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Complementary to Part 1 of this work, the bi-continuous microstructure of porous synthetic cordierite ceramics for filtration applications was investigated using 3D x-ray computed tomography at different resolutions. Applying both Fast Fourier Transform and a newly developed image analysis algorithm, we quantitatively evaluated porosity and pore orientation. The statistical approach allows extraction of spatially resolved or average values. Porosity values based on x-ray absorption agree with mercury intrusion measurements, while pore orientation factors agree with x-ray refraction data (Part 1 of this work), and with published crystallographic texture data.
Evaluating porosity in cordierite diesel particulate filter materials, part 1 X-ray refraction
(2013)
Bi-continuous porous ceramics for filtration applications possess a particularly complicated microstructure, with porosity and solid matter being intermingled. Mechanical, thermal, and filtration properties can only be precisely estimated if the morphology of both solid matter and porosity can be quantitatively determined. Using x-ray absorption and refraction, we quantitatively evaluate porosity and pore orientation in cordierite diesel particulate filter ceramics. Porosity values turn out to agree with mercury intrusion measurements, while pore orientation factors agree with published crystallographic texture data.
Porous microcracked ceramics under comporession: Micromechanical model of non-linear behavior
(2013)
Stressstrain curves for porous microcracked ceramics (such as aluminum titanate) under compression exhibit non-linearity, hysteresis, and a sharp increase in stiffness when changing from loading to unloading. A micromechanical model is developed that expresses these features in terms of porosity and crack density. The mentioned features are linked, in a quantitative way, to closures and frictional sliding of microcracks. The model also allows one to extract information on crack densities from stressstrain curves, which provides insight into the evolution of open, closed and sliding cracks. The model is approximate due to uncertainty factors, but its predictions are generally in agreement with the data and the information conveyed by SEM images.
Diffuse ultrasonic measurements are used to monitor progressive stress-induced damage in a number of concrete specimens. Each specimen was subjected to uniaxial compression, applied in small steps over one or several load cycles. At each step, the loading was held constant and a series of ultrasonic measurements parallel and perpendicular to the loading were obtained. The measurements were taken during both the loading and unloading phases. The time scale of the signals was chosen such that the diffuse ultrasonic regime could be recorded. Using Coda Wave Interferometry (CWI), the corresponding changes in the velocity of diffuse ultrasonic waves were monitored. The evolution of the slope of the CWI velocity-stress curve with the increased level of damage in concrete is demonstrated.
Applications of X-ray refraction to non-destructive characterization of ceramics and composites
(2013)
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter, with two main differences: 1- convex objects cause divergence (i.e., the refraction index n is smaller than 1), and 2- deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., n is near to 1). Trivially but importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks, and quantify their densities in bulk (light) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, their detectability is simply limited by the wavelength of the radiation.
We will thereby show the application of X-ray refraction 2D mapping (topography) and tomography to different sorts of problems in ceramic science and technology: 1) Sintering of SiC green bodies; 2) Porosity analysis in diesel particulate filter silicates; 3) fiber de-bonding in metal and polymer matrix composites; 4) micro-cracking of glass-precursor -eucryptite. We will see that the use of X-ray refraction analysis yields quantitative results, also directly usable in available models.
Die Computertomographie (CT) ist in der Medizin als Standardtechnik etabliert, in der zerstörungsfreien Prüfung wird sie zunehmend angewendet, in einzelnen Fällen sogar als Referenzverfahren eingesetzt. Gegenwärtig ist eine starke Zunahme von Anwendungen der CT in der Materialcharakterisierung zu verzeichnen. Zudem werden weitere moderne 3D-Techniken für werkstoffwissenschaftliche Fragestellungen genutzt, um die Mikrostruktur - auch in situ (z.B. Druck, Temperatur) - aufzuklären. Hier werden neben der konventionellen Absorptions-CT auch die Potenziale der Refraktions-CT zur Beantwortung prozesstechnischer sowie werkstofflicher Fragestellungen aufgezeigt, die ein „ganzheitliches Bild“ des jeweiligen Werkstoffs zum Ziel haben.
Die durch Brechung an Mikrostrukturen abgelenkte Röntgenstrahlung wird direkt zweidimensional abgebildet. Dazu werden Modellproben einfacher Geometrie (Fasern, Kapillaren, monodisperse Nano- und Mikropartikel) mit einem auf 50 µm kollimierten Synchrotronstrahl (20 keV) gescannt. Die nach den Regeln der geometrischen Optik an prismatischen und linsenartigen Grenzflächen abgelenkte Strahlung wird in etwa 3 Metern Entfernung von einem Flächendetektor mit 7 µm Ortsauflösung zusätzlich zu der ungestörten Resttransmission des Primärstrahls registriert. In der Abfolge der Radiogramme werden die lokalen Orientierungsänderungen der Probekörper-Grenzflächen bei deren Abtastung mit wenigen Mikrometern Schrittweite bildhaft verfolgt. Mit der hier erreichten Winkelauflösung von etwa 3 Bogensekunden (Streuvektor-Inkremente Δk = 10-3nm-1) kann bei 50 µm Ortsauflösung das Materialvolumen bezüglich innerer Grenzflächen mit Nanometer-Separation auch bei hohen Abtastraten unterhalb einer Sekunde pro Bild charakterisiert werden.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.