This thesis investigates the electrical and electrochemical properties and the long-term stability of anodes of the solid oxide fuel cell (SOFC). A model is suggested, which describes the impedance spectra of symmetrical anode cells. According to this, the series resistance in the spectra is caused by the resistance of the electrolyte (YSZ), ohmic parts of the anodes, which are described as porous electrodes, and by the partial contacting of the anodes. A major contribution to it is provided by the nickel matrix in the anodes. The high frequency relaxation in the spectra is assigned to the transfer reaction, the low frequency to a gas diffusion inhibition along the gas supply channels. The degradation of the symmetrical anode cells, which has been observed in long-term experiments, is ascribed to a degradation of the electrolyte material, of the transfer reaction, of the nickel matrix in the anodes and of the contact resistance between the anodes and the current collecting nickel grids. The degradation rate of the last two depends on the gas composition. A model for the observed behaviour in time is presented. / Diese Arbeit untersucht die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften und die Langzeitbeständigkeit der Anoden von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC). Ein Modell wird vorgestellt, mit dem die Impedanzspektren symmetrischer Anodenzellen beschrieben werden können. Demnach ist der Serienwiderstand in den Spektren verursacht durch den Widerstand des Elektrolyten (YSZ), ohmsche Anteile in den Anoden, die als poröse Elektroden beschrieben werden, und durch die partielle Kontaktierung der Anoden. Maßgebliche Beiträge liefert hier die Nickelmatrix in den Anoden. Die hochfrequente Relaxation in den Spektren wird der Durchtrittsreaktion, die niederfrequente einer Gasdiffusionshemmung entlang der Gasversorgungskanäle zugeordnet. Die in Langzeitversuchen beobachtete Degradation der symmetrischen Anondenzellen wird zurückgeführt auf eine Degradation des Elektrolytmaterials, der Durchtrittsreaktion, der Nickelmatrix in den Anoden und des Kontaktwiderstandes zwischen den Anoden und den stromabnehmenden Nickelnetzen. Die Degradation der beiden letzteren ist in ihrer Rate abhängig von der Gaszusammensetzung. Ein Modell für das beobachtete zeitliche Verhalten wird vorgestellt.

Existing neurocomputational and empirical data link deficient neuromodulation of the fronto-parietal and hippocampal-striatal circuitries with aging-related increase in processing noise and declines in various cognitive functions. Specifically, the theory of aging neuronal gain control postulates that aging-related suboptimal neuromodulation may attenuate neuronal gain control, which yields computational consequences on reducing the signal-to-noise-ratio of synaptic signal transmission and hampering information processing within and between cortical networks. Intervention methods such as cognitive training and non-invasive brain stimulation, e.g., transcranial direct current stimulation (tDCS), have been considered as means to buffer cognitive functions or delay cognitive decline in old age. However, to date the reported effect sizes of immediate training gains and maintenance effects of a variety of cognitive trainings are small to moderate at best; moreover, training-related transfer effects to non-trained but closely related (i.e., near-transfer) or other (i.e., far-transfer) cognitive functions are inconsistent or lacking. Similarly, although applying different tDCS protocols to reduce aging-related cognitive impairments by inducing temporary changes in cortical excitability seem somewhat promising, evidence of effects on short- and long-term plasticity is still equivocal. In this article, we will review and critically discuss existing findings of cognitive training- and stimulation-related behavioral and neural plasticity effects in the context of cognitive aging, focusing specifically on working memory and episodic memory functions, which are subserved by the fronto-parietal and hippocampal-striatal networks, respectively. Furthermore, in line with the theory of aging neuronal gain control we will highlight that developing age-specific brain stimulation protocols and the concurrent applications of tDCS during cognitive training may potentially facilitate short- and long-term cognitive and brain plasticity in old age.

The availability of several methods to unambiguously mark individual cells has strongly fostered the understanding of clonal developments in hematopoiesis and other stem cell driven regenerative tissues. While cellular barcoding is the method of choice for experimental studies, patients that underwent gene therapy carry a unique insertional mark within the transplanted cells originating from the integration of the retroviral vector. Close monitoring of such patients allows accessing their clonal dynamics, however, the early detection of events that predict monoclonal conversion and potentially the onset of leukemia are beneficial for treatment. We developed a simple mathematical model of a self-stabilizing hematopoietic stem cell population to generate a wide range of possible clonal developments, reproducing typical, experimentally and clinically observed scenarios. We use the resulting model scenarios to suggest and test a set of statistical measures that should allow for an interpretation and classification of relevant clonal dynamics. Apart from the assessment of several established diversity indices we suggest a measure that quantifies the extension to which the increase in the size of one clone is attributed to the total loss in the size of all other clones. By evaluating the change in relative clone sizes between consecutive measurements, the suggested measure, referred to as maximum relative clonal expansion (mRCE), proves to be highly sensitive in the detection of rapidly expanding cell clones prior to their dominant manifestation. This predictive potential places the mRCE as a suitable means for the early recognition of leukemogenesis especially in gene therapy patients that are closely monitored. Our model based approach illustrates how simulation studies can actively support the design and evaluation of preclinical strategies for the analysis and risk evaluation of clonal developments.

