Large-scale virtualized data centers require cloud providers to implement scalable, autonomic, and energy-efficient cloud management systems. To address these challenges this thesis provides four main contributions. The first one proposes Snooze, a novel Infrastructure-as-a-Service (IaaS) cloud management system, which is designed to scale across many thousands of servers and virtual machines (VMs) while being easy to configure, highly available, and energy efficient. For scalability, Snooze performs distributed VM management based on a hierarchical architecture. To support ease of configuration and high availability Snooze implements self-configuring and self-healing features. Finally, for energy efficiency, Snooze integrates a holistic energy management approach via VM resource (i.e. CPU, memory, network) utilization monitoring, underload/overload detection and mitigation, VM consolidation (by implementing a modified version of the Sercon algorithm), and power management to transition idle servers into a power saving mode. A highly modular Snooze prototype was developed and extensively evaluated on the Grid'5000 testbed using realistic applications. Results show that: (i) distributed VM management does not impact submission time; (ii) fault tolerance mechanisms do not impact application performance and (iii) the system scales well with an increasing number of resources thus making it suitable for managing large-scale data centers. We also show that the system is able to dynamically scale the data center energy consumption with its utilization thus allowing it to conserve substantial power amounts with only limited impact on application performance. Snooze is an open-source software under the GPLv2 license. The second contribution is a novel VM placement algorithm based on the Ant Colony Optimization (ACO) meta-heuristic. ACO is interesting for VM placement due to its polynomial worst-case time complexity, close to optimal solutions and ease of parallelization. Simulation results show that while the scalability of the current algorithm implementation is limited to a smaller number of servers and VMs, the algorithm outperforms the evaluated First-Fit Decreasing greedy approach in terms of the number of required servers and computes close to optimal solutions. In order to enable scalable VM consolidation, this thesis makes two further contributions: (i) an ACO-based consolidation algorithm; (ii) a fully decentralized consolidation system based on an unstructured peer-to-peer network. The key idea is to apply consolidation only in small, randomly formed neighbourhoods of servers. We evaluated our approach by emulation on the Grid'5000 testbed using two state-of-the-art consolidation algorithms (i.e. Sercon and V-MAN) and our ACO-based consolidation algorithm. Results show our system to be scalable as well as to achieve a data center utilization close to the one obtained by executing a centralized consolidation algorithm.

A propriedade de auto-cura, em redes inteligente de distribuição de energia elétrica, consiste em encontrar uma proposta de reconfiguração do sistema de distribuição com o objetivo de recuperar parcial ou totalmente o fornecimento de energia aos clientes da rede, na ocorrência de uma falha na rede que comprometa o fornecimento. A busca por uma solução satisfatória é um problema combinacional cuja complexidade está ligada ao tamanho da rede. Um método de busca exaustiva se torna um processo muito demorado e muitas vezes computacionalmente inviável. Para superar essa dificuldade, pode-se basear nas técnicas de geração de árvores de extensão mínima do grafo, representando a rede de distribuição. Porém, a maioria dos estudos encontrados nesta área são implementações centralizadas, onde proposta de reconfiguração é obtida por um sistema de supervisão central. Nesta dissertação, propõe-se uma implementação distribuída, onde cada chave da rede colabora na elaboração da proposta de reconfiguração. A solução descentralizada busca uma redução no tempo de reconfiguração da rede em caso de falhas simples ou múltiplas, aumentando assim a inteligência da rede. Para isso, o algoritmo distribuído GHS é utilizado como base na elaboração de uma solução de auto-cura a ser embarcada nos elementos processadores que compõem as chaves de comutação das linhas da rede inteligente de distribuição. A solução proposta é implementada utilizando robôs como unidades de processamento que se comunicam via uma mesma rede, constituindo assim um ambiente de processamento distribuído. Os diferentes estudos de casos testados mostram que, para redes inteligentes de distribuição compostas por um único alimentador, a solução proposta obteve sucesso na reconfiguração da rede, indiferentemente do número de falhas simultâneas. Na implementação proposta, o tempo de reconfiguração da rede não depende do número de linhas nela incluídas. A implementação apresentou resultados de custo de comunicação e tempo dentro dos limites teóricos estabelecidos pelo algoritmo GHS. / The characteristic of self-healing, in smart grids, consists of finding a proposal for a reconfiguration of distribution system aiming at restoring the power, partially or completely to supply the network clients, in the event of network failure, which compromises the energy supply. The search for a satisfactory solution is a combinatorial problem whose complexity is proportional to the network size. An exhaustive search-based method is a time-consuming process and often computationally not viable. To overcome this difficulty, techniques for generating minimal spanning trees of the graph, which represents the smart grid, are exploited. However, the majority of studies in this area provide centralized implementations, where the solution for reconfiguration is achieved by a central control system. In this dissertation, we propose a distributed implementation, where each of the network switch collaborates in the development of the solution for reconfiguration. The proposed decentralized solution seeks a reduction in terms of the network reconfiguration time, in case of a single or multiple failures, thus increasing network intelligence. In this purpose, the GHS distributed algorithm is used as a basis for developing a self-healing solution to be embedded in the processing elements that are included within the line commutation switches of smart grid. The proposed solution is implemented using robots as processing units, which communicate via the same network, thereby creating a distributed processing environment. The several tested case studies show that, for smart grids that to have a single distribution feeder, the proposed solution allowed for a successful reconfiguration of the network, regardless of the number of simultaneous failures. In the proposed implementation, the network reconfiguration time does not depend on the number of buses and lines included. The implementation presents results of communication cost and time within the theoretical bounds of the GHS algorithm.

