Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
In recent years, substantial efforts have been devoted to investigating nanoscopic confinement of polymers, and its effect on glassy dynamics. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) was used to study the dynamics of ultra-thin films of PVME/PS 50/50 wt% blend, employing a novel nano-structured capacitor sample arrangement. The investigated system shows a complex dynamic behavior. First, an α-relaxation, related to a bulk-like layer was found. Second, an α’-relaxation was observed, characteristic for dynamically asymmetric blends, where the out of equilibrium dynamics is attributed to weakly-cooperative PVME segments relaxing within a frozen environment of PS segments. Thirdly, for thinnest films, an Arrhenius-like process was dominant in the dielectric spectra, indicating localized fluctuations of the segments. Relaxation rates of this process resembled that of the degenerated α-relaxation of the adsorbed layer, found for pure PVME, thus it was assigned accordingly. For thinnest films, this process undergoes a further confinement, due to the topological constraints, introduced by PS. Such multiple confinement effect has not been reported for ultra-thin films of polymer blends, before this study.
For the first time, the molecular mobility of two linear-shaped tetramethylated guanidinium triflates ionic liquid crystals (ILCs) having different length of alkyl chains was investigated by a combination of broadband dielectric spectroscopy (BDS) and specific heat spectroscopy (SHS). SHS was carried out by differential AC-chip calorimetry at higher frequencies and temperature modulated DSC at lower frequencies. These ILCs can form a hexagonal ordered columnar mesophase. Two relaxation processes were found by BDS for both samples. At low temperatures, a γ-processes is observed which is assigned to specific localized fluctuations. At higher temperatures, α1-processes take place. α2 processes were also detected by SHS but with a completely different temperature dependence of the relaxation times. Different molecular assignments of α1- and α2-processes are suggested. At even higher temperatures, conductivity was detected by BDS.
Collective Orientational Order and Phase Behavior of a Discotic Liquid Crystal under Confinement
(2018)
Discotic liquid crystals (DLCs) are a promising class of soft matter for electronic applications. This is due to their ability to self-organize into columns in a hexagonal columnar mesophase, driven by the overlapping of the π orbitals of their aromatic cores. This leads to a high charge-carrier mobility along the column axis. Previous studies on DLCs showed that their properties, such as phase transition temperatures and enthalpies, are susceptible to nanoconfinement. In this study, 2,3,6,7,10,11 hexakis[hexyloxy] triphenylene (HAT6) was confined into parallel aligned cylindrical nanopores of anodic aluminum oxide (AAO) membranes by melt infiltration. Furthermore, the pore surfaces of a series of membranes were chemically modified, resulting in a more hydrophobic pore surface than the unmodified ones. Collective orientational order and phase behavior of HAT6 confined into modified and unmodified nanopores of AAO were investigated by broadband dielectric spectroscopy and differential scanning calorimetry respectively.
Hyperbranched PAMAM/ Kaolinite Nanocomposites: Decoupling phenomenon and conductivity mechanism
(2018)
Increasing demands of the daily life requires a continuous discovering of new and tailored properties of materials that can be utilized in covering the requirements in several fields. Hyperbranched polymers (HBPs) are macromolecules that are characterized by a highly branched structure and multiplicity of reactive end groups, which could be promising for numerous applications. Here, hyperbranched poly(amidoamine) (HPAMAM)/ Ka nanocomposites was prepared via an in-situ polymerization and an ex-situ method. The latter approach leads to a partly intercalated structure of the nanocomposites, while the former method results in an exfoliated morphology. Α combination of different techniques such as broadband dielectric spectroscopy (DBS), SXAS, FTIR, TEM, and DSC are employed to study the prepared samples. For the HPAMAM/ Ka-DCA nanocomposites (an ex-situ samples), the results indicated that the dc conductivity is increased by 4 orders of magnitude, with increasing concentration of the Ka-DCA. As an interesting result is that a significant decoupling between the characteristic time for conductivity relaxation and the segmental dynamics was observed, which depends on the concentration of the nanofiller. For the HPAMAM/ EDA nanocomposites (an in-situ polymerization), the dc conductivity is also increased with increasing the concentration of the Ka-EDA. The decoupling phenomenon and conductivity mechanism are discussed in detail.
Hyperbranched polyamine ester (HPAE)/ kaolinite nanocomposites were papered via an ex situ (solution-based) method. The kaolinite has been modified by dodecylamine (DCA). SAXS measurements revealed that the Ka interlayer space increased from 0.71 to 3.6 nm-1. A partly exfoliated structure of the HPA/Ka-DCA nanocomposites was proved by SAXS and TEM. By a combination of BDS and SHS, the relaxation properties of the nanocomposites were investigated in dependence on frequency and temperature. The activation energies of γ-relaxation for the nanocomposites were lower than the values found for the pure HPAE. The segmental dynamics (α- relaxation) was found to be screened out by the conductivity contribution. While it is retrieved by SHS employing AC-chip calorimetry. A systematic change of the dynamic glass transition estimated by AC-chip calorimetry was observed, which is in agreement with a behavior expected for a confined sample. The confinement effect of the Ka-DCA nanofillers reduces the glass transition temperature Tg and enhances, meanwhile, the electrical conductivity of the polymer. By comparing the temperature dependence of the dynamic glass transition measured with SHS and that of the dc conductivity measured by dielectric spectroscopy, a decoupling in their temperature dependencies was found.
With increasing concentration of the nanofiller, which results in a stronger glass-formation behavior, this decoupling becomes weaker.
UCST-type thermoresponsive polymers (i.e. that phase separate from solution upon cooling) present a tremendous potential not only in aqueous media where they can be used in drug delivery, diagnostic and microfluidic applications, but also in water/alcohol mixtures, where they can be used for instance in sensing systems for alcohol-soluble drugs. However, only a few thermoresponsive polymers have been reported that present an UCST in a relevant temperature range and “green” solvents such as water or ethanol.
In this context, acrylamide-based monomers can be very useful building blocks for designing novel non-ionic UCST-type polymers because of their hydrophilic nature (with the appropriate side chain) and propensity to form hydrogen bonds. We will present our latest results on the UCST-type thermoresponsive behaviour of acrylamide- and 2,6-diaminopyridine-based homopolymers and copolymers in water or water/alcohol mixtures, and give some insights about the rational design of UCST polymers relying on H-bonding.
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 mittels CAT-Technologie (centrifugal adhesion testing) an der BAM 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.
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.