DE102017127594B4 - Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components - Google Patents

Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components Download PDF

Info

Publication number
DE102017127594B4
DE102017127594B4 DE102017127594.0A DE102017127594A DE102017127594B4 DE 102017127594 B4 DE102017127594 B4 DE 102017127594B4 DE 102017127594 A DE102017127594 A DE 102017127594A DE 102017127594 B4 DE102017127594 B4 DE 102017127594B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
concrete
optical element
uhpc
element according
grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102017127594.0A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102017127594A1 (en
Inventor
Patrick Fontana
Ricardo Kocadag
Christoph Hülsen
Bernd Löchel
Jürgen Probst
Ivo Rudolph
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH, Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie filed Critical Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority to DE102017127594.0A priority Critical patent/DE102017127594B4/en
Publication of DE102017127594A1 publication Critical patent/DE102017127594A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102017127594B4 publication Critical patent/DE102017127594B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/04Portland cements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28DWORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28DWORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/30Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor to form contours, i.e. curved surfaces, irrespective of the method of working used
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1847Manufacturing methods
    • G02B5/1852Manufacturing methods using mechanical means, e.g. ruling with diamond tool, moulding
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2103/00Function or property of ingredients for mortars, concrete or artificial stone
    • C04B2103/0027Standardised cement types
    • C04B2103/004Standardised cement types according to DIN
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/80Optical properties, e.g. transparency or reflexibility
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035Materials
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/32Holograms used as optical elements
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

Es wird ein optisches Element, umfassend eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Flächen aus Beton vorgeschlagen, wobei die Kantenlängen der regelmäßig angeordneten Flächen aus Beton in einem Bereich von 10 nm bis 50 µm liegt.It is proposed an optical element comprising a plurality of regularly arranged surfaces made of concrete, wherein the edge lengths of the regularly arranged surfaces of concrete in a range of 10 nm to 50 microns.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet optischer Funktionsstrukturen , insbesondere von Blazegittern, laminaren Gittern und diffraktiven optischen Elementen und betrifft deren Herstellung aus Beton.The invention is in the field of optical functional structures, in particular of blaze gratings, laminar gratings and diffractive optical elements and relates to their production from concrete.

Optische Funktionsstrukturen werden je nach Typ auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt. Blazegitter werden typischerweise unter hohem Aufwand mittels Fotolithographietechniken oder mittels mikromechanischen Verfahren, wie Ritzen, Prägen oder Hobeln mit Diamantwerkzeugen hergestellt. Diese Verfahren erfordern jedoch typischerweise einen hohen gerätetechnischen Aufwand und lange Fertigungszeiten und sind somit kostenintensiv.Depending on the type, optical functional structures are produced in many different ways. Blaze grids are typically manufactured at great expense by photolithographic techniques or by micromechanical processes such as scribing, embossing or planing with diamond tools. However, these methods typically require a high equipment cost and long production times and are therefore costly.

Die Druckschrift DE 20 2009 016 496 U1 beschreibt dekorative Betonelemente mit definiert angeordneten lichtdurchlässigen Einbauteilen. Die Druckschrift DE 10 2008 027 799 A1 beschreibt lichtleitende Steine, Platten und Werksteine mit Lagen aus im Wesentlichen parallel angeordneten lichtleitenden Fasern. Die Druckschrift WO 2008/031610 A1 beschreibt einen Baustein mit lichtleitenden Fasern. Andererseits können mittels Feinstrukturierung einer Betonoberfläche Strukturen im Mikrometer- und SubmikrometerBereich innerhalb weniger Stunden, beispielsweise innerhalb von 24 h erzeugt werden.The publication DE 20 2009 016 496 U1 describes decorative concrete elements with defined arranged translucent built-in parts. The publication DE 10 2008 027 799 A1 describes light-conducting stones, plates and stones with layers of substantially parallel light-conducting fibers. The publication WO 2008/031610 A1 describes a module with light-conducting fibers. On the other hand, by means of fine structuring of a concrete surface, structures in the micrometer and submicrometer range can be produced within a few hours, for example within 24 hours.

Vor diesem Hintergrund wird die Erschließung der Betontechnologie für die kostengünstige Fertigung von belastungsstabilen Gittern und Beugungsstrukturen auf dem Weg der Abformung einer als Vorlage dienenden Schalhaut vorgeschlagen. Insbesondere wird ein optisches Element nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nach Anspruch 10, ein Betonformteil nach Anspruch 12 und die Verwendung eines Werkstoffs nach Anspruch 16 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.Against this background, the development of concrete technology is proposed for the cost-effective production of load-stable gratings and diffraction structures on the way of the molding of a formwork facing. In particular, an optical element according to claim 1, a method for producing such according to claim 10, a concrete molding according to claim 12 and the use of a material according to claim 16 are proposed. Other embodiments, modifications and improvements will become apparent from the following description and the appended claims.

Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein optisches Element vorgeschlagen, umfassend eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Flächen aus Beton, wobei zumindest eine Kantenlänge der regelmäßig angeordneten Flächen aus Beton in einem Bereich von 10 nm bis 50 µm liegt.According to a first embodiment, an optical element is proposed comprising a plurality of regularly arranged surfaces of concrete, wherein at least one edge length of the regularly arranged surfaces of concrete is in a range of 10 nm to 50 microns.

Vorteilhaft eröffnen aus Beton gefertigte optische Elemente, insbesondere diffraktive optische Elemente zahlreiche Anwendungsfelder für die Betontechnologie. Derartige optische Elemente sind einfach herstellbar.Advantageously, optical elements made of concrete, in particular diffractive optical elements, open up numerous fields of application for concrete technology. Such optical elements are easy to produce.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das vorgeschlagene optische Element ausgewählt unter einem diffraktiven optischen Element, einem Sägezahn-Gitter (Blaze Gitter) und einem Echelette-Gitter. Die genannten Gitter können sowohl als Plangitter als auch als Konkavgitter ausgeführt sein.According to another embodiment, the proposed optical element is selected from a diffractive optical element, a sawtooth grating (Blaze grating) and an echelette grating. The mentioned grids can be designed both as a flat grating and as a concave grating.

Vorteilhaft sind diese Gitter sowohl in der Forschung, beispielsweise der Strahlenphysik, verwendbar, aber auch zur gezielten großflächigen Modifizierung von Sichtbeton einsetzbar.Advantageously, these gratings can be used both in research, for example in radiation physics, but can also be used for targeted large-area modification of exposed concrete.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Oberfläche der bezeichneten Flächen zumindest abschnittsweise eine Rauheit in der Nanometerskala auf.According to a further embodiment, a surface of the designated areas at least in sections on a roughness in the nanometer scale.

Insbesondere kann eine Rauheit ausgewählt sein im Bereich von 10nm-250nm; im Bereich 50nm-200nm; oder im Bereich 75nm bis 150nm. Vorteile dieser Rauheitsbereiche betreffen die optische Güte der so erzeugbaren Gitter, beispielsweise die Ausbildung von Pixelflächen (siehe unten).In particular, a roughness may be selected in the range of 10nm-250nm; in the range 50nm-200nm; or in the range 75nm to 150nm. Advantages of these roughness ranges relate to the optical quality of the gratings which can be produced in this way, for example the formation of pixel areas (see below).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zur Ausbildung des optischen Elements verwendete Beton ein UHPC-Beton.According to another embodiment, the concrete used to form the optical element is a UHPC concrete.