Existing neurocomputational and empirical data link deficient neuromodulation of the fronto-parietal and hippocampal-striatal circuitries with aging-related increase in processing noise and declines in various cognitive functions. Specifically, the theory of aging neuronal gain control postulates that aging-related suboptimal neuromodulation may attenuate neuronal gain control, which yields computational consequences on reducing the signal-to-noise-ratio of synaptic signal transmission and hampering information processing within and between cortical networks. Intervention methods such as cognitive training and non-invasive brain stimulation, e.g., transcranial direct current stimulation (tDCS), have been considered as means to buffer cognitive functions or delay cognitive decline in old age. However, to date the reported effect sizes of immediate training gains and maintenance effects of a variety of cognitive trainings are small to moderate at best; moreover, training-related transfer effects to non-trained but closely related (i.e., near-transfer) or other (i.e., far-transfer) cognitive functions are inconsistent or lacking. Similarly, although applying different tDCS protocols to reduce aging-related cognitive impairments by inducing temporary changes in cortical excitability seem somewhat promising, evidence of effects on short- and long-term plasticity is still equivocal. In this article, we will review and critically discuss existing findings of cognitive training- and stimulation-related behavioral and neural plasticity effects in the context of cognitive aging, focusing specifically on working memory and episodic memory functions, which are subserved by the fronto-parietal and hippocampal-striatal networks, respectively. Furthermore, in line with the theory of aging neuronal gain control we will highlight that developing age-specific brain stimulation protocols and the concurrent applications of tDCS during cognitive training may potentially facilitate short- and long-term cognitive and brain plasticity in old age.

Fragestellung der Arbeit: Aus der Literaturbetrachtung wird deutlich, dass unterschiedlichste Testverfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Laufschuhen eingesetzt. Bisher gibt es kein standardisiertes und allgemein anerkanntes mechanisches Testverfahren. Im Gegensatz zu biomechanischen Untersuchungen verwendet bei mechanischen Messungen nahezu jeder Autor ein anderes Prüfverfahren. Wichtige Entscheidungsprozesse, welche zur Entwicklung des jeweiligen Prüfverfahrens führen, werden gar nicht oder nur unzureichend erläutert. Daher ist es nicht möglich eine generelle Vorgehensweise zur Erstellung eines neuen Prüfverfahrens abzuleiten. Aus den diskutierten Studien kann man schlussfolgern, dass bisherige mechanische Testverfahren die biomechanischen Zusammenhänge nur ungenügend abbilden können. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein allgemeingültiges mechanisches Prüfverfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, die Materialeigenschaften eines Laufschuhs im Rückfußbereich zu untersuchen. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist es dabei, die mechanischen Eingabeparameter auf eine möglichst breite Basis von biomechanischen Messdaten aufzubauen. Dazu werden verschiedene biomechanische Messungen durchgeführt und mit den Ergebnissen früherer Studien verglichen. Durch diese Vorgehensweise soll dem Anspruch der Allgemeingültigkeit Rechnung getragen werden. Ein wesentliches Anliegen dieser Arbeit ist darüber hinaus die Dokumentation und Diskussion aller wichtigen Entscheidungsschritte, die zu diesem Prüfverfahren führen. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, werden folgende Fragestellungen beantwortet: F1 - Welche Stempelgeometrie muss für das zu entwickelnde Testverfahren verwendet werden um der anatomischen Belastungsfläche zu entsprechen? F2 - Wie muss der Stempel ausgerichtet werden um die Kraft in das Material einleiten zu können? F3 - Wie hoch sind die verwendeten Kräfte zur Belastung des Rückfußbereiches beim Laufen? F4 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine zuverlässige Bestimmung der mechanischen Laufschuheigenschaften? F5 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine Bestimmung funktionaler Laufschuheigenschaften?:1 Einführung - S.1 2 Forschungsstand - S.5 3 Fragestellung der Arbeit - S.86 4 Methodisches Verfahren - S.88 5 Erstellung des mechanischen Testverfahrens - S.96 6 Evaluierung des Testverfahrens - S.126 7 Anwendungsmöglichkeiten - S.172 8 Reflektion der Ergebnisse - S.178 9 Literatur - S.180 10 Anhang - S.191 Danksagung - S.196 Lebenslauf - S.198 Erklärung - S.200

Schraubenverbindungen sind eine technische Lösung um Stromschienen aus Aluminium mechanisch und elektrisch zu verbinden. Als stationäre Verbindungen sollen sie für eine Zeit von 30 Jahren und mehr den Betriebsstrom übertragen ohne dabei die genormten, zulässigen Grenztemperaturen zu überschreiten. Die Grundvoraussetzung für eine langzeitstabile, stromführende Verbindung ist ein geringer Anfangswert des Verbindungswiderstands nach der Montage. Dieser ist abhängig von der Kontaktkraft und kann für jede Kombination aus Fügeelementen, Werkstoffen und Topografie der Leiteroberflächen an der konstruierten Verbindung experimentell bestimmt werden. Allgemeingültige Modellrechnungen zum elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen waren bisher nicht möglich. In dieser Arbeit wurde durch numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen eine Korrelation zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen hergestellt. Es wurde die inhomogene mechanische Spannungsverteilung auf der Kontaktfläche zwischen den Stromschienen bestimmt und damit ein Modell zum Berechnen des elektrischen Kontakt- und Verbindungswiderstands mit der Berücksichtigung des tatsächlich stromdurchflossenen Leitermaterials aufgestellt. Der Verbindungswiderstand kann sich, abhängig von der Temperatur und Zeit, durch verschiedene Alterungsmechanismen erhöhen. Das Altern durch den Abbau der Kontaktkraft wurde an Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen aus verschiedenen Aluminiumwerkstoffen untersucht. Es wurde die Kontaktkraft und der Verbindungswiderstand über einen Zeitraum von bis zu vier Jahren bei Temperaturen zwischen (80 … 160) °C bestimmt. Diese Untersuchungen wurden für ein System mit und ein System ohne federnde Fügeelemente durchgeführt, sowie die Kontaktkraft für eine Betriebszeit von 30 Jahren berechnet. Im Vergleich mit der experimentell bestimmten Mindestkontaktkraft und dem Werkstoffverhalten wurde eine Prognose zur Langzeitstabilität der stromführenden Verbindungen für eine konstante Belastung im Betrieb gegeben. Weiterhin wurden mit dem zeit und temperaturabhängigen Verhalten der Aluminiumwerkstoffe zulässige Grenz-temperaturen ermittelt, bei denen keine Entfestigung während der Betriebszeit auftritt. Für Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen wird eine identische, dauerhaft zulässige Grenztemperatur von 115 °C in der Norm angegeben [N1]. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der metallischen Überzüge, sowie die Reaktivität mit der Umgebung sind aber sehr unterschiedlich. An stromführenden und stromlos im Wärmeschrank bei 115 °C und 140 °C gelagerten Verbindungen wurde der Verbindungs-widerstand bis zu einer Zeit nach t = 25.000 h bestimmt. Es wurde das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei beschichteten Stromschienen, sowie einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene aus Aluminium untersucht und bewertet. Abhängig vom Schichtaufbau des metallischen Überzugs mit verschiedenen Zwischenschichten und Schichtdicken wurde der Einfluss der Interdiffusion mit der Bildung intermetallischer Phasen (IMP) auf das Langzeitverhalten der Verbindungen untersucht.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / A bolted joint is one technical possibility for mechanically and electrically connecting two busbars made of aluminium. This stationary connection shall carry the operating current for more than 30 years without exceeding the permissible limiting temperature given by international standards. For long-term stable, current-carrying connections a good electrical contact behaviour with a low initial value of the joint resistance is required after bolting. The joint resistance depends on contact force and can be measured at the constructed electrical joint for each combination of joining elements, conductor materials and pretreatment of conductor surfaces. General calculations for the electrical contact behaviour of current-carrying joints with flat contact surfaces, such as bolted joints with busbars, were not possible until now. In this thesis numerical calculations and experimental investigations were used to establish the relationship between mechanical and electrical contact behaviour of a bolted joint with busbars. In the first step, the inhomogeneous distribution of the mechanical stress was calculated on the contact area between two busbars. In the second step, a calculation model for the joint resistance and the contact resistance was created and verified by experiments. The joint resistance can increase by different ageing mechanisms depending on operating temperature and time. Ageing by the reduction of contact force was investigated on bolted joints with uncoated busbars made of various aluminium alloys. In long-term tests, these joints were loaded with temperatures between 80 °C and 160 °C. The contact forces and joint resistances were determined for up to four years of operation. Bolted joints with spring elements and without spring elements were investigated. Based on the results of these long-term tests, the contact force was calculated for up to 30 years of operation and compared with the experimentally determined minimum contact force of the joint. Together with the temperature and time dependent behaviour of the conductor materials, the long-term stability of the joints was evaluated for the case of constant thermal load during operation. Furthermore, permissible limiting temperatures at which no softening occurs during operation could be determined for various aluminium alloys. An identical limiting temperature of 115 °C is permanently permitted for bolted joints with nickel-coated and silver-coated busbars [N1] but the mechanical and electrical properties of the materials for these metallic coatings are very different. The chemical reactivity of both coatings also differs according to the environment. In long-term tests at current-carrying joints and joints which were aged in ovens at temperatures of (115 and 140) °C, the joint resistances were determined up to an operating time of t = 25.000 hours. Bolted joints with two identical coated busbars and also bolted joints with one coated and one bare busbar made of aluminium were investigated and evaluated. The influence of metallic coatings with different intermediate layers and layer thicknesses on the contact and long-term behaviour of the joints were examined. Due to interdiffusion between different materials, intermetallic compounds (IMC) can be formed. The ageing of bolted joints with coated busbars caused by the formation of IMC with poor electrical and mechanical properties compared to pure metals was investigated.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

Bei der Zustandsbewertung von Kabeln steht derzeit das Mittelspannungsnetz im Fokus der Betrachtungen. Das Mittelspannungsnetz verbindet das Hochspannungsnetz mit dem Niederspannungsnetz und nimmt damit eine besondere Bedeutung ein. Störungen in diesem Netz wirken sich direkt als Versorgungsunterbrechung auf den Letztverbraucher aus. Rund 80 bis 85 % der Versorgungsunterbrechungen resultieren aus Problemen im Mittelspannungsnetz, sodass dortige Aktivitäten den größten Hebel bei der Steigerung der Versorgungsqualität entwickeln. Mittels Zustandsbewertung von Kabeln können verdeckte Fehler aufgedeckt oder deren Alterungszustand bestimmt werden. Nicht jeder diagnostizierte Fehler führt unmittelbar zum Ausfall. Er beschleunigt jedoch die Alterung, die letztendlich zum Ausfall führt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung von Fehlern in Mittelspannungskabelmuffen im Zusammenhang mit der Alterung, um die Restlebensdauer auszunutzen und dem Ausfall zuvorzukommen. / By evaluating the status of cables, hidden errors can be detected or their aging condition can be determined. Not every diagnosed fault leads directly to failure. However, it accelerates aging, which ultimately leads to failure. The work deals with the identification of faults in medium-voltage cable joints in connection with aging in order to exploit the remaining life and to prevent the failure.

