Clausthal University of Technology
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Influence of Ti, Fe, and Ca on the enrichment of Tantalum in Engineered Artificial Mineral (EnAM) phases in in solidified synthetic silicate melts
No full textHolz als Konstruktionswerkstoff: Festigkeitsberechnung am Beispiel von Fichtenholz unter Berücksichtigung der neutralen Faser bei Biegebeanspruchung
Full text linkDie Nachhaltigkeit von Konstruktionswerkstoffen, insbesondere von Holz als nachwachsenden Rohstoff, gewinnt in der heutigen Forschung und Praxis zunehmend an Relevanz. Ein wichtiger Aspekt für die Schaffung von umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Strukturen ist die Wahl von nachhaltigen Konstruktionsmaterialien. Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften und Struktur, weist Holz als Konstruktionswerkstoff ökologische Vorteile auf und leistet einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion. [BmW21] Im Gegensatz zu traditionellen Konstruktionsmaterialien besitzt Holz ein komplexeres Materialverhalten unter Biegebelastung. Bei isotropen Materialien liegt die neutrale Faser dauerhaft im Schwerpunkt der Probe. Im Gegensatz dazu weisen anisotrope Materialien, wie es bei Vollholz der Fall ist, eine abweichende Dynamik auf. Nach Überschreitung der Proportionalitätsgrenze verlagert sich die neutrale Faser bei Vollholz in Richtung der Zugzone. Bei der Berechnung der Biegefestigkeit wird diese Verschiebung der neutralen Faser jedoch nicht berücksichtigt. Die gegenwärtigen Normen basieren auf der Annahme, dass sich die neutrale Faser oberhalb der Proportionalitätsgrenze weiterhin im Schwerpunkt der Probe befindet. Diese Annahme führt zu einem symmetrischen Spannungsverlauf in der Berechnung, der nicht den tatsächlichen Materialeigenschaften bei Biegebeanspruchungen entspricht und somit zu einer nicht realitätsgetreuen Spannungsannahme führt. In dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen dem 3-Punkt- und dem 4-Punkt-Biegeversuch hinsichtlich der Bestimmung des Biege-E-Moduls und der Biegefestigkeit analysiert. Dabei wird ebenso der Einfluss der Jahrringorientierung zur Lastrichtung berücksichtigt. Mithilfe der Digitalen Bildkorrelation (DIC) wird die Verschiebung der neutralen Faser visualisiert und analysiert. Die Zugrandfaserdehnungen werden sowohl mittels Dehnungsmessstreifen als auch durch die DIC erfasst. Um die maximale Dehnung beim Erreichen der Druckfestigkeit zu bestimmen, werden Druckversuche durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der Versuchsdaten wird eine Software entwickelt, die als Berechnungsgrundlage für Vollholz bei Biegebelastung dient. Dieses Berechnungsmodell berücksichtigt die Verschiebung der neutralen Faser sowie die unterschiedlichen Zug- und Druckeigenschaften, um die Biegespannungen zu berechnen. Basierend auf dieser Grundlage wird es möglich, Konstruktionen effizienter auszulegen, insbesondere im Hinblick auf den Aspekt des Leichtbaus. Die Ergebnisse eines Berechnungsbeispieles zeigen, dass durch die Berücksichtigung der Verschiebung der neutralen Faser sowie der Zugrandfaser als maßgebendes Versagenskriterium bei der Bestimmung der Biegespannung eine bis zu 25 % geringere mechanische Ausnutzung der Festigkeit im Vergleich zu den nach DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5) ermittelten Bemessungswerten resultiert. Dies trägt zu einem verbesserten Verständnis des Biegeverhaltens von Vollholz bei und bildet die Grundlage für eine bedarfsgerechtere sowie materialeffizientere Auslegung von Holzkonstruktionen. [BmW21] BmWE. Bundesminesterium für Wirtschaft und Energie.Holz als CO2-Speicher. Techn. Ber. Okt. 2021. URL: https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2022/Factsheet_Holz_Gebaeudeforum_Klimaneutral.pdf (besucht am 10.03.2023).The sustainability of construction materials, especially wood as a renewable raw material, is becoming increasingly relevant in today's research and practice. An important aspect for the creation of environmentally friendly and resource-saving structures is the choice of sustainable construction materials. Due to its specific properties and structure, wood as a construction material has ecological advantages and makes an important contribution to CO2 reduction. [BmW21] In contrast to traditional construction materials, wood has a more complex material behavior under bending load. In isotropic materials, the neutral fiber is permanently in the center of gravity of the sample. In contrast, anisotropic materials, as is the case with solid wood, exhibit deviating dynamics. Once the proportional limit is exceeded, the neutral fiber in solid wood shifts towards the tensile zone. However, this displacement of the neutral fiber is not taken into account when calculating the bending strength. The current standards are based on the assumption that the neutral fiber above the proportional limit is still located in the center of gravity of the sample. This assumption leads to a symmetrical