Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Lösungen
L28: Ortsaufgelöste Röntgenuntersuchung vor Rissspitzen
L28: Ortsaufgelöste Röntgenstreuungsuntersuchung
vor
Rissspitzen in PE-Rohrwerkstoffen
Bei Rohrwerkstoffen ist die durch mechanische
Energie eingebrachte Schädigung von großem industriellem
und volkswirtschaftlichem Interesse.
Risse können eine Gefährdung der Bevölkerung
hervorrufen (Gasleitungen), zu hohen Schäden
an der Bausubstanz führen (Wasserleitungen)
und sind in jedem Fall in der Reparatur sehr teuer
(Grabungsarbeiten usw.). Um Informationen über
Schädigungen und strukturelle Änderungen vor der
makroskopischen Rissspitze in Poly(ethylen)-Rohrwerkstoffen
zu erhalten, wird die Methode der ortsaufgelösten
Röntgenkleinwinkelstreuung (Scanning
SAXS) verwendet. Diese Methode ermöglicht es,
Strukturinformationen mit der exakten Position auf
einem Probenkörper zu kombinieren. Dazu wird
eine Kombination aus einer abbildenden Methode
(Radiographie) und der eigentlichen Messung der
Streubilder verwendet. Die Abbildung mit Hilfe der
Radiographie basiert auf der Messung der Transmission
der Probe, ähnlich einem Röntgenbild.
Die Auflösung des Bildes beträgt 100 Pixel /mm 2 .
Veränderungen in der Probendicke, hervorgerufen
Abbildung 1:
Mikroskopische Aufnahme eines Risses
in PE und ein Teil der Radiographie.
Diese zeigt den Bereich vor der makroskopischen
Rissspitze, wobei kräftigere
Farben für weniger Material stehen.
durch Einschnürungen, Hohlräume oder Ähnliches
können damit lokalisiert werden. Diese Information
wird dann genutzt, um die eigentliche Bestimmung
der Struktur des Materials vorzunehmen bzw. die
Messpositionen festzulegen. In Abb. 1 ist dies an
einem Beispiel dargestellt.
In polymeren Werkstoffen sind grundsätzlich
zwei Deformationsmechanismen vorherrschend,
einerseits das sogenannte Scherfließen und andererseits
der Prozess über Hohlraumbildung und das
sogenannte Crazing. Crazes sind Hohlräume, die
von dünnen Polymerfasern (Fibrillen) überspannt
sind. Mit der Scanning-SAXS-Methode kann man
nun feststellen, ob der eine oder der andere Mechanismus
vorherrschend ist, und die Größe des
plastischen Bereiches bestimmen. Im Beispiel
der PE-Rohre ist immer der Scher-Mechanismus
über die Hohlraumbildung vorherrschend. Diese
Hohlräume sind elongiert und orientiert. Die Craze–Fibrillen
sind ebenfalls stark orientiert und haben
eine im Vergleich zum Bulk-Material veränderte
Nanostruktur. Orientierungen können bestimmt
werden, was unter anderem zu einem besseren
Verständnis des Kräfteverlaufs im Bereich einer
Rissspitze führt. Abb. 2a zeigt die Orientierung der
Risse bzw. Fasern, Abb. 2b die Änderungen in der
Lamellenmorphologie des Polymers.
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Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005