Vorteilhaft lassen sich gerade mit UHPC-Betonen geringe Rauheitswerte der resultierenden Betonoberflächen realisieren.Advantageously, it is precisely with UHPC concretes that it is possible to realize low roughness values of the resulting concrete surfaces.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element eingerichtet für eine Formung und/oder Manipulation von kohärentem Licht im Energiebereich der Röntgenstrahlung. Dieses kohärente Licht, d. h. die Röntgenstrahlung, kann beispielsweise in einem freien Elektronenlaser (FEL) oder einem Elektronenspeicherring erzeugt worden sein.According to a further embodiment, the optical element is set up for shaping and / or manipulation of coherent light in the energy range of the X-ray radiation. This coherent light, d. H. The X-ray radiation may have been generated for example in a free electron laser (FEL) or an electron storage ring.

Gerade in der Teilchenphysik besteht ein Bedarf an stabilen optisch diffraktiven Elementen. Von einer Matrize, die das Negativ der gewünschten Struktur aufweist, kann kostengünstig eine Vielzahl identischer Strukturen innerhalb relativ kurzer Zeit abgeformt werden.Especially in particle physics there is a need for stable optically diffractive elements. From a die having the negative of the desired structure, a plurality of identical structures can be inexpensively molded within a relatively short time.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element eingerichtet, bei einer Exposition gegenüber Weißlicht einen Farbeindruck bei einem Betrachter auszulösen.According to a further embodiment, the optical element is set up to trigger a color impression on an observer when exposed to white light.

Hieraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Architektur, beispielsweise für eine Farbgebung und/oder eine Bildgebung.This results in numerous applications in the field of architecture, for example, for a coloring and / or imaging.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element eingerichtet, IR-Strahlung zu reflektieren.According to a further embodiment, the optical element is set up to reflect IR radiation.

Vorteilhaft kann so IR-Strahlung abgeleitet oder zur Erwärmung, beispielsweise von Wasser, gerichtet von der entsprechenden Oberfläche abgestrahlt werden.Advantageously, such IR radiation can be derived or for heating, for example of water, directed to be radiated from the corresponding surface.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element ausgewählt unter einem Gitter, unter einem Hologramm, unter einem Lichtwellenleiter und/oder unter einem photonischen Kristall.According to a further embodiment, the optical element is selected under a grating, under a hologram, under an optical waveguide and / or under a photonic crystal.

Diese optischen Elemente bieten die unten beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten.These optical elements provide the applications described below.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das vorgeschlagene optische Element Bestandteil eines Betonbauteils und dient zur Identifikation der Herkunft und/oder der Bestimmung des Betonbauteils.According to a further embodiment, the proposed optical element is part of a concrete component and serves to identify the origin and / or the determination of the concrete component.

Beispielsweise kann es so als Sicherheitsmerkmal dienen.For example, it can serve as a security feature.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:

  • - Bereitstellen eines Frischbetons, umfassend:
    • o einen Zement, beispielsweise gemäß DIN EN 197-1 ;
    • o eine Gesteinskörnung natürlichen oder künstlichen Ursprungs, wobei eine maximale Korngröße der Gesteinskörnung bevorzugt 2 mm beträgt;
    • o ein Gesteinsmehl natürlichen oder künstlichen Ursprungs oder einen anderen als Betonzusatzstoff bekannten oder zugelassenen Stoff, ausgewählt unter einer Flugasche (z.B. eines Kohlekraftwerkes), einem Trass, einer Mikrosilica oder einem Silicastaub, einem Hüttensandmehl oder einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung;
    • o Wasser, sodass ein Wasserzementwert in dem Frischbeton zwischen 0,15 bis 0,60; insbesondere zwischen 0,25 bis 0,35 einstellbar ist;
  • - Bereitstellen einer nanostrukturierten Schalhaut, wobei die Schalhaut ein Negativ der gewünschten optisch aktiven Struktur aufweist;
  • - In Kontakt-Bringen der Schalhaut mit dem Frischbeton;
  • - Abbinden des Frischbetons;
  • - Ausschalen und/oder Entformen des optischen Elements.
According to a further embodiment, a method for producing an optical element is proposed which comprises the following steps:
  • Providing a fresh concrete, comprising:
    • o a cement, for example according to DIN EN 197-1 ;
    • o an aggregate of natural or artificial origin, a maximum grain size of the aggregate preferably being 2 mm;
    • o a rock meal of natural or artificial origin or another substance known or authorized as a concrete additive chosen from a fly ash (eg coal-fired power plant), a trass, a microsilica or a silica fume, a granulated blastfurnace or a ground residue of an ore smelting;
    • o water, so that a water cement value in the fresh concrete between 0.15 to 0.60; in particular between 0.25 to 0.35 is adjustable;
  • - Providing a nanostructured formwork, wherein the formwork skin has a negative of the desired optically active structure;
  • - bringing the formwork into contact with the fresh concrete;
  • - setting the fresh concrete;
  • - Stripping and / or removal of the optical element.

Vorteilhaft ist das Verfahren robust und die eingesetzten Rohstoffe sind kostengünstig verfügbar.Advantageously, the process is robust and the raw materials used are available at low cost.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element Bestandteil eines Betonformteils.According to a further embodiment, the optical element is part of a concrete molding.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Betonteil vorgeschlagen, das zumindest ein auf einer Oberfläche des Betonformteils angeordnetes optisches Element gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst.According to a further embodiment, a concrete part is proposed, which comprises at least one arranged on a surface of the concrete molding optical element according to at least one of the embodiments described above.

Vorteilhaft können aus einzelnen Betonbauteilen Ingenieurbauten umfassend große Flächen zusammengesetzt werden. Die optischen Elemente der einzelnen Bauteile können in ihrem Zusammenwirken gemeinsam eine Funktion erfüllen. Sie können eine bestimmte Farbe oder einen Farbverlauf erzeugen, ohne dass dafür teure Pigmente eingesetzt werden müssen. Während beispielsweise die großflächige und abgestimmte Aufbringung von Pigmenten zur Erzeugung eines großflächigen einen bestimmten Spektralbereich irisierend überspannenden Farbeindruckes sehr aufwendig und teuer ist, kann über die einfache Verwendung von Oberflächenstrukturen auf den Oberflächen benachbarter Betonbauteile eine solche regenbogenartige Farbverteilung einfach bewerkstelligt werden, ohne auf z.T. sehr kostenintensive Pigmente zurückgreifen zu müssen. Ebenso kann, beispielsweise ein Hologramm die Echtheit der Herkunft eines Betonbauteils bezeugen und eine Fälschung des Betonbauteils zumindest erschweren.Advantageously, engineering structures comprising large areas can be assembled from individual concrete components. The optical elements of the individual components can jointly fulfill a function in their interaction. You can create a specific color or gradient without the need for expensive pigments. While, for example, the large-scale and coordinated application of pigments to produce a large area of a certain spectral iridescent spanning color impression is very complicated and expensive, on the simple use of surface structures on the surfaces of adjacent concrete components such a rainbow-like color distribution can be easily accomplished without z.T. to have to resort to very expensive pigments. Likewise, for example, a hologram can attest the authenticity of the origin of a concrete component and at least complicate a forgery of the concrete component.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, eine Vielzahl von auf der Oberfläche des Bauteils angeordneten optischen Elementen als Pixel eines aus Pixeln zusammengesetzten Bildes zu verwenden. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann ein visueller Eindruck bei Betrachtung der Betonoberfläche bei einem Betrachter einen Bildeindruck ergeben. Dabei müssen die einzelnen optischen Elemente oder Gruppen optischer Elemente nicht unbedingt als gesonderte Pixel wahrgenommen werden.According to a further embodiment, it is proposed to use a multiplicity of optical elements arranged on the surface of the component as pixels of an image composed of pixels. In other words, a visual impression when viewing the concrete surface in a viewer can give a picture impression. The individual optical elements or groups of optical elements need not necessarily be perceived as separate pixels.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform dient das optische Element zur gerichteten Lichtwellenleitung.According to a further embodiment, the optical element is used for directed optical waveguide.

