DE19950323C1 - Verfahren zum Messen der Haftung von Fasern in einem Faserverbundwerkstoff - Google Patents
Verfahren zum Messen der Haftung von Fasern in einem FaserverbundwerkstoffInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Messen der Haftung zwischen einer Faser (2) und einem diese umgebenden Matrixmaterial (1) in einem Prüfling wird eine senkrecht zur Faserachse gerichtete Zugkraft (4) auf das Matrixmaterial ausgeübt und bis zur Ablösung des Matrixmaterials von der Faser gesteigert. Diese Ablösung wird durch die Refraktion eines Strahls (3) einer elektromagnetischen Strahlung festgestellt, welcher ein Randsegment der Faser durchdringt und der etwa in einem rechten Winkel zur Richtung der Zugkraft steht.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Für die mechanische Belastbarkeit eines Faserverbund
werkstoffes ist die Haftung zwischen den Fasern und
dem sie umgebenden Matrixmaterial ein entscheidendes
Kriterium. Um diese Haftung zu verbessern, werden üb
licherweise spezielle Schichten auf die Faser aufge
bracht. Es ist daher erforderlich, ein geeignetes
Verfahren zu entwickeln, mit dem die Haftung zuver
lässig bestimmt werden kann. Bereits bekannte derar
tige Verfahren sind beispielsweise der Einzelfaser
auszug-Test, der Fragmentierungstest, der Faserein-
oder -durchdrück-Test und der Faserbündelauszug-Test.
Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß
sie die Haftung zwischen Faser und Matrixmaterial
nicht ausreichend genau und zuverlässig bestimmen
können, so daß noch kein Verfahren als allgemeines
Messverfahren für die Faser-Matrix-Haftung anerkannt
und in nationalen oder internationalen Standards
festgelegt wurde.
Aus Pat. Abstr. of Japan, P-1716, Band 18, Nr. 175,
1994, JP 5-340867 (A), ist ein Verfahren zum Messen
der Haftung zwischen zwei Schichten eines Faserver
bundwerkstoffes mit unterschiedlichen Faserrichtungen
bekannt, bei dem eine spezielle optische Faser mit
einem exzentrischen Kern zwischen den Schichten ein
gebettet wird. Die Lichttransmission durch die opti
sche Faser ist gering, wenn die Schichten fest mit
einander verbunden sind, und sie ändert sich, wenn
eine Trennung der Schichten stattfindet.
Die DE-OS 21 13 402 offenbart ein Prüfverfahren zur
Bestimmung der Homogenität im Festigkeitsverhalten
von Kunststoffen, die zur Erhöhung des E-Models und
zur Erhöhung der Festigkeitswerte fremdstoffbewehrt
sind. Hierzu werden vor, während und nach einer Bela
stung durch äußere mechanische Kräfte im Verbundwerk
stoff mechanische Spannungen mittels Hologrammen
festgestellt, so daß etwaige Inhomogenitäten erkannt
werden können.
Weiterhin wird in Pat. Abstr. of Japan, P-140, Bd. 6,
Nr. 17, 1982, JP 57 90 141 (A) ein Verfahren zur Er
fassung der Abschälfestigkeit eines halbdurchlässigen
oder undurchsichtigen Films, der auf einer strah
lungsdurchlässigen Unterlage haftet, bei Zugbeanspru
chung beschrieben. Der Verbund aus Unterlage und Film
wird senkrecht zu deren Verbindungsebene mit Infra
rotstrahlen durchstrahlt. Wenn sich der Film von der
Unterlage löst, steigt die Durchlässigkeit des Ver
bundes für Infrarotstrahlen stark an.
