Faserverstärkte Verbundstoffe schnell und präzise durchleuchten

Neuartige faserverstärkte Verbund­stoffe gewinnen als stabile und gleich­zeitig leichte Materialien zunehmend an Bedeutung. Ein Beispiel sind kohlen­stoff­faser­verstärkte Kunststoffe, die beispiels­weise im Flugzeugbau oder bei der Konstruktion von Sport­fahr­rädern eingesetzt werden. Die Eigen­schaften dieser Materialien hängen maßgeblich davon ab, wie die Fasern ausgerichtet sind und wie sie sich im umgebenden Material zueinander anordnen. Sie beein­flussen beispiels­weise das mechanische, optische oder elektro­magnetische Verhalten von Verbund­stoffen.

Will man die Zusammensetzung solcher Verbund­stoffe beobachten, muss man in sie hinein­schauen. Dafür kann man die Röntgen­klein­winkel­streuung SAXS verwenden. Aus dem dabei 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 nämlich mehrerer Stunden dauern, um wenige Zentimeter einer Probe fortlaufend in der notwendigen Auflösung zu durch­leuchten.

Forschern des Paul-Scherrer-Instituts und der ETH Zürich ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen der EPF Lausanne und dem dänischen 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 vom PSI, der Erfinder der Methode. Als prinzipiellen Beweis für ihr Funktionieren nutzten die Forscher das neue Verfahren, um die Ausrichtung der Fasern in einem Kohle­faserband während des Knoten­prozesses darzustellen. Sie nahmen zeit­aufge­löste Röntgen­projektionen mit 25 Bildern pro Sekunde über einen Zeitraum von elf Sekunden auf.

Die neue Methode funktioniert darüber hinaus nicht nur mit Röntgenstrahlen aus Beschleuniger­anlagen, sondern auch mit Strahlen aus herkömm­lichen Röntgen­röhren. „Es wird daher erwartet, dass dieser neuartige Ansatz konkrete Anwendung in Medizin­produkten, bei der zerstörungs­freien Prüfung sowie im Bereich der inneren Sicherheit finden wird“, so Marco Stampanoni vom PSI.

PSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  M. Kagias et al.: Diffractive small angle X-ray scattering imaging for anisotropic structures, Nat Commun. 10, 5130 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12635-2
• FG Röntgentomografie (M. Stampanoni), Laboratory for Macromolecules and Bioimaging, Paul-Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz