Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 7.1 Baustoffe (5)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (4)
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) hat sich in den letzten Jahren als eine vielseitige Abbildungstechnik von Oberflächen mit einer sehr hohen Ortsauflösung etabliert. Über die Untersuchung der reinen Oberflächentopographie sind erweiterte Modi in der Lage, gleichzeitig Informationen über die elektrischen und magnetischen Eigenschaften sowie Adhäsionsprozesse auf Oberflächen zu liefern. Interessanter wird es, wenn das AFM mit geeigneten Messzellen für in-situ-Untersuchungen in kontrollierten Atmosphären oder in Elektrolyten unter elektrochemischer Kontrolle ausgestattet ist. Dies ermöglicht die Untersuchung von Korrosions- und Adhäsionsprozessen unter Bedingungen, die die Betriebsumgebung repräsentieren.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt unseres Fachbereiches liegt in den Untersuchungen der Deformationseigenschaften von Funktionsschichten auf Leichtmetalllegierungen, sowie in situ Untersuchungen des Korrosionsverhaltens unter kombinierter korrosiver und mechanischer Beanspruchung mittels AFM. Durch die Integrierung eines Zug-Druckmoduls in den Probentisch des Rasterkraftmikroskops haben wir jetzt die Möglichkeit, verschiedene Materialien uniaxialen Umformversuchen mit bis zu 5 kN Kraft zu unterziehen. Dabei können unter anderem auch zyklische Belastungen genutzt werden, um Ermüdungsprozesse zu simulieren. Da die Messungen in situ ohne die De- und Remontage der Probe durchgeführt werden, ermöglicht der Aufbau nicht nur Messungen mit präziser Positionssteuerung, sondern auch die Untersuchung von Prozessen im elastischen Bereich, die für die Aufklärung der Mechanismen, die zu Ermüdungsversagen führen, entscheidend sind.
Die Posterpräsentation wird detaillierte Informationen zum neuen AFM-Setup liefern und unsere aktuellen Ergebnisse zur Verformung dünner Schutzschichten auf AA2024-T3 zusammenfassen.
Wasserstoffbarrieren aus Glas erfahren zunehmend Bedeutung als Werkstoff in der Energietechnik. Trotz wachsender Anwendungen liegen überwiegend empirisch gewonnene Beziehungen zwischen Glaszusammensetzung und Wasserstoffpermeation vor, die im wesentlichen aus dem Verhalten von Kieselglas abgeleitet werden. In dieser Studie werden daher topologische Parameter der Glasstruktur identifiziert und mit thermodynamischen Parametern korreliert. Auf der Seite der Glastopologie steht das freie Volumen und der Vernetzungsgrad des Netzwerkes während auf der thermodynamischen Seite die Konfigurationsentropie bzw. die Konfigurationswärmekapazität Aufschluss über die Verteilung des freien Volumens geben kann. Dabei wird angenommen, dass für Temperaturen weit unterhalb der Glasübergangstemperatur die chemische Löslichkeit von H2 zu vernachlässigen ist. Um die eingeschränkte Datenlage für die Wasserstoffpermeation kompositionell zu erweitern, wurden zusätzlich Heliumpermeationsmessungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass für Silicatgläser ein charkteristisches Verhältnis von freiem Volumen zu Netzwerkaufspaltung herrschen muss, um permeationsstabile Gläser zu erhalten.
- einer der größten zusammenhängenden Gebäudekomplexe in Europa
- Anfang der dreißiger Jahre von Prof. Sagebiel geplant, 1936 Baubeginn, heute zu 70%fertiggestellt
- steht heute wegen großer verkehrs- und baugeschichtlicher Bedeutung unter Denkmalschutz
- in Abfertigungshalle befindliche Fachwerkträger mit selbsttätiger Vorspannung zeigen Anfang des Spannbetonbaus
- ab 1997 Überarbeitung des Nutzungskonzeptes der Räume über den Fachwerkträgern durch Berliner Flughafengesellschaft
- Erfordernis der Abschätzung der Tragfähigkeit der Fachwerkträger
GlasDigital
(2023)
Der aktuelle Stand des MateriaDigital1 Projektes GlasDigital wird vorgestellt. Hierbei wird allgemein die Problem- und Zielstellung präsentiert, als auch auf 2 separaten Postern die Ergebnisse. Diese beinhalten zum Einen die smarte Gestaltung der robotergestützten Glasschmelzanlage der BAM inkl. Analytik und zum Anderen die Digitalisierungsbestrebungen im Bereich Glas, d.h. ML-gestützte C-S-P-Simulation, Ontologie für den Werkstoff Glas, Digitaler Zwilling des Gießprozesses.
