3 Charakterisierung der verwendeten Analytik und der Strahl- Strahl-quellen
3.1 FTIR-Spektroskopie
Für die Fourier-Transformierte-Infrarot (FTIR)-Spektroskopie wird die Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit Materie ausgenutzt. Das in der vorliegenden Arbeit verwen-dete mittlere Infrarot umfasst den Wellenzahlenbereich von 4000-400 cm-1 (Wellenlänge: 2,5-25 µm).
Werden organische Moleküle oder deren funktionelle Gruppen mit elektromagnetischen Wel-len aus dem Infrarotbereich bestrahlt, so können diese in Schwingungen und/oder Rotationen versetzt werden. Die durch Anregungsvorgänge absorbierten Wellenlängen geben somit Auf-schluss über die vorhandenen organischen Moleküle [94].
In der FTIR-Spektroskopie sind Messungen in Transmission oder Reflexion möglich. An CFK-Bauteilen können aufgrund der hohen Absorption der Carbonfasern nur Reflexionsmes-sungen durchgeführt werden. Die FTIR-Spektren werden in dieser Arbeit in abgeschwächter Totalreflexion (ATR) und diffuser Reflexion (DR) aufgenommen.
Aufnahmen in diffuser Reflexion eignen sich im Besonderen für CFK-Bauteile. Dabei wer-den, wie in Abbildung 3.1 dargestellt, die elektromagnetischen Wellen orthogonal zur Mess-oberfläche eingestrahlt. Die diffus reflektierten Wellen werden mittels Hohlspiegel zu einem Detektor weitergeleitet.
Abbildung 3.1: Schematische Darstellung der Aufnahmetechnologie der diffusen Reflexion.
Für ATR Aufnahmen wird ein Kristall an der Probenoberfläche formschlüssig aufgebracht.
Wie in Abbildung 3.2 dargestellt, entsteht eine Reflexion an der Grenzfläche von Kristall und Probe. Typische Eindringtiefen werden im Bereich von 0,1-3 µm angesetzt [95]. Aufnahmen
Fasern
Spiegel Spiegel
Quelle Detektor
Matrix
mit einem ATR-Kristall besitzen den Nachteil, dass der Kristall für eine Messung mit der Probe vollständig in Kontakt sein muss. Dies ist bei rauen Oberflächen gar nicht oder im bes-ten Falle nur unter einem gewissen Druck möglich.
Abbildung 3.2: Schematische Darstellung der Aufnahmetechnologie der abgeschwächten Totalreflexion (ATR).
Neben der Rauigkeit führen die anisotropen Materialeigenschaften von CFK-Bauteiloberflächen zu weiteren Problemen. Aufgrund von Schichtdickenschwankungen der Matrix über der letzten Faserlage ergeben sich unterschiedliche Weglängen der elektromagne-tischen Wellen durch das Matrixmaterial, was durch Intensitätsunterschiede im Signal er-kennbar wird.
Die Carbonfasern führen sowohl zu einer Absorption als auch einer diffusen Streuung der einfallenden elektromagnetischen Wellen, wodurch die gemessenen Intensitäten im Vergleich zu metallischen Werkstoffen allgemein geringer ausfallen.
Eine weitere Herausforderung für die FTIR-Spektroskopie bei der Analyse von Oberflächen-kontaminationen ist, dass im Vergleich zu metallischen Oberflächen bereits das Matrixmateri-al aus einem organischen MateriMatrixmateri-al besteht und somit bereits ausgeprägte Absorptionsbanden im FTIR-Spektrum besitzt. Es müssen teilweise Veränderungen zu einer ohnehin schon be-stehenden Absorptionsbande detektiert werden.
Für die durchgeführten Untersuchungen wird das tragbare FTIR-Spektrometer Exoscan 4100 von Agilent Technologies Incorporation und das FTIR-Mikroskop Nicolet IN10 von Thermo Fisher verwendet.
Die verwendeten FTIR-Spektrometer unterscheiden sich im technischen Aufbau und ihrem Anwendungszweck. Während das Nicolet IN10 rein für den Laborbetrieb ausgelegt ist, kann das Exoscan aufgrund seiner tragbaren Auslegung auch außerhalb des Labors eingesetzt wer-den. Die wichtigsten Unterschiede der verwendeten FTIR-Spektrometer sind in Tabelle 3.1 zusammengefasst.
Quelle Detektor
Kristall
Probe
Tabelle 3.1: Verwendete FTIR-Spektrometer mit charakteristischen Eigenschaften und den verwendeten Messparametern.
