DE19733323A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Festigkeit von Fasern, insbesondere Keramikfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Festigkeit von Fasern, insbesondere Keramikfasern. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Festigkeit von solchen Fasern.

Zur Bestimmung der Festigkeit von Fasern, insbesondere Keramik­ fasern ist es bekannt (DE 41 12 498 A1) im Rahmen einer Einzelfaser- Betrachtung 3- oder 4-Punkt-Biegeversuche durchzuführen, bei denen äußere Kräfte über die Fasergrenzfläche in eine Einzelfaser, deren Durchmesser im Mymeter-Bereich (Mym) liegt, eingeleitet werden, wo­ bei aus der ermittelten Durchbiegung sowie den bekannten Größen der Faser (Querschnitt, E-Modul) die Bruchspannung bei Biegung der Faser ermittelt werden kann.

Bei solchen 3- oder 4-Punkt-Biegeversuchen wird mittels eines Mikromanipulators zunächst eine Faser vor die Auflagen eines Wider­ lagers gelegt. Das auf einer X-Y-Meßtischeinheit befestigte Widerlager wird sodann über einen weiteren Mikromanipulator gegen eine ortsfest angebrachte Druckfinne bewegt. Beim Zusammenfahren von Widerlager und Druckfinne wird die Faser bis zum Bruch gebogen und dabei der zurückgelegte Verfahrweg, der der Durchbiegung der Faser entspricht, über ein am Meßtisch befestigtes Meßmittel, beispielsweise über einen Glasmaßstab mit einer Auflösung von einem Mym gemessen.

Im Hinblick auf die im Mym-Bereich liegenden Maße der Fasern einerseits, und der ebenfalls nur in diesem Bereich liegenden Durchbiegungen der selben bis zu ihrem Bruch ist es zur Positionierung der jeweiligen Faser und Beobachtung des Bruches erforderlich, ein Stereomikroskop zu benutzen. Hier ist bei einer nur 60- bis 80fachen Vergrößerung insoweit eine Grenze gesetzt, als hierbei aufgrund der begrenzten Schärfentiefe durch die Höhe der Schneiden der Druckfinne Überstrahlungen entstehen, so daß nur schwer erkennbar ist, ab wann gerade ein Berührungskontakt zwischen der Faser und dem Widerlager bzw zwischen der Faser und der Druckfinne besteht, bei dem noch keine Kraft auf die Faser ausgeübt, sie also noch nicht gebogen wird. Zudem erfordert das genaue Feststellen des Zeitpunktes des Bruches eine sehr kurze Reaktionszeit, um genau zum Zeitpunkt des Bruches manuell ein Signal auszulösen, das den Betrag der Deformation der Faser am Meßmittel abruft.

Aufgrund der Streuung der Festigkeitswerte, die sowohl auf die inhä­ rente Streuung bei keramischen Werkstoffen, wie auch auf mögliche lokale Beschädigungen zurückzuführen ist, ist es bekannt, Versuche mehreren Einzelfasern durchzuführen und deren Ergebnisse dann - basierend auf der sog. "Weibull-Statistik" - auszuwerten.

Durch diese statistische Auswertung der Meßergebnisse kann zwar eine insoweit zuverlässige Kennwertbestimmung erfolgen, jedoch ist diese mit den sich aus der subjektiven Meßwerterfassung ergebenden Unge­ nauigkeiten behaftet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, das unter Vermeidung der subjektiven Meßwert­ erfassung gleichzeitig die Möglichkeit bietet, eine Aussage über das Deformationsverhalten bei unterschiedlichen Kräften zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Einzel- Faser vor zwei in definiertem Abstand zueinander angeordnete Auflager eines Widerlagers gelegt und zur Erzeugung einer zwischen die Auf­ lager gerichteten Durchbiegung der Faser mittels eines Druckstückes eine zur Längsrichtung der Faser quer gerichtete Kraft auf diese ausge­ übt wird, wobei das Druckstück und das Widerlager zur Veränderung der Kraft fortlaufend parallel zur Wirkrichtung der Kraft relativ zueinander bewegt werden und sowohl der Betrag der Relativbewegung zwischen dem Druckstück und dem Widerlager als auch die Größe der sich durch die Relativbewegung zwischen dem Druckstück und dem Widerlager verändernden Kraft fortlaufend gemessen wird, wobei die jeweiligen Meßergebnisse einem Rechner zugeführt werden, der aus den ihm mit­ geteilten Meßergebnissen ein Kraft-Weg Diagramm ermittelt, das auf ei­ ner mit dem Rechner verbundenen Anzeigeeinheit dargestellt, oder in Form eines Datensatzes im Rechner abgelegt wird.

