5 Werkstofftechnik
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The wireless high-frequency technology requires a robust, cost-effective, and highly integrated substrate technology offering the capability for areas of tailored permittivity. The wet-chemical porosification of low temperature co-fired ceramics (LTCC) substrates offers such an approach by locally embedding air. Porosification of LTCC in both extremely acidic and alkaline media has been investigated in previous works. However, for improving the available knowledge on the porosification of LTCC with H3PO4 as a standard and a widely used etching solution, the impact of solution concentration was systematically investigated and a substantial improvement in the etching performance was achieved. Moreover, in the present study, for the first time, the intermediate pH values, and the impact of pH as a key parameter on the etching process have been investigated. For this purpose, the applicability of phosphate buffer solution (PBS) as a prospective novel etchant mixture for the porosification of a commercially available LTCC tape (Ceramtape GC) was explored. Valuable information about surface morphology, crystalline composition, and the pore structure of the etched LTCCs was gathered employing scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and mercury porosimetry measurements. Based on these findings, the performance of PBS-based etchant systems towards the generation of porous LTCCs combining high depths of porosification with acceptable surface characteristics for subsequent metallization is demonstrated. Based on the obtained results, by application of a 0.2 mol L−1 solution of PBS, the effective relative permittivity of test samples with a thickness of approximately 600 µm and a porosification depth of 186 µm from each side, could be reduced up to 10% of its initial “as fired” value. Also, based on the measurement results and by measuring the depth of porosification, the permittivity of the etched layer was estimated to show a reduction of up to 22% compared to the initial “as fired” value.
HEAs represent a relatively new class of materials. The the alloy concept is fundamentally different from the most conventional materials and alloys that are used today. Recently, the focus of HEA designs is more application-based. For that purpose, the elements of interest are carefully selected and multiple phases as well as micro-structures are deliberately adjusted. Currently, only limited attention has been paid to weldability of HEA. This encompasses possible effects on metallurgy and its influence on the desired properties. It remains open if welding causes e.g. considerable number of intermetallic phases or segregations and their effect on weld joint properties. For that reason, the scope of this study is to summarize already available studies on welding of HEAs with respect to the HEA-type, the applied welding process and its influence on the weld joint properties.
To understand the influence of water and alkalis on aluminosilicate glasses, three polymerized glasses with varying ratios of Na/K were synthesized [(22. 5-x)Na2O-xK2O-22.5 Al2O3-55 SiO2 with x = 0, 7.5, and 11.25]. Subsequently, these glasses were hydrated (up to 8 wt% H2O) in an internally heated gas pressure vessel. The density of hydrous glasses linearly decreased with water content above 1 wt%, consistent with the partial molar volume of H2O of 12 cm3/mol. Near-infrared spectroscopy revealed that hydroxyl groups are the dominant species at water content of <4 wt%, and molecular water becomes dominating at water content of >5 wt%. The fraction of OH is particularly high in the pure Na-bearing glass compared to the mixed alkali glasses. 27Al magic angle spinning-NMR spectroscopy shows that aluminum is exclusively fourfold coordinated with some variations in the local geometry. It appears that the local structure around Al becomes more ordered with increasing K/Na ratio. The incorporation of H2O reinforces this effect. The differential thermal analysis of hydrous glasses shows a significant mass loss in the range of glass transition already during the first upscan, implying the high mobility of water in the glasses. This observation can be explained by the open structure of the aluminosilicate network and by the low dissociation enthalpy of H2O in the glasses (≈ 8 kJ/mol). The effect of the dissolved H2O on the glass transition temperature is less pronounced than for other aluminosilicate glasses, probably because of the large fraction of Al in the glasses.
This chapter first gives an introduction to the concepts of SSA and volume-specific surface area (VSSA) and an outline of the BET method. It continues with a discussion of the relationship between particle size, shape, and the VSSA, followed by an overview of instrumentation, experimental methods, and standards. Finally, sections on the use of the VSSA as a tool to identify nanomaterials and non-nanomaterials and its role in a regulatory context provide some insight on the importance of VSSA in the current Regulation of nanomaterials.
