Post on 11-Aug-2019
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Makroskopische Eigenschaften
hohe Festigkeithohe Duktilität (große Bruchenergie)hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul)gute Temperaturbeständigkeitgeringes Gewichtgute Abriebeigenschaften......
Welche Strukturen ermöglichendies? Und wie?
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Jahre vor derGegenwart
Verbundwerkstoffe/ neue Materialien • Nanotubes• Kohlenstoff-faserverstärkter
Kohlenstoff
Polymere
Metalle
Keramik
Verbundwerkstoffe/biologische Materialien• Knochen• Zahn• Holz
Makroskopische Eigenschaften
hohe Festigkeithohe Duktilität (große Bruchenergie)hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul)gute Temperaturbeständigkeitgeringes Gewichtgute Abriebeigenschaften......
Welche Strukturen ermöglichendies? Und wie?
Der hierarchische Aufbau von C/C(Kohlenstoff-Faserverstärkter Kohlenstoff)
nm
µm
mm
mDüse der Ariane 5
Laminatlagen
Faser und Matrix
innere Strukturvon Faser/Matrix
atomarer Aufbau(Kristallite)
C/C, makroskopisch (m)
Bremsscheiben:Airbus, Formel1, Autos
Düse der Ariane
Tests mit PrüfmaschinenGrenzen: Temperatur,
Voraussagekraft der Testverfahren
Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (Carbon/Carbon, C/C). Bruchfläche eines nicht silizierten und eines silizierten Materials. Abbildungen: Karl Kromp, Inst. für Materialphysik, Univ.Wien.
C/C, mesoskopisch (mm)
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
in Grenoble, Frankreich
“je kleiner die Probe, desto größer die Meßapparatur”
x
z
0.54 mm-y
Experiment
E = 18 keVd = 10 mm
Frelon CCDLAG-Tb Szinti
1250 Proj.1024 x 1024
Voxel = 1.4 µm
t = 1 s / Proj.
x-x Risse zwischen Laminatlagenx-y RisseTransversalrisse
Material8H-Satin
Carbon/Carbon
3D-Rekonstruktion (µm)
C/Cmikroskopisch(µm)
Einzelfaser-oder Faserbündeltest
PAN-Faser Pech-FaserSEM
Perret & Ruland 1970 Bennet & Johnson 1983
Glas, OM
xy
MAR-CCD
Video-microscope
X-raybeam
Glass-capillary
Beam-stop0.3 mm
Sample
Gitterkonstanteim Bereich von1.2 Å - 70 Å
Strahlgröße≈ 3 µm
ESRF: Mikrofokus-Beamline ID13
100004002
SAXS
Faser-Durchmesser
≈ 12 µm
Röntgen-strahl FWHM≈ 3 µm
Position [µm]-6 -4 -2 0 2 4 6
I tota
l
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
002 100
100reflection
002reflection
Abrastern mit Mikrofokus
Diamant
Fullerene und Nanotubes (nm)
T.Pichler, M.Krause, H.Kuzmany, Inst.f.MaterialphysikBilder von: Rice University
Fullerene
Nanotubes
Graphit
Wozu Materialforschung?
• materialspezifische Grenzen erweitern(Temperatur, Festigkeit, Duktilität, Größe, Gewicht)
• neue Materialien und Materialverbunde entwickeln
• die hierarchische Struktur erfassen undihren Einfluß auf die Mechanik untersuchen (“von der Natur lernen”)
Der hierarchische Aufbau
von Knochen
Der ganze Knochen
Corticalisund
Spongiosa
Lamellen und Fibrillenanordnung
Fibrillenbildungund Mineralisation
MolekulareGrundbausteine
nm
µm
mm
m
P.Roschger, K.Klaushofer, Ludwig-Boltzmann Institut für Osteologie, Wien.
Lastmeßdose
Last
laterale Bewegungnicht eingeschränkt
freie Rotation
Arbeitsgruppe von W.C.HayesBoston, MA, (1995)
Der ganze Knochen (m)
P.Roschger, K.Klaushofer, Ludwig-Boltzmann Institut für Osteologie, Wien.
