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Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (27) (entfernen)
3D microstructures with sub-micron resolution can be manufactured in additive manner applying multi-photon laser structuring technique. This paper is focused on the incorporation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles into the photoresist in order to manufacture micrometer-sized devices featuring a magnetic moment. The aim of the project is to achieve untethered actuation of the presented objects through externally applied magnetic fields. Future medical application scenarios such as drug delivery and tissue engineering are targeted by this research.
Microplastic detection in water samples becomes important for tracing microplastic sources. Microplastic may harm desalination facilities by blocking filters and disturbing the marine food chain. Thermo analytical methods such as pyrolysis gas chromatography mass spectroscopy, and spectroscopic methods like (micro) Raman spectroscopy or (micro) Fouriertransform infrared spectroscopy in combination with appropriate filters and sample preparation are suitable for analyzing microplastics on a scale from 1 µm to 1000 µm fast and unambiguous. While the thermo analytical methods are suitable for larger sample volumes, Raman spectroscopy and Fouriertransform infrared spectroscopy are able to detect and analyze single microplastic particles for instance in bottled water. Machine learning algorithms ensure a reliable classification of different plastic materials.
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.
Development and characterization of starch film and the incorporation of silver nanoparticles
(2020)
Starch is one of the biopolymers being used for bioplastic synthesis. For production, starch can be combined with different plasticizers, starches from different plant sources and even with nanomaterials to improve or to add film properties. The challenge of adding these, e.g. in the form of silver nanoparticles (AgNp) is to determine the concentration so as to avoid impairing the properties of the film, agglomeration or altering the visual characteristics of the film. In this study, a starch film synthesis route and the incorporation of silver nanoparticles has been proposed in order not to alter the properties of the film while maintaining the transparency and a clear colour of the starch film. The results showed that the proposed synthesis route is promising, efficient, reproducible, fast and the film has good mechanical properties.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has enormous influence on the early hydration of cement. C3A as the most reactive phase of Portland cement plays a significant role in early hydration reactions and affects the rheological performance. Therefore, this paper presents experimental results about the influence of delayed addition of PCEs on the Hydration of cement and C3A-gypsum pastes investigated by isothermal heat flow calorimetry. Complementary in-situ XRD was carried out on C3A pastes to analyze hydration and phase changes related to the addition of PCE.
Cement pastes with a delayed addition of PCE showed less Retardation compared to simultaneous addition. The alteration caused by PCE is much more pronounced for C3A-gypsum mixes. With a delayed addition of SP, the hydration of C3A is less retarded or even accelerated. It is obvious that there is less retardation the later the addition of SP. Furthermore, the PCE alter the hydration of C3A when added delayed and exhibit changes in kinetics and hydration rates. XRD results showed that more C3A is dissolved in the presence of PCE. Also, the gypsum depletion occurs earlier in the presence of PCE and even faster with delayed addition. Without PCE AFm starts to form just after the gypsum depletion. However, in the presence of PCE AFm already starts to form at the beginning of the hydration. Due to the faster gypsum depletion in the presence of PCE, also the transformation from ettringite into AFm begins earlier, but takes longer as without SP.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has an enormous influence on the early hydration of cement. The hydration is retarded and the timing of formation and the morphology of hydrates is affected. This short paper presents experimental results about the influence of delayed addition time of PCE SPs on hydration of cement and alite pastes, investigated by isothermal heat flow calorimetry. For cement as well as for alite pastes the hydration is retarded with SP, whereby the high charge PCE has a stronger retarding effect than the low charge PCE. The retardation caused by PCE is much more pronounced for alite than for cement mixes. If PCE is added later to the mix, the induction period is shortened and the hydration is accelerated compared to simultaneous addition. This applies for cement and alite pastes. With delayed PCE addition the alite shows a clearly less retarded setting and main hydration than after simultaneous addition. It is obvious that for alite pastes there is less retardation the later the addition of SP.
The presence of polycarboxylate ether (PCE) based superplasticizers (SPs) has an enormous influence on the early hydration of cement. The hydration is retarded and the timing of formation and the morphology of hydrates is affected. This short paper presents experimental results about the influence of delayed Addition time of PCE SPs on hydration of cement and tricalcium aluminate (C3A) pastes, investigated by isothermal heat flow calorimetry. For cement pastes the hydration is retarded with SP, whereby the high charge PCE has a stronger retarding effect than the low charge PCE. With delayed PCE addition the cement shows a less retarded setting than with simultaneous addition. The alteration caused by PCE is much more pronounced for C3A and gypsum mixes than for cement. If the SP is added simultaneous, the exothermic peak of C3A is retarded. However, with delayed addition of SP the hydration is shortened, the gypsum depletion is fastened and the exothermic peak occurs less retarded or even accelerated compared to simultaneous addition. It is obvious that for C3A pastes there is less retardation the later the Addition of SP. Furthermore, the PCE alter the hydration of C3A when added delayed and exhibit changes in kinetics and hydration rates. The rate of reaction in the second stage is lower, discernible in decreased slopes and broader peaks. Besides this, a distinct ramp in the C3A heat flow curves within the first stage of C3A hydration occurs for all pastes with delayed addition of SP, which suggests an accelerated ettringite formation.