Vorteilhaft kann einfallendes Sonnenlicht geführt werden. Beispielsweise können IR-Anteile einfallenden Sonnenlichts zielgerichtet zur Erwärmung eines Wasserbehälters oder einer wasserführenden Leitung genutzt werden.Advantageously, incident sunlight can be guided. For example, IR components of incident sunlight can be used purposefully for heating a water tank or a water-bearing pipe.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform reflektiert das optische Element eine IR-Strahlung.According to a further embodiment, the optical element reflects an IR radiation.

Vorteilhaft kann so eine Erwärmung eines Gebäudeteiles vermindert werden. Der für eine Klimatisierung (Kühlung) von Räumlichkeiten des Gebäudes erforderliche Energieaufwand kann vermindert werden.Advantageously, such a heating of a building part can be reduced. The energy required for air conditioning (cooling) of premises of the building can be reduced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen einen Werkstoff, ausgewählt unter einem UHPC, einem Beton, einer Hochofenschlacke, einem Hüttensandmehl, einem Quarzmehl, einem Marmormehl, einem Titandioxid, einem Kalksandsteinmehl, einer Flugasche, eines Trass, einer Mikrosilica, einem Silicastaub, einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung und/oder einem Metallpulver zur Erstellung eines optischen Elements gemäß der oben erwähnten Ausführungsformen zu verwenden.According to a further embodiment, a material selected from a UHPC, a concrete, a blast furnace slag, is proposed, a blast-furnace slag meal, a quartz flour, a marble meal, a titanium dioxide, a lime-sandstone, a fly ash, a trass, a microsilica, a silica fume, a ground residue of an ore smelting and / or a metal powder for producing an optical element according to the above-mentioned embodiments.

Die genannten Werkstoffe sind kostengünstig verfügbar, sodass an einer einmal vorhandenen, mit dem Negativ einer optischen Funktionsstruktur versehenen Schalhaut nacheinander mehrere entsprechende optische Elemente gefertigt werden können.The materials mentioned are available at low cost, so that a plurality of corresponding optical elements can be successively fabricated on a formwork skin once present, provided with the negative of an optical functional structure.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.The above-described embodiments may be arbitrarily combined with each other.

Technologischer HintergrundTechnological background

Beton besteht grundsätzlich aus Zement (Bindemittel), Wasser und Gesteinskörnung. Ultra-High Performance Concrete (UHPC), ist ein ultrahochfester Beton, der sich durch eine hohe Gefügedichtigkeit auszeichnet. Diese wird u.a. durch eine optimierbare Packung des Feinstoffanteils (Zement, meist Portlandzement aber auch Portlandkompositzement nach DIN EN 197-1 , und üblicherweise Gesteinsmehl und ggf. reaktive Zusatzstoffe) <0, 125mm erreicht.Concrete basically consists of cement (binder), water and aggregate. Ultra-High Performance Concrete (UHPC), is an ultra-high-strength concrete, which is characterized by a high structural density. This is, inter alia, by an optimizable packing of fines content (cement, usually Portland cement but also Portlandkompositzement after DIN EN 197-1 , and usually rock flour and possibly reactive additives) <0, 125mm achieved.

Die hier beschriebene Erfindung bedient sich dieses Ansatzes und zeigt die Möglichkeit auf, dass bei abnehmender Korngröße des Feinanteils eine höhere Dichte des Gemisches erzielt werden kann (Sieblinie der Feinanteile/ Sieblinie der Gesteinskörnung), die es erlaubt, Strukturen im µm und nm-Bereich zu erzeugen. Hierbei spielen Füllstoffe und Reaktionspartner (wie z.B. Hochofenschlacke, Hüttensande, Quarzmehle, Titandioxid, Marmormehle, Kalksandsteinmehle etc.) zur Erreichung der gewünschten Feinanteilmenge eine bedeutende Rolle.The invention described here makes use of this approach and shows the possibility that with decreasing particle size of the fine fraction a higher density of the mixture can be achieved (grading curve of the fine particles / sieving line of the aggregate), which allows structures in the μm and nm ranges produce. Fillers and reactants (such as blast furnace slag, blast furnace slags, quartz flours, titanium dioxide, marble flours, lime-sandstones, etc.) play an important role in achieving the desired amount of fines.

Zusätzlich kann der Glanzgrad der Betonoberfläche durch Einstellung der Rezeptur positiv (von stumpf über matt bis hochglänzend) beeinflusst werden. Quarzsande (bis vorzugsweise 2 mm Korngröße) als Gesteinskörnung zeigen hierbei eine gute Eignung für die Erstellung von reflektierenden Oberflächen. Ferner können andere Gesteinsarten Anwendung finden (z.B. Basalt, Granodiorit, etc.).In addition, the gloss level of the concrete surface can be positively influenced (from dull to matt to high gloss) by setting the recipe. Quartz sands (up to preferably 2 mm grain size) as aggregate show good suitability for the creation of reflective surfaces. Further, other types of rocks may be used (e.g., basalt, granodiorite, etc.).

Darüber hinaus können Hochleistungsfließmittel (z.B. BASF Master Glenium 454, Grace AdvaFlow, etc.) dem Frischbeton zugesetzt werden, um die gewünschte Fließfähigkeit bei gleichzeitiger Senkung des Wasserbedarfs zu erreichen. Ebenso können Schwindreduzierer (SRA), z.B. Sika Control, etc. genutzt werden, und deren verflüssigende und stabilisierende Eigenschaften im Frischbeton genutzt werden. Der erzielte Frischbeton wird unter Zusatz der genannten Hilfsstoffe zu einer sich selbst verdichtenden Masse.In addition, high performance flow agents (e.g., BASF Master Glenium 454, Grace AdvaFlow, etc.) can be added to the fresh concrete to achieve the desired fluidity while reducing water requirements. Similarly, shrinkage reducers (SRA), e.g. Sika Control, etc., and their liquefying and stabilizing properties are used in fresh concrete. The fresh concrete obtained is the addition of the above auxiliaries to a self-compacting mass.

Es wird vorgeschlagen, dass der im Verfahren verwendete Frischbeton ausgewählt ist unter einer Betonmischung, umfassend:

  • - einen Zement, beispielsweise gemäß DIN EN 197-1 ;
  • - eine Gesteinskörnung natürlichen oder künstlichen Ursprungs, wobei eine maximale Korngröße der Gesteinskörnung bevorzugt 2 mm beträgt;
  • - ein Gesteinsmehl natürlichen oder künstlichen Ursprungs oder einen anderen als Betonzusatzstoff bekannten oder zugelassenen Stoff, ausgewählt unter einer Flugasche (z.B. eines Kohlekraftwerkes), einem Trass, einer Mikrosilica oder einem Silicastaub, einem Hüttensandmehl oder einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung;
  • - Wasser, sodass ein Wasserzementwert in dem Frischbeton zwischen 0,15 bis 0,60; insbesondere zwischen 0,25 bis 0,35 einstellbar ist.
It is proposed that the fresh concrete used in the process is selected from a concrete mixture comprising:
  • a cement, for example according to DIN EN 197-1 ;
  • - an aggregate of natural or artificial origin, with a maximum grain size of the aggregate preferably being 2 mm;
  • - a powdered rock of natural or artificial origin or any substance known or authorized as a concrete additive, selected from fly ash (eg coal-fired power plant), trass, microsilica or silica fume, blastfurnace slag or milled scrap of an ore smelting plant;
  • - Water, so that a water cement value in the fresh concrete between 0.15 to 0.60; in particular between 0.25 to 0.35 is adjustable.

