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- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (1)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (1)
- 6.3 Strukturanalytik (1)
- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (1)
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Erstmals wurden MMCs mit Hilfe der Interface-Kontrast verstärkenden Röntgen-Refraktions-Technik in Kombination mit der 3D-CT-Technik untersucht. Die Methode der Röntgen-Refraktions-Topography sowie der Röntgen-Refraktions-Tomography wurden in den letzten Jahren speziell für die zerstörungsfreie Charakterisierung von Leichtbau-Hochleistungs-Werkstoffen wie Verbund-Werkstoffen und Keramiken entwickelt. Die Technik basiert auf der Refraktion von Röntgenlicht an Grenzflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Elektronendichte wie z.B. Faser- und Matrix-Werkstoff. Auf Grund der kurzen Röntgen-Wellenlänge hat der Brechungsindex einen Wert dicht bei eins, sodass der Streuwinkel nur wenige Bogenminuten beträgt. Der Vorteil der kurzen Wellenlänge besteht jedoch darin, dass Poren und Risse detektiert werden können, deren Größe im Nanometerbereich liegen. Damit kann die Refraktions-Technik zum besseren Verständnis von Mikro- und Submikro-Strukturen in der Materialwissenschaft eingesetzt werden. Mit der hier vorgestellten Refraktions-CT wurden Ermüdungsmechanismen an MMCs, bestehend aus SiC-Faser verstärktem Titan (Ti6242) untersucht. Die Messungen wurden am Röntgen-Messplatz der BAM (BAMline) am Synchrotron-Speicherring-BESSY in Berlin Adlershof durchgeführt.
The first hard x-ray beamline at BESSY II has been installed by BAM and PTB at a superconducting 7 T wavelength shifter. The main optical elements of the beamline are a double-multilayer monochromator and a double-crystal monochromator. Depending on the application, the two devices are used separately or in-line. The main applications of the monochromatic radiation with photon energies up to 60 keV are x-ray fluorescence analysis, micro computed tomography, x-ray topography, detector calibration and reflectometry. Calculable undispersed radiation up to 200 keV is available for radiometric applications.
The employment of synchrotron radiation for refraction topography of materials has considerable advantages over standard x-ray sources. The much higher beam intensity and the parallel and monochromatic radiation provide faster measurements and better angular and spatial resolution. X-ray refraction techniques image the inner surface and interface concentration of micro-structured materials. This effect of x-ray optics is additional to small-angle scattering by diffraction, when the scattering objects reach micrometre dimensions. We have developed x-ray refraction techniques within the last decade in order to meet the growing demands for improved non-destructive characterization of high-performance composites, ceramics and other low-density materials. Sub-micron particle dimensions, the pore size of ceramics, the crack density distribution and single fibre debonding within damaged composites can be measured and visualized by computer-generated interface topographs. For this purpose investigations are now being performed at the new hard x-ray beamline of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) at BESSY, Berlin. This BAMline provides monochromatic radiation of photon energies from 5 to 60 keV from a double multilayer and/or a double-crystal monochromator. A separate instrument is dedicated to the further development and application of synchrotron radiation refraction (SRR) topography. Different from conventional small-angle scattering cameras with collimating slits and pinholes, scattering angles down to a few seconds of arc are selected by a single-crystal analyser, similar to a Bonse-Hart diffractometer. A 20 µm spatial resolution of the scattering micro-structures is achieved by a CCD camera with a fluorescent converter. First SRR topographs of aircraft composites [carbon fibre-reinforced plastics (CFRP), carbon fibre-reinforced ceramics (C/C), metal matrix ceramics (MMC)] will be reported.