Das EU-Projekt HOMER befasst sich mit den sogenannten Home Made Explosives (HMEs) und frei verfügbaren Rezepten für deren Herstellung. Diese Selbstlaborate spielen in der heutigen Zeit vor allem im Zusammenhang mit terroristischen Aktivitäten eine bedeutende Rolle. Informationen zu HMEs und ihrer Herstellung werden einfacher denn je über das Internet verbreitet. Hier knüpft das im 7. EU‑Forschungsrahmenprogramm finanzierte Projekt an und bezweckt, die im Internet verfügbaren Quellen auszuwerten und so die Informationslage für Sicherheitskräfte und Ermittlungsbehörden zu verbessern. Im Rahmen des Projektes wird eine automatisierte Suche von Rezepten im Internet entwickelt. Die gefundenen sowie die im Projekt generierten Informationen über HMEs sollen im Endergebnis in Form einer Software (Knowledge Management Platform) informationstechnisch nutzbar gemacht werden. Diese Datenbank soll auch für mobile Geräte zur Verfügung stehen. Der Schwerpunkt der Projektbeteiligung des Fachbereichs 2.3 Explosivstoffe der BAM liegt in der Bewertung der Rezepturen und der auf ihrer Grundlage hergestellten Laborate. Es wurden HMEs entsprechend der vorgefundenen Rezepte und unter Beachtung aller notwendigen Sicherheitsvorkehrungen hergestellt und anschließend sicherheitstechnisch geprüft und bewertet. Dabei wurden sowohl Handhabungsparameter wie die Empfindlichkeiten gegen Schlag, Reibung und thermische Einflüsse ermittelt, als auch die Leistungsparameter wie Detonationsgeschwindigkeit und Luftstoßdruckwirkung gemessen. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die genannte Datenbank ein und sollen beispielsweise Einsatzkräften vor Ort helfen, angemessene Schutzabstände zu ermitteln. Auch das Personal in Laboren der Kriminalämter profitiert von der zusammengetragenen Information über HMEs bei der Analyse von unbekannten Explosivstoffspuren.
Zur Vermeidung der schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonbauwerken wird die Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen im Vorhinein getestet. Der 60°C-Betonversuch ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Einschätzung nach fünf-monatiger Testzeit. Dazu wird die Dehnung von Betonprüfkörpern, die mit der zu testenden Gesteinskörnung hergestellt wurden, manuell alle 28 Tage gemessen. Ein alternatives, an der BAM in den vergangen Jahren entwickeltes Verfahren setzt Dehnungssensoren ein, um kontinuierlich und online zu messen. Die Dehnungskurven sind eine gute Grundlage sowohl für die Prognose vom Expansionsverhalten während des Tests als auch für die Validierung von Expansionsmodellen.
Als bildgebendes und zerstörungsfreies Verfahren eignet sich die Röntgen-Computertomographie (CT) insbesondere bei der Untersuchung von Kunst- und Kulturgütern. Die für Werkstoffprüfung und Materialanalyse konzipierten CT-Anlagen bieten dank hoher Röntgenleistung die Möglichkeit zusätzlich zu Holz, Keramiken und Kunststoffen auch stark schwächende Materialien, wie bspw. Metalle, zu durchdringen. Für eine hohe räumliche Auflösung im unteren Mikrometerbereich (2-200µm) sorgen entsprechend ausgelegte CT-Anlagen. In der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stehen mehrere solcher CT-Anlagen für unterschiedliche Fragestellungen sowie Probengrößen und - materialien zur Verfügung. Einige Beispiele aus den vergangenen Arbeiten der BAM veranschaulichen das große Potential dieser Untersuchungsmethode.
