TY - THES A1 - Schilling, Markus T1 - Environmental Stress Cracking (ESC) and Slow Crack Growth (SCG) of PE-HD induced by external fluids N2 - High-density polyethylene (PE-HD) is widely used as a packaging material. Typical applications are pipes and containers for storage and transport of dangerous goods. For these applications, the understanding of the craze-crack damage mechanisms slow crack growth (SCG) and environmental stress cracking (ESC) is of importance. Since these mechanisms are considered to be the major causes of failure, their understanding is essential for inspection and release of those materials. A well-established test method for the assessment of these damage mechanisms is the full-notch creep test (FNCT). It is used in this study for a detailed investigation of crack propagation phenomena in PE-HD container materials under the influence of different fluids such as air, water and aqueous detergent solutions (Arkopal N 100) as well as biodiesel and diesel. Based on the results of the FNCT, a classification scheme of different fluids is proposed, which allows for an assignment of the respective damage mechanisms. Hereby, it is differentiated between (i) inert, (ii) purely surface-active and (iii) additionally sorptive, bulk-active fluids with respect to SCG. If the test fluid changes the intrinsic properties (at the surface or in the bulk), the damage mechanism is addressed to ESC behavior. In FNCT investigations, stress, temperature and specimen geometry were varied systematically. In addition to the time to failure as common measure for the resistance of a PE-HD type against crack propagation, specimen elongation was considered in detail. Several imaging techniques were applied for fracture surface analysis of specimens tested in FNCT to gain novel information on SCG and ESC behavior. From height profiles obtained by laser scanning microscopy (LSM) and information on surface structures from scanning electron microscopy (SEM), indicators for the differentiation of the crack propagation mechanisms could be derived. Based on the LSM data, an algorithm for the distinction between ductile shear deformation and brittle crack growth as dominating failure mechanism was developed. Imaging techniques were also used for determination of crack propagation rates, which were related to time-resolved FNCT elongation data. From the time-resolved determination of crack lengths of partly damaged FNCT specimens, an increasing length of craze zone with a progressively propagating crack was revealed for the first time. This relation of crack and craze zones was specified by fracture mechanical considerations. N2 - Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist das Verständnis der beiden Schädigungsmechanismen „langsames Risswachstum“ (engl.: „slow crack growth“, SCG) und „umgebungsbedingter Spannungsriss“ (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung dieser Schädigungsmechanismen ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der in dieser Arbeit zur systematischen Untersuchung des Risswachstums in PE-HD Behältermaterialien unter Einwirkung von Luft, Wasser und wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) sowie Biodiesel und Diesel verwendet wird. Aus den Ergebnissen des FNCT wird ein Klassifikationsschema für Fluide vorgeschlagen, welches ebenfalls eine Zuordnung zu den Schädigungsmechanismen erlaubt. Hierbei wird in (i) inerte, (ii) rein oberflächen-aktive und (iii) zusätzliche sorptive, volumen-aktive Fluide hinsichtlich des langsamen Risswachstums (SCG) unterschieden. Wenn ein Fluid lokal die intrinsischen Materialeigenschaften des Polymers verändert, wird der Schädigungsmechanismus dem umgebungsbedingten Spannungsriss (ESC) zugeordnet. Bei den FNCT-Untersuchungen wurden die mechanische Spannung, die Temperatur und die Prüfkörpergeometrie systematisch variiert. Zusätzlich zur Standzeit wurde die Prüfkörperdehnung zeitabhängig erfasst. Aus einer erweiterten Bruchflächenanalyse konnten neuartige Informationen über SCG und ESC erhalten werden. Hierzu wurden verschiedene Bildgebungsverfahren verwendet. Insbesondere wurden mit Laserscanningmikroskopie (LSM) Höhenprofile und mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) Oberflächeninformationen zur Charakterisierung der Rissfortschrittsmechanismen erhalten. Auf Basis der LSM wurde unter Zuhilfenahme von Höhenprofildaten ein Algorithmus zur Unterscheidung zwischen duktiler Scherverformung und sprödem Risswachstum als dominierende Schädigungsmechanismen entwickelt. Die aus den bildgebenden Verfahren ermittelten Rissfortschrittsraten konnten mit den Daten der während des FNCT erfassten Dehnung der Prüfkörper in Beziehung gesetzt werden. Weiterhin wurde mithilfe von zeitaufgelösten Risslängendaten erstmals eine direkte Korrelation der Risslänge zu vorgeschädigten, fibrillierten Bereichen (Crazes) im PE-HD Prüfkörper während des FNCT nachgewiesen. Demnach vergrößert sich die Craze-Länge linear mit zunehmender Risslänge. Dieser Zusammenhang zwischen Riss- und Craze-Längen wurde auf mathematisch, bruchmechanischer Grundlage bestätigt. KW - High-density polyethylene (PE-HD) KW - Full-Notch Creep Test (FNCT) KW - Slow crack growth (SCG) KW - Environmental Stress Cracking (ESC) KW - Biodiesel KW - Diesel KW - Crack propagation analysis KW - Fracture Surface Analysis KW - Test Improvement KW - Imaging PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:tuda-tuprints-115443 DO - https://doi.org/10.25534/tuprints-00011544 SP - 1 EP - 212 CY - Darmstadt AN - OPUS4-50941 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schulz, Wencke T1 - Abscheidung und Charakterisierung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschichten auf kommerziellen Kraftwerksstählen zum Schutz gegen Korrosion bei Oxyfuel-Verbrennung N2 - The objective of the present work was the investigation and demonstration of the potential of sol-gel alumina layers as corrosion protection of commercial power plant steels under oxyfuel conditions. The starting points of this work were modified Yoldas-sols which were developed in the BAM-department 5.6. These sols were suitable for the spin-coating method only. The application of coatings on tubes by spin-coating is impossible. Therefore, the chemical composition of the modified Yoldas-sol had to be adapted to the dip- and spray-coating techniques. Exclusively the sol with the composition s-0.52-6-1.5 with a nitrate/aluminium ratio of 0.52; a solid content of 6 wt.% and a PVP (binder) content of 1.5 wt.% could fulfill the necessary criteria: long-term stability; formation of a dense, crack-free and well adhered layer on polished metal surfaces; as well as high protective abilities against corrosion in H2O-CO2-O2-SO2. The commercial power plant steel X20CrMoV12-1 (X20) and the steel X12Cr13 were successfully coated with the sol s-0.52-6-1.5 by means of the dip-coating method. An at least 400 nm thick alumina layer (δ-Al2O3) is necessary to ensure the corrosion protection of these steels. The corrosion of the coated samples compared to that of the uncoated ones was significantly reduced, even after 1000 h of exposure in a H2O-CO2-O2-SO2 atmosphere at 600°C. Sulfur and carbon were not detected at the substrate surface or beneath the coating. Hence the transport of the flue gas components SO2 and CO2 into as well as through the alumina layer could be hindered. The diffusion of the alloying elements (Cr, Mn, Si) into the alumina layer resulted in the formation of mixed oxides like δ-(Al,Cr)2O3. Formation of such phases considerably contributed to the corrosion protection. The long-term stability of the sol s-0.52-6-1.5 and the high protective abilities of the alumina layer on commercial power plant steels provide a good basis for an industrial application. KW - TEM KW - Alumina KW - Coating KW - Oxyfuel KW - Steel KW - High-Temperature Corrosion PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000102280-0 DO - https://doi.org/10.17169/refubium-6842 SP - 0 EP - 179 PB - Freie Universität CY - Berlin AN - OPUS4-50310 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kühn, Julius T1 - Composition and chemistry of Pd-Ni-Co thin film alloys for hydrogen related applications N2 - The discovery and design of high performance Pd-alloys is of great interest for the use of hydrogen as a future energy carrier. Therefore hydrogen has to be detected, separated from other gases and stored. In this respect this thesis presents the combinatorial synthesis and characterization of the ternary Pd-Ni-Co alloy System over a wide composition range based on so-called thin film alloy libraries. Those libraries are model systems to characterize a large number of alloy compositions at the same time. The sputter-deposition process is optimized for the gradient of the Pd concentration on the surface of the alloy library by the use of electron-excited Auger electron spectroscopy. The scientific goal of this work is the experimental Investigation of adsorbate-induced surface segregation phenomena on alloy libraries. The surface and bulk compositions of an alloy library are studied after deposition, H2 exposure and H2S poisoning. The co-segregation of Ni and Co to the surface is observed. The segregation process is influenced by the oxidation of Ni and Co due to the contact with ambient air, by H2 and by H2S poisoning. Also at very high Pd concentrations in the range of 87 at.% to 97 at.%, which is interesting for the detection of very low H2-Concentrations in air, the co-segregation of Ni and Co takes place. The poisoning effects were investigated in detail on a pre-selected Pd-Ni-Co alloy by photoelectron spectroscopy (XPS, HAXPES) in addition to AES and EDX. The composition profile of the alloy on the nm scale is acquired and the surface and bulk chemistry is discussed before and after poisoning. The composition of the alloy only changed within the first 3 nm due to H2S exposure. In the ternary Pd-Ni-Co alloy system Pd is present in its metallic state, while Ni and Co show several oxidation states. The presented concepts of ternary alloy development pave the way for the systematic synthesis and characterization of new ternary transition metal alloy systems. KW - Hydrogen sensor KW - Library of ternary Pd-alloys KW - AES KW - (HAX)PES KW - REM/EDX KW - Wasserstoffsensor KW - Bibliothek ternärer Pd-Legierungen PY - 2016 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-5002 SP - 1 EP - 127 PB - Technische Universität CY - Berlin AN - OPUS4-35680 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Keserovic, Amela T1 - Geothermal systems in Indonesia - Influence on the corrosion resistance of stainless steel materials N2 - The growth in a global demand for energy, as well as the awareness of a significant climate change, have evolved a very strong incentive for utilizing and expanding the use of clean and renewable energy resources. Geothermal energy is considered as one of a few alternatives ideal for replacing conventional sources due to its consistency and reliability, and is receiving ever more attention. However, geothermal Systems are found to be the most aggressive natural environments in terms of corrosion. High temperature and pressure conditions, as well as the existence of almost an entire periodic System of elements in form of corrosive salts, present a major threat to the integrity of the construction material. Therefore, in