EoW July 2008

technischer artikel

der angewandten Kraft und neben den beiden Seiten der Schnittstellen zwischen Glas und Primärbeschichtung und zwischen Primärbeschichtung und Sekundärbeschichtung befinden. Diese Bereiche befinden sich dort wo die Kavitationunter angewandtermechanischer seitlicher Kraft möglicherweise zu erscheinen beginnt. Bild 7 zeigt einige Beispiele absichtlich verursachter Kavitäten in der Primärbeschichtung, diedurchmechanische seitliche Auswirkungen geschaffen werden. Die seitliche Kraft muß mit der Geschwindigkeit dynamisch sein, entweder entlang der Faser (gleiten) oder senkrecht zur Faser (schlagen). Eine statische seitliche Kraft kann nur zur Delaminierung führen. In Bild 7 , wurde die mechanische Auswirkung durch das Gleiten eines 1mm dicken Metallstabs entlang der Faserrichtung bewirkt. Ein Gerät wurde hergestellt durch das Anbringen eines Metallstabs an ein automatisches Reibungsprüfgerät mit gesteuerten Geschwindigkeiten sowie Kräften, indem verschiedene Gewichte dem Gerät hinzugefügt wurden. Das Kraftniveau sowie die Auswirkungsgeschwindigkeit beeinflussen den Spannungszustand in der Beschichtung. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, entsteht eher eine Delaminierung als eine Beschichtungskavitation. Dies könnte sich daraus ergeben, daß der geringe Delaminierungsbereich, der sich am anfänglichen Kontakt mit der Kraft bildet, sich entlang der Faser verbreitet und die Zugbeanspruchung in der Beschichtung freisetzt. Von Mittel- bis zu Hochgeschwindigkeiten, können Kavitäten und/oder Delaminierung entstehen, wie in Bild 7 dargestellt.

2.1.2 Primär- beschichtung . Bild 4 zeigt Mikroskopbilder einiger Kavitäten, die sich bei einer beschichteten Faser mit 500μm Außendurchmesser bilden, nach einem Temperaturzyklus zwischen 85ºC und -60ºC. Unregelmäßig geformte Beschicht- ungsbrüche unterschiedlicher Größe können in der Primärbeschichtungslage beobachtet werden. Die Tatsache, daß die Beschichtungsbrüche weit offen sind - was mit Leerstellen dargestellt wird - zeigt das Vorhandensein einer dreiaxialen Zugbeanspruchung in der Primärschicht bei Raumtemperatur. Nach der Theorie der Bruchmechanik, wird der Parameter, der den Kavitationswiderstand eines Materials darstellt, Kavitationsfestigkeit genannt. Wenn die dreiaxiale Beanspruchung diesen kritischen Punkt erreicht, fängt das Material an zu brechen und formt innere Kavitäten. Es wurde berechnet und durch Experimente erwiesen, daß für einen idealen Gummi, die dreiaxiale Beanspruchung um ein sehr kleines kugelförmiges Loch uneingeschränkt auszubreiten, (5/6)E entspricht, wo E den Youngs Modul darstellt. [6] Jeder mikroskopische Vernetzungsmangel im Material könnte als anfängliche Bruchstelle dienen. Das bedeutet für eine 1MPa Primärbeschichtung, daß eine dreiaxiale Zugbeanspruchung von 0,83MPa bereits eine Kavitätsbildung entsprechend des unbegrenzten Zuwachsmechanismus verursachen könnte, wenn das Verhalten des Beschichtungsmaterials dem eines idealen Gummi entspricht. Anhand eines geeigneten Molekulardesigns der Vernetzungsstruktur der Beschichtung, kann dergewünschtehoheKavitationswiderstand mit einer Kavitationsfestigkeit, die das Beschichtungsmodul wesentlich übertrifft. erreicht werden. Bei dieser Art Primärbeschichtungen mit hoher Kavitationsfestigkeit werden kleine Kavitäten nicht unbegrenzt zunehmen und das Material wird nicht brechen, auch nicht unter einem relativ hohen Zugbeanspruchungsniveau, das in der Primärbeschichtung vorliegen könnte. 2.2 Durch mechanische Spannung verursachte Kavitäten Neben der hydrostatischen thermischen Zugbeanspruchung, kann die Kavitätsbildung bei Primärbeschichtungen auch durch eine richtungsabhängige dreiaxiale Spannung angetrieben werden, die sich aus einer mechanischen Auswirkung an der beschichteten Faser ergibt. Es wurde zuvor berichtet, daß die Beschichtungsrisse unter hoher Spannung beobachtet wurden, wenn die Faser durch eine Vorrichtung zum Umwickeln gezogen wird, um den Beschichtungswiderstand zur Delaminierung zu testen. [4] Wenn eine äußere mechanische Kraft auf eine beschichteteFaserausgeübtwird,verformen Kavitätsbildung in der

sich die Beschichtungsschichten und dies spiegelt sich in einem uneinheitlichen Spannungsfeld im Beschichtungsmaterial wider. Bild 5 verdeutlicht schematisch die Verformung der Beschichtungsschichten unter einer seitlichen Kraft F. Da die Sekundärbeschichtung aus einem viel härteren Material als die Primärbeschichtung besteht, verhält sich die Sekundärschicht wie ein hohles Rohr, das seitlichen Druck unterzogen wird, wobei die Form des Rohrs sich in eine ovale Form verändert, jedoch ohne Deformationen bei der Beschichtungsdicke. Die Primärbeschichtung ist an beide Seiten am Glas und an der Sekundärbeschichtung gebunden und ist gezwungen innen zu verformen. Die Bereiche der Primärbeschichtung, die sich entlang der Kraftrichtung befinden, sind komprimiert und die Bereiche, die senkrecht zur Kraftrichtung liegen, sind ausgesteckt. Die Zugbeanspruchung in diesen ausgestreckten Bereichen weist einen wichtigen dreiaxialen Bestandteil auf, der die Kavitation der Primärbeschichtung verursachen könnte, wenn die Beanspruchung die Kavitationsfestigkeit der Beschichtung überschreitet. durchschnittliches normales Spannungsfeld dar, das durch eine Finite-Element-Analyse in der Primärbeschichtungslage einer Faser mit einer Geometrie des Außendurchmessers von 125/240/410μm berechnet wird, unter simulierter seitlicher Kraftbedingung. Das Ergebnis zeigt quantitativ verschiedene Spannungsfelder, variierend von zusammengepreßten (-) bis zu entspannten (+).Wie in Bild 6 dargestellt, sind die Bereiche unter der höchsten Zugbeanspruchung jene Stellen, die senkrecht zur Richtung Bild 6 stellt ein

Bild 7 ▼ ▼ : Beispiele von Kavitäts-/Delaminierungsbildung in der Primärbeschichtungslage durch eine mechanische seitliche Auswirkung

Bild 8 ▼ ▼ : Vorbereitung der Probe des Kavitationsfestigkeitstests

Glass plate la plat

Resin (100 μm ) Harz

Quartz billet Quarzstab

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EuroWire – Juli 2008