DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Eigenschaften von Polypropylen- und PVDF-Folien für Luftschall-Anwendungen

Joachim Döring, BAM, Berlin; Viktor Bovtun, FZU, Praha; Jürgen Bartusch, BAM, Berlin; Anton Erhard, BAM, Berlin
Kontakt: Dr. rer.nat. Joachim Döring

1. Kurzfassung

An Methoden zur luftgekoppelten Ultraschallprüfung wird seit einigen Jahren mit großer Intensität gearbeitet. Probleme bei der praktischen Realisierung entstehen vor allem durch die großen Unterschiede in der akustischen Impedanz von Wandlermaterial und Luft. Sie führen zu erheblichen Signaldämpfungen. Durch die Verwendung von Kunststoff-Folien z.B. aus porösem Polypropylen kann dieser Unterschied stark reduziert werden.
Im Beitrag werden die akustischen Eigenschaften dieser Folien untersucht und im Hinblick auf ihre Eignung für die Luftultraschall-Technik analysiert.

2. Motivation

Für die klassische zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit Ultraschall stellen Grenzflächen zur Luft ausgezeichnete Reflektoren dar. Luftspalte im Schallweg sind deshalb für den Ultraschall nahezu unüberwindlich [s.a. 1]. Die ZfP mit Ultraschall nutzt aus diesem Grund Flüssigkeiten und Festkörper als Ausbreitungsmedien. Sie werden z.B. als Koppelmittel eingesetzt, um das Ultraschall-Signal, das in einem Wandler erzeugt wurde, in den Prüfkörper ein- und nach seiner Reflexion, z.B. an einem Riss, wieder zum Wandler auszukoppeln. Diese Technik hat sich als Tauch- und als Kontaktverfahren seit langem bewährt, vor allem bei klassischen Bauteilen und Konstruktionen aus Eisen und Stahl. Die Rohrleitungs-Prüfungen in Kraftwerken sind dafür ein Beispiel. Mit den wachsenden Möglichkeiten des Maschinenbaus, sehr große und komplexe Bauteile für Straßen- und Luftverkehrsmittel auch aus faserverstärkten Kunststoffen zu produzieren, erweitern sich die Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung. Beispielsweise lassen sich große Bauteile, deren Oberfläche in jede Raumrichtung einen anderen Krümmungsradius aufweist, nur schwer in Kontakttechnik prüfen. Schwierigkeiten gibt es auch beim Einsatz dieser Technik an Bauteilen mit sehr hochwertigen Oberflächen. Es kann zu mechanischen oder chemischen Beeinträchtigungen an den Prüflingen kommen.

Eine Möglichkeit diese Schwierigkeiten zu umgehen ist der Einsatz von Geräten und Verfahren, mit denen man den Ultraschall über Luft in den Prüfkörper ein- und auskoppeln kann [2, 3, 4]. Das Problem dieser Luftschall-Technik liegt in der erwähnten nahezu vollständigen Reflexion des Ultraschalls an der Grenzfläche vom Festkörper (oder Flüssigkeit) zur Luft. Diese starke Reflexion wird durch die große Differenz zwischen der hohen akustischen Impedanz im Festkörper und der niedrigen Impedanz der Luft hervorgerufen. Sie führt zu Impedanz-Fehlanpassungen beim Übergang zwischen den Wandlern S, E (s. Bild 1) und der Luft sowie zwischen dem Prüfobjekt M und der Luft. Damit verbunden sind Signalverluste bis zu 300 dB.


Bild 1: Signalverlustmechanismen

Durch einen speziellen Wandlerentwurf, z.B. durch Verwendung von Anpass-Schichten [5], kann die Dämpfung R bei piezokeramischen Wandlern um bis zu 200 dB gesenkt werden. Probleme können dann durch die frequenzfilternde Wirkung dieser Schichten entstehen, sodass die Ultraschall-Impulse zu schmalbandig und damit zu lang sind.

