EoW July 2008

technischer artikel

Um eines Beschichtigungsmaterials zu messen wurde eine Prüfmethode ab einer gehärteten Folie entwickelt. die Kavitationsfestigkeit

Die Kavitäten sind örtlich auf die zwei Seitenbereiche begrenzt, was mit der Theorie übereinstimmt.

Beschicht- ung

E'

σ

Verhältnis

cav

(MPa)

(MPa)

σ

/E'

cav

Kavitäten

und

Delaminierung

sind

A

0.37

0.95

2.6

3.1.1

Messkonfiguration.

Grundsätzlich

zwei Fehlerzustände. Sie könnten einzeln oder gleichzeitig erscheinen, je nach den Eigenschaften des Haftniveaus und der Kavitationsfestigkeit einer besonderen Beschichtung. Das Haftniveau der Primärbeschichtung am Glas sollte mit der Anforderung der Abisolierkraft ausgeglichen werden. Eine hohe Kavitationsfestigkeit ist für eine Primärbeschichtung immer wünschenswert, um die Robustheit der beschichteten Fasern zu verbessern. Dennoch sollte man sich bewußt sein, daß jede beschichtete Faser in der Form der Delaminierung und/oder Kavitation schließlich versagen wird, wenn die mechanische Auswirkung sich auf ein bestimmtes Niveau erhöht. Während die thermische Spannung dem zweilagigen Design innewohnt, ergibt sich die mechanische Spannung aus äußeren Ursprüngen. Alle ungewöhnlichen Hochdruckauswirkungen an den Fasern sollten während Zieh-, Spul-, Prüfungs- und Handhabungsverfahren vermieden werden. 3. Kavitationsfestigkeit der Primärbeschicht- ung 3.1 Kavitationsfestigkeitstest Das physikalische Konzept der Kavitationsfestigkeit, wie im Absatz 2.1.2 beschrieben, ist das kritische dreiaxiale Spannungsniveau bei dem das Material anfängt zu zerreißen. konkurrierende

B

0.97

1.21

1.2

ist

die

Weise

in

der

man

eine

dreiaxiale

Zugspannung

in

einem

C

1.33

2.5

1.9

Beschichtungsmaterial ein- fach: man erhöht das Volumen des gummiartigen Beschichtungsmaterials. Die Beschichtung ist gehärtet und haftet zwischen zwei flachen Oberflächen, die in einer Zugprüfmaschine getrennt werden. Mit der gesteuerten Erhöhung des Abstands zwischen den zwei Platten wird eine dreiaxiale Zugbeanspruchung in der Beschichtung erzeugt. Die Konfiguration ist derart entworfen, daß die Beschichtungsdicke unter 5% des Durchmessers der Platten liegt. Da diese sehr dünne Beschichtungslage an den Platten begrenzt ist, ist die seitliche Schrumpfung der Beschichtung eingeschränkt. Demzufolge wird eine dreiaxiale Zugbeanspruchung gleichmäßig im Beschichtungsmaterial erzeugt. Um reproduzierbare Werte der Kavitationsfestigkeit zu erreichen, ist das Ausrichten der Einstellung wichtig, da dies die Spannungsverteilung in der Probe beeinflußt. Um außerdem die Entwicklung der Anzahl der Kavitäten mit Last in einer reproduzierbaren Weise untersuchen zu können, muß die Steifheit der Konfiguration hoch sein (d. h. die Übereinstimmung sollte niedrig sein) um die Lagerung der elastischen Energie in der Messkonfiguration zu minimieren. Die Vorbereitung der Probe ist in Bild 8 dargestellt. Um während des Versuchs eine Delaminierung zu vermeiden, ist eine geeignete Vorbereitung der Oberflächen der Glasplatten und der Quarzstäbe erforderlich. Zunächst wurden die Oberflächen aufgerauht, indem mit Einsatz von Karborundpulver poliert wurde. Die Glas- und Quarzteile wurden dann in einem Ofen bei 600ºC eine Stunde lang rein verbrannt, und die Oberflächen mit Aceton gespült und getrocknet. Nachträglich wurden die Oberflächen mit einer Lösung von Silanhaftvermittler behandelt – Methacryloxypropyltrimethoxysilan (A174 von Witco) wurde dabei eingesetzt. Die Silanlage wurde gehärtet, indem die behandelten Glas- oder Quarzplatten 5 bis 10 Minuten lang in einen Ofen bei 90ºC gelegt wurden. Nach dieser Vorbehandlung, wurde ein Tröpfchen Harz auf die Glasplatte gelegt und mit dem Quarzstab bedeckt. Die Foliendicke wurde bei ca. 100μm mit einemMikrometer aus zwei Platten eingestellt. Die Probe wurde mit einer 1 J/cm 2 Dosis gehärtet, mit Einsatz eines Fusion F600W UV-D Lampensystems. verursacht 3.1.2 Vorbereitung der Probe .