In dieser Arbeit wurde die Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK in thermoplastischen Ti-CF/PEEK-Laminaten untersucht. Vergleichende Untersuchungen von mechanischen, chemischen, chemisch-physikalischen und physikalischen Oberflächenvorbehandlungen im Zugscherversuch haben gezeigt, dass sich durch die Vorbehandlung mit einem Nd:YAG-Laser ein stabiles und feuchtigkeitsbeständiges Grenzflächensystem erzeugen lässt. Ti-CF/PEEK-Laminate wurden bruchmechanisch im Mixed-Mode-Bending-Versuch sowohl bei reiner als auch bei überlagerter Mode I- und Mode II-Belastung geprüft. Die Versagensmechanismen wurden an den Bruchflächen der Mixed-Mode-Bending-Proben und an den Bruchflächen der Zugscherproben mittels mikroskopischer und spektroskopischer Methoden bestimmt. Verschiedene Analyseverfahren wurden eingesetzt, um Ti-3Al-2,5V-Oberflächen vor und nach der Laservorbehandlung, um laserbehandelte und wärmebehandelte Ti-3Al-2,5V-Oberflächen und um das Grenzflächensystem im Verbund zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK vor und nach Alterung in 80°C warmem Wasser zu analysieren. Dabei wurden sowohl die grenzflächennahen Phasen im Ti-3Al-2,5V als auch die grenzflächennahen Phasen im PEEK berücksichtigt. Die Untersuchgen zeigen, dass sich nicht alle eingesetzten Analyseverfahren zur Charakterisierung eignen und dass nicht jedes Analyseverfahren eindeutig interpretierbare Ergebnisse liefert. Die eingesetzten Analyseverfahren werden in dieser Arbeit miteinander verglichen und in Bezug zu ihrer Einsetzbarkeit und zu ihren Einsatzgrenzen bewertet. Titan-PEEK-Verbindungen zeigen je nach eingesetzter Vorbehandlungsmethode unterschiedliche Adhäsions-, Versagens- und Alterungsmechanismen. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Verbindung zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V zeigen, dass neben mechanischer Adhäsion auf Mikro- und Nanoebene weitere Adhäsionsmechanismen in Frage kommen. Die Aluminiumanreicherung an der Oberfläche und die erhöhte Reaktivität durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen können chemische Wechselwirkungen zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V begünstigen. Die Untersuchungen geben ebenfalls Hinweise darauf, dass die Verbundeigenschaften im Titan-PEEK-Verbund durch die Morphologie von PEEK beeinflusst wird. An der Titan-PEEK-Grenzfläche wurde Grenzflächenkristallisation nachgewiesen, von der bekannt ist, dass sie die Verbundeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen senkrecht zur Faserorientierung verbessern. Nicht nachgewiesen, aber durchaus möglich ist, dass sich mechanisch verklammertes PEEK in der porösen Oxidschicht aufgrund thermischer Eigenspannungen während der Abkühlung orientiert und die mechanischen Eigenschaften an der Grenzfläche in Analogie zu selbst verstärkten Polymeren verbessert. Dieser Ansatz kann eine Erklärung dafür sein, warum im MMB-Versuch nicht nur hohe kritische Energiefreisetzungsraten bei reiner Mode II-Belastung, sondern vor allem auch bei reiner Mode I-Belastung beobachtet wird. Die auf PEEK basierenden Mechanismen sind materialspezifisch und nicht auf chemisch aushärtbare Klebstoffe anwendbar. Der Einfluss der Größenordnung von Oberflächenstrukturen auf die Langzeit- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, der bereits aus der Literatur bekannt ist, wird in dieser Arbeit bestätigt. Mit mikrostrukturierten Oberflächen, die mittels Sandstrahlen erzeugt werden, lassen sich im Gegensatz zu nanostrukturierten Oberflächen, die mittels Laserbehandlung erzeugt werden, keine langzeit- und feuchtigkeitsbeständige Verbindungen zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V erzeugen. In Titan-PEEK-Verbindungen ist nicht nur die Haftung zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V entscheidend, sondern auch die Stabilität der Phasen im Grenzflächensystem, wie am Beispiel der Verbindung zwischen anodisiertem Ti-3Al-2,5V und PEEK gezeigt wird. Geringe Verbundfestigkeiten können somit als Folge thermischer Alterung während der Verbundherstellung verursacht werden, bei der die Oxidschicht durch Sauerstoffdiffusion geschädigt