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- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (351)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (350)
Ziel des FuE-Vorhabens ist die Entwicklung, Aufbau und Validierung eines gasto-mographischen Messsystems basierend auf stationärer und mobiler Sensorik zum Emissionsmonitoring in kommunalen Kläranlagen. Die Gastomographie basiert hierbei im Wesentlichen auf, aus unterschiedlichen Sichtwinkeln aufgenommenen, integralen Konzentrationsmessungen, anhand derer eine Rekonstruktion der Gasverteilung erfolgt. Das FuE-Projekt kombiniert hierfür stationäre Sensornetzwerke mit luftgestützten und bodengebundenen Robotersystemen in einem System. Letztere werden mit Reflektoren und/oder Gasdetektoren ausgestattet. Hierfür werden Open-Path-Gasmesstechnik basierend auf Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy (TDLAS, primär CH4 in ppm·m) und In-situ-Gassensorik (CH4, ppm) auf Basis von z.B. Infrarot eingesetzt. Dies sind zwei komplementäre Methoden der Gasmessung: Die In-situ-Gassensorik ermöglicht Punktmessungen, wohingegen TDLAS-Sensoren Gaskonzentrationen integral über offene Messstre-cken von bis zu 60 m gegen Oberflächen messen. Die In-situ-Gassensorik wird für Referenzmessungen und ggf. zur Erhöhung der Rekonstruktionsqualität zum Ein-satz kommen. Die wesentlichen Neuheiten des Projekts sind:
• 2D-Gastomographie auf Basis eines mit TDLAS-basierter Open-Path-Gasmesstechnik und Reflektoren ausgestatteten heterogenen Messsystems.
• CT-basierte Rekonstruktionsalgorithmen, adaptiert an die komplexen Rahmenbedingungen.
• Validierung des Messsystems anhand realer Messungen auf Kläranlagen.
Bruchmechanik-basierende Methoden können für die Ermüdungsbewertung von mechanischen Bauteilen angewendet werden, die Defekte oder Risse enthalten und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Kenntnis des Risswachstumsverhaltens für kurze und lange Risse ermöglicht die Bestimmung sowohl endlicher als auch unendlicher Lebensdauer. Ein erstes Problem ergibt sich jedoch aus der empirischen Bestimmung von Ermüdungswerkstoffkennwerten, die je nach Prüfbedingungen, z. B. Prüfmethode, Frequenz und Spannungsverhältnis R, variieren. Dies ist auf die Rissschließeffekte und weitere Umgebungsphänomene zurückzuführen, die das Rissfortschrittsverhalten beeinflussen. Ein zweites Problem ist das Fehlen von Standardversuchsverfahren zur Bestimmung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung ΔKth in Abhängigkeit von der Rissausbreitung. Dies ist problematisch, da ΔKth mit der Zunahme der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich zunimmt und seine ungenaue experimentelle Bestimmung zu großen Abweichungen bei der Bewertung und, was noch kritischer ist, zu nicht konservativen Vorhersagen führt. Mit dem Ziel, zuverlässigere und sicherere Bewertungsverfahren bereitzustellen, wird in dieser Arbeit eine Methode vorgeschlagen, die auf effektiven Risswachstumsdaten basiert, die bei hohen Spannungsverhältnissen (R ≈ 0,8) ermittelt wurden. Zur Beschreibung der Entwicklung der Rissschließeffekte wird ein Kurzrissmodell auf der Grundlage von zyklischen R-Kurven und CPLR-Daten verwendet. Die analytischen Vorhersagen werden mit experimentellen Daten verglichen, die zur Validierung des Verfahrens durchgeführt wurden, und die daraus entstandenen Unterschiede werden diskutiert.
Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)
PFAS (Per- and polyfluoroalkyl substances) are a widespread and emerging environmental problem due to their longevity and ubiquitous spread. The common structural motif of this compound class is the fluorine – carbon bond on an alkyl backbone, which are known for their chemical inertness and combination of hydrophobicity and oleophobicity. The downside of those properties is the general lack of usable molecular interactions for adsorption to extract them from the environment. The notable exception to that inertness are fluorine – fluorine interactions, which are stronger, the longer the perfluorinated chain length is. Therefore, in this project we investigated the effect of fluorination, length and presence of a charge on the alkyl chain on an adsorber. Towards that goal, in total 16 different adsorber materials were synthesized (fluorinated/non-fluorinated; C4/ C6/ C8/ C10 ; positive charge/no charge) and tested in regard to their potential to adsorb PFOA and perfluoralkylic acids of differing chain lengths. The PFAS concentration was tested via LC-MS/MS to determine the adsorption rate on the various materials. Further work includes the transition from a target analytics to sum parameter analysis for future evaluation of adsorber materials in PFAS environmental samples like river samples. Therefore a quarterly sampling and extraction of spree surface water samples was planned.
