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)
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.
3D microstructures with sub-micron resolution can be manufactured in additive manner applying multi-photon laser structuring technique. This paper is focused on the incorporation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles into the photoresist in order to manufacture micrometer-sized devices featuring a magnetic moment. The aim of the project is to achieve untethered actuation of the presented objects through externally applied magnetic fields. Future medical application scenarios such as drug delivery and tissue engineering are targeted by this research.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zerstörend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal: nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar
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 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.
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.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has an enormous influence on the early hydration of cement. The hydration is retarded and the timing of formation and the morphology of hydrates is affected. This short paper presents experimental results about the influence of delayed Addition time of PCE SPs on hydration of cement and tricalcium aluminate (C3A) pastes, investigated by isothermal heat flow calorimetry. For cement pastes the hydration is retarded with SP, whereby the high charge PCE has a stronger retarding effect than the low charge PCE. With delayed PCE addition the cement shows a less retarded setting than with simultaneous addition. The alteration caused by PCE is much more pronounced for C3A and gypsum mixes than for cement. If the SP is added simultaneous, the exothermic peak of C3A is retarded. However, with delayed addition of SP the hydration is shortened, the gypsum depletion is fastened and the exothermic peak occurs less retarded or even accelerated compared to simultaneous addition. It is obvious that for C3A pastes there is less retardation the later the Addition of SP. Furthermore, the PCE alter the hydration of C3A when added delayed and exhibit changes in kinetics and hydration rates. The rate of reaction in the second stage is lower, discernible in decreased slopes and broader peaks. Besides this, a distinct ramp in the C3A heat flow curves within the first stage of C3A hydration occurs for all pastes with delayed addition of SP, which suggests an accelerated ettringite formation.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has enormous influence on the early hydration of cement. C3A as the most reactive phase of Portland cement plays a significant role in early hydration reactions and affects the rheological performance. Therefore, this paper presents experimental results about the influence of delayed addition of PCEs on the Hydration of cement and C3A-gypsum pastes investigated by isothermal heat flow calorimetry. Complementary in-situ XRD was carried out on C3A pastes to analyze hydration and phase changes related to the addition of PCE.
Cement pastes with a delayed addition of PCE showed less Retardation compared to simultaneous addition. The alteration caused by PCE is much more pronounced for C3A-gypsum mixes. With a delayed addition of SP, the hydration of C3A is less retarded or even accelerated. It is obvious that there is less retardation the later the addition of SP. Furthermore, the PCE alter the hydration of C3A when added delayed and exhibit changes in kinetics and hydration rates. XRD results showed that more C3A is dissolved in the presence of PCE. Also, the gypsum depletion occurs earlier in the presence of PCE and even faster with delayed addition. Without PCE AFm starts to form just after the gypsum depletion. However, in the presence of PCE AFm already starts to form at the beginning of the hydration. Due to the faster gypsum depletion in the presence of PCE, also the transformation from ettringite into AFm begins earlier, but takes longer as without SP.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has an enormous influence on the early hydration of cement. The hydration is retarded and the timing of formation and the morphology of hydrates is affected. This short paper presents experimental results about the influence of delayed addition time of PCE SPs on hydration of cement and alite pastes, investigated by isothermal heat flow calorimetry. For cement as well as for alite pastes the hydration is retarded with SP, whereby the high charge PCE has a stronger retarding effect than the low charge PCE. The retardation caused by PCE is much more pronounced for alite than for cement mixes. If PCE is added later to the mix, the induction period is shortened and the hydration is accelerated compared to simultaneous addition. This applies for cement and alite pastes. With delayed PCE addition the alite shows a clearly less retarded setting and main hydration than after simultaneous addition. It is obvious that for alite pastes there is less retardation the later the addition of SP.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.