wird. Thermische Eigenspannungen, die sowohl zur Rissbildung im Oxid als auch im martensitischen Bereich führen, und ungenügende Verbundqualität, die beispielsweise durch eingeschlossene Luft bei großflächigen Klebungen entsteht, begünstigen die Alterung in hydrothermischer Umgebung. Zum Verständnis von Adhäsions- und Alterungsmechanismen an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK trägt nicht nur das Eigenschaftsbild der Metall-, Oxid- und Polymerphasen im Grenzflächensystem bei, sondern auch Änderungen in den einzelnen grenzflächennahen Phasen während Oberflächenvorbehandlung und der Konsolidierung. Bei der Verwendung von thermoplastischen Klebstoffen sind im Gegensatz zu Reaktionsklebstoffen besonders die vergleichsweise hohen Konsolidierungstemperaturen, die Kristallisationskinetik und die Schmelzviskosität zu berücksichtigen. So sollte bereits bei der Oberflächenvorbehandlung die Bildung thermisch unstabiler Oberflächenphasen vermieden werden, da diese während der Herstellung thermisch geschädigt werden können. Der Verbindungsprozess erfordert besonders bei großen Klebeflächen Maßnahmen, um das Phänomen der «eingeschlossenen Luft» zu vermeiden, da sich schlecht infiltrierte Bereiche negativ auf die Alterungsbeständigkeit auswirken. Bei porösen Oberflächenstrukturen auf Nanoskala ist ebenso eine Abstimmung zwischen Porengröße und Schmelzviskosität des Thermoplasten erforderlich, um ausreichende Infiltration des Thermoplasten an porösen Oberflächenstrukturen zu gewährleisten. Die grenzflächennahen Phasen von PEEK wurden erstmals an der Ti-3Al-2,5V-Oberfläche nachgewiesen. Die Einflussfaktoren und die Eigenschaften der grenzflächennahen Phasen von PEEK sind bereits aus Untersuchungen von CF/PEEK-Verbunden bekannt. Die Ergebnisse zeigen großes Potential der Übertragbarkeit auf die Titan-PEEK-Grenzfläche. So kann beispielsweise die PEEK-Morphologie durch gezielte Temperaturführung beim Kleben beeinflusst werden. Die Mechanismen an der Grenzfläche und die daraus resultierenden Verbundeigenschaften, die sich an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK ergeben, zeigen großes Potential. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit zur Herstellung von Ti-PEEK-Grenzflächen mit hoher Verbundfestigkeit und Alterungsbeständigkeit zeigen ebenfalls großes Potential der Übertragbarkeit auf andere Metall-Thermoplast-Verbindungen. / The interface between titanium Ti-3Al-2,5V and Polyetheretherketone (PEEK) in Ti-CF/PEEK laminates are investigated. Comparative investigations of mechanical, chemical, chemo-physical and physical surface pre-treatments evidenced that surface pre-treatment by a pulsed Nd:YAG laser (physical pre-treatment) offers both good adhesion and superior moisture resistance of the titanium-PEEK interface. The titanium-PEEK interface modified by laser pre-treatment is characterized mechanically and analytical in detail. This investigation takes into account all process steps (surface pre-treatment, bonding, and ageing) as well as all the phases and interfaces in the titanium-PEEK system (i.e. titanium, oxide, and also PEEK). The delamination behavior is investigated mechanically with the mixed mode bending experiment (MMB). The MMB loading was represented by a superposition of simple mode I and mode II loadings. Based on MMB fracture surface analysis, a failure and damaging mechanism could be assumed. The analytical methods used in this investigation are a cryo-fracture, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), secondary electron microscopy (SEM, EDX, transmission electron microscopy (TEM), analytical TEM (EDX, EFTEM, EELS), adsorption/desorption experiments (Krypton-BET), Laser scanning microscopy (LSM), contact angle measurements, and Raman microscopy. The adhesion and degradation mechanism observed at the titanium-PEEK interface strongly depends on the applied surface pre-treatment. The interface properties between pretreated Ti-3Al-2.5V and PEEK show an influence of the morphology of PEEK. For the first time, interfacial crystallization of PEEK at the Ti-3Al-2.5V surface was confirmed by experimental results. Interfacial