Optional kann die Betonmischung für den Frischbeton ein Betonzusatzmittel umfassen.Optionally, the concrete mix for the fresh concrete may comprise a concrete admixture.

Geeignete Betonzusatzmittel werden zur Steuerung von Eigenschaften des Frischbetons und/oder des aus dem Frischbeton erhältlichen Festbetons verwendet. Beispiele beeinflussbarer Werte betreffen einen verminderten Wasseranspruch (Wasserbedarf), die Verflüssigung, die Stabilisierung, die Luftporenbildung, die Beschleunigung oder Verzögerung der Zementhydratation (Erstarrung bzw. Erhärtung), die Dichtigkeit des erzielten Betons (insbesondere Dichtigkeit gegenüber Wasser), das Schwinden oder Quellen.Suitable concrete admixtures are used to control properties of the fresh concrete and / or the hardened concrete available from the fresh concrete. Examples of influenceable values concern reduced water demand (water requirement), liquefaction, stabilization, air entrainment, acceleration or retardation of cement hydration (solidification or hardening), the density of the concrete obtained (especially impermeability to water), shrinkage or swelling.

Vorteile dieser Ausführungsform betreffen vor allem die Festigkeit des erhaltenen Betons, bzw. des Hochleistungsbetons (UHPC).Advantages of this embodiment relate above all to the strength of the concrete obtained, or of the high-performance concrete (UHPC).

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, etwaigen Schwindprozessen des erstarrten UHPC mit SRA entgegenzuwirken.Furthermore, it has proven to be advantageous to counteract any shrinkage processes of the solidified UHPC with SRA.

Die frische UHPC Mischung passt sich der Oberflächenstruktur des Schalmaterials bis in den Nanometerbereich an, die nach Erstarrung/Erhärtung des UHPC als „Negativ“ auf seiner Oberfläche verbleibt. So kann mit einer feinabgestimmten Sieblinie das Ausgangsmaterial gewonnen werden, um in Verbindung mit PCE-Fließmitteln (Polycarboxylatether) und dem mit der gewünschten Oberflächenstruktur ausgestatteten Schalmaterial sowie einer entsprechenden Prozessführung beim Einfüllen und Abbinden des UHPC (Entlüftung bzw. Verdichtung und eine fachgemäße Nachbehandlung, die ein übermäßiges Verdunsten des Betonzugabewassers verhindert, z. B. durch Abdecken mit einer Plastikfolie) eine bis in den Nanometerbereich detailgetreue Negativ-Kopie der Schalhaut im Beton zu erzeugen.The fresh UHPC mixture adapts to the surface structure of the shuttering material down to the nanometer range, which remains on its surface after solidification / hardening of the UHPC as a "negative". So can be obtained with a finely tuned Sieblinie the starting material in conjunction with PCE flow agents (polycarboxylate ethers) and equipped with the desired surface structure formwork material and a appropriate process control during filling and setting of the UHPC (venting or compaction and a proper post-treatment, which prevents excessive evaporation of the concrete feed water, eg by covering with a plastic foil) down to the nanometer scale detailed copy of the formwork in the concrete too produce.

Erfindungsgemäß erfolgt ferner während des Erstarrungs- bzw. Erhärtungsprozesses eine Übertragung der Oberflächenrauigkeit von der Schalhaut auf den Werkstoff.Furthermore, according to the invention, the surface roughness is transferred from the formwork to the material during the solidification or hardening process.

Zur Erreichung einer porenfreien Oberfläche kann das Erstarren des frischen UHPC in der strukturierten Schalung unter Vakuum erfolgen, um etwaige Lufteinschlüsse zusätzlich zu vermeiden.To achieve a non-porous surface, the solidification of the fresh UHPC in the structured formwork can be carried out under vacuum in order to additionally avoid any air pockets.

Die Berücksichtigung der genannten Grundlagen sowie deren aufeinander abgestimmte Anwendung erlauben es, durch Abformung Oberflächenstrukturen auf Beton zu erzeugen, die eine Anwendung als diffraktive optische Elemente zulassen.The consideration of the above-mentioned principles as well as their coordinated application make it possible to produce surface structures on concrete by molding, which allow their application as diffractive optical elements.

Die Verwendung von sehr elastischen (also reversibel hoch dehnbaren) Schalhäuten mit intrinsisch niedriger Oberflächenenergie (z.B. PDMS=Polydimethylsiloxan) ermöglicht nach dem Aushärten eines Frischbetons (UHPC oder anderer zementgebundener Werkstoffe) das Entformen eines Negativs der gewünschten optisch aktiven Struktur, beispielsweise einer komplexen Freiform umfassend Hinterschneidungen. Diese Anpassung der nanostrukturierten Schalhaut ermöglicht eine dreidimensionale Oberflächenstrukturierung von UHPC und anderen zementgebundenen Werkstoffen.The use of very elastic (ie reversibly highly stretchable) shell skins with intrinsically low surface energy (eg PDMS = polydimethylsiloxane) allows after curing a fresh concrete (UHPC or other cementitious materials) demolding of a negative of the desired optically active structure, for example, a complex freeform undercuts. This adaptation of the nanostructured formwork allows three-dimensional surface structuring of UHPC and other cementitious materials.

Anwendungenapplications

Die nachfolgend beschriebenen Anwendungen beruhen auf Beugungsphänomenen.The applications described below are based on diffraction phenomena.

Wird z.B. eine in PDMS vorliegende Struktur, bestehend aus Feldern, die Gräben oder Löcher in unterschiedlichen Abmessungen von nm bis mm aufweist, als Schalhaut genutzt, erhält man bei Verwendung der oben angeführten Rezeptur und Übertragung (s.o.) eine Negativ-Kopie der Struktur auf der Betonoberfläche.If e.g. a structure in PDMS, consisting of fields with trenches or holes of different dimensions from nm to mm, used as shuttering skin, gives a negative copy of the structure on the concrete surface using the above formulation and transfer (see above).

Richtet man nun z.B. einen handelsüblichen Laser auf die Betonoberfläche, so wird der Laserstrahl an den Oberflächenstrukturen reflektiert und gebeugt. Hieraus ergeben sich die nachfolgend gesondert diskutierten Anwendungen:If you now judge for example a commercial laser on the concrete surface, the laser beam is reflected on the surface structures and diffracted. This results in the following separately discussed applications:

Optische Gitter (diffraktive optische Elemente) aus UHPC, Betonen sowie anderen zementgebundenen WerkstoffenOptical grids (diffractive optical elements) made of UHPC, concrete and other cementitious materials

Nutzt man die o.g. Erkenntnisse, so ist man z.B. in der Lage u.a. optische Gitter, (Laminargitter sowie Blaze Gitter) für die Anwendung an FEL-Quellen (Freie Elektronen Laser) herzustellen. Hier unterliegen die Gitter hohen Temperaturbelastungen beim Beschuss mit kurzwelliger, hochintensiver Strahlung und müssen dabei formstabil sein. Mit einer zusätzlichen Beschichtung der Oberfläche oder auch Beimischung von geeigneten metallischen Nanopartikeln kann die Effizienz dieser Gitter noch weiter optimiert und gesteigert werden.If you use the o.g. Findings, it is e.g. able u.a. optical gratings (laminar grating and blaze grating) for use on FEL (Free Electron Laser) sources. Here, the grids are subject to high temperature loads during shelling with short-wave, high-intensity radiation and must be dimensionally stable. With an additional coating of the surface or also admixture of suitable metallic nanoparticles, the efficiency of these grids can be further optimized and increased.

