Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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We demonstrate the potential of time-resolved luminescence spectroscopy for the straightforward assessment and in situ monitoring of the stability of upconversion nanocrystals (UCNPs). Therefore, we prepared hexagonal NaYF4:Yb3+,Er3+ UCNPs with various coatings with a focus on phosphonate ligands of different valency, using different ligand exchange procedures, and studied their dissolution behaviour in phosphate-buffered saline (PBS) dispersions at 20 °C and 37 °C with various analytical methods. The amount of the released UCNPs constituting fluoride ions was quantified by potentiometry using a Fluoride ion-sensitive electrode and particle disintegration was confirmed by transmission electron microscopy studies of the differently aged UCNPs. In parallel, the luminescence features of the UCNPs were measured with special emphasis on the lifetime of the sensitizer emission to demonstrate its suitability as Screening parameter for UCNP stability and changes in particle composition. The excellent correlation between the changes in luminescence lifetime and fluoride concentration highlights the potential of our luminescence lifetime method for UCNP stability screening and thereby indirect monitoring of the release of potentially hazardous fluoride ions during uptake and dissolution in biological systems. Additionally, the developed in situ optical method was used to distinguish the dissolution dynamics of differently sized and differently coated UCNPs.
Molten salt containing systems gain in importance for sustainable energy use and production. For research and development, interactions of molten salts with potential container materials are of major interest. This article introduces preparation procedures to display an intact metal and salt microstructure and their interface using light optical microscopy and scanning electron microscopy. The exemplary material combination is the ternary salt mixture NaCl-KCl-MgCl2 and the low alloyed steel 1.4901 (T92) with a maximum service temperature of 550 °C. These are potential elements/materials for use in latent heat thermal energy storages.
Long-time behavior of surface properties of microstructures fabricated by multiphoton lithography
(2021)
The multiphoton lithography (MPL) technique represents the future of 3D microprinting, enabling the production of complex microscale objects with high precision. Although the MPL fabrication parameters are widely evaluated and discussed, not much attention has been given to the microscopic properties of 3D objects with respect to their surface properties and time-dependent stability. These properties are of crucial importance when it comes to the safe and durable use of these structures in biomedical applications. In this work, we investigate the surface properties of the MPL-produced SZ2080 polymeric microstructures with regard to the physical aging processes during the post-production stage. The influence of aging on the polymeric microstructures was investigated by means of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). As a result, a time-dependent change in Young’s Modulus, plastic deformation, and adhesion and their correlation to the development in chemical composition of the surface of MPL-microstructures are evaluated. The results presented here are valuable for the application of MPL-fabricated 3D objects in general, but especially in medical technology as they give detailed information of the physical and chemical time-dependent dynamic behavior of MPL-printed surfaces and thus their suitability and performance in biological systems.
Fatigue tests were performed on the forged aluminum alloy EN AW-2618A in the T61 state. Different stress ratios (R = -1, R = 0.1) were selected to study the influence of mean stress on fatigue life. Two overaged states (10 h/230 ◦C, 1000 h/230 ◦C) were also tested to investigate the influence of overaging on fatigue life. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the precipitates (S-phase), which are mainly responsible for the strength of the alloy. A fractographic analysis was also performed to determine the failure mode. Overaging reduces the fatigue life compared to the T61 state. The longer the aging time, the lower the fatigue resistance. The reason is the decrease in (yield) strength, which correlates with the radius of the S-phase: the precipitate radius increases by a factor of approximately two for the overaged states compared to the initial state. The analysis of the fracture surfaces showed crack initiation occurs predominantly on the outer surface and is
associated with the primary phases.
Bei der Auslegung von Druckbehältern kommen, auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, vermehrt Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Durch eine hohe Streuung von Material- und Produktionsparametern sowie unterschiedlichster Belastungsszenarien gestaltet sich jedoch Aussagen über die Lebensdauer sowie eine Festlegung sinnvoller Prüffristen als schwierig. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Behälterdesign mit metallischem Liner und einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbund, wobei die Lebensdauer maßgeblich durch den im Metall vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt wird. Mit Hilfe einer alterungsbegleitenden Eigenspannungsanalyse werden Eigenspannungsveränderungen erfasst und in einem erarbeiteten Betriebsfestigkeitsmodell berücksichtigt. Durch eine Nachstellung verschiedener Belastungsszenarien kann gezeigt werden, dass durch die Berücksichtigung einer veränderlichen Eigenspannung die Anzahl ertragbarer Lastwechsel bis zum Versagen sowie damit verbundene Überlebenswahrscheinlichkeiten mit einer erhöhten Genauigkeit abgeschätzt werden können.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.
HNBR, EPDM and FKM O-rings were aged uncompressed and compressed at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to 1 year. HNBR exhibited the strongest ageing effects with high increases of hardness and glass transition temperature. Furthermore, heterogeneous ageing caused by diffusion-limited oxidation effects had a significant influence for HNBR at ageing temperatures of 125 °C and 150 °C. EPDM showed similar property changes as HNBR, but less pronounced. FKM displayed only minor ageing effects. O-rings aged in compression exhibited considerable compression set (CS). CS data was used for a time-temperature shift and resulting master curve construction. Leakage rate measurements showed that O-rings can remain leak tight under static conditions even if material properties have already deteriorated strongly.
The use of inorganic lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNP) in bioimaging and cellular studies requires biocompatible particles. One possible cause of UCNP toxicity is the release of potentially harmful fluoride and lanthanide ions as revealed by dilution studies in aqueous environments, particularly under high dilution conditions. To address this issue, suitable surface coatings preventing such effects in combination with fast screening methods suited for online monitoring and in situ analyses are desired.
Here we present systematic studies of differently sized β-NaYF4:Yb,Er UCNP stabilized with different surface coatings and hydrophilic ligands varying in binding strength to the particle surface in various aqueous environments at different temperatures and UCNP concentrations. The concentration of the fluoride and lanthanide ions released upon particle dissolution was quantified electrochemically with a fluoride ion-sensitive electrode and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and monitored fluorometrically, thereby exploiting the sensitivity of the upconversion luminescence to changes in size and surface chemistry. Moreover, changes in surface chemistry were determined with X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS). Based upon our results, we could derive optimum screening parameters for UCNP stability studies and determine conditions and coating procedures and ligands for enhancing UCNP stability in aqueous environments.
A study was made on the effect of creep loading on the precipitate radii evolution of the aluminum alloy 2618A.
The overageing process of the alloy was investigated under load at a temperature of 190 °C with stresses between 79 and 181 MPa and compared to stress free isothermal ageing. The precipitates responsible for strength were characterized using dark-field transmission electron microscopy (DFTEM). This allows the experimental Determination of radii distributions of the rod-shaped Al2CuMg precipitates and the evaluation regarding their mean precipitate radius. It was found that the mean precipitate radius enables the comparison of the different microstructural conditions of crept and uncrept samples. The mean precipitate radii of the samples experiencing creep are significantly higher than those of undeformed samples. It was shown that the acquired radii distributions are viable to determine averaged particle radii for comparison of the aged samples. A ripening process including pipe diffusion along dislocations describes the data on coarsening very well for the creep samples.