In order to be able to manipulate ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light, a minimum transparency of the materials is required. Compared to polymers and metals, ceramic materials are characterized by the fact that they have a wide electronic band gap and therefore a wide optical window of transparency. The optical window generally ranges from less than 0.3 µm to 5 µm wavelength. In order to focus light into the volume of a ceramic powder compact, its light scattering properties must therefore be tailored. In this study, we present the physical background and material development strategies for the application of two-photon polymerization (2PP) and selective volumetric sintering for the additive manufacturing of structures in the volume of ceramic slips and green compacts.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with light into the volume of a ceramic powder compound, its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP), and other volumetric methods for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
Low Transformation Temperature (LTT)-Schweißzusätze stellen einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen dar. LTT-Schweißzusätze zeichnen sich durch eine martensitische Phasenumwandlung nahe der Raumtemperatur aus, welche Druckeigenspannungen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) generieren.
Dieser Vortrag fokussiert sich auf die gezielte Einbringung zusätzlicher LTT-Lagen an ermüdungskritischen Stellen von konventionell geschweißten Verbindungen. Dies ermöglicht eine ökonomische Anwendung, ohne dass die Schweißnahtintegrität zu stark beeinflusst wird. Die Auswirkungen zusätzlicher LTT-Lagen wurden anhand geschweißter Längssteifen aus hochfestem Stahl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Eigenspannungen untersucht. Unter Variation der Schweißgeschwindigkeit und Abstand zur konventionellen Naht konnten 3 unterschiedliche Nahtausführungen des Chrom-Nickellegierten LTT-Zusatzes bewertet werden.
Die chemische Zusammensetzung wurde mittels OES-Analysen untersucht. Dabei stellte heraus, dass die Aufmischung in allen Varianten sehr ähnlich war trotz teils unterschiedlicher LTT-Volumina. Härtebestimmungen ergaben in allen 3 Varianten eine ähnliche Härte. Daraus lässt sich annehmen, dass die Martensitstarttemperatur bei allen Nahtvarianten ähnlich ist.
Röntgenografische Eigenspannungsmessungen belegen, dass die Eigenspannungen am versa-genskritischen Nahtübergang bei Einsatz von LTT-Schweißzusätzen deutlich abgesenkt werden. Während die konventionelle Schweißnaht Zugeigenspannungen von ca. 350 MPa aufweist, können an den LTT-Nähten teilweise Druckeigenspannungen von bis zu -150 MPa nachgewiesen werden. Je höher der Abstand zur konventionellen Naht und je größer das eingebrachte LTT-Volumen ist, umso stärker sind die Eigenspannungsreduzierungen am Nahtübergang. Da in allen 3 Varianten eine ähnliche Martensitstarttemperatur angenommen werden kann, ist somit die Geometrische Komponente der LTT-Zusatzlage ein entscheidender Faktor für die Eigenspannungsreduzierung.
This presentation gives an overview of the recent achievements in simulating piping erosion during the installation process of suction bucket foundations for offshore wind turbines. The physical correctness of the code is validated, and the simulation code's performance on the LUMI supercomputer is presented. The simulation results are compared to experimental data.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Die Bandbreite möglicher Defekte und die Menge an Einflussgrößen auf die Schienenprüfung ist sehr groß, aber die Prüfdaten aus dem Feld bilden diese Bandbreite nicht balanciert ab und sind unzureichend gelabelt. Durch Simulationen werden große Mengen detailliert gelabelter Daten für relevante Schienenschädigungen und Artefakte bereitgestellt. Aus diesen Daten werden wiederum virtuellen Prüffahrten erstellt, die für das Training und die Validierung der KI genutzt werden können.
In unserem Vortrag stellen wir den Erstellungsprozess der Datensätze vor. Jeder Schritt von der Geometriedarstellung bis zur Datenverarbeitung wird erfasst. Der Fokus wird auf Simulationsergebnisse und deren Verarbeitung gelegt. Die Signalverarbeitung spielt in den Datensätzen eine große Rolle, dabei werden die Datensätze an die realen Daten angepasst. Für Wirbelstrom und Ultraschall werden diese Prozesse im Hinblick auf die Fehlertypen Head Checks und Bohrungsanrisse veranschaulicht. Ferner diskutieren wir die Simulation von Schweißnähten, die von beiden Prüfsystem detektiert werden können; und somit besondere Abstimmung bedürfen aber auch Synergieeffekte zwischen den Prüfsystem ermöglichen.
Für die Ablage der Datensätze verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Verwendung von DICONDE bei der Eisenbahn-Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Several investigation groups have studied the flame-retardancy modes of action and properties of epoxy resins in the past; nevertheless, the selection of suitable flame retardants for epoxy resins remains challenging, and the transfer to fiber composites is difficult. The addition of flame retardants and glass fibers (GFs) to a polymeric system in a fire scenario changes the polymer's pyrolytic path and burning characteristics, reduces the heat released in the combustion, and suppresses the modes of action in the condensed and gas phase. In this study, the thermal analysis, flammability, fire behavior, residue analysis, fire stability, and quantification of modes of action of three different systems with three halogen-free flame retardants (melamine polyphosphate (MPP), ammonium polyphosphate (APP), and silane ammonium polyphosphate (SiAPP)) and three different types of GFs (unidirectional (UD), bidirectional (BD), and woven roving (WR)) will be compared with pure epoxy resin as a reference.
