Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
Paper des Monats
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Material extrusion of thermoplastic polymers enables the realization of complex specific designs with high performance composites. The present study aims at evaluating the mechanical properties of carbon fiberreinforced semi-crystalline thermoplastic polymer polyether ether ketone (CFR-PEEK) manufactured by material extrusion and correlating them with results obtained by micro-CT. Samples in the shape of small bars were provided by Kumovis (Munich, Germany). The determination of surface roughness and density was followed by three-point bending tests. To reveal the pore distribution as well as the fusion quality of CFR PEEK when applied with external forces, micro-CT scans were performed with an X-ray microscope before and after the mechanical test to localize the sites where the fracture is generated. The density of CFR-PEEK bars indicated that they had superior mechanical properties compared with our previous study on unfilled 3D printed PEEK (bending modulus: (5.4 ± 0.5) GPa vs. (1.05 ± 0.05) GPa to (1.48 ± 0.10) GPa; bending strength: (167 ± 11) MPa vs. (51 ± 15) to (193 ± 7) MPa). Micro-CT analyses revealed the local 3D-distribution of voids. Voids of 30 μm diameter are nearly spherical and make up the main part of the total porosity. The larger the voids, the more they deviate from a spherical shape. Significant lack-of-fusion voids are located between the deposited filaments. By growing and merging, they act as seeds for the forming fracture line in the region of the flexural specimens where the maximum local tensile stresses occurred under bending load. Our work provides a detailed analysis of printed PEEK with fiber additive and relates this with mechanical properties.
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 Ablenkung 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.
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 microstructure of an apatite-wollastonite (code name AP40) glass-ceramic is analyzed in this study by combining 2D microscopy, phase analysis, X-ray absorption and synchrotron X-ray refraction computed tomography (XCT and SXRCT, respectively). It is shown that this combination provides a useful toolbox to characterize the global microstructure in a wide scale range, from sub-micrometer to millimeter. The material displays a complex microstructure comprising a glassy matrix with embedded fluorapatite and wollastonite small crystals. In this matrix, large (up to 200 μm) spike-shaped structures are distributed. Such microstructural features are oriented around a central sphere, thereby forming a structure resembling a sea urchin. A unique feature of SXRCT, in contrast to XCT, is that internal interfaces are visualized; this allows one to show the 3D distribution of these urchins with exceptionally good contrast. Furthermore, it is revealed that the spike-shaped structures are not single crystals, but rather composed of sub-micrometric crystals, which are identified as fluorapatite and diopside phases by SEM-EDX analysis.
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.