DE3815425A1 - Verfahren zur ermittlung der zugfestigkeit von duennen einzelfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen Einzelfasern nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Die Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen keramischen Fasern, die aufgrund ihrer Sprödigkeit eine geringe Belastbarkeit haben und nur schwer handhabbar sind, ist mit sehr großen Schwierigkeiten verbunden. In der Regel werden Zugfestigkeitsmessungen nur an Fasersträngen oder Faserbündeln durchgeführt. Solche Messungen geben aber keinen zuverlässigen Aufschluß über die Zugfestig­ keit der Einzelfasern. Dünne keramische Fasern, die einen Durchmesser von weniger als 10 µm und nach spezieller thermischer Behandlung eine teilweise ge­ ringere Belastbarkeit von weniger als 10 g aufweisen, sind Belastungsmessungen schwer zugänglich. In Journal of Materials Science 20 (1985), 1167-1177, ist eine aufwendige Apparatur zur Messung an Einzelfasern be­ schrieben. Ein Ende der Faser wird an einen Glasträger angeklebt. Nach einer Härtungszeit der Klebestelle von mindestens 24 Stunden wird das andere Faserende an einen zweiten Glasträger angeklebt. Mit einer auf­ wendigen Apparatur werden beide Glasträger auseinander­ bewegt, um die Festigkeitsmessung durchzuführen. Ein aus Am. Ceram. Soc. Bull. 66 (2), 373-376 (1987), be­ schriebenes Prüfverfahren sieht vor, daß die Faser auf eine Gummiunterlage gelegt wird und daß anschließend eine Rolle gegen die Faser gedrückt wird, bis die Faser auf der nachgiebigen Gummiunterlage zerbricht. Eine zuverlässige und reproduzierbare Ermittlung der Zug­ festigkeit kann mit diesem Verfahren nicht durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das mit sehr einfachen Mitteln eine zuverlässige und reproduzierbare Zugfestigkeitsmessung erlaubt und mit geringen Kosten durchführbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Nach der Erfindung wird die Faser auf einen einzigen Trägerstreifen aufgeklebt, wobei der zwischen den Klebestellen liegende Bereich der Faser ein Loch des Trägerstreifens überspannt. Vor der Belastung wird der Trägerstreifen in Höhe des Lochs durchtrennt, so daß die beiden Teile des Trägerstreifens durch die Faser zusammengehalten werden. Zur Belastung der Faser werden die beiden voneinander getrennten Abschnitte des Trägerstreifens auseinandergezogen. Die Verwendung eines einzigen Trägerstreifens erlaubt es, die Probe auf einfache Weise für die Belastungsmessung vor­ zubereiten. An den Trägerstreifen werden nur ganz ge­ ringe Anforderungen gestellt. Dieser Trägerstreifen kann beispielsweise aus Papier bestehen. Das Durch­ trennen des Trägerstreifens kann mit einem Skalpell durchgeführt werden. Da die Faser ein Loch des Träger­ streifens überspannt, besteht nicht die Gefahr der Be­ schädigung der Faser beim Durchtrennen des Träger­ streifens.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren eignet sich grund­ sätzlich zur Messung von empfindlichen Einzelfasern, insbesondere aber zur Messung an dünnen keramischen Fasern, die einen Durchmesser von etwa 6,5 µm und je nach thermischer Behandlung nur eine Belastbarkeit von etwa kleiner 1 bis etwa 20 g haben.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben. Hiernach werden vor dem Anbringen der Faser auf dem Trägerstreifen schmelzbare Stränge (Durchmesser ca. 0,2 mm) befestigt, indem die Enden dieser Stränge an den Trägerstreifen angeklebt werden. Die Stränge verlaufen in Längs­ richtung des Trägerstreifens zu beiden Seiten des Lochs, über dem anschließend die Faser befestigt wird. Nach dem Anbringen der Faser wird der Trägerstreifen durchtrennt, so daß seine beiden Abschnitte nur noch durch die Stränge und die dazwischen angeordnete Faser zusammengehalten werden. In diesem Zustand kann der Trägerstreifen in die Belastungsmeßeinrichtung einge­ setzt werden. Nachdem dies geschehen ist, werden die Stränge durchschmolzen, so daß die Abschnitte des Trägerstreifens nunmehr ausschließlich durch die Faser verbunden sind. Die Belastung kann nunmehr schrittweise oder kontinuierlich bis zum Bruch der Faser erhöht werden.

Die Belastung der Faser kann mit einem Gewicht er­ folgen, wozu vorzugsweise ein Flüssigkeitsbehälter be­ nutzt wird, in den eine Flüssigkeit, z.B. mit einer Pipette, eingegeben wird.

Durch die Verwendung des Trägerstreifens in Verbindung mit der erwähnten Präparation wird eine schonende Ver­ suchsvorbereitung ermöglicht, bei der die Faser nicht beschädigt wird. Vorteilhaft ist ferner die Möglich­ keit, eine quasi-statische Belastung durch Flüssig­ keitszugabe in den Flüssigkeitsbehälter durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einem sehr ein­ fachen Versuchsaufbau in kürzester Zeit durchführbar.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den gelochten Trägerstreifen mit den daran an­ gebrachten Strängen,

Fig. 2 den Trägerstreifen nach dem Fixieren der Faser und dem Durchtrennen in Höhe des mittleren Lochs und

Fig. 3 den in die Belastungsvorrichtung eingehängten Trägerstreifen während der Belastung der Faser.