A propriedade de auto-cura, em redes inteligente de distribuição de energia elétrica, consiste em encontrar uma proposta de reconfiguração do sistema de distribuição com o objetivo de recuperar parcial ou totalmente o fornecimento de energia aos clientes da rede, na ocorrência de uma falha na rede que comprometa o fornecimento. A busca por uma solução satisfatória é um problema combinacional cuja complexidade está ligada ao tamanho da rede. Um método de busca exaustiva se torna um processo muito demorado e muitas vezes computacionalmente inviável. Para superar essa dificuldade, pode-se basear nas técnicas de geração de árvores de extensão mínima do grafo, representando a rede de distribuição. Porém, a maioria dos estudos encontrados nesta área são implementações centralizadas, onde proposta de reconfiguração é obtida por um sistema de supervisão central. Nesta dissertação, propõe-se uma implementação distribuída, onde cada chave da rede colabora na elaboração da proposta de reconfiguração. A solução descentralizada busca uma redução no tempo de reconfiguração da rede em caso de falhas simples ou múltiplas, aumentando assim a inteligência da rede. Para isso, o algoritmo distribuído GHS é utilizado como base na elaboração de uma solução de auto-cura a ser embarcada nos elementos processadores que compõem as chaves de comutação das linhas da rede inteligente de distribuição. A solução proposta é implementada utilizando robôs como unidades de processamento que se comunicam via uma mesma rede, constituindo assim um ambiente de processamento distribuído. Os diferentes estudos de casos testados mostram que, para redes inteligentes de distribuição compostas por um único alimentador, a solução proposta obteve sucesso na reconfiguração da rede, indiferentemente do número de falhas simultâneas. Na implementação proposta, o tempo de reconfiguração da rede não depende do número de linhas nela incluídas. A implementação apresentou resultados de custo de comunicação e tempo dentro dos limites teóricos estabelecidos pelo algoritmo GHS. / The characteristic of self-healing, in smart grids, consists of finding a proposal for a reconfiguration of distribution system aiming at restoring the power, partially or completely to supply the network clients, in the event of network failure, which compromises the energy supply. The search for a satisfactory solution is a combinatorial problem whose complexity is proportional to the network size. An exhaustive search-based method is a time-consuming process and often computationally not viable. To overcome this difficulty, techniques for generating minimal spanning trees of the graph, which represents the smart grid, are exploited. However, the majority of studies in this area provide centralized implementations, where the solution for reconfiguration is achieved by a central control system. In this dissertation, we propose a distributed implementation, where each of the network switch collaborates in the development of the solution for reconfiguration. The proposed decentralized solution seeks a reduction in terms of the network reconfiguration time, in case of a single or multiple failures, thus increasing network intelligence. In this purpose, the GHS distributed algorithm is used as a basis for developing a self-healing solution to be embedded in the processing elements that are included within the line commutation switches of smart grid. The proposed solution is implemented using robots as processing units, which communicate via the same network, thereby creating a distributed processing environment. The several tested case studies show that, for smart grids that to have a single distribution feeder, the proposed solution allowed for a successful reconfiguration of the network, regardless of the number of simultaneous failures. In the proposed implementation, the network reconfiguration time does not depend on the number of buses and lines included. The implementation presents results of communication cost and time within the theoretical bounds of the GHS algorithm.

