6 Materialchemie
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- 6 Materialchemie (37)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (10)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (9)
- 7 Bauwerkssicherheit (8)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (7)
- 6.7 Materialsynthese und Design (7)
- 7.4 Baustofftechnologie (7)
- 6.3 Strukturanalytik (4)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (4)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (3)
Ellipsometrical characterization of poly-dopamine layers considered for technical applications
(2024)
Although the organic molecule dopamine (3,4-dihydroxyphenethylamine) is commonly known as the “hormone of happiness”, thin films of poly-dopamine also have interesting technical properties. When produced by dip coating, the self-organizing layers grow in a reproducible thickness of single or multiple molecule monolayers of a few nanometer thickness only. In this work, we introduce a method of determining the layer thickness of poly-dopamine on mirrors for astronomical X-ray telescopes. This work is based on spectroscopic ellipsometry measurements and involves the development of an optical model for the poly-dopamine layers including the dielectric function. Thereby the complex refractive index of the produced layers was determined, covering the range from the ultraviolet to the near infrared spectral region. These measurement results and the corresponding technical challenges are presented in this contribution. Furthermore, an outlook to potential technical applications of this interesting material is given and poly-dopamine layers will make scientist and engineers hopefully happy as an innovative and fascinating technical solution for the future.
A damaging action of HNO3-55% only occurs in combination with its decomposition into nitrous gases, which can be caused by UV radiation. In a laboratory test, transparent HDPE jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt-% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The respective damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT-gel permeation chromatography (GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the good reproducibility of the lab exposure. The decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation – as well as the jerrycan oxidation – is also observed at lower HNO3 concentration (28 wt- %). Similar results are obtained after outdoor tests. Again, the damage occurs only after combined exposure, in contrast to the exposures to UV only and to HNO3 only, which were conducted in parallel. Outdoor exposures are most readily accepted as they represent possible end-use conditions. However, the reproducibility of these exposures is poor due to the large temporal variations in weather. There are also several safety risks, which is why the number of replicates remains limited. Since the outdoor and lab exposure tests show the same qualitative results, it is appropriate to conduct systematic studies in the laboratory. After 6 days of lab exposure, the oxidation damage is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. It should be noted that this amount can also occur in two sunny weeks.
Mechanical stress often accelerates the failure of polymer materials. The aim of this research is to study the interaction between the sealing material FKM and biofuels B10 (heating oil with 10% biodiesel). The mechanical stress test was carried out in a special apparatus. Both mechanical and non-mechanical stress tests were conducted on specimens at 20, 40, and 70 °C for 28 days to document changes in mass, volume, and tensile properties. Both increasing temperature and mechanical stress have a significant effect on the tensile strength of the FKM polymer when exposed to B10. The combination of increasing temperature and mechanical stress induced rupture within 2 h. It was also established that FKM polymer with pre-exposure in B10 survived longer during mechanical stress compared to specimens exposed only to air. With the support of infrared (IR) spectroscopy, we were able to confirm the penetration of B10 into the FKM polymer.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Hybrid optical measurement technique for detection of defects in epitaxially grown 4H-SiC layers
(2022)
Recent developments in power electronics require the use of new wide bandgap compound semiconductor. We demonstrate the use of the ellipsometry and white light interference microscopy to detect defects in epitaxially grown SiC layers on SiC substrates. Such hybrid optical metrology methods can be used to better understand the mechanism of the development of the defects as well as their effects on the material´s optoelectronic properties.
Ultrashort pulse laser materials processing can be accompanied by the production of X-rays. Small doses per laser pulse can accumulate to significant dose rates at high laser pulse repetition rates which may exceed the permitted X-ray limits for human exposure. Consequently, a proper radiation shielding must be considered in laser machining. A brief overview of the current state of the art in the field of undesired generation of X-ray radiation during ultrashort pulse laser material processing in air is presented.
In diesem Beitrag wird der Einfluss des Aktivkohleprodukts auf die Adsorption von Spurenstoffen aus Kläranlagenablauf gezeigt und diskutiert. Im zweiten Teil wird das Material Aktivkohle analytisch charakterisiert und die Eigenschaften systematisiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit Bezug zu Praxislösungen zusammengefasst.
Development and characterization of starch film and the incorporation of silver nanoparticles
(2020)
Starch is one of the biopolymers being used for bioplastic synthesis. For production, starch can be combined with different plasticizers, starches from different plant sources and even with nanomaterials to improve or to add film properties. The challenge of adding these, e.g. in the form of silver nanoparticles (AgNp) is to determine the concentration so as to avoid impairing the properties of the film, agglomeration or altering the visual characteristics of the film. In this study, a starch film synthesis route and the incorporation of silver nanoparticles has been proposed in order not to alter the properties of the film while maintaining the transparency and a clear colour of the starch film. The results showed that the proposed synthesis route is promising, efficient, reproducible, fast and the film has good mechanical properties.
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.
High-entropy alloys (HEAs) are characterized by a solid solution of minimum five and medium-entropy alloys (MEAs) of minimum three principal alloying elements in equiatomic proportions. They show exceptional application properties, such as high-strength and ductility or corrosion resistance. Future HEA/MEA-components could be exposed to hydrogen containing environments like vessels for cryogenic or high-pressure storage where the hydrogen absorption and diffusion in these materials is of interest. In our study, we investigated the HEA Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 and the MEA Co33.3Cr33.3Ni33.3. For hydrogen ingress, cathodic charging was applied and diffusion kinetic was measured by high-resolution thermal desorption spectros-copy using different heating rates up to 0.250 K/s. Peak deconvolution resulted in high-temperature desorption peaks and hydrogen trapping above 280 °C. A total hydrogen concentration > 40 ppm was identified for the MEA and > 100 ppm for HEA. This indicates two important effects: (1) delayed hydrogen diffusion and (2) considerable amount of trapped hydrogen that must be anticipated for hydrogen assisted cracking phenomenon. Local electrochemical Volta potential maps had been measured for the hydrogen free condition by means of high-resolution Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM).
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
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.
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.
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.