6 Materialchemie
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Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) hat sich in den letzten Jahren als eine vielseitige Abbildungstechnik von Oberflächen mit einer sehr hohen Ortsauflösung etabliert. Über die Untersuchung der reinen Oberflächentopographie sind erweiterte Modi in der Lage, gleichzeitig Informationen über die elektrischen und magnetischen Eigenschaften sowie Adhäsionsprozesse auf Oberflächen zu liefern. Interessanter wird es, wenn das AFM mit geeigneten Messzellen für in-situ-Untersuchungen in kontrollierten Atmosphären oder in Elektrolyten unter elektrochemischer Kontrolle ausgestattet ist. Dies ermöglicht die Untersuchung von Korrosions- und Adhäsionsprozessen unter Bedingungen, die die Betriebsumgebung repräsentieren.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt unseres Fachbereiches liegt in den Untersuchungen der Deformationseigenschaften von Funktionsschichten auf Leichtmetalllegierungen, sowie in situ Untersuchungen des Korrosionsverhaltens unter kombinierter korrosiver und mechanischer Beanspruchung mittels AFM. Durch die Integrierung eines Zug-Druckmoduls in den Probentisch des Rasterkraftmikroskops haben wir jetzt die Möglichkeit, verschiedene Materialien uniaxialen Umformversuchen mit bis zu 5 kN Kraft zu unterziehen. Dabei können unter anderem auch zyklische Belastungen genutzt werden, um Ermüdungsprozesse zu simulieren. Da die Messungen in situ ohne die De- und Remontage der Probe durchgeführt werden, ermöglicht der Aufbau nicht nur Messungen mit präziser Positionssteuerung, sondern auch die Untersuchung von Prozessen im elastischen Bereich, die für die Aufklärung der Mechanismen, die zu Ermüdungsversagen führen, entscheidend sind.
Die Posterpräsentation wird detaillierte Informationen zum neuen AFM-Setup liefern und unsere aktuellen Ergebnisse zur Verformung dünner Schutzschichten auf AA2024-T3 zusammenfassen.
Im der Präsentation werden, neben der Möglichkeit der Mikroplastikquantifizierung, auf weitere Anwendungsfelder der Methode TED-GC/MS eigegangen. Dies beinhaltet die Erfassung von Degradationsprodukten UV/O2 geschädigter Polymere und die Detektion von Additiven. Die Optimierung der Methode betreffend Messzeit und materialspezifischer Messanforderung sind ebenfalls Gegenstand.
Microplastic reference material is required for validation and harmonization purposes. This includes the analysis of the pure polymer particles and the validation of the respective measurement methods. In addition, there is the harmonization of different laboratories. On the other hand, sample preparation methods must be validated and harmonized with regard to their recovery and subsequent analysis in the respective matrices. For this purpose, we produce reference material candidates in the form of tablets with different mass fractions and particle numbers of polyethelene terephthalate. In the presentation first measurement results by µ-Raman, µ-FTIR, pyrolysis-GC-MS and TED-GC/MS will be presented.
High and medium entropy alloys gained increasing academic and industrial interest as novel materials for engineering applications. This project is aiming to clarify and compare the general and local corrosion properties of high entropy alloy CrMnFeCoNi and medium entropy alloy CrCoNi in different aqueous environments. The focus lies on the local corrosion processes that result either from microstructural imperfections (inclusions, defects at grain boundaries etc.) in the base material or processing related changes in the microstructure and/or local composition.
The corrosion behavior of the alloys was monitored via potentiodynamic polarization experiments and the local corrosion characteristics were further investigated by means of scanning electrochemical microscopy (SECM). Their passivation behavior was analyzed in two different electrolyte systems (NaCl and H2SO4 c = 0.1M). The characterization of the surface morphology and composition of the passive film was performed by means of atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM/EDX) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. To analyze the semiconducting properties of the passive film Mott-Schottky analysis was conducted.
