A simple and facile way to the fabrication of nano to micro scale organic-inorganic hybrid particles was demonstrated. A well known “template-assisted approach” was chosen for the preparation of these hybrid particles, in which the inorganic material of interest is templated against the template particles. A series of colloidal template particles including, polystyrene, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) was used for the deposition of a variety of metal oxides/hydroxide nanoparticles. A classical surfactant free co-polymerization process was employed for the synthesis of these template particles. To facilitate the deposition of inorganic nanoparticles in subsequent steps, these colloidal particles were functionalized with the suitable functional groups. For this purpose, polystyrene particles were synthesized in the presence of acetoacetoxyethylmethacrylate (AAEM) co-monomer. Similarly, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) particles were functionalized by adding AAEM and acrylic acid co-monomers, respectively, during their synthesis. It is thought that an effective interaction between these functionalities of employed template and metal oxide/hydroxide precursors is the driving force for the fabrication of organic-inorganic hybrid particles. A number of metal oxide/hydroxide nanoparticles including ZnO, TiO2, Ta2O5 and In(OH)3 were deposited on the surface of polystyrene colloidal particles. A systematic variation in the employed reaction conditions allowed a modulation in size, shape, morphology, shell thickness and inorganic contents of resulting hybrid particles. Similar effect of the employed Indium isopropoxide concentration on the morphology of PS-In(OH)3 hybrid particles was observed. In the case of PS-TiO2 and PS-Ta2O5 only core-shell morphology was observed. However, suitable surface chemistry and careful selection of reaction parameters allowed the deposition of as much thick as 130 nm TiO2/Ta2O5 shell on the polystyrene core. In addition, a controlled manipulation of the shell thickness with the employed concentration of inorganic salt was observed. Polystyrene colloidal particles coated with a high refractive index material such as TiO2, were employed as building blocks for the fabrication of self assembled colloidal crystals. The variation in particle size and TiO2 content of employed building blocks allowed the manipulation in stop band position and band width of resulting photonic structures. Furthermore, PS-ZnO hybrid particles with raspberry-like morphology were exploited as carrier for ZnO nanoparticles into a host polymer matrix to achieve a nanocomposite material. In addition, fabrication of a series of closed, intact and mechanically robust hollow spheres, composed of pure and mixed metal oxides was demonstrated. The removal of polystyrene core from PS-TiO2 and PS-Ta2O5 hybrid particles by chemical or thermal treatment resulted into the hollow TiO2 and Ta2O5 spheres, respectively. Templating of PVCL colloidal particles against ZnO nanoparticles was shown and variation in physical properties of the resulting hybrid microgels as a function of the loaded amount of ZnO nanoparticles was demonstrated. PVCL-ZnO hybrid microgels showed the temperature sensitivity of the template particles and the UV-absorbing property of the loaded ZnO nanoparticles. It was demonstrated that these hybrid materials can effectively be used in the preparation of a transparent UV-shielding material. In addition, the deposition of preformed and functionalized quantum dots (CdTe) on the surface of PNIPAm microgel particles was explored and a manipulation in the fluorescent properties of loaded quantum dots as a result of temperature induced swelling and deswelling of microgel template was investigated. It was found that the fluorescence of deposited quantum dots can be switched to “ON” or “OFF” by changing the temperature of the surrounding media. These hybrid particles are envisioned to be used in the fabrication of temperature nanosensors.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

In dieser Arbeit wurden zunächst zwei Charakterisierungsmethoden zur zerstörungsfreien Detektion von Voids in lokalen Rückseitenkontakten bei PERC Solarzellen vorgestellt, die akustische Mikroskopie und die Computertomografie. Beide Messmethoden wurden anhand von Proben mit unterschiedlichen Al-Pasten getestet und mit beiden Messmethoden können Voids sehr gut erkannt werden. Zur Vermeidung von Voidbildung konnte der positive Einfluss der Siliziumbeimischung in die Al-Paste bestätigt werden. Desweiteren konnte anhand unterschiedlicher RTP Feuerprofile gezeigt werden, dass durch eine verlangsamte Aufheizphase die Bildung von Voids deutlich reduziert werden kann, während die Abkühlphase nur einen geringen Einfluss auf die Voidbildung zeigt. Mithilfe eigens hergestellter Al-Pasten, mit unterschiedlichen Al-Partikelgrößen, wurde gezeigt, dass Al-Pasten mit einer Mischung aus kleinen und großen Al-Partikeln ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Ausbildung von Voids haben können.

