DE4317098B4

DE4317098B4 - Method of detecting internal damage in an FRP element

Info

Publication number: DE4317098B4
Application number: DE19934317098
Authority: DE
Inventors: Jun Kawagoe Sasahara; Hajime Asaka Goto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: DE4317098A1

Abstract

Verfahren zur Detektierung einer inneren Beschädigung in einem Element aus faserverstärktem Kunststoff (FRP-Element), bei dem das FRP-Element aus verstärkenden Fasern, einem Matrixharz und magneto-mechanische Eigenschaften besitzenden magnetischen Elementen hergestellt wird und eine Änderung der magnetischen Eigenschaften der im FRP-Element angeordneten magnetischen Elemente gemessen wird, wodurch eine innere Beschädigung im FRP-Element detektiert wird.method for detecting internal damage in an element fiber reinforced Plastic (FRP element) in which the FRP element is made of reinforcing Having fibers, a matrix resin and magneto-mechanical properties Magnetic elements is produced and a change the magnetic properties of the arranged in the FRP element magnetic Elements is measured, causing internal damage in the FRP element is detected.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektierung einer inneren Beschädigung in einem Element aus faserverstärktem Kunststoff (im folgenden als "FRP-Element" bezeichnet), in dem eine innere Beschädigung durch ein zerstörungsfreies Untersuchungsverfahren einfach detektierbar ist.The The present invention relates to a method of detection an internal damage in an element made of fiber-reinforced plastic (hereinafter referred to as "FRP element"), in that one internal damage through a non-destructive Examination method is easily detectable.

Da FRP-Elemente bei geringem Gewicht eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit besitzen und in einfacher Weise durch Gießen oder Formen in eine gewünschte Gestalt gebracht werden können, werden sie auf verschiedenen Gebieten weit verbreitet angewendet. Trotz derartiger guter Eigenschaften sind FRP-Elemente mit Problemen, wie beispielsweise Mikrorissen, Trennung von verstärkenden Fasern von Matrixkunststoffen, usw. behaftet, die durch äußere Schläge oder Langzeitermüdung hervorgerufen werden können. Derartige Fehler führen zu einem Ausfall von FRP-Elementen.There FRP elements at low weight an excellent mechanical Own strength and in a simple way by casting or Shapes into a desired shape Shape can be brought they are widely used in various fields. Despite such good qualities, FRP elements are having problems such as microcracks, separation of reinforcing Fibers of matrix plastics, etc. afflicted by external impacts or Long-term fatigue can be caused. Such errors lead to a failure of FRP elements.

Es ist daher wichtig, die Grenze zu kennen, bis zu der FRP-Elemente sicher verwendbar sind. Zu diesem Zweck sind verschiedene Verfahren zur Detektierung von Defekten in FRP-Elementen vorgeschlagen worden.It It is therefore important to know the limit, to use the FRP elements safely are. For this purpose, various methods of detection defects in FRP elements been proposed.

Zur Detektierung des Ausmaßes einer inneren Beschädigung in FRP-Elementen sind beispielsweise Durchleuchtungs-, Röntgenstrahl- und Ultraschallverfahren oder akustische Emissionsverfahren (AE-Verfahren) entwickelt worden. Das Durchleuchtungs-, Röntgenstrahl- und Ultraschallverfahren eignen sich jedoch lediglich zur Detektierung relativ großer Defekte, während beim AE-Verfahen aufwendige Maßnahmen, beispielsweise das Aufprägen einer Last auf das FRP-Element notwendig sind, obowohl mit diesem letztgenannten Verfahren relativ kleine Defekte detektierbar sind. Darüber hinaus ist das AE-Verfahren für die Detektierung von Defekten nicht genau genug.to Detecting the extent an internal damage In FRP elements, for example, fluoroscopy, x-ray and ultrasonic methods or acoustic emission methods (AE method) been developed. The fluoroscopy, x-ray and ultrasound procedures However, they are only suitable for detecting relatively large defects. while the AE procedure requires complex measures, for example, imprinting a load on the FRP element is necessary, albeit with this latter method relatively small defects are detectable. About that addition, this is the AE procedure for the Detecting defects is not accurate enough.

Als weiteres Verfahren wird in der JP 60114741 A ein Verfahren zur Detektierung einer inneren Beschädigung von FRP-Elementen, in denen lange leitende Kohlenstoffasern eingebettet sind, beschrieben, wobei zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Kohlenstoffasern ein elektrischer Strom mit einer solchen Größe eingespeist, daß über die elektrische Leitfähigkeit das Ausmaß der inneren Beschädigung der FRP-Elementen vorhergesagt werden kann. Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, daß bei einer inneren Beschädigung im FRP-Element einige Kohlenstofffasern im beschädigten Teil durchschnitten werden, was zu einem Wegfall oder einer Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstoffasern führt.As another method is in the JP 60114741 A a method for detecting internal damage of FRP elements in which long conductive carbon fibers are embedded, described, wherein for measuring the electrical conductivity of these carbon fibers, an electric current of such a size is fed that the extent of the internal damage of the FRP elements can be predicted. This method is based on the principle that with internal damage in the FRP element, some carbon fibers in the damaged part are cut, resulting in elimination or reduction of the electrical conductivity of the carbon fibers.

Da bei diesen Verfahren jedoch die Befestigung langer Kohlenstoffasern an Oberflächen von Verstärkungsfaserstoffen mühsam und schwierig ist, eignet es sich nicht für die Massenproduktion von FRP-Elementen. Da lange Kohlenstoff fasern verwendet werden, eignet sich dieses Verfahren auch nicht für FRP-Elemente mit komplizierten Formen. Da in die in den FRP-Elementen enthaltenen leitenden Kohlenstoffasern ein elektrischer Strom eingespeist wird, kann dieses Verfahren darüber hinaus die negative Beeinträchtigung der FRP-Elemente beschleunigen.There in these methods, however, the attachment of long carbon fibers on surfaces of reinforcing fiber fabrics laborious and difficult, it is not suitable for mass production of FRP elements. Since long carbon fibers are used, this is suitable Also not for FRP elements with complicated shapes. Because in the in the FRP elements contained an electric current contained conductive carbon fibers This procedure can be about it addition, the negative impact the FRP elements accelerate.

