L'effet des températures cryogéniques sur les matières plastiques

Températures cryogéniques et plastiques hautes performances

La cryogénie est l'étude de la production et du comportement des matériaux à très basse température. Un environnement cryogénique présente des températures inférieures à -150°C. De nombreuses industries modernes utilisent la cryogénie dans une grande variété d'applications. Certaines de ces applications incluent les carburants cryogéniques, le matériel de vaisseau spatial ainsi que des machines pour la médecine et la bioscience. Les applications incluent les congélateurs et l'imagerie par résonance magnétique (IRM), les accélérateurs de particules et les aimants supraconducteurs. Curbell Plastics® a récemment publié un livre blanc du Dr Keith Hechtel sur l'effet des températures cryogéniques sur certains plastiques courants de haute performance. Cet article résume brièvement certains des principaux points du livre blanc.

1. Propriétés mécaniques

D'une manière générale, tous les matériaux présentent une dureté et une rigidité supérieures lorsqu'ils sont exposés à des températures cryogéniques. Par exemple, le module de compression du PTFE augmente de 100 kpsi à 900 kpsi lorsqu'il est refroidi de la température ambiante à 20 °K (-424 °F). Cependant, les matériaux à des températures cryogéniques deviennent plus fragiles et ont une résistance aux chocs Izod et un allongement à la traction inférieurs. L'allongement en traction décrit jusqu'où un matériau se pliera sous pression avant de se casser. Les plastiques sont déjà plus susceptibles de se casser que de nombreux métaux. Par conséquent, des précautions particulières doivent être prises lors de l'utilisation de plastiques dans une conception pour un environnement cryogénique soumis à une pression ou à un impact élevé.

2. Propriétés thermiques

Il est important de prendre en compte le CTE ou le coefficient de dilatation thermique élevé des plastiques lors de la conception de composants en plastique pour une application cryogénique. Fondamentalement, les plastiques ont tendance à rétrécir plus que les autres matériaux lorsqu'ils sont refroidis et à se dilater davantage lorsqu'ils sont chauffés. Par exemple, lorsque les matériaux sont refroidis de la température ambiante à près de 0°K, le PTFE se contracte de 2,2 % tandis que l'aluminium se contracte de moins de 0,5 %. Ce retrait peut poser de réels problèmes dans les applications où les composants métalliques et plastiques doivent rester en contact étroit. Hechtel souligne également que les fibres de carbone et de verre peuvent être utilisées pour atténuer ce problème de rétrécissement.

3. Friction et usure

Le traitement cryogénique ou le durcissement est utilisé depuis les années 1960 pour augmenter la résistance à l'usure de l'acier. Les mêmes principes de base s'appliquent également aux plastiques. De manière générale, plus le matériau est dur, plus le frottement et l'usure sont faibles. Hechtel utilise l'exemple d'une chaussure de sport par rapport à une chaussure de ville :la chaussure de sport a une semelle plus souple et crée plus de friction contre le sol. Les plastiques deviennent plus durs à mesure que les températures baissent et présentent donc moins de friction. Les roulements en plastique, par exemple, ont l'avantage supplémentaire de montrer une bonne résistance à l'usure même sans lubrification. Cette propriété est particulièrement importante aux températures cryogéniques. De nombreuses huiles et autres lubrifiants peuvent fonctionner moins efficacement à ces températures très basses.

Pour plus d'informations et un large éventail de graphiques illustratifs, veuillez consulter le livre blanc original.

Travaillez-vous avec des environnements cryogéniques dans votre industrie ? Parlez-moi de cela dans la section commentaires ci-dessous.

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