Da bei einer CT-Messung in der Regel das gesamte Untersuchungsobjekt erfasst und in ein digitales Volumenmodell überführt wird, eröffnet sich für Archäologen und Restoratoren die Möglichkeit Untersuchungen hinsichtlich Materialzusammensetzung, Erhaltungszustand und Herstellungstechnik am virtuellen Objekt vorzunehmen, ohne die Originalsubstanz zu beeinträchtigen. Gegenüber der klassischen Radiografie, bei der nur eine zweidimensionale Abbildung erreicht wird, bietet die CT-Untersuchung die Möglichkeit innenliegende Strukturen dreidimensional zu erfassen. Die notwendige Bestimmung der Objektoberfläche erlaubt zudem die Erstellung eines Oberflächenmodells des untersuchten Gegenstandes. Damit lassen sich unter anderem mechanische Simulationen (Belastung, Durchbiegung, Durchströmung) durchführen. Der erzeugte Datensatz kann somit auch zur Herstellung eines Replikats im 3D-Druckverfahren genutzt werden. Anhand der Untersuchung der Mandoline von Smorsone wird gezeigt, wie eine CT-Messung durchgeführt wird und wie in dem anschließend rekonstruierten 3D-Datensatz mittels Koordinatenmesstechnik Maße (Abstände, Wandstärken, Winkel) exakt ermittelt werden können.
In Vorbereitung einer Restaurierung erfolgten naturwissenschaftliche Untersuchungen zu Schadensphänomenen und Glaszusammensetzungen an mittelalterlichen Gläsern aus der Dorfkirche in Koszewko (Polen)im Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) mit EDX. Die Ergebnisse zeigen, dass die Glasverwitterung schon sehr stark vorangeschritten ist und ein zukünftiger Schutz der mittelalterlichen Glasmalereifelder vor Umwelteinflüssen unbedingt notwendig ist. Es wurde ein Schutzverglasungsystem entwickelt, das speziell auf den langfristigen Erhalt der einzelnen mittelalterlichen Glasmalereifelder ausgelegt ist.
Up to now, the mechanisms of surface nucleation and surface-induced texture formation are far from being understood. Very few observations of crystal orientation were focused on separately growing surface crystals. In conclusion, no systematic studies on initially oriented crystal growth or nucleation from defined active surface nucleation sites exists. Therefore, the main objective of this just is to advance the basic understanding of the mechanisms of surface-induced microstructure formation in glass ceramics. As a first attempt, we focus on reorientation of separately growing surface crystals during their early growth.
Ziel der Untersuchung: Evaluation der Eignung der Refraktions-Tomographie zur Analyse von Alterungserscheinungen innerhalb von adhäsiv verankerten Materialien vor und nach künstlicher Probenalterung.
Material und Methode: Vier humane mittlere Oberkieferfrontzähne wurden wurzelkanalbehandelt und ausgedehnte Klasse IV Defekte der Krone mit einer Aufbaufüllung aus dualhärtendem Komposit (Rebilda DC, VOCO) und einem Glasfaserstift (Rebilda Post, VOCO) restauriert. Alle Proben wurden feucht gelagert und in einer Synchrotron-Einrichtung (BAMline, BESSY II, HZB) mit einer Pixelgröße von 4,08 µm gescannt. Für diese Synchrotron-Refraktions-Tomographie (SXRCT) muss zunächst der Analysatorkristall (AK) zu einer Bragg-Reflexion (Beugung) angeregt werden, um eine SXRCT durchzuführen. Die SXRCT wird mit einer Transmissions-Tomographie (ohne AK) verrechnet. Darauf folgte eine künstliche Probenalterung mit 400.000 Kau- und 3.000 Thermozyklen (50N, 5-55°C). Anschließend wurden die Proben ein weiteres Mal gescannt. Die Datensätze beider SXRCT wurden mittels des „filtered back projection“ Algorithmus rekonstruiert, mit einer Bildanalyse-Software aufeinander registriert und ausgewertet. Hierdurch konnten die Veränderungen initialer Schädigungen analysiert werden.
Ergebnisse: Alle 4 Proben zeigten in den Scans Veränderungen des inneren Gefüges und an Grenzflächen nach Belastung. Es zeigten sich Ansammlungen von Wasser innerhalb eingeschlossener Hohlräume, subkritisches Risswachstum, Ausdehnung des Komposit und Quellung des Glasfaserstiftes um 0,4%. In den SXRCT Aufnahmen waren außerdem Dentintubuli, die bei Auflösungen von 4,08 µm sonst nicht deutlich sichtbar sind darstellbar. Dadurch konnte Eindringen von Wasser in die Tubuli im Anschluss an die Alterung belegt werden.
Zusammenfassung: SXRCT bietet die Möglichkeit, trotz einer vergleichbar geringen Auflösung, kleinste Strukturen und Veränderungen abzubilden. Dies ermöglicht unter anderem die detaillierte Analyse relativ großer Proben, wie eines vollständigen Zahnes in einem Scanvorgang.