Schließlich zeigt die DE 37 12 073 A1 ein Verfahren
zur Messung der Haftung einer in eine Polymermatrix
eingebetteten Einzelfaser, bei dem die Faser aus der
Polymermatrix herausgezogen und gleichzeitig das zu
gehörige Kraft-Weg-Diagramm registriert wird. Hierzu
wird ein entsprechender Probekörper hergestellt, wel
cher ein freies Faserende aufweist, das in einer ver
fahrbaren Einspannvorrichtung fixiert wird. Bei dem
Zugversuch werden die auf die Faser einwirkende Zug
kraft mittels eines Kraftaufnehmers und gleichzeitig
der von der Einspannvorrichtung zurückgelegte Weg
durch einen Wegaufnehmer in entsprechende elektrische
Signale umgesetzt und ausgewertet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Messen der Haftung zwischen mindestens
einer Faser und einem diese umgebenden Matrixmaterial
in einem Prüfling, bei dem eine senkrecht zur Faser
achse gerichtete Zugkraft auf das Matrixmaterial aus
geübt wird, welche bis zur Ablösung des Matrixmateri
als von der Faser gesteigert wird, anzugeben, welche
genaue und zuverlässige Messergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn
zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs
gemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprü
chen. Dadurch, daß die Ablösung durch die Ablenkung
im Wesentlichen aufgrund von Refraktion eines Strahls
einer elektromagnetischen Strahlung festgestellt
wird, der ein Randsegment der Faser durchdringt und
dessen Richtung etwa einen rechten Winkel mit der
Richtung der Zugkraft bildet, kann genau die Zugkraft
oder Zugspannung ermittelt werden, die beim Ablösen
des Matrixmaterials von der Faser auf die Grenzschicht
zwischen diesen einwirkt. Der Ablösevorgang
kann durch die hiermit verbundene Veränderung der Re
fraktion des Strahls exakt festgestellt werden.
Die elektromagnetische Strahlung ist vorzugsweise ei
ne Röntgenstrahlung, da diese von dem Matrixmaterial
nur wenig absorbiert wird. Die Wellenlänge der ver
wendbaren Strahlung hängt insbesondere von der Art
des Matrixmaterials ab; sie kann auch aus sichtbarem
Licht bestehen, wenn Faser- und Matrixmaterial licht
durchlässig sind. Ist das Matrixmaterial ein lichtun
durchlässiger Kunststoff, dann kann der Prüfling bei
Verwendung von Röntgenstrahlen eine Dicke im Zentime
terbereich haben, ohne daß eine unzulässig hohe Ab
sorption der Strahlen auftritt; bei einer Matrix aus
Keramik kann bei Verwendung von Röntgenstrahlen die
Dicke im Millimeterbereich liegen, und bei einer Ma
trix aus Metall ist eine harte Röntgenstrahlung er
forderlich, um einen Prüfling mit einer Dicke im Mil
limeterbereich zu testen.
Vorteilhaft wird ein solcher Prüfling verwendet, bei
dem mehrere Fasern in Richtung des Strahls hinterein
ander und in einer Ebene senkrecht zur Zugkraft ange
ordnet sind. Da der Strahl, der in diesem Fall eine
geringe Breite von weniger als 100 µm aufweisen soll
te, aufeinanderfolgend an mehreren Fasern eine Re
fraktion erfährt, wird ein stärkeres Messsignal er
halten.
Der Prüfling kann jedoch auch in Richtung der Zug
kraft einen gegenseitigen Abstand aufweisende Fasern
enthalten, wobei der Strahl eine solche Breite besit
zen sollte, daß er gleichzeitig mehrere Fasern oder
Faser-Rowings erfasst, so daß auch hier ein stärkeres
Messsignal gewonnen wird.
In jedem Falle sollte der Abstand zwischen den ein
zelnen Fasern, ob in Richtung des Strahls oder senk
recht dazu, so groß sein, daß die bei einer Ablösung
des Matrixmaterials von einer Faser auftretende Ver
änderung der Verteilung der Zugspannung im Matrixma
terial keinen wesentlichen Einfluß auf die Größe der
Zugkraft zwischen anderen Fasern und dem Matrixmate
rial hat und damit die Ablösung zwischen diesen beeinflußt.
