zum Download freigegebene Poster/AbstractsNr. Name Einrichtung Poster - Titel
1 Christoph Hörenz, Moritz von der Lühe, Oliver Eckardt, Christian Pietsch, Silvio Dutz, Delia S. Brauer, Felix H. Schacher
JCSM Jena, FSU Jena Preparation of Well-defined Core-Shell Hybrid Nanoparticles
2 Schulz, T; Kulle, C.; Goretzki, L.; Ludwig, H.-M. BUW Thermisch aktiviertes Schiefermehl – Verwertung eines regionalen Materials aus Betonzusatzstoff
3 Sabrina Berndt, Antje Gawronski, Christian Patzig, Wolfgang Wisniewski, Thomas Höche and Christian Rüssel
Otto-Schott-Institut Jena Crystallization of a MgO/Al2O3/SiO2 Glass in Contact with Tetragonal ZrO2 Ceramics
5 Franziska Döhler, Susanne Kasch, Christian Rüssel Otto-Schott-Institut Jena Schnelle kristallisierende Glaslote6 Christian Bocker, Andreas Herrmann, Peter Loch und Christian
Rüssel Otto-Schott Institut Jena, FSU JenaNanokristallisation und Fluoreszenz von Gläsern im System Na2O/K2O/CaO/CaF2/Al2O3/SiO2 mit der Dotierung von Terbium
7 Michael Kracker, Wolfgang Wisniewski, Wolfgang Seeber, Christian Rüssel
Otto- Schott-Institut Jena Texturen von entnetzten Nanopartikeln auf Glasoberflächen
8 W. Wisniewski, M. Nagel, T. Zscheckel, G. Völksch, C. Rüssel, Otto-Schott-Institut Jena Orientierte Keimbildung in oberflächenkristallisierten Glaskeramiken
9 A. Erlebach; M. Sierka Otto-Schott-Institut Jena Eisen(III)-oxid Nanopartikel: Entstehung, Struktur und magnetische Eigenschaften10 M. Tylkowski, A. Herrmann, M. Sroda, D.-S. Brauer FSU Jena Herstellung und Einfluss verschiedener fluoridischer Kristallphasen auf die Lumineszens
von Er3+ in Alumosilicatgläsern11 L. Wedekind, B. Schwendiger, S. Begand, Th. Oberbach, M.
JohannesFraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Hermsdorf
Entwicklung einer neuen Generation von keramischen Gelenkprothesen
14 S. KRENKEL, E. RÄDLEIN, Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe, Technische Universität Ilmenau
Herstellung von porösen, anisotropen, hierarchisch strukturierten Glasmonolithen durch Verziehen und Entmischen
15 N. Reger-Wagner, S. Kämnitz, H. Richter, I. Voigt Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Hermsdorf
Kohlenstoffmembranen auf porösen keramischen Supporten für die Gastrennung
16 S. Schiermeyer, G. Teichert, L. Spieß, E. Rädlein, S. Urban MFPA Weimar Diffusionsschichtcharakterisierung von gealterten Gläsern mit der optischen Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES)
17 Ulrike Brokmann, Heike Bartsch, Edda Rädlein, Jens Müller Technische Universität Ilmenau, IMN Sol-Gel coatings on LTCC surfaces for thin film applications18 Matthias Arras, Otto-Schott-Institut Jena Matryoshka-Doll-like Shish-Kebab Nanocomposite: Nanohybrid Shish-Kebabs within
Nanofiber Shish-Kebabs19 Hayato Sasaki FSU Jena Effect of strontium for calcium substitution in metaphosphate glasses for use as
biomaterials20 T. Zscheckel Otto-Schott-Institut Jena Wachstumsmechanismen Wachstumsprozesse in CVD-ZnS21 Heiko Beinersdorf, Martin Ganß, Rafael Reimann, Michael Kuhne,
Jörg HildebrandMFPA, BUW Dehnungsmessung in der Klebfuge von Metallklebverbindungen mit Faser-Bragg-Gitter
Sensoren22 M. Tiegel Otto-Schott-Institut Jena E-Moduli, Härte und Bruchzähigkeiten von Aluminosilicatgläsern23 Johannes Häßler, Christian Rüssel Otto-Schott-Institut Jena, FSU Jena Strukturuntersuchung und Messung mechanischer Parameter eines entmischten Glases
24 Christian Thieme, Tina Waurischk, Christian Rüssel Otto-Schott-Institut Jena, FUS Jena Rote und violette Pigmente mit hoher Temperaturbeständigkeit25 M. Stoica Otto-Schott-Institut Jena, FUS Jena Nanostruktur und Brechzahländerungen in einem CaF2 PTR-Glas26 Samha El Shabrawy, Christian Rüssel Otto-Schott-Institut Jena Precipitation of MgFe2O4 Ferrimagnetic Nanoparticles from a Borate Glass27 Katrin Thieme, Christian Rüssel Otto-Schott-Institut Jena Keimbildungs- und Wachstumskinetik in Lithiumdisilicatgläsern28 Matthias Bruchmüller Fachgebiet Kunststofftechnik, TU Ilmenau Tribologische Eigenschaften von Kunststoffen für den Einsatz auf Sand29 A. Eckart, H.-M. Ludwig, H.-W.-Zier, H. Dreuse FIB Weimar Forschung im Bereich der Sanierung von sulfathaltigem Mauerwerk30 W. Kämpfer MFPA Weimar Chemischer Angriff auf Betonbauwerke – Modelle, Bewertung, Schutzmaßnahmen31 Juliane Brandt, Roland Göbel, Angelika Rzanny, Delia S. Brauer Otto-Schott-Institut Jena, FSU Jena Der Einfluss von bioaktiven Gläsern auf das Selbstheilungspotential von Dentin-Adhäsiv-
Systemen32 M. Heidenreich, E. Sommer, A. Dimmig-Osburg FIB Weimar Materialverhalten des keramischen Sauerstoffspeichermaterials bei der regenerativen
Produktion von elektrolytisch reinem Sauerstoff33 M. Schulz, M. Grund, H. Dohndorf, R. Weidl, M. Stelter Fraunhofer IKTS Hermsdorf Synthese und Charakterisierung von Na-ß-Aluminat für Hochdrucktemperaturbatterien
34 J. Kinast, M. Beier, A. Gebhardt, S. Risse, A. Tünnermann IOF Jena Ultrapräzise Metalloptiken basierend auf Si-Partikel verstärktem Aluminium und amorphem Chemisch Nickel
35 A. Diemar, U. Gerth, J. Hildebrand, C. Könke BUW Weimar Simulationsgestützte Optimierung des lokalen Werkstoffzustandes im Bereich zyklisch hochbeanspruchter einsatzgehärteter Konstruktionsdetails mit Kerbwirkung
36 Sabine Günschmann, S. Schiermeyer, R. Grieseler, D. Roßberg, L. Spieß
TU Ilmenau Funktionalisierte Werkstoffe für die Sensorik
Übersicht Poster zum Thüringer Werkstofftag 2015
zum Download freigegebene Poster/AbstractsNr. Name Einrichtung Poster - Titel
Übersicht Poster zum Thüringer Werkstofftag 2015
37 Fuping Dong, Claudia Lüdecke, Haifeng Xu, Jörg Bossert, Klaus D. Jandt
Otto-Schott-Institut Jena, JCSM Jena Graphene-polymer core-shell structured drug delivery system
38 Christian Helbing, Jörg Bossert, Klaus D. Jandt, Tanja Deckert-Gaudig
Otto-Schott-Institut Jena, JCSM Jena, Institute for Photonic Technology Jena
Selbstassemblierte Proteinnanofasern als Basis für neue Biomaterialien
39 Claudia Lüdecke, Jörg Bossert, Martin Roth, Klaus D. Jandt FSU Jena, HKI Jena Bacterial adhesion on nanorough titanium: Preliminary insight into the nanostructure of the microbe-material-interface and adhesion mechanisms
40 Stefan Maenz, Ranko Adjiski, Jörg Bossert, Klaus D. Jandt, Roland Ramm, Peter Kühmstedt
FSU Jena, Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 3-D Charakterisierung von keramischen Biomaterialien mittels µ-Computertomografie und Rasterelektronenmikroskopie mit fokussiertem Ionenstrahl
41 Tam Thanh Pham, Stefan Maenz, Claudia Lüdecke, Jörg Bossert, Klaus D. Jandt, Utz Settmacher, Stefan Wiedemeier, Gunter Gastrock
OSIM Jena, Institute for Bioprocessing and Analytical Measurement Techniques Heiligenstadt, Department of General, Visceral and Vascular Surgery Jena, JCSM Jena
Reduced platelet adhesion on micro-structured PDMS surfaces under shear condition
42 Robert Schulze, Tobias Büttner, Jörg Bossert, Klaus D. Jandt, Christophe Boisson, Stefan Hölzer
Otto-Schott-Institut Jena, JCSM Jena, IOMC Jena, Chimie Catalyse Polymères et Procédés, École supérieure de chimie physique électronique de Lyon, Villeurbanne, France
Double-Crystalline Diblock Copolymer Nanostructures by Crystal Thickening
43 Xiaoyuan Zhang, Matthias Arras, Claudia Lüdecke, Christian Helbing, Jörg Bossert,Klaus D. Jandt
Otto-Schott-Institut Jena, JCSM Jena Fibrinogen Adsorption and Network Formation on Melt Drawn Isotactic Polybutene-1 Thin Films
44 S. Pochert, D. Litzkendorf, S. Grimm, K. Schuster, J. Töpfer Leibniz Institut für Photonische Technologien e.V. Jena, Ernst-Abbe-Hochschule Jena
Untersuchung zur Homogenität von Seltenerd-Alumosilikat-Lasergläsern
45 A. Wild, B. Häupler, T. Janoschka, M. D. Hager, U. S. Schubert IOMC Jena, CEEC Jena, FSU Jena Polymers for organic batteries
46 Stefan Bode, Natascha Kuhl, Marcel Enke, Julia Kötteritzsch, Martin D. Hager, U. S. Schubert
IOMC Jena, JCSM Jena Self-healing polymeric systems: From chemical design to functional coatings
47 Zhiwen Pan Leibniz Institut für Photonische Technologien e.V. Study of Gas Pressure-assisted Sintering of Ytterbium doped Lanthanum Aluminosilicate glass
48 Christiane Hadlich Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe, F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar
Erforschung und Entwicklung von Materialien und Methoden mittels Computertomographie.
49 Roman Lazarski, Marek Sierka, Julian Heinzelmann, Alexander Koop, Sebastian Proch, Gerd F. Ganteför
Otto-Schott-Institut für Materialforschung, FSU Jena (ZnO)n Clusters: Valuable Building Block for Cluster-Assembled Materials
50 M.Sc. Hadi Soltanzadeh, Prof. Dr.-lng. Jörg Hildebrand Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experiment
Modelling of Stud Are Weiding Process and evaluation of temperature field, microstructure and residual stress state
51 Heiko Beinersdorf(1), Martin Ganß (1),(2), Michael Kuhne(1), Jörg Hildebrand(2)
(1) Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar,(2) Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Juniorprofessur Simulation und Experiment
Monitoring von Klebverbindungen durch Überwachung vonDehnungszuständen in der Klebschicht
52 Dipl.-Ing. Björn Wittor(1), Prof. Dr.-lng. habil. Frank Werner(1), Prof. Dr.-lng. Jörg Hildebrand(2)
(1) Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Professur Stahlbau, (2) Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, JuniorprofessurSimulation und Experiment,
Einsatz von faserverstärkten Klebstoffen im Bauwesen
53 M.Sc. Christin Sirtl(1), Prof. Dr.-lng. Jörg Hildebrand(1) Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experiment
Entwicklung von Kapillargläsern zur Kühlung und energetischen Nutzung von Fassaden
54 M.Sc. Ghazal Moeini(1), Prof. Dr.-lng. Jörg Hildebrand(1) (1) Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, JuniorprofessurSimulation und Experiment
Microstructure based fatigue failure of Dual-phase steel welded joint
55 M. Sc. Flaviu Simon(1), Falk Nagel (2), B.Sc. Benjamin Kümmel (2), Prof. Dr. ing. Jörg Hildebrandt (1), Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil Jean Pierre Bergmann (2)
(1) Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, JuniorprofessurSimulation und Experiment, Marienstr. 7A, 99421 Weimar(2) Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Fertigungstechnik, Neuhaus 1, 98684 Ilmenau
Einsatz numerischer Werkzeuge zur Optimierung des Laserstrahlschweißprozesses hochlegierten Stahlbleche mit einer zusätzlichen Wärmequelle
Preparation of Well-defined Core-Shell Hybrid Nanoparticles
Christoph Hörenz,1,2 Moritz von der Lühe,1,2 Oliver Eckardt,1,2 Christian Pietsch,1,2 Silvio Dutz,3 Delia S. Brauer,4 Felix H. Schacher1,2*
1 Institut für Organische Chemie Makromolekulare Chemie (IOMC), Friedrich Schiller Universität Jena, Lessingstraße 8, 07743 Jena, Germany; [email protected] 2 Jena Center for Soft Matter (JCSM), Friedrich Schiller Universität Jena, Philosophenweg 7, 07743 Jena, Germany 3 Institut für Biomedizintechnik und Informatik (BMTI), Technische Universität Ilmenau, Ilmenau, Germany 4 Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM), Friedrich Schiller Universität Jena, Fraunhoferstr. 6, 07743 Jena, Germany Core-shell hybrid nanoparticles featuring an inorganic metal/metal oxide core and a polymer-based shell represent interesting materials which allow to combine the properties of both components in one single material. Here, we present the synthesis and characterization of three different examples for such nanomaterials: 1) A hard and mesoporous silica core is coated with a soft and hydrophilic polymer shell using sol-gel approaches. Narrowly dispersed particles with tunable sizes between 10 and 500 nm diameter were prepared by Stöber processes and, subsequently, a triethoxysilyl end-capped polymer (e.g. poly (ethylene oxide)) was added via “grafting onto” techniques. 2) As an alternative to established materials, we use polyelectrolytes based on polydehydroalanine (PDha) featuring an identical backbone and tunable charge and/or charge distribution as coating for superparamagnetic (single core, SPIONs) and ferromagnetic (multi core) Fe3O4 iron oxide nanoparticles. With these materials, we aim at influencing the immediate formation of a protein corona once these materials are brought in contact with biological fluids. 3) We use poly(ethylene oxide)-block-poly(furfuryl glycidyl ether) (PEO-b-PFGE) block copolymer ligands with a terminal thiol moiety for the synthesis of well-defined Au nanoparticles; the PFGE segment can be selectively (and reversibly) crosslinked and this allows preventing ligand exchange reactions upon exposing the Au@PEO-b-PFGE hybrid particles to alternative ligands (also in excess).
Fe3O4
Nanokristallisation und Fluoreszenz von Gläsern im System Na2O/K2O/CaO/CaF2/Al2O3/SiO2 mit der Dotierung von Terbium
Christian Bocker, Andreas Herrmann, Peter Loch und Christian Rüssel
Otto-Schott-Institut für Materialforschung, Universität Jena, Fraunhoferstr. 6, 07743 Jena.
Fluorhaltige Gläser der Zusammensetzung (in Mol-%) 59,3 SiO2·3,7 Al2O3·12,3 CaO·5,3 K2O·9,0 Na2O ·10,4 CaF2 wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen an Terbiumionen dotiert (1·1019, 5·1019 and 1·1020 cm-3). Die Gläser wurden im Temperaturbereich von 550 bis 600 °C wärmebehandelt. Dabei kristallisierte kubisches CaF2. Die Spektren der Röntgendiffraktometrie zeigten verbreiterte Reflexe, die einer mittleren Kristallitgröße von 11 bis 15 nm zugeordnet werden konnten. Aufnahmen der Elektronenmikroskopie (REM und TEM) zeigten polykristalline Partikel mit einem Durchmesser von ca. 200 nm. Diese bestehen wiederum aus kleineren Kristalliten mit einer Größe von ca. 15 nm. Statische Fluoreszenzsprekten als auch Fluoreszenzlebensdauermessungen wurden an den Proben unterschiedlicher Terbiumkonzentration und Wärmebehandlung durchgeführt. Für die Proben geringerer Terbiumdotierung wurden deutlich längere Fluoreszenzlebensdauern festgestellt.
