DE19841968C1

DE19841968C1 - Verfahren zur Bestimmung der Haftung in einem Schichtverbund

Info

Publication number: DE19841968C1
Application number: DE1998141968
Authority: DE
Inventors: Brigitte Schulz; Gerd Krafft; Lazlo Dusza
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2018-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Haftung in einem Schichtverbund. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren so auszugestalten, daß die Haftung aus Temperatur-Zeitmessungen bestimmt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch Bestrahlen einer Seite des Schichtverbundes mit einem kurzen Laserimpuls, Erfassen des zeitlichen Temperaturverlaufs, der durch diesen Laserimpuls verursacht wird auf der anderen Seite des Schichtverbundes, Bestimmen des thermischen Kontaktwiderstandes durch Anpassen des zeitlichen Temperaturverlaufs an die mathematische Lösung eines Zweischichtenmodells.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Haftung in einem Schichtverbund.

Verbindungswerkstoffe zum Fügen von Teilen werden in der Indu strie in zunehmendem Maß eingesetzt.

Die meisten praktizierten Prüfverfahren zur Bestimmung der Haft festigkeit, wie z. B. der Zugtest sind zerstörend. Die wenigen zerstörungsfreien Methoden, wie z. B. die Ultraschalluntersu chung, liefern nur Information über die Fehlstellen, aber nicht über die Güte des Kontakts (Habenicht G., 1997, "Kleben", Sprin ger Verlag). Beim Laserflash-Prinzip (Bräuer G., Dusza L., Schulz B.: "The New Laser Flash Equipment LFA-427". Interceram 41 7/8, 1992.) wird dem Probekörper an der vorderen Seite kurz zeitig ein Energiepuls zugeführt und die Temperaturänderung an der Rückseite wird gemessen. Die Zeit des Temperaturanstiegs hängt in erster Linie bei homogenen Materialien von der Länge und Temperaturleitfähigkeit der Probe ab. Die Laserflash-Methode wird weltweit zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit be nutzt. Die Ansätze zur Bestimmung des thermischen Kontaktwider stands mit der Laserflash-Methode waren wegen der unvollständi gen mathematischen Lösung nicht erfolgreich (Balageas D. L., Krapez J. C., Cielo P., 1986, "Pulsed photothermal modeling of layered material", J. Appl. Phys., 59 (2) 348-57).

Der thermische Kontaktwiderstand, als das Maß für die Verbindung zweier Materialien, kann nun mit dem neuen korrekten mathemati schen Modell (Dusza L., 1996, "Determination of Thermal Contact Resistance with Heat Loss Correction Using the Flash Method". High Temp.-High Press, 1995/1996, 27/28, 475-483) bestimmt werden.

Aus der DE 33 37 000 T1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Ei genschaften von Oberflächenschichten bekannt, bei dem mit einem frequenzmodulierten Lichtstrahl eine thermische Oberflächenwelle erzeugt wird. Aus dem Phasenwinkel der thermischen Welle kann die Schichtdicke bestimmt werden.

Des weiteren ist aus der DE 35 31 215 A2 ein Verfahren bekannt, bei dem mit Hilfe von Wärmeleitfähigkeitsmessungen Fehler in der Anhaftung einer Oberflächenschicht auf einem Träger qualitativ bestimmt werden können. Quantitative Aussagen über die Haftung der Schicht können bei beiden Verfahren nicht gewonnen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Haftung in einem Schichtverbund zur Verfügung zu stellen, wel ches auf einer Temperatur-Zeitmessung beruht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.

Der thermische Kontaktwiderstand ist der Widerstand des Wärme transports an einer Grenzfläche. Ein hoher thermischer Kontakt widerstand bedeutet schlechte Übertragung der Wärmewellen, was auf eine schlechte Ankopplung der zwei Materialien an der Grenz fläche hinweist. Der thermische Kontaktwiderstand ist dement sprechend umgekehrt proportional zur Adhäsion. Das erfindungs gemäße Verfahren beruht darauf, daß die Haftung aus dem thermi schen Kontaktwiderstand bestimmt werden kann. Dieses neue zer störungsfreie, berührungslose und schnelle Verfahren kann in der Industrie zur Bestimmung der Haftfestigkeit, bzw. zur Kontrolle des Aushärtungs- oder des Trocknungsprozesses im verbindenden Medium eingesetzt werden. Die Methode ist ebenfalls geeignet zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffes.

Gegenüber den Ultraschall-Verfahren wird mit dem neuen Verfahren nicht nur das Vorhandensein der Fehlstellen ermittelt (als Ja- Nein-Antwort), sondern die quantitativen Ergebnisse reagieren auf die feinen Änderungen in der Verbindung. Früher war die Er fassung der zeitlichen Änderung in der Verbindung nur mit ande rer Art Prüfmethoden möglich, wie DSC (Differential Scanning Ca lorimeter) oder DMA (Dynamic Mechanical Analyse).

