Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2007 / Text dt.

Das Hauptproblem des künstlichen Gelenkersatzes stellt die aseptische Prothesenlockerung dar. Hierbei handelt es sich um ein multifaktoriell bedingtes Geschehen, das auf ein gestörtes Zusammenspiel von biologischen und mechanischen Faktoren zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf modifizierte, bioaktivierte Knochenzemente bezüglich ihrer Verbundfestigkeit mit Edelstahl und ihrer Hydrolysestabilität untersucht. Ein gemeinsamer Bestandteil aller fünf Modifikationen stellt Hydroxyethylmethacrylat-Phosphat dar. Die Verbundfestigkeit der Zemente wurde anhand unterschiedlicher Anwendungs- bzw Metallvorbehandlungsvoraussetzungen im axialen Zugtest vor und nach künstlicher Alterung ermittelt. Unabhängig von der Vorbehandlung bzw. Anwendungsmodifikation zeigte der ausschließlich mit HEMA-P modifizierte Zement und der Referenzzement annähernd gleiche Zugfestigkeitswerte während die Zementmodifikation mit HEMA-P und zusätzlich Natriumcarbonat und Calciumchlorid deutlich niedrigere Zugfestigkeiten erreichte. Diese Modifikation konnte zudem, bis auf die Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und silanisiertem Monomer, dem künstlichen Alterungsprozess nicht standhalten, was die Hydrolysestabilität dieser Modifikation in Frage stellt. Die höchsten Zugfestigkeitswerte nach dem Alterungsprozess konnten, unabhängig von der Zementmodifikation, bei der Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und einem mit Silanhaftvermittler angereicherten Monomer festgestellt werden. Die Zemente wurden auf ihre Druckfestigkeit und im vereinfachten dynamischen Hüftprüfstandversuch im flüssigen Milieu getestet. Die Tatsache, dass sich bei allen Zementmodifikationen relativ wenig Spalten am Zement-Metall-Interface nachweisen ließen, spricht für eine gesteigerte Hydrolysebeständigkeit unter dynamischer Belastung. Die ermittelten Druckfestigkeiten liegen im Bereich von 83,85 MPa für PM 10, 89,66 MPa für PM 11 und 82 MPa für SPM 10 was den Anforderungen an Knochenzemente gerecht wird. Diese sollten gemäß ISO 5833 eine Druckfestigkeit von über 70 MPa aufweisen. Um eine detaillierte Aussage über die mechanischen Eigenschaften dieser Zementmodifikationen treffen zu können bedarf es weiterer Materialprüfungen / The main problem in artificial joint replacement is the aseptic prosthesis loosening. The causes are multifactorially conditioned since both biological and mechanical factors are playing a major role. To generate bioactive PMMA surfaces directly at the site of implantation an amphiphilic molecule phosphorylated 2‐hydroxyethylmethacrylate (HEMA‐P) had already been added to commercial bone cements.One bone cement modification had also been enriched with calcium and carbonate salts. The first part of this study was to compare two modified bio‐activated bone cements concerning their tensile strength and their hydrolytic stability to standard commercial bone cement. The Bone Cements were tested regarding different usage and pre‐treatment of the metal used before and after 15 days of storage at 70 degrees Celsius in PBS. Only the bone cement modified with HEMA‐P reached about the same results as the common bone cement. Whereas the modification with additional calcium and carbonate salts showed not only a significantly lower tensile strength but also hydrolytic instability compared to the common bone cement. The best results after the artificial aging process could be proven after silicate coating of the metal and the enrichment of the monomer with a silane coupling agent. The second part of the study was designed to proof that modified bone cements meet the common ISO standards regarding their compressive and fatigue strengths and their hydrolytic stability. All the modified samples met the common ISO standard figures for compressive strength of more than 70 MPa. Furthermore the fact that all modifications have shown little signs of fatigue and minor cracks at the cement‐metal interface in testing indicates the conclusion that the hydrolytic stability is given. However, to describe the entire range of mechanical characteristics, more experiments would have to be carried out.

Zugl.: Magdeburg, University, Diss., 2008.