order to achieve a safer and continuous energy production, and increase the competitiveness of geothermal energy on the world scene, a comprehensive assessment of the materials suitability is of high importance for operators and vendors. Finally, thäs would lead to an inoreased lifespan of the power plant, as well as its economic profit, due to the reduced maintenance costs. KW - Geothermal energy KW - Indonesia KW - Carbon steel KW - Stainless steel KW - Corrosion PY - 2014 SP - 1-130, A1-A34 CY - Berlin AN - OPUS4-31033 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Knorr, Annett T1 - Anwendung der TRAS 410 auf die sicherheitstechnische Beurteilung einer Perestersynthese T1 - Application of the technical rule TRAS 410 to the safety evaluation of a peroxide synthesis N2 - Exotherme Reaktionen verursachten in der Vergangenheit im industriellen Maßstab immer wieder Unfälle. Deshalb ist die Kenntnis des Gefahrenpotentials einer chemischen Reaktion sowohl im Normalbetrieb als auch bei Abweichungen davon eine Voraussetzung für eine sichere Prozessführung. Mit der Veröffentlichung der Technischen Regel für Anlagensicherheit (TRAS) 410 "Erkennen und Beherrschen exothermer Reaktionen" im Jahr 2001 existiert für chemische Stoffumwandlungen im Industriemaßstab eine auf dem Stand der Sicherheitstechnik basierende Anleitung zur systematischen Identifizierung von Gefahren, zu deren Bewertung und zur Erstellung von Maßnahmen, um Störfälle zu verhindern. Betrachtet wird dabei vorrangig die thermische Prozess-Sicherheit. Ein erhöhtes Gefahrenpotential besitzen exotherme Reaktionen an denen wie im vorliegenden Fall organische Peroxide beteiligt sind. Diese Verbindungsgruppe ist für ihre thermische Instabilität bekannt. In dieser Arbeit wird die unter basischen Bedingungen, zweistufig ablaufende Umsetzung von tert.-Butylhydroperoxid (TBHP) mit Pivaloylchlorid zum tert.-Butylperoxypivalat (TBPP) untersucht. TBHP, das auftretende Zwischenprodukt und TBPP gehören zur Stoffgruppe der organischen Peroxide. Bei der Bewertung der thermischen Prozess-Sicherheit der TBPP-Synthese wurde entsprechend der TRAS 410 vorgegangen. Die thermische Stabilität der beteiligten Stoffe wurde mit thermoanalytischen Screening-Methoden untersucht und die Reaktion durch kalorimetrische Untersuchungen charakterisiert. Die formale Anwendung der 100 K-Regel zur Festlegung der Grenztemperatur Texo, bei der alle an der Reaktion beteiligten Stoffe unter Verfahrensbedingungen sicher handhabbar sind, beträgt -36 °C. Bei dieser Temperatur ist der Prozess nicht durchführbar, da einzelne Reaktionskomponenten auskristallisieren und die Reaktion nicht wie gewünscht stattfinden kann. Anhand zusätzlicher Untersuchungsergebnisse zur Zersetzungskinetik des Produktes wird erläutert, dass im vorliegenden Fall von der o. g. Regel abgewichen werden kann. Als minimale Prozesstemperatur wurden 0 °C und als maximale Prozesstemperatur 20 °C festgelegt. Der Normalbetrieb wird im Rahmen der festgelegten Verfahrensparameter als sicher bewertet. Die Reaktion läuft dosierkontrolliert ab, eine Akkumulation tritt nicht auf. Aufgrund der geringen Differenz zwischen maximaler Prozesstemperatur und Onset-Temperatur der Zersetzung, besteht bei geringen Abweichungen vom Normalbetrieb die Gefahr, die unkontrollierte Zersetzung des Produktes einzuleiten. Temperaturanstieg und Gasproduktion führen zum Überschreiten der Auslegungsparameter der Anlage. Um die Reaktion durchführen zu können, müssen unbedingt vorbeugende als auch auswirkungsbegrenzende Maßnahmen getroffen werden. Abschließend wird mit Hilfe dimensionsloser Kenngrößen die Maßstabsübertragung mit dem Ziel vorgenommen, Grenzen für Reaktionsvolumina und Dosierzeiten festzulegen. N2 - In the past exothermic reactions in the industrial scale were repeatedly the cause of accidents. Therefore the knowledge of the potential hazards of an exothermic reaction for normal operations as well as for deviations is a precondition for a safe handling of the industrial process. With the release of the technical guide for identification and control of exothermic chemical reactions (“Technische Regel für Anlagensicherheit 410, Erkennen und Beherrschen exothermer chemischer Reaktionen (TRAS 410)“) in Germany 2001 there is a tool available, which is based on the art of safety engineering helps, to identify and to assess hazards and to derive measures to prevent failures. The main focus is pointed to the thermal process safety. A higher potential hazard possess exothermic reactions, in which, like in the present case, organic peroxides are involved. These type of compounds are well known for their thermal instability. In the thesis a two-phase, semi-batch reaction of tert-Butylhydroperoxide (TBHP) with pivaloyl chloride to tert-Butylperoxypivalate (TBPP) was investigated. Both TBHP, the formed intermediate and TBPP belong to the group of peroxide. The technical guide TRAS 410 was applied to assess the thermal process safety of the TBPP synthesis. The thermal stability of the involved substances was examined with screening methods and the reaction itself was characterised by calorimetric measurements. The technical application of the 100-Kelvin rule led to a limit temperature Texo of -36 °C, where a safe handling of all substances is firmed. Practically the process is not realisable at this temperature. Due to additionally studies and the determination of the activation energy and the Arrhenius factor of the decomposition of TBPP the lowest process temperature was set at 0 °C. As maximum temperature 20 °C was fixed. In line with the defined operating conditions the normal mode is assessed to be safe. The reaction is controlled by the feed velocity. No accumulation appeared. Because of a narrow gap between process temperature and the temperature, were the decomposition of TBPP starts considerably, only small deviations of process conditions are permitted. Otherwise the decomposition will run uncontrolled with temperature raise and gas production, definitely resulting in exceeding design limits of the process. To carry out the process several preventive measures like control engineering techniques have to be installed. Finally scale-up using dimensionless parameter is done to determine minimum and maximum reaction volume and feed time. KW - Maßstabsübertragung KW - Peroxidsynthese KW - Reaktionskalorimetrie KW - Semibatch-Reaktion KW - Sicherheit KW - Peroxide synthesis KW - Reaction calorimetry KW - Safety KW - Scale-up KW - Semibatch reaction PY - 2006 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:83-opus-11954 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-1279 SP - 1 EP - 162 PB - Technische Universität CY - Berlin AN - OPUS4-35406 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kulow, Anicó T1 - Spatial Resolved Dispersive X-Ray Absorption Spectroscopy and Coded Aperture X-Ray Fluorescence Imaging N2 - One aim of this work was the development of a new setup for time- and laterally resolved XAFS measurements, based on the pronciple of dispersive XAFS. This setup is scanning free, stable, inexpensive, and straightforward to adjust for probing different elements. The second part of this work describes the impelemntation of a method for full-field X-ray fluorescence imaging with coded apertures. Expensive and complicated X-ray otpics, that are usually used for full-field imaging, are replaced with a coded aperture that consists of many pinholes drilled in an X-ray opaque material. Coded apertures are inexpensive to fabricate, energy independent and easy to use. The working principle is the same as with a pinhole camera, but the multiple holes allow a higher photon flux compared to a single pinhole or even a polycalippary optic, thus alowwing the reduction of measurement time. KW - X-ray fluorescence imaging KW - Coded Apertures KW - X-ray absorption spectroscopy KW - Synchrotron PY - 2021 SP - 1 EP - 175 CY - Berlin AN - OPUS4-52054 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Küttenbaum, Stefan T1 - Zur Validierung von zerstörungsfreien Messverfahren für die probabilistische Beurteilung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten T1 - Validation of non-destructive measurement procedures for reliability assessments of existing structures using measured data N2 - The aging of existing bridge structures coincides with the progressing degradation and increasing requirements on the bridge stock caused by increasing traffic densities as well as heavy traffic. The resulting demand for structural assessments of existing bridges is of substantial importance, both nationally and internationally. The information available about the considered system provides the basis for reassessments. Both the structural reliability and the validity of the computation results depend primarily on the condition, i.e. the quality and the relevance of this information. The purposeful measurement of quality-evaluated and relevant information can significantly increase the engineer’s power of judgement regarding the structural reliability. It is advisable to keep the destructive structural interventions necessary to obtain such information to a minimum. The purpose of the present thesis is the development and evaluation of a methodology for the probabilistic reassessment of existing structures using non-destructively measured data and for the validation of the suitability of non-destructive measurement procedures for the application in the context of reassessments. For this purpose, the applicability of the rules established within the Guide to the Expression of Uncertainty (GUM)-framework for evaluating the quality of the measured information to be used later in the reassessment is emphasized. The requirements on measured data-based basic variables are derived from the First Order Reliability Method (FORM), a probabilistic approximation procedure. Based on this, the metrology and the reassessment are brought together. The measurement-based basic variables are explicitly appreciated as random variables in reliability analyses. The developed methodology is evaluated by means of two prestressed concrete bridges and four basic variables. Geometrical measurement results gathered by radar and ultrasound measurements are incorporated into reassessments regarding the limit states ULS bending, ULS shear and SLS decompression. The modelling of the measurements is an essential part in order to calculate the measurement results, each consisting of a measured value and the attributed measurement uncertainty. It is shown that the incorporation of the non-destructively collected measurement results reduces the uncertainty to be covered and increases the level of approximation of the considered models. The measurement results are reliable and comparable. Extensive sensitivity analyses provide information about crucial structure parameters to be measured, since they significantly influence the structural reliability. This way, the relevance of the information is derived. Such analyses are suitable for the design and commissioning of investigations meeting the demands as well as for the purposeful refinement of initially insufficient computation models. Furthermore, the appreciation of measured data-based basic variables can increase the robustness of structural analyses. Measurement-based reliability reassessments are particularly useful if required information is missing or doubts have arisen about the available information. In the best case, the incorporation of non-destructively measured data results in the extension of estimated remaining service lives, in the enhancement of infrastructural availabilities and in the optimization of the consumption of resources. N2 - Die Alterung bestehender Brückenbauwerke fällt mit dem sich verschlechternden Zustand und zunehmenden Anforderungen an die Bausubstanz zusammen, die eine Folge von steigenden Verkehrszahlen und der Zulassung des Schwerlastverkehrs sind. Der daraus erwachsende Bedarf an Beurteilungen von bestehenden Brücken ist national und international fortwährend groß. Die Grundlage für Nachrechnungen sind die über das System verfügbaren Informationen. Sowohl die rechnerische Zuverlässigkeit eines Tragwerks als auch die Validität der Ergebnisse hängen im Wesentlichen vom Zustand, also von der Qualität und der Relevanz dieser Informationen ab. Die gezielte Messung von gütebewerteten, relevanten Informationen kann die Urteilsfähigkeit des Beurteilenden über die Zuverlässigkeit eines Tragwerks signifikant steigern. Wünschenswert ist die Erhebung derartiger Informationen ohne signifikante Eingriffe in die Bausubstanz. