6 Materialchemie
Filtern
Dokumenttyp
Schlagworte
- Luftgekoppelte Ultraschallprüfung (6)
- Phased Array (6)
- Ferroelektret (4)
- Thermoakustik (4)
- Ultraschallwandler (4)
- Absorption edge tomography (3)
- MOF (3)
- Magnetostriktive Beschichtung (3)
- Rhodamine B (3)
- Solution doping (3)
Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (40) (entfernen)
Paper des Monats
- ja (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (16)
Absorption edge tomography, also known as differential tomography at absorption edges, is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. Synchrotron radiation is the best source for absorption edge tomography, because of its small bandwidth, high intensity and easily adjustable photon energy. The synchrotron beamline BAMline at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin, which is operated by the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), provides a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%, when the double multilayer monochromator is used. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography with submicron resolution at the K edge of the elements from chromium up to the lanthanides, and up to uranium, when the L edges are used as well.
In this work, metal organic frameworks (MOFs) embedded in polymer are characterized using differential tomography. MOFs are microporous structures of metal ions, coordinated by organic linker molecules, that can be used in a broad field of applications, especially in gas storage and catalysis. In this work, polymer embedded MOFs were extruded into filaments, which could be used for 3d-printing to profit from the specific properties of the MOFs in polymeric materials combined with the arbitrary shapes provided by 3d-printing. For the extrusion, different polymer classes like ABS, polyester- and polyetherurethanes, as well as different MOFs (ZIF-8, ZIF-67, HKUST-1) were used to create MOF containing filaments with a nominal diameter of 3.0 mm. Differential tomography at the edges of the Zn, Co, and Cu was then used to find the distribution of the corresponding MOF in the filament and to analyze the shape of the inclusions.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
The CLEAN ENERGY Flagship is an initiative designed to utilize recent game changing developments in digital, materials and manufacturing technologies to catalyze a radical paradigm shift towards clean, reliable, efficient and cost-optimal energy.
Unifying and drastically accelerating radically new energy material design, processing and integration across the entire value chain addressing energy production, conversion, storage and systems.
CLEAN ENERGY participants are all distinguished research organisations that each benefit from their own industry networks and contacts with regions and state-level activities and have a long history of collaborating with each other (for 10 years now under the umbrella of EERA) within a European collaborative framework.
Through EERA, CLEAN ENERGY aims to become a crucial partner in the SET-Plan, supporting long-lasting approaches through its established networks and internal collaborations.
With increasing demand and environmental concerns, researchers are exploring new materials that can perform as well or better than traditional materials while reducing environmental impact. The BAMline, a real-life sample materials research beamline, provides unique insights into materials’ electronic and chemical structure at different time and length scales. The beamline specializes in x-ray absorption spectroscopy, x-ray fluorescence spectroscopy, and tomography experiments. This enables real-time optimization of material properties and performance for various applications, such as energy transfer, energy storage, catalysis, and corrosion resistance. This paper gives an overview of the analytical methods and sample environments of the BAMline, which cover non-destructive testing experiments in materials science, chemistry, biology, medicine, and cultural heritage. We also present our own synthesis methods, processes, and equipment developed specifically for the BAMline, and we give examples of synthesized materials and their potential applications. Finally, this article discusses the future perspectives of the BAMline and its potential for further advances in sustainable materials research.
Rund ein Jahr haben DIN und DKE in einem gemeinsamen Projekt mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und zusammen mit ca. 300 Fachleuten aus Wirtschaft, Wissenschaft, öffentlicher Hand und Zivilgesellschaft an der Normungsroadmap Künstliche Intelligenz gearbeitet. Eine hochrangige Steuerungsgruppe unter dem Vorsitz von Prof. Wolfgang Wahlster hat die Erarbeitung koordiniert und begleitet.
Ziel der Roadmap ist die frühzeitige Entwicklung eines Handlungsrahmens für die Normung und Standardisierung, der die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft unterstützt und europäische Wertmaßstäbe auf die internationale Ebene hebt.(...)