Die mechanische Spannung ist ein maßgeblicher Parameter ferromagnetischer Materialien. Wird ein solches Material unter die Curie Temperatur abgekühlt, zerfällt es spontan in nahezu selbstgesättigte magnetische Domänen. Diese Magnetisierung führt gleichzeitig zu einer Verformung der mit ihr gekoppelten Kristallgitter. Ein Effekt der auch reziprok gilt: wird die Gitterverformung durch eine Spannung behindert ändert sich zwangsweise der magnetische Zustand.
Man kann annehmen, dass zwischen unterschiedlichen, für sich aber homogen verspannten Werkstoffbereichen, lokale magnetische Streufelder auftreten, weil magneto-mechanische Effekte eine Inkompatibilität der Domänenstruktur induzieren. Bekanntlich bilden sich Spannungsgradienten nach Schweißprozessen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag, thermischer Dehnung, und unterschiedlichen Abkühlraten aus.
Unter dieser Prämisse untersuchen wir Wolfram-Inertgas geschweißte Blindnahtproben (250x100x4,8 mm^3) aus einem hypereutektoiden Baustahl.
Der Spannungszustand der Proben wurde anhand von Neutronendiffraktometrie (ND) am Instrument E3 am Reaktor BERII (Helmholzzentrum Berlin, HZB) charakterisiert. ND ist ein Referenzverfahren für die quantitative Bestimmung von elastischen Dehnungen in kristallinen Materialien, deren Gitter selbst der Messmaßstab ist. Die Auswertung zeigt hohe Längsspannungen mit lokalen Maxima in Größenordnung von 600 MPa, die von umgebenen Druckspannungszonen kompensiert werden.
Zur Detektion der magnetischen Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR-Sensorik (GMR - Giant Magneto Resistance), die aufgrund der geringen Größe ihrer aktiven Sensorelemente hohe Ortsauflösung mit Sensitivität vereint. Die Visualisierung der Messergebnisse lässt eine klare magnetische Mikrostruktur der Schweißnähte erkennen, in der die Streufelder lateral in Größenordnung des Erdmagnetfeldes variieren (~50 µT).
Wir zeigen durch einen Vergleich beider Messverfahren, dass lokale magnetische Streufeldmaxima in hohem Maße mit den Spannungsgradienten übereinstimmen.
Die Mikrostruktur ferromagnetischer Materialien hat einen maßgeblichen Einfluss auf deren magnetischen Eigenschaften. Gerade bei niedrigen Feldstärken zeigen sich Parameter wie Koerzitivität, Permeabilität und Verlustleistung hoch sensitiv.
Wir zeigen am Beispiel des unlegierten Baustahls S235JR, dass die magnetische Mikrostruktur an der Probenoberfläche in hohem Maße mit inhomogenen Dehnungen übereinstimmt. Zur Detektion der Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR Sensorik, die Sensitivität (3mV/V/kA/m) mit hoher Ortsauflösung (180 µm) vereint. Infolgedessen können wir auf eine aktive magnetische Anregung verzichten. Wir nutzen allein die sich durch magneto-mechanische Prozesse ausbildende „spontane“ magnetische Mikrostruktur des Materials.
Das hervorragende Signal-Rausch-Verhältnis unserer GMR-Sensorik für inhomogene Streufelder erlaubt, schon geringe und lokal abgegrenzte plastische Deformationen in Form und Position reproduzierbar zu visualisieren. Die zugehörigen Signale zeigen die typische Sequenz von erhöhten positiven und negativen Normalkomponenten wie sie bei einer Rissanzeige der aktiven Streuflussprüfung (MFL - Magnetic Flux Leakage) beobachtet wird. Magnetisch kann eine plastische Zone daher als Vorstufe eines Risses betrachtet werden, deren relative Permeabilität für den Riss als Grenzfall zu μr = 1 tendiert.