In diesem Beitrag wird der Einfluss des Aktivkohleprodukts auf die Adsorption von Spurenstoffen aus Kläranlagenablauf gezeigt und diskutiert. Im zweiten Teil wird das Material Aktivkohle analytisch charakterisiert und die Eigenschaften systematisiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit Bezug zu Praxislösungen zusammengefasst.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Micro- and nanostructuring with laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has been demonstrated to be feasible in a wide variety of materials including metals, semiconductors and dielectrics. Suitable processing regimes for flat, curved and complex surfaces have been identified for many materials, allowing the generation of diverse applications in fields such as optics, tribology and medicine, to name a few. A common side effect when producing such structures in air environment is the formation of a thin surface oxide layer in the laser irradiated areas. Previous studies have shown that oxidation plays an important role in the tribological performance for which the structures where created, and very recently it has been shown that the laser-induced oxide graded layers may contribute to the formation of a new type of embedded low-spatial frequency LIPSS (LSFL) with annomalous orientation parallel to the laser polarization, in addition to the appearance of the well-known high-spatial frequency LIPSS (HSFL) at the surface. In this contribution, we explore this effect experimentally for chromium nitride (CrN) irradiated with femtosecond laser pulses and compare the findings to finite-difference time-domain (FDTD) simulations of the intensity distributions at different depth positions.
In recent years, the improved understanding of the formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) has led to an emerging variety of applications that modify the optical, mechanical and chemical properties of many materials. Such structures strongly depend on the laser beam polarization and are formed usually after irradiation with ultrashort linearly polarized laser pulses. The most accepted explanation for the origin of the structures is based on the interference of the incident laser radiation with electromagnetic surface waves that propagate or scatter at the surface of the irradiated materials. This leads to an intensity modulation that is finally responsible for the selective ablation in the form of parallel structures with periods ranging from hundreds of nanometers up to some micrometers. The versatility when forming such structures is based on the high reproducibility with different wavelength, pulse duration and repetition rate laser sources, customized micro- and nanometric spatial resolutions, and the compatibility with industrially relevant processing speeds when combined with fast scanning devices. In this contribution, we review the latest applications in the rapidly emerging field of surface functionalization through LIPSS, including biomimetic functionalities on fluid transport, control of the wetting properties, specific optical responses in technical materials, improvement of tribological performance on metallic surfaces and bacterial and cell growth for medical devices, among many others.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) are a universal phenomenon that can be observed on almost any material after the irradiation by linearly polarized laser beams, particularly when using ultrashort laser pulses with durations in the femtosecond to picosecond range. During the past years significantly increasing industrial and research activities have been reported in the field of LIPSS, since their generation in a single-step process provides a simple way of nanostructuring and surface functionalization towards the control of optical, mechanical or chemical surface properties. In this contribution the mechanisms of formation and current trends and applications of LIPSS are reviewed, including the colorization of technical surfaces, the control of surface wetting properties, the mimicry of the natural texture of animals, the tailoring of surface colonization by bacterial biofilms, the advancement of leadless medical pacemakers, and the improvement of the tribological performance of nanostructured metal surfaces.
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 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.
Bei der zerstörenden Beanspruchung auf Zug ist zu beachten, dass es sich bei der Verbundfestigkeit um eine Systemeigenschaft handelt, d.h. nicht nur die chemischen und topografischen Oberflächeneigenschaften, sondern auch die plasto-elastischen Volumeneigenschaften des Klebstoffes und der Fügeteile haben Einfluss auf die ermittelten Kennwerte. Dabei ist eine qualitative Bestimmung der Versagensformen und Bruchbilder nach DIN EN ISO 10365 zwingend erforderlich, um eine Aussage über die Art des Versagens treffen zu können.
Mit der Erweiterung der Zentrifugentechnologie um Beanspruchungen auf Druck wurde dann der Nachweis erbracht, dass auch die klassische Härteprüfung in einer Zentrifuge als Mehr-Proben-Prüfung durchgeführt werden kann. Im Verbundvorhaben QUO VADIS PLUS werden derzeit invasive Beanspruchungen auf Druck zur Bestimmung der Härte von Materialien, der Kompressibilität von Metallschäumen sowie der Kompaktierbarkeit von Pulvern untersucht, was das Anwendungspotential der Zentrifugentechnologie nochmals erweitert. Dazu gehören auch kombinierte Beanspruchungen wie Zug-Scher- und Druck-Scher-Prüfungen.
Die Verbundfestigkeit von CFK-Platten in Abhängigkeit der Beanspruchungsart (Zug vs. Zug-Scher) bzw. der Faserorientierung (0°, 45°, 90°), die Klebfestigkeit von Klebstoffen bzw. Klebebändern auf unterschiedlichen Fügeteilwerkstoffen in Abhängigkeit von der Vorbehandlung, die Haftfestigkeit optischer Schichten auf Kunststoffen, die Bestimmung der Vickers-, Brinell- bzw. Kugeldruck-Härte sowie die Kompressibilität von metallischen Schäumen und Federn werden als ausgewählte Beispiele diskutiert.
