DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Plakate > Ultraschallprüfung: Print

Einfluss hoher Temperaturen und Drücke auf die Ultraschalleigenschaften eines Komposit-Prüfkopfes

J. McHugh, J. Döring, W. Stark, A. Erhard, S.Raab*
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
* GeoForschungszentrum, GFZ, Potsdam
Kontakt: Dipl.-Ing. Jarlath McHugh

Seit der Entwicklung der Composite-Schwinger (Keramik-Gießharz Mischung) Anfang der 80'iger Jahre werden Kunststoffe immer häufiger im Prüfkopfbau eingesetzt. Ein typisches Beispiel dafür ist die 1-3 Anordnung, die heute überwiegend als Wandlermaterial für Composit-Schwinger verwendet wird. In der Arraytechnologie werden Gießharze für den Composit-Schwinger, als Intraelement-Füllmaterial und auch als Backing-Material eingesetzt. Epoxydharze weisen sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf (von Weich bis Hart) und eignen sich für viele Anwendungen. Eines der Hauptprobleme ist die Temperaturabhängigkeit dieser Materialien. Mechanische und damit auch akustische Eigenschaften können sich sehr stark innerhalb von 100 °C ändern. Im vorliegenden Beitrag werden die akustischen Materialeigenschaften von einem Hochtemperatur-Epoxydharz bei Drücken bis zu 1400 bar und Temperaturen bis zu 200°C gemessen und bezüglich ihrer Eignung für den Prüfkopfbau analysiert. Das zu untersuchende Epoxydharz wird als Gießharz-Matrix (als Intraelement-Füllmaterial) verwendet. Es zeigte sich, dass unter diesen Bedingungen die Phasenübergänge, insbesondere der Glas-Gummi-Übergang eine besondere Rolle spielen. Als praktische Beispiel wird ein Array mit diesem Harz in 1-3 Anordnung ohne Backing untersucht. Die elektrische Impedanz wurde gemessen. Analog zu den Messungen an reinem Harz ist mit steigender Temperatur eine deutliche Verschlechterung der Schwinger-Eigenschaften zu sehen. Weitere Experimente unter Druck zeigen, dass dieser Effekt durch steigenden Druck minimiert wird. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Epoxydharzen zu finden, die für Anwendungen in der Ultraschalltechnik bei hohen Temperaturen und hohen Drücken geeignet sind, z.B. bei Erdölbohrungen.

Messaufbau

In Bild 1 ist der Autoklav des GeoForschungsZentrum Potsdam dargestellt. Er ist rohrförmig aufgebaut und mit Silikonöl gefüllt. Ein Ende des Rohres kann mittels eines Schraub-Verschlusses geöffnet werden. Die Messzelle (Bild 2) wird an der Unterseite dieses Schraub-Verschlusses befestigt. Dieser Deckel wird mitsamt der Messzelle in den Autoklaven abgesenkt und verschraubt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt mit einem Kompressor. Gemessen wird in Zyklen bei konstanter Temperatur und steigendem Druck. Die Messzelle hat zwei Sensorstrecken. Zwei Proben unterschiedlicher Dicken werden unter möglichst geringer Spannung zwischen die Sensoren geklemmt. Die gesamte Vorrichtung wird in Öl getaucht. Dadurch wird automatisch ein guter akustischer Kontakt zwischen Probe und Sensor und gleiche Mess-Bedingungen für beide Proben gewährleistet. Die Sensoren sind, wegen des Drucks umgebaute, 4 MHz Sensoren (Typ. K4V) der Firme GE, Fürth. Das Ultraschallmesssystem basiert auf einem industrietauglichen Notebook mit Ultraschallspezialeinschub, Impulsgenerator und Verstärker. Eine detaillierte Beschreibung des Meßsystems ist bei Döring et al. (2000)[1] zu finden. Mit einem an der BAM entwickelten Multiplexersystem können gleichzeitig beide Messstrecken abgefragt werden. Die Dämpfung wird mit Hilfe der FFT (Fast Fourier Transformation) bei einer Frequenz von 2 MHz ausgewertet.