Aus der US 4,944,185 ist es bekannt, zur zerstörungsfreien Prüfung einer Kunstharzverklebung ferromagnetische Partikel einzubetten und diese zu aktivieren, um eine inhärente strukturelle Resonanz in den Partikeln zu erzeugen und diese als Vibration zu messen.From the US 4,944,185 It is known to embed ferromagnetic particles for non-destructive testing of a resin bond and activate them to create an inherent structural resonance in the particles and to measure them as vibration.

Es ist daher ein einfaches zerstörungsfreies Detektierungsverfahren für innere Beschädigungen in FRP-Elementen wünschenswert.It is therefore a simple non-destructive detection method for inner Damage in FRP elements desirable.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zerstörungsfreies Untersuchtungsverfahren anzugeben, mit dem eine innere Beschädigung selbst eines FRP-Elementes mit komplizierter Form ohne Schwierigkeiten detektierbar ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a non-destructive Specify an investigation procedure with which an internal damage itself a FRP element with a complicated shape without difficulty is detectable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a method having the features of the claim 1 solved.

Der Erfindung zugrundeliegende umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß in einem FRP-Element, das ein aus einem magnetischen Material hergestelltes Element mit magneto-mechanischen Eigenschaften enthält, dessen magnetische Eigenschaften sich unter Einwirkung einer externen Spannung auf das FRP-Element stark ändern, die innere Beschädigung ohne Schwierigkeiten dadurch detektierbar ist, daß eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des magnetischen Elementes im FRP-Element erfaßt wird. Die vorliegende Erfindung leitet sich aus diesen Untersuchungen her.Of the Invention based extensive investigations have shown that in a FRP element that is made of a magnetic material Element with magneto-mechanical Contains properties, its magnetic properties are under the influence of an external voltage change strongly to the FRP element, the internal damage Without difficulty, it is detectable that a change the magnetic properties of the magnetic element in the FRP element detected becomes. The present invention is derived from these investigations ago.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektierung einer inneren Beschädigung eines FRP-Elementes wird das FRP-Element aus verstärkenden Fasern, einem Matrixharz und magneto-mechanische Eigenschaften besitzenden magnetischen Elementen hergestellt und eine Änderung der magnetischen Eigenschaften der im FRP-Element vorgesehenen magnetischen Elemente gemessen, wodurch eine innere Beschädigung im FRP-Element detektiert wird.at a method according to the invention for detecting internal damage of an FRP element becomes the FRP element from reinforcing Having fibers, a matrix resin and magneto-mechanical properties made of magnetic elements and a change in the magnetic properties the magnetic elements provided in the FRP element are measured, causing internal damage is detected in the FRP element.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand entsprechender Unteransprüche.further developments The invention are the subject of corresponding subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The Invention will be described below with reference to embodiments according to FIGS closer to the drawing explained. It shows:

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Detektierung der magnetischen Eigenschaften von magnetischen Elementen in einem FRP-Element; 1 a schematic representation for explaining a method for detecting the magnetic properties of magnetic elements in an FRP element;

2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Verfahrens zur Detektierung der magnetischen Eigenschaften der magnetischen Elemente im FRP-Element; 2 a schematic representation for explaining a further method for detecting the magnetic properties of the magnetic elements in the FRP element;

3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausgestaltung eines Verfahrens zur Detektierung der magnetischen Eigenschaften der magnetischen Elemente im FRP-Element; 3 a schematic representation for explaining a further embodiment of a method for detecting the magnetic properties of the magnetic elements in the FRP element;

4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Detektierung der magnetischen Ei genschaften der magnetischen Elemente in einem FRF-Testelement, dem gemäß Beispiel 1 eine sich periodisch ändernde Spannungsbelastung aufgeprägt wird; 4 a schematic view for explaining a method for detecting the magnetic properties of the magnetic properties of the magnetic elements in an FRF test element, which is impressed according to Example 1, a periodically changing voltage load;

5 ein Diagramm der Amplitude der dem FRP-Testelement gemäß Beispiel 1 aufgeprägten Spannungsbelastung als Funktion der Zeit; 5 a graph of the amplitude of the FRP test element according to Example 1 impressed voltage load as a function of time;

6 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Anzahl von Belastungszyklen und der Induktivität gemäß Beispiel 1; 6 a diagram of the relationship between the number of load cycles and the inductance according to Example 1;

7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Möglichkeit der Aufprägung von Schlagenergie auf das FRP-Testelement gemäß Beispiel 2; 7 a schematic representation for explaining a possibility of imprinting impact energy on the FRP test element according to Example 2;

8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Detektierung der magnetischen Eigenschaften der magnetischen Elemente, FRP-Testelement gemäß Beispiel 2; und 8th a schematic representation for explaining the method for detecting the magnetic properties of the magnetic elements, FRP test element according to Example 2; and

9 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der dem FRP-Testelement aufgeprägten Schlagabsorptionsenergie und des durch einen magnetischen Sensor detektierten Verzerrungsfaktors. 9 a diagram of the relationship between the FRP test element impressed impact absorption energy and detected by a magnetic sensor distortion factor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.The Invention will be explained in detail with reference to the drawings.