Eisen(III)-‐oxid Nanopartikel: Entstehung, Struktur und magnetische Eigenschaften
Andreas Erlebach und Marek Sierka
Otto-‐Schott-‐Institut für Materialforschung, Friedrich-‐Schiller-‐Universität Jena Löbdergraben 32, D-‐07743 Jena
Eisen(III)-‐oxide in Form von Clustern und Nanopartikeln (NP) finden eine Reihe technischer (z.B. Datenspeicherung) und biomedizinischer (z.B. Krebstherapie/Hyperthermie) Anwendungen aufgrund ihrer besonderen magnetischen, biochemischen und katalytischen Eigenschaften. Eine geeignete Methode zur Synthese solcher NP ist die Laservaporisation von Fe2O3-‐Pulvern mit anschließender Kondensation der Partikel aus der Gasphase.1 Zur Kontrolle und Optimierung der Synthesebedingungen ist ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden Entstehungsprozesse einschließlich Keimbildungs-‐, Wachstums-‐ und Kristallisationsmechanismen sowie die Kenntnis der atomaren Struktur und Eigenschaften von Fe2O3-‐NP erforderlich. In dieser Arbeit wurde eine Kombination aus Dichtefunktionaltheorie-‐(DFT)-‐Simulationen und maßgeschneiderten interatomaren Potentialfunktionen zur Untersuchung der Entstehung, Struktur und magnetischen Eigenschaften von nanopartikulärem Fe2O3 verwendet, beginnend bei dessen kleinstmöglicher Struktureinheit, über kleine (Fe2O3)n-‐Cluster bis hin zu größeren Fe2O3-‐Partikeln mit mehreren Nanometern im Durchmesser. Durch globale Strukturoptimierungen kleinerer (Fe2O3)n-‐Cluster (n = 1 – 5) konnte gezeigt werden, dass ihre exakten Magnetisierungs-‐(Spin)-‐Zustände nur einen geringen Einfluss auf ihre geometrische Struktur und relative (thermodynamische) Stabilität besitzen.2 Dies ermöglicht genaue Simulationen größerer Gasphasencluster (n = 6 – 10) und Nanopartikel sowie die erstmalige Untersuchung des Kristallisationsprozesses von Fe2O3-‐NP in der Gasphase mit bis zu 5 nm im Durchmesser auf atomaren Niveau (s. Abb. 1).3 Die Simulationsergebnisse werden vollständig von experimentellen Daten untermauert und liefern detaillierte Strukturmodelle für Fe2O3-‐NP.
Abb. 1 Ergebnisse der simulierten Kristallisation eines (Fe2O3)1328-‐NP (1a) und Vergleich der kristallisierten (Fe2O3)1328-‐NP (1b) mit einer hochauflösenden TEM-‐Aufnahme eines experimentell hergestellten Fe2O3-‐NP (1c). 1. C. Stötzel, H. D. Kurland, J. Grabow, S. Dutz, E. Müller, M. Sierka and F. A. Müller, Cryst. Growth Des.,
2013, 13, 4868-‐4876. 2. A. Erlebach, C. Hühn, R. Jana and M. Sierka, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 26421–26426. 3. A. Erlebach, H.-‐D. Kurland, J. Grabow, F. A. Müller and M. Sierka, Nanoscale, 2015, DOI:
10.1039/C4NR06989G (im Druck).
„Entwicklung einer neuen Generation von keramischen Gelenkprothesen“ L. Wedekind, B. Schwendinger, IBU-tec advanced materials AG, Weimar S. Begand, Th. Oberbach, Mathys Orthopädie GmbH, Mörsdorf M. Johannes, FhG IKTS Hermsdorf Der künstliche Gelenkersatz gehört zu den am häufigsten durchgeführten operativen Eingriffen in orthopädischen Kliniken. Jährlich werden schätzungsweise 320000 Prothesenimplantationen in Deutschland durchgeführt, davon 180000 Hüftprothesenimplantationen und 140000 Knieprothesenimplantationen. Als Materialien für Kniegelenksprothesen kommen am häufigsten Kobalt-Chrom-Legierungen oder Titanlegierungen zum Einsatz. Als "künstlicher Knorpel" wird ein Kunststoffimplantat aus Polyethylen verwendet. In der Knieendoprothetik wird derzeit nur eine Metall-Polyethylen-Gleitpaarung zur Verfügung gestellt. Die Einsatzdauer von Prothesen ist einerseits durch die aseptische Lockerung aufgrund von Polyethylenabrieb limitiert und andererseits durch immunologisch-allergologische Reaktionen auf Legierungsbestandteile von Metall-Implantaten (Kobalt, Chrom, Nickel) begrenzt. Im Bereich der Hüftendoprothetik haben sich Mischkeramiken aus Al2O3 und Y-TZP aufgrund deren exzellenter mechanischer Eigenschaften bereits bewährt, so dass diese auch in der Knieendoprothetik Anwendung finden könnten. Ziel eines von der Thüringer Aufbaubank geförderten Verbund-Forschungsprojektes zwischen der IBU-tec advanced materials AG in Weimar, der Mathys Orthopädie GmbH in Mörsdorf und dem Fraunhofer IKTS in Hermsdorf war es, eine keramische Knieprothese unter Verwendung neuartiger Mischkeramiken, die den erhöhten Festigkeitsanforderungen insbesondere im Bereich des Kniegelenkes genügen, zu entwickeln. Neben der Materialentwicklung wurden zwei Möglichkeiten zur Verarbeitung dieser Pulver bis hin zur Bildung von Keramikformkörpern untersucht. Das Fraunhofer IKTS Hermsdorf hat die Technologie entwickelt, um eine keramische Kniekondyle mittels Schlickerguss herzustellen. Die Mathys Orthopädie GmbH hat die Fertigung der Kniegelenksgeometrie durch Fräsen aus einem kompakt gepressten Grünkörper untersucht. Bei beiden Prozessschritten wurden geeignete ATZ- und ZTA-Pulver benötigt. Die IBU-tec advanced materials AG hat durch ihr weltweit einzigartiges und patentiertes Pulsationsreaktor-Verfahren neuartige und komplett fertige ATZ- und ZTA-Pulver mit entsprechenden Dotierungselementen entwickelt. Dadurch entfällt das aufwendige Mischen der Komponenten Al2O3, ZrO2 und der gewünschten Dotierung im späteren Entwicklungsprozess für die keramischen Prothesen und es kann eine homogene Verteilung der beiden Komponenten Al2O3 und ZrO2 sowie der Dotierungselemente gewährleistet werden. Außerdem können durch die Entwicklung der Pulver im Pulsationsreaktor feinere, im Submikrometerbereich liegende Partikelgrößen erzeugt werden, die neuartige Eigenschaften aufweisen und sich somit besonders positiv auf die Pulvereigenschaften und die damit verbundenen Keramikkörpereigenschaften auswirken. Im Fraunhofer IKTS konnte mittels CAD/CAM Technologie und dem Formgebungsverfahren Schlickerguss ein erster Demonstrator einer unikondylären Knieprothese hergestellt werden. Des Weiteren wurden aus Pulvern der IBU-tec advanced materials AG Prüfkörper für die Ermittlung der 4-Punkt-Biegefestigkeit gefertigt sowie die Gefüge der ATZ-und ZTA- Keramiken charakterisiert. Die Mathys Orthopädie GmbH hat eine Technologie zur Fertigung einer bikondylären Knieprothese durch Fräsen aus einem kompakt gepressten Grünkörper entwickelt. Neben der Grünbearbeitung konnte erfolgreich die Hartbearbeitung der komplex geformten Geometrie durch Schleifen und Polieren durchgeführt werden. Der hergestellte Demonstrator wurde ausführlich hinsichtlich der Formgenauigkeit und der erreichten Oberflächengüte charakterisiert.
Herstellung von porösen, anisotropen, hierarchisch strukturierten Glasmonolithen durch Verziehen und Entmischen (AIF/ZIM, VP 2184719CK1)
E. RÄDLEIN, S. KRENKEL
Fachgebiet: Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe, Technische Universität Ilmenau
Im Rahmen des Projektes werden O2-, CO2-, und pH-Sensoren sowie Markierungssysteme für gekrümmte
und bewegliche Oberflächen entwickelt.
