Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Confocal micro-X-ray fluorescence (micro-XRF) spectroscopy facilitates three-dimensional (3D) elemental imaging of heterogeneous samples in the micrometer range. Laboratory setups using X-ray tube excitation render the method accessible for diverse research fields but interpretation of results and quantification remain challenging. The attenuation of X-rays in composites depends on the photon energy as well as on the composition and density of the material. For confocal micro-XRF, attenuation severely impacts elemental distribution information, as the signal from deeper layers is distorted by superficial layers. Absorption correction and quantification of fluorescence measurements in heterogeneous composite samples have so far not been reported. Here, an absorption correction approach for confocal micro-XRF combining density information from microcomputed tomography (micro-CT) data with laboratory X-ray absorption spectroscopy (XAS) and synchrotron transmission measurements is presented. The energy dependency of the probing volume is considered during the correction. The methodology is demonstrated on a model composite sample consisting of a bovine tooth with a clinically used restoration material.
Determination of short carbon fiber orientation in zirconium diboride ceramic matrix composites
(2024)
In fiber-reinforced components, the fiber alignment and orientation have paramount influence on the thermomechanical properties of the resulting composite, for both short and continuous fiber. Here we present the case of an ultra-refractory matrix intended for extreme environment applications, ZrB2, reinforced with 20 vol% and 50 vol% short carbon fibers. In both cases, fibers tend to align perpendicular to the uniaxial pressure applied during shaping and sintering of a pellet, although the fiber tilt across the pellet thickness is difficult to determine. Moreover, for high volume fractions of reinforcement, the spatial distribution of the fibers is heterogeneous and tends to have domains of preferential orientations. We compare the information on the fiber distribution as collected by scanning electron microscopy images, X-ray computed tomography and synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR). The three techniques prove to be complementary. Importantly, we demonstrate that SXRR yields the most statistically significant information due to the largest field of view, yet with a sensitivity down to the nanometer, and that can be successfully applied also to heavy matrix materials, such as zirconium boride.
Simulation-Assisted Augmentation of Missing Wedge and Region-of-Interest Computed Tomography Data
(2024)
This study reports a strategy to use sophisticated, realistic X-ray Computed Tomography (CT) simulations to reduce Missing Wedge (MW) and Region-of-Interest (RoI) artifacts in FBP (Filtered Back-Projection) reconstructions. A 3D model of the object is used to simulate the projections that include the missing information inside the MW and outside the RoI. Such information augments the experimental projections, thereby drastically improving the reconstruction results. An X-ray CT dataset of a selected object is modified to mimic various degrees of RoI and MW problems. The results are evaluated in comparison to a standard FBP reconstruction of the complete dataset. In all cases, the reconstruction quality is significantly improved. Small inclusions present in the scanned object are better localized and quantified. The proposed method has the potential to improve the results of any CT reconstruction algorithm.
The stress–strain behavior of ceramics, such as aluminum titanate, has certain features that are unusual for brittle materials—in particular, a substantial nonlinearity under uniaxial tension, and load–unload hysteresis caused by the sharp increase of the incremental stiffness at the beginning of unloading. These features are observed experimentally and are attributed to microcracking. Here we compare different degrees of stress–strain nonlinearity of aluminum titanate materials and quantitatively model them. We use advanced mechanical testing to observe the mechanical response at room and high temperature; electron microscopy, and X-ray refraction radiography to observe the microstructural changes. Experiments show that two types of microcracks can be distinguished: (i) microcracks induced by cooling from the sintering temperature (due to heterogeneity and anisotropy of thermal expansion), with typical sizes of the order of grain size, and (ii) much larger microcracks generated by the mechanical loading. The two microcrack types produce different effects on the stress–strain curves. Such microcracks and the features of the stress–strain behavior depend on the density of the cooling-induced microcracks and on the distribution of grain sizes. They are modeled analytically and numerically.
In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
Die Brechung von Röntgenstrahlen (Röntgenrefraktion) an Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher Dichte ist analog zur Ablenk-ung von sichtbarem Licht an z.B. Glasoberflächen. Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede:
a) konvexe Grenzflächen verursachen Divergenz (d.h. der Brechungsindex n ist kleiner als 1), und
b) die Ablenkungswinkel sind sehr klein, und reichen von einigen Bogensekunden bis zu einigen Bogenminuten (d.h. n ist nahe bei 1);
Wie auch bei sichtbarem Licht ist die Ablenkungsrichtung der Röntgenstrahlen abhängig von der Orientierung der durchstrahlten Grenzfläche. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Röntgenrefraktionsmethoden hervorragend für:
a) die Erkennung und Quantifizierung von Defekten wie Poren und Mikrorissen und
b) die Bewertung von Porosität und Partikeleigenschaften wie Orientierung, Größe und räumliche Verteilung.
