Analytische Chemie
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Typically, the near-eutectic Al-Si alloys consist of highly interconnected three-dimensional network of the eutectic Silicon (Si) and intermetallics embedded into Aluminium (Al) matrix. For further improvement of the mechanical properties of such alloys, often, one single ceramic reinforcement phase, e.g. silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) in the form of fibres or particles is added. However, hybrid reinforcements (fibres and particles) can further improve wear resistance and fracture toughness, and additionally, reduce anisotropy of the material. The engineering of metal matrix composites (MMC) for specific application requirements benefits from a comprehensive knowledge of the failure behaviour. Therefore, damage evolution under compression was investigated on:
- pure near-eutectic AlSi12CuMgNi matrix alloy
- type I: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (15 vol.%)
- type II: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (7 vol.%) and additional SiC particles (15 vol.%)
The analysis of damage mechanism was carried out in two rather independent but complementary studies. First, selected sister samples of every material were exposed to quasi-static compression (traverse control). The compression tests were interrupted at different strain levels. Miniature cylinders with a diameter of 1mm were extracted from the pre-strained samples and investigated by synchrotron computed tomography (SX-µCT) with a spatial resolution of about 0.7 µm. For the pure matrix alloy, microcracks are confined to the intermetallic particles and to the eutectic Si, hence no damage was observed in the Aluminium. The composite type II revealed a more effective strain accumulation (less damage) than type I at low plastic strain (up to 5 %), but a more catastrophic damage development due to cracking of the SiC clusters at higher strain levels.
The second approach to study the damage initiation and accumulation in the materials subjected to compressive load was Acoustic Emission (AE) analysis. In this case the in-situ monitoring of the acoustic emission signal was performed during compression tests on specimens with dimension of several mm. For all three material types, AE activity set at 2% strain. Differences in AE behaviour of the three materials was proven based on AE hitrate, signal peak amplitudes as well as weighted peak frequencies (WPF). Future work focuses on combination of AE and SX-µCT aiming for more detailed knowledge on damage mechanism of metal matrix composites.
To better understanding the failure of adhesive joints tensile tests were carried out on miniature test specimens from Norway spruce in the synchrotron. Urea-formaldehyde resin was used as adhesive. e. For comparison purposes, tensile tests were carried out on solid wood and on bonded miniature tensile shear samples with acoustic emission. The acoustic emission signals of all the experiments occurred with classified pattern recognition. This resulted in two classes of signals for each two frequency peaks. One class consisted of the low-frequency and the other of the higher-frequency peak of higher intensity, but this was essentially independent from the structure (solid wood or plywood) and size scale of the test specimens. The influence of the adhesive layers was determined on wood test specimens on laboratory scale and on miniature test specimens with an adhesive layer and selected fiber orientations. This gave evidence that the sound emission signals from the failure of the adhesive layer presumably of the class with low frequency signals peak in the range of services can be assigned.
Acoustic Emission
(2018)
Das Phänomen Schallemission (eng. Acoustic Emission, AE) ist eine Begleiterscheinung bei aktiven Mechanismen und Prozessen wie sie in Werkstoffen auftreten, die einer Belastung durch Krafteinwirkung oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Plastische Verformung, Risswachstum, Korrosion oder der Übergang zu einer anderen Phase generieren u.a. transiente elastische Wellen, die sich im Werkstoff und an der Materialoberfläche ausbreiten. Auftretende Auslenkungen von wenigen hundert Pikometern sind mit piezo-elektrischen AE Sensoren detektierbar. Aufzeichnungsraten von bis zu 40 MHz ermöglichen dabei zeitliche Auflösungen von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Die Dechiffrierung der detektierten Informationen ist für die Material- und Versagenscharakterisierung sowie für Anwendungen in der Struktur- oder Prozessüberwachung ein zentraler Forschungsschwerpunkt.