Das Verfahren wird zweckmäßig in der Weise durchge
führt, daß während der Messung eine Relativbewegung
zwischen Strahl und Prüfling stattfindet, bei der die
Faser (n) den Strahl durchquert bzw. durchqueren.
Diese Abtastung wird wiederholt, wobei eine Ablösung
des Matrixmaterials von einer Faser oder mehreren Fa
sern durch eine Veränderung des Messsignals festge
stellt werden kann. Hierbei ist es angezeigt, durch
Integration des Messsignals über den Abtastbereich
einen integralen Refraktionssignalwert zu bilden und
die so erhaltenen Werte miteinander zu vergleichen.
Die Messung kann in der Weise erfolgen, daß die Re
fraktion während einer kontinuierlichen Erhöhung der
Zugkraft simultan gemessen wird, wobei eine Relativ
bewegung zwischen dem Strahl und dem Prüfling nicht
stattfindet. Hierdurch kann die Zugkraft, bei der die
Ablösung erfolgt, genau ermittelt werden. Anderer
seits ist es möglich, die Zugkraft schrittweise zu
erhöhen und die Refraktion des Strahls jeweils nach
den einzelnen Erhöhungen zu messen. Hier empfiehlt es
sich, während der Messung eine Relativbewegung zwi
schen Strahl und Prüfling durchzuführen, um ein stär
keres Messsignal zu erhalten.
Schließlich ist es zweckmäßig, bei der Messung auch
faserfreie Bereiche zu erfassen. Auf diese Weise kann
ein Basiswert für das Messsignal erhalten werden. An
dererseits kann eine Abtastung von vom Matrixmaterial
befreiten Bereichen des Prüflings, d. h. nur der Fa
sern, durch den Strahl erfolgen, um deren Refrakti
onssignal zu bestimmten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aus
schnitts aus einem von einem Röntgenstrahl
abgetasteten Prüfling in unbelastetem Zu
stand, und
Fig. 2 den Prüfling nach Fig. 1 unter Zugspannungs
belastung.
Fig. 1 zeigt eine in ein Matrixmaterial 1 eingebette
te Faser 2. Zwischen diesen besteht eine Haftung, die
gegebenenfalls durch eine geeignete Behandlung der
Oberfläche der Faser 2 erhalten wurde. Das Matrixma
terial 1 kann jedes beliebige Material sein; zu be
achten ist insoweit nur, daß die verwendete elektro
magnetische Strahlung in der Lage ist, den Prüfling
zu durchdringen, ohne so stark absorbiert zu werden,
daß ein verwertbares Messsignal nicht mehr erhalten
wird.
Auch das Material der Faser 2 kann beliebig sein,
insbesondere besteht in Bezug auf den Brechungsindex
dieses Materials keine Beschränkung; dieser kann grö
ßer, kleiner oder gleich dem Brechungsindex des Ma
trixmaterials 1 sein.
Ein Strahl einer elektromagnetischen Strahlung, im
vorliegenden Fall ein Röntgenstrahl 3, der senkrecht
zur Längsrichtung der Faser 2 auf den Prüfling gewor
fen wird, erfährt an der Grenzschicht zwischen Ma
trixmaterial 1 und Fasern 2 eine Brechung, wie in
Fig. 1 durch den gebrochenen Röntgenstrahl 3' doku
mentiert wird (unter der Voraussetzung, daß sich der
Brechungsindex des Materials der Faser 2 von dem des
Matrixmaterials 1 unterscheidet). Der Brechungswinkel
ist abhängig vom Verhältnis der Brechungsindizes des
Matrixmaterials 1 und des Materials der Faser 2 zu
einander.