Der thermische Kontaktwiderstand signalisiert Fehlstellen und Ungleichmäßigkeiten in einer Verbindung.

Die Methode des thermischen Kontaktwiderstands kann in der Pro duktion, Qualitätssicherung und in den Entwicklungslabors in den Gebieten wie z. B. Farben- und Lackindustrie, Klebstoffindu strie, Hersteller von Schichtwerkstoffen, Auto- und Flugzeugin dustrie eingesetzt werden. Die Qualität von verschiedenen Ver bindungstechniken kann ebenfalls untersucht werden, wie bei Lö ten, Schweißen oder bei der Beschichtung mit Coatings (z. B. von Turbinen).

Mit der neuen Methode kann der zeitliche Verlauf von Trocknungs- und/oder Härtungsprozessen im Zwischenmedium ebenfalls unter sucht werden.

Bei der Bestimmung der Haftfestigkeit eines Klebers wird zusätz lich die Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffes ermittelt.

Die Dicke der zu untersuchenden Probe kann zwischen ca. 0.06 mm und 6 mm liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher er läutert. Nach dem Auftreffen eines kurzen Laserimpulses auf eine Probe steigt die Temperatur der Probe auf der dem Laserimpuls abgewandten Seite an, geht durch ein Maximum und fällt dann wie der bis auf ihren Anfangswert ab. Dieser Temperaturverlauf wird z. B. mit einem IR-Sensor oder Thermoelement erfaßt.

Die gemessenen Daten werden normiert:

data[i] = (data[i]-min)/(max-min)

wobei min und max das Minimum und das Maximum des Meßsignals sind.

Die theoretische Funktion (Gl.4) wird nach Lösung der transzen denten Gleichung (Gl.5) wird mit variablen Kontaktwiderstand und Biotzahlen solange berechnet, bis die Abweichung zu den Meß daten minimal ist. Bei jeder Berechung wird die theoretische Funktion dadurch normiert, daß das Maximum der Funktion erst ge funden und dann damit die Funktion dividiert wird.

Als optimaler thermischer Kontaktwiderstand wird der thermische Kontaktwiderstand bezeichnet, bei dem die Abweichung der theo retischen Funktion zu den Meßdaten am minimalsten ist.

Das Zweischichtmodell mit thermischem Kontakwiderstand wird im folgenden beschrieben.

Das Differentialgleichungssystem für die Temperaturfunktionen in den zwei Schichten ist:

Die Randbedingungen sind:

Die Anfangstemperatur ist über Null mit der Ausnahme der dünnen Schicht, wo der Laser absorbiert wird:

wobei g << L₁ und

T₁(x) = T₂ (x) = 0 t = 0, L₁ < x < g. (Gl.3b)

Die wichtigsten Schritte der Lösung sind auf Basis der Green'schen Funktion:

1. Lösung der Differentialgleichungen mit der Anfangstempera tur = 0
Die Separation der Variablen wird angewandt, wobe die Separa tionskonstante c² = a₁ (b_k/L_n)² ist. Die resultirende Temperatur in der jeweiligen Schicht ist T^* _i hat die Form von exp(-c²t) (A_iksin (cx/a_i) + B_ik cos(c x/a_i)):

Die Berücksichtigung der Anfangstemperaturverteilung (f(x)) er folgt durch den Green'schen Satz:

Die Lösung wurde in folgender Form gefunden:

Die Eigenwerte b_k sind Lösungen folgender Gleichung:

wobei

D₁ = r₁sin cos1 H₂cos2 + k₁sin sin1 H₂cos2 - k₁sin cos1 H₂sin2 + r₁sin sin1 H₂sin2

D*₁ = - r₁cos cos1 H₂cos2 + k₁cos cos1 H₂sin2 + - r₁cos sin1 H₂sin2 - k₁cos sin1 H₂cos2.

Die Koeffizienten B_1k, A_1k sind:

Die Normfunktion lautet:

NOTATION (i = 1,2)

a_i

Temperaturleitfähigkeit
k_i

Wärmeleitfähigkeit,
C_pi

die spezifische Wärmekapazität,
r₁

Dichte,
L₁

Dicke der Schicht,
R thermischer Kontaktwiderstand,
h Wärmeübergangszahl,
t Zeit,
T Temperatur,
q₀

Laserenergiedichte,
b_k

Eigenwert,

Bestimmung der Qualität der Haftung wenn die thermischen Eigen schaften der Schichten (Cp, r, a) nicht bekannt sind

Das Produkt (Cp . r) beider Schichten sei 3.2 J/Kcm³

Für die Temperaturleitfähigkeit beider Schichten wird die effek tive Temperaturleitfähigkeit genommen.