One of the biggest problems in high-voltage silicone rubber insulation cable accessories is the damage on electrical treeing, initiated by partial discharges. The electrical treeing starts at unavoidable imperfections inside the material or at interfaces. The damage is usually irreversible and leads around the starting points to a partial destruction of the material. To prolong the lifetime and thereby to increase the assurance of the structural component commonly, for mechanical improvement constituted filler is modified to obtain a self-healing silicone rubber. Damage mechanism is analysed to address the filler to the damage mode.
Fluorometric sensing is a versatile approach for trace analysis outside of the laboratory, requiring suitable sensor materials and their integration into sensing devices. The versatility of fluorophores as probes, especially in terms of the possibility to tailor their optical as well as their recognition properties by synthetic modifications in a wide range, renders them as superior active component for the preparation of optical sensing devices. Recent works at BAM in this field include, for example, the detection of nerve gas agents, illustrating impressively the aforementioned benefits of fluorophores in optical sensing applications.
In the interdisciplinary project presented here, we target hazardous gases such as ammonia, benzene, and hydrogen sulfide, next to others, which pose a major threat to human health and environmental safety and for which the availability of a sensitive and reliable detection method is highly desirable. The dyes presented follow a “turn-on” fluorescence schematic, which allows for the selective and sensitive detection of the respective gaseous analyte. The immobilization of the probe in polymeric matrices is then the next step toward the fabrication of a prototype device for molecular sensing. Further steps in the project include the assembly of instruments for test-atmosphere generation, the referencing of the sensor system, development and implementation of an optical setup, and the testing of the prototype device under laboratory conditions and in the field.
In this presentation, we give an overview over the recent developments on this topic in our groups. Highlights are hydrogen sulfide sensitive, BODIPY based transition metal complexes, which allow for a sensitive as well as selective detection of the toxic gas. In addition, we present a novel class of highly substituted BODIPY derivatives – pocket-BODIPYs – which are of a synthetically high versatility and can readily be modified to create pockets in the periphery of the molecule of defined geometries. This is illustrated on the successful encapsulation of benzene by a pocket-BODIPY derivative, confirmed by X-ray crystallographic analysis as well as by further spectroscopic and analytical methods.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
The in-situ monitoring of electrochemical deposition (ECD) processes is still a challenge regarding the measurement of the effective temperature of the substrate and the formation of mechanical stress in the layer under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated fiber Bragg grating (FBG) to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain is described for a nickel-iron electrolyte.
The lack of on-line validation procedures for structure-embedded fiber-optical strain sensors, in particular fiber-Bragg-gratings (FBG), resulted in limited applications in structural health monitoring (SHM). Degradation under service conditions and ageing as a result of climatic influences or delamination under load were unsolved Validation issues. This could be overcome by means of an auto-diagnosis procedure based on FBG-sensors coated by electrochemical deposition (ECD) with a magnetostrictive NiFe-coating on top of an adhesive Cu/Cr adhesive layer deposited by physical vapour deposition (PVD) around the FBG strain sensor. This allows at any time under Service a validation of sensor functionality, stability, and reliability. For this purpose, a magnetic strain-proportional reference field is introduced. The optical read-out is realized by the measurement of the Bragg-wavelength shift.
The ratio of resulting strain and exciting magnetic reference field should be constant given that the sensor is in proper function.
In principle, the magnetostrictive coating around the FBG should also work as on-line magnetic field sensor and other applications in material science. One of these applications is the in-situ monitoring of ECD processes as the deposition of the ECD NiFe-layer on the FBG revealed. Challenges are the monitoring of temperature, deposition
stages/thickness, and resulting mechanical stress under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated FBG to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain are described for a nickeliron
electrolyte. The in-situ measurement of Bragg wavelength shifts of a pre-coated FBG during electrochemical deposition allows a detailed analysis of stress states due to changes in the growth morphology of the layer. The separation of mechanical and thermal contributions to this shift provides information on the individual Deposition processes in terms of a process fingerprint.
