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EuroWire – Juli 2008
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technischer artikel
Die Kavitäten sind örtlich auf die zwei
Seitenbereiche begrenzt, was mit der
Theorie übereinstimmt.
Kavitäten
und
Delaminierung
sind
zwei
konkurrierende
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.
Um
die
Kavitationsfestigkeit
eines
Beschichtigungsmaterials zu messen wurde
eine Prüfmethode ab einer gehärteten Folie
entwickelt.
3.1.1
Messkonfiguration.
Grundsätzlich
ist
die
Weise
in
der
man
eine
dreiaxiale
Zugspannung
in
einem
Beschichtungsmaterial
verursacht
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.
3.1.2
Vorbereitung
der
Probe
.
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.
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.
Beschicht-
ung
E'
σ
cav
Verhältnis
(MPa)
(MPa)
σ
cav
/E'
A
0.37
0.95
2.6
B
0.97
1.21
1.2
C
1.33
2.5
1.9
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
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