles piezas conformadas directamente. Los grados sin relleno y para cojinetes y desgaste satisfacen las exigencias de rendimiento de las juntas estáticas y dinámicas para líquidos criogénicos, así como de los componentes estructurales en condiciones criogénicas.
- Drake PCTFE: El PCTFE, un fluoropolímero de alto rendimiento, lleva décadas especificándose en aplicaciones criogénicas de oxígeno líquido (LOX), hidrógeno líquido (LH2), nitrógeno líquido (LN2) y gas natural líquido (GNL). Sus propiedades incluyen una alta resistencia, así como una inflamabilidad V-0 y un alto Índice Límite de Oxígeno (LOI) de 95 que mejoran la resistencia a la combustión cuando puede haber fuentes de ignición. También resiste la degradación de sus propiedades cuando se expone a la radiación. Esta combinación de ventajas de rendimiento ha provocado un rápido crecimiento como material para juntas que deben funcionar de forma fiable a temperaturas criogénicas en equipos de naves espaciales.
- Drake CryoDyn® CT-200: Desarrollado para aplicaciones criogénicas de sellado de líquidos como alternativa al PCTFE, CryoDyn es un material basado en PEEK con las propiedades físicas y la resistencia química que caracterizan al polímero PEEK. La investigación sobre los requisitos del material para aplicaciones criogénicas condujo al desarrollo de un compuesto basado en PEEK con una segunda fase polimérica. La tecnología del material permite a CryoDyn CT-200 funcionar a temperaturas criogénicas que superan la capacidad de los compuestos sin relleno y otros compuestos tradicionales PEEK.
- PTFE y otros fluoropolímeros estándar: Drake mecaniza con precisión piezas de PTFE y otros fluoropolímeros para complementar su línea de productos de materiales criogénicos. Los fluoropolímeros como el PTFE no suelen considerarse materiales de alto rendimiento, principalmente por su baja resistencia. Sin embargo, a menudo son la mejor elección de material cuando la resistencia al impacto, la resistencia química y el coste son consideraciones clave, y los requisitos estructurales son bajos.
- Nota de ingeniería sobre PEEK y PPS: Aunque son polímeros importantes en la línea de productos de alto rendimiento de DRAKE, el PPS y los grados estándar PEEK no suelen considerarse para aplicaciones criogénicas. Como polímeros semicristalinos, se fragilizan a temperaturas inferiores a -60 o C (-76 oF).
Datos de las propiedades criogénicas de los plásticos de alto rendimiento
Los proveedores de resinas generan datos de propiedades basados en muestras de ensayo, métodos de ensayo y condiciones de ensayo normalizados de la industria. Estos ensayos de hoja de datos estándar se realizan rutinariamente a temperatura ambiente y elevada para todos los grados de resina. Sin embargo, sólo unos pocos proveedores realizan pruebas de propiedades a temperaturas criogénicas, y sólo sobre una selección limitada de propiedades y grados. Un ejemplo son los datos de propiedades disponibles sobre el polímero criogénicoCryoDyn de Drakey sobre la resina PCTFE (Tabla 1). Además, las condiciones de ensayo pueden variar entre los proveedores de diferentes resinas. Todos estos factores dificultan las comparaciones directas de los datos de propiedades de los materiales criogénicos.
No obstante, es posible desarrollar opciones de materiales para aplicaciones criogénicas. En el caso de la PAI Torlon, se dispone de datos de propiedades mecánicas a temperaturas de prueba criogénicas para cuatro tipos diferentes: sin relleno, con cojinetes y mejorada contra el desgaste, y grados reforzados con fibra de carbono y fibra de vidrio (Tabla 2). Los datos de propiedades criogénicas disponibles sobre estos grados representativos pueden ayudar a evaluar la viabilidad de formulaciones similares.
Propiedades típicas de la ficha técnica como herramienta de selección de materiales
Los polímeros que ofrece Drake para aplicaciones criogénicas conservan bien las propiedades mecánicas a estas bajas temperaturas extremas asociadas con el nitrógeno líquido, el hidrógeno líquido, el oxígeno líquido y el gas natural líquido, basándonos en la experiencia. Comparar las propiedades “estándar” de sus hojas de datos y tener en cuenta los efectos de estos gases a temperaturas criogénicas, como se indica a continuación, puede ser otro punto de partida útil.