Considering long term corrosion effects, electrochemical work was supported with immersion tests and the analysis of corrosion products by SEM/EDX, ICP-MS and XPS depth-profiling. Our results indicate that the medium entropy alloy CrCoNi has a significantly higher corrosion resistance due to the higher concentration of chromium in comparison to the high entropy alloy CrMnFeCoNi. The presentation will summarize our results on the mechanistical aspects of the observed high corrosion resistance.
Die MALDI-TOF Massenspektrometrie stellt eine wichtige Methode zur simultanen Bestimmung von Molmassen, Molmassenverteilungen und Endgruppen von synthetischen Polymeren dar. In dem Vortrag wird gezeigt, welche zusätzlichen Informationen über die Art der Polymerisation, der Nebenreaktionen und der Topologie der gebildeten hochmolekularen Polylaktid-Homo- und Copolymere im Verlauf ihrer Synthese erhalten werden können.
Eine neue Art einer Ring-Expansion Polymerization (REP) von zyklischen Polylaktiden mittels neuer Katalysatoren wird präsentiert.
MALDI-TOF Massenspektrometrie und andere analytische Techniken wurden zur Aufklärung des Mechanismus eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass im Gegensatz zu anderen REP, ausschließlich zyklische Polymere gebildet wurden. Diese stellen neue Kandidatenmaterialien für zukünftige neue CRM dar.
MALDI TOF Massenspektrometrie wurde verwendet, um Kristallisationsprozesse in Polyestern (Polylactide, Polyglycolide) zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass Zyklen und Linearen simultan, aber in unterschiedlichen Kristalliten, kristallisieren. Die dabei ablaufenden Umesterungen (Transesterifizierungen) konnten mit der MALDI TOF Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Damit wurde ein völlig neues Anwendungsgebiet dieser MS Methode demonstriert.
Im statistischen Mittel steht eine Windkraftanlage (WKA) in Deutschland alle 6 Jahre wegen eines Schadens an den Rotorblättern und verursacht Kosten von 20k€-40k€ infolge Ertragsausfall und Reparaturkosten. Bei über 30.000 WKA in Deutschland verursacht dies jährlichen Kosten von 100-200 Mio. €. Zu 70% sind die Ursachen Fertigungsfehler. Diesem Themenkomplex widmet sich FB-5.3 in Kooperation mit FBs der Zerstörungsfreien Prüfung (Abt. 8) schon seit Jahren.
Im aktuellen Projekt geht es um einen vorzeitigen Verschleiß der Rotorblätter infolge der Verwendung gealterter Glasfaser-Rovings. (GF). Die Entwicklung moderner Windkraftanlagen hatte in Europa seinen Ursprung in den 90er Jahren. OEMs und GF-Hersteller waren dicht beisammen. Die Globalisierung des Marktes führt heute zu einer weltweiten Verschiffung der GF in feucht-warmen Containern. Je nach Beschaffenheit (Chemie) der Schlichten (Oberflächenbehandlung) von GF können diese stark altern (Hydrolyse-Effekte) und die Festigkeit kann im Bauteil um bis zu 50% abgemindert sein.
In einer Kooperation mit der Rotorblattallianz, einem Zusammenschluss der OEMs, Halbzeugherstellern und Forschungsinstituten, wurden schon vor 5 Jahren in einem Forschungsprojekt (FB-5.3; VH 5538) die chemischen Mechanismen der Alterung exemplarisch für eine Glasfaser-Roving-Type aufgeklärt. Im aktuellen Projekt (FB-5.3; VH 5304) wird ein beschleunigtes Alterungsverfahren (erhöhte Temperatur und Feuchte) am Roving im un-impregnierten Zustand entwickelt und die Festigkeit nachfolgend nach Einbettung in eine Epoxid-Harz-Matrix bestimmt. Je nach Alterungszustand zeigt sich eine Abnahme der Zwischenfaserbruchfestigkeit von bis zu 50%. Nicht alle Glasfaser-Roving-Typen zeigen diesen Effekt. Es ist gelungen für OEMs und Halbzeughersteller ein handhabbares Verfahren zur innerbetrieblichen Qualitätssicherung zu entwickeln, da die wenigsten Firmen über komplexe Analyseverfahren, wie an der BAM, verfügen.
