Integrierte hochauflösende experimentelle in-situ Röntgentomographie

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499115956

Eine Vielzahl physikalischer Phänomene kann nur hinreichend genau analysiert und verstanden werden, wenn man kleinskalige Prozesse auf der Längenskala der inhärenten Mikrostruktur des Materials in der Formulierung physikalischer Modelle mitberücksichtigt. Vor allem für gekoppelte mehrphasige Prozesse in porösen Medien, wie sie beispielsweise im SFB 1313 und im EXC 2075 an der Universität Stuttgart untersucht werden, stellt die Verbindung von experimenteller Materialcharakterisierung auf der Porenskala und mehrskalenbasierter Modellbildung eine Herausforderung dar. Die Entwicklung neuer, innovativer sowie hochauflösender Charakterisierungsmethoden nimmt bei der Modellbildung eine wichtige unterstützende Schlüsselrolle ein. Bildgebende röntgentomographiebasierte Daten können direkt als Ausgangspunkt für numerische Simulationen sein oder aber auf der konstitutiven Ebene in die Modellbildung integriert werden. Für eine Vielzahl von Porösen Medien, die in den geo- und umweltwissenschaftlichen Fragestellungen eine wichtige Rolle spielen (sedimentäre und kristalline Gesteine, granulare Medien, Böden, usw.), kann der Porenraum des Materials mit hochauflösender Röntgentomographie präzise charakterisiert werden. Statische bzw. quasistatische Zustände auf der Porenskala können in 3D visualisiert und analysiert werden. Oftmals hängt allerdings die Porenraummorphologie oder die (geschädigte) Mikrostruktur von den angelegten Spannungszuständen sowie weiteren Feldern, wie dem Temperatur- oder Feuchtezustand bzw. den partialen Fluiddrücken bei Mehrphasensystemen, ab. Mit kommerziellen Röntgentomographiegeräten oder Röntgenmikroskopen ist die Kombination von bildgebender röntgentomographischer Charakterisierung und physikalischen (hydro-thermo-chemo-mechanisch-gekoppelten) Experimenten allerdings nur sehr eingeschränkt möglich: Die beschränkten Platzverhältnisse und das bauliche Konzept von Vollschutzgeräten lassen keine großen Aufbauten mit z.B. entsprechenden mechanischen Belastungszuständen (aus mechanischen „Prüfmaschinen“ resultierend) zu. Hier setzt der vorliegende Antrag an. Das zu beschaffende Röntgentomographiegerät verbindet konzeptionell die Röntgentomographie mit den mechanischen Untersuchungsmöglichkeiten einer modernen mehrachsigen, für Tomographie angepassten, Präzisionsprüfmaschine und erlaubt damit eine kombinierte experimentelle Untersuchung der Mikrostruktur des Materials unter angelegten mechanischen Randbedingungen „in-situ“, d.h ohne Proben ein- und ausbauen zu müssen. Das hochauflösende Röntgentomographiegerät für in-situ Experimente als Basis für die Entwicklung von mehrskaligen Modellierungsmethoden komplexer Materialien besteht daher aus einer hochpräzisen Prüfmaschine mit zwei Rotationeinheiten und zwei axial-verfahrbaren Traversen. Die Röntgenquellen und Detektoren sind in dem geplanten Aufbau ortsfest und lassen sich präzise ausrichten und kalibrieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Integrierte hochauflösende experimentelle in-situ Röntgentomographie
• Gerätegruppe: 4070 Spezielle Röntgengeräte für Materialanalyse, Strukturforschung und Werkstoff-Bestrahlung
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Holger Steeb