DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Röntgen-Topographie mit Klein- und Weitwinkel-Streuung

Manfred P. Hentschel, K.-Wolfram Harbich, Axel Lange, Jörg Schors,
Bernd R. Müller, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin
Kontakt: B.R. Müller, M.P. Hentschel, K.-W. Harbich

Röntgen-Topographische Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Streueigenschaften eines Probekörpers ortskorreliert erfaßt werden. Somit vereinigen sie die Vorzüge der bildgebenden Eigenschaft der Radiographie mit der Strukturselektivität der Röntgenanalyse. Sowohl die Röntgen-Weitwinkel-Streuung als auch die Röntgen-Kleinwinkel-Streuung (-Beugung und -Refraktion) werden topographisch für die Materialcharakterisierung eingesetzt. Die Topographie-Verfahren und Untersuchungsbeispiele an nichtmetallischen Werkstoffen werden dargestellt.

Keywords:
Röntgen-Streuung, Materialcharakterisierung, Komposite, Keramik

Streuung und Topographie

Röntgentopographische Verfahren bilden die Streueigenschaften eines Probekörpers ortskorreliert ab. Auf dem speziellen Gebiet der Einkristalle wird die Röntgen-Topographie seit vielen Jahrzehnten zur Darstellung von atomaren Versetzungsstrukturen verwendet [1]. Die Verfahren der Topographie waren bisher nicht auf polykristalline und nichtkristalline Stoffe anwendbar. Durch die Entwicklung von Raster-Verfahren wurde diese Schwierigkeit beseitigt.

Die Aufgaben der zerstörungsfreien Materialcharakterisierung liegen in der Aufklärung und Nutzung der Korrelationen zwischen der Atomar-, Meso- und Mikrostruktur einerseits und den makroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen und Komponenten andererseits. Aufgrund der unterschiedlichen Streueffekte überdeckt die Strukturselektivität der Röntgen-Topographie die sechs Größenordnungen von 10-2 bis 10-8 cm. Die durch Probenabtastung erreichbare Ortsauflösung kann 10 µm ereichen, so daß oft auch relevante Einzeldefekte im Sinne der traditionellen ZfP-Aufgaben erfaßt werden können.

Die Kristallit-Dimensionen, die Grenzflächeneigenschaften und die Anisotropie von Materialien beeinflussen bei gegebener atomarer Struktur mitunter die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sehr wesentlich. Die Verfahren der Röntgen-Topographie können zur Aufklärung dieser grundlegenden Zusammenhänge bei der Werkstoffentwicklung aber auch zur Qualitätssicherung und zur Mikro-Schadensanalyse beitragen.

Für die aus der Kristallographie bekannte Röntgenweit- und Kleinwinkelstreuung dienen kommerzielle Röntgen-Feinstrukturanlagen, mit denen monochromatische Strahlung hoher Brillianz der Wellenlängen um 0,1 nm, unterhalb 20 keV erzeugt wird.

Die Weitwinkelstreuung (-beugung) bildet die atomare und molekulare kristalline Struktur unterhalb der Nanometer-Dimension durch elastische Beugung (ohne Wellenlängenänderung) ab [2]. Die Beugungsmuster von Kohlenstoffasern und Polymeren sind anisotrop, was für die Bestimmung der Textur genutzt werden kann. Die in Kompositen vielfach verwendeten Glasfasern zeigen, ihrer amorphen Molekularstruktur entsprechend, hier jedoch ein isotropes Streuverhalten. Da sich alle stofflich verschiedenen Festkörper auch durch ihr Röntgenbeugungs-Spektrum unterscheiden, ergibt sich damit eine Meßsonde für die Ortsverteilung von Stoffen.