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung einer Vorgehensweise für die probabilistische Beurteilung von bestehenden Bauwerken mit zerstörungsfrei gemessenen Daten und einer Methodik zum objektiven Nachweis der Eignung von zerstörungsfreien Messverfahren zur Anwendung im Zuge einer Nachrechnung. Herausgestellt wird die Eignung der im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) publizierten Regeln zur Bewertung der Qualität der gemessenen Informationen, die später im statischen Nachweis verwendet werden sollen. Die Anforderungen an die Basisvariablen, d. h. an die Eingangsgrößen im probabilistischen Nachweis, werden aus den Vorschriften zur Zuverlässigkeitsanalyse mit dem probabilistischen Näherungsverfahren FORM, der First Order Reliability Method, abgeleitet. Darauf basiert die Entwicklung der Schnittstelle zwischen der Messtechnik und der Nachrechnung. Im Kern werden die messdatenbasierten Basisvariablen explizit als Zufallsgrößen bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt. Die entwickelte Vorgehensweise wird am Beispiel von zwei Spannbetonbrücken und vier Basisvariablen erprobt. In die Nachweise der Biege- und der Querkrafttragfähigkeit sowie in einen Nachweis der Dekompression fließen geometrische Messergebnisse ein, die mithilfe von Radar- und Ultraschallmessungen generiert werden. Ein wichtiger Bestandteil ist die Bildung von Modellen zur Auswertung der Messungen und zur Berechnung der Messergebnisse. Es wird gezeigt, dass die Einbeziehung der zerstörungsfrei generierten Messergebnisse die Unsicherheit in den Berechnungsmodellen reduzieren und den Grad der Annäherung der Modelle an die Realität steigern kann. Die Messergebnisse sind zuverlässig und vergleichbar. Umfassende Sensitivitätsanalysen geben Aufschluss über sinnvollerweise zu messende Bauwerksparameter, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragwerkszuverlässigkeit ausüben. Auf diese Weise wird die Relevanz der Informationen ermittelt. Das Potential derartiger Analysen für die gezielte Planung und Beauftragung von Messungen sowie für die bedarfsgerechte Zuschärfung von initial unzureichenden Berechnungsmodellen erscheint groß. Die messdatenbasierten Modelle können darüber hinaus die Robustheit einer Tragwerksanalyse steigern. Die Berücksichtigung von Messergebnissen ist dann besonders nützlich, wenn zur Beurteilung erforderliche Informationen fehlen oder Zweifel an den verfügbaren Informationen aufgekommen sind. Im besten Fall resultiert daraus die Verlängerung von rechnerischen Restnutzungsdauern, die Steigerung der Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Optimierung des Ressourcenverbrauchs und insgesamt eine realitätsnahe Bauwerksbewertung. KW - Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen KW - Nachrechnung KW - Spannbetonbrücken KW - Zuverlässigkeitsanalyse KW - Messunsicherheit PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:706-7686 SN - 1431-5122 VL - 21/2 SP - I EP - 314 PB - Universität der Bundeswehr München CY - Neubiberg AN - OPUS4-53851 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Zehr, Joachim T1 - Die experimentelle Bestimmung der oberen Zündgrenze von Staub/Luft-Gemischen als Beitrag zur Beurteilung der Staubexplosionsgefahren N2 - In der vorliegenden Arbeit ist nach Hinweisen auf die Bedeutung auch der oberen Zündgrenze für Sicherheit und Arbeitsschutz in durch Staubexplosionen gefährdeten Betrieben und auf die bisher relativ geringen Kenntnisse zu diesem Problem eine Apparatur geschildert, mit der serienmäßige Untersuchungen an vielen brennbaren Stäuben durchführbar sind, und das zugehörige Auswerteverfahren angegeben worden. Die Methode beruht im Prinzip darauf, daß das reaktionsfähige System im Bereich der oberen Zündgrenze in komprimiertem Zustand und dadurch mit besserer Handhabungsmöglichkeit untersucht wird. Eine Reihe von Ergebnissen wurde mitgeteilt und an Hand dieser die Anwendbarkeit der Methode diskutiert. Der abschließende Teil behandelte zusammengefaßt Sicherheitsmaßnahmen mit besonderen Hinweisen für einige praktische Fälle. PY - 1959 SP - 1 EP - 24 PB - Technische Universität CY - Berlin AN - OPUS4-54284 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Erenberg, Marina T1 - Analyse des Brandverhaltens von Stoßdämpfern für Behälter zum Transport radioaktiver Stoffe N2 - Stoßdämpfer, die zum Schutz von Behältern zum Transport radioaktiver Stoffe eingesetzt werden und welche häufig aus von Stahlblech ummantelten, geschichtetem Holz bestehen, reduzieren bei einem etwaigen Unfall die auf den Behälterkörper wirkende mechanische Belastung erheblich. In Zulassungsverfahren muss die Sicherheit der jeweiligen Behälterkonstruktion nachgewiesen werden, wobei u. a. der Nachweis erbracht werden muss, dass die Behälter definierten Prüfbedingungen widerstehen. Diese beinhalten Aufprallsequenzen aus verschiedenen Höhen und Positionen sowie ein anschließendes das Versandstück 30 min lang allumhüllendes Feuer bei 800°C. Falls Stoßdämpfer infolge der 30-minütigen Feuerbeanspruchung in Brand geraten, dürfen diese unter den Prüfbedingungen nicht gelöscht werden. Die Auswirkungen auf die Sicherheit des Behälters sind hierbei zu untersuchen. Das ist die Basis für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Brandverhalten von stahlblechumkapselten Holzstrukturen mit dem Ziel der Bewertung der daraus resultierenden zusätzlichen thermischen Belastung auf den Behälter. Ein wesentlicher Bestandteil war die Durchführung eines Großbrandversuchs, bei dem ein originalgroßer Stoßdämpfer auf dem Brandprüfstand während einer 30-minütigen Feuerphase entzündet wurde. Der Stoßdämpfer hatte ein Volumen von 3m³ und war mit aus den Prüfbedingungen resultierenden Vorschädigungen versehen. Es wurde ein Prüfstand zur Messung der variablen Wärmeleistung des brennenden Stoßdämpfers entwickelt. Die Wärme wird dabei in den Energieaufnahmebehälter (EAB) eingetragen. Aufgrund der entwickelten Temperaturregelung konnte die Wärmeleistung mit geringen Messfehlern bestimmt werden. Dabei wurde der EAB um maximal 10 K erwärmt. Im Großbrandversuch wurde gezeigt, dass der vorgeschädigte Stoßdämpfer 72 h lang brannte und dass eine signifikante Wärmeleistung in den EAB eingetragen wurde. Die während des Stoßdämpferbrands erzeugte Energie betrug ein Vielfaches im Vergleich zur Wärmeleistung, die allein durch das IAEA-Feuer eingetragen wird. Temperaturen von bis zu 1100°C wurden erreicht. Im Versuch wurde Flammenschlagen im Stoßdämpferinnern und das Glühen der Stoßdämpferstahlblechummantelung beobachtet. Bewusst dessen, dass ein einzig durchgeführter Brandversuch nur unzulängliche Aussagekraft hat, um das Brandverhalten von Stoßdämpfern zu beschreiben, wurde in weiteren Kleinbrandversuchen die Parameterabhängigkeit beim Brand von stahlblechumkapselten Holzstrukturen untersucht. Dafür wurde das Brandverhalten von 8 zylinderförmigen 0,07m³ großen Probekörpern bei variabler Schadstellengröße getestet. In der Bewertung der Kleinbrandversuche konnte gezeigt werden, dass eine kritische Schadstellengröße existiert und welche Streubreite in den Kleinbrandversuchen vorliegt. Die Kleinbrandversuche können damit Aufschluss darüber geben, welche Abweichungen in weiteren Großbrandversuchen zu erwarten wären. KW - Stoßdämpfer KW - Holz KW - Brand PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-397479 DO - https://doi.org/10.25673/39100 SP - 1 EP - 154 PB - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg CY - Magdeburg AN - OPUS4-54263 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Müller, Anja T1 - Determination of the actual morphology of core-shell nanoparticles by advanced X-ray analytical techniques: A necessity for targeted and safe nanotechnology N2 - Even though we often do not knowingly recognize them, nanoparticles are present these days in most areas of our daily life, including food and its packaging, medicine, pharmaceuticals, cosmetics, pigments as well as electronic products, such as computer screens. The majority of these particles exhibits a core-shell morphology either intendedly or unintendedly. For the purpose of practicability, this core-shell nanoparticle (CSNP) morphology is often assumed to be ideal, namely a spherical core fully encapsulated by a shell of homogeneous thickness with a sharp interface between core and shell material. It is furthermore widely presumed that all nanoparticles in the sample possess the same shell thickness. As a matter of fact, most real CSNPs deviate in several ways from this ideal model with quite often severe impact on how efficiently they perform in a specific application. The topic of this cumulative PhD thesis is the accurate characterization of the actual morphology of CSNPs by advanced X-ray analytical techniques, namely X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM). A special focus is on CSNPs which deviate from an ideal core-shell morphology. In the paper from 2019 nanoparticle shell thicknesses are extracted from the elastic-peak intensities in an XPS spectrum based on an ideal particle morphology. This happens for a series of CSNP samples comprising a poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) core and either a poly(methyl methacrylate) (PMMA) or polystyrene (PS) shell. The same paper as well as the paper from 2020 demonstrate for the first time, that the analysis of the inelastic background in an XPS spectrum of CSNPs can identify and quantify the heterogeneity of the shell and the incomplete encapsulation of the core. The result from an XPS experiment is always an average across a large nanoparticle ensemble. Deviations from an ideal morphology within a single particle of the sample cannot be assessed separately. As opposed to that, a spatial resolution of 35 nm enables STXM to visualize the interior of single CSNPs which exhibit a sufficient X-ray absorption contrast between core and shell material. In the paper from 2018 a STXM analysis is demonstrated based on the example of the PTFE-PS CSNP samples already mentioned in the previous paragraph. In the publication from 2021 (Ca/Sr)F₂ core-shell like nanoparticle ensembles for the practical use in, among others, antireflective