Bei Aushärtung eines Matrixharzes in einem FRP-Element erfahren verstärkende Fasern generell Zug- oder Druckbelastungen mit einem Pegel von mehreren kg/mm² vom umgebenden aushärtendem Matrixharz. Ist eine innere Beschädigung im FRP-Element vorhanden, so erzeugen derartige Zug- oder Spannungsbelastungen daher sich im FRP-Element ausbreitende Mikrorisse sowie eine Trennung der verstärkenden Fasern vom Matrixharz. Bei Auftreten der Mikrorisse und/oder der Ablösung werden die auf die verstärkenden Fasern wirkenden Zug- oder Druckbelastungen graduell abgebaut. Wird bei Mikrorissen und der Ablösung der verstärkenden Fasern vom Matrixharz eine solche interne Beschädigung aufgebaut, so wird das FRP-Element schließlich zerstört.Upon curing of a matrix resin in an FRP element, reinforcing fibers generally experience tensile or compressive loads of a level of several kg / mm ² from the surrounding curing matrix resin. Thus, if there is internal damage in the FRP element, such tensile or stress loads will create micro-cracks propagating in the FRP element as well as separation of the reinforcing fibers from the matrix resin. Upon occurrence of microcracks and / or delamination, the tensile or compressive stresses acting on the reinforcing fibers are gradually reduced. If such internal damage is built up in the case of microcracks and the detachment of the reinforcing fibers from the matrix resin, the FRP element is finally destroyed.

Zur Detektierung der inneren Beschädigung in einem FRP-Element muß daher das Ausmaß des Abbaus der auf die verstärkenden Fasern einwirkenden internen Belastung gemessen werden. Wird zur Detektierung der inneren Beschädigung des FRP-Elementes ein magnetisches Element mit solchen magneto-mechanischen Eigenschaften im oder auf dem FRP-Element angeordnet, daß sich die magnetischen Eigenschaften mit der aufgeprägten Belastung stark ändern, und wird die Änderung der mechanischen Eigenschaften gemessen, so kann ein bestimmter Pegel der Änderung der magnetischen Eigenschaften festgelegt werden, oberhalb dessen eine Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung des FRP-Elementes besteht.to Detection of internal damage in Therefore, a FRP element must the extent of degradation the on the reinforcing Fibers acting internal load are measured. Will be for detection the internal damage of the FRP element is a magnetic element having such magneto-mechanical properties arranged in or on the FRP element that the magnetic properties with the imprinted Change the burden, and will the change measured by mechanical properties, so can a certain Level of change the magnetic properties are set above which one Probability of destruction of the FRP element.

Die erfindungsgemäß verwendbaren magnetischen Elemente können aus stark magnetostriktiven Materialien, wie beispielsweise amorphen Legierungen auf Fe-Basis, Legierungen aus Fe und Metallen seltener Erden, usw. hergestellt werden. Eine bevorzugte amorphe Legierung ist eine Legierung auf Fe-Si-B-Basis. Speziell ist eine amorphe Legierung mit einer Zusammensetzung von 65 bis 67 Atom-% Fe, 8-9 Atom-% Si, 11-13 Atom-% B, 10-12 Atom-% Co und 1-3 Atom% Cr bevorzugt. Die amorphe Legierung mit der vorgenannten Zusammensetzung besitzt hervorragende magneto-mechanische Eigenschaften sowie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit ist zur Verlängerung der Lebensdauer des FRP-Elementes wünschenswert, da es generell für eine Wasserabsorption empfänglich ist.The usable according to the invention magnetic elements can from strongly magnetostrictive materials, such as amorphous Fe-based alloys, alloys of Fe and metals less common Earth, etc. are produced. A preferred amorphous alloy is an Fe-Si-B-based alloy. Specifically, an amorphous alloy having a composition of 65 to 67 atomic% Fe, 8-9 atomic% Si, 11-13 atomic% B, 10-12 atomic% Co, and 1-3 Atom% Cr is preferred. The amorphous alloy having the aforementioned composition has excellent magneto-mechanical properties as well as a improved corrosion resistance. The improved corrosion resistance is to extend the lifetime of the FRP element desirable as it is generally for one Water absorption susceptible is.

Die magnetischen Elemente können die Form von langen Fasern (Drähten), kurzen Fasern, Bändern, Flocken oder Pulvern besitzen. Dabei ist die Form von langen Fasern (Drähten) bevorzugt, da sie eine hohe Empfindlichkeit bei der Detektierung der inneren Beschädigung gewährleisten.The magnetic elements can the shape of long fibers (wires), short fibers, ribbons, Own flakes or powders. This is the form of long fibers (Wires) preferred because it has a high sensitivity in detecting the internal damage guarantee.

Wird ein aus magnetischem Material hergestellter Draht verwendet, so beträgt sein Durchmesser vorzugsweise 10-200 μm und insbesondere 100-150 μm. Die Herstellung von Drähten mit Durchmessern von weniger als 10 μm aus magnetischen Materialien, wie beispielsweise amorphen Legierungen auf Fe-Basis ist ziemlich schwierig. Sind andererseits die Durchmesser der Drähte aus magnetischen Materialien größer als 200 μm, so sind die drahtförmigen magnetischen Materialien nicht ausreichend amorph.When a wire made of magnetic material is used, its diameter is preferably 10-200 μm, and more preferably 100-150 μm. The production of wires with diameters of less than 10 μm from magnetic Materials such as Fe-based amorphous alloys are quite difficult. On the other hand, if the diameters of the magnetic material wires are larger than 200 μm, the wire-shaped magnetic materials are not sufficiently amorphous.

Der Volumenanteil (im folgenden mit "v/f" bezeichnet) der magnetischen Elemente im FRP-Element beträgt vorzugsweise 0,1-50 % und insbesondere 1-10 %. Ist v/f der magnetischen Elemente kleiner als 0,1 %, so ist die Detektierung der magneto-mechanischen Eigenschaften der magnetischen Elemente schwierig. Übersteigt andererseits v/f 50 %, so wird das Formen des FRP-Elementes schwierig, was zu einer schlechten spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Dichte) führt.Of the Volume fraction (hereinafter referred to as "v / f") of magnetic elements in the FRP element is preferably 0.1-50% and especially 1-10%. Is v / f of the magnetic elements less than 0.1%, so is the detection of the magneto-mechanical properties the magnetic elements difficult. On the other hand, exceeds v / f 50%, so the molding of the FRP element is difficult, resulting in a poor specific strength (ratio of strength to density) leads.

