Einleitung
An Bauteile werden zunehmend höhere Anforderungen in bezug auf zum Beispiel Temperatur-, Verschleißbeständigkeit, Gewichtsersparnis oder Festigkeit gestellt. Diese lassen sich zumeist nur durch Fügen (zum Beispiel kleben, beschichten, ...) unterschiedlicher Materialien verwirklichen. Die Qualität der Materialverbunde wird dabei auch von der Haftung der Grenzfläche zwischen den verbundenen Materialien beeinflußt. Da die Haftung durch die elastischen Eigenschaften des Materials zumindest teilweise mitbestimmt wird, bieten Ultraschallverfahren prinzipiell die Möglichkeit, die Qualität der Haftung zu beurteilen. Es existieren einige Ansätze, die die Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzfläche als Maß für die Haftung heranziehen [1-3]. Von uns wird zur Bestimmung der Haftung die Wechselwirkung der Ultraschallwelle mit dem Kraftübertrag an der Grenzfläche ausgewertet [4]. Dazu wird die Spektralverteilung der transmittierten Ultraschallwelle beurteilt.Grundlagen
Die Grenzfläche zwischen verbundenen Materialien wird von zwei Oberflächen mit atomarem Abstand zueinander gebildet. Die Oberflächen werden durch eine Kraft zusammengehalten, die sogenannte Rückstellkraft, die einer von außen angreifenden Kraft entgegenwirkt. Das Maximum der Rückstellkraft ist die Haftkraft. Vorhandene Zwangsbedingungen die das umliegende Material auf die Grenzfläche ausübt, wie zum Beispiel Eigenspannungen, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten oder Fremdatome in der Grenzfläche, führen zu einer Abstandsvergrößerung der Grenzfläche. Die Zwangsbedingungen können als externe Krafteinwirkung auf die Grenzfläche aufgefaßt werden, die zu einer Erniedrigung der Haftung führt. Vereinfacht ausgedrückt, ist die Haftung um so geringer, je größer der Abstand ist. Die übertragung einer elastischen Störung wie der Ultraschallwelle erfolgt durch eine Verschiebung der Atom- bzw. Molekülabstände, das heißt die übertragung der elastischen Welle ist mit den Haftkräften korreliert. Bei dem hier vorgestellten neuen Ultraschallverfahren wird nun ausgenutzt, daß mit abnehmender Haftung die Rückstellkraft vom linearen Verlauf abweicht, resultierend in einer Verzerrung der Ultraschallwelle [4]. Das heißt, neben der Grundfrequenz der Ultraschallwelle treten Oberwellen, insbesondere mit der zwei- und dreifachen Anregungsfrequenz auf. Je schlechter die Haftung der Grenzfläche, um so stärker die Verzerrung der Ultraschallwelle. Der Grad der Verzerrung kann also als Maß für die Qualität der Haftung herangezogen werden [4]. Theoretische Berechnungen zeigen, daß durch Summation der Amplituden der Oberwellen die Rückstellkraft als Funktion der Abstandsänderung gegeben durch die Ultraschallamplitude gemessen werden kann [4].Meßtechnik
Um in den nichtlinearen Bereich des Kraftübertrags zu gelangen, müssen die Ultraschallamplituden hinreichend groß sein. Zur Anregung wird deshalb eine schmalbandige Tonträgerschwingung von etwa 30 Schwingungen mittels eines Frequenzgenerators mit mehr als 1 kW Pulsleistung erzeugt. Geprüft wird in Transmission (Bild 1) mit einem schmalbandigen Sendeprüfkopf (Mittenfrequenz: 2 MHz) und breitbandigem Empfänger (Mittenfrequenz: 5 MHz). Das empfangene Signal wird in sein Frequenzspektrum zerlegt, aus dem die Amplituden der Oberwellen bestimmt werden. Durch Variation der Ultraschallamplitude und Summation der Amplituden der Oberwellen kann die Rückstellkraft als Funktion des Abstandes gemessen werden. Bei Untersuchungen an Proben gleicher Materialkombination, aber unterschiedlicher Haftung, können die Unterschiede der gemessenen Frequenzspektren direkt auf die unterschiedlichen Rückstellkräfte der Grenzflächen zurückgeführt werden. Ein Vergleich der untersuchten Proben hinsichtlich deren Haftung kann damit zumindest relativ zueinander für einen Probensatz erfolgen. Durch Kalibrierung der zerstörungsfrei ermittelten Meßergebnisse auf mechanische Kenngrößen (zum Beispiel Zugscherfestigkeit) ist eine quantitative Bestimmung der Haftfestigkeit möglich.