La rupture différée des fibres SiC de type Hi-Nicalon à l’échelle multifilamentaire, des minicomposites de type Hi-Nicalon/PyC/SiC et Hi-Nicalon/type PyC/B4C a été étudiée à l’aide de moyens d’essais spécifiques et innovants. Des essais de fatigue statique sous air aux très hautes températures (900°C-1300°C) avec mesure des déformations ont ainsi pu être réalisés sur ces différents matériaux. Les résultats expérimentaux obtenus (durée de vie, déformation, lois de comportement en traction) ont permis de comprendre et de modéliser les mécanismes responsables de la rupture différée aux différentes échelles : - Les fils Hi-Nicalon rompent par mécanisme de fissuration lente activé par l’oxydation du carbone libre des fibres. Le mécanisme de fissuration est perturbé par la formation rapide d’oxyde SiO2 à partir de 1000°C : pour les faibles contraintes, la cinétique de fissuration lente est ralentie par formation d’oxyde protecteur empêchant l’accès de l’oxygène aux fissures ; pour les fortes contraintes, la rupture des fils est prématurée à cause de collages inter-fibres (fibre-oxyde-fibre). A 1200°C, le mécanisme de fluage semble être à l’origine de la rupture quasi-instantanée du matériau pour des contraintes supérieures à 200 MPa. - Les minicomposites Hi-Nicalon/type PyC/SiC rompent par mécanisme de fissuration lente ralenti par la présence de matrice SiC et par la formation d’oxyde SiO2 limitant l’accès de l’oxygène aux fibres. le mécanisme de fluage est observé à partir de 1200°C mais il n’a jamais été responsable de la rupture du matériau. - Les minicomposites Hi-Nicalon/type PyC/B4C rompent par mécanisme de fissuration lente ralenti par formation d’oxyde B2O3 à 900°C pour les fortes contraintes. Pour les autres températures et pour les faibles contraintes à 900°C le mécanisme de rupture est la diminution rapide du diamètre des fibres à cause de l’augmentation de la cinétique d’oxydation des fibres par l’oxyde B2O3. Des modèles analytiques basés sur ces différents mécanismes permettent de prévoir la durée de vie du matériau en prenant en compte les incertitudes de mesure et la variabilité des résultats de durée de vie. / Delayed failure of SiC Hi-Nicalon multifilament tows (500 fibers), minicomposites Hi-Nicalon/type PyC/SiC and Hi-Nicalon/type PyC/B4C was investigated in static fatigue, in air, at high temperatures (900°C – 1300°C) using specific and innovative devices. Static fatigue tests with measure of strain were performed on these materials. The experimental results (lifetime, strain, tensile behavior) have helped to understand and model the mechanisms responsible for the delayed failure at the different scales: - Hi-Nicalon tows rupture is caused by subcritical crack growth mechanism activated by oxidation of free carbon in the fibres. This phenomenon is disrupted by fast oxide SiO2 formation over 900°C: subcritical crack growth kinetic slows down for low stresses because of protective oxide formation which prevents the cracks from oxygen; For high stresses, the lifetime of Hi-Nicalon tows is weaker because of fibers interactions (fiber-oxide-fiber). At last, creep seems to cause the rupture of the tows for stresses over 200 MPa at 1200°C. - Hi-Nicalon/type PyC/SiC minicomposites break by subcritical crack growth slowed down by the SiC matrix and by the SiO2 formation which limit the access of the oxygen to the fibers. Creep occurs at 1200°C but it isn’t responsible of the rupture. - Hi-Nicalon/type PyC/B4C minicomposites break by subcritical crack growth slowed down by the formation of B2O3 oxide at 900°C for high stresses. The rupture is caused by the fast decrease of the diameter of the fibers at the other temperatures and for low stresses at 900°C. The oxidation kinetic of the fibers increases because of the dissolution of silica coating by B2O3 oxide. Analytical modeling was performed to schedule the lifetime of these materials and the variability of the experimental results is studied.

Les performances exceptionnelles des composites naturels comme la nacre ou le bois émergent de l’arrangement précis d’éléments souples et rigides à l’échelle nanométrique. L’assemblage couche-par-couche permet la fabrication de films avec un contrôle nanométrique de l’organisation et de la composition. Ce travail décrit l’assemblage et les propriétés de nouveaux nano-composites contenant des nano-renforts 1-D (fibrilles de cellulose) et 2-D (plaquettes d’argile). Nous avons combiné les argiles avec une matrice extrêmement souple de poly(diméthylsiloxane) dans une architecture lamellaire imitant celle de la nacre. Nous avons étudié des composites à base de fibrilles de cellulose aléatoirement orientées dans le plan, puis alignées dans une direction pour mieux imiter les parois cellulaires du bois. Les propriétés mécaniques de ces composites bio-inspirés égalent ou surpassent celles de leurs homologues naturels, tout en étant transparents et dans certains cas auto-réparants. / Natural materials such as nacre or wood gain their exceptional mechanical performances from the precise organisation of rigid and soft components at the nano-scale. Layer-by-layer assembly allows the preparation of films with a nano-scale control over their organisation and composition. This work describes the assembly and properties of new nano-composites containing 1-D (cellulose nano-fibrils) and 2-D (clay nano-platelets) reinforcing elements. The clay platelets were combined with an extremely soft matrix (poly(dimethylsiloxane)) to mimic the lamellar architecture of nacre. Cellulose based composites with a random in plane orientation of the fibrils were studied first, later we aligned the fibrils in a single direction to mimic further the cell wall of wood. The mechanical properties of these bio-inspired composites match or surpass those of their natural counterparts, while being transparent and in one case self-repairing.

