Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Klebverbindungen im modernen Hochbau können helfen, innovative ästhetische Bedürfnisse im Fassadenbau umzusetzen, technologische Verbesserungen zu erreichen, aber auch die Wechselwirkung von Gebäuden mit der Umwelt unter energetischen Aspekten zu optimieren. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung gibt es hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit und die Gütesicherheit.
Mit einer zerstörungsfreien praxistauglichen Prüftechnik, die eine sichere Überprüfung der Integrität von Glas-Metall Klebverbindungen im Ingenieurhochbau gewährleistet, kann sowohl ein wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Fassadenelementen aber auch bei der späteren Bauwerksüberwachung im Verlauf der Nutzungsdauer geleistet werden. Für eine Beurteilung der Qualität der Verbundfuge (z.B. bezgl. Standsicherheit) sind dabei Aussagen zur Homogenität der Verbundfuge, zum adhäsiven und kohäsiven Verbundverhalten gefordert. Hierzu besteht aktuell insbesondere Bedarf an zerstörungsfreien praxisgerechten, hoch ortsauflösenden und möglichst bildgebenden Untersuchungsverfahren.
Es wird mit einem Matrixarray und mit konventionellen Winkelprüfköpfen eine Prüftechnik vorgestellt, mit der die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwelle und Fehlstelle in der Klebefuge untersucht wird. Hierbei ist das erste Untersuchungsziel, mit einer angepassten Ultraschall-Prüftechnik mögliche Inhomogenitäten oder Schädigungsstellen in der geklebten Glas-Metall Verbindung zu detektieren.
Über diese qualitativen Aussagen hinaus werden weiterführende Informationen über die flächenhafte Ausdehnung und den Ort einer mangelnden Klebung ermittelt. Dazu werden die Messwerte zusammen mit den Positionen des Ultraschallprüfkopfs aufgezeichnet. Mit Hilfe einer bildhaften Auswertung der gemessenen Ultraschallechos in Abhängigkeit vom Prüfkopfort werden die Möglichkeiten einer detaillierten Integritätsanalyse der Glas-Metall Klebschicht dargestellt. In diesem Beitrag werden experimentelle Prüfergebnisse vorgestellt, die im Sinne einer Verfahrensvalidierung an einem speziellen Beispielprobekörper zur Nachstellung einer SSG-Verglasung (ermittelt wurden und die Detektion fehlerhafter Klebestellen in einer Glas-Metall-Klebverbindung zum Ziel haben.
Measurement of spontaneous magnetic stray field signals has been reported to be a promising tool for capturing macro-scale information of deformation states, defects and stress concentration zones in a material structure. This paper offers a new method for self-magnetic leakage field detection using a magneto-optical (MO) hand-held microscope. Its sensor has a dynamic field range between ±0.05 and ±2 kA/m and a lateral optical resolution of approx. 10 µm. We examined flat tensile test specimens of metastable austenitic steel AISI 304. Static tensile tests were repeatedly interrupted at various predetermined states of strain and the magnetic information was measured by the MO system. Comparative measurements using a high-precision magnetic field GMR-sensor, verify the outstanding capability of the MO microscope regarding spatial resolution of magnetic fields.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Ultrasonic testing of adhesively bonded joints using air-coupled cellular polypropylene transducers
(2014)
In air-coupled ultrasonic testing, the impedance mismatch between the transducer and the air is commonly being solved by adding matching layers to composite transducers. To avoid the difficult technological procedure regarding matching layers, some new piezoelectric materials have been proposed. Most promising are ferroelectrets, which are charged cellular polymers, having ferroelectric and consequently piezoelectric properties. In particular, the extreme softness of cellular polypropylene (cPP) leads to a high piezoelectric constant and to a good impedance match with the air, making matching layers redundant. Its elasticity modulus below 1 MPa causes an additional effect not observed with common piezoelectric materials: that is the electrostrictive effect, here defined as the thickness change due to the attractive force between the transducer electrodes. This effect exceeds the piezoelectric effect at excitation voltages over 1 kV. The extreme softness of cPP leads also to high flexibility, enabling easy focusing by bending the transducer.
We have developed air-coupled ultrasonic transducers based on cPP. This includes the electrical matching networks for the transmitter and for the receiver. The transmitter is excited with voltages up to 2.5 kV, so that the electrostrictive effect dominates, leading to sound pressure around 145dB at the transducer surface. These transducers have been applied for testing carbon-fiber-reinforced polymer plates, adhesive joints and other composite structures. Here we report about ultrasonic transmission of two types of adhesive joints. The first one is multi-layer aluminium components with some artificial disbonds, which are common in aerospace industry, and the second one is an aluminium-steel joint with polyurethane adhesive, which is used in automotive industry.