The development of more powerful and more efficient lithium-ion batteries (LIBs) is a key area in battery research, aiming to support the ever-increasing demand for energy storage systems. To better understand the causes and mechanisms of degradation, and thus the diminishing cycling performance and lifetime often observed in LIBs, in operando techniques are essential, because battery chemistry can be monitored non-invasively, in real time. Moreover, there is increasing interest in developing new battery chemistries. Beyond LIBs, sodium ion batteries (NIBs) have gained increasing interest in recent years, as they are a promising candidate to complement LIBs, owing to their improved sustainability and lower cost, while still maintaining high energy density.[1] Initial phases of NIB commercialisation have occurred in the past year. However, for the widespread commercialisation of NIBs, there are still challenges that need to be overcome in developing optimized electrode materials and electrolytes. For the development of such materials and greater understanding of sodium storage mechanisms, solid electrolyte interface (SEI) formation and stability, and degradation processes, in operando methodologies are crucial.
Among the techniques available for in operando analysis, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and imaging (MRI) are becoming increasingly used to characterize the chemical composition of battery materials, study the growth and distribution of dendrites, and investigate battery storage and degradation mechanisms. In situ and in operando 1H, 7Li and 23Na NMR and MRI have recently been used to study LIBs and NIBs, identifying chemical changes in Li and Na species respectively, in metallic, quasimetallic and electrolytic environment as well as directly and indirectly studying dendrite formation in both systems.[2-4] The ability of NMR and MRI to probe battery systems across multiple environments can further be complemented by the enhanced spatial resolution of micro-computed X-ray tomography (μ-CT) which can provide insight into battery material microstructure and defect distribution.
Here, we report in operando 1H and 7Li NMR and MRI experiments that investigate LIB performance, and the identification of changes in the Li signal during charge cycling, as well as the observation of signals in both 1H and 7Li NMR spectra that we attribute to diminishing battery performance, capacity loss and degradation. Additionally, recent operando methodology are adapted and implemented to study Sn based anodes in NIBs. 23Na spectroscopy is performed to monitor the formation and evolution of peaks assigned to stages of Na insertion into Sn, while 1H MRI is used to indirectly visualize the volume expansion of Sn anodes during charge cycling. Battery operation and degradation is further explored in these NIBs, using μ-CT, where the anode is directly visualized to a higher resolution and the loss of electrolyte in the cell, during cycling is observed
We present an in situ triple coupling of synchrotron X-ray diffraction with Raman spectroscopy, and thermography to study milling reactions in real time. This combination of methods allows a correlation of the structural evolution with temperature information. The temperature information is crucial for understanding both the thermodynamics and reaction kinetics. The reaction mechanisms of three prototypical mechanochemical syntheses, a cocrystal formation, a C@C bond formation (Knoevenagel condensation), and the formation
of a manganese-phosphonate, were elucidated. Trends in the temperature development during milling are identified. The heat of reaction and latent heat of crystallization of the product contribute to the overall temperature increase. A decrease in temperature occurs via release of, for example, water as a byproduct.
Solid and liquid intermediates are detected. The influence of the mechanical impact could be separated from temperature effects caused by the reaction.
The microstructure of an apatite-wollastonite (code name AP40) glass-ceramic is analyzed in this study by combining 2D microscopy, phase analysis, X-ray absorption and synchrotron X-ray refraction computed tomography (XCT and SXRCT, respectively). It is shown that this combination provides a useful toolbox to characterize the global microstructure in a wide scale range, from sub-micrometer to millimeter. The material displays a complex microstructure comprising a glassy matrix with embedded fluorapatite and wollastonite small crystals. In this matrix, large (up to 200 μm) spike-shaped structures are distributed. Such microstructural features are oriented around a central sphere, thereby forming a structure resembling a sea urchin. A unique feature of SXRCT, in contrast to XCT, is that internal interfaces are visualized; this allows one to show the 3D distribution of these urchins with exceptionally good contrast. Furthermore, it is revealed that the spike-shaped structures are not single crystals, but rather composed of sub-micrometric crystals, which are identified as fluorapatite and diopside phases by SEM-EDX analysis.