Dans une composition de services Web basée protocole, un ensemble de services composants se collaborent pour donner lieu à un service Composite. Chaque service est représenté par un automate à états finis (AEF). Au sein d’un AEF, chaque transition exprime l’exécution d’une opération qui fait avancer le service vers un état suivant. Une exécution du composite correspond à une séquence de transitions où chacune est déléguée à un des composants. Lors de l’exécution du composite, un ou plusieurs composants peuvent devenir indisponibles. Ceci peut produire une exécution incomplète du composite, et de ce fait un recouvrement est nécessaire. Le recouvrement consiste à transformer l’exécution incomplète en une exécution alternative ayant encore la capacité d’aller vers un état final. La transformation s'effectue en compensant certaines transitions et exécutant d’autres. Cette thèse présente une étude formelle du problème de recouvrement dans une composition de service Web basée protocole. Le problème de recouvrement consiste à trouver une meilleure exécution alternative parmi celles disponibles. Une meilleure alternative doit être atteignable à partir de l’exécution incomplète avec un nombre minimal de compensations visibles (vis-à-vis le client). Pour une exécution alternative donnée, nous prouvons que le problème de décision associé au calcul du nombre de transitions invisiblement compensées est NP-Complet. De ce fait, nous concluons que le problème de décision associé au recouvrement appartient à la classe ΣP2. / In a protocol-based Web service composition, a set of available component services collaborate together in order to provide a new composite service. Services export their protocols as finite state machines (FSMs). A transition in the FSM represents a task execution that makes the service moving to a next state. An execution of the composite corresponds to a sequence of transitions where each task is delegated to a component service. During composite run, one or more delegated components may become unavailable due to hard or soft problems on the Network. This unavailability may result in a failed execution of the composite. We provide in this thesis a formal study of the automatic recovery problem in the protocol-based Web service composition. Recovery consists in transforming the failed execution into a recovery execution. Such a transformation is performed by compensating some transitions and executing some others. The recovery execution is an alternative execution of the composite that still has the ability to reach a final state. The recovery problem consists then in finding the best recovery execution(s) among those available. The best recovery execution is attainable from the failed execution with a minimal number of visible compensations with respect to the client. For a given recovery execution, we prove that the decision problem associated with computing the number of invisibly-compensated transitions is NP-complete. Thus, we conclude that deciding of the best recovery execution is in ΣP2.

The increasing demand for high performance and miniature high frequency electronics has motivated the development of Micro-electro Mechanical Systems (MEMS) resonators, some of which have already become a commercial success for the making of filters, duplexers and oscillators used in radio frequency (RF) front-end systems for portable electronic devices. These MEMS components not only enable size, power and cost reduction with respect to their existing counterparts, but also open exciting opportunities for implementing new functionalities when used in large arrays. Almost all MEMS resonators require interfacing with one or more Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) integrated circuit components or modules in processing raw signals from individual MEMS devices. Hence, these devices should be integrated with CMOS circuits in an efficient and robust way in order to facilitate their deployment in large arrays with minimal parasitics, delay and power losses due to signal routing and CMOS-MEMS interconnects. Among the MEMS resonators developed to date, Aluminum Nitride (AlN) MEMS Contour-Mode Resonators (CMRs) offer high electro-mechanical coupling coefficient (𝑘𝑡2) and quality factor (Q), and a center frequency (f0) that can be set lithographically by varying the device in-plane dimensions. Also, AlN MEMS CMRs can be fabricated using state-of-the-art CMOS processes and micromachining techniques. These properties allow the synthesis of multi-frequency band-pass filters (BPFs) on a single chip with a low insertion loss and the capability of direct matching to 50 Ω systems. All these advantages, along with a sufficiently mature fabrication process, make AlN CMRs one of the ideal candidates for pursuing their integration with CMOS technology and implement high performance filters with programming capability. In this work we develop for the first time a three-dimensional (3D) heterogeneously integrated AlN MEMS-CMOS platform that enables the realization of such systems as self- healing filters for RF front-ends and programmable filter arrays for cognitive radios. We collaborated with the A*STAR, Institute of Microelectronics (IME), Singapore in the development of AlN MEMS platform on an 8" silicon (Si) wafer; on the other hand, CMOS chips were fabricated in 65 nm International Business Machines Corporation (IBM) and 28 nm Samsung processes. Solder bumps were placed on CMOS chips by Tag and Label Manufacturers Institute (TLMI) under the supervision of Metal Oxide Semiconductor Implementation Service (MOSIS). We demonstrated 3D integrated chip stacks with primary RF signal routing on MEMS and on CMOS for self-healing filters, and showcased the other system via wire-bonding to off-the-shelf CMOS components on a printed circuit board (PCB) because of the inability to continue to have access to the CMOS wafers and bumping processes over the last two years of the project.