Pore annihilation was investigated in the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4. HIP tests at 1288 °C/103 MPa were interrupted at different times, then the specimens were investigated by TEM, metallography and density measurements. The kinetics of pore annihilation was determined. The pore closure mechanism was identified as plastic deformation on the octahedral slip systems. A model describing the kinetics of pore closure has been developed on the base of crystal plasticity and large strain theory. Mechanical tests with the superalloy CMSX-4 and the Ru-containing superalloy VGM4 showed, that HIP significantly increases the fatigue life at low temperatures but has no effect on creep strength.
Geführte Ultraschallwellen bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in der Zerstörungsfreien Prüfung, der Zustandsüberwachung sowie der Materialcharakterisierung. Insbesondere für Rohrleitungen und ausgedehnte Plattenstrukturen ist eine Vielzahl von auf geführten Wellen basierenden Verfahren in der Entwicklung und teilweise bereits im Einsatz. Aufgrund des komplexen Ausbreitungsverhaltens geführter Wellen werden numerische Verfahren (etwa die Finite Elemente Methode (FEM) oder die Randelementemethode (BEM)) zur Simulation der Wellenausbreitung sowie der Wechselwirkung mit Defekten in Wellenleitern angewendet. Diese Methoden sind für große Strukturen extrem rechenintensiv und umständlich in der Anwendung. Ein ungleich effizienteres Verfahren wurde kürzlich von den Autoren auf Grundlage der Scaled Boundary Finite Element Method entwickelt. Ein semi-analytischer Ansatz erlaubt die Modellierung beliebig ausgedehnter Strukturen bei extrem kurzen Rechenzeiten. Die Wechselwirkung geführter Wellen mit Rissen kann auf besonders elegante und exakte Weise beschrieben werden. Mit dieser Methode können die komplexen Vorgänge in Wellenleitern innerhalb weniger Sekunden modelliert werden.
Fourier-Spektroskopische Untersuchungen von hochmolekularem Polyethylen (HMW-PE) und ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMW-PE) im Mittleren - und Fernen Infrarotbereich können Veränderungen der molekularen Strukturen nachweisen, die durch Co60 γ-Strahlung und Rekristallisationsprozesse initiiert werden. UHMW-PE und HMW-PE sind im gewählten IR-Bereich unterscheidbar. Die integrale Absorption der B1u – Gitterschwingungen im Fernen Infrarotbereich (THz-Bereich) ermöglichen die quantitative Beschreibung des Kristallinitätsgrades und dessen Abbau. Die Bildung ungesättigter Vinylengruppen und der Abbau ungesättigter Methylengruppen können im Mittleren Infrarotbereich nachgewiesen werden.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.
Sollten CT Aufnahmen quantitativ und automatisch ausgewertet werden, ist die Qualität der Tomogramme ein wesentlicher Punkt. Außerdem steht bei Serienmessungen nur eine begrenzte Meßzeit für jede Probe. Es werden die verschiedenen Mikrofokusröhren in Bezug auf die Parameter Orts- und Dichteauflösung, sowie Meßzeit verglichen, CT Beispiele dazu gezeigt.
Die durch Brechung an Mikrostrukturen abgelenkte Röntgenstrahlung wird direkt zweidimensional abgebildet. Dazu werden Modellproben einfacher Geometrie (Fasern, Kapillaren, monodisperse Nano- und Mikropartikel) mit einem auf 50 µm kollimierten Synchrotronstrahl (20 keV) gescannt. Die nach den Regeln der geometrischen Optik an prismatischen und linsenartigen Grenzflächen abgelenkte Strahlung wird in etwa 3 Metern Entfernung von einem Flächendetektor mit 7 µm Ortsauflösung zusätzlich zu der ungestörten Resttransmission des Primärstrahls registriert. In der Abfolge der Radiogramme werden die lokalen Orientierungsänderungen der Probekörper-Grenzflächen bei deren Abtastung mit wenigen Mikrometern Schrittweite bildhaft verfolgt. Mit der hier erreichten Winkelauflösung von etwa 3 Bogensekunden (Streuvektor-Inkremente Δk = 10-3nm-1) kann bei 50 µm Ortsauflösung das Materialvolumen bezüglich innerer Grenzflächen mit Nanometer-Separation auch bei hohen Abtastraten unterhalb einer Sekunde pro Bild charakterisiert werden.