D

1.2

2.8

2.3

E

0.9

2.1

2.3

F

0.64

1.51

2.4

▲ ▲

Tabelle

1

Die gemessenen Eigenschaften

:

der

Kavitationsfestigkeit

der

ausgewählten

Primärbeschichtungen

3.1.3 Messung der Kavitationsfestigkeit. Die Probe wurde in das Zugprüfgerät gelegt (Zwick Typ 1484). Die Ziehgeschwindigkeit betrug 20μm/min. Ab Versuchsbeginn nahm eine Videokamera, die mit einem Mikroskop mit 20-facher Vergrößerung verbunden war, das Verhalten der Folie auf, während auch das auf der Folie ausgeübte Spannungsniveau gezeigt wurde. Bild 9 zeigt eine Abbildung der Probe, die von der Videokamera erfaßt wurde, mit vielen bereits gebildeten Kavitäten. Auf dem Videoband wurde die Anzahl an Kavitäten aufgezeichnet, die abhängig von der angewandten Spannung erschienen, wie in Bild 10 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß die Spannungen bei denen die erste Kavität beobachtet wurde, sich bei unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien alle auf einem ähnlichen Niveau befanden. Jedoch begannen die Spannungsniveaus deutliche Unterschiede unter den verschiedenen Beschichtungen zu zeigen, je mehr sich die Kavitäten bildeten. In dieser Prüfmethode wurde der Spannungswert, der der Bildung von 10 Kavitäten entspricht, ausgewählt, um die Kavitationsfestigkeit der gemessenen Beschichtung darzustellen. Zum Beispiel wurden die in Bild 10 dargestellten Beschichtungen als Beschichtungen mit Kavitationsfestigkeitswerten von je 0,96 MPa und 1,49 MPa gemessen. 3.2 Primärbeschichtungen mit hoher Kavitationsfestigkeit Wie in Absatz 2.1.2 beschrieben wurde, tritt die Beschichtungskavitation auf, wenn die dreiaxiale Zugbeanspruchung die Kavitationsfestigkeit des Beschicht- ungsmaterials überschreitet. Um die Gefahr einer Beschichtungskavitation zu reduzieren, gelten zwei effektive Ansätze: 1) Reduzierung des Niveaus der thermischen Spannung, und/oder 2) Erhöhung der Kavitationsfestigkeit der Beschichtung. Das Niveau der thermischen Spannung wird durch beide Beschichtungslagen beeinflußt, wobei die Sekundärbeschichtung eine viel wichtigere Rolle als die Primärbeschicht- ung spielt. Andererseits ist die Kavitationsfestigkeit eine innewohnende Eigenschaft der Primärbeschichtung.

Bild 9 ▲ ▲ : Beispiel von Kavitäten in einer Probe, mit Kamera (20x) bei einem bestimmten Spannungsniveau aufgenommen Bild 10 ▼ ▼ : Zugbeanspruchung in Bezug auf die Anzahl beobachteter Kavitäten in zwei Beschichtungsmaterialien

Spannung (MPa)

Anzahl der Kavitäten

69

EuroWire – Juli 2008