Die Erzeugung von Erneuerbaren Energien unterliegt starken Schwankungen, die von konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden müssen, um das Stromnetz stabil zu halten. Für die konventionellen Kraftwerke bedeutet dies eine zunehmend zyklische Fahrweise, die zu häufigeren Last- und Temperaturwechseln führt. Von den eingesetzten Werkstoffen fehlen Daten zum Verhalten unter zyklischer Fahrweise. Ziel dieser Arbeit ist es daher, für P92, einen als Rohrleitungswerkstoff eingesetzten hochwarmfesten Stahl, zu untersuchen, welche Auswirkungen zyklische Fahrweisen auf die Schädigungsprozesse und Lebensdauern haben.
Da durch den zyklischen Betrieb eine verstärkte Schädigung durch Ermüdungsprozesse zu erwarten ist, wurden dehnungskontrollierte isotherme (LCF) und nicht-isotherme (TMF) Ermüdungsversuche mit und ohne Haltezeit bei verschiedenen Temperaturen bzw. Temperaturintervallen durchgeführt. Mit den Haltezeitversuchen soll dabei das Kriech-Ermüdungs-Verhalten untersucht werden. Bei den TMF-Versuchen wurde zusätzlich die Temperaturrate variiert, um näher an den realen Lastwechselgeschwindigkeiten zu prüfen. Schließlich wurden auf Basis der durchgeführten LCF- und TMF-Versuche betriebsnahe Versuchsprozeduren entwickelt, um unterschiedliche Betriebsmodi in einem Versuch abzubilden.
Die durchgeführten mechanischen Versuche stellen eine umfangreiche Basis zu Ermüdungsdaten an P92 dar. Neben der Abhängigkeit der Lebensdauer von Temperatur, Temperaturintervall und –rate, sowie Dehnung und Haltezeit, konnte auch das Entfestigungsverhalten genauer charakterisiert werden. Sowohl Haltezeiten als auch das Reduzieren der Temperaturrate können die Lebensdauer erheblich verringern. Dabei kommt es gerade bei vermeintlich kleinen Dehnungen, bei denen die Streckgrenze nur leicht überschritten wird, zu einer Lebensdauerreduzierung. Haltezeiten verstärken zudem die zyklische Entfestigung. Die fraktographische Analyse der Proben hat ergeben, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Entfestigung und der Bildung von Nebenrissen gibt. Stattdessen zeigen EBSD- und TEM-Untersuchungen, dass es zur Bildung einer Subkornstruktur kommt und die Entfestigung auf dem Verschwinden von Kleinwinkelkorngrenzen beruht. Während bei den LCF-Proben eine reine Ermüdungsschädigung vorliegt, konnte bei einigen TMF-Proben eine kriechdominierende Schädigung nachgewiesen werden. Die betriebsnahen Zyklen zeigen, dass sich mit den durchgeführten Versuchen das reale Betriebsverhalten gut abschätzen lässt. Da es jedoch auch Parameterkombinationen gibt, bei denen keine Änderung des Entfestigungs- und Lebensdauerverhaltens auftritt, sollte genau bekannt sein, welche Belastungen in einem Bauteil auftreten.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
Mixed ionic electronic conducting ceramics Nd6-yWO12-d (d is the Oxygen deficiency) provide excellent stability in harsh environments containing strongly reactive gases such as CO2, CO, H2, H2O or H2S. Due to this chemical stability, they are promising and cost-efficient candidate materials for gas separation, catalytic membrane reactors and protonic ceramic fuel cell technologies. As in La6-yWO12-d, the ionic/electronic transport mechanism in Nd6-yWO12-d is expected to be largely controlled by the crystal structure, the conclusive determination of which is still lacking. This work presents a crystallographic study of Nd5.8WO12-d and molybdenum-substituted Nd5.7W0.75Mo0.25O12-d prepared by the citrate complexation route. High-resolution synchrotron and neutron powder diffraction data were used in combined Rietveld refinements to unravel the crystal structure of Nd5.8WO12-d and Nd5.7W0.75Mo0.25O12-d. Both investigated samples crystallize in a defect fluorite crystal structure with space group Fm3m and doubled unit-cell parameter due to cation ordering. Mo replacesWat bothWyckoff sites 4a and 48h and is evenly distributed, in contrast with La6-yWO12-d. X-ray absorption spectroscopy as a function of partial pressure pO2 in the near-edge regions excludes oxidation state changes of Nd (Nd3+) and W(W6+) in reducing conditions: the enhanced hydrogen permeation, i.e. ambipolar conduction, observed in Mo-substituted Nd6-yWO12-d is therefore explained by the higher Mo reducibility and the creation of additional – disordered – oxygen vacancies.