Exoscan 4100 Nicolet IN10
Detektor Deuteriertes Triglycinsulfat Detektor (DTGS)
Flüssigstickstoff gekühlter Mercury-Cadmium-Tellurid (MCT) Detektor Aufnahme
Tech-nologien
Diffuse Reflexion (DR),
ATR ATR
Mess-Spot
DR: Kreisdurchmesser von 2,5 mm
ATR: Kreisdurchmesser von 2,0 mm
Rechteck mit variabler Kantenlänge bis 400 µm
Anzahl an Scans 64 128
Auflösung 8 cm-1 4 cm-1
Die Messungen mit dem FTIR-Spektrometer Exoscan werden auf CFK-Oberflächen in diffu-ser Reflexion durchgeführt. Für die Aufnahme der FTIR-Spektren von flüssigen Substanzen wird der ATR-Aufsatz des Exoscans verwendet. Dazu wird ein Tropfen der flüssigen Sub-stanz auf den ATR-Kristall pipettiert. Vor und nach der Messung wird der ATR-Kristall mit Aceton gereinigt. Aufnahmen mit dem FTIR-Mikroskop Nicolet IN10 werden nur mit der ATR-Aufnahmetechnologie angefertigt.
Die Auswertung der FTIR-Spektren erfolgt über die Verwendung multivariater Analysen, wie in Kapitel 2.4.2 beschrieben. Für diese Auswertung werden die Daten mit den in Tabelle 0.1 dokumentierten Methoden vorbehandelt.
3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine zerstörungsfreie Methode in der chemischen Analytik zur Bestimmung der Art und Menge von Elementen, um die chemische Zusammensetzung in einer Probe aufzuklären [96].
Dabei werden die Atome der Probe mittels Röntgenstrahlung angeregt und als Folge der Wechselwirkung wird die sekundäre Röntgenstrahlung gemessen [97]. Die Wellenlänge der sekundären Strahlung ist dabei charakteristisch für ein Element und die gemessene Intensität für die Menge eines Elements. Somit ist eine qualitative und quantitative Elementanalyse möglich.
Die Entstehung der sekundären Strahlung kann anhand des Schalenmodells erklärt werden.
Die negativ geladenen Elektronen umkreisen den positiv geladenen Atomkern. Je näher sich dabei ein Elektron am Kern befindet, desto höher ist die Energie, die nötig ist, um es zu ent-fernen. Nach der Quantentheorie nehmen die Elektronen diskrete Energieniveaus an.
Ist die Anregungsenergie größer als die Bindungsenergie eines Elektrons in einer Schale, so kann das Elektron das Atom verlassen. Die so entstandene Leerstelle wird nun von einem Elektron aus einer höheren Schale nachbesetzt. Bei diesem Vorgang wird die Energiediffe-renz der Schalen in Form von Röntgenstrahlung emittiert [96].
Für die Detektion der sekundären Strahlung sind aktuell zwei unterschiedliche Detektorsys-teme bekannt. Bei wellenlängendispersiven Geräten erfolgt eine spektrale Aufspaltung der Wellenlängen durch Beugung an einem Kristall. Dabei erfolgt eine sequentielle Aufnahme der unterschiedlichen Wellenlängen. Bei der energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse misst ein Halbleiterdetektor die Energie der einfallenden Röntgenstrahlen. Dabei entstehen auf einem Halbleiter Elektron-Loch-Paare, deren Anzahl proportional zur Energie des Pho-tons ist. Diese Gerätebauart besitzt den Vorteil, dass alle Wellenlängen simultan gemessen werden und die kompaktere Bauart einen mobilen Einsatz ermöglicht. Die Nachweisempfind-lichkeit, sowie die Auflösung ist jedoch geringer als die der wellenlängendispersiven Geräte [97, 98].
Über die Austrittstiefe der sekundären Röntgenstrahlung kann keine generelle Aussage ge-macht werden. Diese reicht vom Millimeter- bis in den unteren Mikrometerbereich und ist stark von den zu untersuchenden Materialien abhängig [99, 100]. Je schwerer ein Element ist, desto höher ist die Austrittstiefe.
Bei den Versuchen zur Röntgenfluoreszenz wird das tragbare Gerät XL3T der Firma Analyti-con verwendet. Es besitzt einen energiedispersiven Detektor mit einer Röntgenstrahlungsquel-le von bis zu 50 keV. Für die Versuche zur Detetektion des Röntgenstrahlungsquel-leichten ERöntgenstrahlungsquel-lements Silizium wird die Anregungsenergie auf 8 keV begrenzt. Hiermit wird verhindert, dass die maximal mögli-che Zählrate des Detektors durch die Detektion schwerer Elemente bereits erreicht wird.