stress curve in the calculation, which does not correspond to the actual material properties under bending stresses and therefore leads to a stress assumption that is not true to reality. This paper analyzes the differences between the 3-point and 4-point bending test with regard to the determination of the flexural modulus of elasticity and flexural strength. The influence of the annual ring orientation to the load direction is also taken into account. Digital image correlation (DIC) is used to visualize and analyse the displacement of the neutral fibre. The tensile edge fiber strains are recorded using both strain gauges and DIC. Compression tests are carried out to determine the maximum strain when the compressive strength is reached. Based on the results of the test data, software is developed that serves as a basis for calculating solid wood under bending load. This calculation model takes into account the displacement of the neutral fiber as well as the different tensile and compressive properties in order to calculate the bending stresses. On this basis, it is possible to design structures more efficiently, particularly with regard to lightweight construction. The results of a calculation example show that taking into account the displacement of the neutral fiber and the tensile edge fiber as the decisive failure criterion when determining the bending stress results in up to 25 % lower mechanical utilization of strength compared to the design values determined in accordance with DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5). This contributes to an improved understanding of the bending behavior of solid wood and forms the basis for a more needs-based and material-efficient design of timber structures. [BmW21] BmWE. Bundesminesterium für Wirtschaft und Energie.Holz als CO2-Speicher. Techn. Ber. Okt. 2021. URL: https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2022/Factsheet_Holz_Gebaeudeforum_Klimaneutral.pdf (besucht am 10.03.2023)
Affiliationsrichtlinie: Richtlinie der Technischen Universität Clausthal zur standardisierten Angabe der Affiliation bei wissenschaftlichen Publikationen
Full text linkConcept for the Analytical Fatigue Assessment of Components Made of Copper materials
Full text linkKupfer und Kupferlegierungen rücken im Zuge der Energiewende zunehmend in den Fokus des Maschinenbaus. Neben ihren funktionalen Aufgaben wie der Stromübertragung oder dem Leiten von Medien gewinnen sie auch als tragende, lastübertragende Werkstoffe an Bedeutung. Da hierbei sicherheitsrelevante Bauteile betroffen sind, ist ein zuverlässiger Festigkeitsnachweis – insbesondere unter zyklischer Belastung – unerlässlich. Dieser Nachweis erfolgt bislang entweder experimentell oder auf Basis von Erfahrungswerten. Ein allgemeingültiger, rechnerischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis für Bauteile aus Kupferwerkstoffen existiert nicht. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen und einen rechnerischen Ermüdungsfestigkeitsnachweis für nicht geschweißte Bauteile aus Kupferwerkstoffen zu entwickeln. Grundlage ist die FKM‑Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“, ein etabliertes Regelwerk für den rechnerischen Festigkeitsnachweis von Bauteilen aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen. Basierend auf einer umfassenden Datenbasis – bestehend aus Literaturdaten zur Schwingfestigkeit von Kupferwerkstoffen sowie eigenen umfangreichen Versuchsreihen – werden kupferspezifische Anpassungen der Berechnungsparameter vorgenommen. Die untersuchten Werkstoffe umfassen Reinkupfer, niedriglegierte Kupferlegierungen, Messing- sowie Bronzelegierungen. Neben Knetwerkstoffen wird auch ein Gusswerkstoff untersucht. Im Rahmen der Untersuchungen erfolgt eine quasistatische Grundcharakterisierung des Werkstoffs sowie die Bestimmung der Schwingfestigkeitseigenschaften für den Werkstoff und für bauteilähnliche Proben. Neben einstufigen Versuchen werden auch Versuche mit variabler Beanspruchungsamplitude durchgeführt, um die Schwingfestigkeitseigenschaften von bauteilähnlichen Proben für betriebsähnliche Beanspruchungen zu untersuchen. Das abgeleitete Berechnungskonzept wird durch Gegenüberstellung von rechnerischer und experimenteller Lebensdauern einer Datenbasis aus gekerbten Proben überprüft und zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen rechnerischer und experimenteller Lebensdauer. Als Ergebnis dieser Arbeit steht ein vollständig abgeleiteter, rechnerischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis für nicht geschweißte und nicht randschichtbehandelte Bauteile aus Kupferwerkstoffen zur Verfügung. Die entwickelten Anpassungen sind so ausgearbeitet, dass eine Erweiterung der FKM-Richtlinie in ihrer kommenden, achten Auflage auf Kupfer und Kupferlegierungen ermöglicht wird.In the context of the energy transition, copper and its alloys are gaining increasing significance in mechanical engineering applications. In addition to their functional roles—such as power