Die effektive Temperaturleitfähigkeit wird wie folgt berechnet:

a_eff = 0.1388 . L²/t_0.5,

wobei L die (Gesamt)Länge der Probe, t_0.5 die Halbanstiegszeit ist.

Der optimale thermische Kontaktwiderstand und die optimalen Biotzahlen werden mit Hilfe des theoretischen Modells gesucht.

Der Fit der theoretischen Funktion zu den Meßdaten wird weiter dadurch verbessert, daß die Temperaturleitfähigkeit beider Schichten iterativ vermindert und der thermische Kontaktwider stand gleichzeitig erhöht wird, während die Biotzahlen konstant gehalten werden.

Der so gefundene thermische Kontaktwiderstand wird als optimal geschätzter thermischer Kontaktwiderstand bezeichnet.

Soll die Messung quantifiziert werden, muß eine Kalibrierkurve aufgenommen werden.

Dazu werden Proben mit verschiedenen Verbindungseigenschaften hergestellt. Das kann durch unterschiedliche Mengenzugaben von inerten Materialien zu der die Verbindung vermittelnden Schicht erfolgen oder durch unterschiedliche prozentuale Flächenbe deckung dieser Schicht(z. B. 20, 40, 60, 80 und 100%), wobei die Flächenrasterung klein ist, gegen die Ausdehnung der Be strahlungsfläche durch den Laser. Von diesen Proben werden ei nerseits der Kontaktwiderstand wie oben beschrieben und ande rerseits mit konventionellen Mitteln die Zugfestigkei ten (Zugfestigkeit ist die Normalspannung, die zur Trennung der Schichten führt) ermittelt. Daraus wird dann die Kalibrierkurve erzeugt.

Bestimmung der Qualität der Haftung. Der thermische Adhäsionskontaktwiderstand ergibt sich zu:

2 Ra = R - d/k,

wobei R der Gesamtkontaktwiderstand, d die Dicke des Klebers, k dessen Wärmeleitfähigkeit.

Es werden folgende Schritte durchgeführt:
Bestimmung die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenmediums (Kleber)
Bestimmung der thermischen Eigenschaften der Schichten (Cp, r, a)
Erstellung mindestens zweier Proben mit unterschiedlichen Kleb filmdicken (d1, d2)
Bestimmung der thermischen Kontaktwiderstandswerte (R1, R2) mit der Laserflash-Methode, wie oben beschrieben, durch Anwendung des theoretischen Kontaktwiderstandsmodelles.

Die Wärmeleitfähigkeit des Klebers ergibt sich zu:

k = (d1 - d2)/(R1 - R2)

Für Trocknungsprozesse zeigt sich eine Zunahme des thermischen Kontaktwiderstands mit der Zeit.

Diese charakteristische Änderung des Widerstands ermöglicht z. B. die Kontrolle oder Überwachung einer feuchten Beschichtung durch das Verfahren.

Der thermische Kontaktwiderstand eines Epoxid-Harz-Klebers fällt mit der Zeit ab. Nach zwei Stunden ändert sich der abfallende Trend des ermittelten Widerstandes:

Die Vernetzung des Klebstoffes beginnt zwei Stunden nach dem Zu sammenmischen der zwei Komponenten (Angabe des Herstellers). Der Anstieg des Widerstands nach zwei Stunden weist auf diese che mische Änderung innerhalb des Klebstoffes hin. Nach abgeschlos sener Vernetzung fällt der Kontaktwiderstand weiter ab bis zum Erreichen der Endfestigkeit.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Haftung in einem Schichtverbund mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Bestrahlen einer Seite des Schichtverbundes mit einem kurzen Laserimpuls,
b) Erfassen des zeitlichen Temperaturverlaufs, der durch die sen Laserimpuls verursacht wird auf der anderen Seite des Schichtverbundes,
c) Bestimmen des thermischen Kontaktwiderstands dadurch, daß die mathematische Lösung eines Zweischichtenmodells für den Temperaturverlauf, in der der thermische Kontaktwi derstand als Parameter auftaucht, an den gemessenen zeit lichen Temperaturverlauf angepaßt wird und
d) Ermitteln der Haftung aus dem thermischen Kontaktwider stand mit Hilfe einer Kalibrierkurve, welche durch Mes sungen der Zugfestigkeit mit bekannten konventionellen Mitteln erhalten wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtverbund aus zwei Schichten besteht, welche mittels einer verbindenden Schicht aneinander gefügt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtverbund aus einer Schicht mit einseitiger Be schichtung besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß durch ein geeignetes Raster von vielen Bestrah lungs- und Meßpunkten ein flächiger Schichtverbund erfaßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicke und/oder die Leitfähigkeit der verbindenden Schicht bei der Auswertung berücksichtigt wird.