Im Zentrum der Untersuchungen der TU-Ilmenau steht die Anpassung und Erweiterung der Zieh- und
Tempertechnologie sowie die Untersuchung geeigneter Glaszusammensetzungen und Porenstrukturen.
Die Glasentwicklung erfolgt gemeinsam mit der Universität Leipzig und JSJ Jodeit. Weitere
Kooperationspartner sind Surflay, Arteos, Boraident und das Fraunhofer IAP.
Voraussetzungen für einen effizienten Prozess sowohl im Bereich der Sensorik, Katalyse als auch in der
Mikrofiltration sind ein geringer Druckverlust sowie hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Durch die
Kombination der Multikapillarherstellung mittels Draw-Down-Verfahren mit der Herstellung von porösen
Gläsern durch den Vycor-Prozess ist es möglich, Monolithe mit einem geringen Druckverlust und
definierten µm- sowie nm- Porensystem zu generieren. Die Porensysteme sind unabhängig voneinander
einstellbar. Über die Geometrie und den Draw-Down-Prozess werden anisotrope Transportporen im
Mikrometer- bis Milimeterbereich hergestellt. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung entmischt das
Alkali-Borosilicat-Glas in eine boratreiche und silicatreiche Phase. Die Herauslösung der Boratphase erfolgt
über eine saure und basische Extraktion. Das offene Porensystem zeigt eine enge Porengrößenverteilung.
Es sind Poren im Bereich von 50 – 200 nm herstellbar. Durch die Anwendung eines Reckprozesses
während der Wärmebehandlung ist eine Orientierung der nm-Poren in der Glaswand möglich. Dadurch
erhält man einen Monolithen mit anisotropen, hierarchischen Poren. Die Topologie ähnelt der eines
Straßennetzes bzw. einer Baumkrone.
Abbildung 1: SE (M) Aufnahme (5 kV) eines verzogenen und extrahierten Rohrbündels (links) sowie Abbildung der nm-Poren in den Glaswänden (rechts)
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
1
Dehnungsmessung in der Klebfuge von Metallklebverbin-dungen mit Faser-Bragg-Gitter Sensoren
Martin Ganß1,2, Heiko Beinersdorf2, Rafael Reimann1, Michael Kuhne2, Jörg Hildebrand1
1 Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Juniorprofessur Simulation und Experiment, Marienstraße 7a, 99423 Weimar, Deutschland 2 Materialforschungs- und –prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar, Coudraystraße 9, 99423 Weimar, Deutschland
Kurzfassung
Die Verbindungstechnik Kleben ersetzt im Bauwesen mehr und mehr übliche Verbindungstechnolo-gien wie das Schweißen, Nieten und Schrauben. Hohe Spannungsspitzen in Lasteinleitungsstellen, wie sie bei herkömmlichen Verbindungstechniken wie Schrauben oder Klemmen entstehen, können durch die Elastizität des Klebstoffes vermindert werden. Das Kleben von tragenden Konstruktionen mit Strukturklebstoffen eröffnet neue konstruktive und gestalterische Möglichkeiten. Die Herstellung lang-lebiger Klebverbindungen erfordert aber neben der richtigen konstruktiven Auslegung eine optimale Vorbereitung der Fügepartner sowie detaillierte Kenntnisse zu wirkenden Lastfällen, den Umgebungs-einflüssen, z. B. Temperatur und Feuchte, sowie die richtige Klebstoffauswahl. Klebstoffe altern in Folge von klimatischen Einflüssen, so dass die Klebschicht oftmals die Schwachstelle der geklebten Verbindung sein kann. Die herstellungsbedingte Qualität und der Zustand einer eingebauten Klebver-bindung ist momentan jedoch sehr schwer zur überprüfen. Im Beitrag werden die Möglichkeiten der Integration von µm-dünnen faseroptischen Sensoren in der Klebschicht von mit Epoxidklebstoffen gefügten Metallen zur Dehnungs-Messung vorgestellt. Die ein-gebrachten Sensoren sind Faser-Bragg-Gitter-Sensoren mit denen lokal eine hochgenaue Messung von Dehnungen möglich ist. Die mechanische Belastung der geklebten Verbindungen mit integrierten Sensoren erfolgte in quasi-statischen Zugscherversuchen. Die Untersuchungen verdeutlichen, dass über eine detaillierte Lichtspektren-Auswertung nicht nur Dehnungsveränderungen, sondern auch inhomogene Dehnungsfelder erfasst werden können. Somit ist es möglich Aussagen zum Dehnungs-zustand der Verbindungen zu treffen. Die Verifizierung und Validierung der experimentell ermittelten Dehnungswerte in der Klebschicht erfolgt mittels numerischer Simulation. Die Vor- und Nachteile des faseroptischen Messsystems als „Structural Health Monitoring-System“ für geklebte Verbindungen werden diskutiert.
≈190 µm
FBG
FBG-Sensor
Abbildung: Schemata der Integration von faseroptischen Sensoren in Klebfugen sowie Lichtspektren der FBG-Sensoren
Thüringer Werkstofftag 2015 A. Eckart, H.-M. Ludwig, H.-W.-Zier, H. Dreuse Forschung im Bereich der Sanierung von sulfathaltigem Mauerwerk In Abhängigkeit von der Rohstoffverfügbarkeit (Gips- und Anhydritvorkommen) und den Transportwegen wurde in Europa in bestimmten Regionen viel mit sulfatischen Baustoffen gearbeitet. Bekannte Gipsverwendungsgebiete in West- und Mitteleuropa sind das Pariser Becken, Main- bzw. Unterfranken, das Thüringer Becken, der Bereich um den Harz, sowie Nordostniedersachsen/Schleswig-Holstein. Bei der Errichtung von Bauwerken wurde sulfathaltiges Material in Form von Mörtel, Bruch- oder Werkstein verwendet. Mit der Erfindung des Portlandzementes und seiner schnellen Verbreitung ab Mitte des 19. Jahrhunderts wurde der Einsatz historischer Materialien verdrängt. Heute stehen wir vor dem Problem der Instandsetzung vieler historischer Gebäude deren Mauerwerk sulfatisches Material enthält. Umnutzungen und statische Belange ließen Planer, Bauherren und ausführende Firmen in der Vergangenheit oft zu hydraulischen Materialien bei derartigen Sanierungen greifen. In der Folge kam es in den letzten 30 Jahren zu teilweise extremen Schadensfällen an Baudenkmalen infolge nachträglicher Ettringitbildung und der Entstehung von Thaumasit. Wie derartig geschädigte Bauwerke gerettet werden können ist bis heute eine ungelöste Frage. Am F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde werden derzeit zwei Forschungsprojekte zu dieser Fragestellung bearbeitet. Ein Grundlagenprojekt zur Applikation einer silicatischen Komponente ohne Wasserzusatz (Kieselsäureester) in bereits geschädigtes Mauerwerk um das Fortschreiten der Schädigungsreaktionen zu reduzieren. Und, die Entwicklung eines Mörtelsystems, welches im sulfatischen und hydraulischen Milieu stabil ist und daher für Sanierungen aller Bauwerke geeignet ist (sulfatisch, carbonatisch und hydraulisch gebundenes Mauerwerk, sowie bereits treibmineralgeschädigtes Mauerwerk). Bei einem erfolgreichen Verlauf der Projektarbeit ist die Anwendung dieses Systems auf die Instandsetzung von geschädigten Betonoberflächen infolge Sulfatangriffs und auf das Ablö-sen von Gipsputzen und auf Betonoberflächen geplant.
Bild 1: Schema zur Einordnung der Projekte
Der Einfluss von bioaktiven Gläsern auf das Selbstheilungspotential von Dentin-Adhäsiv-Systemen. Juliane Brandt1, Roland Göbel2, Angelika Rzanny2, Delia S. Brauer1
1 Otto-Schott-Institut für Materialforschung, Friedrich-Schiller-Universität, Fraunhoferstr. 6, 07743 Jena, Germany; 2 Poliklinik für zahnärztliche Prothetik und Werkstoffkunde, Universitätsklinikum Jena, Bachstraße 18, 07743 Jena, Germany
Dentin-Adhäsiv-Systeme werden benutzt, um Kompositfüllungen bei einer
Kariesbehandlung im Zahn zu befestigen. Eine feste und dichte Bindung wird
angestrebt, um das Auftreten eines Spaltes zu verhindern, der zur Infiltration von
Mikroorganismen und letztendlich zu Sekundärkaries führen würde.