Nachfolgend wird im einzelnen ein amorpher Draht als Beispiel von magnetischen Elementen mit magneto-mechanischen Eigenschaften erläutert.following In particular, an amorphous wire as an example of magnetic Elements with magneto-mechanical properties explained.

Amorphe Drähte oder Gewebe daraus, wie beispielsweise netzartige Stoffe und Stoffe aus verstärkenden Fasern, können getrennt hergestellt und in das FRP-Element eingebaut werden. Um jedoch eine gleichförmige Verteilung der amorphen Drähte im FRP-Element zu gewährleisten, werden die amorphen Drähte zur Bildung von gemischten Fäden oder Geweben aus ge mischten Fäden mit den verstärkenden Fasern kombiniert, wobei die Fäden bzw. Gewebe zur Bildung des gewünschten FRP-Elementes mit dem Matrixharz imprägniert werden. Die Gewebe aus gemischten Fäden können durch die gemischten Fäden der verstärkenden Fasern und amorphen Drähte gebildet werden; zweckmäßigerweise werden sie jedoch durch Weben der verstärkenden Fasern als Schüsse und der amorphen Drähte als Ketten hergestellt. Nach der Bildung des FRP-Elementes können die amorphen Drähte unter Verwendung des gleichen Matrixharzes wie im FRP-Element auch einstückig am FRP-Element befestigt werden.amorphous wires or fabrics thereof, such as reticulated fabrics and fabrics from reinforcing Fibers, can prepared separately and incorporated into the FRP element. Around but a uniform one Distribution of amorphous wires in the To ensure FRP element become the amorphous wires for the formation of mixed threads or woven fabrics of mixed threads with the reinforcing Fibers combined, with the threads or tissue to form the desired FRP element with the Impregnated matrix resin become. The fabrics of mixed threads can be replaced by the mixed threads of reinforcing Fibers and amorphous wires be formed; expediently However, they are made by weaving the reinforcing fibers as shots and the amorphous wires produced as chains. After the formation of the FRP element, the amorphous wires using the same matrix resin as in the FRP element as well one piece attached to the FRP element become.

Die amorphen Drähte (einschließlich gemischter Fäden und die amorphen Drähte enthaltender Gewebe aus gemischten Fäden) können gleichförmig im FRP-Element angeordnet werden, oder sie können zur Verbesserung der Empfindlichkeit bei der Detektierung der magnetischen Eigenschaften vorwiegend in einem speziellen Teil des FRP-Elementes, beispielsweise in einem Oberflächenteil angeordnet werden. Der Teil des FRP-Elementes, in dem die amorphen Drähte konzentriert sind, kann in Abhängigkeit von den im einzelnen noch zu erläuternden Verfahren zur Detektierung der magnetischen Eigenschaften variieren.The amorphous wires (including mixed threads and the amorphous wires mixed filament fabrics) may be uniform in the FRP element can be arranged, or they can improve the sensitivity in the detection of the magnetic properties predominantly in a special part of the FRP element, for example in one surface part to be ordered. The part of the FRP element in which the amorphous wires are concentrated are, depending on of the still to be explained in detail Methods for detecting the magnetic properties vary.

Die amorphen Drähte können vorzugsweise parallel zur Richtung orientiert werden, in der die größte äußere Belastung auf das FRP-Element einwirkt, weil diese Orientierung hinsichtlich der mechanischen Festigkeit am besten geeignet ist.The amorphous wires can preferably be oriented parallel to the direction in which the greatest external load acts on the FRP element, because this orientation in terms of the mechanical strength is best suited.

Als Matrixharz für das FRP-Element sind Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze, Phenolharze, Polyamide, Polyäther-Äther-Keton, usw. verwendbar. Erfindungsgemäß können jedoch auch andere wärmeaushärtende oder thermoplastische Harze verwendet werden, wie sie auch in konventionellen FRP-Elementen vorkommen.When Matrix resin for the FRP element are epoxy resins, unsaturated polyester resins, phenolic resins, polyamides, Polyether Ether Ketone, etc. usable. However, according to the invention also other thermosetting or thermoplastic resins are used, as they are in conventional FRP elements occurrence.

Die erfindungsgemäß verwendbaren verstärkenden Fasern können Glasfasern, Kohlenstoffasern, Fasern aus aromatischen Polyamiden, usw. sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Fasern beschränkt; es können auch andere Fasern verwendet werden, wie sie gewöhnlich als verstärkende Fasern in konventionellen FRP-Elementen vorkommen.The usable according to the invention reinforcing Fibers can Glass fibers, carbon fibers, aromatic polyamide fibers, etc. be. However, the invention is not limited to these fibers; it can Other fibers, such as those commonly used as reinforcing fibers, may also be used occur in conventional FRP elements.

Das v/f der verstärkenden Fasern im FRP-Element liegt vorzugsweise bei 20 bis 70 % und insbesondere bei 55 bis 65 %.The v / f of the reinforcing Fibers in the FRP element is preferably 20 to 70%, and more preferably at 55 to 65%.

Die FRP-Elemente können gemäß folgendem Verfahren hergestellt werden.The FRP elements can according to the following Process are produced.

Die aus den verstärkenden Fasern und den amorphen Drähten in einem bestimmten Verhältnis bestehenden gemischten Fäden werden nach ihrer Herstellung zur Bildung von Stoffen, beispielsweise netzartigen Stoffen, verwoben. Die Gewebe aus gemischten Fäden werden mit einem Matrixharz, beispielsweise Epoxyharz imprägniert und sodann zur Bildung des FRP-Elementes durch Wärme oder Bestrahlung ausgehärtet. Gegebenenfalls können die amorphen Drähte auch ohne Verweben zu Stoffen aus gemischten Garnen und Imprägnierung mit einem Matrixharz direkt im FRP-Element angeordnet werden.The from the reinforcing Fibers and the amorphous wires existing in a certain ratio mixed threads are after their preparation for the formation of substances, such as net-like Fabrics, interwoven. The fabrics of mixed threads are coated with a matrix resin, For example, impregnated epoxy resin and then to form the FRP element by heat or radiation cured. If necessary, you can the amorphous wires also without interweaving to fabrics of mixed yarns and impregnation be arranged with a matrix resin directly in the FRP element.

