Ingenieurwissenschaften
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Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
Ergänzend zu früheren Arbeiten. in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden Ergebnisse der Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan vorgestellt. Für die Berechnung ist das Modell erweitert worden. so dass auch die Transporteigenschaften der Gasgemische berücksichtigt werden.
Weiterhin ist eine neue Methode zur Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen. dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole. Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist.
Colours, nano and surface
(2022)
The basic ideas of colours and pigments are presented. The correlation between nanomaterials and colours are explained. Different methods are presented for investigating nanoparticles and their surface. At the end a case study is presented explaining the importance of coating for the properties of nanoparticles.
Biodiesel is viewed as a major source of energy. In areas such as the European Un-ion, where 80 % of the oil-based fuel is imported, there is also the desire to reduce dependence on external oil supplies.
Materials compatibility is a major concern whenever the fuel composition is changed. The question arises of whether polymeric materials are resistant to heating oil with 20 % biodiesel (B20) in comparison to pure heating oil.
The polarity of biodiesel increases its solvency and facilitates permeation and extrac-tion. Solvation, swelling and/or extraction lead to changes in the physical properties. Extraction alters the fuel chemistry. These chemical changes could also accelerate the degradation (hydrolysis and oxidation) of the polymeric material with the loss of additives and stabilizers.
Exposure tests to determine the resistance of polymers frequently used for compo-nents in middle distillate facilities, such as ACM, FKM, HNBR, PA, PE, POM, PUR and PVC in heating oil and a blend of heating oil and 20 % biodiesel (B20) were al-ready performed.
The objective of this research was to determine the resistance of these polymers in 8-year aged heating oil blend B10 and 1-year aged blend B20 at 40 °C.
Mass, tensile strength, breaking elongation and Shore hardness A (D) of the test specimens were determined before and after exposure for 84 (42) days in the test fuels under static conditions.
There is not determined a threshold for the reduction in tensile properties and Shore hardness in the international standards. Therefore, a threshold of 15 % was deter-mined for the evaluation of the compatibility.
A significant reduction in Shore hardness was determined after exposure of ACM and PUR test specimens in 1-year aged B20.
The tensile strength of PUR test specimens in 1-year aged B20 was reduced by more than 50 %, and the breaking elongation by more than 30 %.
A decrease in breaking elongation was measured for POM test specimens after ex-posure to 1-year aged B20 by 25 % (limited resistance).
8-year aged B10 had a stronger effect than 1-year aged B20 on the polymers. ACM test specimens were softened by B10 resulting in a drop of Shore hardness by over 20 %. B10 reduced tensile strength and breaking elongation of PUR test specimens by over 50 %. In contrast, the breaking elongation of POM was increased by over 270 %.
It can be concluded that the polymers HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 1-year aged B20 whereas ACM and POM are limited resistant. PUR is not re-sistant.
HNBR, FKM, PA6, PE and PVC are resistant in 8-year aged B10, whereas PUR and POM are not resistant, and ACM just limited resistant.
The image designed by Natalia Cano Murillo and colleagues shows the cross section of a ternary composite (boehmite/polycarbonate/epoxy, 80μm x 80μm). The surface was measured by AFM kelvin probe microscopy, yielding the surface potential which is shown as 3D‐surface and contour lines. The sample was further subjected to AFM force spectroscopy with a lateral resolution of 1μm², yielding the local Young's modulus, projected in false colors on the 3D surface. The ternary system, containing boehmite nanoparticles, shows a broad distribution of modulus, desirable for optimized macroscopic mechanical properties, such as high stiffness as well as toughness.
Fundamental understanding of crack healing in glassy crystalline materials is very important for many applications, especially for sealing solid oxide fuel cells (SOFC) since cracks caused by sealing or thermal cycling still remain a substantial bottleneck in developing durable SOFC.
Previous studies on soda lime silicate glass [Sin14] showed that crack healing is driven by viscous flow and that healing progress is proportional to time t and inverse viscosity η. This finding would allow to present healing data of a given glass for different temperatures in a master curve healing progress versus t/η. Such master curves would be a helpful tool in understanding crack healing kinetics.
Against this background, crack healing in non-crystallizing sodium calcium silicate (NCS) and sodium borosilicate glasses (NBS) have been studied. Moreover, to evaluate the influence of micros structure in crystallized glass on crack healing process, glass matrix composites (GMC) where prepared out of NCS and zirconia as inert ceramic filler material mimicking a partially crystalline micro structure. Cracks were generated by Vickers indention and healed isothermally at different temperatures. Crack healing progress was monitored by optical and electron microscopy. Results show that the above mentioned proportionality actually applies for the studied glasses for which such a master curve could be obtained. In comparison to a non-crystallized glass, the effective viscosity of GMC is increased by rigid filler content. This effect substantially retards crack broadening during later healing stages, which often ends up in large pores. On the other hand, local viscous crack healing is still possible in larger glassy regions. This behavior seems to be very interesting for crack healing optimized sealants.
We report on the ferromagnetism of Sn1-xZnxO2 (x < 0.1) hierarchical nanostructures with various morphologies synthesized by a solvothermal route. A room temperature ferromagnetic and paramagnetic response was observed for all compositions, with a maximum in ferromagnetism for x = 0.04. The ferromagnetic behaviour was found to correlate with the presence of zinc on substitutional Sn sites and with a low oxygen vacancy concentration in the samples. The morphology of the nanostructures varied with zinc concentration. The strongest ferromagnetic response was observed in nanostructures with well-formed shapes, having nanoneedles on their surfaces. These nanoneedles consist of (110) and (101) planes, which are understood to be important in stabilizing the ferromagnetic defects. At higher zinc concentration the nanostructures become eroded and agglomerated, a phenomenon accompanied with a strong decrease in their ferromagnetic response. The observed trends are explained in the light of recent computational studies that discuss the relative stability of ferromagnetic defects on various surfaces and the role of oxygen vacancies in degrading ferromagnetism via an increase in free electron concentration.
In dem IGF-Vorhaben IGF-Nr. 17978 N (P 1011) wurden unter gezielter definierter Schrumpfbehinderung Schweißexperimente an hochfesten Feinkornbaustählen durchgeführt, um den Einfluss der Wärmeführung sowie den Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse verbunden mit schmaleren Nahtfugen auf die lokalen Eigenspannungen und die Gesamteigenbeanspruchungen an geschweißten Bauteilen zu analysieren. Diese Kurzdarstellung fasst die wesentlichen Zusammenhänge zu schweißbedingten Beanspruchungen an hochfesten Schweißverbindungen sowie einige der erarbeiteten Erkenntnisse und erreichten Ziele des Forschungsprojektes zusammen.