Analytische Chemie
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- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (2)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
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Der Vortrag gibt den aktuellen Stand der Normung im Bereich der Oberflächen-technik insbesondere der Oberflächenanalytik und der Oberflächenmess- und -prüftechnik wider.
Vorgestellt wird der Status technischer Berichte, Normenentwürfe und Normen u.a. zur Charakterisierung von funktionellen Glasoberflächen für bioanalytische Anwendungen, zur Messung der Schichtdicke von Nanomaterialien mittels Ellipsometrie, zur Kalibrierung von Interferometern und Interferenzmikroskopen für die Formmessung, zur Rockwelleindringprüfung zur Bewertung der Schicht-haftung, zu den Grundlagen der Ellipsometrie, zur Messung der Schichtdicke mittels Wirbelstromverfahren, zur Schichtpotentialmessung von Mehrfach-Nickelschichten, zu Filtern und Augenschutzgeräten gegen Laserstrahlung sowie zur Bestimmung der Schichthaftung mittels Zugversuch.
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 mittels CAT-Technologie (centrifugal adhesion testing) an der BAM 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.
Imaging of surfaces regarding topographical, morphological, micro-structural, and chemical features is a key requirement for quality control for the identification of contaminated, degraded, damaged or deliberately modified surface areas vs. clean, virgin, undamaged or unmodified regions. As optical functions may represent any of these changes on the micro- and nano-scale, imaging ellipsometry (IE) is the technique of choice using either intensity, phase, or/and amplitude contrast for visualization of low-contrast surface modifications [1, 2]. Defects or surface and film features whether native or artificial, intended or unintended, avoidable or unavoidable as well as surface pattern are of interest for quality control. In contrast to microscopic techniques operated at normal incidence, ellipsometry as oblique-incidence technique provides improved contrast for vertically nano-scaled add-on or sub-off features such as ultra-thin transparent films, metallic island films, carbon-based thin films, laser modification or laser induced damage, dried stain, cleaning agent or polymeric residue. Two-sample reference techniques, i.e. referenced spectroscopic ellipsometry (RSE) may further increase sensitivity and decrease measurement time. In case of particulate accumulations depolarization contrast imaging (DCI) may improve the lateral resolution beyond the Abbe limit. This has been proven for silica spheres as reference in terms of single particles, particulate accumulations or particulate monolayers and layer stacks. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were used for reference measurements of particle diameter, particle height, or particulate layer/accumulation thickness. It has been shown that single silica particles of 250 nm in diameter, i.e. at least a factor of 4 better than the lateral resolution limit as of now, can be visualized on even substrates. However, the ellipsometric measurement of particle diameters of this size needs further efforts interpretation.
Der Vortrag widmet sich der „ELLIPSOMETRISCHE KLASSIFIZIERUNG VON KOHLENSTOFFSCHICHTEN“ und beschreibt die Punkte: 1. Anwendungen Kohlenstoffschichten–Carbon–based films (DLC) aus dem Vortrag N. Ohtakeet. al. (ISO TC 107, Tokyo 2017),2. Präparation der Kohlenstoffschichten für ISO TC 107 Ringversuch aus Vortrag M. Hiratsuka et. al. (ISO TC 107, Tokyo 2017), 3. Ellipsometrische Charakterisierung von Kohlenstoffschichten, Ergebnisse des Ringversuchs (ISO TC 107, Tokyo 2017) Vortrag Beck et. al. und 4.Deutsche Normungsaktivitäten national/international zur Ellipsometrie DIN NA 062-01-061 (DIN 50989-1)/TC 107 (PWI DE)“ im Einzelnen.
The paper addresses “WHITE LIGHT INTERFERENCE MICROSCOPY, ELLIPSOMETRY, AND INSTRUMENTED INDENTATION TESTING AS REFERENCE PROCEDURES“ and is subdivided in the following sections: 1. Measurement vs. testing vs. reference procedures, 2. White light interference microscopy (WLIM) for determination of step height h, 3. Spectroscopic ellipsometry (SE) for determination of layer thickness d and 4. Instrumented indentation testing (IIT) for determination of indentation hardness HIT. The following points are discussed in more detail: methodology of measurement and testing, uncertainty budgets for direct (WLIM), model-based (SE) and formula-based (IIT) reference procedures by means of specific examples. It is shown that standardization efforts are connected to reference procedures.