coatings are investigated. These nanoparticles do not possess a sharp interface between core and shell material, which is why a shell thickness determination as described in the second paragraph is inappropriate. Instead, in-depth profiles of the chemical composition are obtained by XPS experiments based on synchrotron radiation with variable X-ray photon energy to elucidate the internal morphology of the particles. Additionally, theoretical in-depth profiles of Ca and Sr XPS peak intensities are simulated, in order to facilitate the interpretation of the experiments. Thus, an enrichment of CaF₂ at the particle surface was determined, which could hardly have been assessed by any other analytical technique. Because this kind of non-destructive depth profiling by XPS is very demanding, more than usual effort is spent on gapless documentation of the experiments to ensure full reproducibility. Due to the vast diversity of nanoparticles differing in material, composition and shape, a measurement procedure cannot unalteredly be transferred from one sample to another. Nevertheless, because the papers in this thesis present a greater depth of reporting on the experiments than comparable publications, they constitute an important guidance for other scientists on how to obtain meaningful information about CSNPs from surface analysis. N2 - Obwohl wir sie oft nicht bewusst wahrnehmen, sind Nanopartikel heutzutage in den meisten Bereichen unseres Alltags präsent, unter anderem in Lebensmitteln und ihren Verpackungen, Medizin, Medikamenten, Kosmetik, Pigmenten und in elektronischen Geräten wie Computermonitoren. Ein Großteil dieser Partikel weist, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, eine Kern-Schale Morphologie auf. Einfachheitshalber wird diese Morphologie eines Kern-Schale-Nanopartikels (CSNP) oft als ideal angenommen, d.h. als ein sphärischer Kern, der komplett von einer Schale homogener Dicke bedeckt ist, mit einer scharfen Grenzfläche zwischen Kern- und Schalenmaterial. Außerdem wird vielfach auch davon ausgegangen, alle Partikel der Probe hätten gleiche Schalendicken. Tatsächlich weichen die meisten realen CSNPs in verschiedenster Weise von diesem Idealmodell ab, mit oft drastischen Auswirkungen darauf, wie gut sie ihre Aufgabe in einer bestimmten Anwendung erfüllen. Das Thema dieser kumulativen Doktorarbeit ist die exakte Charakterisierung der wirklichen Morphologie von CSNPs mit modernen Röntgen-basierten Methoden, konkret Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Raster-Transmissions-Röntgen-Mikroskopie (STXM). Der Fokus liegt insbesondere auf CSNPs, die von einer idealen Kern-Schale-Morphologie abweichen. Im Artikel von 2019 werden Schalendicken von Nanopartikeln aus den elastischen Peakintensitäten im XPS-Spektrum unter Annahme einer idealen Partikelmorphologie abgeleitet. Dies geschieht für eine Reihe von CSNP-Proben, welche aus einem Polytetrafluoroethylen- (PTFE) Kern und entweder einer Polymethylmethacrylat- (PMMA) oder Polystyrol- (PS) Schale bestehen. Sowohl dieser Artikel als auch der von 2020 zeigen erstmals, dass die Auswertung des inelastischen Untergrunds eines CSNP-XPS-Spektrums in der Lage ist, die Heterogenität der Schale und die unvollständige Ummantelung des Kerns zu identifizieren und zu quantifizieren. Das Ergebnis eines XPS-Experiments ist immer ein Mittelwert über ein großes Nanopartikelensemble. Inwiefern ein einzelner Partikel innerhalb der Probe von einer idealen Morphologie abweicht, kann nicht gesondert erfasst werden. Im Gegensatz dazu kann STXM mit einer räumlichen Auflösung von 35 nm das Innere einzelner CSNPs visualisieren, sofern sie genügend Röntgenabsorptionskontrast zwischen Kern- und Schalenmaterial aufweisen. Im Artikel von 2018 wird am Beispiel der bereits im vorherigen Abschnitt genannt PTFE-PS-CSNPProben eine solche STXM-Untersuchung demonstriert. In der Veröffentlichung von 2021 werden Kern-Schale-artige (Ca/Sr)F₂-Nanopartikel für den praktischen Einsatz in unter anderem entspiegelnden Beschichtungen untersucht. Da hier keine scharfe Grenzfläche zwischen Kern- und Schalenmaterial vorliegt, ist eine Schalendickenbestimmung, wie sie im zweiten Abschnitt diskutiert wird, nicht sinnvoll. Stattdessen werden mit Hilfe von XPS, angeregt mit Synchrotronstrahlung bei variabler Röntgenphotonenenergie, Tiefenprofile der chemischen Zusammensetzung generiert, um die innere Morphologie der Partikel aufzuklären. Zusätzlich werden theoretische Tiefenprofile der Ca- und Sr-XPS-Peakintensitäten simuliert, um die Interpretation der Experimente zu erleichtern. So wurde eine CaF₂-Anreicherung an der Oberfläche der Partikel festgestellt, die kaum mit einer anderen analytischen Methode hätte entdeckt werden können. Da diese zerstörungsfreie Bestimmung von XPS-Tiefenprofilen sehr anspruchsvoll ist, wird noch mehr als üblich auf die lückenlose Dokumentation des Experiments geachtet, um vollständige Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Aufgrund der enormen Vielfalt an CSNPs, die sich in Material, Zusammensetzung und Form unterscheiden, kann eine Messmethode nicht völlig unverändert von einer Probe auf eine andere übertragen werden. Nichtsdestotrotz, da die als Teil dieser Doktorarbeit präsentierten Artikel eine deutlich ausführlichere Beschreibung der Experimente enthalten als vergleichbare Publikationen, stellen sie eine wichtige Anleitung für andere Wissenschaftler dafür dar, wie aussagekräftige Informationen über CSNPs durch Oberflächenanalytik erhalten werden können. KW - Core-shell nanoparticle (CSNP) KW - X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) KW - Scanning transmission X-ray microscopy (STXM) PY - 2022 DO - https://doi.org/10.18452/24312 SP - i EP - 243 PB - Humboldt-Universität CY - Berlin AN - OPUS4-54991 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Viefhues, Eva T1 - Subspace-based damage detection in engineering structures considering reference uncertainties and temperature effects N2 - Automated vibration-based damage detection is of increasing interest for structural health monitoring of engineering structures. In this context, stochastic subspace-based damage detection (SSDD) compares measurements from a testing state to a data-driven reference model in a statistical framework. In this thesis theoretical developments have been proposed to improve the robustness of SSDD for realistic applications conditions. First, a statistical test has been proposed considering the statistical uncertainties about the model obtained from the reference data. This leads to a precise description of the test’s distribution properties and damage detection thresholds. Second, an approach has been developed to account for environmental effects in SSDD. Based on reference measurements at few different environmental conditions, a test is derived with respect to an adequate interpolated reference. The proposed methods are validated in numerical simulations and applied to experimental data from the laboratory and outdoor structures. KW - Damage detection KW - Subspace methods KW - Vibrations KW - Uncertainty quantification KW - Environmental effects KW - Civil structures PY - 2021 SP - 1 EP - 191 CY - Universite de Rennes AN - OPUS4-55774 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Riedel, Soraya T1 - Development of electrochemical antibody-based and enzymatic assays for mycotoxin analysis in food N2 - Electrochemical methods are promising to meet the demand for easy-to-use devices monitoring key parameters in the food industry. Many companies run own lab procedures for mycotoxin analysis, but it is a major goal to simplify the analysis. The enzyme-linked immunosorbent assay using horseradish peroxidase as enzymatic label, together with 3,3',5,5' tetramethylbenzidine (TMB)/H2O2 as substrates allows sensitive mycotoxin detection with optical detection methods. For the miniaturization of the detection step, an electrochemical system for mycotoxin analysis was developed. To this end, the electrochemical detection of TMB was studied by cyclic voltammetry on different screen-printed electrodes (carbon and gold) and at different pH values (pH 1 and pH 4). A stable electrode reaction, which is the basis for the further construction of the electrochemical detection system, could be achieved at pH 1 on gold electrodes. An amperometric detection method for oxidized TMB, using a custom-made flow cell for screen-printed electrodes, was established and applied for a competitive magnetic bead-based immunoassay for the mycotoxin ochratoxin A. A limit of detection of 150 pM (60 ng/L) could be obtained and the results were verified with optical detection. The applicability of the magnetic bead-based immunoassay was tested in spiked beer using a handheld potentiostat connected via Bluetooth to a smartphone for amperometric detection allowing to quantify ochratoxin A down to 1.2 nM (0.5 µg/L). Based on the developed electrochemical detection system for TMB, the applicability of the approach was demonstrated with a magnetic bead-based immunoassay for the ergot alkaloid, ergometrine. Under optimized assay conditions a limit of detection of 3 nM (1 µg/L) was achieved and in spiked rye flour samples ergometrine levels in a range from 25 to 250 µg/kg could be quantified. All results were verified with optical detection. The developed electrochemical detection method for TMB gives great promise for the detection of TMB in many other HRP-based assays. A new sensing approach, based on an enzymatic electrochemical detection system for the mycotoxin fumonisin B1 was established using an Aspergillus niger fumonisin amine oxidase (AnFAO). AnFAO was produced recombinantly in E. coli as maltose-binding protein fusion protein and catalyzes the oxidative deamination of fumonisins, producing hydrogen peroxide. It was found that AnFAO has a high storage and temperature stability. The enzyme was coupled covalently to magnetic particles, and the enzymatically produced H2O2 in the reaction with fumonisin B1 was detected amperometrically in a flow injection system using Prussian blue/carbon electrodes and the custom-made wall-jet flow cell. Fumonisin B1 could be quantified down to 1.5 µM (≈ 1 mg/L). The developed system represents a new approach to detect mycotoxins using enzymes and electrochemical methods. N2 - Zur Entwicklung von einfach zu bedienenden Vor-Ort-Geräten, welche für die Analytik von wichtigen Parametern in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden können, sind elektrochemische Methoden besonders vielversprechend. Viele Unternehmen führen bereits Mykotoxinanalytik in eigenen Laboren am Produktionsstandort durch, dennoch gibt es große Bestrebungen Analysenmethoden weiter zu vereinfachen. Der Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA), welcher häufig mit der Meerrettichperoxidase als enzymatischem Label und 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB)/H2O2 als Enzymsubstraten arbeitet, ermöglicht den sensitiven Mykotoxinnachweis mithilfe optischer Detektionsmethoden. Zur Miniaturisierung des Detektionsschrittes wurde in dieser Arbeit der Aufbau von elektrochemischen Detektionssystemen für die Mykotoxinanalytik untersucht. Dazu wurde zunächst die elektrochemische Reaktion von TMB an verschiedenen Materialien siebgedruckter Elektroden (Kohlenstoff und Gold) sowie bei verschiedenen pH-Werten (pH 1 und pH 4) untersucht. Eine stabile