Mechanochemically synthesized metal–organic Framework material HKUST-1 in combination with acrylonitrile butadiene styrene polymer was used to form a polymer metal–organic framework composite material by a simple extruder.
This composite filament was used for 3D printing. Xray diffraction measurements were used to prove the homogeneous distribution of the metal–organic framework in the polymer on a centimeter scale, whereas X-ray Absorption Edge Tomography using a synchrotron radiation source was able to evaluate the 3D distribution of the metal–organic framework material both in the filament and the resultant printed sample with a resolution of a few lm. Our very first data indicate that, apart from a few clusters having significantly higher Cu concentration, HKUST-1 is distributed homogeneously down to the 100 lm length scale in both polymer bulk materials in the form of clusters with a size of a few lm. Absorption Edge Tomography in combination with data fusion also allows for the calculation of the metal–organic framework amount located on the external polymer surface.
Multi-functional coatings are a key requirement for surface engineering. General demands are adhesion and long-term stability under service conditions. The modification of surfaces by means of PVD-, ECD- or hybrid processes allows an add-on functionalization of surfaces by a huge diversity of materials with both lateral and vertical micro-/nano-designs. This fact is a prerequisite for micro- and sensor-systems in lab-on-chip and sensor-on-chip technology. Two layer-based sensor principles are presented, i.e. surface plasmon resonance enhanced spectroscopic ellipsometry (SPREE) for detection of hazardous gases and magneto-optical sensors on smart-coated fiber Bragg gratings (FBG) for structural health monitoring (SHM).
The interdependence of substrate features, coating properties, and layer design is discussed firstly for gas sensitivity and selectivity of SPREE-sensors and secondly for sensitivity and selectivity of magneto-strictive coatings to mechanical strain or external magnetic fields resulting in an optical displacement of the Bragg wavelength of FBG-sensors. Moreover, generic features such long-term stability, crucial process-related fabrication conditions, and effects of operational and environmental parameters are discussed with respect to the sensor performance. It has been shown that appropriate layer design and adapted selection of layer materials (SnOx/Au, Fe/Ni:SnOx/Au; Ni/NiFe-Cu-Cr) result in improved sensor parameters and may enable new sensor applications.
Wood treated with nano metal fluorides is found to resist fungal decay. Sol−gel synthesis was used to synthesize MgF2 and CaF2 nanoparticles. Electron microscopy images confirmed the localization of MgF2 and CaF2 nanoparticles in wood. Efficacy of nano metal fluoride-treated wood was tested against brown-rot fungi Coniophora puteana and Rhodonia placenta. Untreated wood specimens had higher
mass losses (∼30%) compared to treated specimens, which had average mass loss of 2% against C. puteana and 14% against R. placenta, respectively. Nano metal fluorides provide a viable alternative to current wood preservatives.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. aWährend die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Frass (fine powdery refuse or fragile perforated wood produced by the activity of boring insects) of larvae of the European house borer (EHB) and of drywood termites was tested as a natural and novel feedstock for 3D-printing of wood-based materials. Small particles produced by the drywood termite Incisitermes marginipennis and the EHB Hylotrupes bajulus during feeding in construction timber, were used. Frass is a powdery material of particularly consistent quality that is essentially biologically processed wood mixed with debris of wood and faeces. The filigree-like particles flow easily permitting the build-up of woodbased structures in a layer wise fashion using the Binder Jetting printing process. The Quality of powders produced by different insect species was compared along with the processing steps and properties of the printed parts. Drywood termite frass with a Hausner Ratio HR = 1.1 with ρBulk = 0.67 g/cm3 and ρTap = 0.74 g/cm3 was perfectly suited to deposition of uniformly packed layers in 3D printing. We suggest that a variety of naturally available feedstocks could be used in environmentally responsible approaches to scientific material sciences/additive manufacturing.