Der Vortrag widmet sich den Normenentwicklungen auf den Gebieten der
• Chemische Oberflächenanalyse und Rastersondenmikroskopie
• Elektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse
• Prüfverfahren (zu Nanotechnologien)
• Hardness Testing
• Oberflächenmesstechnik im Mikro- und Nanobereich
• Kohlenstoff- und keramische Hartstoffschichten
• Mess- und Prüfverfahren für Schichten und Schichtsysteme
• Dünne Schichten für die Optik
• Coating Qualification Tests
Zur Erhöhung der Haft- und Klebfestigkeit von Niedrigenergie-Polymeren wie PTFE, PP und PE werden plasmabasierte Aktivierungen (Realisierung von dangling bonds) und Modifizierungen (Realisierung von functional groups) verwendet. Die Effizienz dieser Modifizierungen liegt für technisch raue Oberflächen bei ca. 10%, d. h. nur jedes zehnte C-Atom wird aktiviert oder modifi-ziert, weil sowohl LP- (Low Pressure) als auch AP- (Atmospheric Pressure) Plasmen nicht topo-graphietreu wirksam werden. Zudem ist die Lebensdauer der Aktivierung bzw. Modifizierung oft sehr kurz, liegt im Bereich von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden, d.h. zeitnahe Beschich-tung oder Verklebung in Prozessfolge sind unabdingbar.
Im Projekt „HARFE - Haftung, Reproduzierbarkeit, Festigkeit“ soll untersucht werden, in wie weit diese Defizite mittels Atomlagenabscheidung (ALD: Atomic Layer Deposition) vorbeschichteten Polymeren minimiert werden können. ALD-Prozesse sind zum einen topographietreu, zum anderen sowohl ohne als auch mit Plasmaunterstützung realisierbar.
The talk addresses layer-based sensors for monitoring applications. In particular, sensor principles surface plasmon resonance (SPR), air-coupled ultrasonic, and magneto-optical coupling are discussed. Optical sensors on planar substrates are prepared by sol-gel, CVD- and PVD deposition techniques, ultrasonic sensors on planar and curved substrates are made by means of PVD processes, and magnetostrictive coatings for magneto-optical sensors are deposited on fibre-based Bragg gratings (FBGs) using PVD and ECD techniques. For all kinds of sensors design and function are explained and discussed, i.e. regarding sensitivity. It is shown that a) SPR enhanced ellipsometry is a promising tool for gas monitoring of hazardous gases, that b) thermos-acoustic and piezo-electric pulse-echo techniques are relevant for damage inspection of hidden volume defects of CFRPs, and that c) magnetostrictive-optical sensors with self-calibrating (magnetic reference field) function are useful for structural health monitoring in terms of strain sensors.
Der Vortrag widmet sich modifizierten Oberflächen zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit sowie entspre-chenden Prüfmethoden und bewertet deren Praxis-tauglichkeit. Nach einer Übersicht zu Begriffen und Definitionen wird die wirtschaftliche Bedeutung der Kratzbeständigkeit aufgezeigt. Neben generellen Anforderungen an Mess-und Prüfverfahren hinsicht-lich Einsatzbereichen, Messunsicherheit und Validie-rung werden diverse Verfahren zur Erzeugung und Bewertung Einzel- und Vielfach-Kratzern nebst ent-sprechenden Normen vorgestellt. Die analytische Charakterisierung, werkstofftechnische Gesichts-punkte und eine Zusammenstellung aktuell gültiger Normen zur Kratzbeständigkeit schließen den Vortrag ab.
Die Angabe der Messunsicherheit wird im Rahmen von Konformitätsbewertungen gefordert. Die Messunsicherheit gibt an, wie sicher der wahre Wert der Messgröße getroffen wird. Für ihre Ermittlung gibt es unterschiedliche Ansätze, allen voran der „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ (GUM). In der geplanten Auditoren- und Bewerterschulung sollen in einem Übersichtsvortrag "Uncertainty Budgets in Measurement and Testing for Surface Characterization: Ellipsometry, Hardness and Adhesion Testing" Herangehensweisen und Methoden zur Ermittlung der Messunsicherheit vorgestellt und anschließend anhand beispielhafter Anwendungen aus den Arbeitsbereichen der BAM erklärend untersetzt werden.
Mit dieser Schulung sollen die Auditoren und Bewerter der BAM befähigt werden, geltende Anforderungen zur Messunsicherheit handhaben und beurteilen zu können.
