Zerstörungsfreie Prüfung und Materialentwicklung

Versuchsaufbau zur Messung von Lithiumionenbatterien am Instrument STRESS-SPEC. (Foto: W. Schürmann / TUM)

Moderne Materialien haben eine komplexe, für den Einsatz optimierte Mikrostruktur und bestehen häufig aus mehreren Phasen. Diese Mikrostrukturen sind oft extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder starker Last ausgesetzt und müssen dann diesen Einsatzbedingungen standhalten. Da Neutronen elektrisch neutral und sehr klein sind, können sie in die meisten Materialien tief eindringen. Sie erlauben so einen Blick in das Innere von komplexen Bauteilen und können für die zerstörungsfreie Materialprüfung eingesetzt werden.

Neutronenstrahlen sind in der Lage, zwischen unterschiedlichen Materialien und sogar unterschiedlichen Isotopen eines chemischen Elements zu unterscheiden. Unter gewissen Voraussetzungen sind selbst kleine Mengen von wasserstoffhaltigen Materialien wie Kleber oder Schmiermittel in einem metallischen Bauteil  noch zu erkennen. So können zum Beispiel das Öl in einem laufenden Motor oder die Verteilung von Dichtmasse in einer Autotür zerstörungsfrei sichtbar gemacht werden. In einem hochauflösenden Modus sind bei einer Durchleuchtung (Radiographie) Strukturen kleiner als 100 Mikrometer erkennbar.

Neutronenstrahlen werden von den Atomen eines Untersuchungsobjekts abgelenkt oder gestreut. Im Gegensatz zu den klassischen bildgebenden Verfahren mit Licht (Durchleuchtung) liefern die Neutronenradiographie und -tomographie auch Informationen über den Abstand der einzelnen Atome bzw. die Anordnung der Atome zu einer Struktur; daraus leiten sich schließlich die chemischen Verbindung und wenn vorhanden die Verteilung von Eigenspannungen innerhalb eines Bauteils ab. Schweißnähte, Kurbelwellen, Zylinderköpfe oder plastisch verformte Eisenbahnschienen können so exakt untersucht werden. Selbst in-situ Messungen unter extremen Einsatzbedingungen zur Bestimmung der Zusammensetzung und der Mikrostruktur von Werkstoffen sind möglich. Die Texturanalyse von Werkstoffen ist ein wichtiges Einsatzgebiet von Neutronenstrahlen und von erheblicher, auch wirtschaftlicher Bedeutung in der Industrie.

Ein weiteres wirtschaftlich wichtiges Einsatzgebiet ist die Entwicklung neuer Werkstoffe und funktionaler Materialien. Diese bestehen neben metallischen Legierungen aus vielen anderen Stoffen wie Keramiken, Polymere oder Verbundwerkstoffe, die je nach Einsatzgebiet zusammengesetzt werden. Entscheidend für die Entwicklung neuer Materialien ist die genaue Analyse der Zusammensetzung, der Mikrostruktur und des Verhaltens unter bestimmten Bedingungen. Auch da finden Neutronenstrahlen breite Anwendung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Neutronen immer dann besonders geeignet sind, wenn eine zerstörungsfreie in situ-Messmethode gefragt ist, die auch noch Messungen unter bestimmten Einflüssen wie Temperatur, Druck, elektrischen Wechselfeldern, Magnetfeldern usw. erfordert.