Elektrodenreaktion, welche die Grundlage für den weiteren Aufbau des elektrochemischen Detektionssystems darstellt, konnte bei pH 1 an Goldelektroden erzielt werden. Basierend darauf wurde eine amperometrische Detektionsmethode für oxidiertes TMB entwickelt, wofür eine maßgefertigte Durchflusszelle verwendet wurde. Die amperometrische TMB-Detektion wurde für einen kompetitiven Magnetpartikel-basierten Immunoassay für Ochratoxin A eingesetzt. Mit diesem Assay wurde eine Nachweisgrenze von 150 pM (60 ng L-1) erreicht und die Ergebnisse konnten durch optische Detektion verifiziert werden. Die Anwendbarkeit des Assays konnte in Ochratoxin A dotiertem Bier demonstriert werden, wobei für die Detektion ein tragbarer Potentiostat verwendet wurde, welcher über Bluetooth mit einem Smartphone verbunden war. Hiermit konnten niedrige Ochratoxin A Konzentration von bis zu 1.2 nM (0.5 µg L-1) bestimmt werden. Aufbauend auf dem entwickelten elektrochemischen Detektionssystem für TMB wurde die Anwendbarkeit des Ansatzes auf einen Magnetpartikel-basierten Immunoassay für das Ergotalkaloid Ergometrine, evaluiert. Unter optimierten Bedingungen konnte mit dem Assay eine Nachweisgrenze von 3 nM (1 µg L-1) erreicht werden. In mit Ergometrin versetztem Roggenmehl konnten Konzentrationen von 25 bis 250 µg kg-1 nachgewiesen werden. Die entwickelte elektrochemische Nachweismethode für TMB bietet einen vielversprechenden Ansatz für den Einsatz in vielen anderen Meerrettichperoxidase-basierten Assays. Für das Mykotoxin Fumonisin B1, wurde ein neues sensorisches System entwickelt, welches auf einem enzymatischen elektrochemischen Nachweis basiert. Hierfür wurde eine Aspergillus niger Fumonisin Aminoxidase (AnFAO) rekombinant als Fusionsprotein mit dem Maltose-bindenden Protein exprimiert. AnFAO katalysiert die oxidative Deaminierung von Fumonisinen, wobei H2O2 gebildet wird. Es konnte gezeigt werden, dass AnFAO eine hohe Lagerungs- und Temperaturstabilität hat. Für den Nachweis von Fumonisin B1 wurde das Enzym kovalent an Magnetpartikel gekoppelt. Das enzymatisch produzierte H2O2 konnte anschließend amperometrisch mithilfe von Preußisch Blau/Kohlenstoff-Elektroden in der maßgefertigten Durchflusszelle detektiert werden. Fumonisin B1 konnte bis zu einer Konzentration von 1,5 µM (≈ 1 mg L-1) quantifiziert werden. Das entwickelte System stellt einen neuen Ansatz dar, um Mykotoxine unter Nutzung von Enzymen und elektrochemischen Methoden zu detektieren. KW - Mycotoxins KW - Biosensor KW - Antibodies KW - Electrochemical detection PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607477 DO - https://doi.org/10.25932/publishup-60747 SP - 1 EP - 96 PB - Universität Potsdam CY - Potsdam AN - OPUS4-59189 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Suárez Ocano, Patricia T1 - Thermodynamic and microstructural stabilities at high temperatures and their effects on mechanical properties in an AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory high entropy superalloy N2 - Today’s industrial demands challenge the research and development sector to make advances in the design and properties of materials that can withstand harsh environments. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr refractory high-entropy superalloy (RSA), with a remarkable morphological similarity to the γ/γ' microstructure of Ni-based superalloys and promising high-temperature compressive properties, has been considered as a candidate for structural applications. However, additional properties need to be investigated in order to assess the suitability of this alloy for high temperature applications. Therefore, this work investigates the thermodynamic and microstructural stabilities of the RSA at room temperature and between 900 and 1100 °C, and their influence on the mechanical properties. Although it is possible to improve the mechanical properties at 20 °C by tuning the cooling rate, long-term high temperature exposures lead to phase instabilities that negatively influence the creep behavior. N2 - Die heutigen industriellen Anforderungen erfordern Fortschritte bei Werkstoffdesign und -entwicklung, insbesondere für raue Umgebungen. Die hochentropische Refraktärsuperlegierung (RSA) AlMo0.5NbTa0.5TiZr, die eine bemerkenswerte morphologische Ähnlichkeit mit der γ/γ'-Mikrostruktur von Ni-Basis-Superlegierungen und vielversprechende Hochtemperatur-Druckeigenschaften aufweist, wurde als Kandidat für strukturelle Anwendungen erwägt. Weitere Eigenschaften müssen untersucht werden, um die Eignung dieser Legierung für Hochtemperaturanwendungen zu beurteilen. In dieser Arbeit werden die thermodynamischen und mikrostrukturellen Stabilitäten von RSA bei Raumtemperatur und zwischen 900 und 1100°C sowie deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Obwohl es möglich ist, die mechanischen Eigenschaften bei 20 °C durch Abstimmung der Abkühlrate zu verbessern, führen langfristige Hochtemperaturexpositionen zu Phaseninstabilitäten, die das Kriechverhalten negativ beeinflussen. KW - Hochentropielegierung KW - Gefüge (Werkstoffkunde) KW - Mikrostruktur KW - Kriechen KW - Thermodynamische Stabilität KW - High entropy alloys KW - Microstructure KW - Creep KW - Thermodynamic stability PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:294-108415 DO - https://doi.org/10.13154/294-10841 SP - 1 EP - 170 CY - Bochum AN - OPUS4-59929 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Lecompagnon, Julien T1 - Nondestructive defect characterization using full-frame spatially structured super resolution laser thermography N2 - Laser-based active thermography is a contactless non-destructive testing method to detect material defects by heating the object and measuring its temperature increase with an infrared camera. Systematic deviations from predicted behavior provide insight into the inner structure of the object. However, its resolution in resolving internal structures is limited due to the diffusive nature of heat diffusion. Thermographic super resolution (SR) methods aim to overcome this limitation by combining multiple thermographic measurements and mathematical optimization algorithms to improve the defect reconstruction. Thermographic SR reconstruction methods involve measuring the temperature change in an object under test (OuT) heated with multiple different spatially structured illuminations. Subsequently, these measurements are inputted into a severely ill-posed and heavily regularized inverse problem, producing a sparse map of the OuT’s internal defect structure. Solving this inverse problem relies on limited priors, such as defect-sparsity, and iterative numerical minimization techniques. Previously mostly experimentally limited to one-dimensional regions of interest (ROIs), this thesis aims to extend the method to the reconstruction of two-dimensionalROIs with arbitrary defect distributions while maintaining reasonable experimental complexity. Ultimately, the goal of this thesis is to make the method suitable for a technology transfer to industrial applications by advancing its technology readiness level (TRL). In order to achieve the aforementioned goal, this thesis discusses the numerical expansion of a thermographic SR reconstruction method and introduces two novel algorithms to invert the underlying inverse problem. Furthermore, a forward solution to the inverse problem in terms of the applied SR reconstruction model is set up. In conjunction with an additionally proposed algorithm for the automated determination of a set of (optimal) regularization parameters, both create the possibility to conduct analytical simulations to characterize the influence of the experimental parameters on the achievable reconstruction quality. On the experimental side, the method is upgraded to deal with two-dimensional ROIs, and multiple measurement campaigns are performed to validate the proposed inversion algorithms, forward solution and two exemplary analytical studies. For the experimental implementation of the method, the use of a laser-coupled DLP-projector is introduced, which allows projecting binary pixel patterns that cover the whole ROI, reducing the number of necessary measurements per ROI significantly (up to 20x). Finally, the achieved reconstruction of the internal defect structure of a purpose-made OuT is qualitatively and qualitatively benchmarked against well-established thermographic testing methods based on homogeneous illumination of the ROI. Here, the background-noise-free two-dimensional photothermal SR reconstruction results show to outclass all defect reconstructions by the considered reference methods. N2 - Die laserbasierte aktive thermografische Prüfung als berührungslose Methode der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (NDT) basiert auf der aktiven Erwärmung des Testobjekts (OuT) und Messung des resultierenden Temperaturanstiegs mit einer Infrarotkamera. Dadurch bedingt können systematische Abweichungen vom vorhergesagten Erwärmungsverhalten Aufschluss über dessen innere Struktur geben. Jedoch ist das Auflösungsvermögen für innenliegende Defekte durch die diffusive Natur der Wärmeleitung in Festkörpern begrenzt. Thermografische Super-Resolution (SR)-Methoden zielen darauf ab, diese Limitation durch die Kombination mehrerer Messungen mit jeweils unterschiedlicher strukturierter Erwärmung und mathematischer Optimierungsmethoden zu überwinden. Zur Rekonstruktion innerer Defekte mithilfe thermografischer SR-Rekonstruktionsmethodik wird für die Gesamtheit mehrerer Messungen ein schlecht gestelltes und stark regularisiertes inverses mathematisches Problem gelöst, was in einer dünnbesetzten Karte der internen Defektstruktur des OuTs resultiert. Die Inversion mittels iterativer numerischer Minimierungsverfahren profitiert dabei von einzelnen Annahmen wie der vergleichsweisen Seltenheit von Materialdefekten. Nachdem die Methode bisher experimentell fast ausschließlich auf eindimensionale Messbereiche (ROIs) beschränkt war, zielt diese Arbeit auf eine Erweiterung zur Prüfung zweidimensionaler ROIs mit arbiträren Defektverteilungen bei erträglicher experimenteller Komplexität ab. Ziel ist es, durch die Weiterentwicklung des Technologie-Reifegrades (TRL) den Technologietransfer zur industriellen Anwendung zu ermöglichen. Hierzu werden erst die numerische Erweiterung der SR-Rekonstruktionsmethodik für zweidimensionale ROIs erörtert und zwei neue Algorithmen zur Invertierung des zugrunde liegenden inversen Problems vorgestellt, sowie eine Vorwärtslösung des inversen Problems entwickelt. In Verbindung mit einem neuartigen Algorithmus zur automatisierten Bestimmung der (optimalen) Regularisierungsparameter wird erstmals die Möglichkeit geschaffen, analytische Simulationen zum Einfluss einzelner Parameter auf die erreichbare Rekonstruktionsqualität durchzuführen. Weiterhin wird der experimentelle Ansatz zur Prüfung zweidimensionaler ROIs erweitert. Mehrere Messkampagnen validieren die eingeführten Inversionsalgorithmen, die Vorwärtslösung und zwei exemplarische analytische Studien. Für die experimentelle Umsetzung wird erstmals die Verwendung lasergekoppelter DLP-Technologie für die makroskopische thermografische Prüfung nutzbar gemacht, welche die Projektion großflächiger binärer Pixelmuster ermöglicht. Dadurch kann die Anzahl der erforderlichen Messungen pro ROI ohne Qualitätseinbußen erheblich reduziert werden (bis zu 20x). Abschließend werden die erzielten