In dieser Arbeit wurden das feldaktivierte Sinterverhalten sowie das geschwindigkeitsabhängige Druckfestigkeitsverhalten von WC-Co-Hartstoffen mit variierenden Bindergehalten untersucht. Dazu wurde eine Herstellungsroute für kornwachstumshemmerfreie near-nanokristalline WC-Co-Hartstoffe mit der Field Assisted Sintering Technique (FAST) entwickelt und genutzt, um Materialien mit Co-Gehalten von 2 bis 12 Ma.-% zu erzeugen. Gezielte Werkstoffzustände und Probengeometrien sind durch Anpassung des Sinterprozesses herstellbar. Ausgewählte WC-Co-Materialien mit Co-Anteilen von 6 bis 12 Ma.-% wurden unter Einfluss von Beanspruchungsgeschwindigkeit, Spannungszustand und Beanspruchungshäufigkeit hinsichtlich der Druckfestigkeit und des Versagensverhaltens charakterisiert.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung von Sintertemperaturen für Brennstoffaschen vorgestellt und verglichen, mit dem Ziel die Agglomerationsneigung von Aschen zu charakterisieren. Es wurden Untersuchungen an drei ausgewählten Kohleaschen unter inerten, oxidierenden und reduzierenden Bedingungen durchgeführt. Die Methoden Erhitzungsmikroskopie (ASV), Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-RDA), Thermogravimetrische Differenz-kalorimetrie (TG-DSC), Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen (GGW), Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Untersuchung der Schereigenschaften (SV) und die Bestimmung der Kaltdruckfestigkeit (KDF) wurden angewendet. Die Kombination der Untersuchungen ließ eine umfangreiche analytische Charakterisierung der Sintervorgänge zu. Unter der Berücksichtigung einer guten Vergleichbarkeit hinsichtlich der ermittelten Sintertemperaturen, stellt die EIS eine Alternative zur etablierten aber zeitaufwändigen Bestimmung der KDF dar. In Abhängigkeit von der Aschezusammensetzung, der Korngröße und der Gasatmosphäre, ist bereits ab einer Temperatur von 650 °C eine Agglomeration von Aschepartikeln möglich.

In dieser Arbeit wurden das feldaktivierte Sinterverhalten sowie das geschwindigkeitsabhängige Druckfestigkeitsverhalten von WC-Co-Hartstoffen mit variierenden Bindergehalten untersucht. Dazu wurde eine Herstellungsroute für kornwachstumshemmerfreie near-nanokristalline WC-Co-Hartstoffe mit der Field Assisted Sintering Technique (FAST) entwickelt und genutzt, um Materialien mit Co-Gehalten von 2 bis 12 Ma.-% zu erzeugen. Gezielte Werkstoffzustände und Probengeometrien sind durch Anpassung des Sinterprozesses herstellbar. Ausgewählte WC-Co-Materialien mit Co-Anteilen von 6 bis 12 Ma.-% wurden unter Einfluss von Beanspruchungsgeschwindigkeit, Spannungszustand und Beanspruchungshäufigkeit hinsichtlich der Druckfestigkeit und des Versagensverhaltens charakterisiert.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung von Sintertemperaturen für Brennstoffaschen vorgestellt und verglichen, mit dem Ziel die Agglomerationsneigung von Aschen zu charakterisieren. Es wurden Untersuchungen an drei ausgewählten Kohleaschen unter inerten, oxidierenden und reduzierenden Bedingungen durchgeführt. Die Methoden Erhitzungsmikroskopie (ASV), Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HT-RDA), Thermogravimetrische Differenz-kalorimetrie (TG-DSC), Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen (GGW), Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Untersuchung der Schereigenschaften (SV) und die Bestimmung der Kaltdruckfestigkeit (KDF) wurden angewendet. Die Kombination der Untersuchungen ließ eine umfangreiche analytische Charakterisierung der Sintervorgänge zu. Unter der Berücksichtigung einer guten Vergleichbarkeit hinsichtlich der ermittelten Sintertemperaturen, stellt die EIS eine Alternative zur etablierten aber zeitaufwändigen Bestimmung der KDF dar. In Abhängigkeit von der Aschezusammensetzung, der Korngröße und der Gasatmosphäre, ist bereits ab einer Temperatur von 650 °C eine Agglomeration von Aschepartikeln möglich.

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.

The fatigue characteristics of concrete are studied based on laboratory tests and numerical simulations. A series of compressive cyclic loading tests have been carried out on concrete samples. The effects of maximum and minimum load level on the evolution strain rate, energy dissipation, acoustic emissions (AE) and P-wave speed are analysed. Based on particle based numerical simulations, damage models corresponding to single-level and multi-level cyclic loading tests are proposed. The damage variable in the numerical model is time- and stress-dependent and is characterized by the progressive reduction of the bond diameter. The mechanical behaviour of concrete during cyclic loading tests is well reproduced in the numerical simulation. A real time fatigue failure prediction method is proposed based on the hysteresis occurrence ratio and hysteresis energy ratio. The AE characteristics during the laboratory tests are reproduced by the numerical simulations. AE counts and energy are characterized by broken bonds and released bond strain energy, respectively.

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.