Distributed fiber optic sensing (DFOS) technique is a promising and robust non-destructive testing tool that can seamlessly acquire environmental conditions over large scales. Therefore, it has found extensive applications in structural health monitoring. Its appeal for monitoring underground facilities lies in the intrinsic properties of the optical fiber, such as immunity to magnetic interference, small size, chemical inertia, etc. This paper provides a concise overview of DFOS applications in underground facility monitoring. Following a brief introduction to the working principle of the DFOS technique, various examples are provided to demonstrate how distributed fiber sensors contribute to monitoring underground facilities. The paper presents unpublished field test results with an emphasis in the energy sector, including monitoring gas storage facilities, geothermal reservoir exploration, and ground movement detection. Furthermore, the paper identifies several directions for enhancing the DFOS system.
Dem AVK-Arbeitskreis Wasserstoff-Drucktanks werden ausgehend von Zielen und Aufgaben der BAM sowie der Fachkompetenz auf dem Gebiet der Sicherheit von Composite-Druckbehältern über die prüftechnische Ausstattung, die angewendeten und weiterentwickelten Prüf- und Untersuchungsmethoden sowie zu Beispielen von Forschungsvorhaben wie DELFIN, COLIBRI und SH2APED berichtet.
Die zunehmende Bedeutung der luftgekoppelten Ultraschallprüfung (ACUT) in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) unterstreicht die Notwendigkeit von standardisierten Abläufen und Methoden. Bei der ACUT bestehen grundlegende Unterschiede zur manuell durchgeführten Ultraschallprüfung mit Kontakttechnik oder zur automatisierten Tauchtechnik. Die Unterschiede bei der Bestimmung von Prüfkopfparametern für ACUT wurde von Herstellern, Forschungseinrichtungen und Anwendern bereits als wichtig erkannt, was sie veranlasst hat, im Rahmen des Unterausschusses Luftgekoppelte Ultraschallprüfung der DGZfP die Richtlinie US08 zur standardisierten Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern zu erarbeiten. Darüber hinaus bestehen auch bei der Durchführung einer Messung grundlegende Unterschiede, die aktuell in einem Leitfaden zusammengetragen und definiert werden.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über die geplanten Inhalte dieses Leitfadens gegeben. Insbesondere wird die Auswahl von Prüfparametern in Form von Frequenzen, Abständen und Positionierung sowie die Auswertung behandelt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse eines Ringversuchs vorgestellt, welcher an einem eigens hierfür entwickelten und mit Defekten versehenem Prüfkörper, der sog. ACUT-Prüfplatte, durchgeführt wurde. In diesem Ringversuch werden unterschiedliche Messanordnungen, die mittels luftgekoppeltem Ultraschall möglich sind, anhand des erreichbaren Signal-Rausch-Verhältnisses sowie der messbaren Defektgröße quantifiziert. Zudem findet eine Abgrenzung zu weiteren gängigen Verfahren der ZfP statt. Anhand der hier vorgestellten Ergebnisse ist es möglich, die Anwendbarkeit des luftgekoppelten Ultraschalls unter Berücksichtigung unterschiedlicher Messanordnungen besser einzuschätzen.
In infrared thermography, the interaction of the heat flow with the internal geometry or inhomogeneities in a sample and their effect on the transient temperature distribution is used, e.g., to detect defects non-destructively. An equivalent way of describing this is the propagation of thermal waves inside the sample. Although thermography is suitable for a wide range of inhomogeneities and materials, the fundamental limitation is the diffuse nature of thermal waves and the need to measure their effect radiometrically at the sample surface only. The crucial difference between diffuse thermal waves and propagating waves, as they occur, e.g., in ultrasound, is the rapid degradation of spatial resolution with increasing defect depth. This degradation usually limits the applicability of thermography for finding small defects on and below the surface.
A promising approach to improve the spatial resolution and thus the detection sensitivity and reconstruction quality of the thermographic technique lies in the shaping of these diffuse thermal wave fields using structured laser thermography.
Some examples are:
• Narrow crack-like defects below the surface can be detected with high sensitivity by superimposing several interfering thermal wave fields,
• Defects very close to each other can be separated by multiple measurements with varying heating structures,
• Defects at different depths can be distinguished by an optimized temporal shaping of the thermal excitation function,
• Narrow cracks on the surface can be found by robotic scanning with focused laser spots.
We present the latest results of this technology obtained with high-power laser systems and modern numerical methods.
Die größten Vorteile der luftgekoppelten Ultraschallprüfung sind: die berührungslose Prüfung und der Verzicht auf ein flüssiges Koppelmittel. Allerdings weisen die meisten luftgekoppelten Prüfszenarien ein sehr geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) auf und die Pegel, die von luftgekoppelten Ultraschallwandlern realisiert werden, sind um mehrere Größenordnungen kleiner.