transmission or conducting media—they are also gaining importance as structural, load-bearing materials. Since these applications involve safety-critical components, a reliable strength assessment—especially under cyclic loading—is essential. Until now, this assessment has been carried out either experimentally or based on empirical properties. However, a generally applicable, analytical fatigue assessment for components made of copper materials does not exist, despite the urgent need for such a method to ensure resource-efficient and standards-compliant component design. The aim of this work is to close this gap by developing an analytical fatigue assessment method for non-welded components made of copper materials. The foundation for this is the FKM Guideline “Analytical Strength Assessment of Components”, an established set of rules for the analytical strength assessment of components made from steel, cast iron and aluminum materials. Based on a data set—including literature data on the fatigue strength of copper materials as well as extensive in-house testing—copper-specific adjustments to the calculation parameters are made. The materials investigated include pure copper, low-alloyed copper alloys, brass, and bronze alloys. In addition to wrought materials, one of the investigated materials is a cast material. As part of the investigations, a quasi-static basic characterization of the materials is carried out, along with the determination of fatigue strength properties for both the material itself and for component-like specimens. In addition to constant amplitude tests, variable amplitude loading tests are also conducted to examine the fatigue strength properties of component-like specimens under service-like loading conditions. The derived calculation concept is validated by the comparison of experimental with analytical fatigue assessment data of a data set from notched specimens and shows good agreement between the analytical and experimental fatigue life. The result of this work is a fully developed, analytical fatigue assessment method for non-welded and non-surface-treated components made of copper materials. The developed adjustments are formulated in such a way that they enable the extension of the FKM Guideline in its upcoming eighth edition to include copper and copper alloys
Radioaktivitätsmessungen gemeinsam mit Bürgerinnen und Bürgern in TRANSENS: Ein Erfahrungsbericht
Full text linkSA Toolbox Theory Guide: Systematic Sensitivity Analysis for Mechanistic Geochemical Models Using Field Data from Crystalline Rock (SANGUR)
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Data from: Asymmetric Ring Opening of Oxabicyclic Alkenes: Enhanced Rhodium Catalysis Using Camphor-Derived NHC Ligands Featuring Pyridine Coordination
No full textThe synthesis, characterization, and reactivity assessment of a chiral camphor-based Rh(I) catalyst functionalized with pyridine moiety is presented. The catalytic system was evaluated in the asymmetric ring-opening (ARO) of bicyclic alkenes substrates, ensuring high product yields and enantioselectivity. While the primary focus was on the use of indoles as nucleophiles in the ARO reaction, a broader scope of bicyclic substrates was also explored. The catalyst demonstrated tolerance toward various functional groups present in the indole derivatives, underscoring its broad synthetic utility in asymmetric synthesis. The dataset contains the two zip Files “FID_ for Publication1.zip” + “FID_ for Publication2.zip”and contains the primary NMR data files (FID files, acquisition data, processing parameters) for the article: “Asymmetric Ring Opening of Oxabicyclic Alkenes: Enhanced Rhodium Catalysis Using Camphor-Derived NHC Ligands Featuring Pyridine Coordination” published in Journal of Organic Chemistry https://doi.org/10.1021/acs.joc.5c02582. The article is published open access. In addition, a zip file "dft-orca-data.zip" is provided, which contains the DFT calculations raw data of compounds R-10, S-10, R-10-THF and S-10-THF. They were calculated with Orca 6.0
Plasmainduzierte Synthese von Silbernanopartikeln an der Plasma-Flüssigkeit-Grenzfläche: In-situ-Spektroskopie, Kinetik und Elektroneneffizienz
Full text linkDiese Arbeit untersucht die plasmagestützte Bildung von Silbernanopartikeln an der Plasma-Flüssigkeit-Grenzfläche mittels einer dielektrisch behinderten Entladung und kombiniert hierzu zeit-, spektral- und ortsaufgelöste UV/Vis-Analytik mit strömungsmechanischen Messungen und elektrischer Diagnostik. Der zentrale methodische Beitrag ist ein selbst entwickelter, abbildender Spektrograph mit Doppel-Amici-Prisma, der eine kartografische Erfassung der lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz über die Tiefe z und die Behandlungszeit t ermöglicht. Aus der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz werden die Kenngrößen Peakposition λmax, Halbwertsbreite und Extinktion E bestimmt; eine automatisierte Auswertung liefert zusätzlich kinetische Kenngrößen, Wirktiefen