Abb 1: Orientierte Röntgenstreuung typischer Verstärkungs-Fasern in Kompositen, C-Fasern, Glasfasern und Aramidfasern, Röntgen-Weit- und Röntgen-Kleinwinkel-Streuung

Die Röntgen-Kleinwinkel-Streuung dagegen ist ein klassisches Untersuchungsinstrument der Kolloidchemie und der Polymerphysik. Die Röntgen-Beugung an Partikeln bis etwa 50 nm Durchmesser kann mittels der Guinier- und der Porod-Analyse [3] verstanden werden. Oberhalb dieser Größenordnung dominieren jedoch zunehmend Brechungseffekte [4] (Refraktion). Unabhängig von dieser Unterscheidung sind die relativen Signaländerungen jedoch in gleicher Weise von der Elektronendichte und der inneren Ober-/Grenzfläche (spezifische Oberfläche) abhängig, so daß es bei einem Probekörper-Vergleich nicht wesentlich auf die Abgrenzung von Beugungs- und Brechungseffekten ankommt [5].

Die anisotropen Beugungsmuster einiger für polymere Verbundwerkstoffe typischen Verstärkungsfasern, C-Fasern, Glasfasern und Aramidfasern sind in Abb. 1 dargestellt. Die entsprechenden Faserrichtungen sind vertikal orientiert. Streudiagramme isotroper Strukturen - bekannt als Scherrer-Diagramme - sind jedoch rotationssymmetrisch.

Um derartige kristallographische Informationen ortsabhängig oder orientierungsselektiv abzubilden, ist es erforderlich, aus dem relevanten Streuwinkelbereich eine Fläche mittels einer Blende auszuwählen, hinter der ein Röntgendetektor die Intensität der gestreuten Strahlung aufnimmt. Je nach Anordnung ergeben sich die in Abb. 2 skizzierten topographischen Verfahren mit sehr unterschiedlichen Kontrasteigenschaften und Raumprojektionen.

Den hier dargestellten Topographie-Verfahren ist gemeinsam, daß zunächst ein geeigneter Strahlengang vorgewählt wird und anschließend der Probekörper zweidimensional, einschließlich Drehbewegungen, verfahren wird. Angesichts der hohen Quanteneffizienz der verwendeten Szintillationsdetektoren ist der abgebildete "Einkanalbetrieb" zumeist akzeptabel. Die Verfahrprozedur mittels Mikroschlitten sowie das Auslesen der Zählraten der Detektoren für jede Position wird von einem PC bewältigt.

Abb 2: Strahlgeometrien röntgentopographischer Verfahren: x Röntgen-Brenn-fleck, P Probekörper, D Detektor (WW=Weitwinkel, KW=Kleinwinkel.

Topographie-Verfahren mittels Weitwinkelstreuung

Die Raster-Topographie nutzt die stoffspezifische Weitwinkelstreuung (Beugung) in definierte Streuwinkelbereiche. Wird ein Streuwinkel unter vorgewählter Orientierung (nach Abb. 2 links oben) festgelegt und eine flächige Probe senkrecht zur Einstrahlrichtung verfahren, so kann die Projektion der Verteilungsdichte dieser ausgewählten Phase vermessen und anschließend bildhaft dargestellt werden.

Abb. 3 zeigt die Faser-Bündelung zweier ausgewählter Orientierungen in einem gewickelten Rohr aus Kohlenstoffaser-Komposit (CFK), das insgesamt vier Vorzugsrichtungen enthält. Deutlich ist in der 45°-Wicklung (Abb. 3, mitte) die Doppelung jedes siebten Bündels als produktionstechnischer Fehler zu erkennen. Die Radiographie rechts enthält vergleichsweise wenig Information. Mittels Raster-Topographie wird die Stückprüfung in der Produktion durchgeführt [6].

Abb 3: Röntgen-Raster-Topogramme der Kohlenstoffaser-Bündelung zweier ausgewählter Orientierungen in einem gewickelten CFK-Rohr mit insgesamt vier Faser-Vorzugsrichtungen in 8 Lagen; rechts das Weichstrahlungs-Radiogramm zum Vergleich.

Für die Röntgen-Rotations-Topographie wird entsprechend der Anordnung in Abb. 4 zwischen Probe und Detektionsebene eine um die Primärstrahlachse drehbare Spaltblende installiert. Die Detektionsebene wird durch einen großflächigen Röntgendetektor (Szintillationsdetektor mit Photomultiplyer) ausgefüllt. An jeder Position der Probe wird die Spaltblende um 360° gedreht, so daß die vollständige Orientierungsinformation in aufgenommen wird (In Abb. 2 oben links wird das analoge Vorgehen durch Probenrotation symbolisiert).