Da diese Herausforderung auch in anderen Disziplinen wie bspw. der Radartechnik existiert und dort ebenfalls eine entscheidende Rolle spielt, wurde die dort eingesetzte Pulskompression auf die physikalischen Gegebenheiten der luftgekoppelten Ultraschallprüfung angepasst und angewandt.
Dieser Beitrag präsentiert die Ergebnisse von zwei Versuchsaufbauten: 1) ein thermoakustischer Sender und ein optisches Mikrofon und 2) ein Paar Ferroelektret-Wandler als Sender und Empfänger. Aufgrund der physikalischen Randbedingungen wurden unipolare Kodierungen verwendet. Die Verwendung von unipolaren Kodes zur Modulation der Anregungssignale stellt dabei eine neue Methode dar, die so die Pulskompression für Ferroelektret- und thermoakustische Wandler ermöglichen soll. Die Anwendung der Pulskompression auf die Kombination aus thermoakustischem Sender und optischem Mikrofon konnte das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um bis zu 15 dB und für die Ferroelektret-Wandler um bis zu 23 dB erhöhen.
Im Rahmen des BMBF-Vorhabens SEE-2L wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Versuche vorgestellt.
Die Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus der Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten behandelt. Dabei liegt der Fokus auf der Interoperabilität von Daten und Anwendungen, die nach den FAIR-Prinzipien erstellt und veröffentlicht werden. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements und der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften gewinnen Ontologien zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de), welches in dieser Präsentation vorgestellt wird, werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene, die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. In dieser Präsentation wird die PMDco adressiert.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten – die Tensile Test Ontology (TTO) – präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit dem zugehörigen DIN-Standardisierungsgremium NA 062-01-42 AA erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Auf Grundlage der dabei entwickelten Struktur und Vorgehensweise können weitere Materialcharakterisierungsmethoden semantisch beschrieben werden, woraus sich in diesem Zusammenhang Kooperationsmöglichkeiten ergeben.
Second Life Verwendungen - Untersuchungen und erste Erfahrungen mit einem Ausbildungsdemonstrator
(2024)
Der Vortrag gibt zunächst einen Themeneinstieg in den Bereich der Second-Life-Batterien sowie rechtliche und technische Grundlagen zu Lebenszyklus und Alterung. Im Weiteren werden experimentelle Ergebnisse aus Versuchen zum thermischen Durchgehen mit Batteriemodulen aus dem BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Darüber hinaus wird ein eigens entwickelter Ausbildungsdemonstrators vorgestellt, welcher einen wesentlichen Baustein des Ergebnistransfers aus dem Vorhaben darstellt.
Traceable morphological and chemical characterization of nanomaterials with respect to the various possible sizes, size distributions, shapes, and concentrations of real-world nanoparticles (NPs) is a challenging task. Particularly for the nonspherical, non-monodisperse nanoparticles – as typically for most of the commercial particles, including their strong tendency to agglomerate, there is a lack of standard operation procedures providing accurate nanoparticle characterisation.
In the framework of the pre-standardisation framework of VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Standards, www.vamas.org) two interlaboratory comparison (ILC) studies are being carried out under the Technical Working Area (TWA) 34 “Nanoparticle Populations”:i) Project #15 addresses the analysis of the size and shape distribution of TiO2 bipyramidal NPs by traceable imaging methods such as TEM, SEM, STEM-in-SEM, AFM as well as with SAXS as an ensemble method. This ILC is thought as the next level development of the case studies exemplified in the published ISO standards ISO 21363 and ISO 19749. It was agreed to complete the first ILC with the NPs already prepared according to the same procedure on a TEM grid, and, at a later stage, to carry out second ILCs with the same NPs distributed to the participants as liquid suspensions together with protocols for the uniform NP deposition on suited substrates - as developed and optimized within the European project nPSize. Once having good deposition protocols available, the door for automated image analysis gets opened. Corresponding image analysis protocols and reporting templates have been distributed to the ILC participants, too.
ii) Project #16: two spherical SiO2 NP samples with bi-modal size distributions in two nominal relative number concentrations were prepared and distributed also as liquid suspensions accompanied by sample preparation, measurement, and image analysis protocols and reporting templates. Here, the NP concentration is the primary parameter to be measured. For the imaging methods it is targeted to
measure the relative nanoparticle concentrations (relative populations of the two modes).
The results of all the participating laboratories, in both ILCs, compiled in comparative representations will be shown and discussed for the first time. The reduction of the measurement uncertainties associated to the size, shape and number-concentration results induced by the significant improvement of the sample preparation on substrates (as single particles with a high-density coverage), combined with welldefined image analysis procedures will be highlighted.
