Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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ür die Berücksichtigung mechanischer Belastungen unterhalb der Streckgrenze ist im Rahmen einer zuverlässigen Bauteilauslegung die Kenntnis der elastischen Konstanten von besonderer Bedeutung. Für die experimentelle Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben.
Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen unterteilt werden: die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Die statischen Verfahren beruhen auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer mechanischen Belastung im elastischen Verformungsbereich (Zug, Biegung, Druck). Die dynamischen Verfahren basieren auf der Schwingungsanregung eines Prüfkörpers und der Analyse der resultierenden Schwingungen (Resonanzmethode oder Impulsanregungsmethode) oder auf der Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit.
Stellvertretend für die dynamischen Verfahren wird im ersten Teil dieses Beitrages die Resonanzmethode vorgestellt. Der zweite Teil dieses Beitrages fasst die werkstoffabhängigen Ergebnisse der E-Modulbestimmung mit statischen Verfahren im Zug- und Biegeversuch zusammen.
Die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie (THz-TDS) operiert mit elektromagnetischen Impulsen, die ein Amplitudenspektrum im unteren THz-Bereich aufweisen. Die THz-TDS ist in der Lage, dielektrische Volumina zerstörungs- und kontaktfreie zu durchstrahlen. Um eine 3D-THz Bildung zu ermöglichen, wurde für die THz-TDS ein rechnergestütztes Mess- und Rekonstruktionsverfahren (THz-TDSAFT) entwickelt, mit dem es gelingt, unter Verwendung der im Zeitbereich registrierten THz-TDS-Daten das Volumeninnere in Form eines dreidimensionalen Tomogramms zu rekonstruieren. Die THz-TD-SAFT basiert auf die für die Ultraschalltechnik entwickelte Synthetische Apertur Fokussierung (SAFT) bzw. des heuristisch begründeten Algorithmus des Synthetischen Apertur Radars (SAR). Anhand von Beispielen wird die Möglichkeiten der THz-TD-SAFT demonstriert und nachgewiesen, dass mit dem Rekonstruktionsansatz die künstlich eingebauten Fehlstellen bezüglich der Position und Größe geometrisch richtig im Tomogramm abgebildet werden können.
THz-TDS Systeme können zeitaufgelöst die Amplitude der elektrischen Feldstärke E(t) detektieren. Der Vorteil des verwendeten Messprinzips besteht in dem gleichzeitigen Nachweis von Amplitude und Phase des zwischen der Antenne und dem Detektor sich ausbreitenden elektrischen Feldes eines Impulses. Befindet sich im Strahlengang dielektrisches Material, dann ändern sich die Laufzeit (Time of Flight) und Amplitude des Impulses im Vergleich zum freien Strahlengang.
Planare Fehlstellen, wie Risse oder delaminierte Schichten in Kompositen sowie mehrschichtig aufgebaute Dielektrika können als optische Mehrschichtsysteme aufgefasst werden, mit denen sich die beobachteten Transmissions- und Reflektionseigenschaften im THz-Bereich erklären lassen.
Bei Entwicklung eines optischen Schichtenmodells für das jeweilig ausgewählte Schichtensystem lassen sich zeitliche Impulsverläufe in Abhängigkeit von der Schichtenfolge- und deren –dicke berechnen.
Durch den Fit der experimentell gewonnener Daten mit den aus dem Schichtenmodell berechneten Impulssequenzen lassen sich unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate Schichtdicken oder die Brechungsindizes der einzelnen Schichten im jeweiligen Testobjekt bestimmen. Anhand eines repräsentativen Beispiels wird die Entwicklung des Schichtenmodells erklärt und die erreichten Genauigkeiten zur Bestimmung der Schichtdicken und Brechungsindizes anhand selbst entwickelter Testkörper diskutiert.