In Abb. 4, rechts sind oben die Rotationsprofile von Spritzgieß-Prüfkörpern dargestellt, links Polypropylen und rechts LCP (Liquid Cystal Polymer) Vectra 950 (HOECHST AG), einem hochkristallinen und sehr anisotropen Hochtemperatur-Thermoplast. Die entsprechenden Rotations-Topogramme rechts unten entstehen durch Wiederholung der Rotation bei linear bewegter Probe. Die horizontale Koordinate ist die Drehachse, die vertikale die Probenposition. Helle Grauwerte geben die relative Intensität der Polymer-Röntgenreflexe wieder. Die Breite der Orientierungsverteilung ist ein relatives Maß für den Orientierungsgrad der Molekülketten des Polymers, die Schwerpunktlage für die mittlere Orientierung. Sie bestimmen Steifigkeit und Festigkeit des Materials [7].

Abb 4: Rotationstopographie der molekularen Orientierung: Um den Primärstrahl drehbaren Schlitzblende zwischen Probe und Detektionsebene; rechts oben Rotationsprofile von Spritzgieß-Prüfkörpern PP und LCP Vectra 950, unten rechts Rotations-Topogramme
Abb 5: Röntgen-Textur-Topogramme von LCP-Zugstäben mit Glasfaserverstärkung bei verschiedenen Drehwinkeln qn (links); rechts: verrechnete Topogramme zeigen separat die Polymerketten-Richtung und den Orientierungsgrad.

Für eine relativ schnelle Inspektion der Polymerorientierung - zum Beispiel für die Beurteilung des Spritzgieß-Prozesses - genügt es oft, lokale änderungen der Polymer- und Faserorientierung eines Probekörpers oder Bauteils zu erkennen: Wird mit der oben beschriebenen Rotationsblende der Drehwinkel q an der (polaren) Flanke eines Röntgen-Textur-Reflexes fixiert und die Probe planar abgetastet, werden in dem Textur-Topogramm die Richtungsänderungen abgebildet (Röntgen-Textur-Topographie).

Abb. 5 zeigt links zwei bei verschiedenen Drehwinkeln qn aufgenommene Topogramme von LCP-Zugstäben mit Glasfaserverstärkung (Vectra B130). Die Bilder erinnern an die Strukturen der optischen Spannungsanalyse. Die beiden Textur-Topogramme können darüber hinaus untereinander verrechnet werden, um wie im rechten Teil von Abb. 5 die Polymerketten-Richtung und den Orientierungsgrad separat darzustellen [7].

Die oben beschriebenen Verfahren ergeben in Durchstrahlungsrichtung projizierte Mittelwerte der Röntgenbeugung und damit auch überlagerungen. Die transversale Ortsauflösung wird erst erreicht, wenn sowohl die in die Probe einfallende als auch die gestreute Strahlung kollimiert werden, wie in Abb. 2 oben rechts skizziert (Röntgenbeugungs-Mikroskopie). Die dort schematisierten "Hohlspiegel" sind gekrümmte Einkristalle. Abb. 6 zeigt das Schnittbild durch ein CFK-Laminat, in dem die zur Darstellungsebene senkrechten Fasern eines (04°/904°)s Lagenaufbaus dunkel kontrastiert werden [8]. Das Ortsauflösungsvermögen in Durchstrahlungsrichtung liegt hier 0,4 mm, lateral jedoch bei 50 µm. Mit Sychrotronstrahlung wurde etwa 40 µm erreicht [9]. Neben der kristallographischen Strukturinformation liegt ein weiterer Vorteil des Verfahrens darin, daß das Inspektionsvolumen direkt angefahren werden kann. Eine Rekonstruktion des Gesamtvolumens oder Rotation der Probekörper, wie für die Computer-Tomographie, ist nicht erforderlich.