Bioaktive Gläser (BG) lösen sich in wässrigen Flüssigkeiten wie Körperflüssigkeiten
auf und geben dabei Ionen ab. Dies führt zur lokalen Übersättigung und zur Bildung
von Hydroxylapatit. Das in-vitro-Verhalten zweier bioaktiver Gläser (Bioglass ® 45S5
und eine Strontium-modifizierte Version) wurde in TRIS-Pufferlösung für 1 und 3
Tage untersucht, die Apatitbildung wurde durch FTIR bestätigt. Um den Einfluss
dieser beiden BG auf die Druck-Scher-Festigkeit und auf Microleakage zu überprüfen,
wurden die zwei BG (durchschnittliche Partikelgröße: 7 bzw. 6 μm) in ein Dentin-
Adhäsiv-System (Cmf, Saremco) gemischt. BG-freie Proben wurden als Kontrollen
benutzt. Dazu wurden Dentinflächen von extrahierten menschlichen Zähnen
angeschliffen, geätzt, und mit Primer und Bonding behandelt. Für den Druck-Scher-
Versuch wurden Zylinder mit Hilfe einer dünnen Schicht Komposit (Els Extra Low
Shrinkage, Saremco) an den mit Adhäsiv-System vorbereiteten Dentin-Flächen
befestigt. Für den Microleakage-Test wurden konditionierte Glasplatten mit einer
dünnen Schicht Komposit an den mit Adhäsiv-System vorbereiteten Dentin-Flächen
befestigt. Die vorbereiteten Proben blieben für 1 Tag oder 1 Monat in TRIS-
Pufferlösung (pH 7.4) bei 37°C. Im Anschluss wurden die Druck-Scher-Versuche
direkt durchgeführt, während die Proben für den Microleakage-Versuch noch für
14 Tage in Methylenblau-Lösung gelagerten und anschließend die infiltrierte Fläche
in Prozent gemessen wurden.
Der Einbau von BG-Partikeln in das Adhäsiv-System hatte keinen negativen Einfluss
auf die Druck-Scher-Festigkeit, aber sie reduzierten die Microleakage innerhalb von
29 Tagen deutlich im Vergleich zu den Kontrollproben.
13. Thüringer Werkstofftag 2015 vom 11.03.2015 in Weimar
Abstract
Materialverhalten des keramischen Sauerstoffspeichermaterials bei der regenerativen Produktion von elektrolytisch reinem Sauerstoff
M. Heidenreich*, E. Sommer°, A. Dimmig-Osburg*
*Bauhaus-Universität Weimar – F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde – Professur Bauchemie und
Polymere Werkstoffe, °Sommer-Verfahrenstechnik GmbH
Email: [email protected]*
Die Umgebungsluft beinhaltet gerade in Ballungs- und Industriegebieten häufig zu hohe Anteile an unerwünschten Verunreinigungen. Ausgewählte Anwendungsfälle benötigen heutzutage Sauerstoff als technisches Gas in Reinheiten auf höchstem Niveau, da ansonsten eine Ergebnisverfälschung droht. Sauerstoff wird zur technischen Nutzung immer aus der Luft abgetrennt, demnach müssen die Prozesse dafür ebenfalls bestmögliche Abtrennraten erreichen. Durch die regenerative Sauerstoffbereitstellung wird eine Möglichkeit eröffnet diesen Ansprüchen gerecht zu werden. Mit der in dieser Arbeit gezeigten zyklischen Sauerstoffbereitstellung durch keramische Schüttungen ist, ein konkurrenzfähiges Produkt zu anderen Technologien entwickelt worden. So unterliegen diese Schüttungen, bedingt durch ihre Geometrie, wesentlich geringeren thermo-chemischen internen Spannungen, die aus Sauerstoffdefiziten herrühren, als Membranen aus dem gleichen Material. Zudem sind Membranen auf Grund ihrer deutlich zweidimensionalen geometrischen Formung bereits bei der Herstellung und dem Transport mit massiven Problemen behaftet und somit mechanisch sehr empfindlich. Gegenüber der PSA und den Molekularsieben ist die hohe Abtrennrate hervorzuheben, da die einzusetzenden Perowskit-Stoffsysteme 100 %ig selektiv gegenüber Sauerstoff sind. Damit wird sogar die hohe Abtrennrate der kryogenen Luftzerlegung übertroffen, da bei dieser auch mit höchstem technischem Aufwand noch Anteile und Spuren von anderen Gasen enthalten bleiben. Des Weiteren lassen sich mit oxidkeramischen Materialien in verschiedenen verfahrenstechnischen Prozessen nach aktuellen Studien von 8 bis 15 % Wirkungsgradverlust im Vergleich zum Einsatz einer LINDE-Anlage zurückgewinnen [1][2]. Nicht zu vernachlässigen sind zukünftig bei stetig steigenden Rohstoff- und Treibstoffpreisen die Transportkosten von Sauerstoff aus der kryogenen Luftzerlegung, da diese nur als großtechnische Anlagen ihre hohen Wirkungsgrade erreichen.
Abbildung 1: Struktureller Aufbau eines einzelligen Sauerstoffregenerators
[1] L. Zhao, "Concepts and investment costanalyses of multi-stage membrane systems used in post-combustion processes," J. Werkstoffsymposium, Ed., ed, 2009.
[2] R. Kneer, "The OXYCOAL-AC project - Developmentof Innovative Components for a Highly Integrated Power Plant Process using Oxygen generated by a Membrane-Module" J. Werkstoffsymposium, ed, 2009.
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Synthese und Charakterisierung von Na-ß-Aluminat fü r Hochtemperaturbatterien
M. Schulz, M. Grund, H. Dohndorf, R. Weidl und M. Stelter
Fraunhofer IKTS, Michael-Faraday-Str. 1, 07629 Hermsdorf
Abstract
Am IKTS werden Na/NiCl2-Hochtemperaturbatterien für die stationäre Energiespeicherung hin-sichtlich der Kosten neu bewertete und entwickelt. Das wirtschaftliche Potential dieses Batterie-types ist aufgrund der kostengünstigen, nicht strategischen Rohstoffe und der hohen Energie-dichten von 130 Wh/kg sehr vielversprechend. Bisher liegen die Investkosten wie bei Li-Ionen Batterien bei ca. 500 €/kWh, was die großflächige Etablierung von Batterien als stationäre Spei-cher bisher verhinderte. Ziel des Fraunhofer IKTS ist es die Kosten auf ein Niveau unter 200 €/kWh zu senken. Wesentlicher Ansatz dabei ist die verbesserte Fertigung des keramischen Festkörperelektrolyten aus Na-ß-Aluminat und ein Low Cost Zelldesign.
Methodik
Die Entwicklung des Festkörperelektrolyten aus Na-ß-Aluminat erfolgte im Labormaßstab wobei Pulverchargen von ca. 2 kg synthetisiert wurden. Die Aufbereitung der hoch alkalischen Rohstof-fe erfolgte mit organischen Lösemitteln in Hochenergiemühlen. Die Rohstoffe und die Synthese-parameter wurden hinsichtlich optimaler physikalischer und elektrochemischer Eigenschaften systematisch variiert. Die elektrochemische Charakterisierung erfolgte in speziellen Hochtempe-ratur-Zellen. Vielversprechende Materialien wurden anschließend in den Technikums-Maßstab überführt. Elektrolyte werden in Na/NiCl2 Laborzellen erfolgreich getestet. davon ausgehend wer-den die Ergebnisse in eine hochproduktive Fertigungstechnologie - durch steifplastische Extrusi-on - überführt.
