Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (13)
- 7 Bauwerkssicherheit (8)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (6)
- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (6)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (4)
- 6 Materialchemie (4)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (4)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (4)
Industrial quality control (QC) nowadays requires the visualization of surface modifications from the macro-scopic to the microscopic or even nanoscopic scale. This is a prerequisite to the evaluation of functionality and reliability, the detection of defects and their separation of artefacts. The diversity of applications ranges from low-E glazings and solar panels, micro- and optoelectronics, micro- and smart devices to sensor-on-chip and lab-on-chip systems [1]. Optical microcopy (light, confocal laser scanning, white light interference) as established QC-tool is operated at normal incidence, i.e. p- and s-polarization are undistinguishable. Either light-intensity in terms of grey scale and colour or intensity-correlated effects of phase shifts are used. In case of ellipsometry, operated at oblique incidence, p- and s-polarization matter, and amplitude ratios and phase shifts upon reflection are measured. Hence, information content must be much higher.
The visualization of surface modifications may be very challenging for coating/substrate systems of either al-most identical optical constants, e.g. transparent films on substrates of the same material, or minor film thick-ness, substance quantity and affected area, e.g. ultra-thin or island films. Ellipsometry gives access to the con-trast of intensity (I), amplitude ratio (Ψ), and phase shift (Δ) with nanometer-scaled vertical and micrometer-scaled lateral sensitivity, one is able to identify tiny changes within an unmodified surface. As both mapping ellipsometry (ME) and imaging ellipsometry (IE) are operated in the optical far-field, surface inspection is also possible on the macroscopic scale. Near the Brewster-angle of the bare, undamaged, clean, and fresh substrate, the contrast to add-on and sub-off features is superior.
Fig. 1 shows three examples of ellipsometric imaging, i.e. a thin SnO:Ni film on SiO2/Si (Fig. 1a), a dried stain of an anti-body solution on cyclo-olefin-polymer (COP) shown in Fig. 1b, and a polyimide film residue on SiO2/Si (Fig. 1c). For all of these examples, ellipsometry provides much better contrast between substrate and surface modification than optical microscopy, sometimes primarily caused by the oblique incidence (Figs. 1a and 1c), in other cases related to the phase sensitivity of ellipsometry (Fig. 1b). Other examples are laser surface modifications and the corrosion of glass. In these cases, optical microscopy and IE yield to similar results, how-ever only ellipsometry gives access to modelling.
Further investigated coating/substrate systems are 100Cr6 steel, native oxide on silicon, borosilicate glass, and the polymer polycarbonate with deposited films of graphene and ta-C:H, printed and dried pattern of liquids such as water, cleaning agents, and dissolved silicone. Besides imaging ellipsometry, referenced spectral ellipsometry (RSE) has been applied, combining the advantages of both optical microscopy (fast measurement) and ellipsometry (high sensitivity to tiny modifications).
Visualization of surface modifications may be very challenging for coating/substrate systems of either almost identical optical constants, e.g. transparent films on substrates of the same material, or minor film thickness, substance quantity and affected area, e.g. ultra-thin or island films. Methods for visualization are optical microscopy (OM), imaging ellipsometry (IE), and referenced spectroscopic ellipsometry (RSE). Imaging ellipsometry operates at oblique incidence near Brewster angle of the bare, clean or unmodified substrate. In this configuration, reflected intensities are rather weak. However, the contrast to add-on and sub-off features may be superior. Referenced spectroscopic ellipsometry operates in a two-sample configuration but with much higher intensities. In many cases, both ellipsometric techniques reveal and visualize thin films, printed-pattern, laser-induced changes, and impurities better than optical microscopy. In particular for stratified homogeneous modifications, ellipsometric techniques give access to modelling and hence thickness determination. Modifications under investigation are polymer foil residue on silicon, laser-induced changes of ta-C:H coatings on 100Cr6 steel, imperfections of ta-C:H on thermal silicon oxide, degradation of glass, thin film tin oxide pattern on silicon, printed and dried pattern of liquids such as deionized water, cleaning agents, and dissolved silicone. © 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Hydrogen can cause unexpected material failure under consideration of stresses (external/internal) during manufacturing, processing or service of the materials. This failure is mostly based on a certain degradation of the mechanical properties. Thus, the correlation of hydrogen trapping vs. a respective microstructure is necessary for high strength steels. Thus, the scope of this work is the improvement of existing hydrogen trap models by verification of activation energies for hydrogen traps as well as the influence of the determination method. In this scope, the thermal desorption method is appropriate to distinguish between different hydrogen traps. Nevertheless, the specimen temperature has to be accounted very carefully in case of calculating the necessary trap energy.
Unlike conventional alloys, which typically consist of one main element, high-entropy alloys (HEAs) contain five or more principal elements, which broaden chemical complexity and with it a realm of synergistic mechanisms. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr HEA initiated a subclass of Al-containing refractory (r)HEAs that has recently drawn attention [2]. The alloy has a superalloy-resembling B2/bcc nanostructure, which inspired its name refractory high entropy superalloy (RSA). With high-temperature (HT) compressive strengths beyond conventional Ni-based superalloys, this nanostructure could be used for improved HT structural applications. However, in the application-relevant HT regime the Al-Zr-rich B2 phase decomposes to form a hexagonal Al-Zr-based intermetallic (Al4-xZr5; x: 0..1) [3,4]. This work explores the fascinating yet fatal micromechanisms associated to this phase transformation, in the context of creep, annealing and oxidation experiments performed between 800 and 1200 °C.
The material was produced by arc-melting and heat treatment in argon, which lead to grain boundaries decorated with up to 7%. Interrupted constant-load creep tests were performed under vacuum (at 10-4 Pa), at 900–1100 °C with external tensile stresses of 30–120 MPa. Oxidation experiments were separately conducted for 24 hours at 800 and 1000 °C in both dry (21% O2 + 79% N2) and humid (8% O2 + 74% N2 + 18% H2O) air. After the experiments, the samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy to reveal degradation mechanisms. Crystallographic texture, orientation relationships and stabilization of an oxygen-containing iso structure (Al4-xZr5(Ox-y); y: 0..x) of the Al-Zr-rich intermetallic are found and discussed.