Abb 6: Transversales Schnittbild eines CFK-Laminates mittels Röntgenbeugungs-Mikroskopie (18keV Mo-k-a ,-Strahlung): Die Faserbündelung einer Faserrichtung und transversale Matrixflußkanäle werden selektiv sichtbar.

Topographie mittels Kleinwinkelstreuung

Die kennzeichnende Wechselwirkung der Röntgen-Refraktions-Topographie beruht auf der Ablenkung der Röntgenstrahlen an inneren Grenzflächen verschiedener rechungsindizes, in Analogie zum bekannten Brechung des sichtbaren Lichts an Prismen und Linsen.

Mittels einer kommerzieller Kleinwinkelstreukammern nach Kratky kann entsprechend dem in Abb. 2 unten links dargestellten Diagramm die innere Ober- beziehungsweise Grenzflächendichte dargestellt werden [10]. Das erfolgt ortsauflösend, indem der Probekörper wiederum flächig verfahren wird.

Abb. 7 zeigt eine Serie von Schlagschäden in einem CFK-Laminat. Die sehr begrenzten Schädigungszonen sind charakterisiert durch Matrix-Risse und Faser-Matrix-Enthaftung. Der Schriftzug BAM demonstriert die Wirkung der großen spezifischen Oberfläche von Graphit im Bleistiftstrich. Die Refraktions-Topographie ist für jegliche zerstörungsfreie quantitative Charakterisierung von Rißdichte-, Rissorientierung oder Porendichte-Verteilungen in Werkstoffen geringer Dichte geeignet.

Abb 7: Schlagschaden-Reihe in einem CFK-Laminat (Matrix-Risse und Faser-Enthaftung). Der Bleistift-Schriftzug "BAM" demonstriert die große spezifische Oberfläche von Graphit.
Abb 8: Raster-Radiogramm und Refraktions Topogramm einer SiC-Keramik.

In einem weiteren Beispiel der Röntgen-Refraktions-Topographie wird eine SiC-Keramik-Scheibe charakterisiert. In Abb. 8, oben ist der Logarithmus der Transmissions-Intensität als Raster-Radiogramm dargestellt. Es zeigt direkt die lokale Porositäts-Verteilung. Eine derartig hohe quantitative Kontrastierung von Dichte-Unterschieden ist im Gegensatz zur klassischen Radiographie mit Bremsstrahlung nur durch die Verwendung monochromatischer Strahlung (Mo-k-a) möglich.

Im unteren Teil der Abb. 8 ist die Oberflächen-Dichte (mittlere Porenoberfläche/Volumen-Einheit) wiedergegeben. Diese ist unanbhängig von der lokalen Dichte. Sie wird direkt ermittelt, indem die Streuintensitäten an jeder Position mit der Transmissionsintensität normalisiert werden. Der Vergleich zeigt weitgehend eine lokale Antikorrelation von Porosität und innerer Oberfläche, was nur durch sehr unterschiedlichen Poren-Größen verständlich wird.

Obwohl die Röntgen-Refraktions-Topographie über einen Grenzflächen-Kontrast für Nanometer-Dimensionen verfügt, werden Details als Projektion überlagert. Das Verfahren kann jedoch nach Abb. 2, unten rechts, zur Röntgen-Refraktions-Computer-Tomographie erweitert werden, indem der Probekörper um eine zum Primärstrahl senkrechte Achse gedreht wird, um aus Linearprofilen ein transversales Schnittbild zu rekonstruieren:Wird der Streuwinkel auf Null gestellt und die Probe unter jedem Drehwinkel jeweils vertikal verfahren, ergibt die sogenannte "gefilterte Rückprojektion" der Absorptionssignale ein Schnittbild der konventionellen Röntgen-Computer-Tomographie (CT) mit der sehr homogenen Materialdichte eines 3mm x 3mm CFK-Laminates (Abb. 9, Mitte); links der mikroskopische Anschliff.