Solution doping of off-the-shelf plastic optical fibers (POFs) represents rather simple and cheap way for preparing custom cladding-doped POFs (CD-POFs) with short to medium lengths. CD-POFs are especially attractive for environmental sensing applications, but might be of interest for illumination task as well. In this work, the proposed doping technique is tested with three different commercial low-cost polymethyl methacrylate (PMMA) POFs; Eska CK-40 and Eska GK-40 from Mitsubishi Rayon and Raytela PGU-FB1000 from Toray. The aim of the work is to aid the selection of the most suitable fiber yielding highest optical quality of prepared CD-POFs. Firstly, the optimal doping times are determined for the individual fiber types using short fiber samples. Secondly, longer 10 m CD-POFs are prepared from all tested fibersusing the optimized doping procedure. Finally, attenuation of pristine POFs and prepared CD-POFs is measured using optical time domain reflectometry in order to characterize the impacts of the doping on fiber optical properties. In addition, the importance of post-doping drying procedure for CD-POF optical performance is investigated as well. The results suggest that, although doping of all tested fibers is generally feasible, Eska CK-40 is the most suitable candidate with regard to the Doping efficiency and fiber post-doping performance.
Solution doping of off-the-shelf plastic optical fibers (POFs) represents rather simple and cheap way for preparing custom cladding-doped POFs (CD-POFs) with short to medium lengths. CD-POFs are especially attractive for environmental sensing applications, but might be of interest for illumination task as well. In this work, the proposed doping technique is tested with three different commercial low-cost polymethyl methacrylate (PMMA) POFs; Eska CK-40 and Eska GK-40 from Mitsubishi Rayon and Raytela PGU-FB1000 from Toray. The aim of the work is to aid the selection of the most suitable fiber yielding highest optical quality of prepared CD-POFs. Firstly, the optimal doping times are determined for the individual fiber types using short fiber samples. Secondly, longer 10 m CD-POFs are prepared from all tested fibers using the optimized doping procedure. Finally, attenuation of pristine POFs and prepared CD-POFs is measured using optical time domain reflectometry in order to characterize the impacts of the doping on fiber optical properties. In addition, the importance of post-doping drying procedure for CD-POF optical performance is investigated as well. The results suggest that, although doping of all tested fibers is generally feasible, Eska CK-40 is the most suitable candidate with regard to the doping efficiency and fiber post-doping performance.
Solution doping of commercial polymethyl methacrylate (PMMA) polymer optical fibers (POFs) is presented as a novel approach for preparation of custom cladding-doped POFs (CD-POFs). The presented method is based on a solution-mediated diffusion of dopant molecules into the fiber cladding upon soaking of POFs in a methanol-dopant solution. The method was tested on three different commercial POFs using Rhodamine B as a fluorescent dopant. The dynamics of the diffusion process was studied in order to optimize the doping procedure in terms of selection of the most suitable POF, doping time and conditions. Using the optimized procedure, longer segment of fluorescent CD-POF was prepared and its performance was characterized. Fiber’s potential for sensing and illumination applications was demonstrated and discussed. The proposed method represents a simple and cheap way for fabrication of custom, short to medium length CD-POFs with various dopants.
Synchrotron based absorption edge tomography for the analysis of 3D printed polymer embedded MOF
(2019)
Absorption edge tomography, also known as differential tomography at absorption edges, is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. Synchrotron radiation is the best source for absorption edge tomography, because of its small bandwidth, high intensity and easily adjustable photon energy. The synchrotron beamline BAMline at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin, which is operated by the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), provides a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%, when the double multilayer monochromator is used. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography with submicron resolution at the K edge of the elements from chromium up to the lanthanides, and up to uranium, when the L edges are used as well.
