TY - THES A1 - Bachmann, Marcel T1 - Numerische Modellierung einer elektromagnetischen Schmelzbadkontrolle beim Laserstrahlschweißen von nicht-ferromagnetischen Werkstoffen N2 - Die Verfügbarkeit von Laserstrahlquellen mit immer höheren Leistungsparametern ermöglicht ein effektives und schnelles Schweißen von stetig größer werdenden Blechdicken. Dabei treten Herausforderungen bezüglich der Prozessstabilität, z.B. ein Austropfen von Schmelze bei Durchschweißungen sowie die Beherrschung der Dynamik, insbesondere an den freien Oberflächen, die stark von Oberflächenspannungseffekten beeinflusst wird, in den Vordergrund. Die vorliegende Arbeit liefert einen primär numerischen Beitrag zur Anwendung oszillierender sowie zeitlich invarianter magnetischer Felder beim Hochleistungs-Laserstrahlschweißen von nicht-magnetischen Bauteilen hoher Blechdicke. Für die simulativen Untersuchungen wurden die Materialien Aluminium sowie austenitischer Stahl AISI 304 herangezogen und mit Querschliffen von exemplarisch durchgeführten Schweißungen an der Legierung AlMg3 bzw. AISI 304 verglichen. Die Simulationen wurden mit dem kommerziellen Finite- Elemente-Paket COMSOL Multiphysics durchgeführt. In diesem Rahmen wurden Strömungs- und Temperaturfelder sowie die Verteilungen der elektromagnetischen Feldgrößen berechnet. Die Bewertung der elektromagnetischen Beeinflussung des Schmelzbades erfolgte für die Anwendung oszillierender Magnetfelder zur Vermeidung des Schmelzaustropfens anhand der Druckverteilungen an unterer und oberer Schmelzbadoberflächen. Der Grad der Strömungsdämpfung durch elektromagnetische Kräfte wurde durch dimensionslose Kennzahlen unter Berücksichtigung des turbulenten Strömungszustandes bewertet. Es konnte im Rahmen der Arbeit gezeigt werden, dass durch den im Schmelzbad wirkenden vertikalen Anteil der Lorentzkraft, basierend auf einem oszillierenden magnetischen Feld unterhalb der Schweißzone und den im Werkstück induzierten elektrischen Wirbelströmen, ein Austropfen von verflüssigtem Material verhindert und somit ein sicherer Schweißprozess ermöglicht werden kann. Die hierfür benötigten elektromagnetischen Leistungen liegen für 20 mm dickes Aluminium und seinen Legierungen im Bereich mehrerer hundert Watt. Numerische Untersuchungen zur Strömungsdämpfung mittels permanentmagnetischer Felder zeigen die Möglichkeit auf, die Strömungsgeschwindigkeit und die lokale Turbulenzverteilung effektiv zu reduzieren. Dabei spielt die Polarität des quer zur Strömungsrichtung angelegten magnetischen Feldes keine Rolle für die resultierenden Kräfte. Die rechnerisch ermittelte Veränderung der Nahtform hin zu einem V-förmigen Profil konnte experimentell bestätigt werden. Die dazu notwendigen magnetischen Flussdichten für den Laborversuch liegen im Bereich kommerziell erhältlicher Neodym- Eisen-Bor Magnete bei etwa 500 mT. N2 - The availability of high power laser beam sources enables an effective and fast welding process of ever thicker metal parts. At the same time, challenges concerning the process stability appear, e.g. a drop-out of molten material in full-penetration welding as well as the control of the dynamics, especially in the vicinity of the free surfaces of the weld bead where surface tension effects dominate. The present work provides a primary numerical contribution to the application of oscillating as well as time-invariant magnetic fields to the high power laser beam welding of non-ferromagnetic metal parts of high thickness. For the simulations, the materials under investigation were aluminum and austenitic stainless steel AISI 304. The numerical results were compared to macrographs of exemplary test welds of the alloys AlMg3 and AISI 304. The simulations were conducted with the commercial finite element package COMSOL Multiphysics. In the framework of the investigations, calculations were done for the fluid flow and temperature as well as for the electromagnetic field quantities. The evaluation of the electromagnetic weld pool control for the application of oscillating magnetic fields to avoid liquid metal drop-out was carried out on the basis of pressure distribution analysis between the lower and upper weld pool surfaces. The degree of magnetic damping by Lorentz forces was calculated by dimensionless numbers also accounting for the turbulent state of the fluid flow. In this work, it could be shown, that the vertical part of the Lorentz forces, that are based on an oscillating magnetic field below the process zone and its induced eddy currents in the workpiece, prevents the liquid metal from drop-out. Thereby, a reliable welding process was made possible. The electromagnetic power used for the welding of a 20 mm thick aluminum alloy with electromagnetic support lies in the range of several hundreds Watt. Numerical investigations concerning the flow damping by permanent magnetic fields show the possibility to reduce the local flow velocity as well as the turbulence distribution effectively. The polarity of the applied magnetic field, which is aligned in horizontal direction and vertical to the welding direction, is indecisive for the direction of the developing Lorentz forces. The numerically predicted transition of the cross-sectional weld bead geometry to a V-shaped profile could also be proved experimentally. The required magnetic flux density for that was in the range of commercially available neodymium iron boron magnets of around 500 mT. T3 - BAM Dissertationsreihe - 113 KW - Schmelzbadstütze KW - Laserstrahlschweißen KW - Marangoni-Effekt KW - Hartmann-Effekt KW - numerische Simulation PY - 2014 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-459 SN - 978-3-9815944-9-2 SN - 1613-4249 VL - 113 SP - 1 EP - 189 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-45 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kolkoori, Sanjeevareddy T1 - Quantitative Evaluation of Ultrasonic Wave Propagation in Inhomogeneous Anisotropic Austenitic Welds using 3D Ray Tracing Method: Numerical and Experimental Validation N2 - Austenitic welds and dissimilar welds are extensively used in primary circuit pipes and pressure vessels in nuclear power plants, chemical industries and fossil fuelled power plants because of their high fracture toughness, resistance to corrosion and creep at elevated temperatures. However, cracks may initiate in these weld materials during fabrication process or stress operations in service. Thus, it is very important to evaluate the structural integrity of these materials using highly reliable non- destructive testing (NDT) methods. Ultrasonic non-destructive inspection of austenitic welds and dissimilar weld components is complicated because of anisotropic columnar grain structure leading to beam splitting and beam deflection. Simulation tools play an important role in developing advanced reliable ultrasonic testing (UT) techniques and optimizing experimental parameters for inspection of austenitic welds and dissimilar weld components. The main aim of the thesis is to develop a 3D ray tracing model for quantitative evaluation of ultrasonic wave propagation in an inhomogeneous anisotropic austeniticweld material. Inhomogenity in the anisotropic weld material is represented by discretizing into several homogeneous layers. According to ray tracing model, ultrasonic ray paths are traced during its energy propagation through various discretized layers of the material and at each interface the problem of reflection and transmission is solved. The influence of anisotropy on ultrasonic reflection and transmission behaviour in an anisotropic austenitic weld material are quantitatively analyzed in three dimensions. Theultrasonic beam directivity in columnar grained austenitic steel material is determined three dimensionally using Lamb’s reciprocity theorem. The developed ray tracing model evaluates the transducer excited ultrasonic fields accurately by taking into account the directivity of the transducer, divergence of the ray bundle, density of rays and phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing model is able to determine the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as finite dimension array transducers. T3 - BAM Dissertationsreihe - 112 KW - Nondestructive Testing KW - Inhomogeneous Materials KW - Austenitic Weld KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - 3D Ray Tracing Verfahren KW - Ultraschallfeld KW - austenitische Schweißnaht KW - inhomogene Materialien KW - 3D Ray Tracing Method KW - Ultrasonic Field PY - 2014 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-469 SN - 978-3-9815944-6-1 SN - 1613-4249 VL - 112 SP - 1 EP - 272 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-46 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schempp, Philipp T1 - Grain refinement in aluminium GTA welds N2 - Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement. T3 - BAM Dissertationsreihe - 111 KW - Aluminium KW - Kornfeinung KW - WIG-Schweißen PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-477 SN - 978-3-9815944-4-7 SN - 1613-4249 VL - 111 SP - 1 EP - 121 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-47 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Grasse, Fabian T1 - Beitrag zur Untersuchung des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Rotorblättern für Windenergieanlagen im verkleinerten Maßstab N2 - Die größten Rotorblätter von Windenergieanlagen erreichen heutzutage Längen von über 75 m. Die Durchführung von Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an Rotorblättern im Original-Maßstab ist aufwendig hinsichtlich der Größe der Bauteile und der komplexen Lastsituation. Für die Zulassung werden in der Regel nur statische Sicherheitsnachweise gefordert, dynamische Untersuchungen am Gesamtbauteil sind hingegen nicht erforderlich. Aus diesem Grund wurde ein Stellvertreter-Prüfstand zur Untersuchung von Rotorblättern im verkleinerten Maßstab entwickelt. Darüber hinaus erfolgte durch systematische Dauerschwingversuche die Validierung und Bewertung eines Condition Monitoring Systems. Für die Berechnung eines Versuchsrotorblattes werden die äußeren auf das Blatt wirkenden Lasten unter Berücksichtigung des Eigengewichts und der aerodynamischen Umströmung analysiert. Die Ergebnisse belegen eine dominierende Belastung in Schlaglast-Richtung und eine deutlich geringere Belastung in Schwenklast-Richtung. Auf den Lastannahmen basierend erfolgt die Bestimmung des inneren Spannungs- und Verzerrungszustandes für die einzelnen Strukturbauteile, wobei als Grundlage die Geometriedaten, die Materialdaten und der Laminataufbau des Originalrotorblattes herangezogen werden. Für den Aufbau des Versuchsrotorblattes kommen ausschließlich Original-Halbzeuge zum Einsatz. Die durch den Prüfstand in das Versuchsrotorblatt eingeleiteten Lasten werden derart dimensioniert, dass sich der erforderliche Spannungs- und Verzerrungszustand im Laminat einstellt. Der innere Aufbau des Versuchsrotorblattes mit zwei Stegen und vier Gurten entspricht dem des Originalrotorblattes. Die Lasteinleitung in das Versuchsrotorblatt erfolgt simultan und unabhängig für die Schlaglast- und Schwenklast-Richtung. Der Biegegemomentenverlauf des Originalrotorblattes wird bei Einleitung von jeweils drei Einzellasten pro Lastrichtung in Kombination mit der Erzeugung eines freien Momentes zur Erzeugung eines Sprungs im Querkraftverlauf sehr gut nachgebildet. Für die Realisierung eines Condition Monitoring Systems werden FBG-Sensoren verwendet, da sowohl die Möglichkeit zur Strukturintegration mit nur minimal-invasiven Störstellen als auch eine einfache Verlegung mit einer Vielzahl an FBG-Sensoren in einer einzelnen Sensorfaser gegeben ist. Die im Vergleich zu FBG-Patches durchgeführten Dauerfestigkeits-untersuchungen belegen für die strukturintegrierten Sensoren eine signifikant höhere Lebensdauer. Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen werden sowohl als Einstufenversuche bei Nennlast und 50a- Böenlast als auch in Lastkollektivanregung bei unabhängiger Regelung der Schlag- und Schwenklast durchgeführt. Zusätzlich erfolgt mehrfach eine Modalanalyse bei frei aufgehängtem Versuchsrotorblatt in verschiedenen Stadien des Versuchsprogramms. Da bei Einstufenbelastung mit 50a-Böenlast auf natürliche Weise keine sichtbaren Schäden entstanden sind, werden künstliche Bauteilschäden in Form eines Längsrisses an der Blatthinterkante und eines Querrisses zwischen den lasttragenden Gurten eingebracht. Diese Schäden verursachen bei 50a-Böenlast lokale Dehnungsüberhöhungen, die mit dem gewählten Condition Monitoring System gut detektierbar sind. Die lokal begrenzte Dehnungszunahme korreliert sehr gut mit den Ergebnissen der FEM-Berechnungen des Versuchsrotorblattes. Der Vergleich der berechneten und gemessenen Eigenfrequenzen weist eine hohe Übereinstimmung auf. Bei der Eigenfrequenzanalyse macht sich die Verringerung der Steifigkeit aufgrund des Querrisses in der Blattschale durch eine signifikante Verringerung der Eigenfrequenzen bemerkbar. Für einen Vergleich der numerisch berechneten und mittels Geophonen gemessenen Eigenformen wird das MAC-Kriterium herangezogen, welches für die ersten Eigenformen sowohl des ungeschädigten als auch des geschädigten Versuchsrotorblattes sehr gute Übereinstimmungen belegt. N2 - Today's largest class wind turbine rotor blades reach a length of more than 75 m. Testing fatigue strengths on full scale parts is diffcult due to the dimensions of the parts and due to the complex load situations. For certification, only a quasi static strength test to a certain load limit or to the final failure is required. The in-service strength is only accounted by calculations. For this reason, a test rig for conducting load tests on rotor blades with reduced dimensions was developed. Systematic fatigue tests for the validation and evaluation of a condition monitoring system were performed additionally. The loads for the test rotor blade are calculated based on manufacturer's data considering the tare mass of the blade and aerodynamic flow around the blade tip. The results indicate a dominant strain in flatwise load direction and a significantly lower strain level in edgewise load direction. The determination of the inner stress and strain conditions for each structural component is based on the design loads considering the geometry, material data and the Laminate structure of the original rotor blade. The inner structure is designed according to the original blade with a reduced number of layers using the original semi finished materials. The induced loads are dimensioned to realise the required inner stress and strain conditions in the laminate of the test rotor blade. The internal structure consisting of two webs and four straps corresponds to the original rotor blade. The test rig allows inducing flatwise and edgewise loads simultaneously and forced vibrations independently in two axis on the test rotor blade. The bending moment of the original rotor blade is reproduced suffciently with three discrete Forces in each flatwise and edgewise direction in combination with a free moment to create a jump in the shear force curve. FBG sensors are appropriate to realise a condition monitoring system due to the minimally invasive application and the simple installation with a variety of FBG sensors in a single sensor fiber. In comparison to FBG patches the structure-integrated sensors show a significantly longer service life. The in-service strength tests are carried out both as single step fatigue tests for nominal load and 50 year gust load and for load spectrum tests by independent control of flatwise and edgewise loads. In addition, the analysis of the eigenfrequencies is performed several times at various stages of the test program. Visible damages did not occur naturally at 50 year gust load. Therefore, artificial damages were implemented (disjuncture of the bonding of the trailing edge and transverse crack in the blade shell between the front and rear strap). These damages cause local strain increases at 50 year gust load that are well detectable with the chosen condition monitoring system. The locally limited strain increase correlates very well with the results of FEM calculations of the scale-reduced rotor blade. The comparison of the calculated and measured eigenfrequencies shows a good correlation. The analysis of the eigenfrequencies shows the reduction in stiffness due to the transverse crack in the blade shell by a significant reduction in the eigenfrequencies. For a comparison of the numerically calculated and measured eigenmodes (geophone sensors) the MAC criterion is used. This shows a very good agreement for the first eigenmodes of the undamaged and the damaged test rotor blade. T3 - BAM Dissertationsreihe - 110 KW - Betriebsfestigkeit KW - Faserbragg-Sensorik KW - Faserverstärkte Kunststoffe KW - Rotorblätter KW - Windenergieanlagen PY - 2014 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-486 SN - 978-3-9815944-5-4 SN - 1613-4249 VL - 110 SP - 1 EP - 152 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-48 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Neumann, Patrick P. T1 - Gas Source Localization and Gas Distribution Mapping with a Micro-Drone N2 - Die Zielsetzung der Dissertation ist die Entwicklung und Validierung einer VTOL-fähigen (Vertical Take Off and Landing) Mikrodrohne zur Messung von Gaskonzentrationen, zur Lokalisierung von Gasemissionsquellen und zur Erstellung von Gasverteilungskarten. Neben der Adaption einer Mikrodrohne zur Gaskonzentrationsmessung wird ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung des Windvektors in Echtzeit realisiert. Die Basis für die Windvektorberechnung bildet die Onboard- Sensorik zur Flugregelung der Mikrodrohne. Weiterhin wird eine neuartige Software zur autonomen Steuerung der Mikrodrohne vorgestellt, mit der eine ausführliche Validierung der im Rahmen dieser Dissertation entwickelten Algorithmen in Simulationen und Realexperimenten durchgeführt wird. Zwei biologisch inspirierte Algorithmen zur Lokalisierung von Gasquellen wurden für den Einsatz mit der Mikrodrohne angepasst – die Entwicklung eines dritten Algorithmus wird ebenfalls beschrieben. Dieser Algorithmus extrahiert aus zwei räumlich getrennten Messpunkten die notwendigen Informationen (Konzentrationsgradient und mittlere Windrichtungen) um einer Gasfahne bis hin zur Emissionsquelle zu folgen. Die Leistungsfähigkeit der Algorithmen wurde in Simulationen und Realexperimenten bestimmt, wobei als Vergleichskriterium dabei die Abweichung der von der Mikrodrohne erstellten Trajektorie im Vergleich zur Ideallinie und die Erfolgsquote beim Lokalisieren der Gasquelle herangezogen wurden. Im Anschluss wird eine neue Methode zur Quelllokalisierung beruhend auf einem Partikelfilter präsentiert. Dabei steht jedes Partikel für eine gewichtete Hypothese der Quellposition. Im ersten Schritt rekonstruiert der Partikelfilter anhand der Messdaten der Mikrodrohne den Weg, den das Gas von der Quelle bis zur Messposition genommen haben konnte, und aktualisiert auf Basis dieser Berechnung die Gewichtung der Partikel. Unsicherheiten bezüglich der gemessenen Windrichtung werden dabei in Form eines sich öffnenden Wind-Kegels in Flächenprojektion VII (2D) berücksichtigt. Ausgehend von mehreren Messpositionen kann schließlich eine gute Schatzung der Quellposition erfolgen, deren Abweichung dabei ein Kriterium der Leistungsfähigkeit des Algorithmus darstellt. Simulationen und Realexperimente dienen hierbei zur Validierung des Verfahrens. Auch auf den Aspekt der Umweltbeobachtung von Gasverteilungen mit einer Mikrodrohne wird eingegangen. Hierzu werden zwei Messstrategien zur Modellierung der Gasverteilung verglichen. Eine Strategie sieht die Messung entlang vordefinierter Sweeping-Trajektorien vor, wohingegen ein weiterer Ansatz adaptiv neue Messpositionen auf Basis eines kontinuierlich aktualisierten Gasverteilungsmodells vorschlägt. Diese adaptive Messstrategie verwendet künstliche Potentialfelder um die Mikrodrohne in Regionen mit hoher Gaskonzentration oder hoher Varianz der Gaskonzentration zu steuern, während generell eine möglichst umfassende Abdeckung der überwachungsfläche angestrebt wird. Ziel ist die Minimierung der Zeit, die notwendig ist, um ein reprasentatives Gasverteilungsmodell zu erhalten. Es wird gezeigt, dass Gasverteilungsmodelle dazu beitragen können Positionen von Gasquellen zu bestimmen. Die Strategien wurden erfolgreich in einer Vielzahl von Realexperimenten in verschiedenen Szenarien der Gasfreisetzung erprobt und unter Verwendung unterschiedlicher Gassensortechnologien auf Reproduzierbarkeit der Experimente getestet. Die adaptive Messstrategie wurde darüber hinaus erfolgreich in Simulationen validiert. Die Resultate dieser Dissertation spiegeln die Anwendbarkeit gassensitiver Mikrodrohnen unter verschiedenen Bedingungen der Gasfreisetzung wider. Effektive Gegenmaßnahmen bei Gefahrenszenarien nach Chemie- oder Gefahrgutunfällen können mit Hilfe ortsaufgeloster Gaskonzentrations- und Winddaten eingeleitet werden. Die Überwachung von geochemisch aktiven Regionen, Mulldeponien, CO2-Speicherungsanlagen und die Lokalisierung von Leckagen bilden weitere Anwendungsfelder. N2 - The objective of this Ph.D. thesis is the development and validation of a VTOL-based (Vertical Take Off and Landing) micro-drone for the measurement of gas concentrations, to locate gas emission sources, and to build gas distribution maps. Gas distribution mapping and localization of a static gas source are complex tasks due to the turbulent nature of gas transport under natural conditions [1] and becomes even more challenging when airborne. This is especially so, when using a VTOL-based micro-drone that induces disturbances through its rotors, which heavily affects gas distribution. Besides the adaptation of a micro-drone for gas concentration measurements, a novel method for the determination of the wind vector in real-time is presented. The on-board sensors for the flight control of the micro-drone provide a basis for the wind vector calculation. Furthermore, robot operating software for controlling the micro-drone autonomously is developed and used to validate the algorithms developed within this Ph.D. thesis in simulations and real-world experiments. Three biologically inspired algorithms for locating gas sources are adapted and developed for use with the micro-drone: the surge-cast algorithm (a variant of the silkworm moth algorithm) [2], the zigzag / dung beetle algorithm [3], and a newly developed algorithm called “pseudo gradient algorithm”. The latter extracts from two spatially separated measuring positions the information necessary (concentration gradient and mean wind direction) to follow a gas plume to its emission source. The performance of the algorithms is evaluated in simulations and real-world experiments. The distance overhead and the gas source localization success rate are used as main performance criteria for comparing the algorithms. Next, a new method for gas source localization (GSL) based on a particle filter (PF) is presented. Each particle represents a weighted hypothesis of the gas source position. As a first step, the PF-based GSL algorithm uses gas and wind measurements to reason about the trajectory of a gas patch since it was released by the gas source until it reaches the measurement position of the micro-drone. Because of the chaotic nature of wind, an uncertainty about the wind direction has to be considered in the reconstruction process, which extends this trajectory to a patch path envelope (PPE). In general, the PPE describes the envelope of an area which the gas patch has passed with high probability. Then, the weights of the particles are updated based on the PPE. Given a uniform wind field over the search space and a single gas source, the reconstruction of multiple trajectories at different measurement locations using sufficient gas and wind measurements can lead to an accurate estimate of the gas source location, whose distance to the true source location is used as the main performance criterion. Simulations and real-world experiments are used to validate the proposed method. The aspect of environmental monitoring with a micro-drone is also discussed. Two different sampling approaches are suggested in order to address this problem. One method is the use of a predefined sweeping trajectory to explore the target area with the micro-drone in real-world gas distribution mapping experiments. As an alternative sampling approach an adaptive strategy is presented, which suggests next sampling points based on an artificial potential field to direct the micro-drone towards areas of high predictive mean and high predictive variance, while maximizing the coverage area. The purpose of the sensor planning component is to reduce the time that is necessary to converge to the final gas distribution model or to reliably identify important parameters of the distribution such as areas of high concentration. It is demonstrated that gas distribution models can provide an accurate estimate of the location of stationary gas sources. These strategies have been successfully tested in a variety of real-world experiments in different scenarios of gas release using different gas sensors to verify the reproducibility of the experiments. The adaptive strategy was also successfully validated in simulations using predefined sweeping trajectories as reference criteria. The results of this Ph.D. thesis reflect the applicability of gas-sensitive microdrones in a variety of scenarios of gas release. Effective counteractive measures can be set in motion after accidents involving gas emissions with the aid of spatially resolved gas concentration and wind data collected with micro-drones. Monitoring of geochemically active regions, landfills, CO2 storage facilities, and the localization of gas leaks are further areas of application. T3 - BAM Dissertationsreihe - 109 KW - Autonomous gas-sensitive micro-drone (micro UAV) KW - estimation of wind speed and direction KW - gas distribution mapping KW - gas source Localization PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-497 SN - 978-3-9815944-1-6 SN - 1613-4249 VL - 109 SP - 1 EP - 273 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-49 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Perret, William T1 - Welding Simulation of Complex Automotive Welded Assembly - Possibilities and Limits of the Application of Analytical Temperature Field Solutions N2 - Before the development of computational science, heat conduction problems were mainly solved by analytical techniques. Analytical solutions are exact solutions of differential equations; the investigated physical phenomena, for instance the temperature, are solved locally for one single point independently of the rest of the investigated structure resulting in extremely short computational times. These analytical solutions are however only valid for some simple geometries and boundary conditions making their applications for complex industrial geometries directly not possible. Numerical techniques, such as the Finite Element Method, enable overcoming this problem. However, the numerical simulation of the structural heat effect of welding for complex and large assemblies requires high computational effort and time. Therefore, the wide application of welding simulation in industry is not established, yet. The aim of this study is to combine the advantages of analytical and numerical simulation methods to accelerate the calibration of the thermal model of structure welding simulation. This is done firstly by calibrating automatically the simulation model with a fast analytical temperature field solution and secondly by solving the welding simulation problem numerically with the analytically calibrated input parameters. In order to achieve this goal, the analytical solution of the heat conduction problem for a point source moving in an infinite solid was extended and validated against reference models until a solution for a volumetric heat source moving on a thin small sheet with several arbitrary curved welding paths was found. The potential of this analytical solution by means of computational time was subsequently demonstrated on a semi-industrial geometry with large dimensions and several curved welds. The combined method was then transferred to an industrial assembly welded with four parallel welds. For this joint geometry, it was possible to apply the extended analytical solution. The calibration of the simulation model was done automatically against experimental data by combining the extended fast analytical solution with a global optimisation algorithm. For this calibration, more than 3000 direct simulations were required which run in less computational time than one corresponding single numerical simulation. The results of the numerical simulation executed with the analytically calibrated input parameters matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The limit of the combined method is shown for an industrial assembly welded with eight overlap welds. For this joint geometry, a conventional numerical approach was applied, since no analytical solution was actually available. The final simulation results matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The results of this work provide a comprehensive method to accelerate the calibration of the thermal model of the structure welding simulation of complex and large welded assemblies, even though within limitation. In the future, the implementation of this method in a welding simulation tool accessible to a typical industrial user still has to be done. T3 - BAM Dissertationsreihe - 108 KW - Schweißen KW - industrielle Anwendung KW - Simulation KW - analytische Lösung KW - komplexe Geometrie PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-505 SN - 978-3-9815944-0-9 SN - 1613-4249 VL - 108 SP - 1 EP - 183 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-50 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Grandke, Julia T1 - Quality Assurance in Immunoassay Performance N2 - Nach wie vor fehlen allgemein anerkannte Qualitätskriterien zum Vergleich von Immunoassays, und die Durchführungsbedingungen der Assays unterscheiden sich sehr zwischen verschiedenen Laboratorien. Um dieses Problem anzugehen, wurde der Einfluss von verschiedenen Parametern auf die Leistungsfähigkeit der Assays untersucht, speziell für verschiedene Enzym-Immunoassays (EIAs) für die anthropogenen Marker Koffein (CAF) und Carbamazepin (CBZ). Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf die Parameter Temperatur, Assayformat und Kombination aus Enzym und Substrat gelegt. Der Parameter Temperatur wurde systematisch für jeden einzelnen Inkubationsschritt der direkten EIA Formate für beide Analyten untersucht; hierbei kamen sowohl das chromogene Substrat 3,3’,5,5’- Tetramethylbenzidin (TMB) wie auch das fluorogene Substrat 3-(4-Hydroxyphenyl)-propionsäure für das Enzym Meerrettichperoxidase (HRP) zum Einsatz. Eine Temperaturerniedrigung während des Kompetitionsschrittes führte zu einer Verbesserung der Assaysensitivität um den Faktor 10 für CBZ bzw. 15 für CAF, unabhängig davon welches Enzymsubstrat benutzt wurde. Experimente bei Raumtemperatur zeigten die geringsten Variationskoeffizienten, wodurch belegt werden konnte, dass der Randeffekt minimiert wird. Der Einfluss des Assayformats auf die unterschiedlichen Leistungskriterien wurde anhand der Bestimmung von CAF in Konsumgütern untersucht. Zusätzlich zu HRP und ihren Substraten wurde auch das Enzym Alkalische Phosphatase (AP) und das chromogene Substrat para-Nitrophenylphosphat sowie ein fluoreszierendes Substrat, 4-Methylumbelliferylphosphat, eingesetzt. Sieben Qualitätskriterien wurden definiert und validiert, um Immunoassays zu vergleichen. Die Bewertung der vier Kriterien (Sensitivität, Messbereich, relativer dynamischer Bereich sowie Güte der Anpassung) der Standardkurven ergab, dass das direkte Format dem indirekten Format überlegen ist; das HRP TMB Format zeigte hierbei die besten Ergebnisse. Drei zusätzliche Kriterien für eine anwendungsbezogene Analyse von Realproben, in diesem Fall CAF- enthaltende Getränke und Kosmetika, bestätigten dieses Ergebnis hinsichtlich Richtigkeit und Präzision innerhalb einer Platte (intra-plate) und zwischen verschiedenen Platten (inter-plate). Die Kombination aus Enzym und Substrat wurde untersucht, indem mehrere direkte CBZ Assays zur Analyse von Wasserproben eingesetzt wurden; in dieser Arbeit wurden drei HRP Assays und vier AP Assays mit Lumineszenzdetektion untersucht. Die HRP Assays erreichten eine bessere Sensitivität und eine geringere quantifizierbare Konzentration verglichen mit den AP Assays. Nur die HRP Assays und der Assay, welcher das chemilumineszierende „AP juice“ Substrat nutzt, konnten die Anforderungen für die vier Kriterien der Standardkurven erfüllen; alle anderen AP Assays wurden auf Grundlage der Kriterien im weiteren Verlauf nicht mehr für die Analyse der Realproben herangezogen. Der AP juice Assay ist nur auf Zulaufproben anwendbar, während alle HRP Assays gemäß intra- und inter-plate Präzision sowohl für Abwasserproben von Zu- und Ablauf genutzt werden können. Einzig die HRP Assays sind geeignet, um Oberflächengewässer zu analysieren; es zeigte sich, dass der HRP TMB Assay die besten Resultate liefert, weil jede Art von Wasserprobe mit einer hohen Präzision quantifiziert werden kann. Ob diese Qualitätskriterien, abgeleitet von den Standardkurven sowie der Anwendung auf Realproben, auf andere Immunoassayformate zum Zwecke der Qualitätssicherung übertragbar sind, muss noch gezeigt werden. N2 - Generally accepted quality criteria for the comparison of immunoassays are still missing and assay conditions vary greatly between different laboratories. To address this problem, the influence of different parameters on the overall assay performance was assessed, specifically for different enzyme immunoassays (EIAs) for the anthropogenic markers caffeine (CAF) and carbamazepine (CBZ). Special emphasis was dedicated to the parameters temperature, assay format and enzyme-substrate combination. The temperature parameter was systematically studied for all incubation steps of the direct EIA formats employing the photometric horseradish peroxidase (HRP) substrate 3,3’,5,5’- tetramethylbenzidine (TMB) and the fluorometric HRP substrate 3-(4-hydroxyphenyl)propionic acid for both analytes. A temperature decrease only during the competition step led to an increase in assay sensitivity by a factor of 10 to 15 for CBZ and CAF, respectively, independent of the enzyme substrate used. Room temperature experiments yielded the smallest coefficients of variations, minimizing the edge effect. The influence of the assay format on different performance parameters was studied with the determination of CAF in consumer products. In addition to the HRP substrates, the enzyme alkaline phosphate (AP) and its chromogenic substrate para-nitrophenyl phosphate and a fluorescent substrate, 4-methylumbelliferyl phosphate, were employed. Seven quality criteria were defined and validated to compare these immunoassays. The evaluation of the four criteria (sensitivity, measurement range, relative dynamic range and goodness of fit) for the standard curves revealed that the direct format is superior to the indirect format, with the HRP TMB format showing the best performance. Three additional criteria for an applicationdriven analysis of real samples, in this case CAF-containing beverages and cosmetics, confirmed this result in terms of accuracy as well as intra- and inter-plate precision. The enzyme-substrate combination was investigated when several direct CBZ assays were applied to the analysis of water samples; here, three HRP assays and four AP assays were studied, along with luminescence detection. The HRP assays reached better sensitivities and lower quantifiable concentrations compared to the AP assays. Only the HRP assays and the chemiluminescent AP juice assay fulfilled the requirements for the four criteria applied to standard curves; all other AP assays were not considered for application to real samples based on these criteria. The AP juice assay can only be employed for influent samples whereas all HRP assays are applicable to influent and effluent wastewater samples according to intra- and inter-plate precision. Furthermore, the HRP assays alone are suitable for surface water analysis; here, the chromogenic HRP TMB