Durch die Maßnahme, während des Meßvorganges sowohl die auf die Faser einwirkende Kraft als auch das Ausmaß der Relativbewegung zwischen dem Druckstück und dem Widerlager fortlaufend zu messen und beide Meßergebnisse fortlaufend in Relation zur Größe der jewei­ ligen Durchbiegung der Faser zu bringen, läßt sich nicht nur die Bruch- Biegespannung ermitteln, vielmehr kann auch eine Aussage über das Kraft-Deformationsverhalten der Faser während des gesamten Meßvor­ ganges gemacht werden, wobei gleichzeitig die Meßwerterfassung objektiviert wird und damit individuelle Fehlmessungen ausgeschlossen werden.

Während bei den vorbekannten Verfahren die Bruchkraft indirekt über das Ausmaß der Durchbiegung ermittelt wurde, was die Kenntnis so­ wohl der Querschnittsfläche als auch des E-Moduls der Faser voraus­ setzt, genügt es beim erfindungsgemäßen Verfahren die Querschnitts­ fläche der Faser zu kennen. Die Kenntnis des E-Moduls der jeweiligen Faser ist nicht mehr erforderlich. Vielmehr ist es möglich, bei Kenntnis nur der Querschnittsfläche der Faser aus dem Kraft-Deformationsdia­ gramm den E-Modul der Faser zu bestimmen.

Obwohl es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verfahren handelt, das geeignet ist, zur Bestimmung von Festigkeitswerten von Fasern eingesetzt zu werden, deren Durchmesser beispielsweise in der Größenordnung von 10 Mym liegen kann und deren Länge kleiner als 1 mm sein kann, ist es auch bei vorbestimmbaren Umgebungsbedingun­ gen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Medieneinflüssen usw.) ohne weiteres durchführbar.

Auch können durch die Erfassung der Werte von Kraft und Deformation (Durchbiegung) Hysteresisschleifen bei zyklischer Belastung an kleins­ ten Fasern erfaßt werden. Ferner eröffnet sich die Möglichkeit zur Durchführung von Kriech- und Relaxionsversuchen an Fasern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch geeignet zur Bauteilprüfung, bei­ spielsweise zur Bauteilprüfung im Bereich der Mikromechanik.

Wie vorstehend erläutert, bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, ein Kraft-Deformationsdiagramm zu erstellen, das nicht nur eine Aussage hinsichtlich der Bruchspannung bei Biegung ermöglicht, sondern auch hinsichtlich des Deformationsverhaltens einer Faser bei ansteigender Kraft aussagefähig ist, ohne hierzu den E-Modul der Faser zu kennen. Damit ist es dem eingangs beschriebenen Verfahren, bei die Deformation der Faser unter dem Einfluß der Kraft gemessen und in Kenntnis der Deformation, sowie der Querschnittsfläche und des E-Moduls die Bruchspannung bzw die Bruchkraft bei Biegung errechnet wird, aufgrund der unmittelbaren Messung der Kraft überlegen.

Sofern es nicht erforderlich ist, den Deformationsverlauf einer zu unter­ suchenden Faser zu ermitteln, kann das erfindungsgemäße Verfahren in abgewandelter Form, nämlich unter Weglassung des Messens der Deformation der Faser auch zur unmittelbaren Bestimmung der Bruch­ spannung bei Biegung eingesetzt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens ist bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung das Widerlager für die Faser mittels eines von einer Mikroprozessoreinheit gesteuerten Antriebes quer zu deren Längsrich­ tung bewegbar, und dem Widerlager ist ein mit der Mikroprozessor­ einheit verbundenes Wegmeßgerät zugeordnet, um seine Meßergeb­ nisse fortlaufend der Mikroprozessoreinheit zuzuführen, wobei zur Messung der Andruckkraft des Druckstückes ein mit der Mikroprozes­ soreinheit verbundener Kraftmesser vorgesehen ist, dessen Meßergeb­ nisse zur fortlaufenden Verarbeitung mit den Meßergebnissen des Wegmeßgerätes fortlaufend der Mikroprozessoreinheit zuführbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine zur Durchführung des Ver­ fahrens geeignete Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Aus­ führungsbeispieles sowie der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a: eine Teil-Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 1b: eine Teil-Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2: die schaltungsmäßige Verknüpfung der Teile der Vorrichtung;

Fig. 3: ein Kraft-Deformationsdiagramm der Durchbiegung einer Faser;

Fig. 4: eine Prinzipskizze für einen 3- bzw. 4-Punkt-Biegeversuch.

Bei den zu untersuchenden Fasern kann es sich um Faserbruchstücke handeln, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 10 und 12 Mym aufweisen und deren Länge von 100 Mym bis zu einem mm reichen kann kann.