Bild 1:
Autoklav mit Schraubverschluß, Messvorrichtung hängt ganz unten

Bild 2:
Ultraschallmesszelle mit zwei Messstrecken (zwei verschiedene Probendicken)

Epoxydharzsystem

Das verwendete Harzsystem ist eine zweikomponentige Harz/Härter-Kombination auf Epoxyd/Amine-Basis. Der aktuelle Produktname und das Mischungsverhältnis sind vertraulich. Das gemischte Epoxydharz wurde zwei Stunden bei 110 °C gehärtet und langsam nachgetempert bis 150 °C (Heizrate ca. 1 °C/min). Bei Zimmertemperatur ist das reine Harz eine durchsichtige, honigartige Masse, welche bei Erwärmung schnell niederviskos wird. Um ein gute Durchmischung zu gewährleisten, wird solange langsam (keine Luftblasen) gerührt, bis die einzelnen Komponente mit bloßem Auge nicht zu unterscheiden sind, d.h. eine homogene Flüssigkeit entstanden ist.

Ergebnisse und Diskussion

Kunststoffe sind viskoelastische Materialien und ihre mechanischen Eigenschaften sind sehr stark von der Temperatur abhängig. Um die Temperaturabhängigkeit des eingesetzten Epoxydharzes grundsätzlich zu verstehen, sind Ultraschallmessungen allein nicht ausreichend. Ein leistungsfähiges Gerät zur weiteren Charakterisierung von Kunststoffen (s.a. Stark et al.[2]), ist das Torsions-Pendel. Es ist eine Methode der dynamisch-mechanischen Analyse DMA und liefert Informationen über den Verlauf der mechanischen Eigenschaften unter geringer sinusförmigen dynamischer Belastungen als Funktion der Temperatur. Dieses Instrument hat eine Messfrequenz von 1 Hz. Der Speicher (G´) und der Verlustmodul (G´´) der Scherbeanspruchung sind in Bild 3 zusammengefasst. Beim Hochheizen bis ca. 120 °C ist der Epoxydharz steif und der Modulwert liegt im GPa-Bereich. Ab 120 °C fällt der Modul steil ab und der Verlustmodul geht durch ein Maximum. Der Übergang vom Glas (GPa) in den gummielastischen (10 MPa) Zustand wird als dynamischer Glasübergang (Tg) bezeichnet. Beim Passieren des klassischen Glasübergangs auf Grund gleichmäßig steigender Temperatur fangen die Moleküle an, sich zu bewegen. Es entstehen Reibungsverluste, die als Wärme dissipiert werden. Dieser Vorgang äußert sich in hohen Dämpfungswerten. Je beweglicher die Moleküle werden, desto geringer die Energieverluste durch Reibung, und die Dämpfungswerte fallen wieder ab. Dieser Vorgang hängt sehr stark von der Messfrequenz (Molekularbeweglichkeit) ab und der Ursache dafür ist das Einsetzen kooperativer Bewegungen mehrere Segmente in der Polymerhauptkette. Um stabile Bedingungen für den Vergleich der Ergebnisse aus den verschiedenen Messungen und Messmethoden zu erreichen, werden alle Proben bei 200 °C nachgetempert (kein Restreaktion). Die angezeigte Temperaturabhängigkeit von Speicher und Verlustmodul beeinflusst auch die Temperaturabhängigkeit der akustischen Materialwerte.


Bild 3. Torsionspendelmessung an einem vollständig gehärtetem Epoxydharz:

Aus der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung kann der Realteil und der Imaginärteil des Longitudinalmoduls L* wie folgt berechnet werden:
1

v - Schallgeschwindigkeit
a - Dämpfungskoeffizient
w - Kreisfrequenz

Die Longitudinalwellenmoduli L´ und L´´ (ähnlich zu den Schermodul dargestellt in Bild 3) sind geeignet, die mechanischen Eigenschaften zu erfassen. Aus Gleichung 1 geht hervor, dass die Ultraschallparameter Schallgeschwindigkeit und Dämpfung in einem engen Verhältnis zu Speicher- und Verlustmodul stehen. Die ersten Ultraschallmessungen wurden wegen der einfacheren Handhabung in einer mit Silikonöl gefüllten temperierbaren Ölwanne durchgeführt. In Bild 4 sind die für den Sensorbau wichtigen Parameter Impedanz und Dämpfung als Funktion der Temperatur dargestellt. Die akustische Impedanz (Z) steht in direktem Bezug zur Schallgeschwindigkeit [Z = rv]. Wegen der geringen Temperaturabhängigkeit der Dichte r (Bild 4) sind beide Verläufe fast gleich. Aus diesem Grund ist nur die akustische Impedanz dargestellt. Erhebliche Änderungen im Impedanz und Dämpfungswerte treten ab 140 °C auf. Ein Vergleich mit Bild 3 zeigt die Ursachen im Auftreten des Glasübergangs; Abnahme der Schallgeschwindigkeit auf Grund der Abnahme des Speichermoduls, Anstieg der Dämpfung wegen des steilen Anstiegs des Verlustmoduls. Das Dämpfungs-Peakmaximum liegt außerhalb des messbaren Bereiches. Der allgemeine Temperaturverschiebung kann durch die hohe Ultraschallmessfrequenz erklärt werden. Aus der Literatur ist eine Verschiebung der Glasübergang von bis zu 7 K pro Frequenzdekade [3] bekannt, d.h. ca. 42 °C bei 2 MHz. Ein Dämpfungspeak sollte in der Nähe von 200 °C auftreten, außerhalb des messbaren Bereichs.