assay yielded the best results, as any type of water sample can be quantified with high precision. Whether these quality criteria, derived here for standard curves as well as their application to real samples, can be transferred to other immunoassay formats for quality assurance remains to be shown. T3 - BAM Dissertationsreihe - 107 PY - 2013 SN - 978-3-9815748-9-0 SN - 1613-4249 VL - 107 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-51 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Menrad, Andreas T1 - Beurteilung des Versagensverhaltens von Gefahrgutbehältern aus Polyethylen hoher Dichte auf Basis relevanter Werkstoffkennwerte N2 - Verschiedene experimentelle Untersuchungen sind zur Erlangung einer Zulassung für Gefahrgutverpackungen notwendig, um die Eignung der Verpackung für den Transport gefährlicher Guter nachzuweisen. Ziel sind keine absoluten Werte für die Zeit bis zum Versagen bei der Innendruckprüfung oder die mittlere Versagensfallhöhe, sondern die Veränderung des Verpackungsverhaltens bei dem Einsatz eines anderen HDPEs. Alle Kanister aus den vier verschiedenen Werkstoffen wurden speziell hergestellt, um die Werkstoffeigenschaften differenziert beurteilen zu können. Das Granulat, aus dem die Platten gepresst und die Kanister hergestellt wurden, stammte aus derselben Charge, um Schwankungen zwischen den Chargen als Einflussquelle auszuschließen. Die Wanddicke ist entscheidend, daher wurden die Verpackungen mit dem Computertomographen und mittels Streifenprojektionsverfahren vermessen und die Ergebnisse mit dem magnetostatischen Messverfahren verglichen. Die Verformung bei der Innendruckprüfung wurde mittels Stereo-Bildkorrelationsverfahren vermessen. Die Verschiebung in radialer Richtung sowie die aquivalente Dehnung wurden ausgewertet und konnten in der numerischen Berechnung nachgebildet werden. Ebenso deren starke Beschleunigung aufgrund der Quellung, indem die Temperatur im Materialgesetz entsprechend der Quellung verwendet wurde. Der Widerstand gegen Innendruck und das Absorptionsverhalten hangen von der Dichte des Werkstoffs ab. Die Konditionierung bei erhöhter Temperatur führt zu Nachkristallisation und zum Abbau von Eigenspannungen. Die Veränderung der Dichte zwischen den Werkstoffen kann anhand gepresster Platten beurteilt werden. Eine höhere Dichte führt zu einem besseren Bauteilverhalten unter Innendruck. Der Zusammenhang von mittlerer Versagensfallhöhe und der Schlagzugzähigkeit gekerbter Proben aus den Seitenwanden der Kanister sowie der Kerbschlagzähigkeit von gepressten Platten konnte nachgewiesen werden. Eine höhere Kerbschlagzähigkeit führt zu einer höheren mittleren Versagensfallhöhe. Eine geringe Beständigkeit gegen oxidativen Abbau senkt die mittlere Versagensfallhöhe drastisch. Bei einer hohen Beständigkeit gegen oxidativen Abbau führt die Vorlagerung mit Salpetersaure jedoch nicht zu einer Verringerung der mittleren Versagensfallhöhe im Vergleich zum Zustand ohne Vorlagerung. Der oxidative Abbau kann an gepressten Platten ermittelt werden und erlaubt einen Ruckschluss auf die Veränderung der mittleren Versagensfallhöhe. N2 - Assessment of the Failure Behavior of Dangerous Goods Containers Made of High Density Polyethylene Using Relevant Material Parameters To obtain approval as dangerous goods packaging, different experimental tests are required to show the eligibility for the transportation of those goods. The data obtained from the material test performed on the pressed plates is not used to get absolute values for the failure time in an internal pressure test or the medium drop height. Thegoal is to see if there are changes in the behavior because a different HDPE is being used. All the jerrycans and pressed plates were specially made of four different materials to gain knowledge about the material properties. The plates and jerrycans were made of resin from the same batch to prevent variations caused by batch differences. The wall thickness is decisive and, therefore packagings were analyzed using computer tomography and the fringe projection technique. The results were compared to the magnetostatic measurement technique. The deformation under internal pressure was measured by digital image correlation. Deformations in the radial direction and the equivalent strains were determined. These deformations, strains, and their acceleration due to the swelling effect could be reproduced in the finite element analysis by using the temperature in the material model. The resistance against both internal pressure and absorption depend on the density of the material. Conditioning at elevated temperatures causes post crystallization and reduces internal stresses. Differences in the densities of the materials can be determined by using plates manufactured by compression molding. A higher density leads to a better performance under internal pressure. A correlation could be proved between the medium failure drop height (50 % of the packagings fail because of a crack) and the tensile impact strength of notched specimens cut out of the jerrycans side walls and the notched impact strength (NIS) of pressed plates. A higher NIS leads to a higher medium failure drop height. A low resistance against oxidative degradation will reduce the medium failure drop height drastically. However, materials which are highly resistant to oxidative degradation do not have lower medium failure drop heights after conditioning with nitric acid when compared to non-conditioned jerrycans. The resistance against oxidative degradation can be determined with plates manufactured by compression molding and allow conclusions about changes in medium drop heights. T3 - BAM Dissertationsreihe - 106 KW - Dangerous Goods Containers KW - Comparability KW - Oxidative Degradation KW - HDPE KW - Swelling KW - Gefahrgutbehälter KW - Oxidativer Abbau KW - HDPE KW - Vergleichbarkeit KW - Quellung PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-521 SN - 978-3-9815748-8-3 SN - 1613-4249 VL - 106 SP - 1 EP - 209 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-52 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Tölle, Florian T1 - Eigenspannungsreduktion in strahlgeschweißten Nähten mittels Spannungsumlagerung durch den Einsatz defokussierter Elektronen- bzw. Laserstrahlen N2 - en vielen Vorteilen der Strahlschweißverfahren stehen die mit ihnen erzeugten hohen Längszugeigenspannungen in den Schweißnähten entgegen. Diese können, da sie im Bereich der lokalen Werkstoffstreckgrenze vorliegen, die Bauteillebensdauer beeinflussen. Bei anderen Schweißprozessen sind ebenfalls hohe Eigenspannungen in den Schweißnähten die Folge, jedoch überwiegen hier die Querspannungen. Für diese Schweißverfahren sind in den letzten Jahrzehnten einige Methoden entwickelt worden, um die Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens bzw. nach dem Schweißprozess zu reduzieren. Hierbei werden jedoch meist große Kontaktflächen auf dem Bauteil direkt neben der Schweißnaht sowie zusätzliches an das Bauteil angepasstes Equipment benötigt. Zudem zeigen die bisherigen entwickelten Verfahren für die schmalen Strahlschweißnähte eine geringe Effizienz. Der Abbau der Eigenspannungen mit der Strahlquelle, die auch für den Schweißprozess genutzt wird, bietet hier ein flexibles Werkzeug, das keine zusätzlichen Beschaffungskosten erzeugt und infolge einer Remote- Wärmebehandlung auch für komplexe Schweißnahtformen und Bauteilgeometrien anwendbar ist. Bei dieser nachträglichen Wärmebehandlung werden die Materialbereiche neben der Naht durch den defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erwärmt. Hierdurch werden in diesen Bereichen geringe plastische Deformationen erzeugt. Beim Abkühlen des erwärmten Materials wird infolge der thermischen Schrumpfung das Material zwischen der Schweißnaht und den erwärmten Zonen in Nahtlängsrichtung gestaucht. Diese gestauchten Materialbereiche behinderten die Schweißnaht während der Abkühlung von der Schmelztemperatur beim thermischen Schrumpfen. Somit wird der Widerstand gegen die Schrumpfung der Schweißnaht verringert und die Eigenspannungen in der Naht können sich teilweise abbauen. Dabei bestimmt die Wahl der Wärmebehandlungsparameter die Quantität der erhaltenen Spannungsreduktion. Der genutzte Strahlradius und die Vorschubgeschwindigkeit der Wärmebehandlung entlang der Schweißnaht spielen hier eine sehr große Rolle. Aber auch der zu verwendende seitliche Abstand der Wärmebehandlung zur Schweißnaht, der sich am Strahlradius orientiert, sollte richtig gewählt sein. Für die qualitativen und quantitativen Untersuchungen des Längsspannungsabbaus in strahlgeschweißten Bauteilen mit diesem Verfahren wurde eine ganze Reihe von FEM-Simulationen durchgeführt. Diese dienen der Erläuterung des Spannungsabbaus sowie der Analyse und Bewertung der Einflussparameter. Experimentelle Untersuchungen mit dem Elektronen- sowie mit dem Laserstrahl an unterschiedlichen Werkstoffen und Schweißnahtgeometrien belegen, dass mit diesem Verfahren die hohen Längszugeigenspannungen je nach verwendetem Parametersatz so stark abgebaut werden können, dass daraus Druckeigenspannungen in der Schweißnaht resultieren können. Vor allem für die Laserstrahlanwendung, bei der ein In-situ-Wärmebehandlungsprozess während des Schweißens mit nur einem Strahl aufgrund der relativ langsamen Strahlsteuerung nicht möglich ist, ist von großer Bedeutung, dass dieses Verfahren größere Spannungsreduktionen erzielt, wenn die Schweißnaht bereits auf Umgebungstemperaturabkühlen konnte, bevor die Wärmebehandlung ausgeführt wird. N2 - Among the multiple advantages of beam welding processes the high longitudinal residual stresses in beam welds ranging till the local yield stress are one disadvantage. These high stresses can influence the service life of the welded components. The residual stresses in other welding processes exist in an equal high level but primarily in the transverse direction to the weld. To mitigate the high residual stresses a couple of methods were developed for these welding processes in the last decades. However these methods need large contact surfaces next to the welds for the installation of matched heating and cooling elements and other additional equipment. Furthermore, the previous developed stress mitigating processes offer a low efficiency for the small beam welds. The stress reduction by using the welding source after the welding process for a remote heat treatment of the welded components afford a flexible tool for the stress mitigation in beam welds. This method does not need any additional equipment and it is applicable for complex welding and component geometries. During this post welding heat treatment the material next to the weld is heated by the defocused electron or by the defocused laser beam, respectively, to temperatures of some hundreds degree Celsius. Hereby low plastic deformations in these regions are generated. While cooling down due to the thermal shrinkage the material between the weld and the heat treated region is compressed in longitudinal direction to the weld. This intermediate material zone constrained the shrinkage of the weld while cooling down from the melting temperature and leads to the high longitudinal residual stresses in the weld. In consequence of the compression of this intermediate zones by the heat treated zones the resistance to the shrinkage of the weld is lowered and the longitudinal stresses in the weld are reduced. In the process the quantity of the stress reduction is controlled by the selection of the process parameters. The used beam radius and the travel speed of the heat treatment have a large influence in this method. However, the right selection of the transversal distance of the heat treatment to the weld is important. This distance depends on the used beam radius. For the qualitative and quantitative analyses of the reduction of the longitudinal weld stresses in this method a great many of finite element simulations were performed. The simulation results help to define the stress reduction mechanism and to analyze the parameters, which influence this method. Experimental investigations on different materials and weld geometries with the electron beam and with the laser beam verify that this method can reduce the longitudinal stresses in the weld. Depending on the used process parameters the stress reduction can lead to compressive stresses in the weld. Due to a larger stress reduction by performing the heat treatment in a separate process after the weld could cool down to ambient temperature this method is very advantageous for the laser beam application, which does not permit an in situ heat treatment while welding. T3 - BAM Dissertationsreihe - 105 KW - Eigenspannungen KW - Schweißsimulation KW - Laserstrahlschweißen KW - Eigenspannungsreduktion KW - Elektronenstrahlschweißen PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-533 SN - 978-3-9815748-7-6 SN - 1613-4249 VL - 105 SP - 1 EP - 206 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-53 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kempel, Florian T1 - Komplementäre Nutzung von Polymerwissenschaft und Brandsimulation: Vier Beispiele in den Dimensionen Kubikdekameter bis Kubikzentimeter N2 - Vereint unter dem Begriff Ingenieurmethoden haben Brandsimulationen Eingang in die Fortentwicklung des Baurechts gefunden und werden vermehrt zur Unterstützung von Brandschutzkonzepten und -nachweisen eingesetzt. Aktuelle Software verbindet Verbrennungsmodelle mit numerischer Strömungsmechanik und eignet sich so für die flexible Bearbeitung unterschiedlichster Fragestellungen. Darüber hinaus bieten erste Programme die Möglichkeit, Untermodelle zur Beschreibung des Feststoffabbrands bzw. der Pyrolyse von Brandlasten einzufügen. In der Polymerwissenschaft stellt die Untersuchung und Optimierung des Brandverhaltens einschließlich der Pyrolyse eine wichtige Aufgabe dar. Aufgrund des Brandrisikos ist die Verwendung polymerer Werkstoffe häufig eingeschränkt. Die Entwicklung flammgeschützter Materialien hat daher eine besondere Bedeutung und es existieren detaillierte Methoden zur Charakterisierung brandrelevanter Materialeigenschaften. Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, die Potentiale und Herausforderungen der komplementären Nutzung von Brandsimulation und polymerwissenschaftlichen Methoden zu untersuchen. Hierfür wurden vier Brandszenarien ausgewählt: Der Brand in einem Einfamilienhaus in der Dimension Kubikdekameter (dam³), der Single Burning Item SBI Test in der Dimension Kubikmeter (m³), der Cone Kalorimeter Test in der Dimension Kubikdezimeter (dm³) und der UL 94 Test in der Dimension Kubikzentimeter (cm³). Die Brandszenarien werden zunächst ausführlich charakterisiert. Anschließend wird ein jeweils passendes Simulationsmodell erstellt und berechnet und die Berechnungsergebnisse werden mit den realen Ausprägungen verglichen. Schließlich werden die Simulationen, unterstützt durch eine Parameterstudie, bewertet. In den Untersuchungen zu den vier Brandszenarien werden durch die komplementäre Nutzung von Brandsimulation und Polymerwissenschaft belastbare numerische Berechnungen erarbeitet. Grundlage für die Ergebnisse sind die detaillierte Charakterisierung der brandrelevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Werkstoffe und die damit verbundene Qualität der Eingabeparameter. Für das Brandszenario Einfamilienhaus wird der Brandverlauf in einer komplexen Geometrie mit unterschiedlichen Brandlasten realistisch berechnet. Für den SBI Test und den Cone Kalorimeter Test stehen die Wärmefreisetzungsrate bzw. die Massenverlustrate im Mittelpunkt der Simulation und zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Für den vertikalen UL 94 Test werden darüber hinaus erstmals das komplexe Zusammenspiel von Pyrolyse, Verbrennung und Tropfverhalten simuliert und die unterschiedlichen Klassifizierungen und Zeitmaßstäbe übereinstimmend mit den Experimenten aus den Berechnungen abgeleitet. Anhand der Beispiele werden erweiterte Anwendungsbereiche von Brandsimulationen durch gezielte Nutzung der polymerwissenschaftlichen Kenntnisse aufgezeigt. Gleichzeitig weisen insbesondere die Untersuchungen zu den Brandszenarien Cone Kalorimeter Test und UL 94 Test auf den wertvollen Beitrag von Brandsimulationen für die Polymerwissenschaft hin. Durch Parametervariationen können aufbauend auf einem validierten Simulationsmodell zusätzliche Erkenntnisse über die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polymeren hinsichtlich des Brandverhaltens gewonnen werden, um die Entwicklung flammgeschützter Materialien zielführend zu unterstützen. N2 - Termed as engineering methods, fire simulations have found their way into building legislation and are frequently used to support concepts and verifications of structural fire protection plans. Recent software developments combine combustion models and computational fluid dynamics and therefore qualify for the processing of a wide variation of tasks and questions. Above all, latest programs provide the opportunity of adding further submodels in order to describe the fire behaviour of solid fuels, i.e. the thermal decomposition or pyrolysis of the materials can be calculated. In polymer science, the research and development of the fire behavior of materials is a scientific task of its own. Due to the fire risk, the application of polymers is often restricted. Hence, the development of fire retarded materials is of particular importance and existing methods are being used to characterize in detail all aspects of material properties according to its reaction to fire. According to this, the aims of this thesis were to investigate the capabilities and challenges of the complementary use of fire simulation and polymer science. Four different fire scenarios were chosen for the analysis: a fire case in a family home in the dimension of cubic decameter (dam³), the Single Burning Item SBI test in the dimension of cubic meter (m³), the Cone Calorimeter test in the dimension of cubic decimeter (dm³) and the UL 94 test in the dimension of cubic centimeter (cm³). The investigation involved a thorough characterization of those scenarios as well as the creation and calculation of a simulation model for each scenario. Subsequently simulation was compared to the real characteristics and an evaluation, supported by parameter analysis, provided. By analyzing the four fire scenarios and due to the complementary use of fire simulation and polymer science, numeric calculations have lead to significant results. Those are based upon the detailed characterization of the fire related physical and chemical properties of materials and the associated quality of the input parameters. For the family-homescenario the fire spread is calculated realistically within a complex geometry with different fire loads. For the fire scenarios SBI and Cone Calorimeter test, which focus on the calculated heat release rate and the mass loss rate, respectively, a very close agreement with the experimental results was achieved. For the fire scenario UL 94 test the interaction of gasification, combustion and melt dripping is being simulated for the first time and the UL 94 classifications of the materials as well as the time scales are derived in accordance with the experimental results. On the basis of the four examples as shown above, and by the systematic use of polymer science, this thesis demonstrates extended ranges of applications of fire simulations. At the same time the considerable contribution of fire simulations to polymer science is highlighted in particular during the analysis of the fire scenarios Cone Calorimeter and the UL 94 test. Based on the validated model, parameter variations reveal additional insight into the structure-property-relationship of polymers regarding their fire behavior, which may guide the development of fire retarded materials. T3 - BAM Dissertationsreihe - 104 KW - Polymer KW - Brandverhalten KW - Pyrolyse KW - Brandsimulation KW - CFD PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-545 SN - 978-3-9815748-5-2 SN - 1613-4249 VL - 104 SP - 1 EP - 173 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-54 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Mull, Birte T1 - Investigation of an active air sampling strategy for biocides, PCBs and PAHs at low air change rates N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Luftprobenahmestrategie mit geringen Probenahmevolumina für Biozide, polychlorierte Biphenyle (PCB) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bei niedrigen Luftwechselraten. Zunächst wurde eine analytische Messmethode für ein GC-MS-MS System entwickelt, bevor in Elutionsversuchen mit Standardlösungen ein geeignetes Adsorbermaterial für die Luftprobenahmen dieser Verbindungsklassen ausgewählt wurde. Die Anforderungen an das Adsorbermaterial waren eine schnellere und leichtere Aufarbeitung mit einem geringeren Lösemittelverbrauch als es für den häufig verwendeten Polyurethanschaum (PU) und das XAD-Adsorbens der Fall ist. Die Luftprobenahmequalität des ausgewählten Adsorbermaterials wurde in Versuchen in einer Mikro- Kammer (Micro-Chamber/Thermal Extractor™ (μ-CTE™, Markes International)), die ebenfalls mit Standardlösungen beladen wurde, mit der des PU-Schaums verglichen. Anschließend wurden der Einfluss der Temperatur, Luftbewegung, Luftwechselrate und relativer Luftfeuchtigkeit auf das Emissionsverhalten der Biozide, PCBs und PAKs in Versuchen mit geringen Probenahmevolumina in der μ-CTE, in 23 L und 24 L Emissionsmesskammern und in Vitrinen mit einem Volumen von 27 L mit selbst getränkten Holzproben untersucht. Außerdem wurde eine aktive Probenahmestrategie für niedrige Luftwechselraten erfolgreich in einer 24 L Emissionsmesskammer getestet. Mit der entwickelten Probenahmemethode wurden Volumina von 24-50 L gesammelt und Nachweisgrenzen von 1-27 μg m-3 konnten damit erreicht werden. Ein Styroldivinylbenzol-Polymer wurde als geeignetes Adsorbermaterial ausgewählt. Mit 200 mg dieses Adsorbers können mindestens 100 ng μL-1 der ausgewählten Biozide, PCBs und PAKs ohne Durchbrüche gesammelt werden, was einem Konzentrationsbereich von 3000-6250 μg m-3 für die geringen verwendeten Probenahmevolumina entspricht. Die entwickelte Probenahmemethode wurde bereits erfolgreich in verschiedenen Projekten eingesetzt, in denen reale Holzproben in der μ-CTE untersucht wurden und ebenfalls Innenraumprobenahmen mit geringen Probenahmevolumina durchgeführt wurden. In diesen Versuchen wurde die entwickelte Methode mit einer weiteren Methode verglichen, für die ein anderes Adsorbermaterial verwendet wird. N2 - The aim of this study was to develop a low volume air sampling strategy for biocides, polychlorinated biphenyls (PCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) at low air change rates. Firstly a method of measurement for the GC-MS-MS system had to be created before an adsorbent for the air sampling of these compound classes was selected in elution experiments with target compound solutions. The key requirements for the adsorbent were that it had to engender a faster and easier work-up process while reducing solvent consumption, as it is not the case for the frequently used polyurethane foam (PUF) and XAD adsorbents. Using the selected adsorbent, air sampling quality was tested and compared with the one of PUF in experiments performed in a Micro-Chamber/Thermal Extractor™ (μ- CTE™, Markes International) with target compound solutions. To achieve air sampling under the aforementioned conditions the influences of temperature, air circulation, air change rate and relative humidity on the emission behavior of the selected biocides, PCBs and PAHs were investigated. This investigation was carried out with self soaked wood samples in low volume air sampling experiments in a μ-CTE, 23 l and 24 l emission test chambers and 27 l showcases. Furthermore, an active air sampling strategy for biocides, PCBs and PAHs at low air change rates was successfully tested in a 24 l emission test chamber. Sampling volumes of 24-50 l were tested with the developed low volume air sampling strategy with limits of quantification between 1-27 μg m-3. A styrene divinylbenzene polymer was selected as a suitable adsorbent and sampling of at least 100 ng μl-1 of biocides, PCBs and PAHs without breakthroughs were possible with 200 mg of this polymer. This corresponds to a concentration range of 3000-6250 μg m-3 for these low sampling volumes. The low volume air sampling method developed in this study was successfully applied in projects investigating real wood samples in the μ-CTE as well as in low volume indoor air samples. In these experiments the applicability of the method was partly compared with a method using a different adsorbent. T3 - BAM Dissertationsreihe - 103 KW - SVOC KW - Biocides KW - Emission test chamber KW - Showcase KW - Micro-chamber PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-555 SN - 978-3-9815748-3-8 SN - 1613-4249 VL - 103 SP - 1 EP - 136 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-55 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Wawrzyn, Eliza T1 - Novel routes in flame retardancy of bisphenol A polycarbonate/impact modifier/aryl phosphate blends N2 - Die hohe Nutzung elektronischer Geräte und die damit verbundenen Ansprüche an den Brandschutz verstärken das Interesse an umweltfreundlich flammgeschützten Bisphenol A Polycarbonat (PC) basierten Materialien. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung neuer und verbesserter Flammschutzsysteme für schlagzähmodifizierte PC/Aryl phosphate. Durchgeführte Untersuchungen umfassen Pyrolyse (TG, TG-FTIR, ATR-FTIR, NMR), Entflammbarkeit (LOI und UL94) sowie Brandverhalten (Cone Calorimeter bei verschiedenen Bestrahlungsstärken) der Materialien. Ein Ansatz zur Verbesserung der Rückstandsbildung von PC/ABSPTFE+Aryl phosphate ist der Austausch von Bisphenol A Diphenylphosphat (BDP) gegen neue Aryl phosphate. Zwei neue Flammschutzmittel wurden synthetisiert: 3,3,5-Trimethylcyclohexylbisphenolbis(diphenylphosphat) (TMC-BDP) und Bisphenol A-bis(diethylphosphat) (BEP). TMC-BDP ist thermisch beständiger als BDP, es werden daher verstärkt chemische Reaktionen zwischen den Komponenten von PC/ABSPTFE+Aryl phosphate erwartet. BEP hingegen sollte die Vernetzung des Rückstands durch Einbringen von Phosphatgruppen erhöhen. Es konnte jedoch bei keiner der neuen Verbindungen eine Verbesserung des Flammschutzes im Vergleich zu PC/ABSPTFE+BDP festgestellt werden. BEP vernetzt sich in PC/ABSPTFE vorzugsweise mit sich selbst anstatt mit PC und für TMC-BDP waren die Ergebnisse ebenso gut wie für BDP. BDP ist bereits ein hoch optimiertes Flammschutzmittel für PC/ABSPTFE Systeme. Zur Etablierung eines neuen Schlagzähmodifizierers, der neben den mechanischen auch die Flammschutzeigenschaften des Materials verbessert, wurde das bisher in PC/ABSPTFE/BDP verwendete ABS durch einen Silikon-Acrylat-Kautschuk (SiR) mit hohem Polydimethylsiloxan (PDMS)- Anteil ersetzt. PDMS verschlechtert die von BDP hervorgerufenen Gas- und Festphasenmechanismen und reagiert zudem während der Verbrennung mit PC. Durch die Reaktionen von PDMS-PC und PDMS-BDP in PC/SiRPTFE/BDP wird anorganischer Siliziumdioxid-Rückstand gebildet, der sich zum kohlenstoffhaltigen Rückstand addiert und den LOI um 10% im Vergleich zum PC/ABSPTFE/BDP System verbessert. SiR mit hohem PDMS-Anteil wird daher als Ersatz für ABS in schlagzähmodifizierten PC/BDP Blends vorgeschlagen. Zur Erhöhung des Flammschutzes wurden verschiedene Additive zu PC/SiRPTFE/BDP hinzugefügt: (i) Schichtsilikate: Talk und organisch modifizierte Schichtsilikate (LS), (ii) Metallhydroxide: Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) und Böhmit (AlO(OH)), (iii) Metalloxide und –carbonate: Magnesiumoxid (MgO), Siliziumdioxid (SiO2) und Kalziumcarbonat (CaCO3) sowie (iiii) hydrierte Metallborate: Zinkborat (ZnB), Kalziumborat (CaB) und Magnesiumborat (MgB). Es konnte gezeigt werden, dass die PC/SiRPTFE/BDP+Additiv Blends sehr empfindlich auf chemische (z.B. Hydrolyse) und physikalische (z.B. Viskosität) Effekte reagieren. Die starke Deformation von PC/SiRPTFE/BDP Materialen macht es schwierig den Rückstand zu optimieren. Zusammenfassend werden ZnB, MgB und CaB zur Verbesserung des Flammschutzes von PC/SiRPTFE/BDP empfohlen. Der Flammschutz verbessert sich dabei in Bezug auf Entflammbarkeit, Brandlast sowie maximale Wärmabgaberate des Materials. Die Ergebnisse der Arbeit ermöglichen die Auswahl des besten Flammschutzmittels, Schlagzähmodifizierers und anorganischen Füllstoffs zur Herstellung von flammgeschützen PC basierten Werkstoffen. N2 - The massive use of electronic engineering products accompanied by high demands on fire safety has led to increasing interest in environmentally friendly flame retardancy of bisphenol A polycarbonate (PC) based materials. In this work, novel routes for enhancing the flame retardancy of PC/Impact Modifier/Aryl phosphate were studied with respect to pyrolysis (TG, TG-FTIR, ATR-FTIR, NMR), flammability (LOI and UL 94) and fire behavior (cone calorimeter at different irradiations). To improve charring of PC/ABSPTFE+Aryl phosphate, the exchange of bisphenol A bis(diphenyl phosphate) (BDP) with novel aryl phosphates was proposed. Two novel flame retardants were synthesized: 3,3,5-trimethylcyclohexylbisphenol-bis(diphenyl phosphate) (TMC-BDP) and bisphenol A- bis(diethylphosphate) (BEP). TMC-BDP was more stable than BDP, thus gave a potential to increase the chemical reactions between the components of the PC/ABSPTFE+Aryl phosphate, whereas more reactive BEP was expected to increase the cross linking activity with the polymer matrix. Nevertheless, the corresponding blends did not enhance the flame retardancy compared to PC/ABSPTFE+BDP. BEP in PC/ABSPTFE preferred to cross-link with itself instead of with PC, thus it showed poor fire protection performance. TMC-BDP gave as good results as BDP in PC/ABSPTFE material. The results delivered evidence that BDP possesses a high degree of optimization in PC/ABSPTFE system. To provide a novel impact modifier improving not only mechanical properties but also the fire retardancy of PC/BDP material, the replacement of highly flammable acrylonitrilebutadiene- styrene (ABS) with silicon acrylate rubber (SiR) with high content of polydimethylsiloxane (PDMS) was studied. In PC/SiRPTFE/BDP the replacement of ABS is beneficial, but PDMS worsened the BDP gas phase and condensed phase action. PDMS reacted also with PC during combustion. PDMS-PC and PDMS-BDP interactions led to silicon dioxide. In fact, the inorganic residue of PC/SiRPTFE/BDP contributed to fire residue and greatly improved the LOI of about 10 % in comparison to PC/ABSPTFE+BDP system. Thus, the use of SiR with high PDMS content is proposed as replacement of ABS in PC/Impact Modifier/BDP blend. To enhance the fire protection, the PC/SiRPTFE/BDP was combined with several adjuvants: (i) layered fillers: talc and organically modified layered silicate (LS), (ii) metal hydroxides: magnesium hydroxide (Mg(OH)2) and boehmite (AlO(OH)), (iii) metal oxides and carbonate: magnesium oxide (MgO) and silicium dioxide (SiO2) and calcium carbonate (CaCO3) as well as (iiii) hydrated metal borates: zinc borate (ZnB), calcium borate (CaB) and magnesium borate (MgB). It was demonstrated that the blend PC/SiRPTFE/BDP+filler is very sensitive to chemical (e.g. hydrolysis) and physical (e.g. viscosity) effects. Additionally,the large deformations of PC/SiRPTFE/BDP materials make difficult to optimize the char. Overall, the ZnB, MgB and CaB are proposed for enhancing the flame retardancy of PC/SiR/BDP with respect to flammability results, reduction of fire hazard and maximum of heat release rate. The results of this work enable the understanding of various mechanisms controlling the fire behavior and thus effective selection of the most appropriate flame retardant, impact modifier and inorganic fillers for producing fire resistant PC based polymers. T3 - BAM Dissertationsreihe - 102 KW - flame retardancy KW - pyrolysis KW - decomposition KW - bisphenol A polycarbonate KW - flammbility PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-565 SN - 978-3-9815748-2-1 SN - 1613-4249 VL - 102 SP - 1 EP - 126 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-56 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Rauchegger, Christian T1 - Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Schwergasfreisetzung und -ausbreitung N2 - Eine Vielzahl von Schwergasunfällen der Vergangenheit verdeutlichen das Gefahrenpotential, das von brennbaren und vor allem toxischen Schwergasen ausgeht. Zur Bestimmung des Gefährdungsbereichs müssen in diesem Fall Ausbreitungsabschätzungen angestellt werden. Während der Gefährdungsbereich für brennbare Gase auf das Erreichen der unteren Explosionsgrenze (c > 1 Vol.-%) beschränkt ist, so ergibt sich bei der Freisetzung toxischer Gase ein weitaus größerer Gefahrenbereich. Toxische Gase haben auch in sehr geringen Konzentrationen (c < 3000 ppm) noch ein hohes Schadenspotenzial. Zur Abschätzung der Schwergasausbreitung kann die VDI-Richtlinie 3783 verwendet werden. Diese Richtlinie entspricht zurzeit dem Stand des Wissens in Deutschland. Die VDI 3783 macht keine Angaben zur Höhe und Breite der Schwergaswolke, welche sowohl im Rahmen von quantitativen Risikoanalysen als auch evtl. für die Kopplung eines Lagrangeschen-Partikelmodells mit dem Schwergasmodell erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Berechnungen mit verschiedenen Modellen zur Erweiterung der VDI 3783 durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse wurden mit experimentellen Untersuchungen zur Länge, Breite und Höhe des Schwer- und Neutralgasbereichs verglichen und bewertet. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Quellhöhe auf die Schwergasausbreitung untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass sich die Länge des Schwergasbereichs mit zunehmender Quellhöhe verringert und ab einer kritischen Höhe kein Schwergasbereich am Boden mehr vorliegt. Für Freisetzungshöhen über der kritischen Quellhöhe ist der Schwergaseffekt vernachlässigbar und es ist keine Berechnung nach der VDI 3783, Blatt 2 erforderlich. Die Freisetzung des Schwergases kann hierbei sowohl aus einer verfahrenstechnischen Anlage als auch aus handelsüblichen Gasflaschen erfolgen. Für die Freisetzung aus handelsüblichen Gasflaschen wurde ein mathematisches Modell zur Vorhersage des zeitabhängigen Massenstroms weiterentwickelt. Dieses Modell beinhaltet die Berechnung der instationären Wärmeleitung in der Flaschenwand, eine komplexe Beschreibung der Energieund Massenbilanzen sowie die Berücksichtigung einer Zweiphasenströmung. Zur Validierung des Modells wurden experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen Gasen, Gasflaschengrößen und –typen durchgeführt. Experimentelle Ergebnisse und Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung. N2 - The hazardous potential of accidental heavy gas releases, especially those involving flammable and toxic gases, is widely known. In order to predict the area in which these gases are in hazardous concentrations, an estimation of the dispersion of these gases must be carried out. While the hazardous area for flammable heavy gases is determined by the lower explosion limit (ca. > 1 vol.