Der weit verbreitete austenitische Stahl 316L soll auch mittels additiver Fertigung verarbeitet werden (316L-AM). Zur Entwicklung optimaler Aufbauverfahren ist ein detailliertes Verständnis des Gefüges notwendig. Das additiv aufgebaute Gefüge zeigt eine Mikrostruktur, die geprägt ist von sehr hohen Abkühlraten und gerichtetem Kornwachstum. Mittels klassischer Metallographie können die Charakteristika des Gefüges wie Körner, Subkörner und Schmelzlinien sichtbar gemacht werden. Mittels EBSD werden Kristallorientierungen ermittelt und bildhaft aufbereitet. Die Feinstruktur der Körner wird im REM in der Übersicht aufgelöst. Erst im TEM kann bei hoher Vergrößerung die Natur der Zellstruktur quantitativ ermittelt werden.
Ultra High Performance Concrete (UHPC) is characterized by high strength and high durability. This is achieved by an optimized grain size distribution, especially within fine grains, and addition of superplasticizer, which allow the reduction of the water/cement ratio in the cement paste and thereby the increase of the density of UHPC. Thermal treatment, i.e. curing at elevated temperature and pressure, contributes to a further increase of compressive strength. The aim of the presented study was to analyze the effect of thermal treatment at 90 ◦C and atmospheric pressure on UHPC samples. Varying factors were the age of the samples when heat treatment started (initial storage time), the duration of heat treatment and the type of heat treatment. It was applied in three ways: 1. treated without any protection, 2. sealed in plastic foil and 3. treated in hot water. Afterwards the samples were analyzed with respect to their mechanical properties and their phase composition. Furthermore, the weight (water absorption) of the samples was observed over 28 days and was correlated with the strength test results. The development of strength depends on the combination of initial storage time and the duration of heat treatment and is also influenced by the type of thermal treatment. The highest compressive strengths have been observed by implementing the hot water treatment. Thereby the weight of the samples increase due to additional absorbed water. This enables an increased hydration of cement clinker inducing a higher strength.
Explosionsverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen bei militärischen Einsätzen. Während die Auswirkungen von Splittern, die als sekundäre Explosionsverletzungen eingestuft werden, durch die modernen ballistischen Körperschutzsysteme der Polizei und des Militärs minimiert werden konnten, stellen die Auswirkungen der Stoßwellenausbreitung im Körper als Teil des primären Explosionstraumas nach wie vor eine ernsthafte Bedrohung dar. Zusätzlich zu einzelnen einsatzbedingten Lastfällen liegt ein wissenschaftlicher Fokus auf besonders exponiertem Personal, z.B. aus den Einsatzbereichen „Taktische Zugangstechnik“, „Präzisionsschützenwesen“ oder Steilfeuerwaffen (Mörser). Repetitive mild traumatic brain injury (mTBI) können gesundheitliche Langzeitschädigungen wie und chronic traumatic encephalopathy (CTE) erzeugen.
Um einen Beitrag zur Erforschung der primären Explosionswirkungen zu leisten, hat die Bundeswehr in Zusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein interdisziplinäres wehrmedizinisches Sonderforschungsvorhaben eingerichtet. Ziel der geplanten Untersuchung ist die Entwicklung einer multidisziplinären Methode zur Analyse des Stoßwellenverhaltens in verschiedenen generischen Gewebesimulanzien, sowie Schutzmaterialien unter möglichst realitätsnahen und reproduzierbaren Bedingungen.
Für die Erzeugung reproduzierbarer Stoßwellen wurde ein Autoklav
(Druckbehälter) entwickelt, mit dem durch die detonative Umsetzung eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches gut reproduzierbare Druckwellen unter Freifeldbedingungen erzeugt werden können. Vorteile dieser Methode sind unter anderem die kurzen Rüstzeiten zwischen Versuchsdurchgängen, die Minimierung störender Einflüsse im Vergleich zu Stoßwellenrohren und die geringeren Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur Anwendung von konventionellen Sprengstoffen. Das generische Torso-Modell besteht in seiner einfachsten Form aus einem mit Druck- und Beschleunigungssensoren instrumentierten Gelatineblock, welcher eine Simulanz für organisches Gewebe darstellt. Zur Untersuchung des Stoßwellenverhaltens wurden verschiedene Medien, wie Hohlkörper, Festkörper und Gewebesimulanzien differenter Dichte in das generische Torso-Modell eingebracht. Einen besonderer Untersuchungsschwerpunkt bildeten die Grenzbereiche zwischen den unterschiedlichen Medien. Des Weiteren wurde analysiert, wie sich verschiedene Schutzmaterialien auf das Stoßwellenverhalten auswirken und mit welchen veränderten Eigenschaften die Stoßwelle anschließend in die Gewebesimulanz einkoppelt.