Elastomere werden während ihrer Lebensdauer meist mechanisch und thermisch besonders stark beansprucht. Dadurch sind sie einem hohen Verschleiß und einer Abnutzung ausgesetzt, die zum Versagen des Materials führen. Dabei können schwerwiegende Folgen für Maschine und Mensch entstehen. Eine elegante Möglichkeit diesen Erscheinungen entgegenzuwirken bietet die Entwicklung von selbstheilenden Materialien. Durch reversible Vernetzungen können Mikro- und Makrorisse verschlossen und die Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen erheblich gesteigert werden. Eine mögliche reversible Vernetzung ist die Bildung ionischer Cluster. Die in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückten polyionischen Flüssigkeiten (PIF) bieten, aufgrund ihres hohen Anteils an ionischen Gruppen (meist in jeder Wiederholeinheit), eine gute Voraussetzung für eine ionische Modifizierung von Elastomeren. Ziel dieser Arbeit war es in kommerziell erhältlichem Brombutylkautschuk (BIIR) durch Modifizierung mit polyionischen Flüssigkeiten (PIF) selbstheilende Eigenschaften hervorzurufen. Dabei sollte die Reversibilität der ionischen Clusterbildung ausgenutzt werden. Aufgrund des zu erwartenden großen Einflusses der Beweglichkeit der ionischen Komponente wurden drei unterschiedliche Konzepte verfolgt, bei denen die Mobilität der PIF-Phase durch Reaktionen mit der BIIR-Matrix im unterschiedlichen Maße eingeschränkt wurde. Zum einen wurde der BIIR reaktiv mit PIF geblendet, sodass sowohl kovalente als auch nichtkovalente Vernetzungen erfolgten (Konzept 1). Nach diesem Konzept ist die Mobilität der ionischen Gruppen stark begrenzt. In einem weiteren Konzept erfolgte eine einseitige Pfropfung von PIF an den BIIR (Konzept 2). Dadurch wurde eine kovalente Vernetzung vermieden und die Beweglichkeit der PIF nur leicht eingeschränkt. Weiterhin erfolgte nach Konzept 3 ein nichtreaktives Blenden mit PIF, wodurch die freie Beweglichkeit der PIF-Phase gewährleistet war. Dafür war vorgesehen den BIIR zunächst mit niedermolekularen Alkylimidazolen ionisch zu modifiziert. Dadurch sollten alle reaktiven Stellen im BIIR blockiert und die Kompatibilität mit der PIF erhöht werden. Als Blendkomonenten wurden drei unterschiedliche PIF synthetisiert. Neue PIF (A Serie) konnten über polymeranaloge Umsetzungen von Poly(butadien-co-maleinsäureanhydrid) hergestellt werden. Hierzu wurden zunächst die Anhydridgruppen des Polymers mit 1,(3 Aminopropyl)imidazol und dann in einem zweiten Schritt mit Alkylbromid umgesetzt. In einer weiteren Serie (B-Serie) wurde Polyvinylimidazol mit Alkylbromid umgesetzt. Beide Synthesemethoden haben den Vorteil, dass durch variable Umsetzung mit verschiedenen Alkylbromiden bzw. durch Co-Umsetzung mit Alkylamiden (A-Serie) sowie durch Ionenaustausch das Eigenschaftsniveau in weitem Maße variiert und dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere konnten durch Teilumsetzung Proben erhalten werden, welche reaktive Gruppen besitzen, die für die kovalente Bindung mit BIIR geeignet waren. Bei einer weiteren Serie (C-Serie) erfolgte die Synthese über eine Stufenwachstumsreaktion eines AB Monomers. Hierbei stand im Mittelpunkt inwieweit ein gerichteter Kettenaufbau erfolgt. Das war insofern wichtig, da diese Monomere für die einseitige Pfropfung mit BIIR vorgesehen waren, bei der eine kovalente Vernetzung vermieden wird. Durch MALDI-TOF-Untersuchungen konnte dieser gerichtete Kettenaufbau nachgewiesen werden. Die mechanischen Eigenschaften der nach den drei Konzepten hergestellten Blends wurden mit