%), the release of toxic heavy gases can result in a much larger hazardous area, as toxic gases, even in very low concentrations (ca. < 3000 ppm), have the potential to be highly damaging. The VDI guideline 3783, which is considered as state-of-the art in Germany, can be used to estimate the dispersion of heavy gases. However, VDI 3783 gives no method for the prediction of the height and width of a heavy gas cloud, which are both required for quantitative risk analysis as well as for a possible coupling of a Lagrangian particle model with the VDI 3783 heavy gas dispersion model. Therefore, further calculation methods were used to describe these dimensions and were evaluated against, experimental studies of the length, width and height of the heavy and neutral gas field. The influence of the source height on the heavy gas dispersion was also investigated. It was found that elevating the source leads to a reduction of the length of the heavy gas area. Once the source reaches a critical height, a heavy gas area at ground level no longer exists. Therefore, for release heights above the critical height, heavy gas dispersion effects can be neglected and the calculation of the heavy gas area according to VDI 3783 part 2 is therefore no longer necessary. The release of heavy gases can occur from a process plant as well as from a standard gas bottle. For the release of heavy gases from standard gas bottles, a mathematical model has been developed to predict the time-dependent mass flow. This model takes into account the time dependent temperature distribution of the bottle wall, and contains a detailed descriptionof the energy and mass balances as well as the possible occurrence of two-phase flow. To validate the model experimental studies with various gases, gas bottle sizes and bottle types were performed. The model predictions and the experimental data show good systematicagreement. T3 - BAM Dissertationsreihe - 101 KW - Schwergas KW - VDI 3783 KW - Risikoanalyse KW - Gasausbreitung KW - Gasfreisetzung PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-571 SN - 978-3-9815748-1-4 SN - 1613-4249 VL - 101 SP - 1 EP - 202 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-57 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Brauser, Stephan T1 - Phasenumwandlung und lokale mechanische Eigenschaften von TRIP Stahl beim simulierten und realen Widerstandspunktschweißprozess N2 - TRIP Stähle realisieren durch eine unter mechanischer Beanspruchung hervorgerufene Phasenumwandlung von metastabilen Austenit in Martensit (TRIP-Effekt) hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guten Verformungseigenschaften. Während der Verarbeitung dieser Werkstoffe mittels Widerstandspunktschweißen können unter den prozessspezifischen extremen Aufheiz- und Abkühlraten Modifikationen des Austenitanteils hervorgerufen werden die als Folge lokal zu einer Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften führen. Wesentliche Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher die Analyse der Gefügestruktur im Bereich einer Punktschweißverbindung hinsichtlich der Änderung des Austenitanteils und den daraus resultierenden Änderungen der lokalen mechanischen Eigenschaften unter besonderer Berücksichtigung des TRIP-Effekts. Durch in-situ Beugungsuntersuchungen mittels hochenergetischer Synchrotronstrahlung erfolgte zunächst die Quantifizierung des metastabilen Austenitanteils im unbehandelten Grundwerkstoff. Darauf aufbauend wurden unter definierten Temperaturprofilen in Ofenversuchen die grundlegenden Aspekte der thermisch bedingten Austenitumwandlung im Aufheiz- und Abkühlprozess untersucht. Durch Gleeble-Versuche und Ofenexperimente wurden weiterführend verschiedene Temperaturprofile mit unterschiedlichen im Punktschweißprozess lokal vorliegende Spitzentemperaturen genutzt um eine systematische Bewertung des Einflusses der Temperatur und der Aufheiz- sowie der Abkühlbedingungen auf den Austenitgehalt unter realen Bedingungen zu ermöglichen. Durch Korrelationsuntersuchungen zwischen den mechanischen Kennwerten thermisch präparierter Zugproben und den mittels Metallographisch wie auch röntgenographisch ermittelten Austenitgehalten konnten die metastabilen, d.h. umwandlungsfähigen Austenitanteile bestimmt werden. Schließlich erfolgte eine Bewertung hinschlich der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Widerstandspunktschweißverbindungen. Es wurde dabei der Nachweis erbracht, dass die Austenit-Martensit-Phasenumwandlung lediglich in einem lokal eng begrenzen Werkstoffbereich am Übergang WEZ/Grundwerkstoff wirksam werden kann. Demzufolge führt der TRIP-Effekt zu keiner signifikanten Beeinflussung von Festigkeits- und Verformungseigenschaften im Fügebereich von widerstandspunktgeschweißten TRIP Stählen. Die ermittelten mechanischen Kennwerte wurden abschließend als Eingangsdaten für die numerische Simulation des Verformungs- und Festigkeitsverhaltens von Punkschweißverbindungen genutzt. Dabei wurde insbesondere die Notwendigkeit der Implementierung von mechanischen Kenndaten der Wärmeeinflusszone für eine realitätsnahe Modellierung von Scherzugversuchen untersucht. N2 - TRIP steels give high strength along with good ductility owing to metastable austenite to martensite phase transformation (TRIP effect) caused by mechanical load. Under the extreme process-specific heating and cooling rates of resistance spot welding, These materials may undergo modifications in their austenite portion resulting in changed mechano-technological performance locally. The prime objective of this study was therefore to carry out microstructure analyses of the spot weld area in order to identify the modified portion of austenite and the resulting changes in local mechanical performance with specialconsideration of the TRIP effect. First, the metastable austenite portion in the unprocessed parent metal was quantified by in-situ diffraction using high energy synchrotron radiation. Next, the basic aspects of temperature dependent austenite transformation in the heating and cooling process were investigated in furnace experiments under defined temperature profiles. Continuative Gleeble tests and furnace experiments were conducted using various temperature profiles with different peaks occurring locally in the spot welding process in order to enable systematic assessment of the influence of temperature and of heating and cooling conditions on the austenite content under real conditions. Correlation experiments between the mechanical characteristics of thermally prepared tensile specimens and the metallographically and roentgenographically determined austenite contents allowed it to ascertain the metastable, i.e. transformable austenite portions. Finally, the results were evaluated concerning their transferability to real resistance spot welds. It was demonstrated that the austenite to martensite phase transformation can come into action only in a strongly localized material area in the transition zone between heat-affected zone and base metal. Consequently, the TRIP effect does not significantly affect the strength and ductility performance in the joining area of spot welded TRIP steels. The established mechanical characteristics were used as input data for numerical Simulation of the spot weld ductility and strength performance. Here, the attention was focused on the necessity of implementing mechanical characteristics of the heat-affected zone for realistic tensile shear test modelling. T3 - BAM Dissertationsreihe - 100 KW - TRIP Stahl KW - metastabiler Austenit KW - Phasenumwandlung KW - Punktschweißen KW - FE Simulation PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-580 SN - 978-3-9815748-0-7 SN - 1613-4249 VL - 100 SP - 1 EP - 165 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-58 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Natte, Kishore T1 - Synthesis of novel polymeric hybrid nanoparticles with enhanced interfacial and colloidal properties for biomedical studies N2 - Die geringe Größe von Nanopartikeln (Durchmesser < 100 nm) gewährleistet sowohl eine hohe spezifische Oberfläche sowie Permeabilität durch eine Vielzahl biologischer Systeme. Als Folge weisen Nanopartikel (NP) eine starke Wechselwirkung mit biologischen Systemen auf, wodurch diese in den letzten Jahren zunehmend in der biomedizinischen Forschung Anwendung fanden. Aufgrund der relativ geringen Toxizität sowie der Möglichkeit zur Einführung unterschiedlicher funktioneller Gruppen eignen sich besonders auf Siliziumdioxid (Silica)basierende Nanopartikel für biomedizinische Studien. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von neuartigen Hybrid-NP mit verbesserten Eigenschaften für biologische Studien. Insbesondere soll eine Unterdrückung der Proteinadsorption erlangt werden sowie stark fluoreszierende NP in Gegenwart serumreicher Medien erhalten werden. Zu Beginn wird der Syntheseweg zur Darstellung hoch fluoreszierender Silica-Nanopartikel präsentiert, durch kovalente Anbindung des Alexa Farbstoffs und nachfolgender Ummantelung durch eine zusätzliche Silicahülle. Diese Nanopartikel wurden mittels dynamischen Lichtstreuung (DLS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Letztgenannte Methode beinhaltet die Bestimmung der absoluten Quantenausbeute solcher streuenden Suspensionen mit einer integrierenden Kugelkonfiguration sowie die Zuordnung von Helligkeitswerten. Bei geringer Ausdehnung der Hülle zeigen Silica NP mit Kern-Schale Architektur eine glatte Oberfläche und hohe Quantenausbeuten, in Größenordnung der freien Farbstoffe. Eine Erhöhung der Menge an Hüllen-Precusor führt zu einer himbeerartigen Morphologie der Oberfläche und einer Verminderung der Quantenausbeute. Es folgt die Darstellung zweier unterschiedlicher Typen neuartiger Silica- Polyethylenglykolhybride NP (H-SiO2-PEG und G-SiO2@PEG) unter Verwendung desselben polymerprecursors oder desselben polymerprecursors: Der Einfluss der Konzentration des polymerpreursors Poly(ethylen glykol) methylether-3-(triethoxysilyl) propylurethan (mPEG- IPTES) auf die Partikeleigenschaften wurde ausführlich untersucht. Bei polymergepfropften NP bestimmt die Konzentration des polymer precursors die Dichte des angekoppelten PEGs und folglich die Hydrophobieder NP Oberfläche. Dagegen beeinflusst bei kondensierten NP der precursor die Partikelgröße, aber nicht die Dichte der Polymerketten auf der Oberfläche. Abschließend wird der Einfluss der Polymerlänge auf die Verminderung der BSA Adsorption beschrieben. SNPs@PEG mit verschiedenen Molekulargewichten des mPEG (Mw = 350, 2000 und 5000 g/mol) wurden an die NP Oberfläche durch nucleophile Substitution von tosyliertem mPEG an aminierte Silica NP kovalent angebunden (hemisches Pfropfen). Die resultierenden Hybrid-NP wurden einheitlich mittels DLS, TEM, Fourier- Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), thermogravimetrischer Analyse (TGA)und Photoelektronenspektroskopie (PES) charakterisiert. Bovine Serum Albumin (BSA) wurde in verschiedenen Konzentrationen als Modellprotein verwendet, um die Ausbildung der protein corona durch Adsorption an ursprünglichen sowie an modifizierten NP oder modifizierten NPs(SNPs@PEG) zu untersuchen. Das Zeta-Potenzial der ursprünglichen Silica NP sowie SNPs@PEG (Mw = 350 g/mol) zeigen eine dynamische Entwicklung der Nanopartikel- protein coronain Abhängigkeit von der Inkubationsdauer (0, 24, 48 h). Im Gegensatz hierzu konnte bei SNPs@PEG mit Mw 2000 g/mol eine signifikante Minderung der Ausbildung der protein corona sowie der zeitlichen Entwicklung beobachtet werden. Insgesamt wird die protein corona stark von den adsorptionshindernden Eigenschaften des PEGs beeinflusst. N2 - The reduced size of nanoparticles (diameter < 100 nm) confers them high specific surface areas and permeability through many biological pathways resulting in high interaction with biological systems. Therefore, in the recent years, nanoparticles (NPs) have increasingly found many applications in biomedical research. Herein, silica-based NPs are among the most promising candidates for biomedical studies due to their relative low toxicity and the possibility of functional variability. The main focus of this thesis work has been the synthesis and characterisation of novel hybrid NPs with enhanced properties for biomedical studies. More specifically, suppression of protein adsorption and achievement of highly fluorescent NPs in serum-rich media are well focused. First, a chemical strategy for the preparation of highly fluorescent silica nanoparticles by covalent attachment of Alexa dyes and subsequent shielding by an additional pure silica shell is well presented. These nanoparticles were investigated by Dynamic light scattering (DLS), Transmission electron microscopy (TEM) and fluorescence spectroscopy, the latter includes determination of absolute fluorescence quantum yields of such scattering suspensions with an integrating sphere setup and the assignment of fluorescence intensity values. At low shelling extension core-shell fluorescent silica nanoparticles show smooth surfaces and high quantum yields, even comparable to those for free dyes. However, by increasing the amount of shell precursor, nanoparticle surfaces show raspberry morphologies and decay of the quantum yields. Secondly, two different types of novel silica-poly(ethylene glycol) hybrid nanoparticles (H- SiO2-PEG and G- SiO2@PEG) have been synthesized by use of the same polymer precursor: Here the influence of concentration of the polymer precursor poly(ethylene glycol) methyl ether-3-(triethoxysilyl) propyl urethane (mPEG-IPTES) on the particle properties was scrutinised. For polymer grafted NPs, the concentration of polymer precursor increases the PEG density and the hydrophobicity of the NPs surface. On the other hand, for condensated NPs, the polymer precursor influences the size, but not the density of polymer chains on the NPs surface, which indicates that PEG on the surface of the NPs effectively reduces the adsorption of Bovine serum albumin (BSA). Finally, the influence of polymer length on the ability to repel BSA adsorption onto nanoparticles is reported. SNPs@PEG with different molecular weights (mPEG: 350, 2000 and 5000 g/mol) were synthesized by nucleophilic substitution of tosylated mPEG to aminated silica nanoparticles (chemical grafting). The resulted hybrid nanoparticles were consistently characterized by DLS, TEM, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). BSA at different concentrations were used as a model protein to study the protein-corona formation after adsorption onto the pristine and modified nanoparticles (SNPs@PEG). For pristine SNPs and SNPs@PEG (MW = 350 g/mol), zeta potential at different incubation times (0, 24 and 48 h) show a dynamic evolution of the nanoparticle-protein corona. Conversely, for SNPs@PEG with MW ≥ 2000 g/mol, a significant suppression of corona formation and time evolution was observed. In resume, protein corona is strongly influenced by the adsorption inhibition of PEG surfaces. T3 - BAM Dissertationsreihe - 99 KW - Silica KW - PEG KW - Fluoreszierende Nanopartikel KW - Hybridnanopartikel KW - Hybrid nanoparticles KW - Corona KW - Fluorescent particles PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-596 SN - 978-3-9815360-7-2 SN - 1613-4249 VL - 99 SP - 1 EP - 115 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-59 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Purohit, Purv J. T1 - Characterization of Polymer Nanocomposites based on Layered Double Hydroxide and Carbon Nanotubes N2 - Polymer based nanocomposites by melt blending of synthesized ZnAl-Layered Double Hydroxide (ZnAl-LDH) and Polyolefines [Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE)] and also Polylactide (PLA) with MgAl-LDH and multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNT) were investigated. The LDH was organically modified by using a surfactant sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) to increase the interlayer spacing of the LDH, so that polymer chains can intercalate the inter layer galleries. Some amount of maleic anhydride grafted PP and PE were incorporated in the nanocomposites based on PP and PE respectively to enable the interaction of the non-polar polymers (PP and PE) with the LDH. The resulting morphology was investigated by a combination of Differential Scanning Calorimeter (DSC), Small and Wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) and broadband dielectric relaxation spectroscopy (BDS). In case of LDH based nanocomposites (PP, PE and PLA), the homogeneity of the nanocomposites and the average number of stack size (4 – 7 layers) were determined using scanning micro focus SAXS (BESSY II). DSC investigations of PP and PE based LDH nanocomposites showed a linear decrease in crystallinity as a function of filler concentration. The extrapolation of this decreasing dependence to zero estimates a limiting concentration of 40 wt% and 45 wt% respectively. Above this amount of LDH the crystallinity of the polymers is completely suppressed. This finding is in agreement with WAXS investigations where the area below the crystalline reflections and amorphous halo were calculated and used to estimate the degree of crystallinity. PLA/LDH nanocomposites presented a little different behavior, the crystallinity of the polymer at first increases and then decreases as a function of LDH concentration. In this case the crystallinity will be suppressed at around 15 wt%. The dielectric spectra of the nanocomposites based on PP/LDH and PE/LDH show several relaxation processes which are discussed in detail. The intensity of the dynamic glass transition increases with the concentration of LDH. This is attributed to the increasing concentration of the exchanged anion dodecylbenzene sulfonate (SDBS) which is adsorbed at the LDH layers. Therefore, a detailed analysis of the β-relaxation provides information about the structure and the molecular dynamics in the interfacial region between the LDH layers and the polymer matrix which is otherwise dielectrically invisible (low dipole moment, non-polar). In case of PLA/LDH, three relaxation processes related to dynamic glass transition and one localized fluctuations were identified and analyzed in detail to understand the morphology. For this system, one dynamic glass transition process originates from the fluctuations of the interfacial molecules, second from the PLA matrix (polar polymer, C=O in the main chain) and the third from segments confined between the intercalated LDH sheets. Additional thermal investigations were carried out for PP/LDH and PLA/LDH samples. The increase in the rigid amorphous fraction (RAF) was observed in both the cases. This is attributed to the polymer molecules which are in close proximity to LDH sheets, as they hinder their mobility. This is analyzed in detail and related to the BDS results. PLA based MWCNT nanocomposites were investigated by BDS as initial result. The findings showed that between 0.5 and 1 wt% of CNT, a percolating network of the nanotubes is formed which leads to DC conductivity. This is due to the high aspect ratio of the CNTs and also the van der Waals interaction between the nanotubes which forms a network leading to conductivity. T3 - BAM Dissertationsreihe - 98 KW - Polymer Nanokomposite KW - Characterization KW - Carbon Nanotubes KW - Layered Double Hydroxide KW - Polymer KW - Nanocomposites KW - Hydrotalkit KW - Struktur-Eigenschaften Beziehungen KW - Charakterisierung KW - Kohlenstoffnanoröhren PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-604 SN - 978-3-9815360-6-5 SN - 1613-4249 VL - 98 SP - 1 EP - 144 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-60 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Günzel, Stephan T1 - Analyse der Schädigungsprozesse in einem kurzglasfaserverstärkten Polyamid unter mechanischer Belastung mittels Röntgenrefraktometrie, Bruchmechanik und Fraktografie N2 - In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten eines kurzglasfaserverstärkten Polyamids analysiert. Die Mikrorissschädigung wird mittels Röntgenrefraktionsanalyse für verschiedene mechanische Betriebsbelastungen untersucht. Dabei werden Möglichkeiten und Grenzen der Röntgenrefraktionsanalyse für kurzglasfaserverstärkte Polyamide herausgearbeitet. Insbesondere werden der Einfluss der Faserorientierungsverteilung und der Einfluss der Schädigungsmechanismen auf die Röntgenrefraktionsanalyse und deren Ergebnisinterpretation betrachtet. Die Methode ermöglicht eine quantitative und phänomenologisch basierte Mikrorissschädigungscharakterisierung. Für den untersuchten Werkstoff tritt Mikrorissschädigung in Form von Faser-Matrix-Ablösung und Matrixrissbildung auf. Die Schädigungshöhe korreliert linear mit dem nichtlinear elastischen Dehnungsanteil und ist abhängig von der Art der Betriebsbelastung. Eine Feuchtigkeitsaufnahme des Werkstoffs kann das Mikrorissschädigungsverhalten deutlich beeinflussen. Die Schädigung durch Mikrorissbildung tritt vorrangig unter Zugbelastungen auf. Die Makroschädigung durch Einzelrissfortschritt wird in Abhängigkeit der Faserorientierung und des Feuchtegehalts in einem automatisierten Versuch charakterisiert. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird ein empirisches Berechnungsmodell erstellt. Die Untersuchungen des Mikro- und Makroschädigungsverhaltens werden fraktografisch begleitet, um die in den Modellvorstellungen vorausgesetzten Schädigungs- und Versagensmechanismen abzusichern. N2 - This thesis presents an analysis of the damage behaviour in a short glass fibre reinforced polyamide. The micro cracking is investigated by X-ray refraction technique under various, mechanical in-service loadings. In this context, potentials and limits of X-ray refraction analysis for short glass fibre reinforced polyamides are compiled. In particular the influence of fibre orientation and the influence of damage mechanisms are examined according to the X-ray refraction analysis and its interpretation. The method offers a quantitative and phenomenological based characterisation of micro crack damage. For the investigated material micro crack damage emerges as fibre matrix debonding and matrix micro cracking. The state of damage correlates with a nonlinear strain portion in a linear manner and depends on the kind of loading. Absorption of moisture in the material may influence significantly the micro crack damage behaviour. Damage of micro cracking appears preferentially under tension. The macro damage due to propagation of a single crack is characterised in an automated test setup, considering the fibre orientation and content of moisture. Based on the findings an empirical assessment approach is developed. The investigations of the micro and macro damage behaviour are accompanied by fractography, in order to support the model assumptions according to damage and fracture mechanisms. T3 - BAM Dissertationsreihe - 97 KW - Schädigung KW - Betriebsfestigkeit KW - Kunststoff KW - faserverstärkt KW - zerstörungsfrei PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-617 SN - 978-3-9815360-4-1 SN - 1613-4249 VL - 97 SP - 1 EP - 188 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-61 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Scholz, Christian T1 - Low friction slip-rolling contacts - Influences of alternative steels, high performance thin film coatings and lubricants N2 - Due to the growing environmental awareness worldwide, containment provisions for CO2 emissions in mobility systems and increasing performance requirements the demands on mechanical systems and their materials continuously rise. These high demands require the implementation of new technical approaches, for example of light-weight strategies in automotive powertrains, and directly raise questions about the suitability of the most promising technical solution. Two basic parameters, the surface hardness of the tooth flanks and the core fatigue strength of the tooth root, illustrate exemplarily increasing demands on material grades used for gear wheels in automotive powertrains. In addition to light-weight strategies, a reduction in friction and an increase of the fatigue lifetime are two other major development directions to strive the mentioned targets. It is clear that any kind of solution must show an equal application profile, preferably an improvement, compared to the state-of- the-art solutions. For tribological systems, the following paths may offer lower friction and higher load carrying capabilities: 1. Alternative base oils and additives (such as esters, polyglycols), 2. Thin film coatings (e.g. DLC) and/or 3. Novel steel metallurgies. In previous investigations on the slip-rolling resistance of thin film coatings (a-C, ta-C, Zr(C,N)) the substrates were mainly made of the bearing steels 100Cr6H and Cronidur 30. Applying contact pressures of up to P0max = 2.9 GPa (FN = 2,000 N), the samples were tested up to 10 million load cycles in endurance tests. The aim of the present work is to broaden the research by varying the input parameters. Newly developed engine oil mixtures, high performance thin film coatings and alternative steel solutions are intensively investigated in highly stressed slip-rolling contacts at lubricant temperatures of 120°C. Specifically, in using new steel metallurgies, i.e. the high toughness and high strength steels V300 and NC310YW (Aubert & Duval) as well as CSS-42L (Latrobe Specialty Steel Company), in combination with thin film coatings, even if they compete in the uncoated state, the Hertzian contact pressures could be increased up to P0max = 4.2 GPa (FN = 5,000 N) without any surface failures of coating or substrate. It was shown that selected thin film coatings can minimize the wear rates down to nearly ‘zero-wear’ in highly stressed contacts [Woy08] [Woy11]. In addition, the studies revealed not only the high potential in slip-rolling resistance, but also a possible friction reduction down to 0.047 by use of uncoated steels with increased toughness. Compared to steels like 100Cr6H and Cronidur 30 this means a reduction in friction of approximately 40% under identical testing conditions. Different test series with newly developed base oil-additive formulations were investigated with specific emphasis on the frictional behavior of selected bio-no-tox EP/AW additives and friction modifiers. Additional influencing factors like the structural and surface conditions of the steels/coatings before and after the tests were analyzed by means of REM, EDX, XRD and TEM. T3 - BAM Dissertationsreihe - 96 KW - hoch zähe Si-Stähle KW - geringe Reibung KW - DLC KW - Zr (C, N) PY - 2013 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-624 SN - 978-3-9815134-2-7 SN - 1613-4249 VL - 96 SP - 1 EP - 153 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-62 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Maack, Stefan T1 - Untersuchungen zum Schallfeld niederfrequenter Ultraschallprüfköpfe für die Anwendung im Bauwesen N2 - Durch intensive praxisbezogene Forschung konnte in den letzten Jahrzehnten das Spektrum der zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen deutlich erweitert werden. Die akustischen Methoden im Bereich des Niederfrequenz-Ultraschalls nehmen hierbei eine zentrale Rolle ein. Mit der Einführung von kontaktmittelfrei arbeitenden Prüfköpfen gelang es schließlich, eine breite Akzeptanz für diese Untersuchungsmethode in der Praxis zu erzielen. Bedingt durch die oft großen Untersuchungsflächen, rückte die Dauer der Messdatenaufnahme unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten immer mehr in den Fokus der Forschung. Eine Optimierung der Messzeit durch den Einsatz von vollautomatischen Scannern oder von parallel arbeitenden Prüfköpfen ist nur einem begrenzten Umfang möglich. In der Grundlagenarbeit „Luftgekoppeltes Ultraschallecho-Verfahren für Betonbauteile“ zeigt Herr Dr.- Ing. B. Gräfe das Potenzial der berührungslos arbeitenden Schallanregung hinsichtlich der Verringerung der Messzeit auf. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, grundlegende Fragestellungen für eine baupraktische Anwendung des luftgekoppelten Ultraschallecho-Verfahrens zu beantworten. Die sich ausbildenden Wellenarten hängen maßgeblich vom Winkel, unter dem der Schallimpuls aus der Luft auf die Oberfläche auftrifft und dem Abstand des Prüfkopfes zum Bauteil ab. Ein zentraler Punkt ist daher die genaue Kenntnis der Eigenschaften der angeregten Schallfelder unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen. Mit der physikalischen Beschreibung des Schallfeldes ist es möglich, das Messverfahren hinsichtlich der verschieden gestellten Prüfaufgaben zu optimieren und Auswertungs- algorithmen zur sicheren Interpretation der Messdaten zu entwickeln. Recherchen zum Thema der Schallfeldanalysen in Festkörpern im Niederfrequenz-Bereich ergaben, dass auch die Kenntnisse zu den bereits weitverbreiteten Kontaktprüfköpfen nicht in einem ausreichenden Umfang messtechnisch abgesichert waren. Daher wurden diese ebenfalls in das Messprogramm aufgenommen. Für die Bestimmung der Kennwerte des Schallfeldes von Ultraschallprüfköpfen wurde ein Prüfstand geplant und gebaut. Das Konzept des Prüfstandes ist so ausgerichtet, dass neben der räumlichen Erfassung des Schallfeldes zusätzlich die stofflichen Einflüsse des durchschallten Mediums erfasst werden. Dies wird durch die Messung an halbkugelförmigen Probekörpern mit unterschiedlichen Durchmessern erreicht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf dem Werkstoff Beton. Bei dem Probenmaterial handelt es sich um einen selbstverdichtenden Beton, dessen Zusammensetzung geringe schallschwächende Eigenschaften aufweist. Die Rezepturen für diese Betone wurden an der Technischen Universität Berlin entwickelt. Es wurden Serien von jeweils vier Probekörpern unterschiedlicher Materialeigenschaften hergestellt. Variiert wurde bei den Serien der Probekörper die Größe der Gesteinskörnung, um eine erste Einschätzung des Einflusses der Materialzusammen- setzung auf das Schallfeld vornehmen zu können. Die Messdaten werden mit einer eigenständig entwickelten Software aufgezeichnet und ausgewertet. Aus den experimentell gewonnenen Kennwerten werden anschließend erstmalig räumliche Schallfelder für den Niederfrequenz-Bereich im Beton berechnet. Die Verifikation der Messergebnisse erfolgte durch den Einsatz unterschiedlicher Simulationsverfahren, die durch Partnerinstitute durchgeführt wurden. Im baupraktischen Teil der Arbeit werden die Erfahrungen aus realen Schadensanalysen präsentiert. Hierauf aufbauend wurden im Rahmen einer parallel laufenden Forschungsarbeit Probekörper hergestellt, an denen erste Untersuchungen mit einer luftgekoppelten Schallanregung durchgeführt wurden. Zu diesem Zweck wurden neben den Schallfeldanalysen Parameterstudien zu den optimalen Bedingungen der Schallanregung notwendig. Insbesondere die Oberflächenwellen und deren störender Einfluss wurden hierbei systematisch untersucht. Neben der Präsentation erfolgreicher Ergebnisse werden auch die gegenwärtigen Grenzen des Verfahrens aufgezeigt. N2 - Using intensive practical research, the spectrum of non-destructive testing methods has been able to be clearly extended in civil engineering over recent decades. Low frequency ultrasound plays a central role in the acoustic methods in this sector. Finally, with the introduction of contact agent-free testing heads, success was achieved in gaining wide acceptance for this Investigation method in practice. Conditioned by the often large surfaces, the duration of the measuring data itself came ever more into focus of the research, with regard to an economic point of view. An optimisation of the measuring time with the application of fully automatic scanners or from in-parallel working test heads is possible only to a limited extent. In the basic underlying work, qualified engineer Mr. B Gräfe shows with his work "Luftgekoppeltes Ultraschallecho-Verfahren für Betonbauteile“, the potential of contact agent-free clangour with regard to the reduction of overall measuring time. It is the aim of this work to provide answers to the basic questions regarding practical construction problems of the air-coupled ultrasonic echo procedure. The resulting waves depend on the angle at which the sound impulse meets the surface, as well as the distance of the test head to the component itself. A central criteria is the precise knowledge of the qualities of the animated sound fields whilst taking into consideration these Framework conditions. Using a physical description of the sound field it is possible to optimise the test results with regard to the various measuring procedures and develop evaluation algorithms for secure interpretation of the measuring data. Research on the subject of sound field analyses in solid states in low frequency Areas proved that the knowledge regarding widespread contact test heads has not been sufficiently metrologically secured. For this reason, these were also considered in the measuring programme. For regulation of the sound field core values for the ultrasonic test heads, a test bench was planned and constructed. The test bench concept was so targeted that, in addition to the spatial capture of the sound field, the seismic influence of the material could also be registered. This was achieved using hemispherically-shaped test bodies with differing diameters. The main focus of the investigation was on concrete. The test material was self-compacting concrete, and ist composition displayed low sound-proofing qualities. The recipes for this concrete were developed at the University of Technology in Berlin. These were developed as a series of four test bodies, in each case. The variable introduced were a size variety of coarse aggregate in order to obtain an initial idea of the influence of the material composition on the sound field. The measuring data was recorded on independently developed software and evaluated. Using the data gleaned from the experimental stage, initial calculations for spatial sound fields were made to assess low frequency response in concrete. The verification of these measuring results occurred via the application of a variety of simulation procedures which were carried out by partner institutes. In the practical construction section, experiences from genuine damage analyses are presented. Building on these results, test bodies were constructed in a parallel-running research project, whose initial investigations were carried out using an air-coupled sound source. For this purpose, parameter studies to ascertain the optimum conditions of the sound source became necessary, in addition to the sound field analyses. In particular, surface waves and their annoying influence were systematically examined. As well as the presentation of successful results, the present borders of the procedure have also been indicated. T3 - BAM Dissertationsreihe - 95 KW - Schallfeld KW - Ultraschall KW - Richtcharakteristik KW - Bauwesen KW - Werkstoffprüfung PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-633 SN - 978-3-9815134-0-3 SN - 1613-4249 VL - 95 SP - 1 EP - 182 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-63 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Dutschke, Andreas T1 - Systematische Analyse von Reaktionsprodukten beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen aus dem Indoor-Bereich N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der systematischen Untersuchung von gas- und aerosolförmigen Reaktionsprodukten beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenstanden für den Indoor-Bereich. Dazu wurden alle Parameter der in meiner Diplomarbeit eigens dafür konstruierten Messkammer optimiert und eine Vielzahl an pyrotechnischen Gegenständen vermessen. Die Resultate wurden mit Messungen unter realen Bedingungen verglichen. Zur besseren Beurteilung wurden zusätzlich Emissionsmessungen bei fünf verschiedenen Feuerwerksshows, sowohl Indoor als auch Outdoor, durchgeführt. Als Hauptergebnis konnte festgestellt werden, dass die gas- und aerosolförmigen Reaktionsprodukte unabhängig von dem pyrotechnischen Gegenstand online und mit einer guten Zeitauflösung in der Messkammer detektierbar sind. Eine Korrelation der Resultate zu den Messungen unter realen Bedingungen konnte hergestellt werden. Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass der Effekt der als raucharm deklarierten pyrotechnischen Gegenstände nicht durch geringere Anzahlkonzentrationen, sondern durch geringere Durchmesser der entstehenden Aerosole erzielt wurde. Resultierend daraus waren mehr Partikel alveolengängig. N2 - This work shows results of a systematic investigation of gaseous and aerosol-type reaction products emitted by pyrotechnical articles for indoor use. An optimization of all parameters of the measuring chamber, specially designed in my thesis, was done and various pyrotechnical articles were gauged. The results were compared with measurements under realistic conditions. For a better evaluation, emission measurements were done at five firework displays, indoor as well as outdoor. As a main result, it was found that the gaseous and aerosol-type reaction products are detectable in the measuring chamber online and with a good demand interval, independent of the kind of pyrotechnical article. Also, correlations to the results under realistic conditions were found. Furthermore, it was verified that the effect of so-called smokeless pyrotechnical articles were not reached through smaller number concentrations, but through smaller diameters of the emitted aerosols. The outcome of this was that more particles were alveolar. T3 - BAM Dissertationsreihe - 94 KW - Indoorpyrotechnik KW - Aerosole KW - Reaktionsgase KW - Referenzwerte KW - Großfeuerwerk PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-642 SN - 978-3-9815134-9-3 SN - 1613-4249 VL - 94 SP - 1 EP - 247 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-64 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Habib, Abdel Karim T1 - Instationäre Berechnung der Lachenverdunstung mittels eines Grenzschichtverfahrens N2 - Im Rahmen von Auswirkungsbetrachtungen, wie sie bei Sicherheitsberichten oder Risikoanalysen erforderlich sind, sind oft Szenarien mit einer Lachenverdunstung von brennbaren und/oder toxischen Flüssigkeiten zu untersuchen. Wesentliche Einflussgrössen für die Konzentrationsverteilung in der Umgebung sind der Verdunstungsmassenstrom, das Lachenwachstum und die Gasausbreitung. Bisher werden für diese Berechnungen mehrere Modelle mit unterschiedlicher Genauigkeit miteinander gekoppelt. In dieser Arbeit wird ein instationäres turbulentes Grenzschichtverfahren vorgestellt, das mit dem Ziel entwickelt wurde, bei relativ geringem Rechenaufwand eine genauere Berechnung des Verdunstungsmassenstromes zu ermöglichen, sowie ausgehend von der Freisetzung aus der Lache direkt die Konzentrationsverteilung in der Umgebung ermitteln zu können. Im Vergleich zu in der Literatur veröffentlichten und eigenen experimentellen Untersuchungen zeigt sich, dass das hier entwickelte Grenzschichtverfahren bei der Berechnung des Verdunstungsmassenstromes mindestens auf dem Niveau der besten empirischen Modelle liegt. Die instationäre Formulierung der Grenzschichtgleichungen ermöglicht zudem eine zeitabhängige Betrachtung der in der Lache herrschenden Temperaturen, des Massenstromes sowie der Konzentrationsverteilung in der Umgebung. Des weiteren ermöglicht das instationäre Grenzschichtverfahren die direkte Bestimmung der explosionsfähigen Masse in der Gaswolke über der Lache und die Berechnung des Massenstromes bei der Verdampfung von siedenden Flüssigkeiten mit anschließender Unterkühlung und Übergang zur Verdunstung. T3 - BAM Dissertationsreihe - 93 KW - Grenzschichtgleichungen KW - Stoffübergang KW - Gasausbreitung KW - Verdunstung KW - Instationär PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-652 SN - 978-3-9815134-8-6 SN - 1613-4249 VL - 93 SP - 1 EP - 129 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-65 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Perret, Birgit T1 - Neuartige halogenfreie Flammschutzmittel für schnell härtende Epoxidharzsysteme und deren kohlefaserverstärkte Komposite in Automobilbau und Luftfahrt N2 - Phosphorhaltiger Flammschutz als effektive halogenfreie Alternative in Epoxidharzen rückt immer mehr in den Blickpunkt des Interesses. Oft werden kommerzielle additive Flammschutzmittel verwendet, die zu Einbußen vor allem in der Mechanik führen. Zusätze, wie Kohlefasern beeinflussen die Wirkungsmechanismen und Effektivitäten der Flammschutzmittel zusätzlich. Der Anteil an optimal an die Epoxidharzmatrix angepassten additiven Flammschutzmitteln ist bisher gering, da ein tieferes Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und den daraus resultierenden vorherrschenden Flammschutzmechanismen und Einflüssen von Additiven fehlt. In der vorliegenden Arbeit wurden Flammschutzmechanismen von systematisch varrierten neuartigen oligomeren Flammschutzmitteladditiven auf Phosphorbasis in zwei in der Industrie gebräuchlichen Epoxidharzen, DGEBA/DMC und RTM6, aufgeklärt und ein Vergleich der Wirkungsweisen der Flammschutzmittel in beiden Harzen gezogen. Das Brandverhalten wurde charakterisiert und die Effizienz der Flammschutzmittel bewertet. Der Einfluss von Kohlefasern auf die Wirkungsmechanismen und das Brandverhalten wurde untersucht und die Effizienz der Flammschutzmittel in den Kompositen mit den Reinharzen verglichen. Das thermische Zersetzungsverhalten wurde mittels TG ermittelt. Produkte aus der Gasphase wurden mit TG- FTIR identifiziert und Wechselwirkungen in der kondensierten Phase online in einer mit FTIR gekoppelten hot- stage Zelle charakterisiert. Intrinsische Brandeigenschaften wurden mit dem Bombenkalorimeter und dem PCFC, die Entflammbarkeit mit LOI und UL 94 bestimmt. Das Brandverhalten wurde anhand von Cone Calorimeter Messungen unter Berücksichtigung verschiedener Brandzenarien beurteilt und die Brandrückstände mittels Elementaranalyse, REM und μ-CT untersucht. Durch die sternförmige Struktur sind die untersuchten Flammschutzmittel gut mit der Harzmatrix mischbar, ihr Einfluss auf die Mechanik ist gering und auf die Glasübergangstemperaturen moderat. In DGEBA/DMC wirken alle Flammschutzmittel hauptsächlich in der Gasphase, in RTM6 sowohl in der Gas- als auch kondensierten Phase. Die Wirkungsweise hängt maßgeblich von vier Faktoren ab: in den Harzen von der strukturellen Beschaffenheit, sowie den Abbautemperaturen, in den Flammschutzmitteln von der hydrolytischen Stabilität, sowie der chemischen Umgebung der Phosphorgruppen. Diese vier Faktoren steuern die Bildung reaktiver Gruppen von Harz und Flammschutzmittel in der kondensierten Phase, die zu Vernetzungsreaktionen führen. Unabhängig von der Wirkung in der Gas- oder kondensierten Phase oder in beiden, reduzieren alle untersuchten Flammschutzmittel das Brandrisiko drastisch, wobei die Kombination aus Gas- und Festphasenaktivität in RTM6 zu einer etwas besseren Effektivität führt. Die Performance in der Entflammbarkeit wird mit Zugabe der Flammschutzmittel in beiden Harzen hinsichtlich des LOI verbessert. Im UL 94 bewirkt die alleinige Gasphasenaktivität der untersuchten Flammschutzmittel in DGEBA/DMC keine Verbesserung, während das Zusammenspiel von Gas- und Festphasenaktivität in RTM6 zur besten Klassifizierung im UL 94 führt. Der Einsatz von Kohlefasern mindert zwar die Wirkung in der kondensierten Phase, die Effizienz der Flammschutzmittel wird auf Grund der weiterhin vorherrschenden Gasphasenaktivität jedoch nur geringfügig beeinflusst. Im LOI führt die Kombination aus X Kohlefasern und Flammschutzmitteln zu teilweise drastischen Steigerungen auf Grund von synergistischen Effekten insbesondere in RTM6. Die Ergebnisse liefern ein umfassendes Verständnis über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen phosphorhaltiger Flammschutzmittel und Additive in Epoxidharzen. Die aufgeklärten Wirkungsmechanismen bilden wesentliche Grundlagen für die Weiterentwicklung und Optimierung des Flammschutzes in Epoxidharzen. Unter Berücksichtigung mechanischer Eigenschaften, thermischer Stabilitäten und Flammschutzeffizienz wurden mehrere optimale Flammschutzlösungen gefunden N2 - Phosphorous-containing flame retardants as an effective alternative to halogen-containing ones are attracting growing interest for the use in epoxy resins. Commercially available additive flame retardants often lead to the deterioration of certain material properties, particularly in the mechanical properties. Additives like carbon fibres further influence the mechanisms of action and the effectiveness of flame retardants. The percentage of flame retardants that are adapted perfectly to the epoxy matrix is negligible so far, since deeper understanding is lacking of the structure-property relationships and the flame-retarding mechanisms they entail, not to mention the influence of additives. The present study elucidates the flame-retarding mechanisms of different novel oligomeric flame retardant additives based on phosphorous, which are added to two industrially used epoxy matrices, DGEBA/DMC and RTM6. The mechanisms of action of These systematically varied flame retardants were compared in both epoxy resins. The burning behaviour was characterised and the efficiency of the flame retardants was estimated. The influence of carbon fibres on the flame-retarding mechanisms and burning behaviour was investigated, and the efficiency of the flame retardants in the composites was compared with that of the bulk materials. The thermal decomposition behaviour was investigated using a TG. Volatile products in the gas phase were identified using a TG-FTIR. Interactions in the condensed phase were characterised online using an FTIR coupled with a hot-stage cell. Intrinsic fire properties were examined with a bomb calorimeter and PCFC, and flammability with LOI and UL 94. The burning behaviour was evaluated via a cone calorimeter under consideration of different fire scenarios. The fire residues were investigated using elemental analysis, REM and μ-CT. All investigated flame retardants are well miscible due to their star-shaped structure, and they have a minor influence on the mechanical properties and a moderate one on the glasstransition temperature. In DGEBA/DMC all flame retardants work mainly in the gas phase. In RTM6 they work in the gas phase as well as in the condensed phase. The mechanism of action is strongly dependent on four parameters: in the epoxy resins, on their structure and the decomposition temperatures resulting from their structure; in the flame retardants, on the hydrolytical stability and chemical environment of the phosphorous. These four parameters control the formation of reactive groups from the epoxy resins and the flame retardants in the condensed phase, which lead to cross-linking reactions. Independent of the action in the gas and/or condensed phase, all flame retardants drastically reduce the fire risk, whereas the combination of gas-phase and condensed-phase action in RTM6 yields slightly better efficiency. The flammability performance with regard to the LOI increases with addition of the flame retardants. In the UL 94, for the investigated flame retardants in DGEBA/DMC, the gas-phase action alone does not improve performance, while the interplay of gas-phase and condensed-phase action in RTM6 leads to the best classification in UL 94. Indeed, the use of carbon fibres decreases the action in the condensed phase, while the efficiency of the flame retardants with respect to the gas-Phase action is influenced only slightly. In the LOI the combination of carbon fibres and flame retardants leads to some drastic increases due to synergistic effects, particularly in RTM6. T3 - BAM Dissertationsreihe - 92 KW - Flammschutzmittel KW - carbon fibre composites KW - burning behavior KW - decomposition mechanisms KW - Epoxidharze KW - Abbaumechanismen KW - Brandverhalten KW - Kohlefaserkomposite KW - Flame retardants KW - epoxy resins PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-660 SN - 978-3-9815134-7-9 SN - 1613-4249 VL - 92 SP - 1 EP - 178 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-66 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schlichting, Joachim T1 - Integrale Verfahren der aktiven Infrarotthermografie N2 - Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine Aufgabe von großer Bedeutung, sowohl aus wirtschaftlicher Perspektive, als auch um die notwendige Sicherheit technischer Systeme gewährleisten zu können. Mit der Thermografie steht eine schnelle und berührungslose Prüftechnik zur Verfügung, die nicht zuletzt wegen der rapiden Entwicklung auf dem Gebiet der Infrarotkameras in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erfährt. Typischerweise werden thermografisch oberflächennahe, parallel zur Oberfläche ausgedehnte Defekte nachgewiesen. In dieser Arbeit werden zwei untypische Prüfprobleme gelöst. An Punktschweißverbindungen wird mit der Linsengröße eine Struktur in der Mitte der Probe mittels Blitzlichtthermografie indirekt vermessen. Hier können typische Fehlerbilder wie Klebverbindungen und Spritzer sicher erkannt werden, was statistisch abgesichert durch eine Serienmessung und den Vergleich mit zerstörender Prüfung gezeigt wird. Ein Beispiel für orthogonal zur Oberfläche orientierte Fehlstellen stellen Risse dar, wie sie beispielsweise in Schweißnähtenn häufig auftreten. Neben der Entwicklung eines Verfahrens zur Detektion von Rissen, welches auf kommerziell erhältlichen Geräten aufbaut, wurde in Experimenten und Finite-Elemente-Simulationen untersucht, inwieweit sich auch die geometrischen Eigenschaften bestimmen lassen. Mit einem Verfahren, das ebenso wie die Methode zur Prüfung der Schweißpunkte auf der Analyse zeitlich und räumlich integraler Größen basiert, die vom thermischen Widerstand abhängen, ist die gleichzeitige Bestimmung von Winkel und Tiefe möglich. N2 - Non-destructive evaluation is a task of utmost importance for both, the economic point of view and to guarantee the required safety and reliability of technical systems. Thermography is a fast and contactless technique which received continued attention not least through the significant price drop at the infrared camera market. It is typically used to detect near-surface defects which are expanded parallel to the surface. This thesis deals with two non-standard inspection tasks. With the weld lens diameter of spot welds, a feature in the sample's geometrical center is indirectly sized by ash thermography. The presented method is suitable to distinguish typical error classes like stick welds or expulsions. This fact is validated by statistical evaluations of thermographic and destructive test series. As an example for perpendicularly oriented imperfections, surface cracks are investigated, which can be a major problem at welding seams. A technique for detecting cracks entirely based on commercially available equipment is developed. In addition, the accessibility of geometric characteristics of cracks was examined by experiments and FEM-simulations. Similar to the method developed for assessing spot welds, an approach based on the analysis of spatial and temporal integral quantities which depend on the thermal resistance is used. In doing so, the simultaneous determination of crack angle and depth is possible. T3 - BAM Dissertationsreihe - 91 KW - Aktive Thermografie KW - FEM KW - Spot Welding KW - Cracks KW - Nondesstructive Evaluation KW - Active Thermography KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Punktschweißen KW - Risse KW - FEM PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-676 SN - 978-3-9815134-6-2 SN - 1613-4249 VL - 91 SP - 1 EP - 209 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-67 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Seefeldt, Henrik T1 - Flame retardancy of wood-plastic composites N2 - Über das Brandverhalten von „Wood-plastic Composites“ (WPCs) und deren Flammschutz ist bislang wenig bekannt. Die Verwendung von WPCs ist in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Vor allem in ihrem Hauptanwendungsgebiet als Bodenbeläge verzeichnen WPC Materialien einen großen Marktanteil. Bis jetzt existiert jedoch noch keine Flammschutzlösung, die alle nötigen Anforderungen im Bauwesen erfüllt. Flammgeschützte Materialien sind jedoch vor allem für Innenanwendungen und im Bereich von Fluchtwegen unabdingbar. In dieser Arbeit werden zum einen grundlegende Mechanismen über das Brandverhalten von WPCs aufgeklärt. Zum anderen werden die Wirksamkeit und die Wirkungsweise verschiedener Flammschutzmitteln in WPC Materialien untersucht. Ein spezielles Augenmerk wird dabei auch auf Endprodukte aus WPC Materialien gelegt. WPC wurde dabei in seiner Hauptanwendung als Fußbodenbelag untersucht. Das Brandverhalten wurde für Materialien und Produkte mit Hilfe von „Cone Calorimeter“ Untersuchungen und „Radiant Panel Tests“ bestimmt. Zudem wurden numerische Simulationen genutzt, um den Einfluss verschiedener thermischer Materialparameter auf das Brandverhalten zu erforschen. Desweiteren wurde das thermische Zersetzungsverhalten mittels thermogravimetrischer Methoden und spektroskopischen Untersuchungen ermittelt. Auf dessen Grundlage konnten Abbaumechanismen für WPC Materialen in Verbindung mit verschiedenen Flammschutzmitteln erstellt werden. WPCs zeigen das gleiche Brandverhalten wie Holz, auf Grund des polymeren Anteils ist jedoch die Wärmefreisetzungsrate während der Verbrennung stark erhöht. Es konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten Flammschutzmittel einen positiven Effekt auf das Brandverhalten von WPCs hatten. Beste Ergebnisse wurden durch Ammonium-Polyphosphat, Paxymer und expandierbaren Graphit erzielt. Expandierbarer Graphit war besonders in Verbindung mit rotem Phosphor sehr wirksam, da der Phosphor den gebildeten Rückstand stabilisierte. Neben dem Einfluss von Flammschutzmitteln konnte gezeigt werden, dass für WPC Fußbodendielen auch andere Einflussfaktoren, wie die Geometrie und der Feuchtigkeitsgehalt eine wichtige Rolle spielen. So weisen Hohlkammerprofildielen im Vergleich zu Vollprofilproben zwar eine verminderte Menge an brennbarem Material auf, die Flammenausbreitung ist jedoch stark erhöht. N2 - Up to now only little knowledge has been recorded about the fire behavior and flame retardancy of wood-plastic composites (WPCs). The use of WPCs has increased continuously in recent years. Especially in their main field of application as a decking material, WPCs present a big share of the market. To date no flame-retarded solution has been introduced for WPC materials that fulfils the necessary requirements. But flameretarded materials are indispensable, especially for indoor use and the protection of escape routes. In this study basic knowledge about the fire behavior of WPCs is investigated first. Second, the effectiveness and mode of action of different flame-retardant additives is investigated. Special attention is drawn to products made of WPC material. Therefore WPC was further investigated in its main field of application as decking boards. The fire behavior of materials and products was investigated by means of cone calorimeter measurements as well as radiant panel tests. Furthermore numerical simulations were carried out to study the effects of various thermal material properties on burning behavior. Thermal decomposition was studied using thermogravimetric methods and spectroscopic investigations. Against this background, models for thermal decomposition pathways were built for combinations of WPC material with different flame retardants. WPCs show burning behavior similar to that of pure wood samples with an increased heat release rate due to polymeric fractions. It is shown that all investigated flame retardants had a positive effect on the burning behavior of WPCs. The best results were achieved by the flame retardants ammonium polyphosphate, Paxymer and expandable graphite. Especially in combination with red phosphorus, expandable graphite was highly effective because red phosphorus stabilized formed residue. Apart from the influence of flame retardants, other influencing factors like geometry and moisture content also played an important role concerning the flame retardancy of WPC decking boards. Indeed, hollow decking boards offer a reduced amount of combustible material, but their flame spread is increased in comparison to solid samples. T3 - BAM Dissertationsreihe - 90 PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-684 SN - 978-3-9815134-5-5 SN - 1613-4249 VL - 90 SP - 1 EP - 107 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-68 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nooke, Alida T1 - Gas Detection by Means of Surface Plasmon Resonance Enhanced Ellipsometry N2 - In dieser Arbeit wurde der Nutzen von Ellipsometrie in Kombination mit Oberflächenplasmonen- resonanz an 40 - 50 nm Goldschichten als Sensorsystem für sicherheitstechnisch relevante Gase untersucht. Eine Kretschmann Konfiguration bestehend aus einem BK7 Glasprisma und einem mit dem Gold beschichteten BK7 Glasplättchen wurde auf einer Kupfermesszelle platziert, durch welche die Gase mit definiertem Volumenstrom geleitet wurden. Untersucht wurden verschiedenste Gase: entzündliche wie Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff, oxidierende wie Sauerstoff und Ozon, toxische wie Kohlenmonoxid und inerte wie Helium und Stickstoff. Durch Einstellen eines festen Einfallswinkels und unter Benutzung des ellipsometrischen Parameters Δ als Messgröße konnten geringste Änderungen in der Gasphase detektiert werden. Die reinen Gase konnten anhand ihres Brechungsindexes unterschieden werden, wobei die Änderung der Gasatmosphäre in Δ einen Anstieg bzw. Abfall relativ zum Referenzgas (Luft oder Stickstoff) hervorrief. Die Analytgase wurden mit dem Referenzgas zu kleineren Konzentrationen gemischt und so die Nachweisgrenzen bestimmt, welche im niedrigen %-Bereich lagen. Zur Verbesserung des Sensors bezüglich der Langzeitstabilität wurden die Goldschichten zusätzlich mit 3 - 10 nm anorganischem Material (TiO2, ZrO2, MgF2 bzw. Fe: SnO2) beschichtet. Jede Schicht wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie sowie Rasterkraftmikroskopie untersucht um Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten. Mittels spektroskopischer Ellipsometrie wurden die optischen Konstanten sowie die Schichtdicken bestimmt. Alle Zusatzschichten schützten die Goldschicht vor unerwünschten Kontaminationen und verlängerten so die Lebensdauer des Sensors. Außerdem konnten die Nachweisgrenzen deutlich verbessert werden, welche mit den Zusatzschichten im unteren ppm-Bereich lagen. Eine besondere Eigenschaft konnte bei Fe: SnO2 beobachtet werden: durch die Eisendotierung ist das Material besonders sensitiv gegenüber dem giftigen Gas Kohlenstoffmonoxid, so dass Konzentrationen unter 1 ppm nachgewiesen werden konnten. Im Hinblick auf eine zukünftige industrielle Nutzung wurde dieses Sensorsystem an ein handelsübliches Rohr montiert, um so Puls- sowie Druckmessungen durchzuführen. Die potentiell ablaufenden Mechanismen an der Sensoroberfläche und denkbare zukünftige Anwendungsmöglichkeiten wurden diskutiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Ellipsometrie in Kombination mit Oberflächenplasmonenresonanz als sensitive, schnelle Sensormethode zur Gasmessung genutzt werden kann und dass das Potenzial zu einer industriellen Nutzung gegeben ist. N2 - This thesis investigated gas sensing by means of surface plasmon resonance enhanced ellipsometry. Surface plasmons were excited in a 40 - 50 nm gold layer by a He-Ne-laser using the Kretschmann configuration, which was arranged on a self-made copper measuring cell. A fixed angle of incidence and the ellipsometric parameter Δ as the measured value were used to monitor changes in the gas phase. Different types of gases were investigated: flammable (hydrocarbons and hydrogen), oxidising (oxygen and ozone), toxic (carbon monoxide) and inert (helium and nitrogen). The gas types can be distinguished by their refractive indices, whereas the sensor responds instantly relative to the reference gas with an increase or a decrease in Δ. Diluting the analyte gas with a reference gas (nitrogen or air) allowed the detection limits to be determined, these lay in the low % range. The sensor stability was also enhanced as well as the sensitivity by modifying the gold layers with a 3-10 nm additional layer. These additional layers consisted of the inorganic materials TiO2, ZrO2, MgF2 and Fe: SnO2 which were deposited by different coating processes. Surface investigations were made of every utilised layer: scanning electron microscope and atomic force microscope measurements for surface topology and spectroscopic ellipsometry mapping to determine the optical constants and the layer thicknesses. All applied materials protected the gold layer from contaminations and thus prolonged the life span of the sensor. Furthermore, the detection limits were reduced significantly, to the low ppm range. The material Fe: SnO2 demonstrates a special behaviour in reaction with the toxic gas carbon monoxide: Due to the iron doping, the response to carbon monoxide is extraordinary and concentrations below 1 ppm were detected. In order to approach a future application in industry, the sensor system was adapted to a stainless steel tube. With this measuring arrangement, pulse and pressure experiments could be performed. The probable mechanisms occuring at the sensor surface and feasible applications in the future are discussed in this thesis. T3 - BAM Dissertationsreihe - 89 KW - surface plasmon resonance (SPR) effect KW - hazardous gases KW - sensor layer KW - gas sensor KW - ellipsometry PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-695 SN - 978-3-9815134-4-8 SN - 1613-4249 VL - 89 SP - 1 EP - 133 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-69 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Shcheglov, Pavel T1 - Study of Vapour-Plasma Plume during High Power Fiber Laser Beam Influence on Metals N2 - Die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation sind: 1. Experimentelle Untersuchungen der Dampf-Plasma-Fackel wurden beim Schweißen von niedriglegierten Stählen großer Blechdicke unter Einsatz der Strahlung eines Hochleistungsfaserlasers (10÷20 kW) durchgeführt. 2. Experimentell wurde festgestellt, dass die Temperatur sowie die Volumenkonzentration der freien Elektronen im laserinduzierten Schweißplasma vernachlässigbar gering sind (Т < 4500 К, n < 1015e cm -3). 3. Es wurde gezeigt, dass neben dem Schweißplasma, das mit einem relativ kleinen Volumen (5-10 mm) nahe der Metalloberfläche entsteht, die Schweißfackel einen größeren Teil (bis 60-70 mm) im oberen Bereich einnimmt, welcher aus der Wolke der kleinen Partikel aus kondensiertem Metalldampf besteht und die Laserstrahlung absorbieren kann. 4. Die experimentell gemessene durchschnittliche Größe der kondensierten Metallpartikel in der Schweißfackel beträgt je nach Fackelhöhe bzw. Schweißprozessparameter 80 nm bis 110 nm. Die Volumenkonzentration der Partikel in der Wolke an der Fackelachse beträgt ca. 1010 cm-3. 5. Die Extinktion der Prüfstrahlung im oberen Teil der Schweißfackel wird zum großen Teil von der Absorption der kleinen kondensierten Partikel verursacht. Der experimentell gemessene Extinktionskoeffizient für eine Prüfstrahlungswellenlänge von 1.3 μm hatte einen Wert von etwa einigen m-1 und ist damit wesentlich größer als der Koeffizient der inversen Bremsstrahlungsabsorption im Schweißplasma. 6. Schutzgaszufuhr (Ar, He) beim Schweißprozess führt zur effektiven Abkühlung des Schweißplasmas im unteren Teil der Fackel bis zur vollen Unterdrückung. Infolge des intensiveren Kondensationsprozesses über der Dampfkapillare kann aber dabei der Einfluss des oberen Teiles noch stärker werden. 7. Die Gesamtleistungsabschwächung des Hochleistungsfaserlaserstrahls, der durch die Schweißfackel zur Metalloberfläche gelangt, kann variierend einen Wert von bis zu 10% haben. Mit Rücksicht auf die zeitliche Dynamik kann dieser Effekt zu einer erheblichen Verschlechterung der Leistungsstabilität der Laserstrahlung führen, die den Dampfkapillareeingang erreicht. N2 - The most important results of the dissertation are: 1. Systematic experimental investigations of the vapour-plasma plume generated during deep penetration high-power (10÷20 kW) ytterbium fiber laser beamwelding of low-alloyed mild steel plates were carried out. 2. It was confirmed experimentally that free electron temperature and concentration in the laser- induced welding plasma plume are negligibly low (Т < 4500 К,ne < 10 15 cm-3). On the basis of these values it can be affirmed that absorption and refraction of high power fiber laser radiation in the welding plasma plume are not able to influence the welding quality in this case. 3. It was shown that the vapour-plasma welding plume is composed of the welding plasma generated in a relatively small area (5-10 mm height) near the metal surface and of an extensive upper part (up to 60-70 mm height) which consists of a small condensed metal vapour particle cloud and is able to absorb electromagnetic radiation. 4. Average condensed metal vapour particle diameter in the welding plume was measured experimentally to vary from 80 nm to 110 nm depending on the welding plume height as well as on the welding process parameters. Volume particle concentration in the cloud on the welding plume axis has a value of about 1010 cm-3. 5. Extinction of the probe laser radiation in the upper part of the welding plume is mainly caused by absorption in the small condensed metal vapour particles. The extinction coefficient at the probe radiation wavelength of 1.3 μm was measured experimentally to have a value of about a few units per meter which is much higher than the inverse Bremsstrahlung absorption coefficient in the welding plasma plume calculated for this radiation wavelength. 6. Shielding gas (Ar or He) supplied to the welding area leads to intensive cooling of the welding plasma in the lower part of the welding plume down to its complete suppression. However, due to the more intensive metal vapour condensation process in the colder medium above the keyhole, the upper part influence can become even stronger. 7. Total attenuation of the high-power fiber laser beam propagating through the whole welding plume height to the metal surface was estimated to be about 10%. Considering the spatial dynamics of the probe light extinction signals it was concluded that the effect of metal vapour condensation over the keyhole during deep penetration high-power fiber laser metal welding is able to significantly worsen of the laser beam power stability when the beam reaches the keyhole inlet. T3 - BAM Dissertationsreihe - 88 KW - Particle diagnostics KW - Plume KW - Plasma diagnostics KW - Laser welding KW - Vapour condensation PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-703 SN - 978-3-9815134-3-1 SN - 1613-4249 VL - 88 SP - 1 EP - 125 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-70 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Weißhaupt, Petra T1 - Nitrogen uptake of saprotrophic basidiomycetes and bacteria N2 - Saprotrophe Basidiomyceten können unter aeroben Bedingungen Holz abbauen und wirtschaftliche Schäden verursachen. Die Stickstoffverfügbarkeit ist für diesen Abbau entscheidend, und diazotrophe Bakterien können durch Fixierung von atmosphärischem N2 Stickstoff auf Holz anreichern. Der gemeinsame Abbau durch Basidiomyceten und Diazotrophe könnte zu hohen Abbauraten führen, da N2-Fixierung große Mengen an ATP benötigt, welche durch Celluloseabbau regeneriert werden. In dieser Arbeit wurde diese Interaktion durch Messungen des Stickstoffanteils sowie der δ15N-Werte in der Biomasse untersucht. Außerdem wurde die Aktivität der Basidiomyceten unter Einfluss unterschiedlicher Stickstoffquellen bestimmt. Die Messungen des Stickstoffanteils in der Biomasse der Basidiomyceten Oligoporus placenta und Trametes versicolor bewiesen die Aufnahme organischen Stickstoffs, sogar wenn nur Spuren verfügbar waren. Darüber hinaus förderten Harnstoff und Ammoniumchlorid das Wachstum von T. versicolor. In Experimenten unter einer 15N2/O2-Atmosphäre wurde ermittelt, dass die diazotrophen Bakterien Azotobacter croococcum, Beijerinckia acida und Novosphingobium nitrogenifigens etwa 1– 13% ihres Stickstoffbedarfs durch N2-Fixierung decken. Wurden Diazotrophe und Basidiomyceten gemeinsam kultiviert,konnte nur von B. acida N2 fixiert und an beide Basidiomyceten übertragen werden. A. croococcum und N. nitrogenifigens wiesen keine Aktivität auf. Die Effekte der drei Stickstoffquellen, organischer Stickstoff im Medium, organischer Stickstoff in Splintholz sowie N2 aus der Luft, auf die Biomasse der Basidiomyceten wurden in Experimenten nach einem statistischen Versuchsplan bestimmt. Organischer Stickstoff als Medienbestandteil förderte das Wachstum beider Basidiomyceten signifikant. In zwei weiteren Versuchsreihen wurde die Stickstoffquelle im Medium durch das Bakterium B. acida ersetzt. Luftstickstoff begünstigte das Bakterienwachstum, so dass die Biomassen der Basidiomyceten gegenüber N2-freien Bedingungen verringert wurden. Das Vorhandensein von B. acida hatte einen geringfügig fördernden Effekt auf die Biomasse von T. versicolor aber keinen Effekt auf die Biomasse von O. placenta. Im Gegensatz zu den zuvor genannten Organismen kommen Hypholoma fasciculare und einige, teils isolierte und charakterisierte Proteobakterien gemeinsam in der Natur vor. Das Wachstum der Biomasse von H. fasciculare und von Proteobakterien wurde durch organischen Stickstoff, Harnstoff und Ammoniumchlorid gefördert. Die N2-Fixierung der Proteobakterien war zwar signifikant jedoch geringfügig, so dass sie mit Adsorption an Stelle von Nitrogenaseaktivität interpretiert wurde. Die Konkurrenz von H. fasciculare und Proteobakterien um die gleichen Stickstoffquellen wurde als wahrscheinlicher betrachtet als die Stickstoffanreicherung durch Diazotrophie. N2 - Saprotrophic basidiomycetes decompose wood in aerobic environments and can cause economic damage. The availability of nitrogen is determining for decomposition, and diazotrophic bacteria might enhance the nitrogen availability by fixation of atmospheric N2. Simultaneous decomposition by basidiomycetes and diazotrophs may intensify decomposition, because N2 fixation requires ATP, which could be provided during cellulose decomposition. In this study, the interaction was analysed by measurements of the nitrogen content and the δ15N values in biomass. Besides, the activity of basidiomycetes, influenced by different nitrogen sources, was determined. The analysis of the nitrogen content in biomass of Oligoporus placenta and Trametes versicolor proved the efficient uptake of organic nitrogen by wood-decomposing fungi even if only traces were available. In the presence of urea and ammonium chloride, the growth of T. versicolor was intensified. At cultivations in a 15N2/O2 atmosphere, the diazotrophic bacteria Azotobacter croococcum, Beijerinckia acida and Novosphingobium nitrogenifigens covered 1 to 13% of the nitrogen in their biomass by N2 fixation. If basidiomycetes and diazotrophs were co-cultivated, only B. acida fixed N2 and transferred it to both fungi. A. croococcum and N. nitrogenifigens did not coexist with the fungi. The effects of the nitrogen sources, i.e., organic nitrogen in the medium, organic nitrogen in sapwood and N2 from air, on the biomass of the mentioned basidiomycetes were determined in experiments according to full-factorial experimental plans. Organic nitrogen in the medium increased the growth of both basidiomycetes significantly. In additional experiments, the nitrogen source in the medium was replaced by an inoculum of B. acida. Then, atmospheric N2 supported the bacterial growth, which caused a significant decrease of basidiomycetal biomass compared to N2-free conditions. The presence of B. acida increased the biomass of T. versicolor to a low extent, but had no effect on the biomass of O. placenta. In contrast to the previously mentioned organisms, Hypholoma fasciculare and proteobacteria occur together in nature. In experiments, the growth of biomass of H. fasciculare and proteobacteria was supported by organic nitrogen, urea and ammonium chloride. The N2 fixation of the bacteria was significant but amounted to a low extent and was therefore explained by adsorption and not by nitrogenase activity. Competition between H. fasciculare and proteobacteria for the same nitrogen sources appeared more probable than N enrichment by diazotrophic activity. T3 - BAM Dissertationsreihe - 87 KW - Holz KW - Diazotrophe KW - Basidiomyceten KW - IRMS KW - 15N2 PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-716 SN - 978-3-9815134-2-4 SN - 1613-4249 VL - 87 SP - 1 EP - 98 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-71 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nie, Yaru T1 - Surface silanization of carbon nanofibers and nanotubes for altering the properties of epoxy composites N2 - Diese Arbeit beschreibt die Oberflächenmodifizierung von Kohlenstoffnanofasern (CNFs) und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) sowie die Eigenschaften von damit hergestellten Epoxid-Kompositen. Es wurden Korrelationen zwischen chemischen Oberflächenmodifizierungen und Kompositeigenschaften untersucht. Im ersten Teil wurden nach einer Oxidation zur Erzeugung von Carboxygruppen daran anknüpfend drei unterschiedliche Reaktionswege zur Silanisierung der oxidierten Oberflächen der nanoskaligen Kohlenstoffmaterialien untersucht: 1. direkte Silanisierung mit 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan 2. Reduktion der Carboxygruppen zu den alkoholischen Hydroxygruppen und Silanisierung mit 3-Aminopropyltrimethoxysilan 3. Silanisierung mit 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan und weitere Silanisierung mit 3-Aminopropyltrimethoxysilan Die Oxidation sowie die Silanisierung der CNFs und