Rekonstruktionsergebnisse der internen Defektstruktur eines speziell angefertigten OuTs qualitativ und quantitativ mit auf homogener Erwärmung basierenden etablierten Methoden der thermografischen Prüfung verglichen. Hier zeigt sich, dass die weitgehend rauschfreien SR-Rekonstruktionsergebnisse alle Defektrekonstruktionen der betrachteten Referenzmethoden deutlich übertreffen. KW - Nondestructive testing KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Thermography KW - Thermografie KW - Super resolution KW - Structured illumination KW - Strukturierte Beleuchtung KW - Defect characterization KW - Defektcharakterisierung KW - DMD KW - DLP PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-588296 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-19271 SP - 1 EP - 154 PB - Technische Universität Berlin CY - Berlin AN - OPUS4-58829 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Shaheen, Sabahat T1 - Distributed acoustic sensing using geometric phase and its application to seismology N2 - This thesis deals with the development of a novel optical fiber sensing scheme based on geometric phase for sensing strain and its application to seismology. Interference of two coherent frequency offset electromagnetic waves gives rise to a geometric phase in the resulting beat signal. The existence of this phase was recently reported along with requisite conditions for its existence. This thesis proposes to detect and use this geometric phase in the context of distributed and dynamic fiber optic strain sensing, also known as distributed acoustic sensing (DAS). In the first part, I devise a novel DAS hardware setup capable of detecting the geometric phase considering that its measurement methods require the measurement of beam intensities and the beat signal’s envelope. The geometric phase is a function of relative intensity and polarisation state of two interfering beams. Therefore, its measurement is verified by determining its relation on these quantities using a polarisation scrambler and a piezoelectric transducer, inline an optical fiber. It is a fundamental study that has implications in coherent optical communication and novel sensing mechanisms. The second part involves using the geometric phase in DAS for measurement of strain. I attempt to replace the traditionally measured dynamic phase in a DAS setup with the geometric phase. This is made possible by the fact that the geometric and dynamic phases are reportedly coupled over every beat period such that their sum remains constant. However, the spatial resolution for geometric phase is lower as it is measured per beat period. I determine an equivalence for the two phases empirically as well as optimum test parameters such as the required frequency offset between the interfering beams. The advantages offered by the use of geometric phase are demonstrated; geometric phase can be measured even when the two interfering beams have non-identical polarisation states, unlike the traditionally measured dynamic phase. Moreover, it does not require phase unwrapping and is therefore free from unwrapping errors. In the third and final part, the setup, after optimisation, is tested in the field to detect seismic waves travelling on the surface of the Earth in response to a set of blasts carried out at a test-site. The surface waves are used for the characterisation of the structure and material properties of the first tens of meters of the Earth with applications in earthquake monitoring, resource exploration and infrastructure planning. In short, this study is the first of its kind to measure geometric phase in beat signal of light using optical fiber medium and to measure strain with it, for which a novel hardware setup and a novel sensing mechanism is designed and tested in addition to its application in real-world seismology measurements. KW - C-OTDR KW - Distributed fiber optic sensing KW - Distributed vibration sensing KW - Geometric phase measurement PY - 2024 SP - 1 EP - 89 PB - Technische Universität Carolo-Wilhelmina CY - Braunschweig AN - OPUS4-60956 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schrimmer, Peter T1 - Profilverformung und Betriebsverhalten von Keilriemen N2 - Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Profilverformung von Keilriemen bei verschiedenen Beanspruchungen zu untersuchen und die Auswirkungen dieser Profilverformung auf das Betriebsverhalten der Riemen zu erforschen. Die Untersuchungen wurden an Normal- und Schmalkeilriemen handelsüblicher Ausführung, vorwiegend Profil 17 und SPB, durchgeführt. Nur in Ausnahmefällen wurde für Vergleichszwecke zur Charakterisierung eventueller besonderer Verhaltensweisen auf Sonderanfertigungen entsprechender Profilgrößen zurückgegriffen. Sowohl auf theoretischem als auch auf experimentellem Wege wurden zunächst Untersuchungen zur Kennzeichnung des Verformungsverhaltens von Keilriemen bei verschiedenen Beanspruchungszuständen durchgeführt und der Einfluß der Profilverformung auf die Lage des Riemens in der Rille sowie daraus folgend eine Normalspannungsverteilung ermittelt. Als Ergebnis zeigte sich, daß jeder Riemen unabhängig von seinem Aufbau eine lediglich in ihrer Lage vom Riemenaufbau abhängige Breite besitzt, die bei allen Beanspruchungszuständen unverändert bleibt. Diese sog. Wirkbreite ist gewissermaßen die Drehebene bei der im Wesentlichen von der Biegung (Krümmung) abhängigen Profilverformung. Eine rein rechnerische Bestimmung der Lage der Wirkebene ist unter bestimmten Voraussetzungen mit ausreichender Genauigkeit möglich. Gegenstand weiterer intensiver Untersuchungen war das Elastizitätsverhalten der Proben bei allen praktisch vorkommenden Beanspruchungszuständen. Mit Rücksicht auf den inhomogenen Aufbau des Keilriemens aus verschiedenen Werkstoffen wurde u.a. die Querelastizität des Profils durch schichtweises Vermessen bestimmt und diese Ergebnisse mit solchen aus Versuchen am Querschnitt verglichen. Für die Berechnungen wurden z.T. entsprechend abgewandelte Modellvorstellungen aus der Theorie der Berechnung von glasfaserverstärkten Kunststoffen herangezogen. Die Elastizitätsmodulwerte bei Zugbeanspruchung wurden mit Hilfe geeigneter Proben ebenfalls für die einzelnen Aufbauelemente getrennt und auch für den Gesamtriemen berechnet. Damit wurden Angaben über die Anteile der von den Aufbauelementen übernommenen Spannungen an der Gesamtspannung und über das relative Dehnungsverhalten der Werkstoffe möglich. Angaben zur Biegeelastizität wurden im Hinblick auf diesbezügliche Elastizitätsmodulwerte nur auf eine Literaturrecherche beschränkt, jedoch wurden die durch Biegung auf die Scheibenflanken wirkenden Zusatzkräfte mit Hilfe einer eigens hierfür geschaffenen Vorrichtung ermittelt. Umfangreiche Untersuchungen sowohl theoretischer als auch experimenteller Art waren dem Verhalten des elastischen Umschlingungsmittels in der Keilrille gewidmet. Dabei wurde auf der linearen Zugkraft-Einwanderungstheorie nach 0. LUTZ und den Erweiterungen von K.D. SCHLUMS aufbauend eine modifizierte, nichtlineare Einwanderungstheorie gefunden. Die Nichtlinearität zwischen Zugkraft und Einwanderung wurde auch in der inzwischen erschienenen Habilitation von SCHLUMS bestätigt. Beide nichtlinearen Ansätze unterscheiden sich prinzipiell voneinander. In einer Diskussion wird dargelegt, daß beide Ansätze jedoch ähnliche Aussagen ermöglichen. Ferner werden die von der Theorie nicht oder nur unvollständig erfaßten Einflußgrößen, wie Längsdehnung und Winkelverformung, erörtert. Die Ermittlung der Keilriemenlänge wurde lediglich im Hinblick auf ihre Bedeutung beim Zusammenstellen von Riemensätzen für Mehrstrangantriebe behandelt. Schließlich mußten Leistungs- und Lebensdauerversuche zeigen, welche Auswirkungen Profilverformungen auf diese beiden, das Betriebsverhalten kennzeichnenden, Größen haben werden. Dabei ergaben sich infolge unterschiedlicher Keilwinkel von Riemen und Rille eindeutige Einbußen in der übertragbaren Leistung. Die wegen der gleichen Ursachen vermutete Verminderung der Lebensdauer trat nicht in dem erwarteten Umfang auf. Die Abweichungen in den geometrischen Maßen bewirkten vornehmlich eine Vergrößerung des Streubereiches und verschlechterten damit die Aussagesicherheit. In Bezug auf das Verhalten von Mehrstrangantrieben wurde versucht, eine Abschätzung der Auswirkung geometrischer Riemen- und Scheibenfehler sowie elastischer Unvollkommenheiten der Riemen auf Leistungsübertragung und Lebensdauer vorzunehmen. Im Gegensatz zu den sehr umfangreichen Versuchen mit Einstrangantrieben mußten Versuche hier mit Rücksicht auf die mengen- und leistungsmäßig begrenzte Maschinenkapazität auf Stichproben beschränkt bleiben. KW - Profilverformung KW - Betriebsverhalten KW - Keilriemen PY - 1971 SP - 1 EP - 225 PB - Technische Universität Carolo Wilhelmina CY - Braunschweig AN - OPUS4-56937 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Daschewski, Maxim T1 - Thermophony in real gases - Theory and applications N2 - A thermophone is an electrical device for sound generation. The advantages of thermophones over conventional sound transducers such as electromagnetic, electrostatic or piezoelectric transducers are their operational principle which does not require any moving parts, their resonance-free behavior, their simple construction and their low production costs. In this PhD thesis, a novel theoretical model of thermophonic sound generation in real gases has been developed. The model is experimentally validated in a frequency range from 2 kHz to 1 MHz by testing more than fifty thermophones of different materials, including Carbon nano-wires, Titanium, Indium-Tin-Oxide, different sizes and shapes for sound generation in gases such as air, argon, helium, oxygen, nitrogen and sulfur hexafluoride. Unlike previous approaches, the presented model can be applied to different kinds of thermophones and various gases, taking into account the thermodynamic properties of thermophone materials and of adjacent gases, degrees of freedom and the volume occupied by the gas atoms and molecules, as well as sound attenuation effects, the shape and size of the thermophone surface and the reduction of the generated acoustic power due to photonic emission. As a result, the model features better prediction accuracy than the existing models by a factor up to 100. Moreover, the new model explains previous experimental findings on thermophones which cannot be explained with the existing models. The acoustic properties of the thermophones have been tested in several gases using unique, highly precise experimental setups comprising a Laser-Doppler-Vibrometer combined with a thin polyethylene film which acts as a broadband and resonance-free sound-pressure detector. Several outstanding properties of the thermophones have been demonstrated for the first time, including the ability to generate arbitrarily shaped acoustic signals, a greater acoustic efficiency compared to conventional piezoelectric and electrostatic airborne ultrasound transducers, and applicability as powerful and tunable sound sources with a bandwidth up to the megahertz range and beyond. Additionally, new applications of thermophones such as the study of physical properties of gases, the thermo-acoustic gas spectroscopy, broad-band characterization of transfer functions of sound and ultrasound detection systems, and applications in non-destructive materials