Ergebnisse
Zentrales Ergebnis der experimentellen Laboruntersuchungen ist eine keramische Prozessroute für Na-ß-Aluminat Pulver im Technikumsmaßstab. Durch Röntgendiffratktometrie wurden in den kalzinierten Pulvern nahezu 100 % der ß“-Phase nachgewiesen. Elektrolytrohre mit einer Länge von bis zu 30 cm werden durch isostatisches Pressen hergestellt. Durch die Sinterung in ange-passten Kapseln werden Dichten > 98 % des theoretischen Wertes erreicht. Die Na-Ionen Leitfä-higkeit der Keramik liegt mit 0,24 S/cm (300 °C) im internationalen Vergleich im Spitzenfeld. Die Elektrolytrohre wurden in 5 Ah Na/NiCl2-Zellen verbaut und erfolgreich getestet. Erste extrudierte Rohre mit einer Länge von 15 cm und Dichten von 95 % wurden hergestellt.
Zusammenfassung
Im Labormaßstab wurde eine Prozessroute für die Herstellung von Na-ß-Aluminat entwickelt. Die Skalierung in den Technikums Maßstab - mit Einbindung der Formgebung durch Extrusion - zeigt vielversprechende Tendenzen. Hinsichtlich der Formgebung durch Extrusion besteht weiterer F&E Bedarf, der zurzeit am IKTS realisiert wird.
Danksagung: Wir danken dem Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie für die finanzielle Unterstützung der Forschergruppe „Neue keramische Materialien für effiziente Energiespeicher“ (FKZ 2011FGR0089).
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Simulationsgestützte Optimierung des lokalen Werkstoff-
zustandes im Bereich zyklisch hochbeanspruchter einsatz-
gehärteter Konstruktionsdetails mit Kerbwirkung
Dr.-Ing. Andreas Diemar1, Dr.-Ing Uwe Gerth2, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand1, Prof. Dr.-Ing. habil.
Carsten Könke2
1 Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
2 Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar, Coudraystraße 9, 99423 Weimar
Kurzfassung
Bauteile haben verschiedene funktionsbedingte Konstruktionsdetails. Typische Beispiele sind Querbohrungen oder Wellenabsätze. Während der Bauteilbeanspruchung führen diese zu loka-len Extremwerten der Spannung (Kerbwirkung). Spannungsextremwerte fördern die Anrissbil-dung als Ausgangspunkt des Risswachstums bei zyklischer Beanspruchung. Das Bauteil ermü-det und versagt. Dadurch entstehen der Wirtschaft erhebliche Wartungs- oder Reparaturkosten. Die grundsätzliche Zielstellung besteht deshalb darin, die Festigkeit des Bauteiles zu erhöhen. Zur Herstellung zyklisch beanspruchter Bauteile, wie beispielsweise Getriebeteile, Konstruktions- oder Maschinenelemente, werden Einsatzstähle bevorzugt. Deren Festigkeit kann durch die An-wendung mechanischer, thermischer oder thermochemischer Verfahren gesteigert werden. Ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren ist das Einsatzhärten. Die Anwendung dieses Verfahrens auf Bauteile aus Einsatzstählen führt im oberflächennahen Bereich zu höherfesten Gefügezuständen und Druckeigenspannungen. Die sogenannte Einsatzschicht trägt zur Verrin-gerung der Kerbempfindlichkeit des Werkstoffes bei. Die Schwingfestigkeit des Bauteiles wird verbessert. Funktionsbedingte Konstruktionsdetails weisen jedoch wärmebehandlungsrelevante Besonderheiten auf. Dies betrifft die lokale Kohlenstoffaufnahme und –diffusion oder den lokalen Wärmeübergang und die Wärmeleitung. Stand der Technik ist, dass derartige Besonderheiten bei der Festlegung technologischer Parameter des Einsatzhärtens keine Berücksichtigung finden. In der Folge entstehen beispielsweise Über- oder Unterkohlungen, welche zu ungünstigen lokalen Eigenschaftsgradienten führen.
Gefördert durch die AiF wird im Bereich der Juniorprofessur Simulation und Experiment der Bau-haus-Universität Weimar in Zusammenarbeit mit der MFPA Weimar untersucht, wie mittels einer Kombination aus numerischer Simulation auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) und ex-perimenteller Verifizierung die wärmebehandlungsrelevanten Besonderheiten funktionsbedingter Konstruktionsdetails mit Kerbwirkung durch optimierte technologische Parameter der Einsatzhär-tung berücksichtigt werden können. Das Ziel besteht darin den Einsatzhärtungsprozess so zu modifizieren, dass kerbgeometrie- und bauteilspezifisch höherfeste Gefügezustände und maxi-male Druckeigenspannungen sicher erreicht werden. Schwerpunkte der analytischen Arbeiten sind elastizitätstheoretische Berechnungen, die Entwicklung eines Mehrfeld-Solvers zur Berück-sichtigung von Spannungszuständen auf die Phasentransformationen innerhalb Werkstoffgefü-ges sowie die Simulation des Einsatzhärtungsprozesses mit Gas- oder Niederdruckaufkohlung. Die experimentellen Arbeiten dienen der Verifikation der Simulationsergebnisse. Zum quantitati-ven Nachweis der Wirksamkeit einer Optimierung des Einsatzhärtens wird die Dauerfestigkeit der Modellbauteile herangezogen. Mit den Ergebnissen des Vorhabens wird der Kenntnisstand be-züglich der Technologie des Einsatzhärtens wesentlich erweitert. Wärmebehandlungs- und ferti-gungstechnische Potentiale können besser genutzt werden.
Dipl.-Sys.-Wiss. Christiane HadlichProfessur Bauchemie und Polymere BaustoffeUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Chem. Andrea Dimmig-OsburgF.A. Finger-Institut für BaustoffkundeBauhaus-Universität Weimar
abstract „Thüringer Werkstofftag 2015 “- „Werkstoffforschung und -innovation für intelligente Spezialisierung in Thüringen“-
Vorstellung ausgewählter Ergebnisse der Erforschung und Entwicklungverschiedener Materialien und Methodenmittels Computertomographiean der Bauhaus-Universität Weimar
Im Bereich der Forschung und Entwicklung von innovativen Werkstoffen und in der Ana-lyse von Schädigungsprozessen vorhandener Materialien ist es in vielen Fällen sinnvollund notwendig, Proben zerstörungsfrei untersuchen zu können. Hierfür bietet sich dieVerwendung eines Computertomographie-Systems an. Ein solches System befindet sichseit einiger Zeit an der Bauhaus-Universität Weimar. Es handelt sich hierbei um ein„nanotom m“ der Firma GE. Die Visualisierung und Analyse der CT-Daten erfolgt mitHilfe der Software „VGStudio MAX“ der Firma Volume Graphics GmbH. Im Folgendensollen beispielhaft einige interessante Ergebnisse der Arbeit mit dem System vorgestelltwerden. Diese Beispiele reichen von Betonproben, über Fasergewebe bis hin zu metalli-schen Untersuchungsobjekten.
Eine besondere Herausforderung ist die Vielfalt der Materialien, die untersucht werden.Denn jedes Material hat mannigfaltige und einzigartige Eigenschaften und stellt somitauch andere Anforderungen an die Einstellungen des Gerätes und an die softwareseitigeAuswertung.
Es kann gezeigt werden, dass die Verwendung des Computertomographen vielfältige Mög-lichkeiten der zerstörungsfreien Untersuchung unterschiedlichster Materialien bietet undeine Bereicherung verschiedenster Fachgebiete darstellt.
