DD212104A1

DD212104A1 - Verfahren und einrichtung zur ermittlung der rheologischen eigenschaften duenner schichten

Info

Publication number: DD212104A1
Application number: DD24574782A
Authority: DD
Inventors: Bernd Schultrich; Erich Schmidt; Otto Ritzel
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-08-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und ist zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften (Viskositaet, Anelastizitaet) von duennen Schichten auf Festkoerperoberflaechen anwendbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, bei dem die Ermittlung der Rheologie nicht an kompakte Proben des Testmediums oder die vollstaendige Ausfuellung eines Raumes mit dem Testmedium gebunden ist. Diese Aufgaben ist mit einem zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften duenner Schichten auf Festkoerperoberflaechen geeigneten Verfahren nebst zugehoeriger Einrichtung nach der Erfindung dadurch geloest, dass der Festkoerper mit einem Ultraschall-Oberflaechenwellenimpuls beaufschlagt und dieser nach dem Durchlaufen einer Wegstrecke messtechnisch wieder erfasst wird, wobei die Differenz der Amplitude des Eingangs- und des Ausgangsimpulses als Mass der Viskositaet bzw. Anelastizitaet der Schicht einer Auswertung zugefuehrt wird.

Description

245747

Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften dünner Schichten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik und betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften (Viskosität, Anelastizität) von dünnen Schichten auf Festkörperoberflächen, beispielsweise von Schmiermittelschichten auf Stahldraht, welcher zur Kaltumformung durch einen Ziehvorgang vorgesehen ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits'Verfahren bekannt, mit denen die Rheologie von Flüssigkeiten oder Pasten bestimmt werden kann. Die bekannten Verfahren lassen sich auf drei unterschiedliche Prinziplösungen zurückführen. Dabei werden ausgewertet

1. die makroskopische Strömung des Testmediums durch enge Spalte oder Kapillaren in ruhenden oder bewegten Wänden oder

2. die einsinnige oder schwingende Bewegung von Körpern im Testmedium oder

3. die Dämpfung von freien, durch das Testmedium laufenden Ultraschall volumenwellen.

Ein entscheidender ITachteil dieser Verfahren besteht darin, daß sie nicht für die direkte Untersuchung hochzäher dünner Filme anwendbar sind, da sie kompakte Proben oder die vollständige Ausfüllung eines gewissen Probenraumes erfordern. Der dabei realisierte Materialzustand kann sich deutlich von dem bei der

-Q ΠΪ7 IG PO* Π f, y .-; r.n

ZAb 7 4 7 b ²

Ausbildung als dünne Schicht unterscheiden. Dies ist insbesondere bei Substanzen der Pail, deren Viskosität stark von der Deformationsgeschichte abhängt (Thixotropie).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen für-die Ermittlung der Rheologie hochzäher dünner Schichten auf Pestkörperoberflächen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, bei dem die Ermittlung der Rheologie nicht an kompakte Proben des Testmediums oder die vollständige Ausfüllung eines Raumes mit dem Testmedium gebunden ist. '·

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften dünner Schichten auf Festkörperoberflächen nach der Erfindung dadurch gelöst, daß - der Pestkörper mit einem ültraschall-Qberflächenwellenimpuls beaufschlagt und dieser nach dem Durchlaufen einer Wegstrecke meßtechnisch wieder erfaßt wird, wobei die Differenz der Amplitude des Eingangsund des Ausgangsimpulses als Maß der Viskosität bzw. Anelastizität der Schicht einer Auswertung zugeführt wird.

Zur Auswertung wird nach der Erfindung die Amplitude des nach ein- oder mehrmaligem Durchlaufen der Wegstrecke· erfaßten Impulses herangezogen. Zweckmäßig wird der Obe rf lache nwelle-niinpuls mittels eines elektroakustischer Wandlers oder durch thermoelastische Anregung erzeugt.

Zur Durchführung des Verfahrens beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung, bei der ein Impulsgenerator mit einem seiner Ausgänge mit einem an einen Pestkörper ankoppelbaren Ultraschall-Sendewandler und mit einem weiteren Ausgang an einen der Eingänge eines Impulsverstärkers geschaltet ist, dessen zweiter Eingang mit einem an den Pestkörper ankoppelbaren Ultraschall-Empfangswandler und dessen Ausgang mit einem Impulshöhenmesser oder einem Monitor"verbunden ist.

Anstelle des Sende- und Empfangswandlers kann auch ein gemeinsamer Wandler verwendet werden, wobei dieser mit dem zum Impulsverstärker geführten Ausgang verbunden ist. Der Impulshöhenmesser kann nach der Erfindung mit einem Rechner für die Errechnung der rheologischen Eigenschaften der Schicht gekoppelt sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden erstmals die Voraussetzungen geschaffen, um die Rheologie dünner Schichten direkt zu messen* Bisher mußten die Ergebnisse der Messungen an kompakten Proben auf die dünne Schicht übertragen werden, ungeachtet der Tatsache, daß dabei beträchtliche Unsicherheiten, einzukalkulieren sind. Bei der Erfindung dient im Unterschied zu dem bisher bekannten Verfahren der Rheologiebestimmung mittels Ultraschall das dämpfende Medium nicht selbst (oder nur zum geringen Teil) als Träger der Schallausbreitung, sondern ist nur als dämpfendes Element an einem solchen Träger (Pestkörper) angekoppelt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bei bestimmter Frequenz bzw. Wellenlänge und damit bekannter Eindringtiefe der Ultraschalloberflächenwellen möglich, über eine vergleichende Messung an einem Pestkörper ohne Schicht den Anteil der Dämpfung durch die Schicht zu ermitteln. Die Dämpfung ist dabei bei viskosen Schichten direkt proportional der Viskosität und der Schichtdicke, solange die Schichtdicke sehr viel kleiner als die Wellenlänge ist, Da die Ultraschalloberflächenwellen Oberflächenkrümmungen, deren Radius wesentlich größer als die Wellenlänge ist, zu folgen vermag, kann die Oberfläche der Wegstrecke auch gekrümmt sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung- ist nachstehend an zwei Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt mit den Figuren 1 und 2 Ausführungsmöglichkeiten der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beispiel 1