crystallization is known for its strengthening effect perpendicular to C-fibers within CF/PEEK laminates and implies a strong interaction between PEEK and the oxide layer on the Ti-3Al-2.5V joining partner. Moreover, the investigations of the interface between laser treated Ti-3Al-2.5V and PEEK indicate that adhesion is not only due to mechanical interlocking on micro- and nano-scale. Chemical interactions between the polymer and the joining surface seem be promoted byan increased surface reactivity due to the high surface area structures on micro- and nano-scale. In addition, an aluminum-enrichment was detected with TEM at the treated surface that may play a role in the bonding. During the cooling phase of the consolidation of the thermoplastic, thermal stress arise at the interface due to suppressed expansion and contraction of the individual components. It can be assumed that PEEK, which is interlocked within the oxide pores, reduces the stress by relaxation processes. Relaxation induced re-orientation of the molecule structure is able strengthen the interface as it is known from self-reinforced polymers. This assumption could explain the interface behavior characterized by mode I and mode II loadings. High energy release rates observed at mode I loadings could be traced back to the re-orientated molecule structure which is equal to the direction of mode I loading. This mechanism is material specific and can be applied only to cure-free thermoplastics. The long-term durability is enhanced significantly when of surface structures on nano-scale are formed by the pretreatment. This result is in good agreement with the literature. However, during the bonding process not only on the formation of adhesion between PEEK and Ti-3Al-2.5V is important but also the stability of the interfacial phases within the Ti-PEEK interfacial system as shown on the interface properties between anodized Ti-3Al-2.5V. Anodized oxide phases, for example, which degrade during the bonding by oxidation diffusion, were found to result in low interfacial strength and low long-term durability. Aging in hydro-thermal environment are enhanced by further factors. Residual stress which arises during the bonding process leads to cracks within the oxide and within martensitic region. Entrapped air which especially develop when large areas are bonded enhance water diffusion along the interface and hydrothermal aging. A basic understanding of the titanium-PEEK system requires that all phases and interfaces in the titanium-PEEK system as well as all process steps are taken into account. Although the polymer will be neglected in most cases this investigation reveals that even the polymer morphology significantly influences the interface properties.

Bei der Zustandsbewertung von Kabeln steht derzeit das Mittelspannungsnetz im Fokus der Betrachtungen. Das Mittelspannungsnetz verbindet das Hochspannungsnetz mit dem Niederspannungsnetz und nimmt damit eine besondere Bedeutung ein. Störungen in diesem Netz wirken sich direkt als Versorgungsunterbrechung auf den Letztverbraucher aus. Rund 80 bis 85 % der Versorgungsunterbrechungen resultieren aus Problemen im Mittelspannungsnetz, sodass dortige Aktivitäten den größten Hebel bei der Steigerung der Versorgungsqualität entwickeln. Mittels Zustandsbewertung von Kabeln können verdeckte Fehler aufgedeckt oder deren Alterungszustand bestimmt werden. Nicht jeder diagnostizierte Fehler führt unmittelbar zum Ausfall. Er beschleunigt jedoch die Alterung, die letztendlich zum Ausfall führt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung von Fehlern in Mittelspannungskabelmuffen im Zusammenhang mit der Alterung, um die Restlebensdauer auszunutzen und dem Ausfall zuvorzukommen. / By evaluating the status of cables, hidden errors can be detected or their aging condition can be determined. Not every diagnosed fault leads directly to failure. However, it accelerates aging, which ultimately leads to failure. The work deals with the identification of faults in medium-voltage cable joints in connection with aging in order to exploit the remaining life and to prevent the failure.