1
(ZnO)n Clusters: Valuable Building Blocks for Cluster-Assembled Materials
Roman Łazarski†, Marek Sierka†, Julian Heinzelmann‡, Alexander Koop‡, Sebastian Proch‡, Gerd F. Ganteför‡
†Otto-Schott-Institut für Materialforschung, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Löbdergraben 32, 07743 Jena, Germany ‡Fachbereich für Physik, Universität Konstanz,
Universitätsstrasse 10, 78464 Konstanz, Germany In recent years an increasing scientific and technological interest has been attracted to nanostructured metal oxides in form of clusters, nanoparticles, and nanofilms.1 At the nano- and subnanoscale, some properties of these systems can be very different from those of their atomic and bulk counterparts. This opens new possibilities for the development of highly functional, tailor-made structures by a bottom up approach with clusters serving as the building blocks, leading to the so-called cluster-assembled materials (CAMs). There are special prerequisites for clusters to serve as such building blocks, namely a very rigid structure that also favors three-dimensional assembly and large HOMO-LUMO gaps to prevent fusion of clusters to form larger entities.2 Small (ZnO)n clusters have been predicted by theory to exhibit alternant cage structures that fulfill these requirements.3 Here, the results of combined theoretical and experimental analysis of (ZnO)n
! clusters (n = 5, 8, 12, 13, 14, 16) via (time-dependent) density functional theory and conventional and time-resolved photoelectron spectroscopy are presented. The validity of (ZnO)n clusters as building blocks for CAMs is confirmed via rigid, cage-like structures facilitating three-dimensional aggregation in combination with large band gaps that are nevertheless significantly lower than in any known ZnO polymorph. In addition, electron-hole pair localization in the excited state of the cluster anions combined with their structural rigidity leads to extraordinary long-lived states above the band gap virtually independent of the cluster size, defying the rule “every atom counts”.4 1. Fernandez-Garcia, M.; Martinez-Arias, A.; Hanson, J. C.; Rodriguez, J. A. Chem. Rev. 2004, 104,
4063. 2. Castleman, A. W.; Khanna, S. N.; Sen, A.; Reber, A. C.; Qian, M.; Davis, K. M.; Peppernick, S.
J.; Ugrinov, A.; Merritt, M. D. Nano. Lett. 2007, 7, 2734 3. Al-Sunaidi, A. A.; Sokol, A. A.; Catlow, C. R. A.; Woodley, S. M. J. Phys. Chem. C 2008, 112,
18860. 4. Jena, P.; Castleman Jr., A. W. Nanoclusters: A bridge across disciplines; Elsevier: Oxford, 2010.
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Modelling of Stud Arc Welding Process and evaluation of
temperature field, microstructure and residual stress state
M.Sc. Hadi Soltanzadeh1, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand1
1 Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
Abstract
This current research focuses on evaluation of stud arc welding process behavior, influence of the material strength and hardening behavior as well as metallurgical effects. Stud welding is ar-guably very versatile applications with a significant properties which can be produced at a very vide range. However stud welding is widely used in many industrial components with complex geometry which are fabricated from smaller parts using joining technique welding used to name a few in steel structures, power plants, ship buildings, and automotive industries due to the signifi-cantly technology; nevertheless welding consequences can result in unwanted side effects occur like distortions, residual stress and altering of certain material properties induced by heating and melting. These harmful stresses superimpose on the external stresses and can increase the driv-ing force for fracture, and accelerate the degradation of the material. In addition to this, phase change will occur when subjected to the welding process and residual stresses are introduced by these phase changes in area like HAZ. Since temperature (T) is a function in space and time, it is evident that a heat source model calibration by fusion welding simulation has an important place in the preproduction phase of the proper simulation computation. The aim of this work is to devel-op modeling practices to enable the use of finite element analysis for the prediction of defor-mation, residual stresses and material properties such as microstructure during and after welding and heat treatment with the SYSWELD program. In other words this research has been divided into three main parts:
- To simulate of the heat source of the forenamed model
- To analyze of microstructure evolution during stud welding heating and cooling conditions
- To consider of the residual stress as a mechanical analysis
Achieving this aim has required investigation of geometrical discretization, modelling of boundary conditions and material behavior for these processes.
Thermal transient in welding time [0.35s]
Residual stress in x-direction
Monitoring von Klebverbindungen durch Überwachung von
Dehnungszuständen in der Klebschicht Heiko Beinersdorf1, Martin Ganß1,2, Michael Kuhne1, Jörg Hildebrand2
1 Materialforschungs- und –prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar, Coudraystraße 9, 99423
Weimar, Deutschland
2 Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Juniorprofessur Simulation und
Experiment, Marienstraße 7a, 99423 Weimar, Deutschland
Kurzfassung
Geklebte Verbindungen sind in unserem Leben allgegenwärtig. In vielen Bereichen der Technik ist Kleben das
Standardfügeverfahren. Dabei finden Klebverbindungen Anwendung in kleinsten Bauteilen, wie in der
Elektronik, bis hin zu aufwendigen Fassadenkonstruktionen und tragenden Glaskonstruktionen in der
Bautechnik. Das Kleben ist ein sehr flexibles Fügefahren und bietet die Möglichkeit fast alle technisch
genutzten Werkstoffe flächig und stoffschlüssig zu verbinden. Ebenso findet man das Kleben auch als
Partnerverfahren in Kombination mit anderen Fügeverfahren (Hybridfügetechniken), um die jeweiligen
Vorteile zu nutzen. Die Langlebigkeit einer Klebverbindung hängt vom gewählten Klebstoff, dem Material der
Fügepartner sowie dem Klebeprozess ab. Während der Lebensdauer beeinflussen Temperatur, Feuchte, UV-
Strahlung und die mechanische Belastung die Festigkeit der Klebverbindung. Die Qualität einer
Klebverbindung ist herstellungsbedingt und in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen mit etablierten
Verfahren nur bedingt prüf- bzw. kontrollierbar.
Durch direkte Integration von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren in die Klebschicht ist eine Messung der in der
Klebschicht auftretenden Dehnungen abhängig von Lage und Richtung möglich. Die faseroptischen Sensoren
ermöglichen eine hochpräzise Messung der Dehnungen direkt in unterschiedlichen Bereichen der
Klebschicht. Dies hat gegenüber den herkömmlichen makroskopischen Messverfahren, die nur die äußerlich
erfassbaren Wege, Dehnungen und Kräfte messen, signifikante Vorteile. So ist es z.B. möglich vom
Herstellungsprozess der Klebverbindung über den Betriebszustand bis hin zum Nutzungsende der
Klebverbindung Messwerte des Dehnungszustands in der Klebschicht mit fast beliebiger zeitlicher und
geometrischer Auflösung zu ermitteln. Im Vortrag/Poster werden die Möglichkeiten der Dehnungsmessung
mit Faser-Bragg-Gitter in Glas-Glas-Klebverbindungen dargelegt und ihre Aussagekraft diskutiert. Eine
Gegenüberstellung von Versuchsergebnissen (physikalische Simulation) mit den numerischen
computergestützten Simulationen soll das
Potential des Messsystems aufzeigen und die
Messergebnisse validieren.
Abbildung: longitudinale Dehnungen in Glas-Glas-Verbindung, Detail Dehnungen in Klebeschicht
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Einsatz von faserverstärkten Klebstoffen im Bauwesen
Dipl.-Ing. Björn Wittor1, Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Werner1, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand2
1 Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Professur Stahlbau, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
2 Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
Kurzfassung
Der Einsatz von zweikomponentigen faserverstärkten Klebstoffen (2K-fvK) ist für viele industrielle Anwendungen von großem Interesse. Das Einbringen von Fasern in strukturelle Klebstoffe sorgt für ein spezielles Eigenschaftsprofil, bei dem sowohl die Standfestigkeit des nicht ausgehärteten Klebstoffs als auch die Kohäsions- und Dauerfestigkeit erhöht wird. Faserverstärkte Klebstoffe zeigen eine im Vergleich zu den nicht modifizierten Typen höhere Schadenstoleranz und eine er-höhte Energieaufnahme bis zum Bruch. Für eine optimale Anwendung in der Industrie waren da-für Prozessparameter und die grundsätzliche Verarbeitbarkeit zu untersuchen. Mit diesen Ergeb-nissen war eine effektive Verarbeitungsprozesskette zu entwickeln bzw. vorhandene Anlagen-technik auf ihre Eignung zu prüfen.
Bei der Auswahl der Faserarten zur Modifikation der bestehenden Klebstoffsysteme wurde sich auf Kohlenstofffasern (CF), Glasfasern (GF) und Aramidfasern (AF) im Langfaserbereich ≥ 3mm geeinigt. Zur Beurteilung der Verarbeitbarkeit der unterschiedlichen Faser-Klebstoff Gemische wurden umfangreiche rheologische Untersuchungen durchgeführt. Für den längerfristigen Einsatz muss daher zukünftig die Oberflächenqualität des Förderraums dem Klebstoff angepasst werden. Als Alternative zur Förderpumpe besteht aufgrund der durchgeführten Versuche für kleinere An-wendungsfälle die Option, die Homogenisierung des 2K-FvK mittels Vakuummischer durchzufüh-ren und anschließend die Applikation über Eurokartuschen zu realisieren. Bei der Evaluierung neuer Anwendungsfelder wurden so unter Verwendung eines Epoxidharzklebstoffes in Kombina-tion mit Kohlenstofffasern zahlreiche Aluminiumprofilecken hergestellt und mit eingeklebten Eck-verstärkungsprofilen verglichen.
Aufnahmen des Zustandes der Faser-Klebstoffmatrix nach einem Bruch im Zugver-such
Vergleichsdehnungen im Faser-Matrix-System [N/mm²]
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Entwicklung von Kapillargläsern zur Kühlung und energe-
tischen Nutzung von Fassaden
M.Sc. Christin Sirtl1, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand1
1 Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
Kurzfassung
Mit zunehmender transparenter Fassadengestaltung und dem Streben nach energetischer Ge-bäudeoptimierung, gewinnen aktive Verbundgläser an Bedeutung. Innerhalb des Horizion 2020-Projektes „LaWin“ werden mit 13 weiteren Institutionen hocheffiziente, aktive Glaselemente ent-wickelt, deren solaren Energieerträge für die Gebäudeversorgung genutzt werden können.
Der entstehende Flachglasverbund besteht aus zwei Schichten. In einer 4 – 6 mm starken Walz-glasscheibe werden Kapillare mit einem Durchmesser zwischen 4 – 22 mm² enthalten sein, in denen ein Fluid zirkuliert. Die Kapillaren werden innerhalb dieser Platte alle miteinander verbun-den sein. Als Abdeckung fungiert eine 1 – 2 mm Dünnglasscheibe. Aufgrund der speziellen ther-mischen Eigenschaften ist das zirkulierende Fluid in der Lage Energie in Form von Wärme auf-zunehmen (100Wh/m² bei einer Temperaturdifferenz von ∆T = 5K). Diese kann über einen An-schluss an die Gebäudeversorgung entnommen und für weiterführende Zwecke (Klimaanlage, Wasserheizung, etc.) genutzt werden. Hierfür ist eine integrierte oder eine externe hydraulische Anschlussmöglichkeit denkbar. Die Elemente werden in einer Größe von 1300 mm x 1000 mm produziert und den statischen Anforderungen von Floatglas nach DIN EN 572 entsprechen. Da das Fluid den gleichen Brechungsindex wie die Glasscheibe hat, wird das Verbundelement als homogenes Gebilde wahrgenommen werden.
Die Herausforderungen dieses Projektes bestehen in der industriellen Herstellung mit sehr gerin-gen Maßtoleranzen der Kapillargläser, sowie dem Standhalten des auftretenden Kapillardruckes von 200 Pa und den lokal differierenden thermischen Belastungen der Gläser aufgrund des zirku-lierenden Fluids.
Der Flachglasverbund kann sowohl als energetische Sanierungsmöglichkeit als Element im Mehrscheibenisolierglas, als auch als Fassadenelement eingesetzt werden.
Schematischer Aufbau Kapillarglas
Anschlussvarianten an TGA
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Microstructure based fatigue failure of Dual-phase steel welded
joint
M.Sc. Ghazal Moeini1, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand1
1Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-
ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
Abstract
Welding is one of the most common methods in industrial practice for joining components. However welding plays a destructive role in the final mechanical properties of steels. As a large temperature gradient is induced on the work piece during welding, the microstructure is locally destroyed and therefore the mechanical properties of steel are downgraded. It is therefore essential to quantify the microstructure evolution in the welded zone and its influence on the final mechanical properties of steels. Therefore it is of paramount importance to apply a model for the lifetime prediction of various industrial components weld joints subject to fatigue.
The aim of this study is to quantify the microstructure at different parts of welded joint and make a qualitative correlation between the microstructure and fatigue strength of welded joint. Macromechani-cal FE modelling was employed to simulate the mechanical properties of the welded specimen. 2D representative volume elements (RVE) for different parts of the welded region were constructed from real microstructure. Finally, the fatigue test of welded material with inhomogeneous morphology is simulated and good agreement between experimental and predicted flow curve is achieved.
(a) Von Mises stress (in MPa) and (b) equivalent plastic strain distribution for weld metal( marten-site islands and ferrite matrix) in RVE with 40µm × 40µm
a b
Thüringer Werkstofftag 2015 Abstract
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Einsatz numerischer Werkzeuge zur Optimierung des La-
serstrahlschweißprozesses hochlegierten Stahlbleche mit
einer zusätzlichen Wärmequelle
M.Sc. Flaviu Simon1, Falk Nagel2, B.Sc. Benjamin Kümmel2, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hildebrand1, Univ.-
Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann2
1 Bauhaus Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Juniorprofessur Simulation und Experi-ment, Marienstraße 7A, 99421 Weimar
2 Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Fertigungstechnik, Neuhaus 1, 98684 Ilmenau
Kurzfassung
Nichtrostende austenitische Stähle zeichnen sich durch eine hohe Umformbarkeit aus. So kön-nen durch Umform- und Fügeprozesse große und komplexe 3D-Baugruppen hergestellt werden, die sich durch Gas- und Flüssigkeitsdichtheit auszeichnen und deshalb zahlreiche Anwendungen, wie zum Beispiel in der Herstellung von Behältern, Rohrleitungen, Armaturen etc. finden. Der ho-he Wärmeausdehnungskoeffizient und die niedrige Wärmeleitfähigkeit austenitischer Stähle be-wirken während des Schweißprozesses eine große Ausdehnung der Bleche unmittelbar in der Nähe der Schweißstelle und somit treten vor der Wärmequelle lokal Verschiebungen der Füge-partner zueinander auf. Diese führen beispielsweise zu einer Zu- oder Abnahme des Spaltes und/oder zu einem Versatz der Bleche und somit bei Überschreitung von verfahrensabhängigen Grenzwerten zu Prozessunstetigkeiten bzw. Nahtunregelmäßigkeiten. In der Praxis werden vor-wiegend massive Spannsysteme verwendet, die die räumlichen Verschiebungen unterbinden. Diese Systeme sind jedoch unflexibel und mit hohen Kosten verbunden. Eine weitere Möglichkeit bietet der Einsatz zusätzlicher Wärmequellen. Dem liegt die Annahme zu Grunde, dass ein loka-ler Wärmeeintrag und die daraus resultierende Wärmeausdehnung zu einer Kompensation der prozessbedingten Verschiebung der Fügepartner führt. Dadurch kann eine Stabilisierung des Fü-geverfahrens realisiert und die Kosten für massive Spannsysteme eingespart werden.
Für die Versuche wurden kaltgewalzte Bleche (1.4301) mit einer Dicke von 1mm mittels eines CO2-Lasers geschweißt. Als zusätzliche Wärmequelle diente ein Diodenlaser. Die relative Fokus-position des Diodenlasers zur Fokusposition des Primärlasers wurde variiert. Das Spaltmaß wur-de zwischen 0,0 und 0,3 mm verändert.
Der Prozess wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch abgebildet. Diese beinhaltet die transiente Berechnung des Temperatur- und Verschiebungsfeldes während des Schweißpro-zesses mit der Software Sysweld. Eine Kopplung zwischen Sysweld und OptiSLang wurde reali-siert um eine parametrische Sensitivitätsanalyse durchzuführen. Die Position der sekundären Wärmequelle zur Primärquelle, Energie und Durchmesser wurden hierbei berücksichtigt. Die Er-gebnisse zeigen, welche Einstellgrößen den größten Einfluss auf die Verschiebung haben um vor der Optimierung die Anzahl der Einstellgrößen zu verringern. Unter Verwendung der Optimie-rungsalgorithmen der Software OptiSLang erfolgte die Bestimmung der genauen Werte der Ein-gangsparameter, welche zur reduzierten Verschiebungsausbildung führte. Es zeigt sich, dass mit zusätzlicher Wärmequelle ein höheres Spaltmaß akzeptiert werden kann. Die Ergebnisse der Si-mulation zeigen eine hohe Übereinstimmung mit denen aus den Versuchen.
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