Einen anderen Ansatz bieten piezoelektrische oder Elektret-Polymer-Materialien, deren akustische Impedanz besonders niedrig ist und die deshalb ohne Impedanz-Anpass-Schichten auskommen könnten [6, 7, 8]. Bei dem hier untersuchten Material handelt es sich um poröse PolypropylenFolie (pPP) der Fa. Emfitech Ltd, Finnland [9]. In die Folie sind kleine Poren eingelagert, die in sich abgeschlossen sind. Durch eine elektrische Korona-Entladung werden Ladungsträger injiziert, die dem Material piezoelektrische Eigenschaften geben [7].


Bild 2: Schematische Darstellung von pPP

3. Experimentelle Ergebnisse

Zur Untersuchung der Eigenschaften dieser Folie im Hinblick auf die Anregung und den Empfang von Luftschall bei etwa 500 kHz wurden drei verschieden präparierte Sorten pPP-Folie benutzt (T - Dicke, S - Elektrodenfläche):

  1. pPP-film "NE"
    • unbedampfte Folie als Dielektrikum zwischen zwei Kondensatorplatten
    • T = 70 µm, S = 700 mm2
  2. pPP-film "E"
    • mit Gold bedampfter Folie zwischen zwei Messingplatten
    • T = 70 µm, S = 170 mm2
  3. Sensor mit pPP-Film "sensor"
    • mit Gold bedampfter Folie, frei schwingend
    • T = 70 µm, S = 100 mm2
Die Ergebnisse werden mit denen von PVDF verglichen, das mit Pt/Au-Schichten bedampft wurde. ( Von diesen Proben wurden mit einem HP 4194 A Impedance/Gain-Phase Analyzer (100 Hz - 40 MHz) die Impedanzen und Admittanzen in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt.

3.1 Bestimmung elektromechanischer Eigenschaften von PVDF und pPP

Die PVDF-Probe zeigt das klassische piezoelektrische Verhalten mit den drei Resonanzen, entsprechend der Probenlänge L, Probenbreite W und Probendicke T (Bild 3).


Bild 3:
Impedanzen und Admittanzen der PVDF-Proben

Bild 4:
Impedanzen und Admittanzen der pPP-Proben


Bild 5: Darstellung von C in Abhängigkeit von der Frequenz

Aus der Bestimmung von Parallel- und Serienresonanz mit Fp = 31,2 MHz und Fs = 30,2 MHz ergibt sich der Kopplungsfaktor kt = 0,28. Die Schallgeschwindigkeit ist v = 2500 m/s und die Dielektrizitätskonstante eT33 = 12. Die Schwingergüte beträgt Q = 17 und tan dm = 0,39.

Bei den pPP-Proben dagegen ist nur die Dickenresonanz deutlich ausgeprägt (Bild 4). Die Längen- und die Breitenresonanzen sind stark bedämpft.

Die Parallel- und Serienresonanzfrequenzen liegen mit Fp = 610,5 MHz und Fs = 610 MHz sehr dicht beieinander. Daraus folgt ein elektromechanischer Kopplungsfaktor von kt = 0,045.
Die Schallgeschwindigkeit ist mit v = 85 m/s außerordentlich niedrig, ebenso wie die Dielektrizitätskonstante von eT33 = 1,12. Die Schwingergüte ist mit Q = 1100 wesentlich höher als bei PVDF und die mechanischen Verluste sind entsprechend geringer - tan dm = 0,05.

Wegen der schwachen piezoelektrischen Resonanz und des niedrigen elektromechanischen Kopplungsfaktors des Materials wird die Sensorimpedanz vorwiegend durch kapazitive Eigenschaften bestimmt.
Die piezoelektrischen Eigenschaften der Folie zeigen sich auch in der C(f)-Stufe, die die Dickenresonanz kennzeichnet (Bild 5). Wegen des geringen Unterschieds zwischen der Parallel-resonanz- und der Serienresonanz-Frequenz wird der Kopplungsfaktor k33 auch auf der Basis der C(f)-Stufe berechnet: CT = CS (1 + k332).
Danach ist der Kopplungsfaktor k33 = 0,06. Außerhalb des Resonanzbereiches tritt keine merkliche dielektrische Dispersion auf. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlust sind mit eT33 = 1,12 beziehungsweise tan de = 0,001 vergleichsweise niedrig.

