6 Materialchemie
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Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (42)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (11)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (10)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (10)
- 7 Bauwerkssicherheit (8)
- 7.4 Baustofftechnologie (8)
- 6.7 Materialsynthese und Design (7)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (5)
- 6.3 Strukturanalytik (4)
- 9 Komponentensicherheit (4)
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile wie z.B. das Verbinden schwieriger Materialklassen, geringe thermische Belastung (Strukturveränderung/-schwächung) der Fügepartner und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen ist dabei ebenfalls vielfältig. Einige Polymere weisen darüber hinaus Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Klebverbindungen erschweren. Mittels Oberflächenbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. –aktivierung, können die Grenzflächern solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteilpartner – optimiert werden. Schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften sind somit erforderlich.
Das Messprinzip Centrifugal Adhesion Testing Technologie verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße des zu testenden Verbunds, die durch Variation der Drehzahl gesteuert wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich ein aufgeklebter Prüfstempel vom Substrat. Zeitgleich wird ein positionsbezogenes IR-Signal aus dem drehenden Rotor an das Basisgerät gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2, ISO 4624 sowie DIN EN 13144.
Die Multiprobentestung ermöglicht schnelle Charakterisierungen von Klebverbindungen. So kann der Effekt einer Plasmabehandlung von Bauteilen auf die Verbundfestigkeit zeitsparend bestimmt werden. Die gezielte Veränderung unterschiedlicher Plasma-Parameter, wie beispielsweise, die Plasmazusammensetzung, der Abstand vom Plasmabrenner zur Oberfläche oder die Verweildauer unter dem Brenner, beeinflußt die Festigkeit des Klebsystems und ist dem LUMiFrac direkt quantifizierbar.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Geometrien, werden vorgestellt. Ferner werden verschiedene festigkeitsbeeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung untersucht
The industrial use of ultrashort laser pulses has made considerable progress in recent years. The reasons for this lie in the availability of high average powers at pulse repetition rates in the several 100 kHz range. The advantages of using ultrashort laser pulses in terms of processing precision can thus be fully exploited. However, high laser intensities on the workpiece can also lead to the generation of unwanted X-rays. Even if the emitted X-ray dose per pulse is low, the accumulated X-ray dose can become significant for high-repetition-rate laser systems so that X-ray exposure safety limits must be considered. The X-ray emission during ultrashort pulse laser processing was investigated for a pulse duration of 925 fs at 1030 nm wavelength and 400 kHz repetition rate. Industrially relevant materials such as steel,aluminum and glass were treated. Tungsten served as reference. X-ray spectra were recorded, and X-ray dose measurements were performed for laser treatment in air. For laser intensities > 2 × 10^13 W/cm2, X-ray doses exceeding the regulatory exposure limits for members of the public were found. Suitable X-ray protection strategies are proposed.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
During the energy transformation from fossil fuels to renewable energy sources, the use of hydrogen as fuel and energy storage can play a key role. This presents new challenges to industry and the scientific community alike. The storage and transport of hydrogen, which is nowadays mainly realized by austenitic stainless steels, remains problematic, which is due to the degradation of mechanical properties and the possibility of phase transformation by hydrogen diffusion and accumulation. The development of materials and technologies requires a fundamental understanding of these degradation processes. Therefore, studying the behavior of hydrogen in austenitic steel contributes to an understanding of the damage processes, which is crucial for both life assessment and safe use of components in industry and transportation. As one of the few tools that is capable of depicting the distribution of hydrogen in steels, time-of-flight secondary ion mass spectrometry was conducted after electrochemical charging. To obtain further information about the structural composition and cracking behavior, electron-backscattered diffraction and scanning electron microscopy were performed. Gathered data of chemical composition and topography were treated employing data fusion, thus creating a comprehensive portrait of hydrogen-induced effects in the austenite grade AISI 304L. Specimens were electrochemically charged with deuterium instead of hydrogen. This arises from the difficulties to distinguish between artificially charged hydrogen and traces existing in the material or the rest gas in the analysis chamber. Similar diffusion and permeation behavior, as well as solubility, allow nonetheless to draw conclusions from the experiments.
Unwanted X-ray emission in ultrashort pulse laser processing: From metallic to biological materials
(2023)
X-rays can be generated as an unwanted side effect during ultrashort pulse laser material processing of technical work pieces and even biological samples with laser intensities above 10^13 W/cm^2. First studies demonstrate the need to address this effect in industrial as well as in medical applications. This secondary hazard should be considered in work safety and risk assessment.
