Zerstörungsfreie Charakterisierung der elastischen Materialeigenschaften thermoplastischer Polymerwerkstoffe mittels Ultraschall

Die präzise Kenntnis der Eigenschaften verwendeter Materialien hat große Bedeutung für den Entwurf technischer Systeme aller Art, aber auch für die Überwachung solcher Systeme im Betrieb. Für verschiedene physikalische Eigenschaften, Betriebsbedingungen und Materialklassen werden daher geeignete messtechnische Verfahren zur Materialcharakterisierung benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur ultraschallbasierten Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von homogenen und faserverstärkten thermoplastischen Polymeren unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit vorgestellt. Plattenförmige Probekörper werden dazu mittels Laser-Pulsen hoher Energie breitbandig angeregt und die resultierenden akustischen Lamb-Wellen aufgezeichnet. Auf Basis der dispersiven Eigenschaften der detektierten Wellenleitermoden werden in einem inversen Verfahren die Parameter eines linear-elastischen Materialmodells identifiziert. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur vollständigen Charakterisierung der Richtungsabhängigkeit in orthotropen Materialien wie Faserverbundwerkstoffen unter Verwendung eines zweidimensionalen Simulationsmodells vorgestellt. Das Messverfahren wird anhand einer Untersuchungsreihe an künstlich gealterten Polymer- und Faserverbundwerkstoffen verifiziert und die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den quasistatischen Fall betrachtet. Im Vergleich mit den Ergebnissen mechanischer Zugversuche werden die Voraussetzungen und Einschränkungen, insbesondere durch die Annahme eines ideal-elastischen Materialmodells, diskutiert.

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Precise knowledge of material properties is a great concern in the design of technical systems, and in the monitoring of such systems during operation. Therefore, metrological processes are required for materials characterisation with respect to specific physical properties, operational conditions and classes of materials. In the work presented herein, a measurement procedure for the ultrasonic characterization of mechanical properties of homogeneous and fiber-reinforced thermoplastic polymer materials is presented, considering the different degrees of anisotropy. For this, acoustic Lamb waves are excited in a plate-shaped specimen using high-energy laser pulses, and then recorded.Based on the dispersive characteristics of the detected waveguide modes, an inverse procedure is applied to identify the parameters of a linear-elastic material model. Further, a procedure for completely characterising the orthotropy of materials like fiber-reinforced composites using a two-dimensional simulation model is presented. The measurement procedure is verified by examining artificially aged homogeneous polymers and composites, also considering the applicability of results to the quasistatic case. Comparing to the results of corresponding mechanical tensile tests, preconditions and limitations of the procedure are discussed, specifically regarding the assumption of an ideal-elastic material model.