DE19950323C1 - Verfahren zum Messen der Haftung von Fasern in einem Faserverbundwerkstoff - Google Patents

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.