Extraction of true, 3D shape (and size) of non-spherical nanoparticles (NPs) is associated with Errors by conventional 2D electron microscopy using projection images. Significant efforts within the ISO technical committee TC 229 ‘Nanotechnologies’ are aimed at establishing accurate TEM and SEM measurement of NP size and shape as robust, standard procedures. Study groups have been organizing inter-laboratory comparisons on well-selected NP systems according to the market needs, such as aggregated titania nano-powder for which size and shape distribution of primary crystallites of irregular shape must be measured accurately. To be noticed is e. g. the fact that the measurement procedure allows only manual selection of the particles clearly distinguishable for analysis as well as manual definition of the contour of the imaged NPs.
An inter-laboratory exercise on titania NPs (pure anatase, grown by hydrothermal synthesis) of well-defined non-spherical shape, i.e. bipyramidal, has been recently started within ISO/TC 229 under similar conditions as for the irregular shaped titania. In the TEM micrograph the particles tracked manually according to the measurement protocol. Overlapped particles were allowed to be considered, as long as they are clearly distinguishable. One decisive NP selection criterion was to analyze only those NPs with a roundness value below 0.7, i.e. the NPs laying on the support foil and, hence, with projection areas clearly deviating from perfect circles (R=1). The overall evaluation (for 15 labs) of the size descriptors (area, Feret, minFeret, perimeter) and shape descriptors (aspect ratio, roundness, compactness, extent) by analysis of variance is just to be finished and included in ISO/WD 21363 Nanotechnologies -- Protocol for particle size distribution by transmission electron microscopy.
Unwanted X-ray emission in ultrashort pulse laser processing: From metallic to biological materials
(2023)
X-rays can be generated as an unwanted side effect during ultrashort pulse laser material processing of technical work pieces and even biological samples with laser intensities above 10^13 W/cm^2. First studies demonstrate the need to address this effect in industrial as well as in medical applications. This secondary hazard should be considered in work safety and risk assessment.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Ultrashort pulse laser materials processing can be accompanied by the production of X-rays. Small doses per laser pulse can accumulate to significant dose rates at high laser pulse repetition rates which may exceed the permitted X-ray limits for human exposure. Consequently, a proper radiation shielding must be considered in laser machining. A brief overview of the current state of the art in the field of undesired generation of X-ray radiation during ultrashort pulse laser material processing in air is presented.
The industrial use of ultrashort laser pulses has made considerable progress in recent years. The reasons for this lie in the availability of high average powers at pulse repetition rates in the several 100 kHz range. The advantages of using ultrashort laser pulses in terms of processing precision can thus be fully exploited. However, high laser intensities on the workpiece can also lead to the generation of unwanted X-rays. Even if the emitted X-ray dose per pulse is low, the accumulated X-ray dose can become significant for high-repetition-rate laser systems so that X-ray exposure safety limits must be considered. The X-ray emission during ultrashort pulse laser processing was investigated for a pulse duration of 925 fs at 1030 nm wavelength and 400 kHz repetition rate. Industrially relevant materials such as steel,aluminum and glass were treated. Tungsten served as reference. X-ray spectra were recorded, and X-ray dose measurements were performed for laser treatment in air. For laser intensities > 2 × 10^13 W/cm2, X-ray doses exceeding the regulatory exposure limits for members of the public were found. Suitable X-ray protection strategies are proposed.
Die Rheologie von fließfähigen zementären Systemen mit Fließmitteln wird durch eine Vielzahl parallel stattfindender Effekte beeinflusst. Zu diesen Effekten zählen Wechselwirkungen zwischen den Polymeren und Ionen in der Porenlösung, frühe Phasenbildung, zeitabhängige und kompetitive Adsorption zwischen anionischen Polymeren und Sulfationen, Bildung von Phasen in der Porenlösung sowie Morphologieänderungen an Partikeloberflächen. Die frühe Hydratation von Zement, die durch Lösungs- und Fällungsprozesse angetrieben wird, beeinflusst diese Effekte erheblich. Das permanente Ungleichgewicht der Porenlösung führt zu Veränderungen der Partikeloberflächen, welches widerum zur Folge hat, dass rheometrische Messungen dieser Zementleime anfällig für Streuungen sind. Um die Einflüsse aus der Zementhydratation zu minimieren, wurden die rheometrischen Untersuchungen mit Zement in Porenlösung durchgeführt. Die Experimente wurden mit verschiedenen Feststoffvolumenfraktionen durchgeführt und mit den Ergebnissen identischer Systeme mit Wasser anstelle von Porenlösung verglichen. Zusätzlich wurden die gleichen Systeme mit Zugabe von Polycarboxylatethern untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Leime mit Wasser niedrigere Werte für Fließgrenze und plastische Viskosität aufweisen, als die Systeme mit Porenlösung. Während die Polymere eine Verminderung der Fließgrenze zur Folge hatte, war die Wirkung von Polymeren auf die plastische Viskosität vernachlässigbar. Zusätzlich wurde die frühe Hydratation unter Verwendung von Wärmeflusskalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Nadeleindringtiefe beobachtet.