A simple and facile way to the fabrication of nano to micro scale organic-inorganic hybrid particles was demonstrated. A well known “template-assisted approach” was chosen for the preparation of these hybrid particles, in which the inorganic material of interest is templated against the template particles. A series of colloidal template particles including, polystyrene, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) was used for the deposition of a variety of metal oxides/hydroxide nanoparticles. A classical surfactant free co-polymerization process was employed for the synthesis of these template particles. To facilitate the deposition of inorganic nanoparticles in subsequent steps, these colloidal particles were functionalized with the suitable functional groups. For this purpose, polystyrene particles were synthesized in the presence of acetoacetoxyethylmethacrylate (AAEM) co-monomer. Similarly, poly (vinylcaprolactam) and poly (N-isopropylacrylamide) particles were functionalized by adding AAEM and acrylic acid co-monomers, respectively, during their synthesis. It is thought that an effective interaction between these functionalities of employed template and metal oxide/hydroxide precursors is the driving force for the fabrication of organic-inorganic hybrid particles. A number of metal oxide/hydroxide nanoparticles including ZnO, TiO2, Ta2O5 and In(OH)3 were deposited on the surface of polystyrene colloidal particles. A systematic variation in the employed reaction conditions allowed a modulation in size, shape, morphology, shell thickness and inorganic contents of resulting hybrid particles. Similar effect of the employed Indium isopropoxide concentration on the morphology of PS-In(OH)3 hybrid particles was observed. In the case of PS-TiO2 and PS-Ta2O5 only core-shell morphology was observed. However, suitable surface chemistry and careful selection of reaction parameters allowed the deposition of as much thick as 130 nm TiO2/Ta2O5 shell on the polystyrene core. In addition, a controlled manipulation of the shell thickness with the employed concentration of inorganic salt was observed. Polystyrene colloidal particles coated with a high refractive index material such as TiO2, were employed as building blocks for the fabrication of self assembled colloidal crystals. The variation in particle size and TiO2 content of employed building blocks allowed the manipulation in stop band position and band width of resulting photonic structures. Furthermore, PS-ZnO hybrid particles with raspberry-like morphology were exploited as carrier for ZnO nanoparticles into a host polymer matrix to achieve a nanocomposite material. In addition, fabrication of a series of closed, intact and mechanically robust hollow spheres, composed of pure and mixed metal oxides was demonstrated. The removal of polystyrene core from PS-TiO2 and PS-Ta2O5 hybrid particles by chemical or thermal treatment resulted into the hollow TiO2 and Ta2O5 spheres, respectively. Templating of PVCL colloidal particles against ZnO nanoparticles was shown and variation in physical properties of the resulting hybrid microgels as a function of the loaded amount of ZnO nanoparticles was demonstrated. PVCL-ZnO hybrid microgels showed the temperature sensitivity of the template particles and the UV-absorbing property of the loaded ZnO nanoparticles. It was demonstrated that these hybrid materials can effectively be used in the preparation of a transparent UV-shielding material. In addition, the deposition of preformed and functionalized quantum dots (CdTe) on the surface of PNIPAm microgel particles was explored and a manipulation in the fluorescent properties of loaded quantum dots as a result of temperature induced swelling and deswelling of microgel template was investigated. It was found that the fluorescence of deposited quantum dots can be switched to “ON” or “OFF” by changing the temperature of the surrounding media. These hybrid particles are envisioned to be used in the fabrication of temperature nanosensors.

