Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Impulsthermografie ist ein bekanntes zerstörungsfreies Prüfverfahren, welches sehr gut geeignet ist, um geometrische Eigenschaften von Materialfehler, thermische Materialparameter sowie die Dicke von Objekten zu bestimmen. Die Anwendung auf semitransparente Materialien ist jedoch recht neu und anspruchsvoll, insbesondere für semitransparente Mehrschichtmaterialien wie glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Um die Dicke beschichteter und unbeschichteter semitransparenten Proben mittels Impuls-Thermografie bestimmen zu können, verwenden wir ein analytisches Modell, welches auf der Quadrupol-Methode basiert.
Unser 1D-Modell berücksichtigt:
• die Semitransparenz der Probe,
• die Wärmeverluste an den Seitenflächen,
• beliebige zeitlichen Form des Heizimpulses (um die Messbedingungen für verschiedene Wärmequellen korrekt zu beschreiben),
• mögliche Flächenabsorption an der Vorder- oder Rückseite (für beschichtete Proben),
• und Mehrschichtsysteme.
Durch Anpassung der Ergebnisse des analytischen Modells an experimentelle Daten ist es möglich, die Dicke der Probe zu bestimmen, sofern die thermischen Materialparameter bekannt sind. Diese können z.B. durch Kalibrierungsmessungen an Proben desselben Materials mit bekannter Dicke bestimmt werden.
Borosilicate glass has a wide range of technical applications due to its high chemical durability and thermal-shock resistivity. Here the effect of H2O on 16 Na2O, 10 B2O3,74 SiO2 glass is studied over a wide range of water contents from 0 to 8 wt.%. MIR spectra give evidence for the coexistence of strongly and weakly H-bonded hydrous species. Evaluation of NIR bands at 5200 cm-1 (molecular H2O), 4700 cm-1 (B-OH), and 4500 cm-1 (Si-OH) reveal that OH groups dominate up to ~6 wt.% H2O, with B-OH/Si-OH of ≈ 0.8. The incorporation of low amounts of H2O has strong impact on structure. NMR spectra of nominally dry glasses indicate a significant fraction (12 %) of 3-coordinated boron, but almost all boron is 4-coordinated after addition of 3 wt.% H2O. Raman spectra show that hydration results preferentially in transformation of Q4 to Q2 while Q3 remain unchanged, probably stabilized by bonding to BO4 tetrahedra. Viscosity measurements and differential thermal analysis give consistent results, confirming strong decrease of the glass transition temperature with addition of water from 849 K (dry) to 540 K (5 wt% H2O). An additional relaxation mechanism in hydrous glasses is inferred from dynamic mechanical analysis and is assigned to cooperative processes involving hydrous species. It is postulated that this relaxation mechanism plays an important role in crack growth kinetics.
Borosilicate glass has a wide range of technical applications due to its high chemical durability and thermal-shock resistivity. Here the effect of H2O on 16 Na2O, 10 B2O3,74 SiO2 glass is studied over a wide range of water contents from 0 to 8 wt.%. MIR spectra give evidence for the coexistence of strongly and weakly H-bonded hydrous species. Evaluation of NIR bands at 5200 cm-1 (molecular H2O), 4700 cm-1 (B-OH), and 4500 cm-1 (Si-OH) reveal that OH groups dominate up to ~6 wt.% H2O, with B-OH/Si-OH of ≈ 0.8. The incorporation of low amounts of H2O has strong impact on structure. NMR spectra of nominally dry glasses indicate a significant fraction (12 %) of 3-coordinated boron, but almost all boron is 4-coordinated after addition of 3 wt.% H2O. Raman spectra show that hydration results preferentially in transformation of Q4 to Q2 while Q3 remain unchanged, probably stabilized by bonding to BO4 tetrahedra. Viscosity measurements and differential thermal analysis give consistent results, confirming strong decrease of the glass transition temperature with addition of water from 849 K (dry) to 540 K (5 wt% H2O). An additional relaxation mechanism in hydrous glasses is inferred from dynamic mechanical analysis and is assigned to cooperative processes involving hydrous species. It is postulated that this relaxation mechanism plays an important role in crack growth kinetics.