DMA-Untersuchungen und Zug-Dehnungsexperimenten ermittelt. Vergleichend wurde ein konventionell mit Schwefel vernetzter BIIR herangezogen. Besonders gute mechanische Eigenschaften wurden mit den Blends nach Konzept 2 und 3 erreicht, welche vergleichbar und teils deutlich besser waren als der schwefelvernetzte BIIR. Nach diesen beiden Konzepten erfolgte die Vernetzung ausschließlich über die Bildung ionischer Cluster. Diese reversiblen Bindungen sorgen für eine starke Vernetzung des BIIR die vergleichbar bzw. stärker ist als die kovalenten Bindungen mit Schwefel. Eher schlechte mechanische Eigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 1 beobachtet werden. Die kovalenten Verknüpfungen über die PIF sorgen für eine relativ lose und weitmaschige Vernetzung des BIIR. Die ermittelten Vernetzungsdichten sind deutlich niedriger im Vergleich zum schwefelvernetzten BIIR. Die zusätzlichen reversiblen Vernetzungspunkte durch die ionische Clusterbildung wirken sich aufgrund der eingeschränkten Mobilität schwächer aus als in den anderen Konzepten. Neben den hergestellten Blends wurden auch die ionisch modifizierten BIIR-Proben separat untersucht. Diese zeigten besonders bei der Verwendung von kurzkettigen Alkylimidazolen herausragende mechanische Eigenschaften. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Bildung von stärkeren und kompakteren ionischen Clustern. Für die Testung der Selbstheilungseigenschaften wurden an zerschnittenen und geheilten Probekörper Zugversuche durchgeführt und mit den Werten der unbehandelten Probekörper verglichen. Um eine reproduzierbare Probenvorbereitung zu gewährleisten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Schneidevorrichtung entwickelt, in der die Heilungsversuche unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Gute Selbstheilungseigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 3 beobachtet werden. Die vorherige Modifizierung des BIIR mit längeren Alkylimidazolen wirkte sich dabei besonders vorteilhaft auf die Heilung der Proben aus. Ebenfalls sehr gute Heilungsraten konnten für die Blends nach Konzept 1 ermittelt werden. Jedoch zeigt diese Art der Modifizierung aufgrund der geringen mechanischen Stabilität das geringste Potential für mögliche industrielle Anwendungen. Für die Blends nach Konzept 2 wurden eher schlechte Heilungsraten ermittelt. Die ausschließlich ionisch modifizierten Proben zeigten die mit Abstand beste Selbstheilung, wobei die Verwendung von langkettigen Alkylimidazolen für die Heilung vorteilhaft ist. Im Vergleich mit aus der Literatur bekannten elastomeren Materialien konnten deutlich bessere Bruchspannungen für geheilte und unbehandelte Probekörper erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über die ionische Modifizierung von BIIR nach den drei vorgestellten Konzepten Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und herausragender Selbstheilung hergestellt werden konnten. Es zeigte sich, dass diese Eigenschaften eng mit der Mobilität der für die reversible Vernetzung verantwortlichen ionischen Gruppen verknüpft sind. Der Vergleich mit einem konventionell schwefelvernetzten BIIR zeigte, dass die physikalische Vernetzung über die Bildung von ionischen Clustern (Konzept 2 und 3) vergleichbar bzw. stärker ist. Weiterhin sind diese Materialien rezyklierbar, da bei höheren Temperaturen ein Schmelzen durch Auflösen der ionischen Cluster zu erwarten ist. Diese Verbesserungen gegenüber dem schwefelvernetzten BIIR zeigen deutlich das Potential dieser Materialen für mögliche Anwendungen in der Industrie.