Zur Durchführung des Meßverfahrens wird der in Fig. 1 dargestellte Trägerstreifen 10 vorbereitet. Dieser Trägerstreifen besteht z. B. aus Papier (Millimeter­ papier) und hat Abmessungen von beispielsweise 50×10 mm. An den Endbereichen des Trägerstreifens 10 sind zwei Löcher 11, 12 ausgestanzt und in der Mitte der Länge des Trägerstreifens ist ein weiteres Loch 13 aus­ gestanzt. Die Löcher 11, 12, 13 haben jeweils einen Durchmesser von 5 mm und ihre Mittelpunkte liegen exakt auf der Längsmittellinie des Trägerstreifens 10.

Auf den so vorbereiteten Trägerstreifen werden zwei Stränge 14 in Form von Polyethylenfäden (Durchmesser ca. 0,2 mm) zu beiden Seiten des mittleren Lochs 13 aufgeklebt, wobei die Enden der Stränge 14 mit jeweils einem Klebepunkt 15 an dem Trägerstreifen befestigt werden. Die Stränge 14 verlaufen in Längsrichtung des Trägerstreifens und sie haben beide denselben Abstand zur Längsmittellinie des Trägerstreifens. Die Stränge 14 überbrücken die zu beiden Seiten des mittleren Lochs 13 gebildeten Stege 16.

Die zu prüfende Faser 17 wird gemäß Fig. 2 in der Mitte zwischen den Strängen 14 auf den Trägerstreifen 10 auf­ geklebt, indem ihre Enden mit Klebepunkten 18 auf dem Trägerstreifen fixiert werden. Die Faser 17 verläuft diametral über dem mittleren Loch 13. Für die Klebe­ punkte 18 wird ein schnellhärtender Kleber (Sekunden­ kleber) benutzt.

Nachdem die Faser 17 auf derselben Seite des Träger­ streifens 10 angebracht ist wie die Stränge 14, werden die Stege 16 mit einem Skalpell durchtrennt, ohne daß die Stränge 14 beschädigt werden. Die Trennlinien sind mit 19 bezeichnet. In diesem Zustand werden die beiden Teile 10 a und 10 b des Trägerstreifens 10 nur durch die Stränge 14 und durch die Faser 17 zusammengehalten.

Die so vorbereitete Probe wird an der in Fig. 3 darge­ stellten Belastungsvorrichtung befestigt. Diese weist einen Haken 20 auf, der in einen festen Halter 21 ein­ gehängt ist und in den das Loch 11 des Trägerstreifens 10 eingehängt wird, so daß der Trägerstreifen von dem Haken 20 herabhängt. An dem entgegengesetzten Loch 12 wird mit einem Haken 22 ein Flüssigkeitsbehälter 23 aufgehängt, der auf einem absenkbaren Tisch 24 ruht. Der Tisch 24 wird langsam abgesenkt und gleichzeitig die Stränge 14 durchgeschmolzen, z.B. mit einem Löt­ kolben. Der Flüssigkeitsbehälter 23 hängt nun aus­ schließlich an der Faser 17. In den Flüssigkeits­ behälter kann mit einer Pipette Wasser eingefüllt werden, bis die Faser 17 reißt. Der Flüssigkeits­ behälter 23 besteht aus leichtgewichtigem Material, z.B. aus Polyethylen. Er hat eine vertikale Ausricht­ wand, die in geringem Abstand (etwa 1 mm) von einem ortsfesten Führungselement 25 verläuft, um Drehungen des Behälters 23 zu vermeiden. Dadurch werden Torsionen der Faser 17 vermieden.

Die Zugspannung kann aus der Gesamtbelastung, bezogen auf den Faserquerschnitt, errechnet werden. Der Faser­ querschnitt wird unter einem Rasterelektronenmikroskop genau ausgemessen.

Die Kraft, die von der Belastungsvorrichtung auf die Faser 17 ausgeübt wird, kann entweder mit einer Kraft­ meßeinrichtung gemessen werden, die zwischen dem Halter 21 und dem Trägerstreifen 10 vorgesehen wird, oder durch nachträgliches Wägen der Belastungsmeßvorrichtung 23 einschließlich des Haken 22 und des unteren Teils 10 b des Trägerstreifens.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen Einzelfasern (17), insbesondere Keramik­ fasern, bei dem die Faser (17) auf einem Träger­ streifen (10) fixiert und anschließend durch Ziehen am Trägerstreifen belastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (17) zu beiden Seiten eines Lochs (13) des Trägerstreifens (10), das Loch (13) über­ spannend, fixiert wird, und daß vor Belastung der Trägerstreifen (10) in Höhe des Lochs (13) durch­ trennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (16) zu beiden Seiten des Lochs (13) durch schmelzbare Stränge (14) überbrückt werden, daß die Stege (16) durchtrennt werden und daß vor dem Auseinanderziehen der getrennten Teile (10 a, 10 b) des Trägerstreifens (10) die Stränge (14) durchschmolzen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerstreifen (10) vor dem Durchschmelzen der Stränge (14) an einem Ende aufgehängt wird und daß am anderen Ende eine Belastungsvorrichtung befestigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsvorrichtung ein Flüssigkeits­ behälter (23) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Belastungs­ vorrichtung gegen Drehen gesichert wird.