Bild 4. Ultraschall Impedanz und Dämpfung im Vergleich zu Dehnung und Dichte als Funktion der Temperatur (ohne Druck)

Die Verläufe von Schallgeschwindigkeit und Dämpfung als Funktion der Temperatur sind im Bild 4 und 5 dargestellt. eine Temperatur von 200 °C steigt die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Druck um 700 m/s. Ein ähnliches Verhalten ist bei den Dämpfungsverläufen zu erkennen. Zu bemerken ist, dass sich der Dämpfungsanstieg ab 140 °C durch den steigenden Druck verlangsamt. Beide Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei höheren Drücken der Glasübergang zu höhere Temperaturen verschoben wird. Das ist auch verständlich, da die molekulare Beweglichkeit von Druck abhängig ist.


Bild 5. Schallgeschwindigkeitsverlauf als Funktion der Temperatur und Druck

Bild 6. Dämpfungsverlaufsverlauf als Funktion der Temperatur und Druck

Erprobung an der Array


Bild 7.
Elektrische Impedanz als Funktion von Temperatur und Druck

Der Fragestellung in diesem Fall lautet: kann dieses Epoxydharz bei Temperaturen bis zu 200°C und Drücken bis zu 1400 bar in Ultraschall-Prüfköpfen eingesetzt werden? Die akustischen Eigenschaften eines idealen Materials sollen sich in diesem Arbeitsbereich wenig oder gar nicht ändern. Die Ergebnisse zeigen unter dem Einfluss der Temperatur und bei konstantem Druck eine Abnahme der Schallgeschwindigkeit und einen steilen Anstieg in der Dämpfung ab 140 °C. Dieser Effekt kann durch einen steigenden Druck verringert werden. Um zu überprüfen, ob diese Ergebnisse der Realität entsprechen, wurde ein Array aus diesem Epoxydharz diesen Bedingungen ausgesetzt. Die elektrische Impedanz wurde mit einem Impedanzanalysator HP4194A in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen:

  • bei konstantem Druck und steigender Temperatur (Bild 7a);
  • bei konstanter Temperatur und steigendem Druck (Bild 7b) und
  • einer Kombination aus steigendem Druck und steigender Temperatur.
Die Ergebnisse bestätigen die Analyse an reinem Epoxdyharz.. Die akustische Impedanz verringert sich mit dem Druck und der Unterschied der akustischen Impedanzen vergrößert sich. Nur unter einer Kombination von Druck und Temperatur sind stabile Eigenschaften zu erreichen.

Zusammenfassung:

Die Temperatur- und Druck-Abhängigkeit des Epoxydharzes in Compositprüfkopfe wurden gemessen und analysiert. Überschreitet die Einsatztemperatur die Glasübergangstemperatur hat das erhebliche Auswirkungen auf die akustischen Parameter. Um für Anwendungen als Intraelement-Füllmaterial stabile Eigenschaften zu erzielen, sollte die Einsatztemperatur viel niedriger liegen als die Glasübergangstemperatur. Die Ergebnisse werden in der Zukunft benutzt, um besser geeignete Harze auswählen zu können.

Literatur

  1. Döring, J. Bartusch, J. Mc Hugh, W. Stark "Contribution to Ultrasound Cure Control for Composite Manufacturing" 15th World Conference on NDT, Rome, (2000)
  2. Stark, W. " Thermoanalytische Charakterisierung duroplastischer Formmassen" Materialprüfung MP, 41, 115, (1999)
  3. Cowie, J.M.G, "Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials" 2nd Edition,Blackie, Chapman & Hall, New York, 1991

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net