Da Glasfasern keine plastische Verformung aufweisen, vielmehr weitge­ hend linear-elastische Eigenschaften vorliegen und die Durchbiegung bis zum Bruch relativ gering ist, kann für den 3- oder 4-Punkt-Biege­ versuch die einfache Balkentheorie bzw das eindimensionale Hooksche Gesetz angewandt werden.

Dies gilt sowohl für den 3-Punkt-Biegeversuch als auch für einen 4- Punkt-Biegeversuch. Da der Unterschied zwischen diesen beiden Biege­ versuchen lediglich darin besteht, daß beim 3-Punkt-Biegeversuch eine einzige Kraft F3 mittig an der Faser angreift, während beim 4-Punkt- Biegeversuch zwei Kräfte F4, deren Wirkrichtungen parallel zueinander gerichtet sind, an der Faser angreifen, (siehe Fig. 4) wird nachstehend nur auf den 3-Punkt-Biegeversuch Bezug genommen.

Für den 3-Punkt-Biegeversuch wird die jeweilige Einzel-Faser mittels eines Mikromanipulators 1 vor zwei Auflager eines Widerlagers 2 ge­ bracht. Das Widerlager 2 ist auf einer x-y-Meßtischeinheit 3 angeordnet, wobei seine beiden Auflager einen gegenseitigen Abstand in der Größenordnung von etwa 120 Mym aufweisen. Die Positionierung der Faser vor den beiden Auflagern erfolgt mit Hilfe des Mikromanipulators 1 unter zu Hilfenahme eines Mikroskopes 4. Als Mikroskop kann ein Stereomikroskop mit einer mindestens 50fachen Vergrößerung verwendet werden.

Der Mikromanipulator 1 kann einen in allen drei Raumachsen beweg­ lichen Arm 5 aufweisen und mit einer pneumatischen, hydraulischen, elektromechanischen oder rein mechanischen Steuerung versehen sein. Mikromanipulatoren mit solchen Steuerungen sind in der Medizintechnik oder der Gen- und Biotechnologie bekannt.

Mittig zu den beiden Auflagern ist ein von einer Druckfinne 6 gebildetes Druckstück 7 angeordnet, das von einem Kraftmesser 8 getragen ist.

Als Kraftmesser 8 kommt eine elektromagnetisch kraftkompensierte Präzisionswägezelle 9 in Betracht, wobei die aufgebrachte Kraft mit Hilfe eines elektrisch steuerbaren Magnetfeldes (elektromagnetisch erzeugte Gegenkraft) aktiv kompensiert wird.

Eine Präzisionslageregelung (Lichtschranke, PID-Regler) hält dabei das System in gleichbleibender Position. Hierdurch können minimalste Aus­ lenkungen (nm Bereich) registriert und ausgeregelt werden.

Die erzeugte kraftproportionale Spannung wird über einen Meßwi­ derstand abgegriffen und verstärkt einem D/A Wandler 10 zugeführt. Das von diesem ausgehende Signal wird im Rechner 11 eines Mikro­ prozessorsystems 12 verarbeitet. Die Wägezelle 9 liefert alle 5 ms eine verwertbare Kraftinformation, so daß bei einer Prüfzeit von ca 10 sec etwa 2000 Kraftmeßwerte zur Verfügung stehen, denen eine definierte Weginformation zugeordnet ist.

Bei einer angenommenen Durchbiegung der Faser von 20 Mym ist unter den vorstehend geschilderten Verhältnissen eine Auflösung des Weges von 10 nm erforderlich. Da einerseits inkrementell arbeitende Systeme eine solche Auflösung nur mit großem Aufwand erreichen, und anderer­ seits ein nur sehr kleiner Meßbereich (<100 Mym) vorliegt, ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel ein kapazitives Meßsystem mit kleinem Meßbereich und hoher Auflösung eingesetzt.

Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Wegmeßgerät kann einen tempe­ raturkompensierten Wegaufnehmer und einen Meßbereich von 200 Mym aufweisen, wobei ein Sensor über den gesamten Meßbereich eine proportionale Spannung von 0-10 Volt liefert.

Die vom Wegmeßgerät 13 ausgehenden Spannungswerte werden in digitalisierter Form ebenfalls dem Rechner 11 des Mikroprozessorsys­ tems 12 zugeführt und dort verarbeitet.

Zur Erzielung der Relativbewegung zwischen dem Widerlager 2 und der Druckfinne 6 ist der Meßtischeinheit 3 ein elektrischer Antrieb zugeord­ net, der diesen mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit in der Richtung der X-Achse auf die Druckfinne 6 zu bewegt. Als Motor kann eine Gleichstrommotor-Getriebekombination 14 dienen, die das Wider­ lager 2 entsprechend einer zwischen 1 und 10 Volt liegenden Versor­ gungsspannung mit einer Geschwindigkeit zwischen ca 0,7 und 7 Mym/sec bewegt.

Bei einer Abtastrate des A/D Wandlers 10 von 10 ms (Meßwert­ erfassung von 100 Hz), einer Prüfgeschwindigkeit <5 Mym/sec und einer angenommenen Durchbiegung der Faser von 25 Mym ergeben sich ca. 500 diskrete Meßwerte für die Kraft und die Durchbiegung.

Der Rechner 11 ermittelt aufgrund der ihm zugeführten Meßergebnisse unter Zugrundelegung der in seinem Datenspeicher 15 abgelegten Daten der Faser ein Kraft-Deformationsdiagramm der Durchbiegung der Einzelfaser, das auf einem Anzeigegerät 16 fortlaufend dargestellt oder in einem Plotter 17 ausgedruckt wird, oder dessen Daten im Daten­ speicher 15 des Rechners 11 abgelegt werden.

Ein solches Kraft-Deformationsdiagramm der Durchbiegung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese zeigt, daß die Durchbiegung der Faser proportional mit der aufgebrachten Kraft steigt. Bei einer Durchbiegung von ca. 14 Mym fällt die Kraft praktisch schlagartig ab und erreicht den Wert Null. Aus der Größe der Kraft (ca. 14 mN) unmittelbar vor ihrem Abfallen läßt sich bei Kenntnis der Querschnittsfläche der Faser deren Biege-Bruch­ spannung ohne Kenntnis ihres E-Moduls errechnen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Festigkeit von Fasern, insbesondere Keramikfasern, bestehend aus folgenden Schritten:

• a. eine Einzel-Faser wird auf zwei in definiertem Abstand zueinander an­ geordnete Auflager eines Widerlagers (2) aufgelegt;
• b. zur Erzeugung einer zwischen die Auflager gerichteten Durchbiegung der Faser wird mittels eines Druckstückes (7) eine zur Längsrichtung der Faser quer gerichtete Kraft auf diese ausgeübt;
• c. das Druckstück (7) und das Widerlager (2) werden zur Veränderung der Kraft fortlaufend parallel zur Wirkrichtung der Kraft relativ zueinander bewegt;
• d. der Betrag der Relativbewegung zwischen dem Druckstück (7) und dem Widerlager (2) wird fortlaufend gemessen und das jeweilige Meßergebnis wird einem Rechner (11) einer Mikroprozessoreinheit (12) mitgeteilt;
• e. die Größe der sich durch die Relativbewegung zwischen Druckstück und Widerlager (2) verändernden Kraft wird fortlaufend gemessen und das jeweilige Meßergebnis wird der Mikroprozessoreinheit (12) mitgeteilt;
• f. die Mikroprozessoreinheit (12) ermittelt aus den ihr mitgeteilten Meß­ ergebnissen ein Kraft-Weg Diagramm;
• g. das Kraft-Weg Diagramm wird auf einer mit der Mikroprozessoreinheit (12) verbundenen Anzeigeeinheit (16,17) dargestellt, oder die Daten des Kraft-Weg Diagramms werden in der Speichereinheit (15) der Mikroprozessoreinheit (12) abgelegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen dem Widerlager (2) und dem Druckstück (7) kontinuierlich erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (2) gegenüber dem Druckstück (7) bewegt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Druckstück zur Erzielung einer Durchbiegung einer von einem Widerlager aufgenommenen Einzelfaser, wobei das Druckstück und das Widerlager relativ zueinander bewegbar sind und das Ausmaß der Rela­ tivbewegung mittels eines Wegmeßgerätes meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (2) mittels eines von einer Mikroprozessoreinheit (12) gesteuerten Antriebes (Gleichstrommotor-Getriebekombination (14) quer zur Längsrichtung der Faser bewegbar ist, und dem Widerlager (2) ein mit der Mikroprozessoreinheit (12) verbundenes Wegmeßgerät (13) zugeordnet ist, um seine Meßergebnisse fortlaufend der Mikropro­ zessoreinheit (12) zuzuführen und daß zur Messung der Andruckkraft des Druckstückes (7) ein mit der Mikroprozessoreinheit (12) verbun­ dener Kraftmesser (8) vorgesehen ist, um seine Meßergebnisse zur fort­ laufenden Verarbeitung mit den Meßergebnissen des Wegmeßgerätes (13) fortlaufend der Mikroprozessoreinheit (12) zuzuführen.