Interlaboratory comparison: optical property classification of carbon-based films by ellipsometry
(2017)
The paper addresses the “INTERLABORATORY COMPARISON: OPTICAL PROPERTY CLASSIFICATION OF CARBON-BASED FILMS BY ELLIPSOMETRY” and the following points are discussed in more detail: Established classification for mechanical properties, Complementary classification for optical properties, Ellipsometry for determination of optical constants n-k plane as material fingerprint, Samples, participants & set-ups (samples: Japan, participants: Japan, Germany, France, set-ups: Japan, Germany, USA) and Results of interlaboratory comparison: thickness, n & k.
Der Vortrag widmet sich der „Quantifizierung der Festigkeit von Kunststoffklebungen & -beschichtungen: Vorbehandeln, Kleben und Prüfen im OKTETT“ und beschreibt das Mehr-Proben-Konzept zur Herstellung und Prüfung von Klebeverbunden. Vorgestellt werden die Mehr-Proben-Klebevorrichtung sowie die Centrifugal Adhesion Testing (CAT) Technologie zur Bestimmung der Haft- und Klebefestigkeit von Beschichtungen (Al auf PP, SiO2 auf CR39).
Der Stand der Normung im Bereich der Oberflächentechnik wird zusammengefasst. Aktuelle Normungsvorhaben zur chemischen Oberflächenanalyse, Rastersondenmikroskopie, Nanotechnologie, Oberflächenmesstechnik im Mikro- und Nanobereich, für Anwendungen von Kohlenstoffschichten sowie von Mess- und Prüfverfahren für metallische und anorganische Überzüge werden vorgestellt. Ein Ringversuch zur Klassifizierung von Kohlenstoffschichten mittels Ellipsometrie wird diskutiert. Abschließend wird das DIN-Terminologie Portal erläutert.
Der Vortrag widmet sich dem „Ringversuch zur Klassifizierung von Kohlenstoffschichten mittels Ellipsometrie“ und beschreibt die experimentellen Eckdaten, die Ellipsometrie als Messmethode am Beispiel DLC auf Stahl, Proben vs. n-k Ebene vs. Ergebnisse des Ringversuches, messtechnische Bewertung des Ringversuches und normative Bewertung des Ringversuches sowie Schlussfolgerungen.
The comprehensive knowledge of material properties as engineered and the material behavior in use is of huge importance for the functionality and reliability of processes and products. Hence, the accurate determination of material properties is a prerequisite for the applicability of a given material. Nowadays, macroscopic product features are originated by material properties on the microscopic and nanoscopic scale. This is a general challenge for uncertainty budgets in measurement and testing based on a conformity assesment.
Testing labs accreditated according to DIN EN ISO/IEC 17025 have to meet these demands. This paper focuses on the measurement of physical quantities (measurand with value and unit) and on the testing of material properties (qualitative, semi-quantitative or quantitative characteristics) of solid state materials. For both measurement and testing, the expression of uncertainty according to GUM is essential. Regarding the object/sample one has to subdivide in surface and bulk features, from the measurement/testing point of view destructive vs. nondestructive procedures have to be distinguished. Moreover, direct mesurement/testing and model-based determination of quantities/properties of interest require different approaches regarding the expression of uncertainty. For surface quantities and properties as discussed here, further considerations have to be made with respect to localized (lateral extension, native or artificial) or stratified (homogeneity and isotropy) material features vs. mapping (integration area) and imaging (lateral resolution and field of analysis) specifications of the measurement/testing procedure.
The concept of uncertainty budgets and the expression of uncertainty is introduced and discussed in more detail for the nondestructive model-based determination of thickness by spectroscopic ellipsometry (SE), the destructive determination of adhesion by means of centrifugal adhesion testing (CAT). It is shown that the expression of uncertainty for these examples and real materials requires different approaches resulting in either quantitity values with unit or qualitative/quantititative attributes with calculated/estimated uncertainties in agreement with GUM.
Der Vortrag widmet sich Haftung und Haftfestigkeit bezüglich Grundlagen, Einflussgrößen sowie Prüfverfahren und beschreibt die Punkte: Generische und spezifische Motivation, Einflussgrößen auf Haftfestigkeit und Haftung von Beschichtungen, Prüfverfahren zur quantitativen Bestimmung der Haftfestigkeit und zur qualitativen Klassifizierung bzw. semi-quantitativen Bewertung der Haftung im Einzelnen.