THz time domain spectroscopy (TDS) operates with short electromagnetic pulses. The sensitivity of the pulses to optical material property changes makes THz-TDS attractive for the detection of flaws in dielectric materials. Unfortunately, the X-ray computed tomography (CT) model holds only for THz-TDS reconstruction if minor refraction index differences between the inhomogeneities and the surrounding material matrix exist. A Time Domain SAFT algorithm has been developed to overcome the restrictions. THz time domain measurement on representative sample sets with inherent artefacts were performed to use them for the image reconstructions. The results will be presented and compared with optical surface images of the used test objects to evaluate the SAFT algorithm in relation to the reconstruction quality.
THz applications for NDT
(2017)
Electromagnetic waves in the frequency range between 0.1 and 10 THz are described as THz-radiation (T-ray). The ability to penetrate dielectric materials, to operate contactless and to be non-ionizing as well as be-ing insensitive to ambient temperatures makes THz technologies for NDT applications attractive especially where other techniques are not available or less suitable. Today T-rays are applied in non-destructive testing for quality control and condition monitoring issues. The operation is based on the combination of both transmission and/or reflection measurements and specially developed reconstruction procedures. Firstly, THz-TDS measurements will be presented to demonstrate the opportunities for spectroscopy and imaging of polymer materials. A SAFT algorithm and an Optical Layer-Model will be presented and discussed in more detail to demonstrate the opportunities of image reconstruction for visualization of the inner structures of op-tically and far infra-red opaque polymer composites.
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.
Im Rahmen eines BMWi Projekts der Fa. Innovent Jena, bei dem ein neuartiger optischer Sensor zur Bewertung der Oberflächenqualität und Reinheit von optischen Gläsern im Fokus stand, wurden die abbildende Ellipsometrie, die IR-Mikroskopie und die Weißlichtinterferenzmikroskopie als Referenzverfahren herangezogen. Mittels Brewster-Winkelmessungen konnten „Wolkenstrukturen“ identifiziert werden, die bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen zu Schichtdefekten führen können. Außerdem wurden mittels Ellipsometrie Änderungen im Brechungsindex der Floatgläser (Luft- bzw. Zinnseite) nachgewiesen. Topographie Oberflächenmerkmale wie Welligkeit, Rauheit und Kreuzrillen konnten mittels Weißlichtinterferenzmikroskopie bzw. abbildender Ellipsometrie identifiziert werden.
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.
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.
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 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.
Copolymers made of polycarbonate (PC) and polydimethylsiloxane (PDMS) are broadly applied in material science. High impact-stability and transparency are the marks of bisphenol-A polycarbonate. PDMS on the other hand excels in thermal stability, flame resistance and weatherability. Combining those favourable characteristics in a copolymer yields in a ductile but impact-resistant and flame retardant material. In order to understand the synthesis process and to improve the quality and characteristics of a copolymer, knowing its structure is essential. The challenge lies in the variety of heterogeneities like molecular mass-, block-size- and block-distribution.
This study addresses the structural characterization of PC-PDMS-copolymers using different liquid chromatographic techniques, including two dimensional combinations, hyphenated to MALDI-mass spectrometry and FTIR. The large difference in polarities of PC and PDMS is a challenge for liquid chromatography as well as ionization in MALDI. Nevertheless, we were able to differentiate between homopolymer and actual copolymer, clarify the presence of cyclic structures and gain information about the PDMS blocks
Im Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Menzel (TU Braunschweig) wurde in Sievershausen ein Vortrag zum Thema „Self-healing and mechanically reinforced silicone rubber by the use of multifuctional capsules“ gehalten. Der Vortrag beginnt mit einer kurzen Motivation und einem Überblick über selbstheilende Materialien. Daraufhin werden die Ergebnisse zur Entwicklung eines selbstheilenden Silikonelastomers auf Basis von Kapseln, bestehend aus einem PDMS Kern und einer POS Hülle, dargestellt. Es folgt die Analytik, die auf DLS, TGA, UV/Vis und Fluoreszenzspektroskopie sowie SEM beruht. Der Vortrag endet mit einem Ausblick über zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet.
