Mechanische Hochfrequenzeigenschaften von Elastomeren aus signalverarbeitungsoptimierter Ultraschallspektroskopie

Abstract

Die gezielte Einstellung des Hochfrequenzverhaltens von Elastomerbauteilen gewinnt sowohl in der Bauteilentwicklung als auch in der akustischen Anwendung zunehmend an Interesse. Zugleich ist die klassische direkte dynamisch-mechanische Ermittlung solcher Materialdaten auf Frequenzen unterhalb von 1 kHz beschränkt, so dass extrapolative Verfahren notwendig sind, für deren Absicherung prinzipiell Ultraschallprüfungen infrage kommen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Polymerdynamik von ungefüllten und gefüllten Systemen mit einer hierzu weiterentwickelten Ultraschallspektroskopie (US) bei höheren Anregungsfrequenzen, sowie mit standardisierter Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMTA) bei niedrigen Frequenzen untersucht. Die Weiterentwicklung des Auswertverfahrens zum Ultraschallspektroskopie hat dazu beigetragen, dass die Qualität des Ultraschallsignals deutlich verbessert werden konnte. Insbesondere konnte die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und des Dämpfungskoeffizienten im Post-Processing durch Einsatz von Tiefpassfilter und durch Extraktion des Hauptpulses aus dem Gesamtsignal und Kreuzkorrelation der Pulse mit einem Referenzpuls erheblich verbessert werden. Aufgrund dieser Geräteentwicklung konnte gezeigt werden, dass mit einer gezielten Einbringung von Streuzentren in Form von Gasblasen oder Glaskugeln in Elastomer-Materialien definierte Dämpfungseigenschaften oder definierte Streuwirkung bei hohen Frequenzen darstellbar sind. Die Zugabe von weichen Einschlüssen (Expancel) ermöglicht eine Steigerung der Ultraschalldämpfung um einen Faktor 4, die von harten Einschlüssen (Glaskugel) um einen Faktor 3. Zur analytischen Betrachtung des dynamischen Verhaltens wurde der Kompressionsmodul K von ungefüllten und gefüllten Elastomeren mit einer am DIK (Deutsches Institut für Kautschuktechnologie) entwickelten Kompressibilitätsapparatur untersucht. Dabei zeigte sich eine leichte Variation der Werte zwischen 2.000 und 2.150 MPa im Fall von den untersuchten ungefüllten Kautschuken. Butylkautschuk (IIR) zeigt den höchsten und SBR-1500 (im weiteren als SBR-5 bezeichnet) den niedrigsten Kompressionsmodul. Weiterhin wurden aufgrund des Zusammenhangs von Longitudinalwellenmodul M^* und Kompressionsmodul K^* die experimentell ermittelten Werte aus der US-Prüfung überprüft. Grundsätzlich wurde gefunden, dass die Ultraschallergebnisse für ungefüllte sowie gefüllte Polymere mit den Ergebnissen aus DMTA und aus Kompressionsversuch in Übereinstimmung stehen. Die gefundene systematische Unterschätzung der Schallgeschwindigkeit lässt sich dadurch erklären, dass der Kompressionsmodul bei der US-Prüffrequenz von 0,5 MHz größer als die quasistatischen Messwerte bei mechanischer Kompressionsmessung ist. Darüber hinaus wurde gefunden, dass auch die Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mit der Apparatur zum US grundsätzlich messbar ist, wobei es nötig ist, die Konstruktion der Messzellen weiter zu optimieren.