Highly unrelaxed structural states of metallic glasses have often advantageous mechanical properties. Since metallic glasses continuously relax with time (age) or inherently are well relaxed after processing, methods to uniformly rejuvenate the material are needed. One approach that has received attention is the so-called cryogenic-cycling method, during which a metallic glass is repeatedly immersed into liquid nitrogen. In some cases, cryogenic cycling is truly efficient in increasing the stored excess enthalpy of metallic glasses, but it does not seem to be universally applicable to all alloys and structural states. The origins for these differences remain unclear due to our limited understanding of the underlying structural evolution. In order to shed more light onto the fundamental structural processes of cryogenic cycling, we pursue in-situ x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) to trace the atomic-scale structural dynamics of a Zr-based metallic glass in two different structural states (ribbon and bulk metallic glass). This method allows calculating the relaxation times as a function of time throughout the thermal cycling. It is found that the investigated glasses exhibit heterogeneous structural dynamics at 300 K, which changes to monotonic aging at 78 K. Cryogenic cycling homogenizes the relaxation time distribution for both structural states. This effect is much more pronounced in the ribbon, which is the only structural state that rejuvenates upon cycling. We furthermore reveal how fast atomic-scale dynamics is correlated with long-time average structural relaxation times irrespective of the state, and that the ribbon exhibits unexpected additional fast atomic-scale relaxation in comparison to the plate material. Overall, a picture emerges that points towards heterogeneities in fictive temperature as a requirement for cryogenic energy storage.
Thermoset materials characterization is often limited to solid state analytical techniques such as IR, NMR, DSC, TGA and mechanical testing. Alternatively, their off-gassing behavior can also be evaluated using GC based techniques such as TD-GC-MS, allowing this method to be applied to thermoset materials analyses such as identification, aging characterization, and formulation optimization. As an overview, common thermoset materials were evaluated by analyzing their gaseous degradation products via TGA-based pyrolysis and subsequent TD-GC-MS for the identification of representative volatile signatures. It is thereby possible to distinguish different classes of phenolic materials or cured epoxy resins, as well as their amine or anhydride curatives. Additionally, this method enabled quantification of a volatile fragment (bisphenol A, BPA) which is associated with oxidation of epoxy/amine thermoset materials. The amount of evolved BPA increased linearly with aging time and this trend exhibits linear Arrhenius behavior over the temperature range (80–125 °C) studied, in agreement with oxidation sensitivies based on oxygen consumption data. Further, TD-GC-MS was used to explore how off-gassing of residual anhydride curative from an epoxy/anhydride material depends on formulation stoichiometry. Even in formulations that theoretically contained enough epoxy to consume all anhydride (1:1 stoichiometry), an imperfect final cure state resulted in residual anhydride which could evolve from the material. For such materials, a slightly epoxy-rich formulation is required to ensure that the material contains no residual unreacted anhydride. Analysis of volatiles generated by thermal exposure is an attractive characterization approach enabling compositional analysis as well as complementary diagnostics for materials degradation.