The present work provides an insight in the development of silica films prepared by water-based sol-gel process. The weaknesses of the coating technology are identified, also solutions are discussed. The silica film is applied on aluminium alloy 6082-T6 and magnesium alloy AZ31. The development of the coating properties such as cost-efficiency, crack-free, self-healing and long-term corrosion protection is the main topic of this work. Cracking is the major drawback of silica films; the cracks are generated due to shrinkage of the film during the heat treatment, nanoparticles-doped silica film is successfully reduced the shrinkage which leads to crack-free silica films. The self-healing of the coated aluminium and magnesium samples is generated by corrosion inhibitors-doped silica film. When a defect appears in the film, the corrosion inhibitors leach out of the silica film to the defect area to heal the corroded surface. The long-term corrosion protection is realized by means of a mixture of corrosion inhibitors-doped silica film. / Die vorliegende Arbeit liefert einen Einblick in die Entwicklung von Silikafilmen, die mittels Sol-Gel-Prozess auf Wasserbasis hergestellt wurden. Die Schwächen der Beschichtungstechnologie werden dargestellt und Lösungen diskutiert. Der Silikafilm wird auf Aluminiumlegierung 6082-T6 und Magnesium-legierung AZ31 aufgebracht. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung der Schichteigenschaften, wie Kosteneffizienz, Rissfreiheit, Selbstheilung so wie langfristiger Korrosionsschutz. Rissbildung ist ein wesentlicher Nachteil von Silikafilmen; rissfreie Filme wurden mittels nanopartikeldotierter Silikafilme hergestellt. Die Selbstheilung von Aluminium-und Magnesiumsubstraten mit Silikafilm wird durch den Effekt der wasserlöslichen Korrosionsinhibitoren generiert. Die Experimente haben gezeigt, dass die Proben mit inhibitordotierter Beschichtung selbst gegen Korrosion geschützt sind. Ein langfristiger Korrosionsschutz wird durch eine Mischung aus Korrosionsinhibitor-dotierten Silika-Film realisiert.

Elastomere werden während ihrer Lebensdauer meist mechanisch und thermisch besonders stark beansprucht. Dadurch sind sie einem hohen Verschleiß und einer Abnutzung ausgesetzt, die zum Versagen des Materials führen. Dabei können schwerwiegende Folgen für Maschine und Mensch entstehen. Eine elegante Möglichkeit diesen Erscheinungen entgegenzuwirken bietet die Entwicklung von selbstheilenden Materialien. Durch reversible Vernetzungen können Mikro- und Makrorisse verschlossen und die Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen erheblich gesteigert werden. Eine mögliche reversible Vernetzung ist die Bildung ionischer Cluster. Die in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückten polyionischen Flüssigkeiten (PIF) bieten, aufgrund ihres hohen Anteils an ionischen Gruppen (meist in jeder Wiederholeinheit), eine gute Voraussetzung für eine ionische Modifizierung von Elastomeren. Ziel dieser Arbeit war es in kommerziell erhältlichem Brombutylkautschuk (BIIR) durch Modifizierung mit polyionischen Flüssigkeiten (PIF) selbstheilende Eigenschaften hervorzurufen. Dabei sollte die Reversibilität der ionischen Clusterbildung ausgenutzt werden. Aufgrund des zu erwartenden großen Einflusses der Beweglichkeit der ionischen Komponente wurden drei unterschiedliche Konzepte verfolgt, bei denen die Mobilität der PIF-Phase durch Reaktionen mit der BIIR-Matrix im unterschiedlichen Maße eingeschränkt wurde. Zum einen wurde der BIIR reaktiv mit PIF geblendet, sodass sowohl kovalente als auch nichtkovalente Vernetzungen erfolgten (Konzept 1). Nach diesem Konzept ist die Mobilität der ionischen Gruppen stark begrenzt. In einem weiteren Konzept erfolgte eine einseitige Pfropfung von PIF an den BIIR (Konzept 2). Dadurch wurde eine kovalente Vernetzung vermieden und die Beweglichkeit der PIF nur leicht eingeschränkt. Weiterhin erfolgte nach Konzept 3 ein nichtreaktives Blenden mit PIF, wodurch die freie Beweglichkeit der PIF-Phase gewährleistet war. Dafür war vorgesehen den BIIR zunächst mit niedermolekularen Alkylimidazolen ionisch zu modifiziert. Dadurch sollten alle reaktiven Stellen im BIIR blockiert und die Kompatibilität mit der PIF erhöht werden. Als Blendkomonenten wurden drei unterschiedliche PIF synthetisiert. Neue PIF (A Serie) konnten über polymeranaloge Umsetzungen von Poly(butadien-co-maleinsäureanhydrid) hergestellt werden. Hierzu wurden zunächst die Anhydridgruppen des Polymers mit 1,(3 Aminopropyl)imidazol und dann in einem zweiten Schritt mit Alkylbromid umgesetzt. In