Der ganze Knochen (m)
C.R.Jacobs et. al., J. Biomechanics 1995.
osteoporosisnormal
Compacta undSpongiosa (mm)
DXA (dual X-ray absorptiometry)Messung der Mineraldichte
Abbildungen: P.Roschger, K.Klaushofer, H. Peterlik, P.Fratzl, Ludwig-Boltzmann Institut für Osteologie, Wien.
Spongiosa/CompactaMineraldichteverteilung (µm)
mechanische Daten: Mikrohärte/Tests von einzelnen Bälkchen
Abbildungen: P.Roschger, K.Klaushofer, H.Peterlik, P.Fratzl, Ludwig-Boltzmann Institut für Osteologie, Wien.
lamellare Struktur schützt Gefäße:
Lamellenstruktur (µm)Collagen-Faser und
Mineral-Matrix (nm)
µm
nm
••T : mittlere Dicke der MineralpartikelT : mittlere Dicke der Mineralpartikel
•• ρρ : Grad der Ausrichtung der Mineralpartikel: Grad der Ausrichtung der Mineralpartikel
ρρ = 1 : 100% ausgerichtet= 1 : 100% ausgerichtet
ρρ = 0 : zuf= 0 : zufäällige Orientierungllige Orientierung
S. Rinnerthaler et al.Calcif. Tissue Int. 1999
Parameter der Röntgen-Kleinwinkelstreuung
Rißausbreitungin Querrichtung
12640
8880
2425
1790
9880
Rißausbreitungin Längsrichtung
535
376
372
J/m2
100 µm
5 µm
Rißenergie und innere Struktur (nm)
HärteHärte& E& E--modulmodul
EindrückeEindrücke
W.Tesch et al.Calcif. Tissue Int. 69pp.147-157 SEP 2001
Mechanik und Struktur am Beispiel Zahn (nm)
Der hierarchischeAufbau von
Holz (Fichte)
Der ganze Baum
Jahresringe:Frühholz und
Spätholz
Tracheiden
Zellulosefasern inLigninmatrixnm
µm
mm
mKambium
Rinde
SHFH
20 µm
µ
µ
µ = 20°µ < 5°
χ
q
χ
q
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-20
-10
0
10
20
30
40
50
60 4010 20 earlywood latewood
MFA
[°]
Distance from pith [mm]Abstand vom Zentrum
Mik
rofib
rille
nwin
kel [
o ]
J. Färber, H. Lichtenegger, A. Reiterer, S. E. Stanzl-Tschegg & P. Fratzl, J. Mat. Sci. 36 (2001) 5087 und J.Struct.Biol.128 (1999) 257.
µ [°]0 10 20 30 40 50 60
E [G
Pa]
0
5
10
15
20
ArbeitsbereichPhysik
an derBOKU
Mechanical properties
µ [°]0 10 20 30 40 50 60
ε max
[%]
02468
10121416
µ [°]0 10 20 30 40 50 60
σ 0 [M
Pa]
0
50
100
150
200
250
300
ZugfestigkeitZugfestigkeit
ElastizitätsmodulElastizitätsmodul
max. Dehnungmax. Dehnung
A. Reiterer, H. Lichtenegger, S. E. Tschegg & P. FratzlPhil.Mag.A 79 (1999) 2173.
Mechanische Eigenschaften
ArbeitsbereichPhysik
an derBOKU
Rißausbreitungsenergie
MFA [°]0 10 20 30 40 50 60
E ε 02 [M
Pa]
0
50
100
150
200
250
µ = 0°
µ =50°
A. R
eite
rer,
H. L
icht
eneg
ger,
S. E
. Tsc
hegg
& P
. Fra
tzl,
J. M
at. S
ci. 3
6 (2
001)
468
1.
Zusammenfassung
• Einsatz verschiedenster Methoden ist notwendig
• Methodenentwicklung/Materialentwicklung
• Zusammenarbeit verschiedenster Forschungsgebiete: Physik mit Chemie, Biologie, Medizin
• Übergreifendes Verständnis:Erfassen komplexer Zusammenhänge durch das Know-how unterschiedlicher Forschungsrichtungen