Durch dieses Verfahren ist man in der Lage, diffraktive optische Elemente (DOE) in UHPC zu erzeugen. Diese diffraktiven optischen Elemente können dann eingesetzt werden, wenn andere Replikationen die energetische Belastung nicht aushalten. Die Replikation mit UHPC ist nicht so kostspielig und beständiger als die Replikation mit Kunststoffen oder Hybridpolymeren. Bei der Abformung mit UHPC können Strukturgrößen bis in den Nanometerbereich realisiert werden. Auszeichnend für den UHPC ist seine Beständigkeit. Darüber hinaus zeichnet sich die Verwendung dieses Werkstoffes durch eine zeitsparende Herstellung gegenüber der Siliziumtechnologie aus, da einmal erzeugte Gitter durch Abformung mit UHPC mehrfach repliziert werden können.By this method one is able to produce diffractive optical elements (DOE) in UHPC. These diffractive optical elements can be used if other replications can not withstand the energetic load. Replication with UHPC is not as costly and consistent as replication with plastics or hybrid polymers. With UHPC molding, structure sizes down to the nanometer range can be realized. Distinguishing for the UHPC is its durability. In addition, the use of this material is characterized by a time-saving production compared to the silicon technology, since once generated grid can be replicated several times by molding with UHPC.

Die Ausnutzung der Abformbarkeit einer entsprechenden Polymer-Schalhaut lässt eine vollflächige, homogene Übertragung auf UHPC, Beton und sonstige zementgebundene Werkstoffe von Strukturen zu, die beispielhaft in den 1a) bis 1d) gezeigt sind. Die resultierenden Betonoberflächen reflektieren und beugen Licht, je nach aktuellen Strukturbreiten.The utilization of the moldability of a corresponding polymer formwork skin allows a full-surface, homogeneous transfer to UHPC, concrete and other cementitious materials of structures, which are exemplary in the 1a) to 1d) are shown. The resulting concrete surfaces reflect and diffract light, depending on the current structural widths.

Die 1 zeigt entsprechende Strukturen schematisch. Hierbei bedeuten p - Periode, die Periode p wird üblicherweise in Linien pro Millimeter angegeben. Hier bevorzugte Perioden umfassen Werte von 50 bis 10000 mm-1. Das entspricht Strukturgrößen von p = 0,1- 20 µm bei einer Höhe (h): 0,1nm bis 50µm, wobei der Winkel α bei 0 < α < 90° liegt.The 1 shows corresponding structures schematically. Here, p - period, the period p is usually given in lines per millimeter. Preferred periods herein include values from 50 to 10,000 mm -1 . This corresponds to structure sizes of p = 0.1-20 μm at a height (h): 0.1 nm to 50 μm, the angle α being 0 <α <90 °.

Auf Grund der Tatsache, dass die Strukturbreiten in etwa der Wellenlänge des einfallenden Lichtes entsprechen, erhalten an benachbarten Strukturen reflektierte Lichtwellen einen Gangunterschied d = g (sin(θ) - sin(θi)) (g: Gitterkonstante, θ: Betrachtungswinkel und θi: Einfallswinkel), was zu Interferenzerscheinungen führt, insbesondere zu konstruktiver Interferenz im Fernfeld an den Stellen, wo der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt.Due to the fact that the feature widths approximately correspond to the wavelength of the incident light, light waves reflected at neighboring structures receive a path difference d = g (sin (θ) -sin (θ i )) (g: lattice constant, θ: viewing angle and θ i : angle of incidence), which leads to interference phenomena, in particular to constructive interference in the far field at the points where the path difference is an integer multiple of the wavelength.

Diese Beugungs- und Interferenzeffekte wurden noch nie zuvor an Oberflächen von zementgebundenen Werkstoffen beschrieben, da der Großteil des Lichts nicht gebeugt, sondern diffus reflektiert/gestreut oder absorbiert wurde. Die hohe Formtreue an der Betonoberfläche und sehr geringe Rauigkeit bei der Übertragung der Gitterstrukturen machen dies erst möglich. Nur so können die multispektralen Lichtstrahlen gezielt nach Wellenlänge zerlegt werden und anschließend ihre jeweilige Intensität über einen Detektor aufgezeichnet werden. These diffraction and interference effects have never before been described on surfaces of cementitious materials because most of the light was not diffracted, but diffusely reflected / scattered or absorbed. The high dimensional accuracy on the concrete surface and very low roughness in the transmission of the lattice structures make this possible. Only in this way can the multispectral light beams be split up by wavelength and then their respective intensity can be recorded by a detector.

Lichtleitende, oder farbgebende Mikro- und Nanostrukturen aus UHPC, Betonen sowie anderen zementgebundenen WerkstoffenLight-conducting or coloring micro- and nanostructures made of UHPC, concretes and other cement-bound materials

Weitere Anwendungen solcher nano- oder mikroskaligen Strukturoberflächen finden sich im Bereich der Architektur, des Bauingenieurwesens und Umweltingenieurwesens. Hier können Betonoberflächen mit Strukturen zur Weiterleitung von z. B. sichtbarem Licht und auch IR-Strahlung verwendet werden oder mit Farbeffekten ausgestattet werden. Dabei handelt es sich in der Regel um periodische Strukturen (z.B. photonische Kristalle), bestehend aus für die jeweilige Anwendung zu nutzendem Wellenlängenbereich transparente Schichten mit Brechungsindexunterschied zum umgebenden Material und/oder umgebender Luft, die in ihren lateralen Strukturabmessungen und Strukturhöhen Dimensionen von einigen Mikrometern bis in den Nanometerbereich aufweisen. Kombiniert man diese Strukturen mit Wellenleiterstrukturen, so kann die Strahlung gezielt an der Betonoberfläche weitergeleitet werden und an anderer Stelle zur Umwandlung in Wärme oder andere Energie genutzt werden.Other applications of such nanoscale or microscale structural surfaces are in the field of architecture, civil engineering, and environmental engineering. Here concrete surfaces with structures for forwarding z. B. visible light and IR radiation or be equipped with color effects. These are usually periodic structures (eg photonic crystals), consisting of transparent to the respective application wavelength range transparent layers with refractive index difference to the surrounding material and / or surrounding air, in their lateral structure dimensions and structure heights dimensions of a few microns to in the nanometer range. If these structures are combined with waveguide structures, the radiation can be selectively directed to the concrete surface and used elsewhere for conversion into heat or other energy.

Die 2 und 3 zeigen schematisch unterschiedliche photonische Kristalle.