MWCNTs wurden systematisch und detailliert anhand verschiedener analytisch-chemischer Methoden charakterisiert. Im zweiten Teil wurden CNFs oder MWCNTs in Epoxidharzen dispergiert und die physikalischen Eigenschaften der daraus hergestellten Nanokomposite beschrieben. So zeigten Epoxid-Komposite, die mit silanisierten CNFs versetzt wurden, verbesserte mechanische Eigenschaften. Auch die elektrische Leitfähigkeit der Epoxid-Komposite stieg mit zunehmendem Gehalt der Nanofüllstoffe, wobei die elektrische Leitfähigkeit von Epoxid-Kompositen mit silanisierten CNFs aufgrund der isolierenden Silanschicht niedriger war als die der Epoxid-Komposite mit unmodifizierten CNFs. Bei MWCNTs-Epoxid-Kompositen bewirkte die Silanisierung eine größere Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zu den CNFs-Epoxid-Kompositen. Das Einbringen von CNFs in das Epoxidharz erhöhte die thermische Leitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit der Epoxid-Komposite konnte in Abhängigkeit von der Silanmenge auf den CNFs höher oder niedriger sein als die der Epoxid- Komposite mit unmodifizierten CNFs. Die MWCNTs in den Epoxid-Kompositen konnten durch Anlegen eines elektrischen Wechselstromfeldes parallel zu den Feldlinien ausgerichtet werden, was Messungen einer anisotropen elektrischen Leitfähigkeit an den Kompositen belegten. Die nasschemische Silanisierung der nanoskaligen Kohlenstoffmaterialien stellt eine vielseitige und einfache Methode dar, die Eigenschaften von Polymerkompositen gezielt zu modifizieren. Diese Änderungen der Materialeigenschaften wurden dann vor allem durch stärkere Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen Füllstoffen und Polymer sowie durch eine bessere Verteilung der Füllstoffe in der Polymermatrix erreicht. N2 - Saprotrophic basidiomycetes decompose wood in aerobic environments and can cause economic damage. The availability of nitrogen is determining for decomposition, and diazotrophic bacteria might enhance the nitrogen availability by fixation of atmospheric N2. Simultaneous decomposition by basidiomycetes and diazotrophs may intensify decomposition, because N2 fixation requires ATP, which could be provided during cellulose decomposition. In this study, the interaction was analysed by measurements of the nitrogen content and the δ15N values in biomass. Besides, the activity of basidiomycetes, influenced by different nitrogen sources, was determined. The analysis of the nitrogen content in biomass of Oligoporus placenta and Trametes versicolor proved the efficient uptake of organic nitrogen by wood-decomposing fungi even if only traces were available. In the presence of urea and ammonium chloride, the growth of T. versicolor was intensified. At cultivations in a 15N2/O2 atmosphere, the diazotrophic bacteria Azotobacter croococcum, Beijerinckia acida and Novosphingobium nitrogenifigens covered 1 to 13% of the nitrogen in their biomass by N2 fixation. If basidiomycetes and diazotrophs were co-cultivated, only B. acida fixed N2 and transferred it to both fungi. A. croococcum and N. nitrogenifigens did not coexist with the fungi. The effects of the nitrogen sources, i.e., organic nitrogen in the medium, organic nitrogen in sapwood and N2 from air, on the biomass of the mentioned basidiomycetes were determined in experiments according to full-factorial experimental plans. Organic nitrogen in the medium increased the growth of both basidiomycetes significantly. In additional experiments, the nitrogen source in the medium was replaced by an inoculum of B. acida. Then, atmospheric N2 supported the bacterial growth, which caused a significant decrease of basidiomycetal biomass compared to N2-free conditions. The presence of B. acida increased the biomass of T. versicolor to a low extent, but had no effect on the biomass of O. placenta. In contrast to the previously mentioned organisms, Hypholoma fasciculare and proteobacteria occur together in nature. In experiments, the growth of biomass of H. fasciculare and proteobacteria was supported by organic nitrogen, urea and ammonium chloride. The N2 fixation of the bacteria was significant but amounted to a low extent and was therefore explained by adsorption and not by nitrogenase activity. Competition between H. fasciculare and proteobacteria for the same nitrogen sources appeared more probable than N enrichment by diazotrophic activity. T3 - BAM Dissertationsreihe - 86 KW - Carbon KW - mechanical property KW - electrical and thermal conductivity KW - epoxy composites KW - nanofibers KW - silanization PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-727 SN - 978-3-9815134-1-7 SN - 1613-4249 VL - 86 SP - 1 EP - 137 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-72 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Pittner, Andreas T1 - A Contribution to the Solution of the Inverse Heat Conduction Problem in Welding Simulation N2 - The present thesis provides a contribution to the solution of the inverse heat conduction problem in welding simulation. The solution strategy is governed by the need that the phenomenological simulation model utilised for the direct solution has to provide calculation results within short computational time. This is a fundamental criterion in order to apply optimisation algorithms for the detection of optimal model parameter sets. The direct simulation model focuses on the application of functional-analytical methods for solving the corresponding partial differential equation of heat conduction. In particular, volume heat sources with a bounding of the domain of action are applied. Besides the known normal and exponential distribution, the models are extended by the introduction of parabolically distributed heat sources. Furthermore, the movement on finite specimens under consideration of curved trajectories has been introduced and solved analytically. The calibration of heat source models against experimental reference data involves the simultaneous adaptation of model parameters. Here, the global parameter space is searched in a randomised manner. However, an optimisation pre-processing is needed to get information about the sensitivity of the weld characteristics like weld pool dimension or objective function due to a change of the model parameters. Because of their low computational cost functional-analytical models are well suited to allow extensive sensitivity studies which is demonstrated in this thesis. For real welding experiments the applicability of the simulation framework to reconstruct the temperature field is shown. In addition, computational experiments are performed that allow to evaluate which experimental reference data is needed to represent the temperature field uniquely. Moreover, the influence of the reference data like fusion line in the cross section or temperature measurements are examined concerning the response behaviour of the objective function and the uniqueness of the optimisation problem. The efficient solution of the inverse problem requires two aspects, namely fast solutions of the direct problem but also a reasonable number of degrees of freedom of the optimization problem. Hence, a method was developed that allows the direct derivation of the energy distribution by means of the fusion line in the cross section, which allows reducing the dimension of the optimisation problem significantly. All conclusions regarding the sensitivity studies and optimisation behaviour are also valid for numerical models for which reason the investigations can be treated as generic. T3 - BAM Dissertationsreihe - 85 KW - Analytical Solution KW - Global Optimisation KW - Neural Networks KW - Welding KW - Temperature Field PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-733 SN - 978-3-9815134-9-1 SN - 1613-4249 VL - 85 SP - 1 EP - 213 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-73 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nies, Daniel T1 - Entwicklung eines Prüfverfahrens zur laserinduzierten thermischen Ermüdung thermischer Schutzschichten mittels einer Laser-Thermoschockprüfeinrichtung N2 - Die Endlichkeit fossiler Brennstoffe und das steigende Umweltbewusstsein sind die immer stärker werdenden Motivationen für die Entwicklung von effizienteren Gasturbinen und Triebwerken zur Energieerzeugung oder zum Antrieb von Land-, Luft- und Seefahrzeugen. Eins der dafür entwickelten Konzepte ist das der thermischen Schutzschichten. Dabei kann durch den Auftrag einer keramischen Schicht die thermische Belastung der beschichteten Bauteile reduziert werden. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Nutzung einer Laser-Thermoschock-Prüfeinrichtung zur Durchführung von thermo-zyklischen Versuchen an thermischen Schutzschichten untersucht. Die Probenerwärmung erfolgt hierbei durch einen fokussierten Laserstrahl, mit dem durch die gewählte Trajektoriengeometrie und Anpassung der Laserleistung eine homogene Temperaturverteilung auf der Oberflache erzeugt wird. Die für die Durchführung von zyklischen Versuchen notwendigen Erweiterungen der vorhandenen Prüfeinrichtung werden beschrieben, wozu die Entwicklung eines neuen Probenhalters und einer Test- und Auswerteroutine für die Experimente gehört. Zur Begutachtung der Entstehung und des Fortschritts von Schädigungen werden Schallemissionstechniken und thermografische Methoden eingesetzt, deren Möglichkeiten und Grenzen für die Nutzung im Rahmen der Experimente bestimmt werden. Außerdem umfasst die Arbeit eine umfassende temperaturabhängige Charakterisierung des für die thermische Schutzschicht verwendeten keramischen Materials. Hierbei ist besonders die Messung des E-Moduls mittels der dynamischen Resonanzmethode hervorzuheben, die eine selten genutzte Technik ist. Bei der Charakterisierung zeigen sich keine besonderen Abweichungen von den erwarteten Werten. Lediglich eine geringere Porosität als vom Hersteller erwartet und eine unveränderte Phasenzusammensetzung nach isothermer Auslagerung wurden beobachtet. Die bei den zyklischen Experimenten angestrebten Oberflächentemperaturen von über 1000 °C machen es nötig, die Absorption der Proben durch eine zusätzliche Beschichtung mit Magnetit zu erhöhen. Zur Messung der Temperaturverteilung auf der Probenoberfläche wird eine Infrarot- Kamera genutzt, die für diese Zwecke kalibriert wird. Die eingebaute aktive Druckluftkühlung der Probenruckseite erlaubt die Steuerung des Temperaturgradienten, besitzt aber noch Verbesserungspotenzial. Schon ohne aktive Kühlung der Proben ist ein Versuchsregime realisierbar, bei dem die thermischen Belastungen mit hoher Präzision reproduzierbar sind und mit dem die realen Einsatzbedingungen von keramischen Schutzschichten nachempfunden werden können. Die Entstehung und der Fortschritt von Schädigungen in Form von Delaminationen kann mit thermografischen Methoden und Schallemissionstechniken beobachtet werden. Bei der Ortung der Schallsignale zeigen sich die Grenzen der vorhandenen Ausrüstung. Eine relativ genaue Ortung der Quelle ist mit einer zeitaufwendigen manuellen Routine möglich, deren Ergebnis eine starke Abhängigkeit von der Signalqualität zeigt. Eine reduzierte Zonenortung mit einer automatischen Auswertung zeigt zufriedenstellende Ergebnisse. Eine Kombination der Ergebnisse der Zonenortung, der Analyse der Schallsignale und den thermografischen Analysen der Daten der Infrarot-Kamera ermöglicht eine sehr gute Visualisierung der Schädigungsentwicklung. Während erster Versuche konnten Delaminationsrisse in der keramischen Dammschicht erzeugt werden, die in der Nähe der Dammschicht-Haftschicht-Grenzschicht liegen. Dies entspricht einem Schadensbild, das durch eine hohe zyklische Belastung der Proben erreicht wird. Durch die Nutzung eines fokussierten Laserstrahls kommt es zu einer Temperaturüberhöhung im Bereich des Laserspots. Dies bewirkt, dass die thermozyklische Belastung der Proben noch um einen Thermoschockbeitrag erweitert wird. N2 - The finite nature of fossil fuel supply and the growing environmental awareness become increasingly stronger motivations for the development of efficient gas turbines and jet engines for power generation or as engines for land-, sea- and water-based vehicles. One concept developed for this purpose are thermal barrier coatings, where the thermal load of components is reduced by applying a ceramic coating onto the components. In this work the possibility to use a laser thermal shock facility for thermo-cyclic testing of thermal barrier coatings is examined. A focused laser beam is used for heating the sample and a homogeneous temperature distribution on the sample surface is achieved by the used trajectory and radial adjusted laser power. The required improvements of the existing testing facility are explained, including the development of a new sample holder and of the testing and evaluation routines for the experiments. For the assessment of the initiation and evolution of damages, acoustic emission and thermographic methods are used. The possibilities and limits of these methods are assessed during the experiments. The work also includes an extensive temperature dependent characterisation of the ceramic material used for the thermal barrier coating. In this part, the measurement of the Young’s modulus by a dynamic method is to be highlighted, as this is a rarely used technique. The characterisations show the expected values, except for a lower porosity as expected by the manufacturer and no significant phase changes during isothermal heat treatments. To reach sample surface temperatures above 1000 °C, it is necessary to increase the absorption by an additional coating of magnetite. The temperature distribution on the surface is measured by an infrared camera, which is calibrated for this purpose. With the incorporated active air cooling of the sample backside, the temperature gradient can be controlled, but still leaves room for improvements. Already without cooling, experiments can be completed, where the thermal loads are highly reproducible and comparable to real operation conditions. The development and evolution of delamination damages can be observed by acoustic Emission and thermographic methods. Sound location using the acoustic emission data shows the limits of the applied equipment. Good sound location results can be achieved by a time-consuming manual routine, but the results are highly dependent on the signal quality. A reduced zone location algorithm with an automatic analysis shows satisfying results. A combination of the zone location results, the analysis of the acoustic emission data and the thermographic analysis of the infrared camera data allows a very good visualisation of the damage evolution. First experiments showed delaminations located in the ceramic layer near the topcoat-bondcoatboundary, which corresponds to a failure mode induced by high cyclic loads of the samples. The use of a focused laser beam results in a local hot spot at the laser spot during heating. This adds a thermal shock component to the thermo-cyclic load during the experiments. T3 - BAM Dissertationsreihe - 84 KW - Thermische Schutzschichten KW - laserinduzierte Erwärmung KW - Schallemission KW - Thermografie KW - Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-740 SN - 978-3-9814634-8-4 SN - 1613-4249 VL - 84 SP - 1 EP - 143 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-74 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Giesen, Charlotte T1 - ICP-MS and Elemental Tags for the Life Sciences N2 - Die induktiv gekoppelte Plasma Massenspektrometrie (ICP-MS) wurde aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, des großen linearen dynamischen Messbereichs und ihrer Multielementfähigkeit für die Analytik von Biomolekülen eingesetzt. Jedoch wird das Potential dieser Technik außerhalb der ICP-Gemeinschaft selten genutzt. Daher wurden in dieser Arbeit ICP-MS-basierte Immunoassays für medizinische (Krebsdiagnostik, Toxizitätsstudien zu Cisplatin), biochemische (DNA Mikroarray, Einzelzellanalytik) und umweltrelevante (Lebensmittelanalytik) Anwendungen entwickelt. Die Detektion erfolgte durch chemische Markierungen. Die Laserablation (LA)-ICP-MS wurde für die direkte Analyse von festen Proben wie Mikroarrays und Gewebedünnschnitten eingesetzt. Ein Immunoassay zur Ochratoxin A (OTA) Bestimmung in Wein wurde entwickelt, und die ICP-MS mit der herkömmlichen photometrischen Detektion verglichen. Die Nachweisgrenze betrug 0.003 μg L-1, und der Quantifizierungsbereich lag zwischen 0.01 und 1 μg L-1 für beide Methoden. Für die LA-ICP- MS basierte DNA Mikroarray Detektion wurden Goldnanopartikel über Streptavidin-Biotin Bindungen eingeführt. In der immunhistochemischen Diagnostik werden üblicherweise für einen Patienten bis zu 20 Krebsmarker abgefragt, was zu einer Reihe von zeitaufwändigen Färbeprotokollen führt. Daher wurde hier die LA-ICP-MS als eine neue, multiplexfähige Detektionsmethode für die Analytik an Gewebeschnitten entwickelt. Hierzu wurden Lanthanide für die Detektion von bis zu drei verschiedenen Tumormarkern in Brustkrebsgewebe eingesetzt. Darüber hinaus wurde mittels Iodmarkierung eine LA-ICP-MS Methode entwickelt, in der ein 4 μm Laserstrahl ausreichend war für die Darstellung von einzelnen Zellen und Zellkernen. Iod wurde außerdem als interner Standard für Gewebeschnitte verwendet. Zusätzlich wurden Pt-Protein Komplexe mit 1D und 2D Gelelektrophorese getrennt und mit LA-ICP-MS analysiert. Die hohe räumliche Auflösung dieser Technik wurde anhand der Detektion von platinierten Proteinen in Rattennierengewebe auch in einer aktuellen Studie zur Toxizität von Cisplatin und dem daher notwendigen Schutz der Niere unter Beweis gestellt. N2 - Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) has been applied for the analysis of biomolecules due to its high sensitivity, wide linear dynamic range, and multielement capabilities. However, outside the elemental MS community the potential of this technique, e.g. for life sciences applications, is not yet fully exploited. Thus, the development of ICP-MS-based (immuno) assays for a wide range of medical (cancer diagnostics, cisplatin toxicity studies), biochemical (DNA microarray, single cell analysis), and environmental (analysis of comestible goods) applications was accomplished by utilization of chemical labels. Laser ablation (LA)-ICP-MS was employed for the direct analysis of solid samples like microarrays and thin tissue sections. An immunoassay was developed for ochratoxin A (OTA) determination in wine, and ICP-MS detection was compared to conventional photometry by gold nanoparticle tagging and horseradish peroxidase, respectively. Detection limits of the assay were optimized to 0.003 μg L-1, and the quantification range was 0.01–1 μg L-1 for both methods. For LA-ICP-MS-based DNA microarray detection, gold nanoparticle tags were specifically introduced via a streptavidin-biotin linkage. In immunohistochemistry (IHC), up to 20 tumor markers are routinely evaluated for one patient and thus, a common analysis results in a series of time consuming staining procedures. Hence, LA-ICP- MS was elaborated as a detection tool for a novel, multiplexed IHC analysis of tissue sections. Different lanthanides were employed for the simultaneous detection of up to three tumor markers (Her 2, CK 7, and MUC 1) in a breast cancer tissue. Additionally, iodine was employed as a labeling reagent, and a new LA-ICP-MS method for single cell and cell nucleus imaging was developed at 4 μm laser spot size. Iodine was also applied as a new internal standard for tissue samples. Moreover, Pt-protein complexes separated by an optimized 1D and 2D gel electrophoresis were analyzed by LA-ICP-MS. The high spatial resolution of this technique was further demonstrated in a current study of cisplatin toxicity and renal protective strategies in rat kidney tissue by detecting platinated proteins. T3 - BAM Dissertationsreihe - 83 KW - ICP-MS KW - Life Sciences KW - Nanoparticles KW - Elemental Tags PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-758 SN - 978-3-9814634-7-7 SN - 1613-4249 VL - 83 SP - 1 EP - 199 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-75 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Knappe, Patrick T1 - Die A4F-SAXS Online-Kopplung zur Untersuchung von Nanopartikeln und Polymeren N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die Online-Kopplung der Asymmetrischen Fluss- Feldflussfraktionierung (A4F) mit Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) als leistungsfähiges analytisches Werkzeug vorgestellt und auf aktuelle Problemstellungen in der Nanopartikelanalytik wie auch auf Modellsysteme praxisrelevanter Polymere angewandt. Die A4F bietet die Möglichkeit, Suspensionen oder Lösungen von Teilchen ihrer Größe nach aufzutrennen. Bedingt durch das besondere Trennprinzip werden auf den Analyten nur minimale Scherkräfte wirksam, die im Gegensatz dazu bei anderen chromatographischen Methoden in erheblichem Maße auftreten können. Dies ermöglicht auch die Bearbeitung von diesbezüglich sehr empfindlichen Proben ohne dabei deren Integrität zu manipulieren. Die Kleinwinkelröntgenstreuung ermöglicht die zerstörungsfreie Untersuchung von Strukturmerkmalen in einer Größendomäne von etwa einem bis einhundert Nanometern. Durch die Kopplung mit A4F wird die Komplexität der ausgewählten Systeme maßgeblich verringert, die sonst aufgrund der sehr breiten Größenverteilungen der enthaltenen Teilchen schwer zu charakterisieren sind. Es konnten mit dieser Methodik detaillierte Aussagen über die Probenbeschaffenheit in Hinblick auf Teilchengestalt, -größenverteilung bzw. -konformation getroffen werden. Die Einbindung eines Dynamischen Lichtstreudetektors in den Kopplungsaufbau ließ noch weitergehende Aussagen zu. So wurde gezeigt, dass eine Nanopartikelsuspension sowohl hinsichtlich der Form, Größe und Größenverteilung der Nanopartikelkerne als auch der Stärke der Stabilisatorschicht in einem Online-Experiment charakterisiert werden kann. Diese Parameter sind wichtige Kenngrößen, die sowohl für die Funktionalität als auch Bioverfügbarkeit und Toxizität von Nanopartikeln maßgeblich sind und auf diese Weise zeitsparend und mit hoher Präzision erhalten werden konnten. Desweiteren wurde diese Kopplungsmethode erstmals auf verschiedene Polymersysteme wie Polyvinylpyrrolidon sowie starke und schwache Polyelektrolyte mit Erfolg angewendet. Durch die eingesetzte Größentrennung können Proben in einem sehr weiten Molmassenbereich fraktioniert werden, die häufig zu unerwünschten Wechselwirkungen in trägerbasierten Trennmethoden neigen. Durch die verwendete Röntgenstreuung konnten auch Strukturdetails kleiner Polymer- Größenfraktionen aufgelöst werden, die mit üblichen Standardverfahren nicht mehr zugänglich sind. N2 - In the present thesis the online-coupling of asymmetric flow field-flow fractionation(A4F) with small-angle X-ray scattering (SAXS) as a versatile analytical tool is introduced and applied to current challenges in nanoparticle analysis as well as to model systems of technically relevant polymers. The A4F provides size separation of sample solutions and suspensions. Due to the separation principle only low shear forces are applied which appear in competing methods. Therefore, this method allows processing of very sensitive sample materials. SAXS allows non-destructive probing of nanoscale structures in the range of about one to one hundred nanometers. By coupling with A4F, the complexity of sample Systems with broad size distributions, which are therefore frequently hard to characterize, is reduced significantly prior to further analysis. Applying this approach, detailed information about sample properties can be gained accurately with respect to the shape, size and size distribution of particles or conformation of macromolecules in short time. Addition of a dynamic light scattering detector to the setup allows a further conclusion. With the latter, a nanoparticles suspension was characterized rapidly and with good precision with respect to the core properties of the particles as well as the thickness of the stabilizer’s shell in a single online run. These parameters are important when dealing not only with functionality but also with the bioavailability or toxicity of nanoparticles. This methodology was also successfully applied to polymer systems for the first time, namely poly(vinyl pyrrolidone)s as well as strong and weak polyelectrolytes. Additionally, due to the applied separation method samples with broad molar mass distributions were processable which otherwise tend to interfere with stationary phasebased chromatography. Furthermore, using SAXS, structural properties can be resolved from smaller polymer size-fractions which are hardly accessible with other standardly used methods. T3 - BAM Dissertationsreihe - 82 KW - A4F (Asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung) KW - Analytik von Polyelektrolyten KW - Polymeranalytik KW - Nanopartikelanalytik KW - SAXS (Small-Angle X-ray Scattering=Röntgenkleinwinkelstreuung) PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-766 SN - 978-3-9814634-6-0 SN - 1613-4249 VL - 82 SP - 1 EP - 140 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-76 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Rackwitz, Vanessa T1 - Instrumentelle Fundamentalparameter und ausgewählte Anwendungen der Mikrofokus-Röntgenfluoreszenzanalyse am Rasterelektronenmikroskop N2 - Seit einem Jahrzehnt sind Röntgenquellen für die Mikrofokus-Röntgenfluoreszenzanalyse (μ-RFA) kommerziell erhältlich und bieten die Möglichkeit, die Analytik am Rasterelektronenmikroskop (REM) mit angeschlossenem energiedispersiven Röntgenspektrometer (EDS) zu erweitern. Mit der μ-RFA lässt sich quantitativ, referenzfrei und zerstörungsfrei der Gehalt der chemischen Elemente in einem mikroskopischen Probenvolumen bestimmen. Für die referenzfreie Quantifizierung mit der RFA wird auf die Sherman-Gleichung zurückgegriffen. Diese Gleichung führt die Intensität der detektierten Röntgenstrahlung auf den Gehalt des Elements in der Probe mittels Fundamentalparameter zurück. Zu den instrumentellen Fundamentalparametern zählen das Anregungsspektrum bestehend aus dem Röntgenröhrenspektrum und der Transmission der Röntgenoptik, die Messgeometrie und die Spektrometereffizienz. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Prozeduren zur Charakterisierung der instrumentellen Fundamentalparameter der μ-RFA am REM sowie die Evaluierung und Verringerung der Messunsicherheiten anhand einer kalibrierten Instrumentierung: Die aus der Literatur bekannten Algorithmen zur Berechnung von Röntgenröhrenspektren sollen hinsichtlich ihrer Abweichungen evaluiert werden. Ein semi-empirischer Ansatz wird innerhalb dieser Arbeit bezüglich seiner Unsicherheiten und im niederenergetischen Bereich verbessert. Für drei weitere Anodenmaterialien soll dieser Ansatz erweitert werden. Die mit diesem Ansatz berechneten Röntgenröhrenspektren werden mit direkt gemessenen Röntgenröhrenspektren verglichen, die an einem speziell entwickelten Messstand eines Röntgenröhrenherstellers aufgenommen wurden. Eine Prozedur zur Bestimmung der wichtigsten Parameter von Röntgenhalblinsen im parallelisierenden Modus wird entwickelt. Die zeitliche Stabilität der Transmission von Röntgenvolllinsen, die seit mehreren Jahren im regelmäßigen Einsatz an einer μ-RFA-Quelle waren, wird untersucht. Für das Labor wird ein Verfahren zur Bestimmung der Spektrometereffizienz bis 50 keV neu entwickelt. Neben dieser methodischen Weiterentwicklung werden Anwendungen für die neu charakterisierten instrumentellen Fundamentalparameter vorgestellt. Darunter soll die referenzfreie Quantifizierung mit der μ-RFA am REM anhand von repräsentativen Probenklassen hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen vorgestellt werden. Die Nachweisgrenzen der μ-RFA am REM für schwere Spurenelemente in leichten Matrizen werden an Proben zur Überprüfung einer EU-Richtlinie bestimmt. Darüber hinaus soll überprüft werden, ob die Berücksichtigung der Streueigenschaften einer Probe von Röntgenphotonen für die Analytik ausgenutzt werden kann. N2 - For a decade X-ray sources have been commercially available for the microfocus X-ray fluorescence analysis (μ-XRF) and offer the possibility of extending the analytics at a scanning electron microscope(SEM) with an attached energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). By using the μ-XRF it is possible to determine the content of chemical elements in a microscopic sample volume in a quantitative, reference-free and non-destructive way. For the reference-free quantification with the XRF the Sherman equation is referred to. This equation deduces the intensity of the detected X-ray intensity of a fluorescence peak to the content of the element in the sample by means of fundamental parameters. The instrumental fundamental parameters of the μ-XRF at a SEM/EDS system are the excitation spectrum consisting of X-ray tube spectrum and the transmission of the X-ray optics, the geometry and the spectrometer efficiency. Based on a calibrated instrumentation the objectives of this work are the development of procedures for the characterization of all instrumental fundamental parameters as well as the evaluation and reduction of their measurement uncertainties: The algorithms known from the literature for the calculation of X-ray tube spectrum are evaluated with regard to their deviations in the spectral distribution. Within this work a novel semi-empirical model is improved with respect to its uncertainties and enhanced in the low energy range as well as Extended for another three anodes. The emitted X-ray tube spectrum is calculated from the detected one, which is measured at an especially developed setup for the direct measurement of X-ray tube spectra. This emitted X-ray tube spectrum is compared to the one calculated on base of the model of this work. A procedure for the determination of the most important parameters of an X-ray semi-lens in parallelizing mode is developed. The temporal stability of the transmission of X-ray full lenses, which have been in regular use at the μ-XRF source for several years, is examined. The procedure for the determination of the spectrometer efficiency in the laboratory is extended to 50 keV. Besides this methodological development applications for the newly characterized instrumental fundamental Parameters are presented. The reference-free quantification of μ-XRF spectra of representative samples is performed. The limits of detection of the μ-XRF at the SEM are determined for heavy trace elements in light matrices by the example of specimens that were prepared an EU directive. It is investigated if the consideration of the X-ray scattering properties of a sample can extend the XRF analysis. T3 - BAM Dissertationsreihe - 81 KW - Mikrofokus-Röntgenfluoreszenzanalyse KW - Rasterelektronenmikroskop KW - instrumentelle Fundamentalparameter PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-771 SN - 978-3-9814634-4-6 SN - 1613-4249 VL - 81 SP - 1 EP - 163 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-77 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Askar, Enis T1 - Experimentelle Bestimmung und Berechnung sicherheitstechnischer Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasphasen N2 - Ethylenoxid ist vor allem aufgrund seiner hohen Reaktivität ein wichtiges organisches Zwischenprodukt der chemischen Industrie und in vielen Fällen bisher unersetzbar. Da es auch in Abwesenheit jeglicher Reaktionspartner explosionsartig zerfallen kann, ist der Umgang mit ethylenoxidhaltigen Gemischen jedoch nur mit besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich. Für die sicherheitstechnische Beurteilung der Lagerung, des Transports sowie der Verarbeitung von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen und die Ableitung angemessener sicherheitstechnischer Maßnahmen ist die Kenntnis der sicherheitstechnischen Eigenschaften von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen unbedingt erforderlich. In der Vergangenheit wurden sicherheitstechnische Kenngrößen von Ethylenoxid immer wieder vereinzelt nur für bestimmte Prozessbedingungen und zum Teil mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Insbesondere beschränken sich die bisher veröffentlichten Untersuchungen fast ausschließlich auf atmosphärische und nur leicht erhöhte Drücke, obwohl höhere Ausgangsdrücke für industrielle Prozesse mit Ethylenoxid durchaus relevant sind. Die Anwendbarkeit vorhandener Berechnungsmodelle, durch die der experimentelle Aufwand bei der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen erheblich reduziert werden könnte, wurde bei chemisch instabilen Gasen, wie Ethylenoxid bisher kaum untersucht. Für eine umfangreichere Validierung der Berechnungsmethoden ist die in der Literatur verfügbare Datenbasis an sicherheitstechnischen Kenngrößen von Ethylenoxid nicht ausreichend. In dieser Arbeit werden sicherheitstechnische Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasgemische systematisch in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen, mit einheitlichen Bestimmungsmethoden und auch bei höheren Betriebsbedingungen untersucht und Methoden für die Berechnung der in dieser Arbeit ermittelten Kenngrößen entwickelt bzw. weiterentwickelt. Durch die Bestimmung der Explosionsbereiche ternärer Gemische aus Ethylenoxid, einem Inertgas und Luft und der Stabilitätsgrenzkonzentrationen binärer Gemische aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird zunächst ausführlich untersucht, in welchen Stoffmengenverhältnissen ethylenoxidhaltige Gemische überhaupt explosionsfähig sind. Die Kenntnis dieser Kenngrößen ist zur Ableitung sogenannter primärer Explosionsschutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z.B. durch Inertisierung, erforderlich. Insbesondere werden die Einflüsse von Ausgangstemperatur und Ausgangsdruck auf die Explosionsgrenzen systematisch untersucht. Dabei werden vor allem auch die praxisrelevanten höheren Betriebsdrücke berücksichtigt. Gerade für Explosionsgrenzen im Bereich der Zerfallsreaktion kann ein enormer Einfluss des Drucks festgestellt werden. Für die Berechnung der Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid wird das halbempirische Modell der konstanten Flammentemperaturen weiterentwickelt. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid werden unter der modifizierten Annahme, dass das Profil der berechneten Flammentemperaturen entlang der Explosionsgrenzkurve für verschiedene Systeme unabhängig von Ausgangsdruck, Ausgangstemperatur und Art des Inertgases konstant ist, rechnerisch bestimmt. Dazu wird ein spezielles Rechenprogramm entwickelt, dass die Berechnung der Explosionsgrenzen für ein beliebiges Gemisch aus Brenngas, Inertgas und Luft bei beliebiger Ausgangstemperatur und beliebigem Ausgangsdruck ermöglicht, wenn der gesamte Explosionsbereich für ein einzelnes System aus Brenngas, Inertgas und Luft bekannt ist. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid können mit diesem Rechenprogramm mit einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2 Mol-% berechnet werden. Durch die Bestimmung von Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid und von definierten Gemischen aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird schließlich untersucht, bei welchen Temperaturen ein explosionsartiger Zerfall von Ethylenoxid durch eine heiße Oberfläche in einem geschlossenen System initiiert werden kann. Die Abhängigkeit vom Druck, vom Behältervolumen und vom Stoffmengenanteil an EO werden bei den Untersuchungen berücksichtigt. Anders als die nach standardisierten Verfahren bestimmte Zündtemperatur von Gasen, die in offenen Systemen und ausschließlich für Gemische mit Luft ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der bisher nicht standardisierten Zündtemperatur für den Zerfall festgestellt werden, bei welcher Oberflächentemperatur es innerhalb eines geschlossenen Systems bei höheren Drücken und in Abwesenheit von Luft zu einem explosionsartigen Zerfall von chemisch instabilen Gasen kommen kann. Es zeigt sich, dass die Zündtemperatur des Zerfalls von Ethylenoxid bei höheren Drücken auch niedriger sein kann als die nach den Standardverfahren für offene Systeme bestimmte Zündtemperatur von Ethylenoxid. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss von Inertgasen auf die Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid stark von der Art des Inertgases abhängig ist. Die Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid werden mit verschiedenen Modellen mit unterschiedlichem Grad an Vereinfachungen berechnet. Dabei wird rechnerisch die Wandtemperatur bestimmt, bei der es zu einem thermischen Durchgehen der Reaktion („Runaway“) kommt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Genauigkeit und des Rechenaufwands eine transiente 0-dimensionale numerische Simulation besonders gut für die rechnerische Bestimmung der Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid in Abhängigkeit des Drucks und des Behältervolumens geeignet ist. Temperaturgradienten innerhalb des Behälters werden bei diesem Modell vernachlässigt und die Wärmeabfuhr wird ausschließlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Reaktionsmasse, die Wärmeaustauschfläche und den inneren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der nach einem empirischen Ansatz für den Wärmeübergang an senkrechten Platten bei natürlicher Konvektion berechnet wird. Die Berücksichtigung von lokalen Abhängigkeiten innerhalb des Behälters durch ein 2-dimensionales Modell bringt trotz höheren Rechenaufwands keine weiteren ersichtlichen Vorteile. T3 - BAM Dissertationsreihe - 80 KW - Explosion KW - Entzündung KW - Stabilitätsgrenze KW - Chemisch instabile Gase KW - Zerfall PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-789 SN - 978-3-9814634-2-2 SN - 1613-4249 VL - 80 SP - 1 EP - 148 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-78 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Jaunich, Matthias T1 - Tieftemperaturverhalten von Elastomeren im Dichtungseinsatz N2 - Elastomerdichtungen finden als Bauteil oder Maschinenelement vielseitige Verwendung. Jedoch war trotz ihrer zentralen Bedeutung die untere Temperaturgrenze, bis zu der solche Dichtungen eingesetzt werden können, bisher nicht tiefgehend verstanden. Dieser Umstand erschwert die entsprechende notwendige sicherheitsrelevante Beurteilung. Mit der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Ziel verfolgt worden, dass Materialverhalten repräsentativer Elastomerwerkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur zu verstehen und daraus dann abzuleiten, bis zu welcher Temperatur eine daraus hergestellte Dichtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Einsatzbedingungen ihre Funktion noch sicher erfüllen kann. Ausgehend von der in der Literatur beschriebenen Aussage, dass eine Dichtung auch unterhalb der „Glasübergangstemperatur“ funktionsfähig ist, wurde der Einfluss des Glas-Gummi-Übergangs auf das Dichtungsversagen untersucht. Zunächst wurden dazu die Glasübergangstemperaturen an einer Vielzahl von Elastomeren mit gebräuchlichen Verfahren bestimmt, um diese mit dem Verhalten der Dichtung vergleichen zu können. Weiterhin wurde im Rahmen der Arbeit eine neue Charakterisierungsmethode des Tieftemperaturverhaltens von Elastomeren entwickelt, die die bisher für Dichtungen eingesetzte Normprüfung des Druckverformungsrests nachstellt. Mit dieser Methode ist im Vergleich zur Normprüfung jedoch eine deutlich schnellere und automatisierbare Untersuchung des Materialverhaltens gegeben. Darüber hinaus ist durch eine modellgestützte Auswertung eine Extrapolation der Messdaten auf zusätzliche Temperaturen möglich, wodurch der experimentelle Aufwand weiter reduziert wird. Zur temperaturabhängigen Charakterisierung des Versagensvorgangs an realen Bauteilen wurde deren Dichtverhalten mittels eines dafür entwickelten Versuchsstandes untersucht. Die festgestellte Abhängigkeit der Versagenstemperatur vom Verpressgrad konnte unter Verwendung der Ergebnisse aller angewandten Charakterisierungsmethoden für die hier untersuchten statisch beanspruchten Dichtungen erklärt werden. Zudem lassen sich aus dem mit Hilfe des Zeit-Temperatur- Superpositionsprinzips gewonnenen Informationen zur Zeitabhängigkeit der Materialeigenschaften auch Aussagen zum Verhalten von dynamisch beanspruchten Dichtungen ableiten. Mit dem Ergebnis der Arbeit zum Verständnis des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wird die gezielte Beurteilung und Auswahl von sicherheitsrelevanten Dichtsystemen in Zukunft vereinfacht. N2 - Elastomeric seals are of high importance as machine parts and construction elements, but in spite of this the low temperature limit for the use of a seal was not fully understood. Hence, the required safety relevant evaluation of the lowest acceptable operating seal temperature is difficult. Therefore the presented work was aimed to understand the temperature dependent material behaviour of representative elastomers and to conclude from this knowledge the low temperature limit down to which such seals could safely fulfil the desired requirements. Starting with the published statement that a seal can safely work below its glass Transition temperature the influence of the glass-rubber-transition was investigated. At first the glass-rubber-transition temperatures of the selected elastomers were determined applying several techniques to allow a comparison with the behaviour of the seals during component tests. Furthermore a new method to characterise the low temperature behaviour of elastomers was developed that emulates the key features of the standardised compression set test used for seal materials. In comparison to the standardized test this new method allows a much faster measurement that can be automatically performed. Using a model based data analysis an extrapolation of the results to different temperatures can be performed and therefore the necessary measuring expenditure can be additionally reduced. For the temperature dependent characterisation of the failure process of real seals a measurement setup was designed and the materials behaviour was investigated. By use of the results of all applied characterisation techniques the observed dependence of the failure temperature on the degree of compression could be explained for the investigated seals under static load. Additionally information about the behaviour of such seals under dynamic load could be gained from the time dependent material behaviour by use of the time temperature superposition relationship. By application of the gained insight into the behaviour of elastomeric seals at low temperatures the evaluation and selection of safety relevant seal systems will be simplified in the future. T3 - BAM Dissertationsreihe - 79 KW - leakage rate KW - Elastomer KW - Dichtung KW - Tieftemperaturverhalten KW - Glas-Gummi-Übergang KW - Leckagerate KW - seal, rubber KW - low temperature behavior KW - glass-rubber transition PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-794 SN - 978-3-9814634-3-9 SN - 1613-4249 VL - 79 SP - 1 EP - 153 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-79 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Matschulat, Andrea Isabel T1 - Entwicklung neuer Sonden für bioanalytische Anwendungen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung N2 - Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been established as a versatile tool for probing and labeling in analytical applications, based on the vibrational spectra of samples as well as label molecules in the proximity of noble metal nanostructures. The aim of this work was the construction of novel SERS hybrid probes. The hybrid probes consisted of Au and Ag nanoparticles and reporter molecules, as well as a targeting unit. The concept for the SERS hybrid probe design was followed by experiments comprising characterization techniques such as UV/Vis- spectroscopy (UV/Vis), Transmission electron microscopy (TEM) and Dynamic Light Scattering (DLS), respectively. SERS experiments were per- formed for studying and optimizing the plasmonic properties of nanoparticles with respect to their enhancement capabilities. The SERS-probes had to meet following requirements: biocompatibility, stability in physiological media, and enhancement of Raman-signals from Raman reporter molecules enabling the identification of different probes even in a complex biological environment. Au and Ag nanoaggregates were found to be the most appropriate SERS substrates for the hybrid probe design. The utilization of Raman reporters enabled the identification of different SERS probes in multiplexing experiments. In particular, the multiplexing capability of ten various reporter molecules para-aminobenzenethiol, 2-naphthalenethiol, crystal violet, rhodamine (B) isothiocyanate, fiuorescein isothiocyanate, 5,5'dithiobis(2-nitrobenzoic acid), para- mercaptobenzoic acid, acridine orange, safranine O und nile blue was studied using NIR-SERS excitation. As demonstrated by the results the reporters could be identified through their specific Raman signature even in the case of high structural similarity. Chemical separation analysis of the reporter signatures was performed in a trivariate approach, enabling the discrimination through an automated calculation of specific band ratios. The trivariate identification could be a promising method for SERS-multiplexing in analytical applications. Multivariate methods such as Principal Components Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA) were as well applied for discrimination and imaging of the reporter signatures. With the help of multivariate imaging methods based on cluster analysis, it could be for the first time demonstrated that such methods provided a fast identification of various SERS hybrid probes inside the biological matrix, this was demonstrated using living 3T3 cells. Further, in a duplex imaging approach, the probes fulfill the requirements for the sensitive detection of both the specific reporter signatures and intrinsic information coming from eukaryotic cells. The results of cluster methods and principal components approaches for discrimination indicate that fast, multivariate evaluation of whole sets of multiple probes is feasible, beyond the visual inspection of individual spectra that has been practiced so far. This suggests multiplexing applications with SERS hybrid nanoprobes and SERS tags in very high density sensing and biological imaging applications, where fast read-out is required. The pH-sensitivity of SERS-Tags that consisted of different reporter molecules attached to aggregated Au and Ag nanoparticles in the range between pH∼3-10 was studied. It could be demonstrated that the reporter molecules provided pH-dependent SERS signatures and could therefore be suitable for the sensitive pH-detection, e.g., inside cellular compartments. The construction of targeted SERS probes was based on the integration of a goat-anti- mouse antibody as targeting element Antibodies were coupled to Au and Ag nanoprobes surrounded by a Bovine Serum Albumin (BSA) coating which served as a carrier for the covalent linkage of a Raman reporter molecule and the targeting units at the same time In experiments with BSA and a conjugated reporter the spectra of the BSA-coupled re- porters provided an indication of the secondary structure of BSA which is related to the BSA-reporter coupling procedure In in v i t ro -experiments with BSA-coupled nanoprobes inside 3T3 cells reporter signatures and intrinsic information from the cellular matrix could be delivered BSA enabled the coupling of reporter molecules as well as the targeting of antibodies and served as stabilizer of the gold nanoaggregates The functionality of the coupled antibodies after their integration into the SERS probe was retained This was verified by the results of a direct Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) Conjugates with implemented reporter molecules could be characterized using SERS The application of the complete probes suggested a use of these novel biocompatible stable and targeted SERS probes that can be excited out-of- resonance also for other bioanalytical applications. On the basis of the constructed SERS hybrid probes comprising a large number of BSA- coupled reporters could e g be implemented for automated high-througput immuno- assays where they are arranged on a microstructured device for the simultaneous and multilevel SERS-readout in one step . T3 - BAM Dissertationsreihe - 78 KW - Au und Ag Nanopartikel KW - SERS-Multiplexing KW - Raman Reporter KW - Multivariate Datenanalyse KW - intrazelluläre Hybridsonden PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-802 SN - 978-3-9814281-8-6 SN - 1613-4249 VL - 78 SP - 1 EP - 192 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-80 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Wu, Guang Mei T1 - Quantitative Assessment and Optimization of Flame Retardancy by the Shielding Effect in Epoxy Nanocomposites N2 - Diese Arbeit trägt zum halogenfreien Flammschutz von Epoxidharzen durch Nanokomposite mit Phosphonium modifiziertem Schichtsilikat bei. Der Flammschutz resultiert aus der während der Pyrolyse entstehenden inorganisch-organischen Schutzschicht. Diese Brandrückstandsschicht wirkt als Hitzeschild für das darunterliegende Material. Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle und quantitative Beschreibung dieses Effekts und die Optimierung der Flammschutzwirkung. Die während der erzwungenen Verbrennung im Cone Calorimeter auftretenden Wärmeflüsse und Materialoberflächentemperaturen wurden in selbst konzipierten Experimenten bestimmt. Der durch die Schutzschicht zurückgestrahlte Wärmefluß und die daraus resultierte Reduktion des in der Pyrolysezone effektiv in Brennstofffreisetzung umgesetzten Wärmeflusses wurden erfolgreich quantifiziert. Mit diesem effektiven Wärmefluß nahmen wichtige Brandeigenschaften wie die Wärmefreisetzungsrate ab. Zur Optimierung der Schutzschicht wurde drei Ansätze verfolgt: Variation der organischen Modifizierung, verbesserte Dispersion durch den Einsatz von interkaliertem Triphenylphosphat und die Optimierung der Morphologie der Schutzschicht durch die Kombination von Schichtsilikat mit niedrig schmelzenden Gläsern. Durch den Einsatz verschiedener organischer Kationen lässt sich die Verteilung der Nanopartikel, die Struktur der Schutzschicht und damit die Flammschutzwirkung optimieren. Obwohl die Interkalation von Triphenylphosphat eine deutliche Aufweitung der Schichtabstände im Schichtsilikat bewirkt, zeigen die entsprechenden Nanokomposite keine verbesserte Verteilung der Partikel, keine homogenere Schutzschicht und keine Erhöhung der Flammschutzwirkung im Vergleich zu analogen Mischsystemen, in denen additiv Triphenylphosphat zugegeben wurde. Die Kombination von organisch modifiziertem Schichtsilikat und niedrig schmelzenden Gläsern zeigen in den meisten der untersuchten Systeme antagonistische Effekte. Nur in wenigen Kombinationen ist, die Superposition bzw. sogar eine Synergie zwischen den Flammschutzeffekten beider Zusätze zu beobachten. Die erstmalige experimentelle Quantifizierung des Hitzeschildes in Polymernanokompositen ist ein wertvoller Beitrag für ein grundlegendes Verständnis der Flammschutzmechanismen in Nanokompositen. Die Abhängigkeit der Flammschutzwirkung von der Struktur der Schutzschicht wurde nachgewiesen. Zur Optimierung der Schutzschichtstruktur und damit des Flammschutzes wurden drei Ansätze vorgeschlagen. N2 - The motivation of this study was to pursue effective eco-friendly and economical flame retarded polymer materials. With wide-ranging advantages such as improved fire and physical properties, halogen-free and relatively low cost, layered silicate / epoxy nanocomposite (EP_LS) was targeted for high efficiency of flame retardancy. One main goal of this study was to increase the understanding of the flame retardancy phenomenon in EP_LS by assessing the shielding effect of the protection layer experimentally and quantitatively. Another main goal of this study was to optimize the flame retardancy by the shielding effect in EP_LS. T3 - BAM Dissertationsreihe - 77 KW - Flame retardancy KW - Shielding effect KW - Nanocomposite KW - Layered silicate KW - Low-melting glass PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-816 SN - 978-3-9814281-7-9 SN - 1613-4249 VL - 77 SP - 1 EP - 125 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-81 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Zoëga, Andreas T1 - Spannungsabhängigkeit elastischer Wellen in Beton N2 - Beton, einer der vielseitigsten und meist-verbreitetsten Baustoffe, verdankt diese Popularität seiner hohen Druckfestigkeit bei gleichzeitig geringen Kosten auf der einen Seite sowie seiner hohen Flexibilität durch die Möglichkeit der fast beliebigen Formgebung von lastabtragenden Elementen und Bauteilen auf der anderen Seite. Die weltweit verbreiteten Betonbauwerke altern und drängen die zerstörungsfreie Prüfung dazu, Prüfmethoden für eine effektive Zustandsbewertung von im Betrieb befindlichen Betonbauwerken zur Verfügung zu stellen. Für viele in anderen zerstörungsfreien Prüfbereichen alltägliche Anwendungen stellt Beton aufgrund der Heterogenität des Verbundwerkstoffs mit seinem nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Verhalten eine Herausforderung dar. Mit steigender Spannung nehmen die nichtlinearen Eigenschaften noch zu und können - z. B. durch die sich in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung bildenden Mikrorisse - zu einer anisotropen Ausbildung von Eigenschaften führen, welche u. a. mit elastischen Wellen in Wechselwirkung treten. Bisherige Prüfaufgaben an Beton beschränken sich auf Bereiche, bei denen die elastischen Wellen ein lineares Verhalten aufweisen und sind daher nicht uneingeschränkt anwendbar. Gerade der Zusammenhang von Spannungszustand und Anisotropie zeigt eindeutige nichtlineare Effekte auf die Eigenschaften elastischer Wellen. Diese Eigenschaftsänderungen von elastischen Wellen sollen in dieser Arbeit anhand der Schallgeschwindigkeit erörtert werden. Neben einer Beobachtung und Dokumentation der auftretenden Effekte werden die Ursachen und Wirkmechanismen, die zu einer Schallgeschwindigkeitsänderung unter einer Druckbelastung führen, untersucht. In einem Vorversuch wurden Wellen unterschiedlichen Typs, Frequenz, Polarisation und Ausbreitungsrichtung auf ihre Sensitivität gegenüber einer Belastung miteinander verglichen. Hierbei stellte sich die Oberflächenwelle als die belastungsempfindlichste heraus und wird in dieser Arbeit für die Beschreibung der spannungsabhängigen Eigenschaftsänderungen von elastischen Wellen bevorzugt verwendet. Die für diese Versuchsserie erstellten Versuchsaufbauten und die verwendeten Oberflächenwellen erlaubten eine beliebige Orientierung der Messrichtung in Bezug zur Lastrichtung. Die Änderung der Schallgeschwindigkeit konnte damit in Richtungsabhängigkeit verfolgt und anisotropes Verhalten beobachtet werden. Ultraschallwellen sind für Untersuchungen an Beton die am häufigsten verwendeten; infolgedessen wurde zum Vergleich parallel mit Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen gemessen. Als Ergebnis aus der Versuchsserie konnte der Auslastungs- und Schädigungsgrad des Betons nachvollzogen und damit die Änderung der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der aufgebrachten Last für eine sichere Bruchvorhersage verwendet werden. Mit wachsender Belastung stieg dabei die Schallgeschwindigkeit an, dieser Anstieg verlangsamte sich und ging im Bereich zwischen 50-80 % der Bruchlast in eine zunehmende Schallgeschwindigkeitsreduktion über. Der größte Schallgeschwindigkeitszuwachs konnte zu Beginn in Lastrichtung beobachtet werden, während die größte Schallgeschwindigkeitsreduktion in orthogonaler Richtung kurz vor dem Bruch stattfand. Der bei geringer Belastung (linear-elastischer Bereich) besonders deutliche Schallgeschwindigkeitsanstieg kann mithilfe der Akustoelastizität erklärt werden. Der sich vermindernde Anstieg und die Schallgeschwindigkeitsreduktion ließen sich experimentell auf die Mikrorissentstehung und das Mikrorisswachstum innerhalb des Betons zurückführen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich die Schallgeschwindigkeit bei einer Wiederbelastung von der bei einer Erstbelastung unterscheidet, dieser Unterschied sich bei einer höheren Vorbelastung vergrößert, die Anzahl der vorangegangenen Belastungen einen Einfluss hat und eine Überlastung sich besonders deutlich in einer Schallgeschwindigkeitsminderung niederschlägt. Bei den Schallgeschwindigkeitsänderungen konnte ebenso eine zeitabhängige Komponente beobachtet werden. Die typischen Kurvenverläufe der Schallgeschwindigkeit über der Spannung konnten ebenso an Probekörpern mit anderen Betonrezepturen sowie an bewehrten Probekörpern aufgezeichnet werden. Die spannungsabhängige Änderung der Geschwindigkeit von elastischen Wellen in Beton ist ein nicht zu vernachlässigender Effekt, welcher für Prüfverfahren zur Inspektion von bestehenden Gebäuden in Betracht gezogen werden kann. Ein Verständnis für die Ursachen der belastungs- bzw. zerstörungsgradabhängigen Geschwindigkeitsänderung der elastischen Wellen in Beton ebnet den Weg zur Entwicklung und Etablierung neuer Prüfmethoden, mit deren Hilfe vor Ort und zerstörungsfrei der Auslastungs- und Schädigungsgrad einer Betonstruktur bestimmt werden kann. N2 - Concrete is one of the most widely used construction materials. Concrete owes this popularity to its high compressive strength, low costs and the flexibility of being cast in the form of customized structural elements and load-bearing members. The many concrete structures around the world are aging, urging the NDT community to develop testing tools for effective inspection of in-service concrete structures. Concrete poses a challenge to the application of standard NDT techniques. Concrete is a multi-phase heterogeneous material with a nonlinear stress-strain behavior. Loading and the resulting damage (i.e., microcracking) increase the non-linearity and may induce anisotropy in concrete. As a result, many of the common wave propagation-based NDT methods relying on linear elastic theory are no longer applicable. The main objective of this study is to investigate the stress-induced changes in the velocity of elastic waves in concrete under uniaxial compression. The underlying mechanisms of the observed effects have been also investigated here. A preliminary experiment was conducted to study the influence of the type, frequency, polarization, and propagation direction of elastic waves on the stress-induced velocity changes. The velocity of sonic surface waves (Rayleigh waves) demonstrated the highest sensitivity and therefore, much of this work is focused on the stress-induced changes in surface wave propagation characteristics. The test setup allowed measuring the surface wave velocities along various directions with respect to the loading direction and therefore, the direction-dependency of the surface wave velocity measurements was also investigated. Standard ultrasonic testing of various frequencies was also conducted and the results were compared to those from sonic surface wave measurements. Sonic surface wave velocities were found to be highly stress- and damage-dependent. Application of stress results in an initial sharp increase in surface wave velocity. Increasing the stress, the wave velocities continue to increase, however, the rate of increase decreases for stress levels between 50% and 80% of the failure stress, after which the velocities start rapidly to decrease. The sharpest increase was recorded in the direction of the loading, while the velocities decreased the fastest in the perpendicular direction. The sharp initial increase in wave velocities (within the elastic region) can be explained by acoustoelastic effects. The initiation and development of microcracks within concrete result in the observed velocitystress relationship beyond the elastic region. The test specimens were generally loaded in several load cycles and wave velocities were measured during both loading and unloading phases. It was found that the load history has a major effect on the velocity measurements. For previously loaded specimens, a notable difference between the velocity measurements during unloading and reloading was recorded. The higher the maximum previous load, the larger was the difference. Also, overloading the specimens resulted in a very large loss in surface wave velocities. Similar qualitative velocitystress relationships were obtained for a number of different concrete mixes as well as the reinforced concrete. Stress-dependency of elastic wave velocities in concrete is an important effect, which needs to be taken into account for in-situ measurements of in-service structural elements. Understanding and establishing the stress- and –damage dependency of wave velocities in concrete paves the way for developing new NDT techniques, which can be used to nondestructively estimate the in-situ stress and damage state of concrete. T3 - BAM Dissertationsreihe - 76 KW - Beton KW - Mikrorisse KW - Oberflächenwellen KW - Schallgeschwindigkeit KW - Spannungsabhängigkeit KW - Akustoelastizität KW - Richtungsabhängigkeit KW - elastische Wellen KW - Belastung PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-820 SN - 978-3-9814281-6-2 SN - 1613-4249 VL - 76 SP - 1 EP - 175 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-82 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Stoppel, Markus T1 - Differenzpotentialfeldmessung in der automatisierten Prüfung von Stahlbetonbauteilen N2 - Die Potentialfeldmessung ist eines der wichtigsten zerstörungsfreien Prüfverfahren für die Zustandsbewertung von Stahlbetonbauteilen. Mit dieser Methode kann eine ortsabhängige Wahrscheinlichkeit für aktive, chloridinduzierte Bewehrungskorrosion bestimmt werden. Bei der konventionellen Anwendung wird über ein langes Schleppkabel eine Verbindung zwischen einem Messgerät und der Bewehrung hergestellt. Eine Interpretation der Messergebnisse wird anhand der absoluten Potentialwerte durchgeführt. Die Zuordnung zu aktiven oder passiven Zustanden der Bewehrung ist dabei nicht eindeutig. Eine zuverlässigere Methode der Bewertung des Korrosionspotentials ist jedoch die Bestimmung der Gradienten der Messspannungen. Das vorrangige Ziel dieser Arbeit ist es, die Potentialfeldmessung zu einem vollkommen zerstörungsfreien Differenzpotentialfeldmessverfahren (DP-Messung) weiter zu entwickeln, mit dem die Potentialgradienten direkt gemessen werden und bei dem auf die permanente Ankoppelung an die Bewehrung verzichtet werden kann. Die Arbeit fasst die Entwicklungsschritte zusammen und definiert die Bewertungskriterien für die DP-Messung, die die Qualität der Interpretation verbessern. Anhand der neu definierten Gradientenbreite wird aufgezeigt, wie die Detektionswahrscheinlichkeit für korrosionsaktive Bereiche erhöht wird. Es wird gezeigt, wie die automatisierte Kombination des Verfahrens mit großflächigen Messungen des Feuchtegehalts und der Betondeckung zu einer zuverlässigeren Zustandsbewertung führt. N2 - The half-cell potential test is one of the most important non-destructive testing techniques used for condition evaluation of reinforced concrete structures. This method gives the probability of chloride-induced corrosion in steel reinforcing rebars. The conventional approach involves exposing a rebar and using a long wire to connect the measurement device to the rebar. An interpretation of the measurement results is carried out based on the absolute potential values. The assignment to active or passive states of the reinforcement is not unique. However, it has been recently found that the gradient of the measured potentials provides a more reliable assessment of the corrosion potential of reinforcements. The primary objective of this work was to enhance the potential mapping technique by developing a difference potential mapping (DP-method), which can directly measure the potential gradients. Taking this new approach, a permanent connection to the rebar would be no longer required. The work summarizes the development details and the assessment criteria for the DPmethod, which improves the quality of interpretation. The newly defined gradient-width Shows how the detection probability of corrosion-active areas is improved. Moreover, it has been shown that combining the potential measurements with automated large-scale measuring the concrete cover and moisture content lead to a more reliable condition assessment. T3 - BAM Dissertationsreihe - 75 KW - Detektion KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Stahlbeton KW - Elektrochemische Korrosion KW - Potentialfeld PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-833 SN - 978-3-9814281-5-5 SN - 1613-4249 VL - 75 SP - 1 EP - 183 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-83 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Basan, Ricardo T1 - Untersuchung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mit Epoxidharzmatrix unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte N2 - Faserverbundwerkstoffe besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Die Anzahl der elastischen Größen und Festigkeiten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ist dadurch größer als zum Beispiel bei isotropen Werkstoffen. Die Festigkeiten und die Steifigkeiten in den verschiedenen Laminatrichtungen unterscheiden sich darüber hinaus um bis zu zwei Größenordnungen. Abhängig von der Belastungsart versagen Faserverbundwerkstoffe spröde oder duktil. Der Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in den verschiedenen Richtungen kommt daher eine grundlegende Rolle zu. Insbesondere die Bestimmung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ist aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Last-Verformungs-Verhaltens schwierig und mit den bestehenden Auswerteroutinen genormter Prüfverfahren teilweise fehlerbehaftet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Analyse der Schubeigenschaften in der Laminatebene durch eine neu entwickelte Schubvorrichtung, die eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Für die Probekörper dieser Schubvorrichtung wird auf der Grundlage von Messergebnissen ein lastabhängiges Modell der Schubspannungsverteilung entwickelt, das die Materialnichtlinearität berücksichtigt und bei der Analyse der Versuchsergebnisse zur Anwendung kommt. In vergleichenden Untersuchungen der Interaktion benachbarter Schichten an glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten mit ein- und zweiachsiger Orientierung kann gezeigt werden, dass bei identischem Schubspannungszustand in den Einzelschichten bis zu 60% größere Schubfestigkeiten der zweiachsig verstärkten Verbunde vorliegen. Die orthogonal verstärkten Laminate sind schadenstoleranter, da sich Zwischenfaserbruche nicht ungehindert ausbreiten können, sondern an den um 90° gedrehten Fasern gestoppt werden. In Laminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung führt dagegen der erste Riss unmittelbar zum Trennbruch. Die Verifizierung dieser Beobachtung erfolgt mittels des Verfahrens der Röntgenrefraktions- topographie. In Schubzugversuchen erfolgt die Korrelation der mechanischen Belastungssituation mit der mikrostrukturellen Analyse der inneren Schädigungsentwicklung des Werkstoffs. An zweiachsig verstärkten Kohlenstofffaserlaminaten unter Zwischenfaserbruchbeanspruchung kann gezeigt werden, dass die Degradation der intralaminaren Schubsteifigkeit mit der Zunahme an inneren Oberflachen als Maß für die Zwischenfaserbruchdichte einhergeht. Einachsig verstärkte Verbunde versagen dagegen relativ spröde bereits durch den ersten Zwischenfaserbruch und damit ohne Zunahme der Mikrorissdichte. Die Zusammenfassung der Erkenntnisse spiegelt sich in der Verbesserung des Auswerteverfahrens des in DIN EN ISO 14129 genormten Schubzugversuchs wider. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitat des Schubmoduls und der Faserrotation infolge der großen Verformungen während des Schubzugversuchs erfolgt in einem Iterationsprozess die stuckweise Anwendung der Klassischen Laminattheorie zur Bestimmung der Einzelschichtspannungen. Die Bewertung der Ergebnisse des Schubzugversuchs mit diesem Analyseverfahren hinsichtlich der Belastungsgrenzen resultiert in einer guten Übereinstimmung mit dem Festigkeitsmodell nach Puck. Die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der intralaminaren Schubfestigkeit mittels des in der industriellen Anwendung weit verbreiteten Normversuchs. T3 - BAM Dissertationsreihe - 74 KW - Zwischenfaserbruch KW - interfibre failure KW - nonlinearity KW - test methods KW - in-plane shear KW - composite materials KW - Faserverbundwerkstoffe KW - intrlaminare Schubeigenschaften KW - Prüfverfahren KW - Nichtlinearität PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-848 SN - 978-3-9814281-3-1 SN - 1613-4249 VL - 74 SP - 1 EP - 170 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-84 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Lang, Cindy T1 - Sensoren zum Monitoring des Nachernteverhaltens von klimakterischen Früchten N2 - Die Produktqualität, Produktsicherheit und Rückverfolgbarkeit von pflanzlichen Lebensmitteln sind integrierte Aspekte in der nachhaltigen Landwirtschaft. Die in den letzten Jahren zunehmenden Anforderungen an die Lebensmittelprozessketten werden nach internationalen Standards und durch Verordnungen weiter ansteigen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Beitrag zur Entwicklung eines modularen intelligenten Sensorsystems zur durchgängigen Qualitätskontrolle in der Logistikkette von pflanzlichen Frischeprodukten erbracht. Dazu werden innovative Sensoren zum in-situ Monitoring des Nachernteverhaltens von klimakterischen Früchten entwickelt und validiert. Als Referenzmethode zur Detektion des Reifegases Ethylen wurde ein gaschromatographisches System (GC-FID) adaptiert. Die zeitabhängige Ethylenbildung und -emission ist während des Reifeprozesses klimakterischer Früchte anhand von Äpfeln mittels Gaschromatographie- Flammenionisationsdetektion (GC-FID) untersucht und dokumentiert worden. Zur Charakterisierung der Referenzmethode ist aus den Daten der Kalibriergerade die Bestimmungsgrenze berechnet worden. Dabei ergibt sich für die Ethylendetektion mit dem GC-FIDSystem eine Bestimmungsgrenze von xBG = 0,07 ppmV bzw. xBG = 0,08 μg/L. Aus den direkt aus dem Kerngehäuse ermittelten Ethylengehalten lassen sich die idealen Erntezeitpunkte für die Apfelsorten ‘Elstar‘ und ‘Pinova‘ bestimmen. Für die Genussreife des Apfels ‘Elstar‘ ist der optimale Erntezeitraum im Bereich Anfang bis Mitte September festzulegen. Die Apfelsorte ‘Pinova‘ sollte erst ab Anfang Oktober geerntet werden. Die durchgeführten Untersuchungen in dem simulierten Lagerungssystem geben einen Hinweis auf das Nachreifeverhalten der beiden Apfelsorten. Hierbei sind Ethylenemissionsraten bis ERmax = 51,5 μL/kg·h nachgewiesen worden. Im Vergleich dazu werden in der Literatur für die Ethylenemission bei diversen Apfelsorten während des Nachernteprozesses Gehalte von ERLit > 100 μL/kg·h angegeben. Diese gaschromatographische Methode ist für eine online Überwachung und Protokollierung von Transport- und Lagerungsprozessen Vorort weniger geeignet. Die Ethylenemission von klimakterischen Früchten wird in Korrelation zu den Transport- und Lagerungsbedingungen nicht nur mittels Gaschromatographie sondern auch unter Verwendung innovativer Reifeindikatoren als Sensoren analysiert. Zur in-situ Analyse des Nachernteverhaltens von klimakterischen Früchten ist ein opto-chemischer Reifeindikator, basierend auf den chemischen Eigenschaften des Reifegases Ethylen, entwickelt worden. Aufgrund der Reduktionswirkung des Ethylens entstehen Farbänderungen durch den Wechsel der Oxidationsstufen von ausgewählten Metallionen. Die verwendeten Molybdänchromophore verändern sich unter der Einwirkung von Ethylen in einem Farbspektrum von weiß oder hellgelb zu blau. Die Oxidationsstufen des Molybdäns in dem dabei entstandenen Molybdänblau Mo3O8 wurden mittels ESCA untersucht. Die ESCA- Spektren stellen bei der blau gefärbten Molydänverbindung zwei Bindungszustände mit zwei verschiedenen Bindungsenergien (Mo 3d5/2 - Orbital, Intensitätsverhältnis 4:1) dar. Mit der NIST- Datenbank lassen sich die nachgewiesenen Bindungszustände der Molybdänoxide mit den Oxidationsstufen Mo(VI) und Mo(V) interpretieren. Die Reaktionszeit und die Sensitivität des Molybdänfarbwechsels werden in Abhängigkeit der zu detektierenden Ethylenemissionen durch die Modifikation der pH- Werte (pH 1,4 - pH 1,5) einer Ammoniummolybdatlösung variiert. Das außerdem verwendete Reagenz Wasserstoffperoxid dient der Stabilität der Ammoniummolybdatlösung und das eingesetzte Palladiumsulfat wirkt katalytisch auf die Molybdänfarbwechselreaktionen. Die visuelle Auswertung der opto-chemischen Reifeindikatoren mittels eines Farberkennungssensors (L*a*b*-Farbenraum-Modell) erfolgt am Beispiel von Äpfeln unter simulierten Lagerungsbedingungen. Bei steigender Ethylenemission sinken die b*- (in Richtung blau) und die Luminanzkomponente, d. h. der Blauton des Reifeindikators wird in Abhängigkeit der akkumulierten Ethylenmenge intensiver. Die variablen Ethylenindikatoren werden weiterführend zur deskriptiven Lebensmittelsensorik korreliert, um das Reifeverhalten von Äpfeln ganzheitlich charakterisieren zu können. Für die deskriptive Lebensmittelprüfung wurden die äußere Beschaffenheit, der Geruch, der Geschmack und der Reifezustand sensorisch beschrieben und beurteilt. Während des Nachreifeprozesses der Äpfel verändern sich die Farbe der Schale und des Fruchtfleisches sowie der Geruch und der Geschmack. Der sensorische Reifezustand der Äpfel steigt in Abhängigkeit von der Dauer der Lagerung proportional zur gaschromatographisch ermittelten Ethylenemission an. Parallel dazu verändern die an den Äpfeln haftenden opto-chemischen Reifeindikatoren ihre Koloratur mit zunehmender Ethylenemission. Nach einem definierten Lagerungszeitraum ist eine intensive Blaufärbung detektierbar. Des Weiteren wurden spezielle „funkgekoppelte Miniatur-Datalogger“ als mobile Temperaturund Feuchtesensoren zur Erfassung der fruchtnahen klimatischen Bedingungen von Obst und Gemüse in der Nachernteperiode während des Transport- und Lagerungsprozesses untersucht und weiterentwickelt. Diese portablen, kostengünstigen und energiearmen Sensoren ermöglichen eine drahtlose Messdatenübertragung zur Langzeitprotokollierung und -überwachung der Distributionskette von klimakterischen Früchten. Die Validierung der miniaturisierten kapazitiven Polymersensoren ergibt in einem Bereich der relativen Feuchte von 20 bis 85 % Abweichungen von bis zu 4 % vom Referenzwert. Bei zunehmender relativer Feuchte zeigt der Miniatursensor eine geringe Hysterese (1 %). Eine Betauung wird nicht detektiert. Ein Luftstromeinfluss konnte nicht nachgewiesen werden. Das zeitliche Ansprechverhalten liegt bei t90 = 50 s und das Abklingverhalten bei t10 = 212 s. Die klimatischen Bedingungen während des Transports und der Lagerung der klimakterischen Früchte können mit den validierten Temperatur- und Feuchtesensoren in-situ und online überwacht und dokumentiert werden. Um das Nachernteverhalten pflanzlicher Frischeprodukte hinsichtlich der fruchtspezifischen Transpiration detailliert charakterisieren zu können, ist ein Modell einer speziellen Verdunstungsmesskugel mit elektronischem Signal und Datenfernübertragung entwickelt worden. Durch das Modell zur Simulation des Nachernteverhaltens von Tomaten lässt sich dabei eine Korrelation zwischen den relativen Masseverlusten (Wasserdampfabgabe) und der ermittelten relativen Feuchte durch die Sensoren im Inneren der Kugel beschreiben. Mit der Korrelation der relativen Wasserverluste wird ein Monitoring des Transpirationsverhaltens von Tomaten bei Normalbedingungen, bei niedrigen Temperaturen (T = 8 °C) und bei unterschiedlichen Feuchtigkeiten im verpackten Zustand (Kartonage) online möglich. N2 - Requirements for food product quality, safety and traceability have increased in recent years and will increase further, in line with international standards and regulations. To satisfy these requirements without major additional staffing, innovative database driven systems are necessary. Accordingly, this project contributes to develop a modular intelligent sensor system for enabling quality control in the supply chain of fresh plant produce. To this end, sensors for in situ monitoring of the postharvest behaviour of climacteric fruits have been developed and validated. As reference method for the detection of ethylene, a gas chromatographic system has been adapted. The time-dependent ethylene formation and emission has been investigated and documented during the ripening process of climacteric fruits (apples) by means of gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID). For the characterisation of the reference method the detection and quantification limits are calculated from the data of the calibration curve. For ethylene detection with the GC-FID system, a quantification limit of xBG = 0.07 ppmV and xBG = 0.08 μg/L is established. Thus, the ideal harvest times for the ‘Elstar’ and ‘Pinova’ apples can be formulated with low ethylene concentrations, directly determined from the apple core. Early to mid September is the best harvest time for ‘Elstar’ to attain optimal maturity and best flavour. The ‘Pinova’ apple should be harvested not before early October. On the other hand the investigations, realised in the simulated storage system, give an indication of the postharvest behaviour of the apples. These ethylene emissions have been detected until ERmax = 51.5 μL/kg·h. For comparison, concentrations of EREth > 100 μL/kg·h for the emission of ethylene with various varieties of apples during the postharvest process are declared in the literature. This gas chromatographic method is less suitable for in situ and online monitoring of transportation and storage processes. The ethylene emission of climacteric fruits is analysed in correlation to the transport and storage conditions using gas chromatography and innovative ripeness indicators as sensors. For in situ analysis of postharvest behaviour of climacteric fruits, an opto-chemical ripeness sensor, based on the chemical properties of the ripening gas ethylene, has been developed. Because of the reduction effect of ethylene, colour changes occur in modification of oxidation state of selected metal ions. The used molybdenum chromophores change under the impact of ethylene in a colour spectrum from white or light yellow to blue. The oxidation states of molybdenum in the incidental molybdenum blue Mo3O8 have been investigated and detected by ESCA. The blue coloured molybdenum compound possesses two bond states with two different bond energies (Mo 3d5/2 – orbital, ratio of intensity 4:1) in the ESCA spectra. According to the NIST database the detected bond states of the molybdenum oxides are interpreted with the oxidation state of Mo (VI) and Mo (V). The reaction time and the sensitivity of molybdenum colour change can be varied by modifying the pH-values (pH 1.4 - pH 1.5) of used ammonium molybdate solution depending on the detected ethylene emissions. The reagent hydrogen peroxide is employed for stability of ammonium molybdate solution and used palladium sulphate influences catalytic the molybdenum colour reactions. Under storage simulated conditions, using the example of apples, the opto-chemical ripeness indicators are recorded visually and are evaluated by a colour recognition sensor (L*a*b* model). With increasing ethylene emission the b*- (in the direction of blue) and luminance factor, the blue colouration of the ripeness indicator is intensely dependent on the amount of accumulated ethylene. The variable ethylene indicators are characterised in correlation to descriptive sensory food evaluation for the holistic characterisation of the ripening behavior of apples. For the descriptive food test, the external appearance, smell, taste and degree of ripeness have been described and evaluated to the senses. During the post-ripening process of apples, the colour of the pericarp and pulp, and the smell and taste also change. Furthermore the sensory degree of ripeness of apples increases depending on the duration of storage and is proportional to the ethylene emission identified by gas chromatography. In parallel, the adherent opto-chemical ripeness indicators on the apples change their colouration with increasing ethylene emission. An intense blue staining is detected over a defined period of storage. In addition special "radio coupled miniature data logger" as mobile temperature and humidity sensors have been studied and developed for detecting the climatic conditions of fruit and vegetables in the postharvest period during transport and storage processes. These portable, low energy and cost-efficient sensors permit wireless data transmission for longterm monitoring of the distribution chain of climacteric fruits. The validation of the miniaturized capacitive polymer sensors results deviations from up to 4 % reference value in a measuring range of relative humidity between 20 and 85 %. A hysteresis, i.e. a difference of humidity indication of the sensor between increasing and decreasing ambient humidity of about 1 % is observed. During increasing humidity the time of response t90 = 50 sec is determined. By contrast, at decreasing humidity the recovery time (212 seconds) is even longer. Impacts of water condensation and environmental gas flow are also studied. The water condensation cannot be detected. The sensor indication does not depend on circulating gas flow, but strongly influenced by temperature deviation. Thus, the climatic conditions during transport and storage of climacteric fruits will be in situ and online monitored by validated temperature and humidity sensors. In order to characterise the postharvest behaviour of crop, with regard to the fruit specific transpiration in detail, a model of a special evapotranspiration ball with electronic signal has been developed. Resulting from this model for simulation of postharvest behaviour of tomatoes a correlation between the relative mass loss (water vapour loss) and the relative humidity determined by the sensors inside the core is described. Accordingly, by means of the correlation of the relative water losses a monitoring of the evapotranspiration of tomatoes at different environmental conditions is online possible. T3 - BAM Dissertationsreihe - 73 KW - Nachernteprozess KW - Transpirationsverhalten KW - Ethylen KW - Reifeverhalten KW - Farbindikator PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-855 SN - 978-3-9814281-1-7 SN - 1613-4249 VL - 73 SP - 1 EP - 136 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-85 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kromm, Arne T1 - Umwandlungsverhalten und Eigenspannungen beim Schweißen neuartiger LTT-Zusatzwerkstoffe N2 - Die Erkenntnis, dass die Phasenumwandlung bei der Schweißeigenspannungsentstehung hochfester Stähle eine bedeutende Rolle spielt, gibt es bereits seit langer Zeit. Bisher existierten jedoch keine Ansätze, diesen Effekt praktisch zur Schweißeigen- spannungskontrolle zu nutzen. Neuartige Low Transformation Temperature (LTT) Legierungen bieten aufgrund ihrer charakteristischen chemischen Zusammensetzung die Möglichkeit, hochfeste Stähle auf deren Festigkeitsniveau zu fügen. Die martensitische Phasenumwandlung soll zudem eine gezielte Einstellung der Schweißeigenspannungen erlauben. Die im Schrifttum vorliegenden Untersuchungen zu diesem Thema sind zwar zahlreich, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen der Phasenumwandlung und den resultierenden Schweißeigenspannungen. Zur Klärung dieser Fragestellung wurde basierend auf Literaturauswertungen eine Matrix von LTT-Legierungen verwirklicht, welche hinsichtlich des Gefüges, der mechanischen Eigenschaften und der Umwandlungstemperaturen charakterisiert wurden. Weiterhin konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals In-situ-Beugungsexperimente während des Schweißens unter Anwendung energiedispersiver Methoden realisiert werden. Die Neukonzeption und Verwirklichung einer Schweißvorrichtung speziell für den Einsatz an Synchrotronstrahllinien ermöglichte die bislang einzigartige In-situ-Analyse der Umwandlungsvorgänge während des Schweißens mit LTT-Legierungen. Im Zuge dieser Experimente konnte neben den im Schweißgut vorherrschenden Umwandlungstemperaturen zusätzlich die Umwandlungskinetik dieser Legierungen ermittelt werden. Die Auswirkungen des Umwandlungsverhaltens wurden anhand der Eigenspannungsverteilungen in der Oberfläche variierender Probengeometrien analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen einerseits, dass die mittels der LTT-Legierungen angestrebte Eigenspannungskontrolle tatsächlich möglich ist. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn eine weitgehend freie Schrumpfung der Naht vorliegt. Mit zunehmender Schrumpfbehinderung ergibt sich jedoch eine Verschiebung des Eigenspannungsniveaus in den Zugbereich. Dies ist bei den hier betrachteten Legierungen vornehmlich in Nahtquerrichtung ausgeprägt. Dagegen ist das Eigenspannungsniveau in Nahtlängsrichtung nahezu unabhängig von den Schrumpfbedingungen. Anhand von Eigenspannungstiefengradienten ließ sich feststellen, dass sich die zusätzliche Schrumpfbehinderung in einer Parallelverschiebung des Eigenspannungsniveaus im Schweißgut äußert. Die Anwendung energiedispersiver Beugungsmethoden erlaubte zudem erstmals die Eigenspannungsermittlung in der parallel zum Martensit vorliegenden austenitischen Phase der LTT-Legierungen. Ergebnisse, die unter Laborbedingungen gewonnen werden, bedürfen zumeist der Überprüfung unter realen Fertigungsbedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein Bauteilschweißversuch in einer speziellen Großprüfanalage durchgeführt. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang es, die lastabbauende Wirkung eines spezifischen LTT-Schweißzusatzes anhand einer ausgeprägten Spannungsreduktion während des Schweißens zu belegen. Insgesamt wurde der Nachweis erbracht, dass das Konzept der Low Transformation Temperature (LTT) Legierungen zielführend ist und die nachgewiesene Austenit-Martensitumwandlung einen signifikanten Effekt auf das Eigenspannungsniveau ausübt. N2 - It has long been recognized that phase transformation plays a prominent part in the Evolution of welding residual stresses in high-strength steel. But thus far, no approaches have been available to practically utilize this effect for welding residual stress control. Innovative Low Transformation Temperature (LTT) alloys featuring a characteristic chemical composition open up the possibility for joining high strength steels on their own strength level. Furthermore, martensitic phase transformation is supposed to permit deliberate adjustment of the welding residual stresses. Even though numerous investigations can be found in the literature on this issue, they provide only little insight into the interaction between Phase transformation and resulting welding residual stresses. In order to clarify the problem presented, a matrix of LTT alloys was defined based on evaluated literature. The alloys were characterized with respect to their microstructure, mechanical properties and transformation temperature. Furthermore, it was possible within the scope of this study to realize in-situ experiments during welding using energy-dispersive diffraction methods. The new design and implementation of a welding setup specifically for use at synchrotron beamlines enabled the in-situ diffraction analysis of Transformation processes. In the course of these experiments it could be managed to determine the Transformation temperatures prevailing in the LTT weld metal. In addition the Transformation kinetics of these alloys could be analyzed. The effects of the transformation behavior were analyzed based on the residual stress distributions at the surface of varying specimen geometries. The results illustrate on the one hand that the desired residual stress control by using LTT alloys is actually feasible. This is particularly found in cases with largely free shrinkage of the weld. With increasing shrinkage restraint, however, a shift of the residual stress level into the area of tension is seen to occur. This is observed for the considered alloys to be particularly pronounced in transverse direction of the weld. By contrast, the residual stress level in longitudinal weld direction is nearly independent of the shrinkage conditions. With the help of residual stress depth gradients it could be established that the additional shrinkage restraint manifests itself in a parallel shift of the residual stress level in the weld metal. Application of energy-dispersive diffraction methods additionally allowed it for the first time to determine residual stresses in the austenitic phase of the LTT alloy which is present parallel to martensite. Results gained under laboratory conditions mostly need to be verified under real fabrication conditions. For this purpose, a component weld test was performed in a special large-scale testing facility. Under structural shrinkage restraint, the load relieving effect of a specific LTT welding filler material could be proven by means of a pronounced stress reduction during welding. Overall, evidence was furnished that the concept of Low Transformation Temperature (LTT) alloys is successful and that the proven austenite-martensite transformation exerts a significant effect on the residual stress level. T3 - BAM Dissertationsreihe - 72 KW - residual stresses KW - Synchrotron diffraction KW - phase transformation KW - martensite KW - Eigenspannungen KW - LTT-Zusatzwerkstoff KW - Martensit KW - Phasenumwandlung KW - Synchrotronbeugung KW - LTT filler material PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-861 SN - 978-3-9813853-9-7 SN - 1613-4249 VL - 72 SP - 1 EP - 223 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-86 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Siegel, David T1 - Chemical Solutions to Current Issues in the Instrumental Quantification of Food Mycotoxins N2 - Mycotoxins are toxic secondary metabolites of ubiquitously occurring moulds. Through the consumption of contaminated foods, they can cause acute or chronic intoxications in humans. Here, it is demonstrated how covalent hydrazine chemistry can be used to improve the performance of instrumental methods for the quantification of trace level food mycotoxins. In the case of the Alternaria mycotoxin tenuazonic acid, pre-column derivatisation with 2,4-dinitrophenylhydrazine resolved chromatographic issues due to the chemical properties of the analyte and allowed for its rapid, sensitive and selective quantification in cereals and beer by high performance liquid chromatography- ion-trap two stage mass spectrometry (HPLC-IT-MS2). Tenuazonic acid could be detected for the first time in beer and buckwheat flour. Although the encountered levels were too low to cause acute intoxications, the frequency of contamination indicated possible health risks due to chronic exposure. In a second scenario, dynamic covalent hydrazine chemistry (DCHC) was exploited for a novel extraction and cleanup method applicable to the Fusarium mycotoxin zearalenone occurring in edible oils. Zearalenone was extracted by hydrazone formation on a hydrazinefunctionalised polymer resin and subsequently released hydrolytically for quantification by HPLC-fluorescence detection (HPLC- FLD). The high selectivity of the approach allowed for the omission of MS detection and immunoaffinity cleanup. The DCHC method was superior to previously published methods in terms of handling efforts, cost, precision and selectivity and is well suited for the monitoring of the current European maximum level for zearalenone in refined maize oil. In the second part of the dissertation, possible degradation routes of Alternaria mycotoxins upon storage and bread baking are discussed. In the frame of a kinetic study, it was shown that tenuazonic acid is degraded by two parallel processes, deacetylation and epimerisation, when stored in aqueous solution (half-life at 25 °C ~ 74 days). The primary degradation product deacetyl tenuazonic acid was less stable than its parent compound and degraded rapidly in beverage matrices. In model baking experiments it was furthermore revealed that alternariol, alternariol monomethyl ether and altenuene are stable under typical baking conditions. A newly identified degradation route, which is based on a sequence of hydrolysis and decarboxylation, caused only minor substance losses (< 1 %). Still, the degradation products could be detected in commercial rusk and crispbread by HPLC-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS). N2 - Mykotoxine sind sekundäre Stoffwechselprodukte ubiquitärer Schimmelpilze. Über den Konsum belasteter Nahrungsmittel können sie beim Menschen, je nach Art und Ausmaß der Exposition, akute bzw. chronische Vergiftungen hervorrufen. Ziel der Arbeiten war es, durch chemische Methoden zwei Probleme aus dem Bereich der quantitativen Mykotoxinanalytik zu lösen. Hierbei ging es erstens um die Inkompatibilität des Alternaria Mykotoxins Tenuazonsäure mit üblichen Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) Säulen und zweitens um die selektive analytische Extraktion des in der Europäischen Union regulierten Fusarium Mykotoxins Zearalenon aus Speiseölen. Für beide Problemstellungen wurden Lösungen erarbeitet, die auf dem Einsatz kovalenter Hydrazinchemie im Rahmen der Probenvorbereitung beruhen. Die Verfahren wurden validiert und auf Verbraucherprodukte angewendet. Die Bestimmung der Tenuazonsäure erfolgte dabei nach Derivatisierung mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin mittels HPLC-Ion-trap Massenspektrometrie (HPLC-IT-MS2). Für Zearalenon wurde eine neuartige Festphasenextraktionsmethode basierend auf dynamischer kovalenter Hydrazinchemie (DCHC) entwickelt und in Verbindung mit HPLC-Fluoreszenzdetektion (HPLC-FLD) eingesetzt. Beide Ansätze zeichnen sich durch hohe Selektivität, einfaches Handling und einen geringen Lösungsmittelverbrauch aus; alle Reaktionen erfolgen bei Raumtemperatur. So konnte Tenuazonsäure erstmals in Getränken (Bier) und Buchweizenmehl nachgewiesen werden. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit möglichen Abbaureaktionen der Alternaria Mykotoxine bei der Lagerung und Zubereitung von Lebensmitteln. Im Rahmen einer kinetischen Studie wurde gezeigt, dass Tenuazonsäure in wässriger Lösung über zwei parallele Prozesse, hydrolytische Deacetylierung und Epimerisierung, abgebaut wird (Halbwertszeit bei 25 °C ~ 74 Tage). Während das vornehmlich gebildete Produkt, Deacetyl-Tenuazonsäure, in wässriger Lösung stabil war, wurde es in Getränkematrices innerhalb weniger Tage abgebaut. In Modell-Backversuchen wurde weiterhin die Stabilität der Dibenzo- -pyron Derivate Alternariol, Alternariol-monomethylether und Altenuen untersucht. Unter typischen Backbedingungen erwiesen sich die Verbindungen als stabil. Ein erstmals belegter Abbaumechanismus für Alternariol und Alternariol-monomethylether, der auf einer Sequenz aus Hydrolyse und Decarboxylierung beruht, führte nur zu geringen Substanzverlusten (< 1 %). Dennoch konnten die Abbauprodukte mittels HPLC-Tandem-Massenspektrometrie (HPLCMS/MS) in extrudierten Produkten (Knäckebrot und Zwieback) nachgewiesen werden. T3 - BAM Dissertationsreihe - 71 KW - Alternaria KW - Mass spectrometry KW - Liquid chromatography KW - Quantification KW - Zearalenone PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-876 SN - 978-3-9813853-8-0 SN - 1613-4249 VL - 71 SP - 1 EP - 126 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-87 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Niederleithinger, Ernst T1 - Optimierung und Erweiterung der Parallel-Seismik-Methode zur Bestimmung der Länge von Fundamentpfählen N2 - Das Parallel-Seismik-Verfahren dient vor allem der nachträglichen Langenmessung von Fundamentpfählen oder ähnlichen Elementen zur Gründung von Bauwerken. Eine solche Messung wird beispielsweise notwendig, wenn ein Gebäude verstärkt, erhöht oder anders als bisher genutzt werden soll, aber keine Unterlagen mehr über die Fundamente vorhanden sind. Das Messprinzip des schon seit einigen Jahrzehnten bekannten Verfahrens ist relativ einfach: Auf dem Pfahlkopf wird meist durch Hammerschlag eine Stoßwelle erzeugt, die durch den Pfahl nach unten lauft. Dabei wird Energie in den Boden abgegeben. Die abgestrahlten Wellen werden von Sensoren in einem parallel zum Pfahl hergestellten Bohrloch registriert. Aus den Laufzeiten lassen sich die materialspezifischen Wellengeschwindigkeiten im Pfahl und im Boden sowie die Pfahllange ermitteln. Bisher wurde meist ein sehr einfaches Verfahren zur Datenauswertung verwendet, das die Lange der Pfahle systematisch überschätzt. In der vorliegenden Dissertation wurden die mathematisch-physikalischen Grundlagen beleuchtet und durch Computersimulation die Wellenausbreitung in Pfahl und Boden genau untersucht. Weitere Simulationen klarten den Einfluss verschiedener Mess- und Strukturparameter, beispielsweise den Einfluss von Bodenschichtung oder Fehlstellen im Pfahl. So konnte geklärt werden, in welchen Fällen mit dem Parallel-Seismik-Verfahren gute Ergebnisse erzielt werden können (z. B. bei Fundamenten in Sand oder Ton) und wo es an seine Grenzen stößt (z. B. bei Gründung im Fels). Auf Basis dieser Ergebnisse entstand ein neuer mathematischer Formalismus zur Auswertung der Laufzeiten. In Verbindung mit einem Verfahren zur Dateninversion, d. h. der automatischen Anpassung der Unbekannten in den Gleichungen an die Messergebnisse, lassen sich sehr viel genauere Werte für die Pfahllange ermitteln als mit allen bisher publizierten Verfahren. Zudem kann man nun auch mit relativ großen Abstanden zwischen Bohrloch und Pfahl (2 - 3 m) arbeiten. Die Methode wurde an simulierten Daten ausführlich getestet. Die Messmethode und das neue Auswerteverfahren wurden in einer Reihe praktischer Anwendungen getestet – und dies fast immer erfolgreich. Nur in einem Fall komplizierter Fundamentgeometrie bei gleichzeitig sehr hoher Anforderung an die Genauigkeit war schon nach Simulationen klar, dass hier ein Einsatz nicht sinnvoll ist. Dafür zeigte es sich, dass auch die Lange von Pfahlwanden und Spundwanden ermittelt werden kann. Die Parallel-Seismik-Methode funktioniert als einziges verfugbares Verfahren zur Fundamentlangenermittlung zugleich in den meisten Bodenarten sowie an metallischen und nichtmetallischen Fundamenten und kommt ohne Kalibrierung aus. Sie ist nun sehr viel breiter einsetzbar und liefert sehr viel genauere Ergebnisse. Die Simulationen zeigten noch Potential für Erweiterungen, zum Beispiel durch den Einsatz spezieller Sensoren, die zusätzliche Wellentypen empfangen und unterscheiden können. N2 - The Parallel Seismic (PS) method is used for determination of the unknown or undocumented depth/length of foundations, mostly piles. PS is an established but rather not commonly used geophysical technique, which has been developed several decades ago. Currently, this method is standardized in France and included in the FHWA method catalog. The principle behind PS is quite simple: an impulse is generated on top of the pile by a hammer stroke, generating elastic waves (mainly compressional) traveling downward through the pile. Due to the high impedance contrast between pile and soil, the main part of the energy remains in the pile, but some is transmitted as guided waves into the surrounding soil. After reaching the pile toe, transmitted/diffracted waves of nearly spherical front are generated. These waves are recorded by sensors (hydrophones or geophones) in a nearby borehole. From the first arrival times registered at the sensors, the apparent wave velocity is calculated, which is different above the pile toe (pile velocity) and below (soil velocity). In the conventional data analysis, the pile length is estimated based on the intersection of the two travel time branches, leading to a systematic overestimation of the length of the pile. This thesis provides a systematic treatise of the mathematical and physical foundations of wave propagation in piles and soil. Extensive numerical simulations and parametric studies have been carried out to investigate the nature of the wave-field and influence of measurement and structural parameters. The results revealed the range of applicability of Parallel Seismic, but also some limitations, e. g. in the case of rock socketed foundations or piles containing flaws. A new formalism for data interpretation was developed based on the simulation results, which takes into account the soil layers and the borehole inclination. This novel data interpretation scheme was used in combination with different data inversion methods. A comparison of the results showed that the commonly used Levenberg-Marquardt type least squares approach gives sufficiently accurate estimations in most common scenarios. The VFSA (very fast simulated annealing) method offers some advantages (e. g. avoiding local minima under certain conditions) but is much more time consuming. The new interpretation method was successfully validated using several sets of simulated data. It proved to be not only more accurate than all other available methods, but also to extend the maximum allowable pileborehole distance to 2 – 3 m. Besides the numerical study, several field investigations have been carried out for the purpose of this study and also in the framework of real world projects. The foundation types included secant pile walls and sheet piles. The method performed successfully in all cases but one: a highly accurate determination of the connection of a T-shaped footing. In this particular case, the inapplicability of the method was concluded after some preliminary simulations, thus avoiding unnecessary costs to the client. Performing simulations prior to the actual testing is recommended in dealing with all non-standard cases. Today, Parallel Seismic is the only method applicable on metallic and non metallic foundations which can be used without calibration. It has the largest range of all borehole methods. T3 - BAM Dissertationsreihe - 70 KW - Parallel-Seismik KW - Fundament KW - Inversion KW - Bohrpfahl KW - Längenbestimmung PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-883 SN - 978-3-9813853-5-9 SN - 1613-4249 VL - 70 SP - 1 EP - 221 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-88 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Jagst, Eda T1 - Surface Functional Group Characterization Using Chemical Derivatization X-ray Photoelectron Spectroscopy (CD-XPS) N2 - Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Quantifizierung von Aminofunktionalitäten auf Oberflächen mittels der Analyseverfahren Röntgen-Photoelektronenspektrometrie (XPS) und Röntgen-Absorptionsspektrometrie (Analyse der Feinstruktur an der Absorptionskante, NEXAFS). Die Oberflächen wurden durch Spincoating, Selbstassemblierung oder Plasmapolymerisation hergestellt und die primären Aminogruppen mit den dafür oft genutzten Markern PFB und TFBA derivatisiert. Die Gasphasenderivatisierungen mittels PFB und TFBA wurden auch genutzt, um Reaktionsverhalten, Reaktionszeit und die resultierenden spektroskopischen Unterschiede genauer zu ermitteln. In nasschemischen Untersuchungen reagierten abgeschirmte Amine mit PFB und TFBA unterschiedlich stark mit Ausbeuten von 78- 89%, was als maximale Ausbeute der Oberflächenderivatisierung in der Gasphase angesehen wird. Die Dünnschichtfilme wurden mittels Spin coating von 4,4’-Methylen-bis(2,6-diethylanilin) auf Si-Wafern hergestellt und reagierten bei 50 ºC mit den Markern. Die Sättigungszeit betrug in beiden Fällen 15 min. Die XPS Messungen zeigten die erfolgreiche Umsetzungen durch das Auftreten eines neuen CF3- bzw. C-F-Signals und einen BE-Verschiebung der entsprechenden C=N-Gruppe. In Übereinstimmung mit den XPS-Daten, zeigen die NEXAFS-Spektren eine Scharfe π*(C=N) Resonanz und die CF3 bzw. C-F Resonanz in der σ*-Region. Die Ausbeuten der Reaktionen wurden aus den Komponenten-Flächen der hochaufgelösten XP N1s Spektren und aus den [F]/[N]-Verhältnissen berechnet. Stöchiometrie und XP-Übersichtsspektren dienten zur Bestimmung der Aminofunktionalitäten an den Oberflächen. Die Resultate waren konsistent und zeigten eine Ausbeute von 80- 90% für PFB und 60-70% für TFBA. Für die Untersuchung von selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) mit unterschiedlichen Funktionalitäten wurden spektroskopische Daten von aliphatischen und aromatischen SAMs mit denen von Si-Wafern, welche mit Polyallylamin und 4,4’-Methylenbis(2,6-diethylanilin) beschichtet wurden, verglichen. Die Orientierung der Monoschichten wurde mittels der winkelaufgelösten NEXAFS an der C K-Kante bestimmt. Die scharfen Signale im Differenzspektrum zeigen eine erfolgreiche Orientierung der Bindungen bzw. funktionellen Gruppen und resultieren aus der Polarisationsabhängigkeit der NEXAFS-Resonanzen an relevanten Molekülorbitalen. Die Gasphasen-Oberflächenderivatisierungen von zwei SAMs mit Aminofunktionalitäten (4-Aminophenylbutan-1- thiolat und 11-Amino-1-undecanthiol) wurden untersucht. Für eine Zeit von 90 min. wurde 4-Aminophenylbutan-1- thiolat mit TFBA bzw. 11-Amino-1-undecanthiol mit PFB bei RT umgesetzt. Die stöchiometrischen Daten der Umsetzungen waren in Übereinstimmung mit den Elementkonzentrationen, welche sich aus den XPS-Daten ableiten ließen. Die Ausbeuten wurden mit Hilfe der N1s-Spektren berechnet und betrugen 60-80%. Da für eine aussagekräftige NEXAFS-Messung eine gewisse Anzahl von Spektren aufgenommen werden muss, steigt die Gefahr der Schädigung der Probe durch Strahlung. Aus diesem Grund wurde ein 11-Amino-1-undecanthiol-Film auf Au für 1 h mit weichem Röntgenlicht bestrahlt und die spektroskopischen Unterschiede an der C und N K- Kante untersucht. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied für die N K-Kante, allerdings erhöhten sich die Intensitäten der C=C und C=N-Spezies im C K-Kanten-Spektrum, was für einen Strahlenschaden spricht. Mittels Allylamin als Plasmagas und Si-Wafern wurden plasma-chemisch abgeschiedene Allylaminfilm Oberflächen hergestellt und untersucht. Der Einfluss der externen Plasmaparameter (Duty Cycle, Plasmaleistung und Druck des gasförmigen Monomers im Reaktor) auf den chemischen Charakter des abgeschiedenen Films wurde im Detail analysiert. Die anschließenden Gasphasen-Oberflächenderivatisierungen mit TFBA und PFB zeigten Nebenreaktionen. C-F- Bindungsbruch und HF-Abspaltung führten zu einem zusätzlichen Signal im XP F1s Spektrum. Oberflächen, welche mit PFB derivatisiert wurden, zeigten einen höheren Anteil von C-F-Bindungsbrüchen, da an fluorierten aromatischen Molekülen leicht nukleophile aromatische Substitutionen stattfinden. Potentielle Schäden durch Röntgenstrahlung wurden mittels TFBA derivatisierter Proben, welche für 10 h der Strahlung ausgesetzt wurden, studiert. Es zeigte sich eine Abnahme der Fluorgehalte an der Oberfläche, allerdings hat dieser Effekt aufgrund der kurzen Messzeiten praktische keine Auswirkung bei der Datenerfassung. Da die HF-Abspaltung auf TFBA- Oberflächen prozentual geringer ist, wurde es als Marker für alle weiteren Kupplungsreaktionen genutzt. Eine Serie von Proben, welche bei einer Plasmaleistung von 20W, 0,5 Duty Cycle und einem Druck von 15 Pa derivatisiert wurden, zeigten eine Sättigungszeit von 90 min. Bei variierenden Plasmabedingungen wurden die unterschiedlichen [CF3]-Flächenprozent in den hochaufgelösten XP C1s Spektren miteinander verglichen. Duty Cycle, Plasmaleistung und Druck zeigten identische Trends in der Retention der Aminogruppen. Grundsätzlich führt die Anwendung von harten Plasmabedingungen, d .h bei hoher effektiver Plasmaleistung, zu Filmen mit einer vergleichsweisen geringen Retention der Aminofunktionalitäten. Darüber hinaus sind diese Filme stark vernetzt bzw. verzweigt. Eine hohe Anzahl ungesättigter Kohlenstoffspezies ist ebenfalls typisch. In Abhängigkeit von den XPS-Daten wurden für die Quantifizierung der Aminogruppen an der Oberfläche die Methoden QEA (Quantitative Elementar-Analyse) und PFA (Peak Fit Analyse) genutzt. Die Berechnungen wurden mittels Youden-Plot verglichen und zeigten keine Abweichung voneinander. NEXAFS wurde zusätzlich genutzt, um den Einfluss der Plasmaparameter auf die Aminogruppen zu studieren, da die Methode empfindlich gegenüber ungesättigten Spezies ist. Eine Zunahme der Fragmentationsraten bei Veränderungen in den Plasmaparametern konnten aus Intensitätsveränderungen in den NEXAFS C K-Kanten Spektren abgeleitet werden. Ein Ringversuch für die Bestimmung von Hydroxylgruppen auf mit Plasma behandelten Oberflächen wurde ebenfalls durchgeführt. Dafür wurde eine Polypropylenfolie, welche Sauerstoffplasma bei 100 W für 90 s ausgesetzt wurde, mit TFAA derivatisiert. Die Oberfläche wurde mittels XPS untersucht und der [OH]-Gehalt mittels QEA und PFA bestimmt. Die Methoden zeigten eine Abweichung von 33% voneinander. CD-XPS wurde erfolgreich zur Bestimmung unterschiedlicher Funktionalitäten auf Dünnschichtfilmen eingesetzt. Allerdings bedarf es für den Erhalt von in sich konsistenten Datensätzen einer validierten Derivatisationsprozedur, die in jedem Labor angewendet werden muss. Die verwendete Hardware und die Peak-Fitting-Prozeduren bei XPSUntersuchungen müssen ebenfalls im Detail beschrieben werden. Die Inhomogenitäten und eventuelle Strahlungsschäden führen zu Abweichungen in den erhaltenen Resultaten. Die gemessene Schichtdicke muss auch für konsistente Ergebnisse optimiert werden. Dünnere Schichten führen zu weniger Hintergrundrauschen. Die erfolgreich durchgeführten Derivatisierungsreaktionen zeigten die Verfügbarkeit der Aminogruppen an der Oberfläche. In einem nächsten Schritt können an diese Funktionalitäten z.B. Stammzellen oder DNA gekoppelt werden, was hochinteressant in Hinblick auf potentielle biologische Anwendungen ist. N2 - Different amino group carrying surfaces, prepared by spin coating, self-assembly and plasma polymerization, were successfully investigated by XPS and NEXAFS. Amino groups were derivatized with the widely used primary amino group tags, PFB and TFBA, prior to analysis. Primary amino group quantification was then carried out according to the spectroscopic data. The gas-phase derivatization reactions of PFB and TFBA were also studied in order to understand their reaction behaviour, the spectral differences they cause and the time required for reaction completion. For the determination of maximum reaction yields of gas-phase surface derivatizations, a set of liquid-phase derivatization reactions was carried out. The selected amino compounds with a different degree of steric hindrance were reacted with PFB and TFBA. The yields (78-89%) were accepted as the upper limit of the gas- phase surface derivatizations. Thin films were prepared by spin coating of 4,4’-methylenebis(2,6-diethylaniline) on Si wafers and were reacted with the markers at 50ºC. The saturation time was found to be 15 min. for both reactions. XPS measurements showed the formation of a CF3 or C-F peak and a BE shift of the corresponding C=N group indicating a successful reaction. The NEXAFS results supported the XPS data by showing a sharp π*(C=N) resonance. The CF3 and C-F resonances were observed in the σ* region. The yields of the reactions were calculated from the component areas of the high resolution XP N1s spectra and from the [F]/[N] ratios. The surface amino groups were calculated from the stoichiometry and from the XP survey scans. The results were consistent with each other and showed a yield of 80-90% for PFB and 60-70% for TFBA. Self-assembled monolayers (SAMs) of different terminal groups were prepared and investigated with XPS and NEXAFS. The spectral properties of aliphatic and aromatic SAMs were compared to the reference surfaces of poly(allylamine) and 4,4’-methylenebis(2,6-diethylaniline) spin coated on Si wafers. NEXAFS was used to determine the orientation of SAMs. An angle resolved NEXAFS was applied at the C K-edge in order to prove a successful SAM deposition on Au. The intense peaks in the difference spectra are due to the polarization dependence in the orbital responsible for the NEXAFS resonance showing a successful bond/functional group orientation. The gas-phase surface derivatization of two amino terminated SAMs, 4-aminophenylbutane-1-thiolate and 11- amino-1-undecanethiol, were studied. 4-aminophenylbutane-1-thiolate was derivatized with TFBA whereas 11- amino-1-undecanethiol with PFB at room temperature for 90 min. The stoichiometrical data were compared to the atomic percentages obtained from the XPS spectra and the results were consistent with each other. The yields of the reactions (60-80%) were obtained from the high resolution N1s spectra. Since a certain number of spectra had to be acquired to reach reasonable S/N ratios, a considerable danger of beam damage in the NEXAFS measurements occurs. The potential radiation damage effects on the C and N K- edge of 11-amino-1-undecanethiol film on Au was studied. The spectral differences before and after 1 h radiation exposure were investigated. The intensities of resonances related to unsaturated species such as C=C and C=N were increased for the C K-edge spectra. The NEXAFS N K-edge spectra of 11-amino-1-undecanethiol film showed no significant irradiation effect. Plasma deposited allylamine samples were successfully investigated by XPS and NEXAFS. Primary amino group quantification on plasma deposited allylamine surfaces was carried out by derivatization after plasma deposition. TFBA and PFB showed side reactions when plasma polymerization was used. Due to the radical mechanisms, C- F bond cleavages followed by HF releases occurred resulting in a second peak formation in XP F1s spectra. PFB derivatized surfaces suffer more from the C-F bond cleavage since fluorinated aromatic molecules are highly susceptible to nucleophilic aromatic substitution. Potential X-ray beam damage of TFBA was studied by a 10 h XPS measurement and showed a fluorine degradation. Due to the short measurement times, X-ray beam damage can be neglected. Since HF release on the TFBA surfaces are lower in percentage, it was used as the marker reagent for the coupling reactions. A series of samples deposited at 20W, 0.5 duty cycle and 15 Pa were derivatized to determine the time required for saturation (90 min.). Plasma polymerized allylamine samples with different duty cycle, power and pressure values were prepared in order to study the effects of external plasma parameters on the primary amino group retention. The [CF3] area percentages, obtained from the high resolution XP C1s spectra, vs. plasma parameter variations were compared. Duty cycle, power and pressure variation experiments showed the same trend on amino group retention. The more the plasma conditions move from mild to hard, the more rearrangements occur on the surface. Milder plasma conditions promote the retention of amino groups originating from the allylamine monomer. QEA (Quantitative Elemental Analysis) and PFA (Peak Fit Analysis) methods were used for the quantification of surface amino groups, depending on the XPS data. The results of two data evaluation methods were compared by using a Youden plot showing no deviation. NEXAFS was used along with XPS in order to study plasma parameter effects on amino groups. As being sensitive against unsaturated moieties, NEXAFS was successfully applied to plasma deposited allylamine surfaces. An increase in fragmentation rate due to a variation in plasma parameters was followed by intensity changes in NEXAFS C K-edge spectra. An inter-laboratory comparison of hydroxyl group determination on plasma surfaces was carried out. Hydroxyl groups on polypropylene foil, treated with oxygen plasma at 100 W for 90 s, were coupled with TFAA. The surfaces were investigated with XPS and the [OH] amount on the surfaces was calculated by QEA and PFA methods showing a 33% deviation between the two methods. CD-XPS is applied successfully in order to determine different functional groups on the thin film surfaces. However, a validated derivatization procedure, which can be easily applied in each lab, should be established. The used hardware and the peak fitting procedures of XPS should be defined in detail for the validation. The sample inhomogeneity and the effects of beam damage play a role on the deviations of the results. The surface thickness should be optimized for consistency. By the derivatization reactions, the surface amino groups are successfully quantified. As the next step, the studied surfaces can be used for potential biological applications, such as coupling the available amino groups with DNA or stem cells. T3 - BAM Dissertationsreihe - 69 KW - functional group KW - photoelectron spectroscopy KW - surface analysis KW - Organic surface KW - plasma modification PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-893 SN - 978-3-9813853-4-1 SN - 1613-4249 VL - 69 SP - 1 EP - 129 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-89 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - zadeh, Hamid Naghib T1 - Niedrig-sinternde Kondensatorwerkstoffe auf der Basis von Bariumtitanat N2 - Das Hauptziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung neuer Bariumtitanat-Kondensatorwerkstoffe, die bereits bei 900°C dichtsintern, eine hohe Dielektrizitätskonstante mit geringer Temperaturabhängigkeit sowie geringe dielektrische Verluste und eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen. Um die Sintertemperatur von Bariumtitanatpulver von ca. 1300 °C auf 900 °C herabzusetzen, wurden Additivkombinationen entwickelt. Es wurden hierfür verschiedene Additive ausgewählt und eine große Anzahl von Versätzen unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen BaTiO3-Pulvers aufbereitet, zu Zylindern verpresst und gesintert. Als besonders geeignet haben sich Li-haltige Sinteradditivkombinationen herausgestellt. Durch Zugabe von 2 bis 3 Ma.-% einer Additivkombination aus (LiF-SrCO3), (SrO-B2O3-Li2O) oder (ZnO-B2O3-Li2O) verdichtet das Bariumtitanat bereits bei Temperaturen von 900°C auf mehr als 95 % der Reindichte. Die gesinterten Kondensatorwerkstoffe weisen hohe Dielektrizitätskonstanten zwischen 1800 und 3590 auf. Für eine geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ist die Bildung von core-shell Strukturen in einem feinkörnigen (mittlere Korngröße ≤ 1 μm) und homogenen Gefüge erforderlich. Bei der BaTiO3-Probe mit 2 Ma.-% (LiF-SrCO3)-Additivsystem ist die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante relativ gering. Die Kapazitätsänderung im Temperaturbereich zwischen 0 °C und +80 °C ist kleiner als ±15 %. Die für die geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante notwendige Bildung von core-shell- Strukturen in einem feinkörnigen und homogenen Gefüge dieser Probe wurde durch TEM/EDX-Untersuchungen nachgewiesen. Die deutlich größere Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante bei BaTiO3- Werkstoffen mit (SrO-B2O3-Li2O)-Additiven resultiert aus dem starken Kornwachstums während des Sinterns. Zur Verringerung wurden ergänzend (Nb2O5-Co2O3)-Additive zugesetzt. Durch Zugabe von 1,5 Ma.-% (Nb2O5-Co2O3) konnte die Temperaturstabilität der Dielektrizitätskonstante erheblich verbessert werden, weil das starke Kornwachstum während des Sinterns gehemmt und core-shell-Strukturen gebildet wurden. Die BaTiO3-Werkstoffe mit (ZnO-B2O3- Li2O)-Additiven besitzen ein feinkörniges Gefüge, weswegen die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von vornherein relativ gering ist. Trotzdem wurde auch hier der Einfluss des (Nb2O5-Co2O3)-Zusatzes auf die dielektrischen Eigenschaften untersucht. Die BaTiO3-Probe mit (ZnO- B2O3-Li2O-Nb2O5-Co2O3)-Additiven weist eine hohe Dielektrizitätskonstante von 2370 auf. Der Nb2O5- Co2O3- Zusatz führte allerdings nicht zu weiterer Absenkung der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante, da hier während des Sinterns ein starkes Kornwachstum stattfand. Um dieses zu reduzieren, wurden die Masseanteile der ZnO-B2O3-Li2O-Additivkomponente modifiziert. Eine Erhöhung des B2O3-Gehalts bzw. eine Reduzierung des Li2O- und ZnOGehalts im ZnO-B2O3-Li2O-Additivsystem verbessert durch das Verhindern eines starken Kornwachstums beim Sintern die Temperaturstabilität der Dielektrizitätskonstante (Kapazitätsänderung von < ±15 % im gemessenen Temperaturbereich zwischen -40 °C und +125 °C), senkt aber gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante selbst auf 1280. Auch hier zeigten TEM/REM-Untersuchungen das entstandene homogene und feinkörnige Gefüge mit core-shell Strukturen. Während die Zugabe der ZnO-B2O3-Li2O-Additive im Allgemeinen in kristalliner Form erfolgte, wurden sie zum Vergleich auch als Glaspulver zugesetzt. Der BaTiO3-Werkstoff mit ZnO-B2O3-Li2O-Glas und Nb2O5-Co2O3-Zusätzen weist im Vergleich zu anderen (ZnOB2O3-Li2O-Nb2O5-Co2O3)-haltigen BaTiO3-Werkstoffen eine geringere Dielektrizitätskonstante von 1110 auf. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ist jedoch sehr gering. Die Kapazitätsänderung im gemessenen Temperaturbereich zwischen – 20 °C und +125 °C ist kleiner als ±10 %. Aufbauend auf die neuentwickelten LTCC-kompatiblen Kondensatorwerkstoffe bestand ein weiteres Ziel dieser Arbeit in der Herstellung von keramischen Folien aus den neuen Werkstoffen und der Integration dieser Folien in Multikomponenten-LTCC-Module, d. h. einer Kombination mit ferritischen Folien und Folien mit niedriger Permittivität (Basis-LTCC). Es wurden aus fünf ausgewählten Kondensatorwerkstoffen Folien und Laminate hergestellt. Die gesinterten Laminate weisen aufgrund geringer Porosität wesentlich höhere Dielektrizitätskonstanten von 1220 bis 3350 und geringere dielektrische Verluste von 0,008 bis 0,024 im Vergleich zu den gesinterten Presslingen auf. Das Temperaturverhalten der Dielektrizitätskonstante der über das Foliengießen hergestellten Werkstoffe unterscheidet sich nur sehr geringfügig vom Temperaturverhalten der trockengepressten Proben. Aufgrund sehr geringer Kapazitätsschwankungen im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 1 MHz können alle fünf Kondensatorwerkstoffe in diesem Frequenzbereich eingesetzt werden. Außerdem weisen die Kondensatorfolien (mit Ausnahme der Probe BAM-18.6) hohe Durchschlagfestigkeiten deutlich oberhalb von 20 kV/mm auf. Um ein fehlerfreies Co-firing der niedrig sinternden Kondensatorfolien in Kombination mit LTCC- Basisfolien zu ermöglichen, wurden der thermische Ausdehnungskoeffizient und das Sinterverhalten des Basiswerkstoffs an die Eigenschaften des Kondensatorwerkstoffs angepasst. Kondensatorfolien mit auflaminierten Außenlagen aus den an der BAM entwickelten Basisfolien konnten im Co-firing Prozess ausreichend verdichten und erzielten dielektrische Parameter vergleichbar denen vom separat gesinterten Kondensatorwerkstoff. Damit ist die Voraussetzung für den Einsatz der neuen Werkstoffe in keramischen Multilayermodulen gegeben. Es wurde versucht, Multikomponenten- Laminate aus Ferritfolie, Basisfolie und Kondensatorfolie mit unterschiedlichem Schwindungsverhalten herzustellen. Dies gelang jedoch nur unter Ausübung eines uniaxialen Drucks von 1,5 MPa während des Co-firings. Aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten konnte ein völlig fehlerfreies Multikomponenten-Modul nicht hergestellt werden. Anordnung und Größe der Gefügefehler wie Risse werden durch die Anordnung der verschiedenen Folientypen im Laminat bestimmt. Günstig im Hinblick auf eine Minimierung der Gefügefehler ist es, die Kondensatorfolien, die den größten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, in der Mitte des Laminats anzuordnen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind für die Integration passiver Bauelemente in kompakte LTCC-Module und die weitere Miniaturisierung elektronischer Bauteile auf Multilayerbasis von großem Nutzen. Die neuen niedrig sinternden hochdielektrischen Kondensatormaterialien können sowohl als Folie als auch als siebdruckfähige Pasten zur Integration von Kondensatoren in LTCC-Module verwendet werden. T3 - BAM Dissertationsreihe - 68 KW - LTCC KW - Kondensatoren KW - Bariumtitanat KW - Co-firing PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-908 SN - 978-3-9813853-2-8 SN - 1613-4249 VL - 68 SP - 1 EP - 133 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-90 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Tiebe, Carlo T1 - Detektion leicht flüchtiger organischer Verbindungen mikrobiellen Ursprungs (MVOC) mittels Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) N2 - Spuren leicht flüchtiger organischer Verbindungen mikrobiellen Ursprungs (MVOC) in der Luft von Innenräumen können das Vorhandensein von Schimmelpilzen indizieren. Die Anwendung der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) zur Detektion von leicht flüchtigen schimmelpilzspezifischenVerbindungen ist wegen ihrer hohen Empfindlichkeit viel versprechend. Um dieses analytisch-chemische Verfahren für eine Innenraumdiagnostik zu nutzen, wurde ein mobil einsetzbares Gerät zur Vor-Ort-Detektion getestet. Im ersten Teil der Arbeit wurden MVOC-Prüfgase im Labor generiert. Die Prüfgase wurden durch permeative Beimengungen in einen definierten Gasstrom hergestellt. Anhand dieser Prüfgase wurden die typischen IMS-Parameter, wie reduzierte Mobilität (K0), relative Driftzeit (trd), Konzentrationsabhängigkeit der Signale und daraus resultierend die Nachweisgrenze des Ionenmobilitätsspektrometer ermittelt. Die bestimmten Nachweisgrenzen der 14 untersuchten MVOC liegen im Bereich zwischen 2 und 192 μg m-3 (1 bis 51 ppbV). Im zweiten Teil wurden sieben oft im Innenraum nachgewiesene Schimmelpilzarten auf Nährmedien kultiviert und ihre produzierten MVOC detektiert. Dabei wurde festgestellt, dass Schimmelpilze art- und altersabhängige MVOC-Emissionen aufweisen. Eine statistische Auswertung und Bestätigung zeigte die Anwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA). Versuchsbegleitend erfolgte eine Identifizierung der MVOC durch gaschromatographische Analysen und bestätigte die IMS-Ergebnisse. Beim Schimmelpilzwachstum einer Mischsporenkultur auf drei verschiedenen Baumaterialien wurden die produzierten MVOC detektiert. Die IMS-Spektren wurden chemometrisch durch eine PCA ausgewertet. Es können die Spektren von unbeimpften und mit Schimmelpilzkulturen beimpften Baumaterialien damit unterscheiden werden ohne die stoffliche Zusammensetzung der Emissionskammerluft zu kennen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde das IMS in 27 Feldversuchen eingesetzt, um MVOC und damit ein Schimmelpilzwachstum in Innenräumen zu detektieren. In 59 % der Fälle wurde eine positive Korrelation zwischen einem sichtbaren Schimmelpilzbefall und den mittels IMS detektierten MVOC ermittelt. N2 - Traces of microbial volatile organic compounds (MVOCs) can indicate the growth of moulds in the indoor air. The application of ion mobility spectrometry (IMS) is a very promising method for the detection of these MVOCs due to its high sensitivity. A mobile IMS device was tested to use this analytical-chemical method for in situ indoor air diagnostics. The first part of this work describes the test gas generation of 14 MVOCs in the laboratory. The test gases were produced by preparation of permeation procedures. Due to the MVOCs test gases IMS parameters like reduced mobility (K0), relative drift time (trd), the concentration dependency of MVOCs signals were determined and the limit of detection (LOD) was calculated. The LODs are in the range of 2 to 192 μg m-3 (1 to 51 ppbV). In the second part of this manuscript seven different mould species were cultivated on nutrient media and their MVOCs emissions were explored. It was found out, that the MVOCs emissions of moulds have a dependency of species and of their cultivation time. These results are confirmed by principal component analysis (PCA). The identification of These MVOCs was performed by test-related GC-MS analysis and approved these results. The MVOCs emissions were explored in the cultivation of mould mixtures on three different building materials. The IMS-results were interpreted chemo metrically by PCA. It was possible to find different emission patterns of cultivated moulds on building materials without an identification of the MVOCs inside the emission chamber. In 27 field trials of different indoor environments (rooms) the IMS was tested to detect MVOCs. In 59 % of the cases a positive correlation is determined between visible mouldinfested rooms and the detected MVOCs by IMS. T3 - BAM Dissertationsreihe - 67 KW - IMS KW - Hauptkomponentenanalyse KW - Schimmelpilze KW - Ionenmobilitätsspektrometrie KW - MVOC PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-919 SN - 978-3-9813853-1-1 SN - 1613-4249 VL - 67 SP - 1 EP - 171 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-91 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Richter, Matthias T1 - Entwicklung, Validierung und Anwendung eines Verfahrens zur Erzeugung langzeitstabiler VOC-Gasgemische N2 - In dieser Arbeit wird die Entwicklung sowie Validierung eines Verfahrens zur Erzeugung langzeitstabiler VOC-Gasgemische im Konzentrationsbereich zwischen wenigen μg/m³ und einigen 100 μg/m³ beschrieben. Das Prinzip basiert auf der Verdampfung von Reinsubstanzen, die separat in Fläschchen aus Edelstahl gefüllt sind und in ihnen temperiert werden. Je nach Dampfdruck der eingefüllten Verbindungen tritt mehr oder weniger Substanz aus der Flüssig- in die Gasphase über. Ein in die Flaschen eingeleitetes Trägergas nimmt Substanzgas aus dem Gasraum auf und transportiert es in eine Gasmischkammer, in der alle Substanzdämpfe vereinigt werden. Der Trägergasstrom ist dabei so klein, dass er das Quasigleichgewicht in den Fläschchen nur wenig stört und wegen des schnellen Stoffübergangs als gesättigt angenommen werden kann. Durch die Kombination von Verdampfungstemperatur, Träger- und Verdünnungsgasflüssen ist die Einstellung eines beliebigen Konzentrationsniveaus des Gasgemischs möglich. Mit dem entwickelten Aufbau war es möglich, ein Gasgemisch aus insgesamt 25 Komponenten zu generieren. Dabei konnte für 16 der Komponenten eine stabile und reproduzierbare Gaskonzentration nachgewiesen werden. Bei den übrigen waren teilweise starke Schwankungen über den Versuchszeitraum zu beobachten. Das konnte auf konstruktionsseitige Undichtigkeiten an den Fläschchen bzw. im Leitungssystem zurückgeführt werden, die schließlich nicht komplett beseitigt werden konnten. Ein Senkeneffekt in der Anlage kann ausgeschlossen werden, und die chemische Stabilität der eingefüllten Substanzen konnte – mit Ausnahme einiger Aldehyde – nachgewiesen werden. Das Verfahren wurde erfolgreich für die Generierung von Gasstandards für einen Ringversuch eingesetzt. Ferner fand es Anwendung in einem Materialtest, bei dem die sorbierenden Eigenschaften eines Bauprodukts unterschiedlicher Zusammensetzung gegenüber den Gaskomponenten untersucht wurden. Damit konnte die Praxistauglichkeit gezeigt werden. N2 - The development as well as the validation of a gas mixing system (GMS) that enables dynamic and traceable production of stable long-term VOC gas mixtures within the range between a few μg/m³ and a few 100 μg/m³, is discussed. In this method pure liquid substances that are filled into stainless steel bottles are kept separately at a constant temperature, evaporated according to their vapour pressure and removed by a small inert gas flow. They are finally united in a gas mixing chamber. The carrier gas must be as small as possible so that the quasi-Equilibrium between the gas space and the liquid phase in the substance bottles will not be disturbed. The carrier gas is assumed to be saturated with substance gas due to a long residence time in the bottles and a fast phase transition. Any concentration Level of the gas mixture can be generated by a combination of vaporization temperature, carrier and dilution gas flows. With the GMS a mixture of 25 VOCs was prepared. For 16 compounds stable and reproducible gas concentrations were realized. Due to not completely removed leakage of some substance bottles and the tubing respectively, variation of the concentration of the remaining compounds was found. A sink effect as another reason for this variation could be expelled and the chemical stability of the vaporized substances proved with the exception of some aldehydes. The procedure was successfully applied in a round robin test and a material test. In the latter adsorption of VOCs on building products was scrutinized. In this way the applicability of the GMS could be shown. T3 - BAM Dissertationsreihe - 66 KW - Kalibrierung KW - Ringversuche KW - Materialadsorption KW - VOC-Gasgenische KW - Prüfgasgenerierung PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-920 SN - 978-3-9813550-9-3 SN - 1613-4249 VL - 66 SP - 1 EP - 174 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-92 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schuler, Stephanie T1 - Matrixintegrierte faseroptische Sensoren für die experimentelle Bestimmung von Mikroverformungen in zementgebundenen Baustoffen N2 - Für die Entwicklung dauerhafter Hochleistungsbetone sind Untersuchungen der Zementsteinmatrix im Mikro- und Nanobereich unerlässlich. In dieser Arbeit wurden flexible extrinsische Fabry-Perot-Interferometer-Sensoren für Messungen im jungen Alter der Zementsteinmatrix und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren für Messungen von lastbedingten Verformungen des erhärteten Betons umfassend untersucht. Die Messergebnisse der flexiblen extrinsischen Fabry-Perot-Interferometer-Sensoren für Mikroverformungsmessungen wurden mit denen eines berührungslos messenden Laservibrometers sowie der digitalen Radiographie verglichen und erfolgreich validiert. Die Rückwirkung des eingebetteten Sensors auf die Zementsteinmatrix ist der einer Stahlfaser vergleichbar. Ein Angriff der alkalischen Matrix auf die Glasfaser des Sensors wurde in dem für Verformungsmessungen relevanten Zeitraum nicht festgestellt. In den folgenden Untersuchungen wurde der Übergang der eindimensionalen Verformung während des plastischen Schwindens zu einer dreidimensionalen Verformung charakterisiert. Um die Anwendbarkeit und die Leistungsgrenze der Sensoren zu testen, wurden frühe Verformungen durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst: Variation der Mahlfeinheit des Zements, Variation des Wasserzementwerts sowie zyklische Temperaturbelastung. Die Messungen zeigten eine vom Wasserzementwert abhängige zeitliche Differenz zwischen dem Erstarrungsende nach Vicat (t0) und dem Knickpunkt der Verformungsrate. Bei zyklischer Temperaturbelastung konnten Expansions- und Kontraktionskoeffizient einer Zementleimmischung ab dem Erstarrungsende bestimmt werden. Durch Fasersensoren, die in unmittelbarer Umgebung eines Bewehrungsstahls angeordnet wurden, war erstmals die durch den Stahl hervorgerufene Verformungsbehinderung direkt in der Zementsteinmatrix messbar. Deutlich höher ist dabei erwartungsgemäß der Verformungsbehinderungsgrad bei gerippten Stählen gegenüber glatten Stählen. Die zusätzliche Variation des Stahldurchmessers stellt eine realitätsnahe Versuchsanordnung dar. Die Messungen im mikroskopischen Maßstab im Inneren der Matrix haben gezeigt, dass mit faseroptischen Sensoren die Informationen aus der Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenverfahren optimal ergänzt werden können. Für Faser-Bragg-Gitter-Sensoren wurde eine Schutzkonstruktion entwickelt, die eine Einbettung der optischen Faser in der Betonmatrix ermöglicht. In Vergleichsmessungen von eingebetteten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren und oberflächenapplizierten Sensoren wurde ermittelt, dass die gemessenen Verformungen im Inneren um bis zu 5 % geringer sind als außen. N2 - Developing durable high-performance concrete requires the examination of the cement paste matrix on a micro- or nano-scale. In this thesis two types of fibre optic sensors were extensively tested: flexible extrinsic fibre Fabry-Perot sensors to measure early-age deformations of cement paste, and fibre Bragg grating sensors to measure load-dependent deformations of hardened concrete. The results of the flexible extrinsic fibre Fabry-Perot sensors were compared to the results of a non-contact laser vibrometer and successfully validated by digital radiography. The effect of the embedded sensor on the matrix is comparable to the effect of a steel fibre. During the relevant time period no degradation of the sensor’s glass fibre due to the alkaline matrix was observed. In the following investigations the transition of the one-dimensional deformation of plastic shrinkage to a three-dimensional deformation was characterized. In order to test the applicability and performance limits of the sensors to assess early-age deformations the following factors were investigated: varying cement fineness, varying water-cement-ratio and cyclic temperature changes. The measurement indicates a time gap depending on the watercement-ratio between the final set according to Vicat (t0) and the knee-point of the deformation rate. Both the thermal expansion coefficient and thermal contraction coefficient were determined from final setting during cyclic temperature changes. Due to fibre optic sensors embedded in immediate vicinity of a steel bar the restraining effect of the steel bar on the matrix was measured directly for the first time. As expected the degree of restraint provided by a ribbed bar is higher compared to that provided by a plain bar. The supplementary variation of the steel diameter exhibits a realistic test arrangement. The measurements on a micro scale inside the matrix demonstrated that fibre optic sensors optimally complement information obtained by scanning electron microscopy andradiography. For fibre Bragg grating sensors a protective cover was designed that enabled the embedment of the optical fibre into concrete. Comparing measurements of embedded fibre Bragg grating sensors and surface-applied sensors indicated that the deformation inside a concrete cube was up to 5 % lower than outside. T3 - BAM Dissertationsreihe - 65 KW - Frühverformung KW - Fabry-Perot-Interferometer-Sensoren KW - Beton KW - Schwinden KW - Faseroptische Sensoren PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-935 SN - 978-3-9813550-8-6 SN - 1613-4249 VL - 65 SP - 1 EP - 146 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-93 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nöther, Nils T1 - Distributed Fiber Sensors in River Embankments: Advancing and Implementing the Brillouin Optical Frequency Domain Analysis N2 - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Systems zur verteilten Dehnungsmessung in optischen Glasfasern. Das System wurde zur Überwachung der strukturellen Integrität von Flussdeichen bei einer Messlänge von mindestens 5 km und einer Ortsauflösung von höchstens 5 m entwickelt. Grundlage des Messsystems ist der nichtlineare optische Effekt der stimulierten Brillouinstreuung (SBS), der die Dehnung einer optischen Glasfaser in eine messbare Frequenzverschiebung des Rückstreulichts eines optischen Signals überträgt. Die in dieser Arbeit angewendete und grundlegend weiterentwickelte Messtechnik ist die optische Brillouin-Frequenzbereichsanalyse (BOFDA). Die grundsätzliche Funktionalität dieser Technik war bereits vor Beginn der Untersuchungen zu dieser Arbeit gezeigt worden. Allerdings war ihre Entwicklung der Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA), die den Stand der Technik darstellt, in Bezug auf ihre Sensoreigenschaften, ihre theoretischen Grundlagen, ihre Integrierbarkeit und ihre Robustheit für praktische Anwendungen weit unterlegen. Die Arbeit umfasst den theoretischen Hintergrund des Messsystems, verschiedene Weiterentwicklungen der Implementierung in ein anwendungsorientiertes Messgerät (u. a. neue Konzepte für Signalkorrekturverfahren zur Verbesserung der Sensoreigenschaften) und die Evaluierung des Systems in experimentellen Untersuchungen. Zu Beginn werden die physikalischen Eigenschaften der SBS in optischen Fasern untersucht und die Differentialgleichungen, mit denen der Effekt beschrieben werden kann, hergeleitet. Die Analyse konzentriert sich auf die spektralen Eigenschaften der Brillouin-Wechselwirkung, um die Messung der SBS im Frequenzbereich genau beschreiben zu können. Die BOFDA- Methode wird mit einer Systembeschreibung und Betrachtungen zur praktischen Umsetzung im Labor vorgestellt. Der Laboraufbau wird im Detail beschrieben; die Beschreibung umfasst die Komponenten, verschiedene Aspekte der Weiterentwicklung gegenüber dem Entwicklungsstand vor Beginn der Arbeiten sowie repräsentative Messergebnisse. Als wichtigster Fortschritt auf dem Weg zur kompletten Implementierung des Systems wird ein digitales Verfahren zur Frequenzbereichsanalyse (mit einer Systembeschreibung, einem Demonstratoraufbau und Messergebnissen) vorgestellt. Auf Grundlage der erarbeiteten Analyse der SBS wird die physikalisch bedingte Begrenzung der Ortsauflösung des Systems untersucht. Das Ergebnis ist eine neue Interpretation von Artefakten in hochauflösenden Messungen, von der aus eine Parallele zu ähnlichen Untersuchungen bezüglich der BOTDA-Methode aufgezeigt wird. Schließlich wird die Anwendung des Messsystems im Deichmonitoring vorgestellt. Hierzu wurde eine Technik zur Integration faseroptischer Kabel in Geotextilien sowie ein optisches Sensorkabel entwickelt. In Labor- und Feldversuchen wird die Eignung des Systems für das Deichmonitoring bestätigt. Durch die Weiterentwicklung des BOFDA-Verfahrens hat das Verfahren nicht nur in Genauigkeit und Auflösung zum BOTDA-Verfahren aufgeschlossen, sondern eröffnet neue Perspektiven in Dynamik, Robustheit und Kosteneffizienz. N2 - This thesis reports on the development of a system for distributed strain measurement in silica optical fibers. The system was developed to provide a solution for monitoring the structural health of river embankments with a measurement length > 5 km and a spatial resolution < 5 m. It is based on stimulated Brillouin scattering (SBS), a nonlinear optical effect which converts the mechanical strain of an optical fiber into a frequency shift of the backscattered light of an optical signal. The measurement technique that is employed and significantly advanced within this work is the Brillouin optical frequency domain analysis (BOFDA). Prior to this work, this technique had been presented as a laboratory setup providing its proof of concept; however, at this development stage, the technique had been limited in performance, theoretical foundation, integrability and robustness for real-life applications when compared to the state-of-the-art Brillouin optical time domain analysis (BOTDA). The thesis comprises the theoretical background of the measurement system, advancements regarding its implementation into a practically applicable device – including the proposal of techniques for performance enhancements in signal processing – as well as the evaluation of the system performance in experimental studies. First, the physical nature of SBS in optical fibers is analyzed. Here, special focus is set on the frequency domain properties of the interaction between the optical signals, which provides a deep understanding of the system behaviour in the special case of distributed measurements in the frequency domain. The BOFDA technique is then presented with a thorough analysis from a system point of view and considerations on its implementation in a practical setup. The laboratory setup is presented with all components and different aspects of advancement in accuracy and efficiency over the state of development prior to this work, along with representative measurement results. As the major advancement regarding the system implementation, a digital approach to frequency domain measurements is presented, with a system description, a demonstrator setup and measurement results. A detailed analysis of the physical occurrences within the system that lead to a limitation of its spatial resolution is given, founding on the description of SBS earlier in the thesis. It comprises a novel point of view on the measurement artifacts that degrade frequency domain measurements of SBS; a connection to corresponding studies that apply to the BOTDA technique is made. From here, a novel approach to overcome the limitations by means of signal correction in post-processing is presented. Finally, the application of the measurement system in dike monitoring is presented. A method for integrating optical fibers into geotextiles is introduced, together with considerations on the coating material and handling on construction sites. By presenting several experimental tests in the laboratory and the field, the feasibility of the system for monitoring of the structural health of river embankments is confirmed. With the advancements achieved within this work, the BOFDA technique meets the specifications in accuracy and resolution of state-of-the-art BOTDA devices, while offering new perspectives in terms of dynamic range, robustness and cost efficiency. T3 - BAM Dissertationsreihe - 64 KW - Stimulated Brillouin scattering KW - Frequency domain analysis KW - Dike monitoring KW - Structural health monitoring KW - Distributed Brillouin sensing PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-948 SN - 978-3-9813550-7-9 SN - 1613-4249 VL - 64 SP - 1 EP - 157 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-94 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -