6 Materialchemie
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Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (36)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (9)
- 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)
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.
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.
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
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.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
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.
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.
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.
Mit der Zentrifugentechnologie ist seit einigen Jahren ein neuartiges Mehr-Proben-Prüf-verfahren auf dem Markt etabliert, welches die klassische Zugprüfung in den Trommelrotor einer Tischzentrifuge überträgt. In der Beanspruchung auf Zug ist die Prüfung der Verbundfestigkeit seit 2017 nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert, wobei die Verbundfestigkeit von Klebungen direkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von den Versagensformen Rückschlüsse auf die Klebfestigkeit von Klebstoffen/Klebebändern oder die Haftfestigkeit von Beschichtungen gezogen werden können.
Bei der zerstörenden Beanspruchung auf Zug ist zu beachten, dass es sich bei der Verbundfestigkeit um eine Systemeigenschaft handelt, d.h. nicht nur die chemischen und topografischen Oberflächeneigenschaften, sondern auch die plasto-elastischen Volumeneigenschaften des Klebstoffes und der Fügeteile haben Einfluss auf die ermittelten Kennwerte. Dabei ist eine qualitative Bestimmung der Versagensformen und Bruchbilder nach DIN EN ISO 10365 zwingend erforderlich, um eine Aussage über die Art des Versagens treffen zu können.
Mit der Erweiterung der Zentrifugentechnologie um Beanspruchungen auf Druck wurde dann der Nachweis erbracht, dass auch die klassische Härteprüfung in einer Zentrifuge als Mehr-Proben-Prüfung durchgeführt werden kann. Im Verbundvorhaben QUO VADIS PLUS werden derzeit invasive Beanspruchungen auf Druck zur Bestimmung der Härte von Materialien, der Kompressibilität von Metallschäumen sowie der Kompaktierbarkeit von Pulvern untersucht, was das Anwendungspotential der Zentrifugentechnologie nochmals erweitert. Dazu gehören auch kombinierte Beanspruchungen wie Zug-Scher- und Druck-Scher-Prüfungen.
Die Verbundfestigkeit von CFK-Platten in Abhängigkeit der Beanspruchungsart (Zug vs. Zug-Scher) bzw. der Faserorientierung (0°, 45°, 90°), die Klebfestigkeit von Klebstoffen bzw. Klebebändern auf unterschiedlichen Fügeteilwerkstoffen in Abhängigkeit von der Vorbehandlung, die Haftfestigkeit optischer Schichten auf Kunststoffen, die Bestimmung der Vickers-, Brinell- bzw. Kugeldruck-Härte sowie die Kompressibilität von metallischen Schäumen und Federn werden als ausgewählte Beispiele diskutiert.