  • 2: Photonischer Kristall mit Wellenleiter, Strukturgrößen der Löcher 10nm bis zu einigen µm. Symmetrische Anordnung , mit Abständen von 50nm bis einigen µm
  • 3: Photonischer Kristall mit Wellenleiter, (Säulen) Durchmesser von wenigen 10nm bis einigen 10µm. Abstände einige 100nm bis einige 100µm, Höhe bis zu einigen 10 µm.
The 2 and 3 show schematically different photonic crystals.
  • 2 : Photonic crystal with waveguide, structure sizes of holes 10nm up to several μm. Symmetrical arrangement, with distances from 50nm to several μm
  • 3 : Photonic crystal with waveguide, (pillars) diameter from a few 10nm to several 10μm. Distances some 100nm to several 100μm, height up to several 10 μm.

IR-reflektierende Oberflächen aus UHPC, Betonen sowie anderen zementgebundenen WerkstoffenUHPC IR-reflecting surfaces, concretes and other cementitious materials

Ferner kann der Grad der IR-Reflektion der UHPC-Oberfläche verstärkt werden, um Sonnenlicht (hier Wärme) abzuleiten bzw. umzuleiten und anderweitig zu nutzen. Auf diese Weise ausgestattete Dachbereiche, Fassadenbereiche oder sonstige Einrichtungen, könnten so ohne weiteren Energiebedarf gekühlt werden. Darüber hinaus kann die Wärmestrahlung produktiv durch gerichtete Reflexion z.B. für die Warmwasserbereitung genutzt werden.Furthermore, the degree of IR reflection of the UHPC surface can be enhanced to dissipate and redirect and otherwise utilize sunlight (here heat). In this way, equipped roof areas, facade areas or other facilities, could be cooled without further energy needs. In addition, the heat radiation can be productively produced by directional reflection, e.g. be used for hot water.

Das Vermögen zur Reflektion von IR-Strahlung durch die UHPC-Oberfläche kann gesteigert werden, durch Hinzugabe von Zusätzen zum Beton z.B. Titandioxid, IRreflektierenden Polymerpartikeln, korrosionsbeständigen Metallpartikeln, oder korrosionsempfindlichen Metallpartikeln mit Ummantelung. Darüber hinaus können dem UHPC Effektpigmente zur Steigerung des Reflektionsgrades beigemengt werden.The ability to reflect IR radiation through the UHPC surface can be increased by adding additives to the concrete, e.g. Titanium dioxide, IR reflective polymer particles, corrosion resistant metal particles, or corrosion sensitive coated metal particles. In addition, the UHPC effect pigments can be added to increase the degree of reflection.

Farbgebende Mikro- oder Nanostrukturen aus UHPC, Betonen sowie anderen zementgebundenen Werkstoffen zur gerichteten Reflexion einer oder mehrerer Wellenlängen des sichtbaren BereichsUHPC, concrete, and other cementitious materials for directional reflection of one or more wavelengths of the visible region, coloring microstructures or nanostructures

Farbgebende Mikro- oder Nanostrukturen ermöglichen die Beugung und Interferenz von einfallendem Licht, wie vorstehend beschrieben. Hierbei werden die Strukturen jedoch so entworfen, dass einfallendes Licht gezielt wellenlängenabhängig auf einen Betrachtungspunkt gelenkt wird, so dass beim Betrachten der Oberfläche von diesem Punkt aus mehrere bestimmte Farben auf der Oberfläche wiedergegeben werden, und so ein beliebig wählbares echtfarbenes Bild erzeugt wird.Coloring micro or nanostructures allow diffraction and interference of incident light as described above. In this case, however, the structures are designed such that incident light is specifically directed to a viewing point dependent on the wavelength, so that when viewing the surface from this point several specific colors are reproduced on the surface, thus producing a freely selectable true-color image.

Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein Bild auf der Oberfläche aus Pixeln zusammengesetzt wird. Jeder Pixel besteht wiederum aus wenigen Reflektionsgittern, die je eine bestimmte Spektralfarbe auf den Betrachtungspunkt reflektieren, z.B. drei Gitter mit den Farben Rot, Grün und Blau. Die Gitterkonstante eines solchen Gitters beträgt g = |λm/(sin(θi) + sin(θ))|, mit der gewünschten Wellenlänge λ, der Beugungsordnung m, dem Einfallswinkel θi am Ort des Pixels sowie dem Winkel θ zwischen dem Lot zur Oberfläche und dem Ort des Betrachters. Die Intensitäten des Lichts dieser Spektralfarben, die den Betrachter erreichen, werden gezielt und unabhängig voneinander eingestellt durch die Qualität der Gitter (z.B. gezielt eingeführte Rauigkeit) oder dem Flächenanteil, den das Gitter im Pixel einnimmt. Durch gezielt eingestellte relative und absolute Intensitäten der einzelnen gewählten Spektralfarben können Pixel erzeugt werden, die beim Betrachter eine gezielte Farb- und Helligkeitswahrnehmung hervorrufen. Ein Bild aus solchen Pixeln zusammengesetzt erzeugt bei Beleuchtung von einer externen weißen Lichtquelle, etwa die Sonne oder ein Strahler, beim Betrachter den Eindruck eines leuchtenden echtfarbenen Bilds, vergleichbar mit einem Display, Fernseher oder ähnlichem, nur dass dieses ausschließlich durch die UHPC- bzw. Betonoberfläche sowie einer externen weißen Lichtquelle vollführt wird.This can be achieved, for example, by composing an image on the surface of pixels. Each pixel in turn consists of a few reflection grids, each reflecting a specific spectral color on the viewing point, eg three grids with the colors red, green and blue. The lattice constant of such a lattice is g = | λ m / (sin (θ i ) + sin (θ)) |, with the desired wavelength λ, the diffraction order m, the angle of incidence θ i at the location of the pixel and the angle θ between the solder to the surface and the place of the viewer. The intensities of the light of these spectral colors, which reach the observer, are adjusted specifically and independently of one another by the quality of the gratings (eg deliberately introduced roughness) or the area fraction that the grating occupies in the pixel. By specifically set relative and absolute intensities of the individual spectral colors selected pixels can be generated, which cause the viewer a specific color and brightness perception. An image composed of such pixels generated when illuminated by an external white light source, such as the sun or a spotlight, the viewer the impression of a bright real-color image, comparable to a display, TV or the like, only that this exclusively by the UHPC or Concrete surface and an external white light source is performed.

Anwendungen für nanostrukturierte UHPC-Oberflächen finden sich auf dem künstlerischen Sektor (Skulpturen, etc., Versehen mit struktureller, irisierender Farbgebung durch zwei- oder dreidimensionale periodische Oberflächenstrukturen), dem Energiesektor (Parabol-Oberflächen zur Reflektion des Sonnenlichtes), dem Bereich der Verkehrssicherheit (warnende Reflektorflächen, Weisslichthologramme, etc.) sowie in vielen weiteren Bereichen des täglichen Lebens.Applications for nanostructured UHPC surfaces can be found in the artistic sector (sculptures, etc., with structural, iridescent coloring by two- or three-dimensional periodic surface structures), the energy sector (parabolic surfaces for reflecting sunlight), the field of traffic safety ( warning reflector surfaces, white light holograms, etc.) as well as in many other areas of daily life.

