Hardwood stiffness - experimental investigations and micromechanical modeling

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheDa der heimische Wald zunehmend eine Wandlung vom Nadelholz zu Laubholz erlebt, soll diesem, im Hinblick auf die bautechnische Anwendung, mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden. Dazu soll untersucht werden, ob der komplexe Strukturaufbau von Laubhölzern im Vergleich zu Nadelhölzern mittels eines mathematischen Modells beschrieben werden kann. Dazu werden Laubhölzer mit möglichst unterschiedlichen Struktureigenschaften ausgewählt und in einer umfangreichen Serie an Experimenten untersucht. Begonnen wird dabei auf der Makroebene bis hin zur Mikroebene. Es werden dazu mechanische, strukturelle und chemische Untersuchungsmethoden verwendet. Die Steifigkeiten werden dabei auf der Makroebene durch Quasistatische- und Ultraschall-Versuche und auf der Zellwandebene mittels Nanoindentations-Versuche bestimmt. Die Mikrofibrillenwinkeln der S2-Schichte der Zellwand wird anhand von Mikroskopaufnahmen gemessen, ebenso wie die Volumenanteile an Gefäßen, Holzstrahlen, Zellwandmaterial der Holzstrahlen und Früh- und Spätholz.Die chemischen Zusammensetzungen der Holzarten werden zufolge thermogravimetrischen Analysen und Extrakstoffbestimmungen ermittelt.Anschließend wird ein mathematisches Modell aufgestellt um die mechanischen Eigenschaften der Laubhölzer unter Zuhilfenahme der strukturellen und chemischen Versuchsergebnisse zu berechnen. Dazu wird ein bestehendes Modell für die Beschreibung von Nadelhölzern auf die Strukturmerkmale der Laubhölzer adaptiert. Für die Abbildung der komplexen Eigenschaften wird von Homogenisierungsverfahren Gebrauch gemacht. Nach einer Validierung des Modells, durch Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit den zugehörigen Modellvorhersagen, wird der Einfluss einiger struktureller, physikalischer und chemischer Eigenschaften untersucht.6

Nanoindentation, High-Temperature Behavior, and Crystallographic/Spectroscopic Characterization of the High-Refractive-Index Materials TiTa₂O₇ and TiNb₂O₇

Colorless single crystals, as well as polycrystalline samples of TiTa₂O₇ and TiNb₂O₇, were grown directly from the melt and prepared by solid-state reactions, respectively, at various temperatures between 1598 K and 1983 K. The chemical composition of the crystals was confirmed by wavelength-dispersive X-ray spectroscopy, and the crystal structures were determined using single-crystal X-ray diffraction. Structural investigations of the isostructural compounds resulted in the following basic crystallographic data: monoclinic symmetry, space group <i>I</i>2<i>/m</i> (No. 12), <i>a</i> = 17.6624(12) Å, <i>b</i> = 3.8012(3) Å, <i>c</i> = 11.8290(9) Å, β = 95.135(7)°, <i>V</i> = 790.99(10) ų for TiTa₂O₇ and <i>a</i> = 17.6719(13) Å, <i>b</i> = 3.8006(2) Å, <i>c</i> = 11.8924(9) Å, β = 95.295(7)°, <i>V</i> = 795.33(10) ų, respectively, for TiNb₂O₇, <i>Z</i> = 6. Rietveld refinement analyses of the powder X-ray diffraction patterns and Raman spectroscopy were carried out to complement the structural investigations. In addition, <i>in situ</i> high-temperature powder X-ray diffraction experiments over the temperature range of 323–1323 K enabled the study of the thermal expansion tensors of TiTa₂O₇ and TiNb₂O₇. To determine the hardness (<i>H</i>), and elastic moduli (<i>E</i>) of the chemical compounds, nanoindentation experiments have been performed with a Berkovich diamond indenter tip. Analyses of the load–displacement curves resulted in a hardness of <i>H</i> = 9.0 ± 0.5 GPa and a reduced elastic modulus of <i>E</i>_r = 170 ± 7 GPa for TiTa₂O₇. TiNb₂O₇ showed a slightly lower hardness of <i>H</i> = 8.7 ± 0.3 GPa and a reduced elastic modulus of <i>E</i>_r = 159 ± 4 GPa. Spectroscopic ellipsometry of the polished specimens was employed for the determination of the optical constants <i>n</i> and <i>k</i>. TiNb₂O₇ as well as TiTa₂O₇ exhibit a very high average refractive index of <i>n</i>_D = 2.37 and <i>n</i>_D = 2.29, respectively, at λ = 589 nm, similar to that of diamond (<i>n</i>_D = 2.42)