Hochleistungs-Röntgen-Nanotomograph

Röntgenmikroskop für zerstörungsfreie 3D-Bildgebung (Röntgen-Computertomographie, CT)

Im Zentrum der Forschungsanwendung mit dem Hochleistungs-Röntgen-Nanotomograph steht die hochauflösende, zerstörungsfreie Detektion sowie dreidimensionale Lokalisierung und Quantifizierung von Schädigungen und Porositäten in verschiedenen Materialien. Diese Analysen sind essenziell, um Schädigungsmechanismen auf der (Sub-)Mikroskala sowie hochkomplexe Prozesse – von der initialen Rissentwicklung bis zum strukturellen Versagen – besser zu verstehen und beschreiben zu können. Das am Institut für Baustoffe vorhandene 3D-Röntgenmikroskop ist in ein multianalytisches Mikrostruktur-Labor eingebettet, so dass eine Flankierung mit ergänzenden Analyseverfahren, wie bspw. Nanoindentation oder Ramanspektroskopie, möglich ist.
Die Besonderheit des Hochleistungs-Röntgenmikroskops ist, dass eine große Bandbreite an Materialien durch die verschiedenen Nutzenden erforscht wird: Von mineralischen (Betone, Mörtel, etc.) über nicht-mineralische (Dämmmaterialien, Faserverbunde, etc.) bis hin zu metallischen (z. B. (Memory-)Stahl) Baustoffen. Die Forschung fokussiert bspw. auf die hochgenaue Charakterisierung fortschreitender Schädigungsprozesse unter (zyklisch-)mechanischen Belastungen oder äußeren Umwelt¬einwirkungen (Frost, Säure, Feuchtigkeit, Temperatur, etc.), die zu einer sukzessiven Degradation der Baustoffe führen. Eine verbesserte Charakterisierung des Materialverhaltens unter variierenden Belastungs- und Expositionszuständen bildet die Grundlage, um Schadensprozesse präzise zu modellieren und fundierte Prognosen über den dauerhaften und nachhaltigen Einsatz dieser Materialien in Bauteilen und Bauwerken zu treffen. Auf Basis der Erkenntnisse können Materialien auch in ihren Zusammensetzungen oder Strukturen optimiert werden, wie bspw. CO2-reduzierte Betone oder funktionalisierte Faserverbundwerkstoffe für die Windenergie.
Zur Auswertung der röntgenmikroskopischen Daten werden u. a. KI-gestützte Segmentierungsverfahren genutzt und weiterentwickelt, um Mikrostrukturen automatisiert zu analysieren und z. B. Faserorientierungen in Verbundwerkstoffen zu bestimmen oder diffuse Schädigungen in zementgebundenen Materialien zu identifizieren. Die aus der Röntgenmikroskopie gewonnenen Informationen werden in hochgenaue Berechnungs- und Simulationsmethoden überführt. Diese sind z. T. mit modernen Methoden des maschinellen Lernens angereichert oder basieren auf probabilistischen Betrachtungen auf Basis statistisch repräsentativer Volumenelemente. Die Methoden ermöglichen den Skalenübergang von der Mikroskala auf die Strukturebene und erlauben zuverlässige Prognosen des Bauteilverhaltens für die gesamte Lebensdauer. Durch die erzielten Erkenntnisse werden entscheidende Impulse für die Entwicklung, Bewertung und nachhaltige Nutzung innovativer Materialsysteme gegeben.