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In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Using magnetic materials for energy conversion as an example, this lecture shows how X-ray tomography investigations can contribute to structure elucidation in composites and solid samples. The components are tested non-destructively in order to characterize cracks, pores and other defects and their influence on the functional properties three-dimensionally and in good time in the life cycle of the material. If you combine microtomography with other methods of magnetic material characterization, you can make unique statements about the structure and the functional properties.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Versuchsstandes zur Di-ckenbestimmung von Werkstoffen mithilfe von frequenzmoduliertem luftgekoppelten Ultra-schall. Zur Erzeugung des frequenzmoduliertem Signals wird ein fluidischer Oszillator ver-wendet. Die Schwingungsfrequenz des Oszillators ist von der Größe, der Geometrie und den Druckverhältnissen im Oszillator abhängig, welche durch ein Druckventil veränderbar sind. Zur Datenfassung dienen zwei Laservibrometer. Weiterhin soll die schlussendliche Dicken-bestimmung mithilfe eines Kreuzkorrelationsverfahrens erreicht werden. Während der Ent-wicklung wurden Messungen im Medium Luft, als auch mit Polyamid-Probekörpern durchge-führt. Für die Luftmessungen wurde das Ultraschallsignal an zwei Messpunkten erfasst und der Abstand zwischen diesen Messpunkten daraufhin versucht zu ermitteln. Diese Abstand-messungen wurden mit unterschiedlichen Abständen von 6 bis 15 Zentimeter durchgeführt, wobei der Abstand anhand der Daten mit einer Abweichung von unter einem Zentimeter er-folgreich bestimmt werden konnte. Die Messungen am Probekörper waren weniger Erfolg-reich, da keine reproduzierbare Dickenbestimmung erreicht werden konnte. Trotzdem kann die Entwicklung aufgrund der erfolgreichen Abstandmessung in der Luft sowie den neuen Erkenntnissen aus den Messungen am Probekörper als Erfolg betrachtet werden.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen können in einem hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess poröse Körnungen (Hydrothermalgranulate HTG) hergestellt werden. Die Erhärtung der HTG erfolgt dabei in einem Autoklav bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der HTG entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln (SiO2) und Kalk (CaO) entstehen. SiO2-Lieferant ist ziegelhaltiger Mauerwerkbruch, der als Hauptmineralphase Quarz enthält. Papierasche kann mit ihren Anteilen an Freikalk und anderen reaktive Calciumverbindungen als Kalkersatz dienen. Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen werden die Eigenschaften der Reaktionsprodukte gezielt gesteuert. Die HTG haben Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³. Ihr Gefüge ist durch ein eher ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Diese Porenstruktureigenschaften legen eine Anwendung der HTG als Filter- oder Speichermaterial nahe. Sie können natürliche Rohstoffe, wie Bims, Lavasand und fluviale Sande, aus Primärrohstoffen hergestellte Produkte, wie Blähton, Keramik und Aktivkohle, sowie erdölbasierte Kunststoffadditive ersetzen, wobei die typischen Filter- und Speichereigenschaften der herkömmlichen Produkte nahezu erreicht werden. Dadurch wird einerseits für Reststoffe, die gegenwärtig ein hohes Verwertungsdefizit aufweisen, eine hochwertige Wieder- bzw. Weiterverwertungsmöglichkeit geschaffen und die Abfallmenge vermindert. Andererseits erfolgt eine Schonung von knapper werdenden natürlichen mineralischen Rohstoffen und Erdöl. In einem Forschungsprojekt werden derzeit die technischen Möglichkeiten der hydrothermalen Herstellung von leichten porösen Körnungen aus Mauerwerkbruch, Kalk und Papierasche sowie die Anwendung der HTG als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung und als Wasserreservoir in Substraten von Pflanzwänden und zur inneren Nachbehandlung hochfester Betone systematisch untersucht. Der Beitrag berichtet insbesondere über die experimentelle Entwicklung der hydrothermalen Synthesestrategie, die nachfolgende Charakterisierung der HTG und die Beziehungen zwischen Gefügekennwerten und technischen Eigenschaften der Körnungen.
The present work is intended to make a contribution to the monitoring of civil engineering structures. The detection of damage to structures is based on the evaluation of spatially and temporally distributed hybrid measurements. The acquired data can be evaluated purely geometrically or physically. It is preferable to do the latter, since the cause of damage can be determined by means of geometrical-physical laws in order to be able to intervene in time and ensure the further use of the structures. For this reason, the continuum mechanical field equations in conjunction with the finite element method and hybrid measurements are combined into a single evaluation method by the adjustment calculation. This results in two challenges.
The first task deals with the relationship between the finite element method and the method of least squares. The finite element method solves certain problem classes, which are described by a system of elliptical partial differential equations. Whereas the method of least squares solves another class of problems, which is formulated as an overdetermined system of equations. The striking similarity between both methods is known since many decades. However, it remains unresolved why this resemblance exists. The contribution is to clarify this by examining the variational calculus, especially with regard to its methodological procedure. Although the well-known Gauss-Markov model within the method of least squares and the finite element method solve inherently different problem classes, it is shown that both methods can be derived by following the same methodological steps of the variational calculus. From a methodical viewpoint, this implies that both methods are not only similar, but actually the same. In addition, it is pointed out where a possible cross-connection to other methods exists.