Nach einer Übersicht zu den immer schneller aktualisierenden Rahmenbedingungen von Politik und Gesellschaft folgt eine Übersicht zu materialwissenschaftlichen Problemen des Recyclings von Kunststoffen. Lösungsansätze aus der Forschung reichen von einfacher Optimierung bis hin zur radikalen Neukonstruktion der polymeren Werkstoffe. Aus dem bereits möglichen Ansatz "performance-by-design" wird ein neuer Weg des "recycling-by-design" adressiert. Dies inkludiert methodisch eine skalenübergreifende Modellierung und die Depolarisation bis zum Monomer.
Nachdem Jahrzehnte die Grenzfläche zwischen Kohlefaser und Duroplastmatrix optimiert wurde liegt das Augenmerk heute auf der Polymermatrix selbst. Diese lässt sich hinsichtlich ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Bruchfestigkeit verbessern, indem Nanopartikel aus Böhmit (AlOOH) eindispergiert werden. Der Vortrag geht auf integrale und hochauflösend-bildgebende Methoden ein die ein Verständnis der komplexen Zusammenhänge ermöglichen. Nach einer chemischen in-situ Analyse des Aushärtvorgangs, aus welchem sich die Bedeutung der externer Parameter ablesen lässt, werden diverse hochauflösende, neue Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingeführt. Der lokalen Bestimmung des E-Moduls der Nanopartikel folgen Ausführungen zum temperaturabhängigen Chemismus des Böhmits, der während der Aushärtung Wasser freisetzt. Die hochauflösende Bestimmung der Oberflächenpotentiale, der Steifigkeit, der attraktiven Kräfte zwischen Spitze und Probe sowie der Energiedissipation im Kontakt stellen auf der Nanoskala eine komplexe Datenquelle dar, die auf der Makroskala einer Ergänzung bedarf: Durch Kombination von dynamisch-mechanisch-thermischer Analyse einerseits und Kartierung physikalischer Eigenschaften auf der Nanoskala andererseits kann der Zusammenhang zwischen chemischer Steuerung der Netzwerkbildung und den mechanischen Eigenschaften des Nanokomposits geklärt werden. Überraschend ist, dass bei geeigneter Steuerung der lokale E-Modul der Polymermatrix den des Füllstoffs übersteigt. Die Rissfortschrittsenergie wird in Böhmit-modifiziertem Epoxy verbessert absorbiert, die These dazu ist, dass die (010)-Gleitebenen, die nur durch Wasserstoffbrücken zusammen gehalten werden, einigermaßen schadlos geschert werden können. Daraus folgt, dass das System auf der Nanoskala über einen, wenn auch begrenzten, Selbstheilmechanismus verfügt. Zudem wird durch die hohe Heterogenität der Steifigkeit und Energiedissipation des Nanokomposits eine Risstrajektorie vielfach umgelenkt und somit früher gestoppt. Ergebnisse dieses Vortrags stammen aus einer Zusammenarbeit innerhalb des DFG-Forscherverbundes FOR2021 „Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau“.
Das EMPIR-Förderprogramm wird kurz erläutert und laufende Projekte aus der Nanotechnologie werden vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf Standardisierungsprojekten, die gemeinsam mit ISO/TC 229 'Nanotechnologies' und CEN/TC 352 'Nanotechnologies' zu neuen Normen führen sollten. Als Beispiel für laufende Nanotechnologie-Projekte mit Koordination aus Deutschland werden MagNaStand (PTB) und nPSize (BAM) gegeben.
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.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.