Anwendungsbeispiel
Zur zerstörungsfreien Bestimmung der Haftfestigkeit von Materialverbunden mit Polymerklebung wurden Proben aus Sicherheitsverbundglas untersucht. bestehend aus zwei Glasplatten, die durch den Polymerkleber PVB (Polyvinylbutyral) verbunden sind. Die Bindung erfolgt hierbei zwischen den aktiven Endgruppen des Glas und des Klebers. Steigender Feuchtigkeitsgehalt des Klebers verschlechtert dessen Haftung auf den Glasoberflächen. Aufgrund des starken Dipolcharakters der Wassermoleküle setzen sie sich an den aktiven Endgruppen über Dipolwechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen fest und verhindern so deren Bindung an der Glasoberfläche (Bild 2).(Glas: 3mm, PVB: 750 µm)
Die Ultraschallwelle an der Grenzfläche wurde in ihrer Amplitude im Bereich zwischen 0,5 und 2,5 nm variiert. Die Summe der Oberwellen zeigt deutlich einen linearen Anstieg mit der Ultraschallamplitude, der bei höheren Ultraschallamplituden in ein Plateau übergeht (Bild 3a). Der Maximalwert des Plateaus ist gleich dem Maximum der Rückstellkraftkurve, der Haftkraft, zu setzen und ist somit ein quantitatives Maß für die Haftfestigkeit der Klebung.
Durch Kalibrierung nur eines der zerstörungsfrei ermittelten Meßwerte für die mechanische Haftfestigkeit kann die Haftfestigkeit übertragen auf die anderen Proben quantitativ und zerstörungsfrei bestimmt werden. Die so kalibrierten zerstörungsfrei ermittelten Haftfestigkeiten liegen für den untersuchten Probensatz innerhalb der Meßgenauigkeit von 10 % der mechanisch ermittelten Zugscherfestigkeiten (Bild 3b).
Fig.3a: Gemessene Summe der Oberwellen in Abhängigkeit von der Ultraschallamplitude und dem Feuchtegehalt des Klebers. Das Maximum ist ein Maß für die die Haftung des Materialverbundes.
Fig. 3b: Durch Kalibrierung der zerstörungsfrei ermittelte Meßergebnisse auf mechanische Kenngrößen ist eine quantitative Bestimmung der Haftfestigkeit möglich.
Zusammenfassung
Nach dem bisherigen Stand der Technik konnte mit Ultraschallverfahren lediglich unterschieden werden, ob eine offene Delamination vorliegt oder nicht. Die quantitative Beurteilung der Haftfestigkeit war mit den bekannten Methoden bisher nicht möglich. Allein Ultraschallverfahren, die den Kraftübertrag an der Grenzfläche durch lineare Federmodelle annähern, ermöglichen es bisher sehr kleine Haftfestigkeiten zu bestimmen [5]. Die Erweiterungen dieses Ansatzes über nichtlineare Federn [6] wurde dagegen bisher experimentell nicht überprüft. Mittels des hier vorgestellten Verfahrens der nichtlinearen Akustik ist es als erstmals möglich die Haftung von Materialverbunden quantitativ zu bestimmen. Es wird dabei ausgenutzt, daß Bereiche schlechter Haftung zu einer Verzerrung der Ultraschallwelle führen. Der Grad der Verzerrung ist ein Maß für die Haftung des Materialverbundes. Das Prüfverfahren eignet sich nicht nur für Klebungen, sondern auch für Beschichtungen und Verbundwerkstoffe [7].Literatur
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- P.B. Nagy and L. Adler, J. NDE 7, 19-215 (1988)
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- W. Lins, W. Bernauer, S. Fassbender, H. Peterlik, W.K. Arnold, K. Kromp, "Entwicklung von Schädigung und Delaminationen in einem Kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff", Fortschrittsberichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, wird veröffentlicht