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Organisationseinheit der BAM
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (3)
- 1.8 Umweltanalytik (3)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (3)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (3)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (2)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 4 Material und Umwelt (1)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 5 Werkstofftechnik (1)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
Understanding the mechanical behavior of silicon nanowires is essential for the implementation of advanced nanoscale devices. Although bending tests are predominantly used for this purpose, their findings should be properly interpreted through modeling. Various modeling approaches tend to ignore parts of the effective parameter set involved in the rather complex bending response. This oversimplification is the main reason behind the spread of the modulus of elasticity and strength data in the literature. Addressing this challenge, a surface-based nanomechanical model is introduced in this study. The proposed model considers two important factors that have so far remained neglected despite their significance: (i) intrinsic stresses composed of the initial residual stress and surface-induced residual stress and (ii) anisotropic implementation of surface stress and elasticity. The modeling study is consolidated with molecular dynamics-based study of the native oxide surface through reactive force fields and a series of nanoscale characterization work through in situ threepoint bending test and Raman spectroscopy. The treatment of the test data through a series of models with increasing complexity demonstrates a spread of 85 GPa for the modulus of elasticity and points to the origins of ambiguity regarding silicon nanowire properties, which are some of the most commonly employed nanoscale building blocks. A similar conclusion is reached for strength with variations of up to 3 GPa estimated by the aforementioned nanomechanical models. Precise consideration of the nanowire surface state is thus critical to comprehending the mechanical behavior of silicon nanowires accurately. Overall, this study highlights the need for a multiscale theoretical framework to fully understand the size-dependent mechanical behavior of silicon nanowires, with fortifying effects on the design and reliability assessment of future nanoelectromechanical systems.
Die zunehmende Bedeutung von Wasserstoff als emissionsfreier Energieträger der Zukunft lässt die Anforderungen an eine technisch einwandfreie und sichere Wasserstoffspeicherung steigen. Im Mobilitätssektor kommen dabei vorwiegend Kohlefaserverbundbehälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff im Hochdruckbereich zum Einsatz, die sich durch ihre Leichtbauweise bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität auszeichnen. Materialfehler oder -ermüdung können jedoch zum Ausfall bis hin zum kritischen Versagensfall führen. Ein sicherer Betrieb der Behälter erfordert daher ein innovatives und zuverlässiges Konzept, um deren Integrität zu gewährleisten und folgenschwere Zwischenfälle zu vermeiden.
Die Strukturüberwachung mittels geführter Ultraschallwellen ist dafür einer der prominentesten Ansätze, da sich die Wellen über große Entfernungen in der Struktur ausbreiten können und zudem sehr empfindlich auf kleinste Materialdefekte reagieren.
In diesem Beitrag wird der Aufbau eines Sensornetzwerks zur Schadenserkennung und -lokalisierung vorgestellt, das auf den Prinzipien der Ausbreitung geführter Ultraschallwellen in Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen basiert. Dazu werden in einem ersten Schritt das dispersive und multimodale Ausbreitungsverhalten analysiert und dominante Wellenmoden identifiziert. Basierend auf der Analyse werden Dämpfungsverhalten und Empfindlichkeit gegenüber künstlichen Defekten bestimmt. Unter Verwendung der ermittelten Informationen wird ein Sensornetzwerk bestehend aus piezoelektrischen Flächenwandlern entworfen, welches den zu untersuchenden Bereich vollständig abdecken soll. Das Ergebnis wird anschließend durch Aufbringen künstlicher Defekte experimentell evaluiert und präsentiert.