Mit der pPP-Folie wurden zwei Funktionsmuster für Luftultraschall-Wandler aufgebaut. Bild 6 zeigt die Folge der reflektierten Impulse eines der Wandler in 1 cm Abstand zum Reflektor. Bis zu 13 Reflexionen lassen sich identifizieren. Die Empfindlichkeit dieser Wandler reicht aus, um 600 kHz-Signale über eine Strecke von 50 cm zu übertragen.


Bild 6: Signalform in Durchschallung

In Bild 7 ist die Abhängigkeit der Schallamplitude von der zurückgelegten Luftstrecke dargestellt. Die Energie der Anregungsimpulse beträgt 100 µJ, die Verstärkung 60 dB, und das Bandpassfilter erstreckt sich von 0,1 bis 5 MHz. Die Messpunkte entsprechen dem Abklingverhalten A = A0 exp(-x/L), mit L = 11,1 bzw. 12,5 cm. Entsprechend Bild 7 beträgt die Amplitude des übertragenen Signals nach 2 cm Luftweg 12 V (in Transmission). Sie nimmt durch die Dämpfung in der Luft mit der Weglänge ab und erreicht bei 46 cm den Wert 0,3 V.


Bild 7: Schalldämpfung

3.2 Vergleich der pPP-Folie mit gebräuchlichen Wandlermaterialien

In Tabelle 1 sind die experimentell bestimmten und die der Literatur entnommenen Materialparameter [6, 10] für die pPP-Folien zusammengestellt. Außerdem sind dort die entsprechenden Herstellerangaben für PVDF, PZT-Komposite und PZT-Keramik aufgeführt. Von großem Vorteil für Luftschall-Wandler ist vor allem die extrem niedrige Schallgeschwindigkeit (85 m/s) von pPP und die daraus resultierende niedrige Impedanz von 0,028 MRayl.
Von Nachteil ist der geringe elektromechanische Kopplungsfaktor. Mit k33 = 0,06 ist er nur etwa halb so groß wie der von Quarz. Als Maß für die Eignung der Materialien zum Wandlerbau wird die Größe FOM = 104 k334 / ZA2 eingeführt. In sie gehen sowohl die Verluste durch die Umwandlung von elektrischer in mechanische und von mechanischer in elektrische Energie als auch die Verluste infolge der Impedanz-Fehlanpassungen von Sender und Empfänger gegenüber Luft ein. FOM ist dem Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsenergie Waus/Wein proportional, wenn die akustische Impedanz der Luft, ZL = 0,0004 MRayl, klein gegen die des Wandlermaterials ist (ZL << ZA). (Es gilt Waus / Wein = k334 · D2, mit dem elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und dem Durchlass-Koeffizienten D = 4 ZL ZA· (ZL+ZA)-2 [11].)


Geschäumte pPP-Folie exp. Geschäumte pPP-Folie lit. [6, 10] Ferro-elektrische PVDF-Folie PZT- Komposite PZT- Keramik
Dichte r[kg/m3]
330 1780 2000-5000 4000-8000
Dielektrizitäts-Konstante eT33 1,12 1,20 12 50-200 150-3500
Elektrom. Kopplungsfaktor k33 0,06 0,06 0,11-0,15 0,65 0,35-0,55
Quasistatischer Piezokoeffizient d33 [pC/N] 80 240 20-25 50-200 70-600
Schall-Geschwindigkeit v [m/s] 85 85 2200 3000 4000-6000
Akustische Impedanz ZA [MRayl] (Luft ZL = 0,0004 MRayl) 0,028
3,900 6,500 25-37
FOM=104 k334/ZA2 160
0,2 40 0,4
Dielektrischer Verlust tan de 0,001 0,001 0,010-1 0,001-1 0,010-0,1
Mechanischer Verlust tan dm 0,05
0,40

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften verschiedener Wandlermaterialien

Aus den Tabellenwerten geht hervor, dass sich pPP gut für den Bau von Luftschall-Wandlern eignet.

