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Polymere Werkstoffe, insbesondere Faser-Komposite, sind auf der molekularen Skala, aber auch hinsichtlich der Faserorientierung unterschiedlich anisotrop, ebenso ihre mechanischen Eigenschaften. Diese können sich richtungsabhängig um bis zu zwei Größenordnungen unterscheiden, was für die Nutzung der Festigkeit im Leichtbau bedeutend ist. Daher besteht Bedarf an der zerstörungsfreien Charakterisierung der Orientierungs-Parameter der Mikrostruktur: Die neuartige Röntgen-Diffraktions-Rotations-Topographie nutzt (wie alle Röntgen-topographischen Verfahren) einerseits die analytischen Informationen der Röntgenstreuung und erlaubt andererseits die ortsaufgelöste Abbildung dieser Information. Für eine kontinuierliche Erfassung der Orientierungs-Informationen des Probekörpers wird dieser im eng kollimierten monochromatischen Fadenstrahl einer Weitwinkel-Streukammer verfahren. An jeder Position wird das Beugungsbild von einem um den Primärstrahl drehbaren Spalt polar abgetastet, der vor einem großflächigen Röntgen-Detektor positioniert ist. Als Rotations-, Polar- oder Textur-Topogramme werden die Streuintensitäten ortstreu dargestellt. Auswerte-Prozeduren erlauben die Ermittlung von Orientierungs-Verteilungs-Funktionen und statistischen Kennwerten.
Untersuchungs-Beispiele aus einem EU-Projekt zeigen die molekularen Orientierungsverteilungen in thermoplastischen Spritzguß-Komponenten für den Helikopter-Bau, mit Korrelationen zu mechanischen Eigenschaften. Für die ESA wurde die für CFK-Sandwich-Strukturen von Satelliten-Reflektoren erforderliche präzise Orientierung der C-Fasern mit einer Genauigkeit von 0,1 Grad ermittelt. Pro Durchstrahlungsposition werden für die Orientierungs-Information nur wenige Sekunden benötigt. Die verwendete 18 keV Mo-k-a-Strahlung erlaubt Wandstärken bis zu etwa 20 mm.
Non-destructive evaluation of advanced materials by synchrotron radiation refraction topography
(2002)
Einleitung
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat im Synchrotronstrahlungslabor BESSY (im Wissenschafts- und Technologiezentrum Berlin-Adlershof) ein Röntgen-Strahlrohr (BAMline) sowie einen Messplatz für die zerstörungsfreie Materialcharakterisierung aufgebaut. Der Messplatz erlaubt die Untersuchung mit monochromatischer Röntgenstrahlung im Energiebereich von 5keV bis 60keV mit hohem Photonenfluß. Seit Anfang 2001 läuft der Probebetrieb zur Optimierung der Strahlungsquelle sowie des experimentellen Aufbaus.
Die Besonderheiten der BAMline im Vergleich zu Laboröntgenquellen sind der hohe Photonenfluss bei freier Wahl der Photonenenergie sowie die Polarisationseigenschaften und die außerordentliche Parallelität der Strahlung bei großem Strahlungsquerschnitt. Dies ermöglicht Refraktionstopogramme für Metall-Matrix-Komposite (MMC) in relativ kurzer Zeit, mit einer lateralen Ortsauflösung von 10µm, zu messen.
Das neuartige ZfP-Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topograhy wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben [1,2]. Es nutzt die Messtechnik der traditionellen Kleinwinkelstreuung auf unkonventionelle Weise, und wurde in den letzten zehn Jahren in unserem Labor entwickelte und an die fortgeschrittenen Anforderungen für die zerstörungsfreie Charakterisierung von neuartigen Werkstoffen wie faserverstärkten Kompositen und Keramiken angepasst. Das Verfahren basiert auf dem Brechungseffekt von Röntgenstrahlen. Auf Grund der kurzen Wellenlänge der Röntgenstrahlen (l » 0.1nm) können innere Oberflächen sowie Grenzflächenkonzentrationen von Nanometer Große detektiert werden, so dass mit Hilfe dieser Technik sehr leicht Partikel, Risse und Porengrößen im Sub-Mikrometer-Bereich gemessen werden können, ohne dabei die Proben zu zerstören, wie es bei mikroskopischen Techniken notwendig ist.
Anwendungsfelder dieser Untersuchungsmethode sind z.B. die Erkennung von Faser-Matrix-Enthaftung nach Schlageinwirkung sowie Rissbildung durch Alterung und Herstellung bei faserverstärkten Kompositen.
High performance composites and other light weight materials are generally a comple problem to the performance of nondestructive testing methods. X-ray refraction provide unconventional X-ray scattering techniques to meet the actual demand for improve nondestructive characterization of these advanced materials. Scanning the samples across collimated narrow incident X-ray beam permits to image integral micro-structures (a present) with a resolution of 10 µm. Investigations of samples after strain-induced micro cracks and fibre debonding in impact damaged epoxy are shown.
The physics of X-ray refraction are analogous to the well known refraction of light b optical lenses and prisms, governed by Snell's law. The special feature is the deflection a very small angles of few minutes of arc, as the refractive index of X-rays in matter i nearly one. Due to the density differences at inner surfaces most of the incident X-rays ar deflected. As the scattered intensity of refraction is proportional to the specific surface of sample, a reference standard gives a quantitative measure for analytical determinations.
Figure 1 represents a two-dimensional damage distribution of an impact in a 0/90° CFR laminate of 3 mm, thickness. Unlike in ultrasonic testing, there is no shadowing effect o the successive layers. By use of X-ray refraction the exact concentration of debonde fibres is calculated for each position. Additionally the refraction allows the selection of th fibre orientation.