Lattice Monte Carlo methods are used to investigate far from and out-of-equilibrium systems, including surface growth, spin systems and solid mixtures. Applications range from the determination of universal growth or aging behaviors to palpable systems, where coarsening of nanocomposites or self-organization of functional nanostructures are of interest. Such studies require observations of large systems over long times scales, to allow structures to grow over orders of magnitude, which necessitates massively parallel simulations. This work addresses the problem of parallel processing introducing correlations in Monte Carlo updates and proposes a virtually correlation-free domain decomposition scheme to solve it. The effect of correlations on scaling and dynamical properties of surface growth systems and related lattice gases is investigated further by comparing results obtained by correlation-free and intrinsically correlated but highly efficient simulations using a stochastic cellular automaton (SCA). Efficient massively parallel implementations on graphics processing units (GPUs) were developed, which enable large-scale simulations leading to unprecedented precision in the final results. The primary subject of study is the Kardar–Parisi–Zhang (KPZ) surface growth in (2 + 1) dimensions, which is simulated using a dimer lattice gas and the restricted solid-on-solid model (RSOS) model. Using extensive simulations, conjectures regard- ing growth, autocorrelation and autoresponse properties are tested and new precise numerical predictions for several universal parameters are made.:1. Introduction 1.1. Motivations and Goals 1.2. Overview 2. Methods and Models 2.1. Estimation of Scaling Exponents and Error Margins 2.2. From Continuum- to Atomistic Models 2.3. Models for Phase Ordering and Nanostructure Evolution 2.3.1. The Kinetic Metropolis Lattice Monte-Carlo Method 2.3.2. The Potts Model 2.4. The Kardar–Parisi–Zhang and Edwards–Wilkinson Universality Classes 2.4.0.1. Physical Aging 2.4.1. The Octahedron Model 2.4.2. The Restricted Solid on Solid Model 3. Parallel Implementation: Towards Large-Scale Simulations 3.1. Parallel Architectures and Programming Models 3.1.1. CPU 3.1.2. GPU 3.1.3. Heterogeneous Parallelism and MPI 3.1.4. Bit-Coding of Lattice Sites 3.2. Domain Decomposition for Stochastic Lattice Models 3.2.1. DD for Asynchronous Updates 3.2.1.1. Dead border (DB) 3.2.1.2. Double tiling (DT) 3.2.1.3. DT DD with random origin (DTr) 3.2.1.4. Implementation 3.2.2. Second DD Layer on GPUs 3.2.2.1. Single-Hit DT 3.2.2.2. Single-Hit dead border (DB) 3.2.2.3. DD Parameters for the Octahedron Model 3.2.3. Performance 3.3. Lattice Level DD: Stochastic Cellular Automaton 3.3.1. Local Approach for the Octahedron Model 3.3.2. Non-Local Approach for the Octahedron Model 3.3.2.1. Bit-Vectorized GPU Implementation 3.3.3. Performance of SCA Implementations 3.4. The Multi-Surface Coding Approach 3.4.0.1. Vectorization 3.4.0.2. Scalar Updates 3.4.0.3. Domain Decomposition 3.4.1. Implementation: SkyMC 3.4.1.1. 2d Restricted Solid on Solid Model 3.4.1.2. 2d and 3d Potts Model 3.4.1.3. Sequential CPU Reference 3.4.2. SkyMC Benchmarks 3.5. Measurements 3.5.0.1. Measurement Intervals 3.5.0.2. Measuring using Heterogeneous Resources 4. Monte-Carlo Investigation of the Kardar–Parisi–Zhang Universality Class 4.1. Evolution of Surface Roughness 4.1.1. Comparison of Parallel Implementations of the Octahedron Model 4.1.1.1. The Growth Regime 4.1.1.2. Distribution of Interface Heights in the Growth Regime 4.1.1.3. KPZ Ansatz for the Growth Regime 4.1.1.4. The Steady State 4.1.2. Investigations using RSOS 4.1.2.1. The Growth Regime 4.1.2.2. The Steady State 4.1.2.3. Consistency of Fine-Size Scaling with Respect to DD 4.1.3. Results for Growth Phase and Steady State 4.2. Autocorrelation Functions 4.2.1. Comparison of DD Methods for RS Dynamics 4.2.1.1. Device-Layer DD 4.2.1.2. Block-Layer DD 4.2.2. Autocorrelation Properties under RS Dynamics 4.2.3. Autocorrelation Properties under SCA Dynamics 4.2.3.1. Autocorrelation of Heights 4.2.3.2. Autocorrelation of Slopes 4.2.4. Autocorrelation in the SCA Steady State 4.2.5. Autocorrelation in the EW Case under SCA 4.2.5.1. Autocorrelation of Heights 4.2.5.2. Autocorrelations of Slopes 4.3. Autoresponse Functions 4.3.1. Autoresponse Properties 4.3.1.1. Autoresponse of Heights 4.3.1.2. Autoresponse of Slopes 4.3.1.3. Self-Averaging 4.4. Summary 5. Further Topics 5.1. Investigations of the Potts Model 5.1.1. Testing Results from the Parallel Implementations 5.1.2. Domain Growth in Disordered Potts Models 5.2. Local Scale Invariance in KPZ Surface Growth 6. Conclusions and Outlook Acknowledgements A. Coding Details A.1. Bit-Coding A.2. Packing and Unpacking Signed Integers A.3. Random Number Generation / Gitter-Monte-Carlo-Methoden werden zur Untersuchung