Die Messung der magneto-mechanischen Eigenschaften der im FRP-Element angeordneten magnetischen Elemente kann durch einen magnetischen Sensor erfolgen. Erfindungsgemäß ist jeder magnetische Sensor verwendbar, solange er zur Detektierung einer Änderung der magneto-mechanischen Eigenschaften zwecks Bestimmung des Ausmaßes der inneren Beschädigung empfindlich genug ist.The Measurement of the magneto-mechanical properties of the FRP element arranged magnetic elements can by a magnetic Sensor done. According to the invention, each is magnetic Sensor can be used as long as it detects a change the magneto-mechanical properties for the purpose of determining the extent of internal damage is sensitive enough.

Ein Beispiel für erfindungsgemäß verwendbare magnetische Sensoren umfaßt gemäß 1 zwei Sensorwicklungen 2, 2 auf den beiden Seiten eines FRP-Elementes 1, die mit den Oberflächen des FRP-Elementes 1 in Kontakt stehen oder nicht, wodurch ein geschlossener magnetischer Kreis zur Messung der magnetischen Eigenschaften gebildet wird.An example of magnetic sensors usable in the present invention comprises 1 two sensor windings 2 . 2 on the two sides of an FRP element 1 that interfit with the surfaces of the FRP element 1 or not, thereby forming a closed magnetic circuit for measuring the magnetic properties.

Gemäß 1 ist an den Innenflächen von Abdeckelementen 6a, 6b jeweils ein U-förmiger Ferritkern 3a, 3b befestigt. Auf dem ersten Ferritkern 3a sind an getrennten Stellen eine erste Erregerwicklung 4a und eine Detektorwicklung 5a gewickelt. In gleicher weise sind auf dem zweiten Ferritkern 3b eine zweite Erregerwicklung 4b und eine zweite Detektorwicklung 5b gewickelt. Die beiden Erregerwicklungen 4a, 4b sind mit einer Hochfrequenzversorgungsquelle 7 verbunden, während die beiden Detektorwicklungen 5a, 5b mit einem Detektor 8 verbunden sind.According to 1 is on the inside surfaces of cover elements 6a . 6b each a U-shaped ferrite core 3a . 3b attached. On the first ferrite core 3a are at separate points a first exciter winding 4a and a detector winding 5a wound. In the same way are on the second ferrite core 3b a second excitation winding 4b and a second detector winding 5b wound. The two excitation windings 4a . 4b are with a high frequency power source 7 connected while the two detector windings 5a . 5b with a detector 8th are connected.

Bei Einspeisung eines hochfrequenten Stroms aus der Versorgungsquelle 7 in die beiden Erregerwicklungen 4a, 4b wird ein geschlossener magnetischer Kreis mit einem durch das FRP-Element 1 verlaufenden magnetischen Fluß gebildet, wie dies durch einen Pfeil A in 1 dargestellt ist. Eine durch diesen magnetischen Fluß induzierte elektromotorische Kraft kann durch die beiden Detektorwicklungen 5a, 5b erfaßt und durch den Detektor 8 als wechselseitige Induktivität (in einfacher Weise als "Induktivität" bezeichnet) detektiert werden. Andererseits kann auch das Ausgangssignal des magnetischen Sensors als Wechselstrom-Signalverzerrungsfaktor (in einfacher Weise als "Verzerrungsfaktor" bezeichnet) detektiert werden.When a high-frequency current is supplied from the supply source 7 into the two excitation windings 4a . 4b becomes a closed magnetic circuit with one through the FRP element 1 extending magnetic flux formed as indicated by an arrow A in 1 is shown. An electromotive force induced by this magnetic flux can pass through the two detector windings 5a . 5b detected and by the detector 8th as mutual inductance (simply referred to as "inductance") are detected. On the other hand, the output of the magnetic sensor may also be detected as an AC signal distortion factor (simply referred to as a "distortion factor").

Da sich die vorgenannte Induktivität in Abhängigkeit von der auf die amorphen Drähte im FRP-Element 1 wirkenden Belastung ändert (Änderung der magnetischen Eigenschaften der amorphen Drähte), kann der Belastungspegel durch Messung der Induktivität bestimmt werden.Because the aforementioned inductance depends on the on the amorphous wires in the FRP element 1 acting load changes (change of the magnetic properties of the amorphous wires), the load level can be determined by measuring the inductance.

Hinsichtlich der Detektionsempfindlichkeit ist der magnetische Sensor mit einem geschlossenen magnetischen Kreis ge mäß 1 gegenüber im folgenden zu beschreibenden magnetischen Abnahmesensoren bevorzugt.With respect to the detection sensitivity of the magnetic sensor with a closed magnetic circuit according to ge 1 opposite to be described in the following magnetic acceptance sensors.