This technique is the first to provide a measurement of the full strain field locally in the immediate vicinity of the solidification front. Automatic identification of the cases that can be critical for the solidification crack formation the described procedure of the optical measurement allows the real material-dependent values of critical strain characterising the transition to hot cracking during laser welding processes to be determined. The local critical strain in vicinity of the solidification front has observed between 3.6 and 4.2%.
Experimental determination and analysis of dynamic fracture toughness data of ductile cast iron
(2017)
Ductile Cast Iron materials (DCI) have become important structural materials. Neverthe-less, to draw maximum benefit from DCIs property potential, tailored testing methods must be provided. The established dynamic Jd-R and CTOD 5d-R curve procedures are based on material specifically developed, independent experimental techniques but pro-vide almost matching results. This can be seen as additional validation of the Jd procedure which was mandatory.
Welding Technology
(2017)
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität der gebildeten Deckschichten unter verschiedenen klimatischen Bedingungen erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Deckschichtzustände an Zink der Mehrwert von Untersuchungen mit gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung verdeutlicht.
Der Beitrag stellt eine neue Herangehensweise zur Bestimmung und Bewertung von Tafelfaktoren unter Verwendung gelartiger Elektrolyte und der Electrochemical Frequency Modulation (EFM) vor. Diese relativ neue elektrochemische Methode bietet die Möglichkeit, innerhalb einer Messung und in kurzen Messintervallen sowohl Polarisationswiderstände als auch Tafelfaktoren zu bestimmen. Ausgehend von einer umfassenden Parameterstudie wird gezeigt, dass ein direkter Zusammenhang zwischen den beiden Werten besteht, der mathematisch beschrieben werden kann. Die ermittelten B-Werte werden in diesem Beitrag vorgestellt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Grenzen diskutiert.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität der gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Deckschichtzustände an Zink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung verdeutlicht.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität der gebildeten Deckschichten erlauben. Der Vortrag stellt das Promotionsthema vor und erläutert die Untersuchungsschwerpunkte.
Ein neuartiger Modellierungsansatz für die Berechnung des transienten Temperaturfeldes beim Laserstrahlschweißen mit einer äquivalenten Wärmequelle wurde vorgestellt. Das numerische Modell wurde in zwei Studien unterteilt. Im ersten Teil wurde der Laserstrahlschweißprozess in einer stationären Schmelzbadsimulation untersucht. Die lokale Schmelzbadgeometrie und das Temperaturfeld wurden unter Berücksichtigung der Effekte der thermokapillaren und freien Konvektion, der latenten Wärme und der temperaturabhängigen Materialeigenschaften bis hin zur Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Ergebnisse wurden benutzt, um eine äquivalente volumetrische Wärmequelle zu definieren. In der folgenden Studie wurde damit das transiente Temperaturfeld im geschweißten Bauteil berechnet. Die numerischen Ergebnisse wurden durch parallel laufende Experimente validiert.
Transient process simulation of heat transfer in laser beam welding with an equivalent heat source
(2017)
A multi-physics modelling framework developed for the prediction of the three-dimensional transient temperature field of the laser welding process is presented. The numerical model consists of two studies. In the first study, a steady-state CFD process simulation of full-penetration keyhole laser beam welding was performed. Considering the effects of latent heat, natural and thermo-capillary convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature the local weld pool geometry and temperature field were obtained. These results were used in the second subsequent study, as an equivalent volumetric heat source, by the prediction of the transient thermal cycle during and after fusion welding. Here the energy input and the movement of the heat source were realized by a novel technique, making use of pointwise constraints and a moving mesh provided with helper lines and additional remeshing condition. The numerically calculated results were compared to experimentally observed weld pool shapes and time-temperature curves and show a very good agreement.
Der vorgestellte Modellierungsprozess dient zur Abschätzung einer geeigneten äquivalenten Wärmequelle und Berechnung des thermischen Verhaltens beim Laserstrahlschweißen. Die Methode Kombiniert die Vorteile von gägngigen Simulationsverfahren und reduziert die berücksichtigte Anzahl an physikalischen Aspekten und Kalibrierungsparameter. Durch die modellierten physikalischen Phänomene konnten die Informationen über die Strömung im Schmelzbad und dessen Einfluss auf die resultierende lokale Temperaturverteilung und folglich auf das transiente Temperaturfeld gewonnen werden. Dadurch wurde die Simulatioszeit(inkl. Kalibrierungsaufwand) auf weniger als einen Tag Rechenzeit verringert.