In this work, metal organic frameworks (MOFs) embedded in polymer are characterized using differential tomography. MOFs are microporous structures of metal ions, coordinated by organic linker molecules, that can be used in a broad field of applications, especially in gas storage and catalysis. In this work, polymer embedded MOFs were extruded into filaments, which were subsequently used for 3d-printing to profit from the specific properties of the MOFs in polymeric materials combined with the arbitrary shapes provided by 3d-printing. For the extrusion, different polymer classes like ABS, polyester- and polyetherurethanes, as well as different MOFs (ZIF-8, ZIF-67, HKUST-1) were used to create MOF containing filaments with a nominal diameter of 3.0 mm. Differential tomography at the edges of the Zn, Co, and Cu was then used to find the distribution of the corresponding MOF in the filament and to analyze the shape of the inclusions.
Absorption edge tomography is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. The beamline BAM line at BESSY II, which is operated by the Federal Institute for Materials Research and Testing, can provide a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography sensitive to any element with N >= 24 (Cr) by using an appropriate K- or L-edge in this range. Here, a polymer filament embedding metal organic framework (MOF) was prepared and used for 3D printing. Absorption edge tomography at the copper K edge was employed to perform a non-destructive 3D characterization of the microstructure of the embedded MOF. Data fusion was then used to determine the size distribution of the embedded MOF.
Absorption edge tomography is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. The beamline BAM line at BESSY II, which is operated by the Federal Institute for Materials Research and Testing, can provide a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography sensitive to any element with N >= 24 (Cr) by using an appropriate K- or L-edge in this range. Here, a polymer filament embedding metal organic framework (MOF) was prepared and used for 3D printing. Absorption edge tomography at the copper K edge was employed to perform a non-destructive 3D characterization of the microstructure of the embedded MOF. Data fusion was then used to determine the size distribution of the embedded MOF.
Fluorides are well-known as wood preservatives. One of the limitations of fluoride-based wood preservatives is their high leachability. Alternative to current fluoride salts such as NaF used in wood protection are low water-soluble fluorides. However, impregnation of low water-soluble fluorides into wood poses a challenge. To address this challenge, low water-soluble fluorides like calcium fluoride (CaF2) and magnesium fluoride (MgF2) were synthesized as nanoparticles via the fluorolytic sol−gel synthesis and then impregnated into wood specimens. In this study, the toxicity of nano metal fluorides was assessed by termite mortality, mass loss and visual analysis of treated specimens after eight weeks of exposure to termites, Coptotermes formosanus. Nano metal fluorides with sol concentrations of 0.5 M and higher were found to be effective against termites resulting in 100% termite mortality and significantly inhibited termite feeding. Among the formulations tested, the least damage was found for specimens treated with combinations of CaF2 and MgF2 with an average mass loss less than 1% and visual rating of “1”. These results demonstrate the efficacy of low water-soluble nano metal fluorides to protect wood from termite attack.
Porous ceramic diesel particulate filters (DPFs) are extruded products that possess macroscopic anisotropic mechanical and thermal properties. This anisotropy is caused by both morphological features (mostly the orientation of porosity) and crystallographic texture. We systematically studied those two aspects in two aluminum titanate ceramic materials of different porosity using mercury porosimetry, gas adsorption, electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray refraction radiography. We found that a lower porosity content implies a larger isotropy of both the crystal texture and the porosity orientation. We also found that, analogous to cordierite, crystallites do align with their axis of negative thermal expansion along the extrusion direction. However, unlike what found for cordierite, the aluminium titanate crystallite form is such that a more pronounced (0 0 2) texture along the extrusion direction implies porosity aligned perpendicular to it.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Relaxation phenomena observed in the electrical low-frequency range (approximately 1 mHz-10 kHz) of natural porous media like sandstones is often assumed to be directly related to the dominant (modal) pore throat sizes measured, for instance, with mercury intrusion porosimetry. Attempts to establish a universally valid relationship between pore size and peak Spectral Induced Polarization (SIP) relaxation time have failed, considering sandstones from very different origins and featuring great variations in textural and chemical compositions as well as in geometrical pore space properties. In addition working with characteristic relaxation times determined in Cole-Cole or Debye decomposition fits to build the relationship have not been successful. In particular, samples with narrow pore throats are often characterized by long SIP relaxation times corresponding to long “characteristic length scales” in these media, assuming that the diffusion coefficients along the electrical double layer were constant. Based on these observations, three different types of SIP relaxation can be distinguished. We present a new way of assessing complex pore spaces of very different sandstones in a multi-methodical approach to combine the benefits of mercury intrusion porosimetry, micro-computed tomography, and nuclear magnetic resonance. In this way, we achieve much deeper insight into the pore space due to the different resolutions and sensitivities of the applied methods to both pore constrictions (throats) and wide pores (pore bodies). We experimentally quantify pore aspect ratios and volume distributions within the two pore regions. We clearly observe systematic differences between three SIP relaxation types identified previously and can attribute the SIP peak relaxation times to measured characteristic length scales within our materials. We highlight selected results for a total of nine sandstones. It seems that SIP relaxation behavior depends on the size difference of the narrow pore throats to the wide pore bodies, which increases from SIP Type 1 to Type 3.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
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.