Los datos completos de las propiedades realizadas en condiciones de prueba estándar de todos los materiales de Drake están disponibles en datos de formas mecanizables y hojas de datos de resinas de los proveedores de polímeros.
En última instancia, la mejor práctica dicta que los prototipos y las piezas de producción se prueben en las condiciones de funcionamiento criogénico reales de la aplicación para validar el rendimiento en uso.
Cómo afectan las temperaturas criogénicas a las propiedades de los materiales
La exposición a temperaturas de congelación extremas afecta en cierta medida a varias propiedades de todos los polímeros. Los materiales suelen volverse más rígidos y presentan un aumento de las propiedades de flexión y compresión, acompañado de una reducción del alargamiento por tracción y de la resistencia al impacto. La resistencia al desgaste suele mejorar debido al aumento de la dureza superficial y a la disipación acelerada del calor. La estabilidad dimensional durante las transiciones rápidas de temperatura también puede afectar a la integridad de las juntas estáticas y dinámicas.
Aunque cada aplicación tiene sus requisitos específicos de rendimiento, las siguientes propiedades y cómo les afectan las condiciones criogénicas son importantes a la hora de evaluar los materiales para el servicio a temperaturas extremadamente bajas:
Propiedades mecánicas
Las temperaturas criogénicas hacen que los materiales se vuelvan más rígidos, aumentando su resistencia a la flexión y a la compresión y su módulo. Al mismo tiempo, el frío extremo reduce el alargamiento por tracción y la ductilidad de un material.
Notas de aplicación:
- El efecto de las condiciones criogénicas en las propiedades mecánicas son factores importantes para las aplicaciones estructurales en equipos de vuelo espacial. Al tiempo que aumenta la rigidez, los materiales deben tener la resistencia necesaria para soportar vibraciones y tensiones durante la propulsión, la recuperación, el acoplamiento, el despliegue de aparatos y otras operaciones.
- Un aumento significativo del módulo de compresión debido a las temperaturas criogénicas es también una importante consideración de ingeniería para las juntas. Unas propiedades de compresión elevadas pueden impedir que las juntas se adapten a las superficies de contacto y consigan un contacto uniforme.
CLTE y estabilidad dimensional
Un material criogénico puede experimentar la proximidad de fuentes de ignición calientes, así como temperaturas de congelación extremas en el vacío asociado al espacio profundo. Atravesar temperaturas extremas de altas a bajas puede crear un nivel significativo de expansión y contracción térmicas. Un material polimérico de alto rendimiento con un bajo coeficiente de dilatación térmica del revestimiento (CLTE) puede proporcionar la estabilidad dimensional necesaria para que los componentes operativos críticos, como los recipientes y los dispositivos de alivio de presión, funcionen con fiabilidad. Y a diferencia de los metales, el coeficiente de dilatación térmica de los polímeros no es lineal, sino que aumenta al aumentar la temperatura.
Notas de aplicación:
- El coeficiente de dilatación térmica del revestimiento (CLTE) de los polímeros para piezas estructurales y alojamientos en naves espaciales puede diferir del comportamiento de dilatación térmica de los materiales en superficies de contacto y fijaciones. Los materiales con propiedades de expansión térmica similares pueden minimizar el riesgo de agrietamiento por tensión debido a cambios dimensionales significativos por variaciones de temperatura extremas y a menudo rápidas.
- El CLTE de los materiales utilizados para las superficies de contacto en las juntas estáticas y dinámicas también es un factor importante. Las diferencias significativas en los cambios dimensionales a lo largo de las oscilaciones de temperatura, desde las condiciones de lanzamiento de cohetes hasta el enfriamiento extremo y rápido, pueden afectar negativamente a la integridad de las juntas. Por tanto, las interfaces de las juntas del sistema deben considerarse a sus temperaturas de servicio criogénico y no sólo a las temperaturas ambiente o de montaje.
Resistencia a los impactos
Las bajas temperaturas extremas fragilizan todos los materiales en cierta medida. Algunos metales son más propensos a romperse en estas condiciones que los plásticos de alto rendimiento.