einer weiteren Serie (B-Serie) wurde Polyvinylimidazol mit Alkylbromid umgesetzt. Beide Synthesemethoden haben den Vorteil, dass durch variable Umsetzung mit verschiedenen Alkylbromiden bzw. durch Co-Umsetzung mit Alkylamiden (A-Serie) sowie durch Ionenaustausch das Eigenschaftsniveau in weitem Maße variiert und dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere konnten durch Teilumsetzung Proben erhalten werden, welche reaktive Gruppen besitzen, die für die kovalente Bindung mit BIIR geeignet waren. Bei einer weiteren Serie (C-Serie) erfolgte die Synthese über eine Stufenwachstumsreaktion eines AB Monomers. Hierbei stand im Mittelpunkt inwieweit ein gerichteter Kettenaufbau erfolgt. Das war insofern wichtig, da diese Monomere für die einseitige Pfropfung mit BIIR vorgesehen waren, bei der eine kovalente Vernetzung vermieden wird. Durch MALDI-TOF-Untersuchungen konnte dieser gerichtete Kettenaufbau nachgewiesen werden. Die mechanischen Eigenschaften der nach den drei Konzepten hergestellten Blends wurden mit DMA-Untersuchungen und Zug-Dehnungsexperimenten ermittelt. Vergleichend wurde ein konventionell mit Schwefel vernetzter BIIR herangezogen. Besonders gute mechanische Eigenschaften wurden mit den Blends nach Konzept 2 und 3 erreicht, welche vergleichbar und teils deutlich besser waren als der schwefelvernetzte BIIR. Nach diesen beiden Konzepten erfolgte die Vernetzung ausschließlich über die Bildung ionischer Cluster. Diese reversiblen Bindungen sorgen für eine starke Vernetzung des BIIR die vergleichbar bzw. stärker ist als die kovalenten Bindungen mit Schwefel. Eher schlechte mechanische Eigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 1 beobachtet werden. Die kovalenten Verknüpfungen über die PIF sorgen für eine relativ lose und weitmaschige Vernetzung des BIIR. Die ermittelten Vernetzungsdichten sind deutlich niedriger im Vergleich zum schwefelvernetzten BIIR. Die zusätzlichen reversiblen Vernetzungspunkte durch die ionische Clusterbildung wirken sich aufgrund der eingeschränkten Mobilität schwächer aus als in den anderen Konzepten. Neben den hergestellten Blends wurden auch die ionisch modifizierten BIIR-Proben separat untersucht. Diese zeigten besonders bei der Verwendung von kurzkettigen Alkylimidazolen herausragende mechanische Eigenschaften. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der Bildung von stärkeren und kompakteren ionischen Clustern. Für die Testung der Selbstheilungseigenschaften wurden an zerschnittenen und geheilten Probekörper Zugversuche durchgeführt und mit den Werten der unbehandelten Probekörper verglichen. Um eine reproduzierbare Probenvorbereitung zu gewährleisten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Schneidevorrichtung entwickelt, in der die Heilungsversuche unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Gute Selbstheilungseigenschaften konnten für die Blends nach Konzept 3 beobachtet werden. Die vorherige Modifizierung des BIIR mit längeren Alkylimidazolen wirkte sich dabei besonders vorteilhaft auf die Heilung der Proben aus. Ebenfalls sehr gute Heilungsraten konnten für die Blends nach Konzept 1 ermittelt werden. Jedoch zeigt diese Art der Modifizierung aufgrund der geringen mechanischen Stabilität das geringste Potential für mögliche industrielle Anwendungen. Für die Blends nach Konzept 2 wurden eher schlechte Heilungsraten ermittelt. Die ausschließlich ionisch modifizierten Proben zeigten die mit Abstand beste Selbstheilung, wobei die Verwendung von langkettigen Alkylimidazolen für die Heilung vorteilhaft ist. Im Vergleich mit aus der Literatur bekannten elastomeren Materialien konnten deutlich bessere Bruchspannungen für geheilte und unbehandelte Probekörper erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass über die ionische Modifizierung von BIIR nach den drei vorgestellten Konzepten Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und herausragender Selbstheilung hergestellt werden konnten. Es zeigte sich, dass diese Eigenschaften eng mit der Mobilität der für die reversible Vernetzung verantwortlichen ionischen Gruppen verknüpft sind. Der Vergleich mit einem konventionell schwefelvernetzten BIIR zeigte, dass die physikalische Vernetzung über die Bildung von ionischen Clustern (Konzept 2 und 3) vergleichbar bzw. stärker ist. Weiterhin sind diese Materialien rezyklierbar, da bei höheren Temperaturen ein Schmelzen durch Auflösen der ionischen Cluster zu erwarten ist. Diese Verbesserungen gegenüber dem schwefelvernetzten BIIR zeigen deutlich das Potential dieser Materialen für mögliche Anwendungen in der Industrie.