Morphological and chemical analysis of mesoporous mixed IrOx-TiOy thin films as electrode materials
(2024)
Porous films play an important role particularly in energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. Thin film properties such as thickness, chemical composition, crystallinity of the framework, and porosity define the activity of the porous films. The accurate morpho-chemical characterisation of mesoporous thin films is a challenging analytical task which requires the consideration of new analytical approaches based on the combination of data of different methods able to address the structure and chemical composition at the nanoscale. In this contribution we characterise thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) at an SEM applied in a dedicated “thin film analysis” approach (1). Thus, the film mass deposition, film thickness and the film density can be determined. Further, by dividing the measured film density to an assumed (theoretical) metal oxide framework (skeletal) density, the thin film porosity can be extracted, too.
In order to assess the homogeneity of the thin film properties like the chemical composition, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) and Auger Electron Spectrometry are applied in the depth profiling mode, so that possible in-depth gradients are detected. Lateral inhomogeneities in the chemical composition and structure of the thin mesoporous films are also identified by applying the same methods in the line-scan or mapping mode, which can be further combined with in-depth sputtering for 3D information. The role of the spatial resolution of the analytical methods considered, which can go down well below 100 nm, will be highlighted.
In order to reduce global warming, the use of hydrogen as a renewable energy source is becoming more important. To enable this transition, unprecedently large amounts of hydrogen need to be safely transported and stored. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety distances. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames. To verify the applicability of these models to hydrogen, real-scale tests are carried out at the BAM Test Site for Technical Safety (BAM-TTS) with the aim to assess the flame geometry and the emitted thermal radiation. Parameters such as leakage diameter (currently up to 30 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In particular, the focus will be laid on the measurement and modelling of the thermal radiation. The challenge here is the characterization of the flame geometry in an open environment and its impact on the thermal radiation. Existing heat radiation data from literature are mostly based on unsteady outflow conditions. The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, stationary outflow tests with hydrocarbons (methane) were also carried out, which are intended to serve as reference tests for checking flame models based on hydrocarbon data. Following from the experimental investigations, modelling parameters such as the Surface Emissive Power (SEP) and the radiant heat fraction for hydrogen and methane will be compared to literature data.
Einleitend wird im Vortrag das Aktivitätsfeld Elektrische Energiespeicher und -umwandlung vorgestellt sowie eine kurze Einführung in die Terminologie der elektrischen Energiespeicher gegeben. Im Folgenden wird das BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Hier wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung und den Aufbau eines Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene gelegt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer ersten Versuchsserie vorgestellt. Zum Abschluss wird ein kurzer Ausblick zu weiteren anstehenden Versuchen gegeben.
Science Café Adlershof is having its next edition in 2024 on February 20th '24! We will have one speaker next week: Alexander Winckelmann is a PhD student at Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung and will give a talk about his stay abroad in Switzerland - there will be free chocolates! There will be enough time to ask questions or simply chat with the guests and participants.
To address the challenges of the climate crisis, multiple solutions for sustainable energy sources and storage systems are needed. One such solution is lithium-ion batteries (LIBs). Currently, 5 to 30 % of LIBs are discarded immediately after manufacturing. The homogeneous distribution of all materials used in the coating of cathodes and anodes is critical for the quality of LIBs. Furthermore, during formation i.e., the first steps of the charge/discharge cycling, the solid-electrolyte interphase forms on the anode particles, which has a huge impact on the performance. The same happens to some extent on the cathode, forming the cathode-electrolyte interphase. Fluorinated polymers and electrolytes are used in the manufacturing of LIBs. The electrolyte in particular is prone to degradation during formation and aging of the batteries. The interface of the cathode material with the aluminum current collector is also a critical point where degraded fluorine components cause pitting corrosion and at the same time promote passivation of the metal foil. Monitoring the spatial distribution of fluorine on these surfaces and interfaces is essential for sustainable LIB production.
Mikroplastik Detektion mit Thermoanalytischen Methoden: Analytik, Referenzmaterial, Ringversuche
(2024)
Ich dem Vortrag geht es um die Vorstellung von thermoanalytischen Methoden für die Mikroplastik-Detektion. Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten werden gezeigt und die Funktionsweise der TED-GC/MS wird erklärt. Im zweiten Teil werden Referenzmaterialien für die Mikroplastik-Analytik diskutiert. PET -Tabletten des PlasticTrace Projektes werden vorgestellt. Am Ende wird der VAMAS Ringversuch zur Mikroplastik-Detektion gezeigt.
In this paper, we investigate the influence of different heat source pulse shapes by Infrared impulse thermography (IRT) on the results of the thermal shock response spectrum (TSRS) methodology. TSRS is a new alternative approach for evaluating impulse thermography (IRT) data based on an analogy to Shock Response Spectrum (SRS) analysis (ISO 18431) for mechanical systems. It allows processing the entire recorded signal without truncating the saturated thermogram, as in pulse-phase thermography (PPT) or thermal signal reconstruction (TSR). For this purpose, we use a widespread halogen lamp as heat source as well as laser spot. The laser source enables not only to generate a precise shape of the pulse, but also to heat a specific area of the sample uniformly. This makes it possible to suppress influences of lateral fluxes due to uneven distribution of the excitation source on the surface of the specimen and leads to improved results. In order to quantitatively compare the results and to investigate the possible influence of the source shape on the TSRS, the Tanimoto criterion and the signal-to-noise ratio (SNR) were applied to the region of interest (ROI) of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminate with artificial defects as defect detectability criterion.