von Systemen wie Oberflächenwachstum, Spinsystemen oder gemischten Feststoffen verwendet, welche fern eines Gleichgewichtes bleiben oder zu einem streben. Die Anwendungen reichen von der Bestimmung universellen Wachstums- und Alterungsverhaltens hin zu konkreten Systemen, in denen die Reifung von Nanokompositmaterialien oder die Selbstorganisation von funktionalen Nanostrukturen von Interesse sind. In solchen Studien müssen große Systemen über lange Zeiträume betrachtet werden, um Strukturwachstum über mehrere Größenordnungen zu erlauben. Dies erfordert massivparallele Simulationen. Diese Arbeit adressiert das Problem, dass parallele Verarbeitung Korrelationen in Monte-Carlo-Updates verursachen und entwickelt eine praktisch korrelationsfreie Domänenzerlegungsmethode, um es zu lösen. Der Einfluss von Korrelationen auf Skalierungs- und dynamische Eigenschaften von Oberflächenwachtums- sowie verwandten Gittergassystemen wird weitergehend durch den Vergleich von Ergebnissen aus korrelationsfreien und intrinsisch korrelierten Simulationen mit einem stochastischen zellulären Automaten untersucht. Effiziente massiv parallele Implementationen auf Grafikkarten wurden entwickelt, welche großskalige Simulationen und damit präzedenzlos genaue Ergebnisse ermöglichen. Das primäre Studienobjekt ist das (2 + 1)-dimensionale Kardar–Parisi–Zhang- Oberflächenwachstum, welches durch ein Dimer-Gittergas und das Kim-Kosterlitz-Modell simuliert wird. Durch massive Simulationen werden Thesen über Wachstums-, Autokorrelations- und Antworteigenschaften getestet und neue, präzise numerische Vorhersagen zu einigen universellen Parametern getroffen.:1. Introduction 1.1. Motivations and Goals 1.2. Overview 2. Methods and Models 2.1. Estimation of Scaling Exponents and Error Margins 2.2. From Continuum- to Atomistic Models 2.3. Models for Phase Ordering and Nanostructure Evolution 2.3.1. The Kinetic Metropolis Lattice Monte-Carlo Method 2.3.2. The Potts Model 2.4. The Kardar–Parisi–Zhang and Edwards–Wilkinson Universality Classes 2.4.0.1. Physical Aging 2.4.1. The Octahedron Model 2.4.2. The Restricted Solid on Solid Model 3. Parallel Implementation: Towards Large-Scale Simulations 3.1. Parallel Architectures and Programming Models 3.1.1. CPU 3.1.2. GPU 3.1.3. Heterogeneous Parallelism and MPI 3.1.4. Bit-Coding of Lattice Sites 3.2. Domain Decomposition for Stochastic Lattice Models 3.2.1. DD for Asynchronous Updates 3.2.1.1. Dead border (DB) 3.2.1.2. Double tiling (DT) 3.2.1.3. DT DD with random origin (DTr) 3.2.1.4. Implementation 3.2.2. Second DD Layer on GPUs 3.2.2.1. Single-Hit DT 3.2.2.2. Single-Hit dead border (DB) 3.2.2.3. DD Parameters for the Octahedron Model 3.2.3. Performance 3.3. Lattice Level DD: Stochastic Cellular Automaton 3.3.1. Local Approach for the Octahedron Model 3.3.2. Non-Local Approach for the Octahedron Model 3.3.2.1. Bit-Vectorized GPU Implementation 3.3.3. Performance of SCA Implementations 3.4. The Multi-Surface Coding Approach 3.4.0.1. Vectorization 3.4.0.2. Scalar Updates 3.4.0.3. Domain Decomposition 3.4.1. Implementation: SkyMC 3.4.1.1. 2d Restricted Solid on Solid Model 3.4.1.2. 2d and 3d Potts Model 3.4.1.3. Sequential CPU Reference 3.4.2. SkyMC Benchmarks 3.5. Measurements 3.5.0.1. Measurement Intervals 3.5.0.2. Measuring using Heterogeneous Resources 4. Monte-Carlo Investigation of the Kardar–Parisi–Zhang Universality Class 4.1. Evolution of Surface Roughness 4.1.1. Comparison of Parallel Implementations of the Octahedron Model 4.1.1.1. The Growth Regime 4.1.1.2. Distribution of Interface Heights in the Growth Regime 4.1.1.3. KPZ Ansatz for the Growth Regime 4.1.1.4. The Steady State 4.1.2. Investigations using RSOS 4.1.2.1. The Growth Regime 4.1.2.2. The Steady State 4.1.2.3. Consistency of Fine-Size Scaling with Respect to DD 4.1.3. Results for Growth Phase and Steady State 4.2. Autocorrelation Functions 4.2.1. Comparison of DD Methods for RS Dynamics 4.2.1.1. Device-Layer DD 4.2.1.2. Block-Layer DD 4.2.2. Autocorrelation Properties under RS Dynamics 4.2.3. Autocorrelation Properties under SCA Dynamics 4.2.3.1. Autocorrelation of Heights 4.2.3.2. Autocorrelation of Slopes 4.2.4. Autocorrelation in the SCA Steady State 4.2.5. Autocorrelation in the EW Case under SCA 4.2.5.1. Autocorrelation of Heights 4.2.5.2. Autocorrelations of Slopes 4.3. Autoresponse Functions 4.3.1. Autoresponse Properties 4.3.1.1. Autoresponse of Heights 4.3.1.2. Autoresponse of Slopes 4.3.1.3. Self-Averaging 4.4. Summary 5. Further Topics 5.1. Investigations of the Potts Model 5.1.1. Testing Results from the Parallel Implementations 5.1.2. Domain Growth in Disordered Potts Models 5.2. Local Scale Invariance in KPZ Surface Growth 6. Conclusions and Outlook Acknowledgements A. Coding Details A.1. Bit-Coding A.2. Packing and Unpacking Signed Integers A.3. Random Number Generation