Ein abgewandelter erfindungsgemäß zu verwendender magnetischer Sensor ist ein sog. magnetischer Abnahmesensor gemäß 2. Dieser magnetische Abnahmesensor umfaßt eine aus einer ebenen Erregerwicklung und einer ebenen Detektorwicklung (beide in 2 nicht dargestellt) sowie aus Zuleitungsdrähten 10 bestehende Sensorwicklung 9. Diese Sensorwicklung 9 steht mit der Oberfläche des FRP-Elementes 1 in Kontakt oder ist geringfügig von dieser beabstandet. Wird in die Erregerwicklung ein hochfrequenter Strom eingespeist, so werden durch gestrichelte Linien B dargestellte magnetische Kreise erzeugt. Da die magnetischen Kreise durch das FRP-Element 1 verlaufen, kann die interne Beschädigung des FRP-Elementes 1 nach dem gleichen Prinzip wie im oben beschriebenen geschlossenen magnetischen Kreis nach 1 detektiert werden.A modified magnetic sensor to be used according to the invention is a so-called magnetic acceptance sensor according to FIG 2 , This magnetic pickup sensor includes one of a planar field coil and a planar detector coil (both in FIG 2 not shown) and lead wires 10 existing sensor winding 9 , This sensor winding 9 stands with the surface of the FRP element 1 in contact or is slightly spaced therefrom. If a high-frequency current is fed into the exciter winding, magnetic circles represented by dashed lines B are generated. As the magnetic circuits through the FRP element 1 may be the internal damage of the FRP element 1 according to the same principle as in the closed magnetic circuit described above 1 be detected.

Mit einem derartigen magnetischen Abnahmesensor kann die Detektierung der internen Beschädigung in FRP-Elementen mit komplizierten Formen leicht durchgeführt werden.With Such a magnetic acceptance sensor can detect the internal damage be easily performed in FRP elements with complicated shapes.

Ein weiteres Beispiel von magnetischen Sensoren ist in 3 dargestellt, welche eine das FRP-Element 1 umgebende, auf einer Erregerwicklung und einer Detektorwicklung (beide in 3 nicht dargestellt) bestehende Sensorwicklung 11 sowie Zuleitungsdrähte 12 umfassen. Bei einem derartigen magnetischen Sensor kann die Erregerwicklung 11 mit der Oberfläche des FRP-Elementes 1 in Kontakt stehen oder nicht.Another example of magnetic sensors is in 3 shown which one the FRP element 1 surrounding, on a field winding and a detector winding (both in 3 not shown) existing sensor winding 11 as well as supply wires 12 include. In such a magnetic sensor, the excitation winding 11 with the surface of the FRP element 1 in contact or not.

Wird in die Sensorwicklung 11 im magnetischen Sensor nach 3 ein hochfrequenter Strom eingespeist, so wird ein durch eine gestrichelte Linie C dargestellter magnetischer Kreis erzeugt, welcher durch das FRP-Element 1 verläuft. Die Induktivität wird in der gleichen Weise wie in den oben be schriebenen Beispielen zur Detektierurg der inneren Beschädigung im FRP-Element 1 gemessen.Will be in the sensor winding 11 in the magnetic sensor 3 a high-frequency current is fed in, a magnetic circuit represented by a dashed line C is generated, which passes through the FRP element 1 runs. The inductance is detected in the same manner as in the above-described examples to detect the internal damage in the FRP element 1 measured.

Die auf die amorphen Drähte wirkende innere Spannung ändert sich mit dem Ausmaß der inneren Beschädigung im FRP-Element 1, wodurch sich wiederum die magnetischen Eigenschaften der amorphen Drähte mit der auf sie wirkenden inneren Belastung ändern. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften der amorphen Drähte kann als Änderung der Induktivität des magnetischen Sensors detektiert werden, wie dies beispielsweise in 6 dargestellt ist, bei der es sich um ein Diagramm handelt, auf dem die Änderung der Induktivität des magnetischen Sensors in Abhängigkeit von einer auf das FRP-Element wirkenden sich periodisch ändernden Spannungsbelastung ersichtlich ist. Gegebenenfalls kann eine gewisse Spannungsbelastung im FRP-Element verbleiben und in Abhängigkeit vom Typ der verstärkenden Fasern, der Orientierung der amorpen Drähte und der Einwirkungsstellen der Belastung graduell abgebaut werden.The internal stress on the amorphous wires changes with the amount of internal damage in the FRP element 1 , which in turn changes the magnetic properties of the amorphous wires with the internal load acting on them. The change in the magnetic properties of the amorphous wires can be detected as a change in the inductance of the magnetic sensor, as in, for example, 6 which is a graph showing the change in inductance of the magnetic sensor in response to a periodically varying stress load applied to the FRP element. Optionally, some stress load may remain in the FRP element and be gradually degraded depending on the type of reinforcing fibers, the orientation of the amorphous wires, and the load application sites.

Aus 6 ist beispielsweise ersichtlich, daß die Induktivitätsänderung in einem frühen Stadium, in dem aufgrund von Ermüdung lediglich eine geringfügige Beschädigung vorhanden ist, die Induktivitätsänderung ziemlich klein ist, wobei sich die Induktivität kurz vor dem Ermüdungsausfall in einem Punkt E drastisch ändert. Durch diese drastische Änderung der Induktivität kann die Verwendbarkeitsgrenze bestimmt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird festgelegt, daß beim FRP-Element seine Verwendbarkeitsgrenze erreicht ist, wenn die Induktivität sich um 10 % des Anfangswertes ändert (vergrößert). Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß dieser Wert der Festlegung der Verwendbarkeitsgrenze in Abhängigkeit von den FRP-Elementen entsprechend veränderbar ist. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele weiter erläutert.Out 6 For example, it can be seen that the inductance change at an early stage when there is little damage due to fatigue, the inductance change is quite small, and the inductance changes drastically just before the fatigue failure at a point E. By this drastic change of the inductance the usability limit can be determined. In a preferred embodiment, it is determined that the FRP element reaches its usable limit when the inductance changes (increases) by 10% of the initial value. It should be understood, however, that this value of determining the usability limit may be changed as a function of the FRP elements. The invention will be further illustrated by the following examples.