4. Zusammenfassung

pPP zeigt in Bezug auf die Luftschallanregung gute elektromechanische Eigenschaften. Im Vergleich zur Piezokeramik und PVDF sind

  • die Schallgeschwindigkeit extrem niedrig
  • die akustische Impedanz sehr viel näher an Luft als die der anderen Materialien
  • die Empfindlichkeit hoch (Piezo-Koeffizient d33)
  • die dielektrischen und mechanischen Verluste niedrig
  • die Resonanz schwach ausgeprägt und
  • der elektromechanische Kopplungsfaktor niedrig.
Die außergewöhnlich niedrige Schallgeschwindigkeit der pPP-Folie bewirkt eine besonders niedrige akustische Impedanz, s. Tabelle 1. Diese kleine Impedanz, der hohe piezoelektrische Koeffizient d33 und die niedrigen dielektrischen und mechanischen Verluste sind die Vorteile beim Einsatz der Folie für die ZfP mit Luftschall. Der geringe Kopplungsfaktor wirkt sich dagegen nachteilig aus.

5. Literatur

  1. Krautkrämer, J., Krautkrämer H., "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", Springer 1989, S. 16-24
  2. Bhardwaj, M. C., "Non-Contact Ultrasound: The Last Frontier in Non-Destructive Testing and Evaluation", Encyclopedia of Smart Materials, A. Baderman, Editor, John Wiley & Sons, New York (2001)
  3. Buckley, J., Loertscher, H., "Frequency Considerations in Air-Coupled Ultrasonic Inspection", 38 th Conference of the British Institute of Non-Destructive Testing, Poole, 16th September 1999
  4. Hillger, W., Meier, F., Henrich, R., "Inspection of CFRP Components by Ultrasonic Imaging with Air Coupling", NDT.net - Oct, 2002, Vol, 7 No.10
  5. Gómez T.E., Montero de Espinosa F., Moner-Girona, M., Rodríguez, E., Roig, A., Molins, E., Rodríguez, J.R., Vargas, S. Esteves, M. "Low-impedance and low-loss customized materials for air-coupled piezoelectric transducers", Ultrasonic Symposium Atlanta, 8-10. October 2001, pp. 1077-1080
  6. Neugschwandtner, G. S., Schwoediauer, R., Vieytes, M., Bauer-Gogonea, S., Bauer, S., Hillenbrand, J., Kressmann, R., Sessler, G. M., Paajanen, M., Lekkala, J., "Large and broadband piezoelectricity in charged polypropylene foam electrets", Appl. Phys. Letters, Vol. 77 (2000) pp. 3827-3829
  7. Wegener, M., Paajanen, M., Wirges, W., Gerhard-Multhaupt, R., "Corona-induced partial discharges, internal charge separation and electromechanical transducer properties in cellular polymer films", 11th International Symposium on Electrets, 2002, pp.54-57
  8. Wegener, M., Wirges, W., Gerhard-Multhaupt, R., Dansachmüller, M., Schwödiauer, R., Bauer-Gogonea, S., Bauer, S., Paajanen, M., Minkkinen, H., Raukola, H., "Controlled inflation of voids in cellular polymer ferroelectrets: Optimizing electromechanical transducer properties", Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No.3, 19 Jan 2004, pp. 392-394
  9. Raukola, H., Kuusinen, N., Paajanen, M., "Cellular Electrets - from Polymer Granules to Electromechanically Active Films", 11th International Symposium on Electrets, 2002, pp. 195-198
  10. Neugschwandtner, G. S.; Schwoediauer, R.; Bauer-Gogonea, S.; Bauer, S: "Piezo- and pyroelectricity of a polymer-foam space-charge electret", J. Appl. Phys, Vol. 89, No. 8, (2001), pp. 1-9.
  11. Rayleigh, Lord, "The Theory of Sound", London, MacMillan u. Co., 1926

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