Verbundstoffe schnell und präzise durchleuchten

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Forscher können jetzt auch mit normalen Röntgenstrahlen in faserverstärkte Verbundstoffe hineinschauen.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine Methode der Röntgenkleinwinkelstreuung so verbessert, dass sie nun bei der Entwicklung oder der Qualitätskontrolle neuartiger Verbundstoffe eingesetzt werden kann. Dadurch können künftig nicht nur Röntgenstrahlen aus besonders leistungsfähigen Quellen wie einer Synchrotron-Quelle für die Untersuchung entsprechender Materialien genutzt werden, sondern auch jene aus herkömmlichen Röntgenröhren.

Faserausrichtung ist bei Verbundstoffen wesentlich

Faserverstärkte Verbundstoffe gewinnen als stabile und gleichzeitig leichte Materialien an Bedeutung. Ein Beispiel für diese Art von Verbundstoffen sind kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die beispielsweise im Flugzeugbau, bei Fahrzeugbau oder bei Sportfahrrädern eingesetzt werden. Die Eigenschaften dieser Materialien hängen maßgeblich davon ab, wie die Fasern ausgerichtet sind und wie sie sich in der umgebenden Kunststoffmatrix zueinander anordnen. Dies beeinflusst das mechanische, optische oder elektromagnetische Verhalten von Verbundstoffen.

Matias Kagias spannt eine CFK-Probe in eine Halterung ein, um sie in den Strahlengang des Röntgenlichts zu führen. Foto: Paul Scherrer Institut

Will man die Zusammensetzung solcher Verbundstoffe beobachten, muss man zwangsläufig in sie hineinschauen. Dafür kann man die sogenannte Röntgenkleinwinkelstreuung verwenden (small angle X-ray scattering, SAXS) und damit ausnutzen, dass Röntgenstrahlen beim Durchdringen von Materie gestreut werden. Aus dem so entstehenden Streuungsmuster lassen sich Informationen über das Innere einer Probe ermitteln und eventuell über die Orientierung der Fasern. Die herkömmlichen Verfahren der SAXS haben allerdings den Nachteil, dass sie sehr langsam sind: Es kann mehrere Stunden dauern, um wenige Zentimeter einer Probe zu durchleuchten.

Das Verknoten eines Kohlefaserbandes beobachten

Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich ist es nun gemeinsam mit Kollegen der EPF Lausanne und dem dänischen Spin-off-Unternehmen Xnovo Technology gelungen, die Technik für die praxisnahe Anwendung weiterzuentwickeln. „Dadurch ist es möglich, mehrere lokale Streuungsmuster zu erkennen, die die räumliche Innenstruktur einer Probe mit nur einem Röntgenbild widerspiegeln, sodass wir eine große Anzahl von aufeinanderfolgenden Bildern aufnehmen können“, sagt Matias Kagias, Erfinder der Methode und Postdoc in der PSI-Röntgentomografiegruppe unter der Leitung von Marco Stampanoni.

Als Beweis für ihr Funktionieren nutzten die Forscher das neue Verfahren, um die Ausrichtung der Fasern in einem Kohlefaserband während des Knotenprozesses darzustellen. Sie nahmen hierzu zeitaufgelöste Röntgenprojektionen mit 25 Bildern pro Sekunde über einen Zeitraum von 11 Sekunden auf. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden nun im Fachmagazin Nature Communications.

mg

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