Stone deterioration is the result of a complex interaction of external physical, chemical and biological forces with the mineralogical-petrophysical properties of the stone. With a better understanding of how these properties are linked to material behavior and durability, more effective measures for stone conservation can be developed. Studying these interactions in tuff is particularly complex due to the naturally high heterogeneity of tuff rocks.
The first aim of a current research project is to combine the results of recent and older studies on tuff deterioration. Furthermore, the literature overview is complemented by our own investigation of Weibern and Ettringen tuff, with a focus on pore structure characteristics.
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.
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.
The European Commission's recommendation on the definition of nanomaterial [2011/696/EU] is broadly applicable across different regulatory sectors and requires the quantitative size Determination of constituent particles in samples down to 1 nm. A material is a nanomaterial if 50 % or more of the particles are in the size range 1-100 nm. The implementation of the definition in a regulatory context challenges measurement methods to reliably identify nanomaterials and ideally also nonnanomaterials as substance or product ingredient as well as in various matrices.
The EU FP7 NanoDefine project [www.nanodefine.eu] addressed these challenges by developing a robust, readily implementable and cost-effective measurement strategy to decide for the widest possible range of materials whether it is a nanomaterial or not. It is based on existing and emerging particle measurement techniques evaluated against harmonized, material-dependent performance criteria and by intra- and inter-lab comparisons. Procedures were established to reliably measure the size of particles within 1-100 nm, and beyond, taking into account different shapes, coatings and chemical compositions in industrial materials and consumer products. Case studies prove their applicability for various sectors, including food, pigments and cosmetics.
A main outcome is the establishment of an integrated tiered approach including rapid screening (Tier 1) and confirmatory methods (tier 2), a decision support flow scheme and a user manual to guide end-users, such as manufacturers, in selecting appropriate methods. Another main product is the “NanoDefiner” e-Tool which implements the flow scheme in a user-friendly software and guides the user in a semi-automated way through the entire decision procedure. It allows a cost-effective selection of appropriate methods for material classification according to the EC's nanomaterial definition and provides a comprehensive report with extensive explanation of all decision steps to arrive at a transparent identification of nanomaterials as well as non-nanomaterials for regulatory
purposes.
Titanium dioxide is one of the most studied metal oxides due to its chemical, surface, electronic and (photo)catalytic properties, providing this material of multisectorial applications ranging from healthcare, photocatalysis, smart materials with self cleaning and self sterilizing properties and solar energy harvesting. However it is difficult to correlate the functional properties of TiO2 nanomaterials to the properties at single nanoparticle level due to the high polydispersity in shape, size and surface features of the currently available TiO2 nanoparticles (NPs). Although intensive experimental and theoretical studies have been conducted on the reactivity of different surfaces of metal oxides such as TiO2 much less attention is paid on the dependence of functional properties, like photocatalytic activity, dye adsorption, open circuit potential and fill factor in dye sensitized solar cells, on crystal facets in different orientations. One of the goal of SETNanoMetro project was the development of design rules to tune crystal facets of TiO2 NPs in order to optimize and control functional properties. In the present work we have developed a series of design rules in order to obtain sets of anatase TiO2 NPs with low polydispersity and to tune their shape and size by hydrothermal processing of Ti(IV)-
Triethanolamine complex in presence of different shape controllers. Through a careful experimental design, a predictive soft model was developed. The model is able to predict the synthesis outcome allowing to tune the shape factor from 5 (prisms) to 1.5 (bipyramids) to 0.2 (platelets). This allows to control the main crystal facets exposed ranging from (100) to (001). Due to the dependence of functional properties of nanomaterials on shape distribution and not only size, the availability of NPs sets with uniform and well defined and tunable shapes can be of paramount relevance in order to produce reference nanomaterials for shape measurement.
In this contribution the mechanisms of formation and current applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animal integuments, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
In recent years, the improved understanding of the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has led to an emerging variety of applications that modify the optical, mechanical and chemical properties of many materials. Such structures strongly depend on the laser beam polarization and are formed usually after irradiation with ultrashort linearly polarized laser pulses. The most accepted explanation for the origin of the structures is based on the interference of the incident laser radiation with electromagnetic surface waves that propagate or scatter at the surface of the irradiated materials. This leads to an intensity modulation that is finally responsible for the selective ablation in the form of parallel structures with periods ranging from hundreds of nanometers up to some micrometers. The versatility when forming such structures is based on the high reproducibility with different wavelength, pulse duration and repetition rate laser sources, customized micro- and nanometric spatial resolutions, and the compatibility with industrially relevant processing speeds when combined with fast scanning devices. In this contribution, we review the latest applications in the rapidly emerging field of surface functionalization through LIPSS, including biomimetic functionalities on fluid transport, control of the wetting properties, specific optical responses in technical materials, improvement of tribological performance on metallic surfaces and bacterial and cell growth for medical devices, among many others.