Revolutionizing our polymer industry for adaption to a sustainable carbon circular economy has become one of today’s most demanding challenges. Exploiting renewable resources to replace fossil-fuel—based plastics with biopolymers such as poly(lactic acid) (PLA) is inevitable while using waste streams as a raw material resource at least is promising. When it comes to using PLA as technical polymer, its high flammability must be addressed by flame retardants compatible with the thermoplastic processing of PLA and its compostability. This study proposes microalgae enriched with phosphorus from wastewater (P-Algae) as an elegant way towards a kind of sustainable organophosphorus flame retardant. The concept is demonstrated by investigating the processing, pyrolysis, flammability, and fire behavior of PLA/P-Algae, while varying the P-Algae content and comparing P-Algae with four alternative bio-fillers (phosphorylated lignin, biochar, thermally treated sewage sludge, and metal phytate) with different P-contents as meaningful benchmarks.
Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
Any surface in the environment acts as hotspot for microbial attachment and activity. These biofilms represent the interface between humans and the environment.
While in the past biofilms were often seen as disturbance, we now start to understand the enormous potential of beneficial biofilms. They can be used in a broad range of applications and are sources for new microorganisms and traits. After all, biofilms represent a great example for a collaborative lifestyle.
Die Transformation der Energienutzung von konventionellen zu erneuerbaren Quellen führt dazu, dass zukünftig mehr Energie effizient zwischengespeichert werden muss. Eine Möglichkeit der elektrochemischen Zwischenspeicherung bieten Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür können ausgemusterte Automobilantriebsbatterien verwendet werden. Erfüllen sie die hohen Anforderungen des mobilen Bereichs nicht mehr, haben sie oftmals noch eine ausreichende Kapazität und Leistungsfähigkeit für die stationäre Zwischenspeicherung.
Neben der Verwendung der Batterien im größeren Maßstab, z.B. bei Energieversorgern, werden durch den vermehrten Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern verstärkt Zwischenspeicher für Privathaushalte nachgefragt. Dies birgt auch für Einsatzkräfte neue Herausforderungen in der Gefahrenabwehr.
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SEE-2L – Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen“ wurden Versuche mit Second Life Modulen durchgeführt. Verbundpartner im Projekt waren neben der vfdb die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zudem war das Institut der Feuerwehr Nordrhein-Westfalen eingebunden.
Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage für die Einordnung der Batteriespeicher, z.B. aus Sicht des baulichen Brandschutzes, zur Methodik der Brandbekämpfung oder zur Risikobewertung hinsichtlich der Prozess- und Anlagensicherheit.
Im Beitrag werden die Versuchsergebnisse vorgestellt und Ansätze für deren Anwendung gezeigt. Um die gewonnenen Erkenntnisse zu vermitteln, wurde im Projekt zudem ein Schulungskonzept für Einsätze mit Lithium-Ionen-Technologien erarbeitet, das im Beitrag präsentiert wird. Es besteht aus theoretischen und praktischen Anteilen, sodass bei den Feuerwehren praxisnah aus- bzw. fortgebildet werden kann.
Trace elemental analysis in human serum is integral in both clinical and research settings. Analyzing the level of some specific elements like Se and Zn helps indicate the nutritional and health status. Furthermore, elucidating the roles of trace elements in various physiological and pathological conditions can shed light on disease mechanisms and potential treatments. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) stands out as a preeminent method for trace elemental analysis, given its exceptional sensitivity and minimal sample requirements. However, ICP-MS has challenges, such as argon-related interferences that hinder the accurate quantification of elements like Ca, Fe, and Se. The naturally most abundant isotopes of Ca (40Ca), Fe (56Fe), and Se (80Se) are subject to isobaric interference from 40Ar+, 40Ar16O+, and 40Ar2+, thereby complicating their direct measurement and preventing isotope dilution analysis.
In response to these challenges, nitrogen microwave inductively coupled atmospheric pressure mass spectrometry (MICAP-MS) emerges as a viable alternative to ICP-MS, eliminating argon consumption and associated interferences. This study employed MICAP-MS to quantify Ca, Fe, and Se in 11 certified reference human serums using matrix-matched calibration and isotope dilution with the isotopes 40Ca, 56Fe, and 80Se. The results obtained with both methods were validated against certified values, and the suitability of MICAP-MS for isotope dilution was evaluated. Additionally, the performance of MICAP-MS in the Na matrix was investigated and discussed alongside the impact of organic species.
This presentation provides an introduction and intermediate results of the Horizon-Europe STAR4BBS project.It focuses on how to maximize the potential of Sustainability Certification Schemes (SCS) and labels to support a successful transition to a sustainable bio-based economy by assessing their effectiveness, robustness, and credibility.