The use of high brilliance and partial coherent synchrotron light for radiography and computed tomography (CT) allows to image micro-structured, multi-component specimens with different contrast modes and resolutions up to submicrometer range. This is of high interest for materials research, life science and non-destructive evaluation applications. An imaging setup for microtomography and radiography installed at BESSY II (a third generation synchrotron light source located in Berlin, Germany) as part of its first hard X-ray beamline (BAMline) can now be used for absorption, refraction as well as phase contrast dedicated to inhouse research and applications by external users. Monochromatic synchrotron light between 6 keV and 80 keV is attained via a fully automated double multilayer monochromator. For imaging applications the synchrotron beam transmitted by the sample is converted with a scintillator into visible light. By use of microscope optics this luminescence image is then projected onto, e.g., a CCD chip. Several scintillating materials are used in order to optimise the performance of the detector system. Different optical systems are available for imaging ranging from a larger field of view and moderate resolutions (macroscope up to 14 mm x 14 mm field of view) to high resolution (microscope down to 0.35 μm pixel size), offering magnifications from 1.8× to 40×. Additionally asymmetric cut Bragg crystals in front of the scintillator can be used for a further magnification in one dimension by a factor of about 20. Slow and fast cameras are available, with up to 16 bit dynamic range. We show the suitability of the setup for numerous applications from materials research and life science.
Analyser-based imaging expands the performance of X-ray imaging by utilizing not only the absorption properties of X-rays but also the refraction and scatter rejection (extinction) properties. In this study, analyser-based computed tomography has been implemented on imaging an articular cartilage sample, depicting substructural variations, without overlay, at a pixel resolution of 3.6 µm.
X-ray refraction topography techniques are based on ultra-small angle scattering by micro-structural elements causing phase-related effects such as refraction and total reflection at a few minutes of arc as the refractive index of X-rays is nearly unity. The refraction contrast is several times higher than true absorption and results in images of cracks, pores and fibre debonding separations below the spatial resolution of the detector. In most cases the investigated inner surface and interface structures correlate to mechanical properties. For the exploration of micro structured materials the refraction technique has been improved by a 3D Synchrotron Refraction Computed Tomography test station. The specimen is placed in an X-ray beam between two single crystals, which suppresses all sample scattering. In addition, an asymmetric cut second crystal can magnify the image up to 50 times revealing nano meter resolution. The technique is an alternative to other attempts on raising the spatial resolution of CT machines.
Ein effektives Wassermanagement ist ein wichtiger Aspekt in der Entwicklung von Brennstoffzellen hinsichtlich Langzeitstabilität und Optimierung der Leistungsfähigkeit. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Gasdiffusionslage, die für die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase auf die elektrochemisch aktive Schicht (Katalysator) sorgen soll. In diesem Beitrag werden gemeinsame Forschungsaktivitäten des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (Entwicklung bildgebender Verfahren) sowie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW, Entwicklung von Brennstoffzellen) vorgestellt. Im Rahmen dieser Kooperation werden die Entstehung, die Verteilung und der Transport von flüssigem Wasser, kurz das Wassermanagement, unter Betriebsbedingungen untersucht. Mittels Synchrotronradiografie und -tomografie werden kleinste Wassercluster in der Gasdiffusionslage detektiert. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Modifikation und einer gezielten Auswahl der eingesetzten Materialien.
Synchrotron-Refraktions-Computertomografie - eine neue Methode zur Erkennung von Grenzflächen
(2008)
Röntgenstrahlung eignet sich besonders gut zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Werkstoffen. Mit ihrer Hilfe lassen sich z. B. Risse und Poren in Werkstoffen erkennen. Die Risserkennbarkeit ist jedoch von der Rissgröße im Vergleich zum Auflösungsvermögen des Detektors abhängig. Risse, Poren oder Einschlüsse können in Radiogrammen nur dann erkannt werden, wenn sie größer sind als das Detektorelement, das die Röntgenstrahlen registriert. Das hier vorgestellte neuartige Synchrotron-Refraktions-Computertomografie-Verfahren ist jedoch in der Lage, auch Risse zu erkennen, deren Größe weit unterhalb des Auflösungsvermögens des Detektors liegt. Das Verfahren basiert auf dem bisher wenig genutzten Phänomen der Kleinwinkelstreuung durch Brechung von Röntgenstrahlen an den inneren Grenzflächen mikroskopisch strukturierter Objekte. Durch den Vergleich zwischen absorptionsbasierter und refraktionsbasierter Computertomografie-Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung an einer geschädigten Faserverbundprobe wird das Potenzial der Synchrotron-Refraktions-Computertomografie demonstriert.