Gemäß Pig. 1 ist eine Impulsquelle 1 mit ihrem einen Ausgang an einen Ultraschall-Sendewandler 2 geschaltet und mit ihrem zweiten Ausgang mit einem der beiden Eingänge eines Impulsver-

stärkers 3 verbunden. Der Ultraschall-Sendewandler 2 ist ebenso wie ein Ultraschall-Empfangswandler 4 an einen Festkörper 5 angekoppelt, auf dem eine Schicht β aus einem Pestschinierstoff aufgebracht ist, deren Viskosität ermittelt werden soll. Der Ultraschall-Empfangswandler 4 ist mit dem zweiten Eingang des Impulsverstärkers 3 verbunden. Am Ausgang des Impulsverstärkers 3 ist ein Impulshöhenmesser 7 mit digitaler Anzeige angeschlossen, an dessen Stelle auch ein Monitor verwendet werden kann.

über den Ultraschall-Sendewandler 2 wird der Pestkörper 5 mit einem Ültraschall-Oberflächenwellenimpuls beaufschlagt. Der Impuls durchläuft die.Wegstrecke bis zum Ultraschall-Empfangswandler 4, wobei seine Amplitude infolge der Dämpfungswirkung der viskosen Schicht 6 verringert wird. Im Impulshöhenmesser 7 bzw. auf dem Monitor wird die Impulshöhe H₁ nach einmaligem und Hp nach dreimaligem Durchlaufen der Wegstrecke 1 gemessen« Der Dämpfungskoeffizient or ergibt sich dann nach der Beziehung

<X = §^r . Ig ^- (in dB/m). . ~ · (I) Davon ausgehend kann die Viskosität -τη nach der Beziehung

E .c²

ermittelt werden, worin bedeuten: f = ültraschallfrequenz S = Elastizitätsmodul des Substrates

c = transversale Schallgeschwindigkeit des Substrates ) = Punktion der Poissonkonstanten des Pestkörpers,

Die Ermittlung der Viskosität ^ aus den Impulshöhen EL und H₂ kann dabei getrennt errechnet oder mittels eines an den Impuls höhenmesser 7 gekoppelten Rechners erfolgen«

Beispiel 2

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 ist der Ausgang einer Impulsquelle 1 mit einem Ultraschall-Sende- und Empfangswandler 8

sowie einem Impulsverstärker 9 verbunden. Der Ultraschall-Sende- und Empfangswandler 8 ist an die Peripherie eines mit einem Festschmierstoff 10 beschichteten Pestkörpers 11 angekoppelt. Am Ausgang des Impulsverstärkers 9 ist ein IQnpulshöhenmesser 12 oder ein Monitor angeschlossen.

Mit dieser Einrichtung wird die Viskosität der Festschinierstoffschicht 10 analog wie im Beispiel 1 ermittelt, wobei die Impulshöhe EL nach einmaligem und E₂ nach zweimaligem Durchlaufen der sich aus dem Umfang des Pestkörpers 11 ergebenden Wegstrecke 1 gemessen wird. Für diesen Fall ergibt"sich der Dämpfungskoeffizient o< nach der Beziehung

OO 1

O< = ψ± . Ig -1 (in dB/m). (III)

In beiden Beispielen ist durch Sichmessungen die Schwächung des Ultraschall-Signals, die durch das Substrat bzw. (im Beispiel 2) durch die Streuung am Meßkopf bewirkt werden, zu eliminieren.

Claims

245747 5 °

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Ermittlung der rheoiogischen Eigenschaften dünner Schichten auf Pestkörperoberflächen, gekennzeichnet dadurch, daß der Pestkörper mit einem Ultraschall-Oberflächenwellenimpuls beaufschlagt und dieser nach dem Durchlaufen einer Wegstrecke meßtechnisch wieder erfaßt wird, wobei die Differenz der Amplitude des Eingangs- und des Ausgangsimpulses als Maß der Viskosität bzw.,der Anelastizität der Schicht.einer Auswertung zugeführt wird. '
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Amplitude des nach ein- oder mehrmaligem Durchlaufen der Wegstrecke erfaßten Impulses zur Auswertung herangezogen wird*
3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Oberflächenwellenimpuls mittels eines elektroakustischen Wandlers oder durch thermoelastische Anregung erzeugt wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Impulsgenerator (1) mit einem seiner Ausgänge mit einem an einen Pestkörper ankoppelbaren ültraschall-Sendewandler (2 ) und mit einem weiteren Ausgang an einen der Eingänge eines Impulsverstärkers geschaltet ist, dessen zweiter Eingang mit einem an den Pestkörper ankoppelbaren Ultraschall-Empfangswandler (4 ) und dessen Ausgang mit einem Impulshöhenmesser (7 ) oder einem Monitor verbunden ist.
5. .Einrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle von Sende- und Empfangswandler ein gemeinsamer Wandler (S) verwendet und dieser mit dem zum Impulsverstärker (3 ) geführten Ausgang des Impulsgenerators ( 1 ) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Impulshöhenmesser (?-f2) mit einem Rechner für die Errechnung der rheoiogischen Eigenschaften der S_chicht gekoppelt ist

Hierzu 1?-- "--!-.Hnungeri