UHPC- oder Betonoberflächen, sowie Oberflächen aus anderen zementgebundenen Werkstoffen als Hologrammträger (u.a. für Zertifizierungszwecke)UHPC or concrete surfaces, as well as surfaces of other cement-bound materials as hologram carriers (for certification purposes, among others)

Ein im µm- und nm-Bereich gezielt strukturierter UHPC, Beton oder sonstiger zementgebundener Werkstoff kann als Hologrammträger genutzt werden. Hier kommen ebenfalls diffraktive optische Elemente (DOE's) zum Einsatz. Die Strukturgrößen liegen auch hier im Bereich von einigen µm bis einigen hundert nm. Das Produkt ist hierbei ein Hologramm, welches wiederum u.a. Anwendung im Bereich der Architektur und Verkehrssicherheit finden kann. Diese Hologramme können auch für Zwecke der Produktsicherheit verwendet werden. Hologramme sind nahezu fälschungssicher und können auch eingesetzt werden, um beispielsweise den Ursprung von Bauelementen zu dokumentieren.A UHPC, concrete or other cement-bonded material that is specifically structured in the μm and nm range can be used as a hologram carrier. Diffractive optical elements (DOEs) are also used here. The structure sizes are here also in the range of a few microns to a few hundred nm. The product here is a hologram, which in turn u.a. Application in the field of architecture and traffic safety can be found. These holograms can also be used for product safety purposes. Holograms are virtually tamper-proof and can also be used to document, for example, the origin of components.

Das Wesen der hier beschriebenen Erfindung lässt sich unter den nachfolgend angeführten Punkten zusammenfassen:

  1. 1. Verwendung des Werkstoffes UHPC, Beton und sonstiger zementgebundener Werkstoffe zur Erstellung optischer Komponenten;
  2. 2. Nutzung des fein gesiebten bzw. im Feinkornbereich abgestimmten UHPC zur flächendeckenden, homogenen Abformung von nano- bzw. mikroskaligen Oberflächen;
  3. 3. Blazegitter aus UHPC, Beton, zementgebundenen Werkstoffen als DOE zur physikalischen Anwendung u.a. an FEL;
  4. 4. Laminare Gitter aus UHPC, Beton, zementgebundenen Werkstoffen als DOE zur physikalischen Anwendung u.a. an FEL;
  5. 5. Diffraktive optische Elemente aus UHPC, Beton und anderen zementgebundenen Werkstoffen;
  6. 6. Herstellung von optischen Oberflächen an Gebäuden zur Unterstützung der Klimatechnik;
  7. 7. Herstellung von optischen Strukturen zur Erzeugung eines vorbestimmten Farbverhaltens durch Nutzung von (nanoskaligen/mikroskaligen) DOE oder gerichtet diffusstreuenden Strukturen aus UHPC, Betonen und sonstigen zementgebundenen Werkstoffen;
  8. 8. Nutzung von nano- oder mikrostrukturierten sowie durch Rezeptur voreingestellten UHPC-, Beton- und sonstigen zementgebundenen Werkstoffoberflächen zur gerichteten Weiterleitung elektromagnetischer Strahlung;
  9. 9. Nutzung der (nanoskaligen) Betonoberflächen in der Strahlenphysik als diffraktive Bauelemente;
  10. 10. Nutzung der (nanoskaligen) Betonoberflächen in der Verkehrssicherheit (z.B. durch Übertragung von Hologrammen);
  11. 11. DOEs aus UHPC, Betonen und sonstigen zementgebundenen Werkstoffen zur Lichtbeugung.
The essence of the invention described here can be summarized under the following points:
  1. 1. Use of the material UHPC, concrete and other cementitious materials for the production of optical components;
  2. 2. Utilization of the finely sieved UHPC, which has been fine-grained, for the comprehensive, homogeneous impression of nano- or micro-scale surfaces;
  3. 3. Blaze grille made of UHPC, concrete, cement-bound materials as DOE for physical application, inter alia to FEL;
  4. 4. Laminar lattices made of UHPC, concrete, cement-bound materials as DOE for physical application, inter alia, to FEL;
  5. 5. Diffractive optical elements made of UHPC, concrete and other cementitious materials;
  6. 6. Production of optical surfaces on buildings in support of air conditioning technology;
  7. 7. Production of optical structures to produce a predetermined color behavior by use of (nanoscale / microscale) DOE or directed diffusive structures of UHPC, concretes and other cementitious materials;
  8. 8. Use of nano- or microstructured as well as pre-adjusted UHPC, concrete and other cement-bonded material surfaces for directional transmission of electromagnetic radiation;
  9. 9. Use of (nanoscale) concrete surfaces in radiation physics as diffractive components;
  10. 10. use of (nanoscale) concrete surfaces in traffic safety (eg by transfer of holograms);
  11. 11. DOEs made of UHPC, concretes and other cementitious materials for light diffraction.

Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.While specific embodiments have been illustrated and described herein, it is within the scope of the present invention to properly modify the illustrated embodiments without departing from the scope of the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.

Claims (17)