Geothermal brine is considered to be an aggressive
environment as it contains various dissolved salts.
Even though carbon steel is commonly used as a
construction material due to its machinability and
economical reason, it is susceptible to uniform and
localized corrosion in a high temperature and high
pressure system. Therefore, a coating system is
introduced to protect the carbon steel against
corrosion in such environment.
1. Carbon steel is susceptible to uniform corrosion in presence of oxygen, with corrosion rate of immersion at 150 °C of 0.39 mm/a.
2. Exposure test of carbon steel at 150°C and 10 bar (pressurized by Ar) results in pitting corrosion with depth of 19 µm and width 4 µm on average.
3. OCP measurement shows that the stability of measurement is reached after 40 hours of immersion in the solution.
4. EIS measurement is useful to observe the effect of temperature, immersion time, and coating composition on the corrosion processes of coated metals for use in geothermal application.
The demand for improved castability and low angle grain boundary (LAGB) resistance has led to the addition of low contents of e.g., B, Hf, Zr or C, into large industrial gas turbine components made of Ni-base superalloy single crystals (SXs). Due to the long-term application of Ni-base superalloy SX components in the temperature regime > 1000 °C, the formation of carbides is highly probable, which could jeopardize mechanical properties, such as high cycle fatigue. In the present contribution, the effect of internal and external stresses on the nucleation and growth characteristics of M23C6 carbides is investigated. Creep experiments are performed on the Ni-base superalloy SX LEK 94, which shows a low C concentration (= 0.1 at. %), at 1020 °C under parallel and circularly notched tensile specimens at a nominal stress of 160 MPa in the crystallographic direction [001]. The carbides are then characterized via scanning (S) and transmission (T) electron microscopy (EM). Nucleation is enhanced in the dendritic cores, often as coalesced colonies, extending over micrometers within M-rich (M: Cr, Re, W, Mo) γ channels. Lath shapes with facets on {100} (parallel to growth direction) and {111} are common. These facets exist since early stages (Fig.1a) and later develop misfit dislocations (Fig.1b), preserving the orientation relationship {100}γ || {100}M23C6. Fig. 1c shows a region from the creep gage, where carbides interact with superdislocations in the γ’ phase. Possible mechanisms are discussed.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass matrix composites, and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by gas bubble formation. Against this background, we studied sintering and foaming of barium silicate glass powders used as SOFC sealants using different powder milling procedures. Sintering was measured by means of heating microscopy backed up by XPD, differential thermal analysis, vacuum hot extraction (VHE), and optical and electron microscopy. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the powder compacts were uniaxially pressed and sintered in air, the milling atmosphere significantly affected foaming. The strength of this effect increased in the order Ar ≈ N2 < air < CO2. Conformingly, VHE studies revealed that the pores of foamed samples predominantly encapsulated CO2, even for powders milled in Ar and N2. Results of this study thus indicate that foaming is caused by carbonaceous species trapped on the glass powder surface. Foaming could be substantially reduced by milling in water and 10 wt% HCl.
Surface roughness, RZ, normal transmittance, ΤN, total transmittance, ΤT, and photovoltaic (PV) module efficiency, ηS, were measured for commercial solar glass plates and PV test modules identically sandblasted with different loads of quartz sand (200–400 μm), impact inclination angles, and sand particle speed. Measured data are presented versus the specific energy uptake during sand blasting, E (J/m2). Cracks, adhering particles, and scratch-like textures probably caused by plastic flow phenomena could be observed after sand blasting. Their characteristic size was much smaller than that of sand particles. After blasting and subsequent cleaning, the glass surface was still covered with adhering glass particles. These particles, cracks, and scratch-like textures could not be removed by cleaning. For sand blasting with α = 30° inclination angle and E = 30 000 J/m2, normal transmittance, total transmittance, and relative module efficiency decreased by 29%, 2% and ∽2%, respectively. This finding indicates that diffusive transmission of light substantially contributes to PV module efficiency and that the module efficiency decrease caused by sand erosion can be better estimated from total than by normal transmittance measurements.