Nach einem kurzen Überblick zu den Grundlagen werden ausgewählte Ansätze der AE Methode vorgestellt und diskutiert:
1) AE Monitoring von Pipelines als Referenzmessung für die Entwicklung eines akustischen faseroptischen Monitorings (AGIFAMOR)
2) Schwellwertfreie AE Messung im 4-Punkt-Rohrbiegeprüfstand BAM_9.1 (AGIFAMOR)
3) Kombination von AE mit Röntgen-Mikrotomografie und die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung ermöglichen eine Zuordnung von AE und Mechanismen (Ergebnisse aus dem SNSF Projekt Nr. 127'134, Baensch 2014, Diss. ETH No. 22372)
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
The current establishment of stretchable electronics to form a seamless link between soft or even living materials and the digital world is at the forefront of multidisciplinary research efforts, bridging physics, engineering and materials science. Magnetic functionalities can provide a sense of displacement, orientation or proximity to this novel formulation of electronics. This work reviews the recent development of stretchable magnetic field sensorics relying on the combination of metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles or microcracks), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world’s first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetosensorics is described. Soft giant magnetoresistive elements exhibiting the same sensing performance as on conventional rigid supports, but with fully strain invariant properties up to 270% stretching have been demonstrated. With their unique mechanical properties, these sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. Stretchable magnetoelectronic sensors can equip soft and epidermal electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like electronic skins, smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.
Remote gas sensors like those based on the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) enable mobile robots to scan huge areas for gas concentrations in reasonable time and are therefore well suited for tasks such as gas emission surveillance and environmental monitoring.
A further advantage of remote sensors is that the gas distribution is not disturbed by the sensing platform itself if the measurements are carried out from a sufficient distance, which is particularly interesting when a rotary-wing platform is used.
Since there is no possibility to obtain ground truth measurements of gas distributions, simulations are used to develop and evaluate suitable olfaction algorithms.
For this purpose several models of in-situ gas sensors have been developed, but models of remote gas sensors are missing.
In this paper we present two novel 3D ray-tracer-based TDLAS sensor models. While the first model simplifies the laser beam as a line, the second model takes the conical shape of the beam into account.
Using a simulated gas plume, we compare the line model with the cone model in terms of accuracy and computational cost and show that the results generated by the cone model can differ significantly from those of the line model.
Remote gas sensors like those based on the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) enable mobile robots to scan huge areas for gas concentrations in reasonable time and are therefore well suited for tasks such as gas emission surveillance and environmental monitoring. A further advantage of remote sensors is that the gas distribution is not disturbed by the sensing platform itself if the measurements are carried out from a sufficient distance, which is particularly interesting when a rotary-wing platform is used. Since there is no possibility to obtain ground truth measurements of gas distributions, simulations are used to develop and evaluate suitable olfaction algorithms. For this purpose several models of in-situ gas sensors have been developed, but models of remote gas sensors are missing. In this paper we present two novel 3D ray-tracer-based TDLAS sensor models. While the first model simplifies the laser beam as a line, the second model takes the conical shape of the beam into account. Using a simulated gas plume, we compare the line model with the cone model in terms of accuracy and computational cost and show that the results generated by the cone model can differ significantly from those of the line model.
Remote sensing of hazardous substances is a key task that can be achieved with the help of remotely operated platforms equipped with specific sensors. A huge variety of methods and used vehicles have been developed for different purposes in recent years. The term smart dust refers to a science fiction novel and develop shortly after into a research proposal at UC Berkley funded by DARPA. Subsequently, the topic gained attraction but was overall considered as to complex for the technologies available at that time. In the launched passive smart dust project, we shift to a simple “chemical intelligent” passive sensor particle on the ground combined a read-out active sensor attached to an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The reactive particle surface can be preadjusted in the lab for exact desired properties regarding certain reactions to hazardous substances.
Moreover, the aimed interaction with the active sensor can be modified. Planed applications allow for different materials e.g., for short time measurement, being ecologically degradable, or weather stable for long time monitoring.
Der Fokus des Arbeitsfelds ist die messtechnisch fundierte Anwendung der 3D-Verfahrenskombination zur Lösung vielfältiger Messaufgaben mit optimaler Datenqualität für interne und externe Kunden.
Das setzt insbesondere eine jeweils problembezogene Messmethodik voraus. Dazu setzen wir kameragestützte 3D-Koordinatenmessverfahren ein, die auf dem fotogrammetrischen Prinzip der Bildtriangulation beruhen. Darunter fallen folgende miteinander flexibel kombinierbare Verfahrensmodifikationen: Mehrbildfotogrammetrie, Messadapter für Geometriemerkmale, Streifenprojektionsverfahren, statische bis hochdynamische Stereofotogrammetrie auf Punktebasis oder aufgabenangepasster Oberflächenmuster und mechanisch-optische Taster.