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.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps.
Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion. The components are tested non-destructively in 3D in order to localize and characterize cracks, pores, inclusions as well as other defects and their influence on the functional properties and also “in-time” during the life cycle of the material. Exsitu and in-situ experiments performed with non-destructive XCT are predestinated to follow damaging mechanisms of materials under certain load conditions, atmospheres or liquids, e.g. went through several working cycles of a functional material. By combining microtomography with other methods of magnetic and classical material characterization, unique statements about the structure and the functional properties can be made.
From the applications point of view, sometimes complex, three-dimensional geometries are needed to fully exploit the functional properties of the materials, e.g. to ensure a high surface area for heat exchange. Since many functional materials are brittle and difficult to form, shaping is often a big challenge. In principle, additive manufacturing processes offer the possibility to produce complex, porous components from poorly formable alloys.
If all stages of additive manufacturing are accompanied by X-ray tomographic imaging, the process of finding the optimal parameters for material processing can be significantly accelerated.
Based on the quality control of the initial powder material used and also investigations of the shape and arrangement of defects within the molten structure and their relationship with the melting path scanning strategy, Xray tomography has proven to be an ideal tool for additive manufacturing, even for functional materials. Overall, tomographic methods are important tools for the development of functional materials to application maturity.
Functional materials for energy conversion are important technology drivers needed for the implementation of low carbon energy. Therefore, researchers commonly focus on improving the intrinsic properties of a functional material. However, for applications, the extrinsic properties are at least as important as the intrinsic ones. Consequently, it is important to investigate and understand the external and internal structure of semi-finished products and especially defect dependent properties. The extrinsic properties may change during application and the life cycle of the material as well as through processing and molding steps. Our studies show how X-ray tomographic (XCT) investigations can contribute to structure investigations in composites and massive samples using the example of magnetic materials for energy conversion.
Direct Laser Writing (DLW) and X-ray computed tomography (XCT) both offer unique possibilities in their respective fields. DLW produces full three-dimensional (3D) polymer structures on the microscale with resolutions below 100 nm. The fabricated structures can be analysed by XCT or X-ray microscopy (XRM), which incorporates additional X-ray lenses, in three dimensions down to a minimal basic spatial resolution of about 500 nm or 50 nm, respectively. In this work, two different DLW structures are analysed via XCT. Internal defects are detected and analysed for the purpose of quality control. Defects and structures with sizes down to 1.5 µm are successfully analysed. A 3D reconstruction and internal, hidden features of the fabricated structures are shown and discussed. In a first-of-its-kind study, we demonstrate the detectability of a single-voxel line inside a fabricated structure that would not be detectable with SEM or light microscopy. Furthermore, the direct fabrication on a PET substrate is shown to overcome the high X-ray absorbance of commonly used glass substrates. Attenuation spectra of SZ2080 and glass substrates are compared to a fabrication route direct on a 170 µm PET foil. The practical aspects of XCT measurements for DLW structures on different substrates will be discussed.