Wir zeigen die Anwendung der Röntgenrefraktionsradiographie (2,5D Technik) und der -tomographie (3D Technik) für die Untersuchung verschiedener Probleme in der Werkstoffwissenschaft und -technologie:
a) Sintern von SiC-Grünkörpern
b) Porositätsanalyse in Dieselpartikelfiltersilikaten
c) Faser-Matrix-Haftung in Metall- und Polymermatrixverbundwerkstoffen
d) Mikrorissbildung in Glaskeramik.
Wir zeigen, dass der Einsatz von Röntgenrefraktionsmethoden quantitative Ergebnisse liefert, die direkt als Parameter in Werkstoffmodellen verwendet werden können.
The hard X-ray beamline BAMline at BESSY II (Berlin, Germany) has now been in service for 20 years. Several improvements have been implemented in this time, and this review provides an overview of the imaging methods available at the BAMline. Besides classic full-field synchrotron X-ray computed tomography (SXCT), also absorption edge CT, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR), and synchrotron X-ray refraction tomography (SXRCT) are used for imaging. Moreover, virtually any of those techniques are currently coupled in situ or operando with ancillary equipment such as load rigs, furnaces, or potentiostats. Each of the available techniques is explained and both the current and the potential usage are described with corresponding examples. The potential use is manifold, the examples cover organic materials, composite materials, energy-related materials, biological samples, and materials related to additive manufacturing. The article includes published examples as well as some unpublished applications.
Flexible, niedrigdichte Schäume aus Biokunststoffen im Extrusionsverfahren herzustellen war bisher industriell noch nicht möglich. Im Verarbeitungstechnikum Biopolymere des Fraunhofer IAP wurde in einem Projekt die Eignung von PBS-basierten Biokunststofftypen für Schaumanwendungen erforscht und weiterentwickelt.
Diffraction enhanced imaging (DEI) is an advanced digital radiographic imaging technique employing the refraction of X-rays to contrast internal interfaces. This study aims at qualitatively and quantitatively evaluating images acquired using this technique and to assess how different fitting functions to the typical rocking curves (RCs) influence the quality of images. RCs are obtained for every image pixel. This allows the separate determination of the absorption and the refraction properties of the material in a position-sensitive manner. Comparison of various types of fitting functions reveals that the Pseudo-Voigt (PsdV) function is best suited to fit typical RCs. A robust algorithm was developed in the Python programming language, which reliably extracts the physically meaningful information from each pixel of the image. We demonstrate the potential of the algorithm with two specimens: a silicone gel specimen that has well-defined interfaces, and an additively manufactured polycarbonate specimen.
Die Integrität der Verstärkungsfasern in Komposit-Zahnstiften ist entscheidend für die Biegefestigkeit und die langfristige Haftung am Zement in den Wurzelkanälen. Es wurde vermutet, dass die Integrität von glasfaserverstärkten Zahnstiften durch das Beschleifen während der zahnmedizinischen Behandlung beeinträchtigt wird. Eine Beschädigung der Fasern führt zu einer erheblichen strukturellen Schwächung über den gesamten Stiftdurchmesser. Glasfragmente, die durch den Kontakt mit dem Zahnbohrer entstehen, können sich vom Stift lösen und die Haftfähigkeit erheblich verringern. Mit Hilfe hochauflösender Synchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR) konnte das Ausmaß der Schäden zuverlässig identifiziert und charakterisiert werden.
Dazu wurden die Glasfaserstifte sowohl im Herstellungszustand als auch nach der Bearbeitung mit einem Diamantbohrer untersucht. Die Datensätze wurden zur Visualisierung und Quantifizierung der morphologischen Charakteristika intakter und durch das Beschleifen beschädigter Regionen analysiert. Sie zeigen Schäden im bearbeiteten Bereich (z. B. Brüche, Splitter und Risse) sowie herstellungsbedingte Inhomogenitäten der Fasern mit einer signifikanten Zunahme der inneren Oberflächen in Probenregionen, die durch das Beschleifen beschädigt wurden.