Darüber hinaus verfügt das Gerät über die Möglichkeit, den Bereich zwischen Probe und De-tektor mit Helium zu spülen. Dies bewirkt vor allem bei der Messung niederenergetischer Strahlung eine geringere Absorption durch die Umgebungsluft. Der Messspot besitzt einen Durchmesser von 8 mm.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse wird in dieser Arbeit für die Detektion von Siloxantrennmit-telrückständen auf CFK-Oberflächen eingesetzt [101]. Für die Messungen wird dabei eine Aufnahmezeit von 90 s verwendet. Die RFA-Untersuchungen werden an tauchbeschichteten und lasergereinigten Proben durchgeführt (siehe Kapitel 4.3.3).
3.3 Laserreinigung
Die Abkürzung Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“
und beschreibt damit die Funktionsweise der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Dies wird umgesetzt, indem ein Lasermedium (Festkörper, Flüssigkeit oder Gas) mittels einer Pumpquelle angeregt wird und die Elektronen der Atome auf höhere
Energieni-veaus angehoben werden. Durch Anregung der stimulierten Atome mit einem Photon der aus-zustrahlenden Energie nimmt das Atom wieder seinen Grundzustand ein und emittiert dabei ein Photon mit identischer Wellenlänge und Frequenz wie das stimulierende Photon. Das neu entstandene Photon wirkt dabei als Initiator für weitere stimulierte Emissionen und eine Ket-tenreaktion entsteht [102, 103].
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Laserbearbeitung für die Reinigung von siloxanbeschichte-ten CFK-Oberflächen verwendet sowie als Desorptionsmethode zur Analyse des Oberflä-chengehalts von Siloxan auf einer CFK-Oberfläche. Für die Herstellung von definiert Silo-xan-kontaminierten CFK-Proben wird nach Abzug eines siloxanhaltigen Abreißgewebes die Oberfläche mit unterschiedlich intensiven Laserbehandlungen gereinigt.
Die Reinigung der CFK-Oberfläche von Trennmitteln wird bereits mehrfach in der Literatur beschrieben [71, 104-110] . Dabei besteht die Herausforderung in der Wahl geeigneter Laser-parameter. Diese sollten so gewählt werden, dass eine möglichst hohe Reinigungsleistung bei gleichzeitig geringem Abtrag der Harzmatrix erzeugt wird. Im Idealfall sollte die C-Faser nach der Reinigung keine Beschädigungen aufweisen und noch von einer Matrixschicht be-deckt sein, um deren schützende Funktion aufrecht zu erhalten.
Die ersten Anwendungen der Laserbearbeitung auf CFK, die in der Literatur beschrieben sind, beziehen sich hauptsächlich auf das Trennen. Zum damaligen Zeitpunkt werden über-wiegend für das Trennen langwellige dauerstrichbetriebene CO2-Laser untersucht. Diese ha-ben den Vorteil der einfachen Verfügbarkeit und sind vergleichsweise preiswert bei hoher Leistungsfähigkeit. Jedoch hat sich für die Bearbeitung von CFK herausgestellt, dass die Wel-lenlänge und der Dauerstrichbetrieb zu einem übermäßigen Energieeintrag führen, was zu einer ausgedehnten Wärmeeintragszone führt [111, 112].
Um die Wärmeeintragszone zu verringern, werden die Scangeschwindigkeiten der Laser er-höht, kurzwellige Laser und ein zyklischer Abtrag gewählt und anstatt des Dauerstrichbetriebs gepulst betriebene Anlagen verwendet. Durch die gepulste Laserenergie kann der Wärmeein-trag in das Material stark eingeschränkt bzw. unterbunden werden und es entsteht ein „kalter Abtrag“ [113].
Für die Umsetzung der beiden Ziele der Laserreinigung und der Laserdesorption ist Voraus-setzung, dass durch die Bearbeitung die Oberfläche nicht geschädigt wird. Aus diesem Grund wird für die Versuche die gepulste Diodenlaserquelle AVIA 266-3 von Coherent Inc. verwen-det. Dieser Laser emittiert eine Wellenlänge von 266 nm mit einer maximalen Leistung von 3 W bei Pulsdauern unter 20 ns. Das Strahlprofil entspricht dabei einem Gauß-Profil mit einer TEM00-Mode [114].