Fig. 2 zeigt dieselbe Anordnung wie Fig. 1, wobei je
doch eine Zugkraft 4, die senkrecht zur Längsrichtung
der Faser 2 und senkrecht zur Richtung des Röntgen
strahls 3 wirkt, auf das Matrixmaterial 1 ausgeübt
wird. Diese Zugkraft 4 führt zu radialen Spannungen
zwischen der Oberfläche der Faser 2 und der anliegen
den Oberfläche des Matrixmaterials 1, die dort am
größten ist, wo die normale zur Oberfläche der Faser
2 mit der Richtung der Zugkraft 4 übereinstimmt. Er
reicht die Zugkraft 4 eine solche Größe, daß die
Zugspannung zwischen dem Matrixmaterial 1 und der Fa
ser 2 an den Stellen, an denen sie am höchsten ist,
die Haftung zwischen diesen übersteigt, dann kommt es
zu Ablösungen des Matrixmaterials 1 von der Faser 2
und es entstehen dort Hohlräume 5. Diese Hohlräume 5
haben in jedem Fall einen anderen Brechungsindex als
das Matrixmaterial 1 und das Material der Faser 2, so
daß die Refraktion des Röntgenstrahls 3 verstärkt
wird. Fig. 2 dokumentiert dies durch den gebrochenen
Röntgenstrahl 3", der eine wesentlich höhere Intensi
tät besitzt.
Anhand der Veränderung des Messsignals kann somit
festgestellt werden, bei welcher Zugkraft die Ablö
sung erfolgte. Mittels geeigneter Berechnungsverfah
ren kann hieraus die Haftung zwischen Faser und Ma
trixmaterial weitgehend fehlerfrei bestimmt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zum Messen der Haftung zwischen minde
stens einer Faser (2) und einem diese umgebenden
Matrixmaterial (1) in einem Prüfling aus einem
Faserverbundwerkstoff, bei dem eine senkrecht
zur Faserachse gerichtete Zugkraft (4) auf das
Matrixmaterial (1) ausgeübt wird, welche bis zur
Ablösung des Matrixmaterials (1) von der Faser
(2) gesteigert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ablösung durch die Ablenkung im Wesent
lichen aufgrund von Refraktion eines Strahls (3)
einer elektromagnetischen Strahlung festgestellt
wird, der ein Randsegment der Faser (2) durch
dringt und dessen Richtung etwa einen rechten
Winkel mit der Richtung der Zugkraft (4) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die elektromagnetische Strahlung eine
Röntgenstrahlung (3) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Prüfling mehrere Fasern
(2) enthält, welche in Richtung des Strahls (3)
hintereinander und in einer Ebene etwa senkrecht
zur Zugkraft (4) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Strahl (3) eine geringe Breite von
weniger als 300 µm aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Prüfling mehrere Fasern
(2) enthält, welche in Richtung der Zugkraft (4)
einen gegenseitigen Abstand aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Strahl (3) eine solche Breite be
sitzt, daß er gleichzeitig mehrere Fasern (2)
erfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Strahl (3) eine Breite von mehr als
200 µm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehre
rer Fasern (2) in dem Prüfling der gegenseitige
Abstand zwischen diesen so groß ist, daß die Ab
lösung des Matrixmaterials (1) von einer Faser
(2) die Größe der Zugkraft zwischen anderen Fa
sern (2) und dem Matrixmaterial (1) nicht we
sentlich beeinflußt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß während der Messung
eine Relativbewegung zwischen Strahl (3) und
Prüfling senkrecht zur Strahlrichtung stattfin
det, bei der die Faser (n) (2) den Strahl (3)
durchquert (durchqueren).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß durch Integration des Meßsignals wäh
rend eines Bewegungsschrittes ein integraler Re
fraktionssignalwert bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß während einer kontinu
ierlichen Erhöhung der Zugkraft (4) die Refrak
tion des Strahls (3) simultan gemessen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die Zugkraft (4)
schrittweise erhöht wird und die Refraktion des
Strahls (3) jeweils nach den einzelnen Erhöhun
gen gemessen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß auch faserfreie Berei
che des Prüflings von dem Strahl (3) abgetastet
werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß auch vom Matrixmateri
al (1) befreite Bereiche des Prüflings von dem
Strahl (3) abgetastet werden.
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