The damage caused by ionizing radiation to DNA and proteins is the reason to treat cancer by radiation therapy. A better understanding of the molecular processes and quantification of the different damaging mechanisms is the prerequisite to develop more efficient therapies. Hereby the understanding of the processes involved in the damage to DNA are of key interest due to its central role in reproduction and mutation.
For radiation with low linear energy transfer (LET), most of the damage is caused by the secondary particles produced by scattering of the ionizing radiation with water. Thereby a multitude of species are produced, whereby especially kinetic low energy electrons, prehydrated electrons, OH-radicals and ions are of importance. With higher LET the relative amount of the direct damaging effects increases. This is especially important considering the increased usage of high LET nucleons in radiation therapy. Therefore, the quantification of the contribution to DNA damage of direct and indirect effects and the different secondary species is of high interest due to the increase of radio biological efficiency when applying high LET radiation.
Here we present an approach to investigate the relative contributions to DNA strand break yield for radiation of different LET within a single electron microscope in combination with electron scattering simulations.
In diesem Beitrag wird gezeigt wie mit Thermogravimetrischen Analysen (TGA) Aktivkohleoberflächen charakterisiert werden können. Außerdem wie TGA mit Zersetzungsgasanalyse zur Untersuchung von Adsorbat-Systemen (Carbamazepin an drei verschiedenen Aktivkohlen) zur Aufklärung von Adsorptionszuständen genutzt werden kann.
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.
Extraction of true, 3D shape (and size) of non-spherical nanoparticles (NPs) is associated with Errors by conventional 2D electron microscopy using projection images. Significant efforts within the ISO technical committee TC 229 ‘Nanotechnologies’ are aimed at establishing accurate TEM and SEM measurement of NP size and shape as robust, standard procedures. Study groups have been organizing inter-laboratory comparisons on well-selected NP systems according to the market needs, such as aggregated titania nano-powder for which size and shape distribution of primary crystallites of irregular shape must be measured accurately. To be noticed is e. g. the fact that the measurement procedure allows only manual selection of the particles clearly distinguishable for analysis as well as manual definition of the contour of the imaged NPs.
An inter-laboratory exercise on titania NPs (pure anatase, grown by hydrothermal synthesis) of well-defined non-spherical shape, i.e. bipyramidal, has been recently started within ISO/TC 229 under similar conditions as for the irregular shaped titania. In the TEM micrograph the particles tracked manually according to the measurement protocol. Overlapped particles were allowed to be considered, as long as they are clearly distinguishable. One decisive NP selection criterion was to analyze only those NPs with a roundness value below 0.7, i.e. the NPs laying on the support foil and, hence, with projection areas clearly deviating from perfect circles (R=1). The overall evaluation (for 15 labs) of the size descriptors (area, Feret, minFeret, perimeter) and shape descriptors (aspect ratio, roundness, compactness, extent) by analysis of variance is just to be finished and included in ISO/WD 21363 Nanotechnologies -- Protocol for particle size distribution by transmission electron microscopy.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the femtosecond to picosecond range. During the past years significantly increasing industrial and research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical or chemical surface properties. In this contribution the mechanisms of formation and current trends and applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animals, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, the advancement of leadless medical pacemakers, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
Antibiotic resistance is a growing global problem which poses a massive threat to human health. Although human activity contributes to the acceleration of the process, bacteria have a self-driven stabilisation mechanism to protect themselves from such and other external threats: biofilm formation. Nonetheless, it is the adhesion of a single bacterial cell to a surface that triggers the formation of such network of biomolecules and microorganisms, as well as its hazardous consequences. The main objective of this work was to quantify the adhesion force of a single E. coli cell on a Ti substrate via the AFM-related single-cell force spectroscopy, with both the cell and the substrate material being of high clinical relevance. A set of 25 x 25 force displacement curves was acquired with a maximum force of 3.2 nN without dwell time, yielding a topography map and an adhesion force map that showed to be correlated. A mean adhesion force of 0.85 ± 0.175 nN was measured and the presence of cell appendages on the bacterial cell wall was verified through individual force-displacement curves. Bacterial viability was assessed after the measurements via live/dead staining.
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.
The different defect types on SiC samples are measured with various measurement methods including optical and tactile methods. The defect types investigated include particles, carrots and triangles and they are analyzed with imaging ellipsometry, coherent Fourier scatterometry and atomic force microscopy. Each of these methods measures different properties of the defects and they all together contribute to a complete analysis.