Notas de aplicación:
- La capacidad de un material para conservar un buen nivel de ductilidad en condiciones criogénicas es importante para los componentes estructurales y las carcasas de los equipos de las naves espaciales que pueden estar expuestos a fuertes vibraciones e impactos.
- Las juntas de los sistemas de oxígeno líquido, hidrógeno líquido, nitrógeno líquido y gas natural líquido pueden estar expuestas a tensiones, incluido el impacto, durante la instalación previa a la exposición criogénica. Los materiales con una buena tenacidad inherente pueden ayudar a evitar microfisuras y defectos superficiales relacionados con el impacto, que pueden convertirse en puntos de fallo cuando las temperaturas criogénicas crean tensiones por los cambios dimensionales y las presiones de servicio u otras fuerzas que experimenta el sistema.
Propiedades de rodamiento y desgaste
Los plásticos de alto rendimiento compuestos con aditivos lubricantes sólidos, como el grafito, el PTFE y las fibras de carbono, funcionan bien en aplicaciones criogénicas de cojinetes y desgaste. de hecho, su resistencia al desgaste suele mejorar a medida que aumenta la dureza de sus superficies debido a las temperaturas criogénicas. Además, la causa típica del fallo de los cojinetes poliméricos -la acumulación localizada de calor- suele estar ausente en el servicio tribológico criogénico.
Notas de aplicación:
- Las aplicaciones en los equipos de las naves espaciales pueden tener funciones tanto estructurales como dinámicas. Por ejemplo, los componentes pueden diseñarse con engranajes para ayudar a desplegar o activar aparatos. Torlon Los grados PAI y Vespel PI compuestos con lubricantes sólidos como PTFE y grafito ofrecen mejores propiedades de rodamiento y desgaste y son una opción viable de materiales para estas aplicaciones. Eliminan los problemas asociados a los lubricantes líquidos externos que pueden solidificarse a temperaturas criogénicas y formar partículas que pueden contaminar los componentes operativos.
- La adición de fibras de vidrio o carbono en Torlon PAI aumenta la resistencia del material, manteniendo la tenacidad criogénica inherente al polímero. En muchos casos, estos grados reforzados con fibras – Torlon 5030 y Torlon 7130 – superan a sus homólogos lubricados internamente en muchas aplicaciones de desgaste criogénico, como los álabes deslizantes.
- Las juntas dinámicas en aplicaciones de procesamiento, almacenamiento, suministro y transporte de oxígeno líquido, nitrógeno, hidrógeno y gas natural licuado también se benefician de las formulaciones de polímeros de alto rendimiento para rodamientos y desgaste. Estos materiales avanzados mantienen su resistencia al desgaste bajo cargas dinámicas a temperaturas criogénicas para proporcionar la fiabilidad de estanquidad a largo plazo requerida en las aplicaciones de manipulación de gas licuado.
Ventajas relacionadas con el rendimiento de los polímeros avanzados
Los polímeros avanzados se han generalizado como materiales criogénicos para componentes y juntas de equipos de naves espaciales, y para juntas y aplicaciones relacionadas en sistemas de LOX, LH2, LN2 y GNL.
Estos materiales en forma de formas mecanizables, componentes mecanizados de precisión y piezas moldeadas por inyección de Drake Plastics han demostrado su capacidad para mantener propiedades mecánicas robustas en condiciones criogénicas. Cada material ofrece también aislamiento térmico y eléctrico y grados de aislamiento e inflamabilidad, que son ventajas importantes para las naves espaciales y los equipos de gas licuado en los que puede existir riesgo de combustión debido a la proximidad de fuentes de ignición.
En la hoja de datos de resinas de Drakeencontrarás datos completos sobre los grados de inflamabilidad y las propiedades eléctricas y térmicas de las formas mecanizables de Drakey de las resinas utilizadas para producir formas y piezas moldeadas por inyección.
Además, los polímeros de alto rendimiento que procesa Drake resisten una amplia gama de sustancias químicas. Cada material es único en este sentido. Drake Plastics’ pueden ayudar a los clientes a acceder a las bases de datos de sus principales proveedores de resinas para obtener información más detallada sobre cómo afectan las sustancias químicas y las condiciones variables de concentración, temperatura y tensión al rendimiento de los componentes fabricados con cada polímero.