Beispiel 1example 1

Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 8 μm und aus einer amorphen Legierung auf Fe-Basis hergestellten Drähten mit einer Zusammensetzung von im wesentlichen 66,5 Atom-% Fe, 8,5 Atom-% Si, 12 Atom-% B, 11 Atom-% Co und 2 Atom-% Cr sowie einem mittleren Durchmesser von 30 μm werden zur Bildung von gemischten Fäden in einem Volumenanteil (Glasfasern/amorphe Drähte) von 14/1 miteinander kombiniert, wobei die sich daraus ergebenden gemischten Fäden zur Bildung eines gemischten Fadenstoffes mit einer Größe von 25 mm × 250 mm verwoben werden.glass fibers with an average diameter of 8 μm and an amorphous alloy Fe-based wires with a composition of essentially 66.5 atomic% Fe, 8.5 atomic% Si, 12 at.% B, 11 at.% Co and 2 at.% Cr and a middle one Diameter of 30 μm are used to form mixed threads in a volume fraction (Glass fibers / amorphous wires) of 14/1 combined, with the resulting mixed Threads to Formation of a mixed thread with a size of 25 mm × 250 mm be woven.

Der gemischte Fadenstoff wird mit einem Epoxyharz imprägniert. Eine Vielzahl der gemischten Fadenstoffe wird mit verstärkenden Glasfasern in einer Form lamelliert und es wird Epoxyharz in einer solchen Menge in die Form eingebracht, daß sich ein Volumenverhältnis von Fasern (Glasfasern plus gemischte Fäden) zu Epoxyharz von 6/4 ergibt. Nach Bildung eines mit Epoxyharz imprägnierten Laminats gewünschter Form erfolgt zur Bildung eines FRP-Testelementes mit einer Größe von 25 mm × 250 mm × 2 mm eine Wärmeaushärtung bei 120° C für zwei Stunden. Gegebenenfalls werden die amorphe Drähte in einem Oberflächenteil des FRP-Testelementes angeordnet, wobei die amorphen Drähte parallel zu der Richtung orientiert sind, in der in einem folgenden Test eine äußere Belastung auf das FRP-Element wirkt. Im FRP-Testelement beträgt v/f der Glasfasern 56 %, v/f der amorphen Drähte 4 % und v/f des Epoxyharzes 40 %.Of the mixed thread cloth is impregnated with an epoxy resin. A variety of mixed filaments will be reinforced with Glass fibers are laminated in a mold and it becomes epoxy resin in such a way Amount introduced into the mold that has a volume ratio of Fibers (glass fibers plus mixed filaments) to 6/4 epoxy resin. After formation of an epoxy resin impregnated laminate desired Form takes place to form a FRP test element with a size of 25 mm × 250 mm × 2 mm heat curing at 120 ° C for two hours. Optionally, the amorphous wires become a surface portion of the FRP test element arranged, with the amorphous wires parallel to the direction in which in a subsequent test an external load acts on the FRP element. In the FRP test element, v / f is the Glass fibers 56%, v / f of the amorphous wires 4% and v / f of the epoxy resin 40%.

Gemäß 4 werden die beiden Enden eines FRP-Testelementes 13 durch Klauen 14, 14 in einem Testgerät (von der Firma Sam Denshi Kikai K.K. hergestelltes hydraulisches Ermüdungstestgerät mit 5 Tonnen) erfaßt. Auf der gesamten Länge wird eine Sensorwicklung 15 auf dem FRP-Testelement 13 angeordnet. Auf das FRP-Testelement 13 wird zur Durchführung eines Ermüdungstests in durch Pfeile D, D' in 4 angegebenen Richtungen eine Spannungsbelastung mit einer sich sinusförmig ändernden Amplitude gemäß 5 (20 Hz und 2 bis 20 kg/mm²) zur Einwirkung gebracht. Mit einem eine Sensorwicklung 15 und einem Impedanzanalysator 16 umfassenden magnetischen Sensor wird die Induktivität unter den im folgenden angegebenen Bedingungen detektiert:
Sensorwicklung 15: umgebende Wicklung (Windungszahl: 200) Grundinduktivität: 10 mH.According to 4 become the two ends of an FRP test element 13 by claws 14 . 14 in a test device (manufactured by the company Sam Denshi Kikai KK hydraulic fatigue tester with 5 tons) detected. On the entire length is a sensor winding 15 on the FRP test element 13 arranged. On the FRP test element 13 is used to perform a fatigue test in by arrows D, D 'in 4 directions indicated a voltage load with a sinusoidally changing amplitude according to 5 (20 Hz and 2 to 20 kg / mm ² ) brought into action. With a sensor winding 15 and an impedance analyzer 16 comprehensive magnetic sensor, the inductance is detected under the following conditions:
Sensor winding 15: surrounding winding (number of turns: 200) Basic inductance: 10 mH.

Die Messung der Induktivität erfolgt im 10^N-ten Zyklus (mit N = 1, 2, 3,...). Das FRP-Testelement 13 bricht bei einem Wert des 10⁷-ten -Belastungszyklus. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt. Gemäß 6 ist die Induktivität in einem frühen Stadium des Ermüdungstests im wesentlichen konstant, während sie vor dem Brechen des FRP-Testelementes drastisch zunimmt.The inductance is measured in the 10 ^N- th cycle (with N = 1, 2, 3, ...). The FRP test element 13 breaks at a value of the 10 ^7th charge cycle. The results are in 6 shown. According to 6 For example, the inductance is essentially constant at an early stage of the fatigue test, while it increases dramatically before breaking the FRP test element.

Beispiel 2Example 2

Amorphe Drähte mit einer Zusammensetzung von im wesentlichen 66,5 Atom-% Fe, 8,5 Atom-% Si, 12 Atom-% B, 11 Atom-% Co und 2 Atom-% Cr und einem mittleren Durchmesser von 125 μm werden mit einer Steigung von 0,3 mm zwischen Stoffschichten angeordnet, welche durch Kohlenstoffasern mit einem mittleren Durchmesser von 6 μm und einem Epoxyharz in Stufen von 40 Lagen der Kohlenstoffaserstoffe gebildet sind. Das resultierende Laminat wird zur Herstellung eines FRP-Testelementes bei 180° C für 2 Stunden ausgehärtet. Im FRP-Testelement beträgt v/f der Kohlenstoffasern 57 %, v/f der amorphen Drähte 3 % und v/f des Epoxyharzes 40 %.amorphous wires with a composition of essentially 66.5 atomic% Fe, 8.5 atomic% Si, 12 at.% B, 11 at.% Co and 2 at.% Cr and a middle one Diameter of 125 μm are placed at a pitch of 0.3 mm between layers of fabric, which are carbon fibers with a mean diameter of 6 μm and an epoxy resin in increments of 40 layers of the carbon pulps are formed. The resulting laminate is used to make a FRP test element at 180 ° C for 2 hours hardened. In the FRP test element is v / f of the carbon fibers 57%, v / f of the amorphous wires 3% and v / f of the epoxy resin is 40%.