δ und Frontgeschwindigkeiten vFront. So entsteht ein konsistentes Bild der Kopplung von Elektronenanregung, Hydrodynamik und Partikelbildung. Die Zusammensetzung der Lösung steuert Kinetik und Größenverteilung: Eine stärkere Stabilisierung verlangsamt die AgNP-Bildung, verengt die HWHM und verschiebt λmax zu kürzeren Wellenlängen, dies ist ein Hinweis auf kleinere und enger verteilte Partikel. Mit wachsender Anregungsleistung P steigt die Zahl der im Plasma transportierten Ladungen Ne,ms; die Nanopartikelbildungsrate und Extinktion E skalieren näherungsweise linear mit Ne,ms. Bei kleinen Ne,ms bzw. niedrigeren Silbernitrat Konzentrationen c0 folgt die Bildung pseudoerster Ordnung. Wirktiefe δ und Frontgeschwindigkeit vFront werden primär durch die plasmainduzierte Strömung bestimmt und zeigen den leistungsabhängigen Abfall der Geschwindigkeit mit der Tiefe z. Aus der Gesamtzahl der im Plasma transportierten Elektronen über t und der aus der Extinktion im umgewandelten Volumen bestimmten Zahl umgewandelter Silberionen, lässt sich der Elektronenbedarf pro Reduktion ableiten. Der Bedarf ist leistungsabhängig und sinkt mit steigender Anregungsleistung P von etwa 225 auf ca. 10 e-/Ag+. Daraus ergibt sich ein Elektronenwirkungsgrad ηe < 10%. Bei kleinen Leistungen P ist der Plasma–Flüssigkeit-Kontakt gering und die Einkopplung der Elektronen schwach, sodass viele Elektronen pro Reduktion benötigt werden. Zur Bestimmung eines Prozessfensters werden Heatmaps von λmax und HWHM als Funktion von Leistung P und Stabilisatorverhältnis cStabi/c0 für verschiedene Tiefe z genutzt. Diese Design-Karten koppeln die Prozessführung direkt an die Partikeleigenschaften und liefern Betriebsfenster für die Anwendung. In dieser Arbeit werden u. a. antibakterielle Wirksamkeit, Haftung an PET-Fasern und Langzeitstabilität erprobt und daraus Zielwerte für plasmagebildete AgNP abgeleitet. Ein effizientes Betriebsfenster für kleine, eng verteilte Partikel mit guter Langzeitstabilität liegt bei P = 130-200 W, einer Plasmabehandlungszeit t ≤ 20 s und einem Stabilisatorverhältnis cStabi/c0 = 5-7.This work investigates plasma-assisted formation of silver nanoparticles at the plasma–liquid interface using a dielectric barrier discharge (DBD). It combines time-, spectral-, and spatially resolved UV/Vis analytics with fluid-dynamic measurements and electrical diagnostics. The central methodological contribution is a custom-built imaging spectrograph with a double Amici prism, enabling cartographic mapping of the localized surface plasmon resonance (LSPR) as a function of depth z and treatment time t. Key descriptors are extracted from the LSPR: peak position λmax, half-width at half-maximum HWHM and extinction E. Automated evaluation also provides kinetic metrics, effective penetration depths δ and reaction-front velocities vFront. Together, these descriptors provide a consistent picture of the coupling between electron excitation, hydrodynamics, and particle formation. The composition of the solution controls the kinetics and size distribution: Stronger stabilisation slows AgNP formation, resulting in a narrower HWHM and a shift in λmax to shorter wavelengths. This indicates smaller particles with a narrower size distribution. As the plasma excitation power P increases, so does the number of charges transported in the plasma Ne,ms. The nanoparticle formation rate and the extinction E both scale approximately linearly with Ne,ms. At low Ne,ms or low initial silver nitrate concentration c0, formation follows pseudo-first-order behaviour. The effective penetration depth δ and the front velocity vFront are primarily governed by plasma-induced flow and decrease with increasing depth z in a power-dependent manner. The electron demand per reduction can be derived by comparing the total number of electrons transported in the plasma over treatment time t with the number of converted silver ions, as determined by measuring the extinction within the transformed volume. This demand is dependent on the plasma power and decreases as P increases from approximately 225 to 10 e-/Ag+, implying an electron utilisation efficiency of less than 10%. At low power, plasma–liquid contact is limited and electron coupling is weak, meaning that many electrons are required per reduction event. To identify an application-relevant process window, heatmaps of λmax and HWHM as a function of plasma power P and stabiliser ratio cStabi/c0 are generated for different depths z. These design maps directly link process settings to particle properties and provide operating windows for targeted applications. Demonstrations include antibacterial activity, adhesion to PET fibres and long-term stability. Target values for plasma-synthesised silver nanoparticles are derived from these demonstrations. An efficient operating window for small, narrowly distributed particles with good long-term stability is found at P = 130 -200 W, plasma treatment time t ≤ 20 s, and stabiliser ratio cStabi/c0 = 5-7