testing are discussed and experimentally demonstrated. N2 - Ein Thermophon ist ein elektrisches Gerät zur Schallerzeugung. Aufgrund der fehlenden beweglichen Teile verfügen Thermophone über mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen elektromagnetischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Schallwandlern. Besonders bemerkenswert sind das resonanz- und nachschwingungsfreie Verhalten, die einfache Konstruktion und die niedrigen Herstellungskosten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiges theoretisches Modell der thermophonischen Schallerzeugung in Gasen entwickelt und experimentell verifiziert. Zur Validierung des Modells wurden mehr als fünfzig Thermophone unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien, darunter Kohlenstoff-Nanodrähte, Titan und Indium-Zinnoxid zur Erzeugung von Schall in Gasen wie Luft, Argon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefelhexafluorid in einem Frequenzbereich von 2 kHz bis 1 MHz eingesetzt. Das präsentierte Modell unterscheidet sich von den bisherigen Ansätzen durch seine hohe Flexibilität, wobei die thermodynamischen Eigenschaften des Thermophons und des umgebenden Gases, die Freiheitsgrade und das Eigenvolumen der Gasatome und Moleküle, die Schallschwächungseffekte, die Form und Größe des Thermophons, sowie die Verringerung der erzeugten akustischen Leistung aufgrund der Photonenemission berücksichtigt werden. Infolgedessen zeigt das entwickelte Modell eine um bis zu einem Faktor 100 höhere Vorhersagegenauigkeit als die bisher veröffentlichten Modelle. Das präsentierte Modell liefert darüber hinaus eine Erklärung zu den Ergebnissen aus den Vorarbeiten, die von den bisherigen Modellen nicht abschließend geklärt werden konnten. Die akustische Eigenschaften der Thermophone wurden unter Verwendung von einzigartigen hochpräzisen Versuchsaufbauten getestet. Dafür wurde ein Laser-Doppler-Vibrometer in Kombination mit einer dünnen Polyethylenfolie verwendet, welche als breitbrandiger und resonanzfreier Schalldruckdetektor fungiert. Somit konnten mehrere herausragende akustische Eigenschaften der Thermophone zum ersten Mal demonstriert werden, einschließlich der Möglichkeit, beliebig geformte akustische Signale zu erzeugen, eine größere akustische Wirksamkeit im Vergleich zu herkömmlichen Luftultraschallwandlern und die Anwendbarkeit als leistungsfähige beliebig abstimmbare Schallquellen mit einer Bandbreite bis in den Megahertz-Bereich. Zusätzlich werden neue Anwendungen von Thermophonen wie die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Gasen, die thermoakustische Gasspektroskopie, eine breitbandige Charakterisierung der Übertragungsfunktionen von Schall- und Ultraschallmesssystemen und Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung demonstriert. KW - Acoustic actuator KW - Thermoacoustics KW - Sound source PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866 SP - 1 EP - 85 PB - Universität Potsdam CY - Potsdam AN - OPUS4-38344 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Fischer, Daniel T1 - Charakterisierung von dotierten Zinnoxidschichten für die Detektion von Gasen durch ellipsometrische Messung der Oberflächenplasmonenresonanz N2 - In der vorliegenden Dissertation wird die Verbesserung von Gassensoren durch Beschichtung mit dotierten Zinnoxidschichten untersucht, wobei zur Messung der Gase die Methode der oberflächenplasmonenresonanzverstärkten Ellipsometrie (SPREE) angewendet wurde. Die vorgestellten Ergebnisse unterteilen sich dabei in drei Schritte: Herstellung der Schichtsysteme, Analyse der chemischen, strukturellen und optischen Eigenschaften, sowie die Anwendung in der SPREE Gasmessung. Die dotierten Zinnoxidschichten wurden erfolgreich mittels Hochfrequenz-Magnetronsputtern hergestellt, indem das Zinnoxidtarget mit dem metallischen Dotierungsmaterial (Eisen bzw. Nickel) modifiziert wurde. Die chemische Analyse der Schichten wurde mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) und Röntgenfluoreszenz unter streifendem Einfall (GI-XRF) durchgeführt. Die EDX Untersuchungen zeigten qualitativ, dass das Dotierungsmaterial in die Schicht eingebaut wurde. Mithilfe der TOF-SIMS Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die Dotierungskonzentration innerhalb der Schicht heterogen verteilt ist und mithilfe der GI-XRF Messung konnte der Dotierungsgrad quantitativ mit ca. 10% bestimmt werden. Für die strukturelle Untersuchung wurden die Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ausgewählt. Die AFM Messungen zeigten, dass die Schichten eine mittlere quadratische Rauheit kleiner als 1 nm aufweisen und die Rauheit damit nicht als Faktor in der Gasmessung berücksichtigt werden muss. In den TEM Messungen wurde der Schichtaufbau bestätigt und gezeigt, dass in den dotierten Schichten nanokristalline Strukturen vorliegen. Die optische Charakterisierung der Schichten wurde mit spektraler Ellipsometrie (SE) durchgeführt, um die dielektrische Funktion in Abhängigkeit der Dotierung zu untersuchen. Dafür wurden Modelle für die dielektrische Funktion auf der Basis von mehreren Gauss-Funktionen entwickelt. Es zeigte sich, dass die undotierten Schichten sich wie typische Dielektrika mit Bandkanten >4 eV verhält und mit drei Gauss-Funktionen simuliert werden kann. Für die dotierten Schichten verschiebt sich die Bandkante, in Abhängigkeit vom Grad der Dotierung und dem Oxidationsgrad, zu bis zu 2.1 eV. Außerdem muss das Modell um eine zusätzliche Gauss-Funktion im nahen Infrarot erweitert werden, die auf die Anwesenheit von metallischen Nanopartikeln zurückzuführen ist. Weiterhin zeigte sich, dass die dielektrischen Eigenschaften von der Dicke der Schicht abhängen. Die Benutzung der Zusatzschichten in der SPREE Gasmessung zeigte, dass diese Schichten die Sensoroberfläche effektiv vor Degradation schützt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Sensitivität der jeweiligen Sensorschicht für bestimmte Gase von der Dotierung der Schicht abhängt. Es wurde gezeigt, dass eine Eisendotierung zu einer erhöhten Sensitivität für Kohlenmonoxid führt, während undotierte Schichten vor allem unpolare Alkane bevorzugen. Die Nickel-dotierten Schichten zeigten im Vergleich zur Eisendotierung deutlich schlechtere Ergebnisse für alle Gase. Diese Effekte wurden auf die unterschiedliche Bindungsstärke der Gase an die metallischen Nanopartikel und das Vorhandensein einer unterschiedlichen Zahl an Adsorptionsplätzen zurückgeführt. Für Wasserstoff wurden für alle Proben vergleichbare Ergebnisse gefunden, was darauf zurückzuführen ist, dass diese Moleküle aufgrund der geringen Größe und Masse in die Schicht diffundieren. Zusätzlich wurde das SPREE Verfahren signifikant verbessert, indem die Druckabhängigkeit Sensoren erstmals erfasst wurde. Weiterhin wurde die Auswertung weiterentwickelt, indem nur einzelne Parameter des Stokes-Vektors für die Gasmessung benutzt wurden. KW - Oberflächenplasmonen KW - Ellipsometrie KW - Transparente Halbleiter KW - Dotiertes Zinnoxid KW - Gasmessung PY - 2017 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-435039 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-5969 SP - 1 EP - 154 PB - Technische Universität CY - Berlin AN - OPUS4-43503 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Heideklang, René T1 - Data fusion for multi-sensor nondestructive detection of surface cracks in ferromagnetic materials N2 - Fatigue cracking is a dangerous and cost-intensive phenomenon that requires early detection. But at high test sensitivity, the abundance of false indications limits the reliability of conventional materials testing. This thesis exploits the diversity of physical principles that different nondestructive surface inspection methods offer, by applying data fusion techniques to increase the reliability of defect detection. The first main contribution are novel approaches for the fusion of NDT images. These surface scans are obtained from state-of-the-art inspection procedures in Eddy Current Testing, Thermal Testing and Magnetic Flux Leakage Testing. The implemented image fusion strategy demonstrates that simple algebraic fusion rules are sufficient for high performance, given adequate signal normalization. Data fusion reduces the rate of false positives is reduced by a factor of six over the best individual sensor at a 10 μm deep groove. Moreover, the utility of state-of-the-art image representations, like the Shearlet domain, are explored. However, the theoretical advantages of such directional transforms are not attained in practice with the given data. Nevertheless, the benefit of fusion over single-sensor inspection is confirmed a second time. Furthermore, this work proposes novel techniques for fusion at a high level of signal abstraction. A kernel-based approach is introduced to integrate spatially scattered detection hypotheses. This method explicitly deals with registration errors that are unavoidable in practice. Surface discontinuities as shallow as 30 μm are reliably found by fusion, whereas the best individual sensor requires depths of 40–50 μm for successful detection. The experiment is replicated on a similar second test specimen. Practical guidelines are given at the end of the thesis, and the need for a data sharing initiative is stressed to promote future research on this topic. KW - Data fusion KW - Non destructive testing KW - Multi-sensor KW - Surface cracks PY - 2018 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-471339 DO - https://doi.org/10.18452/19586 SP - 1 EP - 157 CY - Berlin AN - OPUS4-47133 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Chaves Spoglianti de Souza, Roberto T1 - Sensitivity Analyses of Probabilistic Thermo-Mechanical Fire Safety Assessment of Tunnel Linings N2 - Fire safety structural analyses contain uncertainties related to the mechanical aspects, such as compressive strength and tensile strength, and the thermal aspects, such as conductivity, specific heat and fire loads. The uncertainties related to the mechanical aspects are explicitly considered by the applicable standards. However, the uncertainties related to the conductivity and specific heat are implicitly considered by the standards, while the uncertainties related to the fire loads are only considered in the German National Annex of the Eurocode 1991-1-2. Nevertheless, considering the severe nature of tunnel fires, these uncertainties must be incorporated into the design. The complexity of the stresses in a tunnel lining in fire can be determined by a probabilistic thermo-mechanical analysis as proposed in the methodology presented in this work. The methodology presented here to investigate the influence of thermal parameters on the fire safety of concrete structures in tunnels is based on the thermo-mechanical finite element analysis. The methodology includes the design of experiments executed by a Correlation Latin Hypercube Sampling. This work includes three case studies to illustrate the use of the proposed methodology. The second and the third studies contain reliability analyses to evaluate the probabilities of failure. The first case study uses an analytical thermo-mechanical analysis based on the 500 °C isotherm method. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and the temperatures described by the standard temperature-time curve. The results demonstrate the importance of incorporating the characteristic values of conductivity and specific heat in the semi-probabilistic structural fire design. The probability of failure is Pf = 3.1 × 10−3. The second case study is a probabilistic thermo-mechanical analysis of tunnels using the standard temperature-time curve. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and temperature. The probability of failure is Pf = 0.06. The third case study is a probabilistic thermo-mechanical analysis of the tunnel using natural fire calculated with CFast. It considers the uncertainties related to the thermal and mechanical properties of the concrete, the soil load, and the fire load. The probability of failure is Pf = 0.08. Although the natural fire in the third study results in higher temperatures than the standard fire in the second study, the difference between the failure probabilities of both case studies is smaller than expected. The reason for the small difference is probably that the effects due to the higher temperatures are compensated by the decay phase of the natural fire. The reliability assessments of both the second and the third case study show that the investigated structures do not meet the reliability requirements derived from the EN 1990 standard. Therefore, the structures would either need to be redesigned or more protective methods would need to be provided, such as the thermal boards or sprinklers. The conductivity, specific heat, and fire load are the parameters that correlate to the results the most. For the tunnel structural fire design, the following safety factors are recommended based on this work: γfi = 1.76 for the conductivity, γfi = 0.31 for the specific heat, and γfi = 1.8 for the fire load. Given the range of results of the fire safety analyses, the inclusion of the uncertainties is demonstrated to be necessary. The choice of failure criterion has a significant influence on the probability of failure and is, therefore, a critical step in the safety analysis. For the tunnel fire, the model must be improved to accurately account for the fast heating rate and the cooling phase of tunnel fires. KW - Tunnel Fires KW - Uncertainties of Structural Fire Safety KW - Tunnel Linings KW - Fire Safety Assessment PY - 2021 SP - 1 EP - 186 PB - Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig CY - Braunschweig AN - OPUS4-62967 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Klewe, Tim T1 - Non-destructive classification of moisture deterioration in layered building floors using ground penetrating radar N2 - In the event of moisture deterioration, rapid detection and localization is particularly important to prevent further deterioration and costs. For building floors, the layered structure poses a challenging obstacle for most moisture measurement methods. But especially here, layer-specific information on the depth of the water is crucial for efficient and effective repairs. Ground Penetrating Radar (GPR) shows the potential to generate such depth information. Therefore, the present work investigates the suitability of GPR in combination with machine learning methods for the automated classification of the typical deterioration cases (i) dry, (ii) wet insulation, and (iii) wet screed. First, a literature review was conducted to identify the most common methods for detecting moisture in building materials using GPR. Here, it especially became clear that all publications only investigated individual time-, amplitude- or frequency features separately, without combining them. This was seen as a potential aspect for innovation, as the multivariate application of several signal features can help to overcome individual weaknesses and limitations. Preliminary investigations carried out on drying screed samples confirmed the profitable use of multivariate evaluations. In addition to the general suitability and dependencies of various features, first limitations due to possible interference between the direct wave and the reflection wave could be identified. This is particularly evident with thin or dry materials, for which the two-way travel times of the reflected radar signals become shorter. An extensive laboratory experiment was carried out, for which a modular test specimen was designed to enable the variation of the material type and thickness of screed and insulation, as well as the simulation of moisture deteriorations. The data collected revealed clear differences between dry and deteriored structures within measured B-scans. These deviations were to be detected with the newly introduced B-scan features, which evaluate the statistical deviation of A-scan features within a survey line. In this way, deteriorations to unknown floor structures are recognized, regardless of the material parameters present. In a subsequent training and cross-validation process of different classifiers, accuracies of over 88 \% of the 504 recorded measurements (252 different experimental setups) were achieved. For that, the combination of amplitude and frequency features, which covered all relevant reflections of the radar signals, was particularly beneficial. Furthermore, the data set showed only small differences between dry floors and deteriored screeds for the B-scan features, which could be attributed to a homogeneous distribution of the added water in the screeds. The successfully separation of these similar feature distributions raised the suspicion of overfitting, which was examined in more detail by means of a validation with on-site data. For this purpose, investigations were carried out at five different locations in Germany, using the identical measurement method like in the laboratory. By extracting drilling cores, it was possible to determine the deterioration case for each measurement point and thus generate a corresponding reference. However, numerous data had to be sorted out before classification, since disturbances due to underfloor heating, screed reinforcements, steel beams or missing insulation prevented comparability with the laboratory experiments. Validation of the remaining data (72 B-scans) achieved only low accuracy with 53 \% correctly classified deterioration cases. Here, the previously suspected overfitting of the small decision boundary between dry setups and deteriored screeds within the laboratory proved to be a problem. The generally larger deviations within (also dry) on-site B-scans were thus frequently misclassified as screed deterioration. In addition, there were sometimes strongly varying layer thicknesses or changing cases of deterioration within a survey line, which caused additional errors due to the local limitation of the drilling core reference. Nevertheless, individual on-site examples also showed the promising potential of the applied signal features and the GPR method in general, which partly allowed a profound interpretation of the measurements. However, this interpretation still requires the experience of trained personnel and could not be automated using machine learning with the available database. Nevertheless, such experience and knowledge can be enriched by the findings of this work, which provide the basis for further research. Future work should aim at building an open GPR data base of on-site moisture measurements on floors to provide a meaningful basis for applying machine learning. Here, referencing is a crucial point, whose limitations with respect to the moisture present and its distribution can easily reduce the potential of such efforts. The combination of several reference methods might help to overcome such limitations. Similarly, a focus on monitoring approaches can also help to reduce numerous unknown variables in moisture measurements and increase confidence in the detection of different deterioration cases. KW - NDT KW - Moisture measurement KW - Ground penetrating radar KW - Building floor PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-591044 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-19306 SP - 1 EP - 146 PB - Technische Universität Berlin CY - Berlin AN - OPUS4-59104 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Hille, Falk T1 - Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen N2 - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren. Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet. Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist. N2 - The present work describes the adaptation of a global, vibration-based procedure for an early detection of structural damage to foundation-structures of offshore wind turbines (OWT). It is intended to enable operators of offshore wind farms to reliably detect structural damage by periodic measurement with a once installed monitoring System. The analyzed and implemented procedure is based on the method of stochastic subspace- based damage detection. This involves a Statistical analysis of the of the periodically measured dynamic response behavior of the mechanical System. By means of a Statistical test, significant change in its eigenstructure and thus damage is detected. Within the present work extensive experimental as well as numerical investigations on the sensitivity and robustness of the described damage indicator were conducted. For this purpose, fundamental analyzes of the effects of signal- and process-inherent Parameters on the detection results has been performed at a laboratory model structure by means of artificially and reversibly applied damage. Based on these results, the response behavior of OWT structures was then simulated numerically and the developed algorithm for damage detection was finally applied to the thus achieved data sets. Based on the results of the work it is shown that, assuming the wind turbine Stands in parking position, a detection of already small damage at foundation structures is reliably possible with the described method, even using only a limited number of sensors. KW - Offshore-Windenergieanlagen KW - Structural Health Monitoring KW - Schwingungsbasierte Verfahren KW - Schadensdetektion KW - Unterraummethoden PY - 2018 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-470040 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-7567 SP - 1 EP - 219 PB - Technische Universität CY - Berlin AN - OPUS4-47004 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Reichelt, Manuel T1 - Untersuchungen zu ungeschmiertem Schwingungsverschleiß an 100Cr6-Kugeln gegen 100Cr6-Ebenen N2 - Die vorliegende Doktorarbeit handelt von der Bestimmung und der Untersuchung vom Verschleißvolumen und vom Verschleißkoeffizienten bei ungeschmierten Modellversuchen an 100Cr6-Ebenen und -Kugeln unter Schwingungsbeanspruchung. Die experimentelle Arbeit wurde mittels statistischer Auswertung einer großen Menge von eigenen und früheren Versuchsdaten an fünf Tribometern bei umfangreicher Variation der Beanspruchungsparameter durchgeführt. Ziel war es, die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse zu überprüfen sowie das Archard-Gesetz zu verifizieren. Des Weiteren wurde der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Verschleiß untersucht. KW - Verschleißkoeffizient KW - 100Cr6-Stahl KW - Gesetz von Archard KW - Verschleiß-Map KW - relative Luftfeuchtigkeit PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-522664 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-10423 SP - 1 EP - 118 PB - Technische Universität Berlin CY - Berlin AN - OPUS4-52266 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -