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EuroWire – Juli 2008
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technischer artikel
2.1.2
Kavitätsbildung
in
der
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
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.
Bild
6
stellt
ein
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
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.
Bild 7
▼
▼
:
Beispiele von Kavitäts-/Delaminierungsbildung in der Primärbeschichtungslage durch eine mechanische
seitliche Auswirkung
Bild 8
▼
▼
:
Vorbereitung der Probe des Kavitationsfestigkeitstests
Glass plate
Resin (100 μm )
Quartz billet
la plat
Quarzstab
Harz