6.7 Materialsynthese und Design
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Im Fokus des Vorhabens steht das mit dem Innovationspreis Berlin-Brandenburg 2012 ausgezeichnete Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Festigkeitsprüfung unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge mit dem Ziel des Einsatzes in der Qualitätssicherung. Nachdem im MNPQ-Projekt QUO VADIS die grundsätzliche Anwendbarkeit der Zentrifugentechnologie auf Beanspruchungen auf Zug (Kleb-, Haft- und Verbundfestigkeit) nachgewiesen worden war, wurden im Vorhaben QUO VADIS PLUS folgende erweiterte Prüfszenarien und technische Weiterentwicklungen etabliert: 1. Beanspruchung auf Druck (Härte von Materialien, Kompressibilität von Schäumen, Kompaktierbarkeit von Pulvern), 2. Erweiterung der Beanspruchung auf Zug (Kombination von Normal- und Lateralkräften), 3. Erweiterung auf die Bewertung plasto-elastischenn Materialverhaltens, 4. Vermeidung von Schockwellen im Hochlastbereich
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
For the vast majority of ellipsometric measurements, the application of planar substrates is mandatory and requires a proper sample alignment prior to the measurement. Here, the authors present a generalized approach of how to extract the isotropic ellipsometric sample parameters from an imaging Mueller-matrix measurement even if the sample is significantly misaligned. They validate the method by layer-thickness calculations based on imaging Mueller-matrix measurements of flat crystalline silicon samples that were misaligned on purpose. Furthermore, they also exploit this method’s capabilities to perform spatially resolved layer-thickness measurements of a single-layer indium-tin-oxide coating on a fused-silica microlens without the need of realignment or repositioning of the sample during the measurement.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
The authors describe and interpret curvature-related changes to the ellipsometric readout. As model system for a concave curvature, a set of three spherical microscopic indents in silicon (100) of different sizes was prepared by instrumented indentation testing using a spherical indenter. For reference, these samples were characterized by AFM to reveal the topography of each structure. The concavelike indents were analyzed by Mueller-Matrix imaging ellipsometry to extract lateral intensity images of 12 elements of the Mueller-Matrix. As a result of the detailed analysis of the image elements m22, m23, and m14, it was possible to correlate intensity changes and symmetry properties to depolarization and cross polarization induced by the edge threshold and the curved surface of the indent.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is expected to from. These adsorbed layers have shown greate potential for technological applications. However, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. This is partly due to the hard accessibility of these layers in thin films. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. First, the growth kinetics of these layers is investigated as a function of annealing time, annealing temperature, leaching time and the original filme thickness. The film thickness, topography and the quality of the adsorbed layer is controlled by Atomic Force Microscopy (AFM). Secondly, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor arrangement is employed to measure the layer with a free surface. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
Mechanische, topometrische und optische Charakterisierung von Schichten mit Stand der Normung
(2019)
Der Vortrag „MECHANISCHE, TOPOMETRISCHE UND OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG VON SCHICHTEN MIT STAND DER NORMUNG“ widmet sich unterschiedlichen Beschichtungssystemen und deren mechanischer, topometrischer und optischer Charakterisierung. Über die entsprechenden aktuellen Normen wird informiert. Es betrifft Verfahren wie die Instrumentierte Eindringprüfung (IIT), Centrifugal Adhesion Testing, Weißlichtinterferenzmikroskopie, Tastschnittverfahren und Ellipsometrie (SE).
3D coherence scanning interferometry (CSI) is anoptical, non-contact and rapide measurement technique using a defined bandwidth of white light at normal incidence. White light interference microscopy (WLIM) providest here-dimensional surface topometry data up to a resolution of 0.4 µm lateral and 0.1 nm vertical. Three operating modi, surface, films and advanced films, enable measurements of step heights, roughness, wear volume, cone angle, surface pattern and layer thickness. Traceability to SI system is ensured by certified standards (PTB/NIST) within a DAkkS DIN EN ISO/IEC 17025:2018 accredited lab.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of thin porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the homogenous dispersion of the active species within the porous matrix. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by complementary analysis of SEM/EDS, ToF-SIMS, NanoSIMS, AES and spectroscopic ellipsometry.
Mesoporous iridium oxide - titanium oxide (IrOx-TiOx) films can be prepared by a well-established Synthesis route via soft-templating. IrOx-TiOx films are very sensitive to the conditions of synthesis. Analysis by SEM and NanoSIMS imaging suggests IrOx-TiOx films with and without a homogenous dispersion of IrOx within the TiOx film matrix under different synthesis conditions.
Auger electron spectroscopy (AES) analysis in the depth-profile mode as well as cross-section line-scan AES measurements of an inhomogeneous IrOx-TiOx film indicate the presence of an IrOx-rich Phase dispersion both at the surface of IrOx-TiOx film as well as within the film.
The contribution will assess in detail the sensitivity of the synthesis conditions and the characterization of the thin metal oxide films. Moreover, the correlation between and comparison to other measurement techniques will be discussed.
Heating oil storage tanks made of polyethylene grades have been on the market in Germany since the early 1970s. To ensure safety, their replacement is recommended by tank manufacturers after a period of 30 years. Polyethylene is subject to ageing by alteration of the properties during its life cycle. The degree of degradation and the nature of the process mainly depend on the chemical alteration of the polyethylene, the wall thickness of the tank and the environmental conditions. There are no data available on the long-term behaviour of the polyethylene grades, especially after a service life of more than 30 years.
The aim of this investigation was to find a suitable test method to determine the factual degree of damage in comparison to the uncontaminated polyethylene grades. Material data of the used polyethylene grades are available because the BAM was the competent authority for the tests and expert reports for the approval of these tanks until the middle of the 1990s. Therefore, tank sections from the bottom, the shell and the roof of 22 individual storage tanks produced of polyethylene grades A and B have been examined by Melt Flow Rate (MFR) and Attenuated Total Reflectance (ATR). Their service life was in the range between 20 and 41 years.
The MFR measurements of the tank sections showed differences in the values depending on the weight which was used (5 kg or 21.6 kg). An increase of the MFR was determined for the samples of polyethylene grade A, whereas a reduction of the MFR values was measured for most samples of polyethylene grade B. This grade is mainly subject to the internal ageing by cross-linkages, increased degree of branched molecules and loss of the plasticizer.
ATR analysis exhibits an absorption band at 909 cm‒1 predominantly in samples of polyethylene grade A indicating chain scission and concomitantly formed terminal vinyl groups. This absorption band can be used for the characterization of the ageing of the polyethylene grades.