Zerstörungsfreie Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen mit der Dauerstrich THz-Spektroskopie (English shop)

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Seit vielen Jahrhunderten weiß der Mensch die Eigenschaften von Werkstoffen, die aus einer Kombination von Fasern und einer Grundsubstanz, der Matrix, bestehen für sich zu nutzen. Diese aus der Kombination entstandenen Faserverbundwerkstoffe erlangten jedoch erst in den 1940er Jahren eine industrielle Relevanz, als Glasfasern großtechnisch hergestellt werden konnten. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Faserverbundwerkstoffen, von denen glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer Epoxidharzmatrix einer der bedeutendsten Vertreter sind.

In dieser Dissertation wird ein Einblick in die Herstellung von konventionellen Polyolefinen, wie z.B. Polyethylen, sowie von faserverstärkten Kunststoffen, die diverse Fasermaterialien enthalten können, gegeben. Bei der Herstellung von Bauteilen aus den genannten Halbzeugen spielt die Qualitätssicherung und somit die damit verbundene Messtechnik eine bedeutende Rolle. Hierzu wird ein Überblick über die zurzeit industriell relevanten Messtechniken, die sowohl zerstörend, als auch zerstörungsfrei arbeiten, gegeben. An diesem Punkt kann die zerstörungsfreie und kostengünstige Dauerstrich THz-Messtechnik als bildgebendes Messsystem mit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Datenauswertung eingesetzt werden. Das hierfür verwendete System nutzt das Prinzip der Photomischung in einem Halbleitermaterial, welches auf der Oberfläche eine metallisierte Antennenstruktur besitzt. Durch Anwendung einer phasenstarr gekoppelten Sender-Empfängerkombination ist eine kohärente Signaldetektion möglich. Mit Hilfe der gewonnenen sinusförmigen Interferogramme, die teilweise nur aus ein bis zwei Perioden bestehen, können die Amplituden- und Phasenwerte jedes Bildpunktes bestimmt werden, aus denen sich Materialparameter wie Brechungsindex und Absorption extrahieren lassen. Weiterführend wird mit dieser Arbeit gezeigt, wie durch die Auswertung des Amplituden- und Phasenverlaufs des Signals auch eine örtliche Bewertung beispielsweise der Güte von Kunststoffschweißverbindungen oder die Detektion von fehlerhaften Zwischenlagen in GFK sowie dem vorliegenden Faservolumengehalt möglich ist. Auch die Unterscheidung von Einschlüssen wie Luft oder Metall in Polyethylen ist anhand der Messsignale möglich. Damit dringt das Dauerstrich THz-Spektrometer in die Anwendungsgebiete der bildgebenden THz-Systeme vor, welche bisher hauptsächlich von kostenintensiven THz-Zeitbereichsspektrometern belegt wurden. Die Leistungsfähigkeit des Messsystems wird anhand von industriell relevanten Bauteilen demonstriert.

In einem weiteren Schritt wurde eine neuartige, kostengünstige, schmalbandige und durchstimmbare THz-Quelle entwickelt, die auf der parametrischen Frequenzkonversion, im Speziellen der Differenzfrequenzmischung, in einem optisch nichtlinearen Kristall basiert. Dazu befindet sich der Kristall innerhalb der Kavität eines Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSEL). Eine solche THz-Quelle bietet die Möglichkeit, speziell bei Frequenzen oberhalb einiger hundert GHz, eine Ausgangsleistung des THz-Signals zu erzeugen, die deutlich über der eines Photomischsystems liegt. Das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Lasersystem besitzt die Eigenschaft zwei Laserfarben gleichzeitig zu emittieren, was unabdingbar für die intrakavitäre THz-Erzeugung ist. Durch weitere Optimierungsschritte der thermischen und optischen Eigenschaften des VECSELs konnte die intrakavitäre optische Leistung so weit verbessert werden, dass durch die Anwendung der parametrischen Differenzfrequenzerzeugung eine Ausgangsleistung der resultierenden THz-Welle bis in den Milliwattbereich gesteigert werden konnte. Die entwickelte, parametrische THz-Quelle stellt eine leistungsstarke, günstige und kompakte Signalquelle für spätere industriell einsetzbare zerstörungsfreie Prüfsysteme dar. Sie bietet speziell bei Frequenzen ab einigen hundert GHz eine leistungsstarke Alternative zu den bestehenden vergleichsweise leistungsschwachen Dauerstrichquellen, die auf dem Prinzip der Photomischung basieren.