Die gleiche Prozedur ergibt mit den Streusignalen (unter etwa zwei Bogenminuten) durchgeführt, einen völlig andersartigen Kontrast, der vor allem durch die Grenzflächen und Oberflächen des Probekörper verursacht wird (Abb. 9, rechts). Aber auch die Feinstruktur intralaminarer Risse (s. Schliffbild, links) wird gut erkennbar. Das Refraktions-Computer-Tomogramm hat etwa 20 µm Ortsauflösung [11]. Mit der hier vorgestellten ersten Versuchseinrichtung sind die Leistungsgrenzen des Verfahrens noch nicht erreicht. Auch die Meßzeit von derzeit etwa 10 Stunden kann noch erheblich reduziert werden.

Abb 9: Refraktions-Computer-Tomographie; links konventionelles (Absorptions-) Computer-Topogramm eines 3mm x 3mm CFK-Laminates mit sehr geringen Dichteschwankungen; im rechten Teil das Refraktions-Topogramm mit spezifischen Grenzflächen-Kontrast und etwa 20 µm Ortsauflösung

Ausblick

Die dargestellten Röntgen-Topographie-Verfahren sind naturgemäß zur Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen unterschiedlicher Werkstoffe und Bauteile geeignet. Vorzugsweise sind hier wegen der relativ weichen Strahlung, typisch unter 20 keV, jedoch dünnwandige Leichtbauwerkstoffe besonders geeignet. Der größte Bedarf an topographischen Untersuchungen hat sich bisher im Bereich der Entwicklung und Schadens-Analyse von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen, Keramik und Schäumen aller Art entwickelt. Darüber hinaus hat sich für Untersuchungen von Leichtmetallen neuerdings eine 40 keV Synchrotron-Strahlung als geeignet erwiesen.

Literatur

  1. Lang, A. R.: Topography, X-ray diffraction, in: G.L. Clark (Ed): The Encyclopedia of X-rays and Gamma Rays, Reinhold Publishing Corporation, New York 1963, S. 1053
  2. Glocker, R: Materialprüfung mit Röntgenstrahlen, Springer-Verlag, Berlin, Göttingen. Heidelberg, 1949
  3. Porod, G.: Die Röntgenkleinwinkelstreuung von dichtgepackten kolloidalen Systemen, I.Teil, Kolloid.-Z. 124 (1951) S. 83-114
  4. Hentschel, M.P.; Hosemann, R.; Lange. A.; Uther, B.; Brückner, R.: Röntgen- Kleinwinkel-Brechung an Metalldrähten, Glasfäden und hartelastischem Polypropylen. Acta Cryst. A 43 (1987) S. 506-513
  5. Hentschel, M.P.; Harbich, K.-W.; Lange, A.: Nondestructive evaluation of single fibre debonding by X-ray refraction. NDT & E international 27 (1994) 5 S. 275-280
  6. Hentschel, M.P Kempf,G.; Lange A.: Röntgen-Rückstreu-Topometrie. Materialprüfung 32 (1990) S. 267-269
  7. Hentschel, M.P.; Lange, A.; Harbich, K.-W.; Ekenhorst, D.; Schors, J.: Röntgentopographie der Faser und Polymerorientierung. Materialprüfung 39 (1997) S. 121-123
  8. Harbich, K.-W.; Hentschel, M.P.; Lange A.: Making Carbon Fibres in Composites Visible: Kunststoffe/German Plastics 83 (1993) 9, S. 22-23
  9. Stephenson, J.D.; Hentschel, M.P.; Lange, A.:Synchrotron radiation (hard) X-ray diffraction microscopy of carbon fibre reinforced plastic (CFRP). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. B 88, (1994) S. 287-292
  10. Harbich, K.W.; Hentschel, M.P.: Charakterisierung von Hochleistungsverbundwerkstoffen mittels Röntgen Refraktion. GIT Fachzeitschrift für das Laboratorium 38 (1994), S. 1324-1329
  11. Hentschel, M.P.; Lange, A.; Müller, R.B.; Schors, J.; Harbich, K.-W.: Röntgenrefraktions-Computertomographie. Materialprüfung 42 (2000) S. 217-221

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