DE3815425C2

DE3815425C2 -

Info

Publication number: DE3815425C2
Application number: DE19883815425
Authority: DE
Inventors: Bernd 5060 Bergisch Gladbach De Kanka
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DE3815425A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen Einzelfasern nach dem Oberbegriff 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 Zugfestigkeit der Einzelfasern. Dünne keramische Fasern, die einen Durchmesser von weniger als 10 µm und nach spezieller thermischer Behandlung eine teilweise geringere 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 beschrieben. 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 aufwendigen Apparatur werden beide Glasträger auseinanderbewegt, um die Festigkeitsmessung durchzuführen. Ein aus Am. Ceram. Soc. Bull. 66 (2), 373-376 (1987), beschriebenes 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 Zugfestigkeit kann mit diesem Verfahren nicht durchgeführt werden.

Eine aus CH-PS 455 329 bekannte Vorrichtung, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, weist ein durchgehendes starres Plättchen aus z.B. Glas auf, auf dem die zu testende Faser mit einem Kunststoff- Tropfen fixiert wird. Das Plättchen ist unterhalb der Faser mit einem Ritz versehen. Wenn das Plättchen mit der darauf befestigten Faser in eine Zerreißmaschine eingesetzt ist, wird es durch einen Glühdraht lokal erhitzt, so daß es entlang des Ritzes zerspringt. Dadurch entstehen zwei Plättchenteile, zwischen denen sich die Faser erstreckt. Die Plättchenteile können zur Durchführung von Zugbelastungsversuchen der Faser auseinandergezogen werden. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß das Zersprengen des Plättchens einen großen Aufwand erfordert und schwierig durchzuführen ist, ohne daß die Faser unbeabsichtigt zerreißt. Diese Gefahr würde insbesondere dann bestehen, wenn das Plättchen unter der Einwirkung der Zugbelastung zersprengt wird. Die bekannte Vorrichtung arbeitet nur unter der Voraussetzung einigermaßen sicher, daß das Zersprengen des Plättchens vor Aufbringung der Zugbelastung erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die sehr einfach herzustellen und zu betreiben ist und bei der eine Vorlast aufgebracht werden kann, bevor die eigentliche Zugbeanspruchung der Faser erfolgt.

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

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an den Trägerstreifen nur ganz geringe Anforderungen gestellt. Dieser Trägerstreifen kann beispielsweise aus Papier bestehen. Das Durchtrennen des Trägerstreifens kann mit einem Skalpell durchgeführt werden. Da die Faser ein Loch des Trägerstreifens überspannt, besteht nicht die Gefahr der Beschädigung der Faser beim Durchtrennen des Trägerstreifens. Auf dem Trägerstreifen sind schmelzbare Stränge (Durchmesser ca. 0,2 mm) befestigt, deren Enden an dem Trägerstreifen angeklebt sind. Die Stränge verlaufen in Längsrichtung 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 eingesetzt 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 erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich grundsätzlich 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.

Die Belastung der Faser kann mit einem Gewicht erfolgen, wozu vorzugsweise ein Flüssigkeitsbehälter benutzt 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 Versuchsvorbereitung ermöglicht, bei der die Faser nicht beschädigt wird. Vorteilhaft ist ferner die Möglichkeit, eine quasi-statische Belastung durch Flüssigkeitszugabe in den Flüssigkeitsbehälter durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einem sehr einfachen 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 angebrachten 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 der Messung 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

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Zugfestigkeit von dünnen Einzelfasern (17), insbesondere Keramikfasern, mit einem durchtrennbaren Trägerstreifen (10), auf dem die Einzelfaser (17) fixierbar und nach dem Durchtrennen des Trägerstreifens belastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerstreifen (10) ein Loch (13) aufweist und die Faser (17) zu beiden Seiten des Lochs (13), das Loch (13) überspannend, fixierbar ist, und daß die Stege (16) zu beiden Seiten des Lochs (13) durch schmelzbare Stränge (14) überbrückt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerstreifen (10) an einem Ende aufgehängt ist und daß am anderen Ende eine Belastungsvorrichtung zu befestigen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsvorrichtung ein Flüssigkeitsbehälter (23) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsvorrichtung gegen Drehen gesichert ist.