The Microplastic Microbiome
(2024)
Microplastics represent man-made and newly emerging surfaces in our ecosystems, where they interact with microorganisms. The ecosystem in focus of this presentation will be the aquatic environment. It will be portrayed, which microorganisms use microplastics as a habitat, how environmental factors shape this colonization, and why the biodegradation of plastics in the ocean is an overall unlikely process. We will also discuss whether potentially pathogenic microorganisms use microplastics as a raft. Finally, possible adaptation mechanisms of plastic-colonizing microorganisms will be presented, such as the production of photoreactive molecules. The microplastic microbiome has a large potential to harbor so far unknown species with curious traits, representing an exciting research topic for the future.
We present our approach and methodology for simulating piping erosion, which occurs during the installation process of suction bucket foundations for offshore wind turbines. We show several simulations and analyze the hydrodynamic and contact forces acting on the granular fabric and the differential pressure of the fluid phase. We demonstrate weak scaling performance on the LUMI supercomputer with a parallel efficiency of up to 90% for 4096 Graphics Compute Dies.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.
Compound semiconductors (CS) are promising materials for the development of high-power electrical applications. They have low losses, can withstand high temperatures and can operate at very high voltages and currents. This makes them a key technology for the electrification of many high energy applications, especially electromobility and HVDC power lines.
The challenge with CS technology is that most of the process technology has to be developed anew to the high standards required by electronic applications. Today, compound semiconductors can be produced in thin layers on top of substrates fabricated from classical crystal growth processes that are already well established. A promising method for this is metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). With this method, many different compounds with semiconducting properties can be synthesized. Additionally, this process technology is a direct thin layer deposition method. Therefore, complex multilayer systems can be generated directly by the deposition process and without the need of doping after growing.
There are a number of critical defects that can originate from the deposition process of these thin film devices. Within this project, we intend to develop new correlative imaging and analysis techniques to determine defect types, to quantify defect size and number density, as well as to characterise defects for process optimisation.
We report here on the use of spectroscopic ellipsometry and imaging ellipsometry to investigate defects in several different compound semiconductor materials used in high-power electronic devices. The materials we investigated are β-Ga2O3, SiC, GaN, AlN, and AlGaN materials as well as oxidised SiC surfaces. All of these materials have their typical defects and require optimised measurement and analysis schemes for reliable detection and analysis. Spectroscopic ellipsometry is a highly sensitive method for determining the thicknesses and dielectric function of thin layers, yielding potentially a high number of microscopic properties. The combined method between ellipsometry and optical microscopy is called imaging ellipsometry and is especially powerful for the large amount of data it produces. We have analysed defects in SiC- and AlN-based thin film semiconductors as well as characterised the properties of different types of SiO2 layers created on top of SiC monocrystals. We developed ellipsometric models for the data analysis of the different semiconductor materials.
If the defects have geometric features, it is useful to combine the ellipsometric analysis with topometry method like interference microscopy and scanning probe microscopy. We have successfully characterised function-critical defects in MOVPE SiC layers and correlated the findings with topography from WLIM measurements. We have developed an imaging ellipsometric measurement methodology that allows to estimate the relative defect area on a surface by a statistical raw data analysis.
Compound semiconductors (CS) are promising materials for the development of high-power electrical applications. They have low losses, can withstand high temperatures and can operate at very high voltages and currents. This makes them a key technology for the electrification of many high energy applications, especially electromobility and HVDC power lines.
The challenge is that most of the process technology has to be developed specifically and tailored to the high standards required by electronic applications. Today, many different CS materials can be produced in thin layers on top of substrates fabricated from classical crystal growth processes that are already well established. A promising method for this is metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). This technology is a direct thin layer deposition method capable of producing complex multilayer systems directly from one deposition process without the need of doping after growing.
There are a number of critical defects that can originate from the deposition process when targeting electronic thin film devices. Within this project, we intend to develop new correlative imaging and analysis techniques to determine defect types, to quantify defect size and density, as well as to characterise defects for further process optimisation.
We report here on the use of spectroscopic and multispectral imaging ellipsometry to investigate defects in several different compound semiconductor materials used in high-power electronic devices. The materials we investigated are β-Ga2O3, SiC, GaN, AlN, and AlGaN as well as oxidised SiC. All of these materials have their typical defects and require optimised measurement and analysis schemes for reliable detection and analysis. Spectroscopic ellipsometry is a highly sensitive method for determining the thicknesses and dielectric function of thin layers, yielding potentially a high number of microscopic properties. The combined method between ellipsometry and optical microscopy is known as imaging ellipsometry and is especially powerful for the large amount of data it produces. We have analysed defects in SiC- and AlN-based thin film semiconductors as well as characterised the properties of different types of SiO2 layers created on top of SiC monocrystals. We developed ellipsometric models for the data analysis of the different semiconductor materials.
If the defects have geometric features, it is useful to combine the ellipsometric analysis with topometry methods like interference microscopy and scanning probe microscopy. We have successfully characterised function-critical defects in MOVPE SiC layers and correlated the findings with topography from WLIM measurements. We have developed an imaging ellipsometric measurement methodology that allows to estimate the relative defect area on a surface by a statistical raw data analysis.