Gemäß 7 wird das FRP-Testelement 18 auf eine Basisplatte 19 mit einer Ausnehmung in einem Schlagtestgerät gesetzt und ein Gewicht 17 zur Aufprägung verschiedener Aufschlagenergiewerte auf das FRP-Testelement 18 geworfen. Die auf das jeweilige FRP-Testelement 18 wirkende Schlagabsorptions energie liegt zwischen 0 und 9 Joules. Mit einem eine Sensorwwicklung 22 und einen Detektor 23 (Verzerrungsfaktor-Detektoranordnung) umfassenden Magnetsensor gemäß 8 wird der Verzerrungsfaktor FRP-Testelementes unter den folgenden Bedingungen gemessen:
Sensorwicklung 22: Abnehmertyp
Windungszahl: Primärwicklung: 200 (70 Windungen/mm) und Sekundärwicklung: 200
Anfangsverzerrungsfaktor: 2,1 %.According to 7 becomes the FRP test element 18 on a base plate 19 set with a recess in a impact tester and a weight 17 for impressing different impact energy values on the FRP test element 18 thrown. The on the respective FRP test element 18 acting impact energy is between 0 and 9 joules. With a sensor winding 22 and a detector 23 (Distortion factor detector arrangement) comprising magnetic sensor according to 8th the distortion factor FRP test element is measured under the following conditions:
sensor winding 22 : Customer type
Number of turns: primary winding: 200 (70 turns / mm) and secondary winding: 200
Initial distortion factor: 2.1%.

Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt. Gegebenenfalls zeigte das FRP-Testelement 21 nach dem Aufschlagtest keine sichtbare Beschädigung.The results are in 9 shown. Optionally, the FRP test element showed 21 no visible damage after the impact test.

Gemäß 9 nimmt der Verzerrungsfaktor des FRP-Elementes mit einer Zunahme der Schlagabsorptionsenergie eines FRP-Testelementes 21 ab. Aus diesem Zusammenhang kann durch Messung des Verzerrungsfaktors ohne Kontakt mit dem FRP-Element (durch ein zerstörungsfreies Untersuchungsverfahren) bestimmt werden, ob das FRP-Element eine fatale Aufschlagbeschädigung erfahren hat, was beispielsweise mit dem Bezug erfolgen kann, daß eine Schlagabsorptionsenergie von 5 Joule oder mehr eine fatale interne Beschädigung im FRP-Element hervorruft.According to 9 the distortion factor of the FRP element increases with an increase in the impact absorption energy of an FRP test element 21 from. From this point of view, by measuring the distortion factor without contact with the FRP element (by a nondestructive testing method), it can be determined whether the FRP element has suffered a fatal impact damage, for example by reference to a shock absorption energy of 5 joules or more causes a fatal internal damage in the FRP element.

Wie oben im einzelnen beschrieben, kann durch Detektierung der Änderung der magnetischen Eigenschaften der im FRP-Element enthaltenen magnetischen Elemente mit einem magnetischen Sensor die innere Beschädigung des FRP-Elementes durch ein zerstörungsfreies Verfahren leicht detektiert werden. Die Qualität der FRP-Elemente wird daher selbst bei Wiederholung des Testes nicht beeinträchtigt. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auf FRP-Elemente mit komplizierten Formen anwendbar.As described above in detail, by detecting the change in the magnetic properties of the magnetic elements contained in the FRP element with a magnetic sensor, the internal damage of the FRP element can be easily detected by a nondestructive method be done. The quality of the FRP elements is therefore not affected even if the test is repeated. Furthermore, the inventive method is applicable to FRP elements with complicated shapes.

Claims

Method for detecting internal damage in an element made of fiber-reinforced plastic (FRP element), in which the FRP element consists of reinforcing fibers, a matrix resin and Magneto-mechanical properties possessing magnetic elements is made and a change the magnetic properties of the arranged in the FRP element magnetic Elements is measured, causing internal damage in the FRP element is detected.

Method according to claim 1, characterized in that that the magnetic elements with reinforcing Fibers are combined to form mixed threads which are based on fabrics from reinforcing Fibers are arranged, and then to produce the FRP element an impregnation with matrix resin.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the mixed threads be woven with the reinforcing fibers to form Mischfadengeweben and the mixed thread fabrics are placed on fabrics of the reinforcing fibers, and then an impregnation to produce the FRP element with matrix resin.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the magnetic elements in the form of long fibers or wires, short Fibers, ribbons, Flakes or powders are present and are preferably amorphous wires.

Method according to claim 4, characterized in that that the Diameter of the wires 10-200 μm and especially 100-150 μm is.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Volume fraction of magnetic elements in the FRP element 0.1-50% and in particular 1-10%.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that magnetic elements of Fe-based amorphous alloys, alloys are made of Fe and metals of rare earths, preferably from an amorphous Fe-Si-B-based alloy.

Method according to claim 7, characterized in that that the amorphous alloy has a composition of 65-67 atom% Fe, 8-9 Atomic% Si, 11-13 atomic% B, 10-12 atomic% Co, and 1-3 atomic% Cr.

Method according to claim 4, characterized in that that the amorphous wires for the formation of mixed threads or fabrics of mixed threads with the reinforcing Fibers are combined, wherein the threads or tissue formation of the desired FRP element with the matrix resin impregnated become.