The second task introduces a Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS) by integrating the finite element method into the adjustment calculation. It is shown in numerical examinations how this integrated analysis can be used for parameter identification of simple as well as arbitrarily shaped structural components. Based on this, it is examined with which observation types, with which precision and at which location of the structure these measurements must be carried out in order to determine the material parameters as precisely as possible. This serves to determine an optimal and economic measurement set-up. With this integrated analysis, a substitute model of a geometrically complex structure can also be determined. The issue of the detection and localisation of damage within a structure is studied by means of this structural analysis. The Measurement and Model-based Structural Analysis is validated using two different test setups, an aluminum model bridge and a bending beam.
Die Geräteentwicklungen im Bereich der Niederfeld-NMR-Spektroskopie im vergangenen Jahrzehnt ermöglichen den Einsatz kompakter, portabler Magnete mit geringen Streufeldern in Laborumgebungen und industriellen Produktionsanlagen. Somit werden neue Möglichkeiten für hochauflösende NMR-Experimente zur Reaktionsüberwachung eröffnet. Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurden die Möglichkeiten dieser Methode umfassend anhand einer technisch bedeutenden Reaktion (elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen) evaluiert.
Um die Flexibilität einer kontinuierlichen und modularen Pilotanlage durch Echtzeit- Qualitätskontrolle zu fördern, wurde ein vollständig automatisiertes Online- NMR-Modul entwickelt. Der Einsatz eines kommerziellen Niederfeld-NMR-Geräts im industriellen Umfeld wurde durch die entwickelten Lösungen der automatisierten Datenanlyse sowie durch ein zertifiziertes Sicherheitskonzept für den Betrieb in explosionsgefährdeten Zonen ermöglicht. Neben der Überwachung der Produktqualität wurden Online-NMR-Daten in einem neuen iterativen Optimierungsansatz zur Maximierung des Anlagenertrags eingesetzt und dienten als zuverlässige Referenz für die Kalibrierung eines Nahinfrarot-Spektrometers.
Für die Entwicklung einer robusten Datenauswertung der NMR-Spektren, die dem Anspruch der Flexibilität bei Produktwechseln genügt, wurden zunächst Versuche im Labormaßstab durchgeführt, um eine Datenbasis zu schaffen. In diesen Versuchen wurden die aromatischen Amine Anilin, p-Toluidin und p-Fluoranilin mit o-Fluornitrobenzol gekoppelt. Durch Zugabe einer Organolithium-Verbindung (Li- HMDS) findet ein Protonenaustausch zwischen dem primären Amin und Li-HMDS statt. Dies führt zu einer hohen Reaktionsenthalpie und instabilen Aryllithium-Verbindungen. Die Reaktionen wurden hinsichtlich anfallender Zwischenprodukte mittels Hochfeld-NMR-Spektroskopie analysiert.
Nachfolgend wurden die Reaktionen sowohl im Semi-Batch-Verfahren als auch im kontinuierlichen Laborbetrieb mit Online-Niederfeld-NMR-Spektroskopie und Online- Hochfeld-NMR-Spektroskopie untersucht. Da die gemessenen NMR-Spektren besonders im aromatischen Spektralbereich hohe Signalüberlappungen der Reaktanden aufweisen, wurden chemometrische Modelle entwickelt und anhand der Hochfeld-NMR-Methode validiert. Die verwendeten Durchflusszellen für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie wurden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für quantitative Messungen im kontinuierlichen Durchfluss untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Messungen mit einer additiv gefertigten Keramikdurchflusszelle prinzipiell möglich sind.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der hauptsächlich aus Beton- und Mauerwerkbruch besteht. Dabei nehmen die Verwertungs- und Recyclingquoten bei den bereits etablierten herkömmlichen Einsatzgebieten für aufbereitete Bau- und Abbruchabfälle mit zunehmender Heterogenität des Materials ab. Ein höherwertiges Recycling mit dem Ziel das aufbereitete Material beispielsweise in Betonprodukten einzusetzen erfolgt heute in Deutschland lediglich im Rahmen von Pilotprojekten. So können die groben Körnungen des Betonbruchs als rezyklierte Gesteinskörnung im Beton eingesetzt werden. Besonders eingeschränkte Verwertungsmöglichkeiten liegen für Mauerwerkbruch vor, einem Gemisch aus Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Mörtel, Natursteinen und anderen mineralischen Bestandteilen. Die Ursache hierfür ist neben der heterogenen Zusammensetzung des Materials auch dessen feine Kornverteilung, die durch den bei der mechanischen Aufbereitung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Gemischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfraktionen ein bewährter Ansatz. Während Metalle mittels Band- und Wirbelstromabscheidern und leichte Fremdbestandteile über Windsichtung und Dichtesortierung ausgetragen werden können, ist eine Trennung der Materialien Ziegel, Mörtel und Beton, insbesondere für die feinen Fraktionen, derzeit technologisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar.
Ein rohstoffliches Recycling dieser heterogen zusammengesetzten Abfälle unter Nutzung ihrer chemisch-mineralogischen Zusammensetzung ohne eine vorherige Trennung in die einzelnen Materialfraktionen bietet sich als Alternative an. Ergebnisse zur Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch und Tonen in einem thermischen Prozess ähnlich der Blähtonherstellung wurden bereits mehrfach veröffentlicht. Diese Recycling-Granulate (RCG) könnten unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.