Ellipsometry as optical metrology method for analysis of reference materials for nanoelectronics
(2024)
Electrical properties of materials at the nanoscale can be characterized using scanning microwave microscopes (SMM) and conductive atomic force microscopes (C AFM). However, the measurement results are difficult to compare since different setups and different reference standards are used. The development of new “out-of-lab” reference standards can contribute to the traceability and reliability of these scanning probe microscopy methods (SPM) and facilitate their broader industrial application.
In this study, we discuss the capability of optical methods such as ellipsometry for the characterization of existing and the development of new reference calibration samples for scanning microwave microscopy. Ellipsometry is a fast and non-destructive method, which enables very accurate determination of the layer thickness and the dielectric functions of the materials. Imaging ellipsometry is suitable for spatially resolved measurements when analyzing thin layers in microstructured samples.
We show how the electrical resistivity of indium tin oxide (ITO) layers in newly designed resistive calibration samples can be obtained from spectroscopic ellipsometric measurements. The extension of the measurement range into the mid-infrared region was necessary when analyzing ITO layers with low conductivity. This parameter was obtained by fitting a Drude function describing the absorption of the free carriers. The impact of the coating process conditions on the layer properties is discussed.
Imaging ellipsometry was applied for the characterisation of thin ITO and SiO2 layers in microstructured resistive and capacitance calibration kits. The uncertainties of determined layer thicknesses were specified according to standardized practice guides used in ellipsometry. We show how statistical fingerprint analysis of the measured ellipsometric transfer quantities can be used to validate the quality of potential reference materials for nano-electronics and to monitor the processing of structured samples.
Structural health monitoring of hydrogen pressure vessels using distributed fiber optic sensing
(2024)
We report on distributed fiber optic sensing-based monitoring of hydrogen composite overwrapped pressure vessels (COPV) to simultaneously increase the operational lifespan and mitigate maintenance costs. Our approach represents, to the best of our knowledge, the first application of distributed fiber optic sensing for COPV Type IV monitoring, where the sensing fibers are attached to the surface, rather than integrated into the composite material. Specifically, we attach an optical fiber of 50 m to the pressure vessel's surface, covering both the cylindrical and dome sections. We note that our fiber optic sensing technique relies on swept wavelength interferometry providing strain information along the entire length of the optical fiber with high spatial resolution even at the millimeter scale. When the vessel is pressurized, the sensing optical fiber shows a linear strain response to pressure at every position along the fiber. After thousands of load cycles, the vessel finally fails with the optical fiber detecting and precisely localizing the damage in the vessel’s blind dome area. Furthermore, we discuss the potential of state-of-the-art signal processing methods and machine learning for advancing predictive maintenance. This could reduce the number of regular inspections, mitigate premature maintenance costs, and simultaneously increase the vessel’s remaining safe service life. We believe that the structural health monitoring of hydrogen pressure vessels with fiber optic sensors can enhance trust in hydrogen technology contributing to the energy transition in the future.
Der Vortrag beschreibt den Stand der Arbeiten an der BAM, Fachbereich Umweltanalytik zur Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik. Er stellt die bisherigen Arbeiten da, die ausgehend von ELISAs, zunehmend portable Plattformen wie FPIA und LFIA umfassen. Beas-based Formate werden von mikrotiterplatten-basierten Techniken auf mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme übertragen, die bei geeigneter Miniaturisierung und Automatisierung als Sensorsysteme angesehen werden können. Der Vortrag endet mit einem Blick auf ein laufendes Monitoring-Projekt von anthropogenen Markern in Abwasser und charakterisiert die Treiber, die die Entwicklung von Sensoren für die Wasseranalytik in den letzten Jahren vorantreiben.
Efficient flame retardancy is often achieved only when applying synergistic multicomponent systems. Flame retardants are combined or used together with adjuvants or synergists to enhance their efficiency, reduce the amount required, or reduce the costs; fibers and fillers contribute to fire properties crucially. Although the main flame-retardant modes of action are known, the detailed scientific understanding usually falls short, when it comes to complex synergistic multicomponent systems, the important tiny optimizations, or quantifying in terms of specific fire properties. This paper tries to illuminate the concept of synergistic flame retardants. The need for the multicomponent approach and the main phenomena are described. Thought-provoking impulses are delivered on how the understanding of multicomponent systems promotes the evidence-based development of future flame retardant polymeric materials. Multicomponent systems are discussed in their capacity as general powerful strategy for achieving and optimizing flame retardant polymeric materials.
This paper is based mainly on the overall conclusions and concrete results of several projects performed in the group of the author. Thanks to my (former) students and co-operation partners in these projects. Thanks for financing to DFG (Scha 730/8-1 Scha 730/8-2, Br 3376/1-1, Scha 730/19-1), AiF IGF (438 ZN, 17833N/2, 19078 N/2), and BMBF (03X0111C, 01DN16040).
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung, die mechanische Bearbeitung, die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten, wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.