Makroskopische Eigenschaften

hohe Festigkeithohe Duktilität (große Bruchenergie)hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul)gute Temperaturbeständigkeitgeringes Gewichtgute Abriebeigenschaften......

Welche Strukturen ermöglichendies? Und wie?

108

103

102

101

104

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

Laminatlagen, Abstand ca. 0.3 mm

C/C, mesoskopisch (mm)

Satingewebe Leinwandgewebe

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”

Phasenkontrast

&hohe Auflösung (1µm)

ESRF: µ-FID Beamline (ID22)

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

feinste Spitzen

Fullerene und Nanotubes (nm)

Manipulations-werkzeugeFeldemissions-displays

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.

ArbeitsbereichPhysik

an derBOKU

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