Optisches Element, umfassend eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Flächen aus Beton, wobei eine Kantenlänge der regelmäßig angeordneten Flächen aus Beton in einem Bereich von 10 nm bis 50 µm liegt.An optical element comprising a plurality of regularly arranged surfaces of concrete, wherein an edge length of the regularly arranged surfaces of concrete is in a range of 10 nm to 50 microns. Optisches Element nach Anspruch 1, wobei das optische Element ausgewählt ist unter einem diffraktiven optischen Element, einem Laminargitter , einem Echelette-Gitter, einem Sägezahn-Gitter oder einem Blaze-Gitter, und/oder einem Sinusgitter, wobei die genannten Gitter als Plangitter oder als Konkavgitter ausgeführt sind.Optical element after Claim 1 wherein the optical element is selected from a diffractive optical element, a laminar grating, an echelette grating, a sawtooth grating or a blaze grating, and / or a sine grating, said gratings being in the form of a planitter or a concave grating. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche der Flächen zumindest abschnittsweise eine Rauheit im Bereich 10 nm bis 50 µm aufweist.Optical element according to one of the preceding claims, wherein a surface of the surfaces at least partially has a roughness in the range 10 nm to 50 microns. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Beton ein UHPC- Beton ist.An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the concrete is a UHPC concrete. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element eingerichtet ist für eine Formung und/oder Manipulation von kohärentem Licht im Energiebereich einer Röntgenstrahlung.Optical element according to one of the preceding claims, wherein the optical element is adapted for shaping and / or manipulation of coherent light in the energy range of an X-radiation. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element eingerichtet ist, bei einer Exposition gegenüber Weißlicht einen Farbeindruck bei einem Betrachter auszulösen.An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the optical element is arranged when exposed to white light to trigger a color impression on a viewer. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element eingerichtet ist, IR-Strahlung zu reflektieren.An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the optical element is arranged to reflect IR radiation. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element ausgewählt ist unter einem Gitter, unter einem Hologramm, unter einem Lichtwellenleiter und/oder unter einem photonischen Kristall.Optical element according to one of the preceding claims, wherein the optical element is selected under a grid, under a hologram, under an optical waveguide and / or under a photonic crystal. Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element Bestandteil eines Betonbauteils ist und zur Identifikation einer Herkunft und/oder zur Identifikation einer Bestimmung des Betonbauteils dient.Optical element according to one of the preceding claims, wherein the optical element is part of a concrete component and is used to identify a source and / or identification of a determination of the concrete component. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, umfassend: - Bereitstellen eines Frischbetons, umfassend: o einen Zement; o eine Gesteinskörnung natürlichen oder künstlichen Ursprungs, wobei eine maximale Korngröße der Gesteinskörnung 2 mm beträgt; o ein Gesteinsmehl natürlichen oder künstlichen Ursprungs oder einen anderen als Betonzusatzstoff bekannten oder zugelassenen Stoff, ausgewählt unter einer Flugasche, einem Trass, einer Mikrosilica oder einem Silicastaub, einem Hüttensandmehl oder einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung; o Wasser, sodass ein Wasserzementwert in dem Frischbeton zwischen 0,15 bis 0,60 einstellbar ist; - Bereitstellen einer nanostrukturierten Schalhaut, wobei die Schalhaut ein Negativ des optischen Elements aufweist; - In Kontakt-Bringen der Schalhaut mit dem Frischbeton; - Abbinden des Frischbetons; - Ausschalen und/oder Entformen des optischen Elements.A process for producing an optical element according to any one of the preceding Claims 1 to 9 comprising: providing a fresh concrete comprising: a cement; o an aggregate of natural or artificial origin, with a maximum aggregate grain size of 2 mm; o a rock meal of natural or artificial origin or another substance known or authorized as a concrete additive chosen from fly ash, a trass, a microsilica or a silica fume, a granulated blastfurnace or a ground residue of an ore smelting; o water, so that a water cement value in the fresh concrete between 0.15 to 0.60 is adjustable; - Providing a nanostructured formwork, wherein the formwork skin has a negative of the optical element; - bringing the formwork into contact with the fresh concrete; - setting the fresh concrete; - Stripping and / or removal of the optical element. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die bereitgestellte nanostrukturierte Schalhaut elastisch ist, sodass die nanostrukturierte Schalhaut nach dem Abbinden des Frischbetons ein Ausschalen und/oder Entformen einer komplexen Freiform umfassend Hinterschneidungen ermöglicht.Method according to Claim 10 , wherein the provided nanostructured formwork skin is elastic, so that the nanostructured formwork skin after setting of the fresh concrete allows stripping and / or demolding a complex freeform comprising undercuts. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das optische Element Bestandteil eines Betonformteils ist.Method according to Claim 10 or 11 , wherein the optical element is part of a concrete molding. Betonformteil, umfassend zumindest ein auf einer Oberfläche des Betonformteils angeordnetes optisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.Concrete molding comprising at least one arranged on a surface of the concrete molding optical element according to at least one of Claims 1 to 9 , Betonformteil nach Anspruch 13, wobei eine Vielzahl von auf der Oberfläche des Bauteils angeordneten optischen Elementen Pixel eines aus Pixeln zusammengesetzten Bildes sind und/oder Pixel ergeben.Concrete molding after Claim 13 wherein a plurality of optical elements disposed on the surface of the device are pixels of an image composed of pixels and / or give pixels. Betonformteil nach Anspruch 13 oder 14, wobei das optische Element zur gerichteten Lichtwellenleitung dient.Concrete molding after Claim 13 or 14 , wherein the optical element is for directed optical waveguide. Betonformteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das optische Element eine IR-Strahlung reflektiert.Concrete molding according to one of Claims 13 to 15 wherein the optical element reflects an IR radiation. Verwendung eines Werkstoffes ausgewählt unter einem UHPC, einem Beton, einer Hochofenschlacke, einem Hüttensandmehl, einem Quarzmehl, einem Marmormehl, einem Titandioxid, einem Kalksandsteinmehl, einer Flugasche, eines Trass, einer Mikrosilica, einem Silicastaub, einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung und/oder einem Metallpulver zur Erstellung eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Use of a material selected from a UHPC, a concrete, a blast furnace slag, a granulated blastfurnace, a quartz flour, a marble flour, a titanium dioxide, a lime sandstone, a fly ash, a trass, a microsilica, a silica fume, a ground residue of an ore smelting and / or a Metal powder for creating an optical element according to one of Claims 1 to 9 ,
DE102017127594.0A 2017-11-22 2017-11-22 Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components Active DE102017127594B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017127594.0A DE102017127594B4 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017127594.0A DE102017127594B4 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102017127594A1 DE102017127594A1 (en) 2019-05-23
DE102017127594B4 true DE102017127594B4 (en) 2019-06-27

Family

ID=66336315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017127594.0A Active DE102017127594B4 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017127594B4 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008031610A1 (en) 2006-09-15 2008-03-20 Delunamagma Industries Gmbh Module comprising light-permeable fibres
DE102008027799A1 (en) 2008-06-11 2009-12-24 Robatex Gmbh Molded brick for producing rectangular light-conducting blocks and plates and light-conducting workpieces, comprises layers made of parallely disposed light-conducting fibers and/or layers made of textiles with the light-conducting fibers
DE202009016496U1 (en) 2009-12-07 2010-02-25 Barlé, Ampai Decorative concrete elements

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008031610A1 (en) 2006-09-15 2008-03-20 Delunamagma Industries Gmbh Module comprising light-permeable fibres
DE102008027799A1 (en) 2008-06-11 2009-12-24 Robatex Gmbh Molded brick for producing rectangular light-conducting blocks and plates and light-conducting workpieces, comprises layers made of parallely disposed light-conducting fibers and/or layers made of textiles with the light-conducting fibers
DE202009016496U1 (en) 2009-12-07 2010-02-25 Barlé, Ampai Decorative concrete elements

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN EN 197-1

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017127594A1 (en) 2019-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11262488B2 (en) Highly reflective microcrystalline/amorphous materials, and methods for making and using the same
Schmidt et al. Nanotechnological improvement of structural materials–impact on material performance and structural design
EP0417164A1 (en) Process for producing artificial stones, and their use.
Yanhui et al. The cure performance of modified ZrO2 coated by paraffin via projection based stereolithography
DE102011007834A1 (en) Mineral composition for the production of electrical heating layers
CN106154367A (en) A kind of light diffusing sheet and preparation method
DE102017127447A1 (en) Plaque assemblies emitting visible iridescent patterns
CN109133771A (en) A kind of artificial luminous stone slab of pre-manufactured inorganic and preparation method thereof
Zhang et al. Digital light processing 3D printing of AlSi10Mg powder modified by surface coating
DE102017127594B4 (en) Lossless transfer of micro / nano-structured surfaces to UHPC, concrete and other cementitious materials for the creation of diffractive optical components
DE2750711C2 (en) Reflective concrete body and process for its manufacture
DE102007047663A1 (en) Method and apparatus for producing periodic patterns by interference lithography by stepwise alignment
EP0406278A1 (en) Process for producing fluorescent or phosphorescent pigments coated with glass.
CN108558321B (en) High-gloss light-transmitting concrete and preparation method and application thereof
EP1180070A1 (en) Plastic molded body
CN108358553A (en) A kind of non-light tight concrete and preparation method thereof prepared with ardealite base hydraulicity composite gel material
DE102020209106B4 (en) Method for providing an embossing element for an embossing tool, an embossing element, a use of an embossing element and an embossing tool comprising an embossing element
DE102012105975A1 (en) Concrete product e.g. paving stone and tiles, where product is made of cement paste having total concrete volume of fireclay particles such as high-fired clinker particles and surface of product comprises adjustable surface texturing
DE202022000393U1 (en) Carrier made of weathered stone powder and tension-resistant material
Kastornykh et al. Use of crushed materials for decorative self-compacting concrete
JP2005041750A (en) Industrial waste regenerated aggregate and method of producing the same
YU79791A (en) PROCEDURE FOR PRODUCTION OF LIGHT BUILDING MATERIAL
Muthusamy et al. Properties of concrete containing coal bottom ash as hydraulic binder substitution
DE202013102906U1 (en) Concrete product with clinker brick appearance
DE19504782C5 (en) Process and moldings for the production of artificial rock formations

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final