Die wichtigste Baugruppe im Verfahrensablauf einer Lost-Foam-Gießanlage ist neben der Gießstation die Vibrationseinrichtung. Diese Einrichtung dient dem Befüllen eines Gießbehälters mit Gießmodell bei gleichzeitigem Verdichten des Formsandes. Es wurden vier Varianten einer dreidimensionalen Vibrationseinrichtung entworfen, teilweise konstruiert und in ihrer Machbarkeit verglichen. Modelliert und simuliert wurde das dynamische Bewegungsverhalten des servohydraulisch angetriebenen dreidimensionalen Vibrationstisches. Es zeigte sich die Eignung der konstruierten Vibrationseinrichtung, ebenfalls wiesen Spannungs- und Verformungsanalysen zur Optimierung eines neuen Gießbehälters seine geforderten Einsatzmöglichkeiten nach. Die Vorzugsvariante, ein dreidimensional servohydraulisch angetriebener Vibrationstisch ohne Klemmrahmen, konnte in eine neue Lost-Foam-Gießanlage projektiert werden.

In dieser Arbeit wurden zunächst zwei Charakterisierungsmethoden zur zerstörungsfreien Detektion von Voids in lokalen Rückseitenkontakten bei PERC Solarzellen vorgestellt, die akustische Mikroskopie und die Computertomografie. Beide Messmethoden wurden anhand von Proben mit unterschiedlichen Al-Pasten getestet und mit beiden Messmethoden können Voids sehr gut erkannt werden. Zur Vermeidung von Voidbildung konnte der positive Einfluss der Siliziumbeimischung in die Al-Paste bestätigt werden. Desweiteren konnte anhand unterschiedlicher RTP Feuerprofile gezeigt werden, dass durch eine verlangsamte Aufheizphase die Bildung von Voids deutlich reduziert werden kann, während die Abkühlphase nur einen geringen Einfluss auf die Voidbildung zeigt. Mithilfe eigens hergestellter Al-Pasten, mit unterschiedlichen Al-Partikelgrößen, wurde gezeigt, dass Al-Pasten mit einer Mischung aus kleinen und großen Al-Partikeln ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Ausbildung von Voids haben können.

Die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere die Untersuchungen zur 3–D–Vibration belegen eindrucksvoll, dass die räumliche Herangehensweise an die Problematik der Befüllung von Modellhohlräumen und –hinterschneidungen sowie der Formsandverdichtung beim Lost–Foam–Prozess der richtige Lösungsansatz ist. D. h., um die Gesetzmäßigkeiten, Abhängigkeiten und gegenseitigen Beeinflussungen der Sandbewegungen in den drei Achsen des Raumes umfassend beurteilen zu können, ist es erforderlich, auch den Formstoffbehälter in diesen drei Achsrichtungen mit voneinander unabhängigen Frequenzen und Amplituden zu erregen. Durch die Kombination der drei Vibrationsrichtungen werden im Hohlraum Dichtewerte des Quarzsandes erreicht, die ihm eine hohe Stabilität und ausreichend Widerstand gegen das Penetrieren des flüssigen Metalls in die Sandschichten verleihen. Für die Erzielung eines optimalen Befüllungs- und Verdichtungsverhaltens werden also alle drei axialen Vibrationsrichtungen benötigt, eine optimale Vibrationsrichtung wurde nicht ermittelt.

Die wichtigste Baugruppe im Verfahrensablauf einer Lost-Foam-Gießanlage ist neben der Gießstation die Vibrationseinrichtung. Diese Einrichtung dient dem Befüllen eines Gießbehälters mit Gießmodell bei gleichzeitigem Verdichten des Formsandes. Es wurden vier Varianten einer dreidimensionalen Vibrationseinrichtung entworfen, teilweise konstruiert und in ihrer Machbarkeit verglichen. Modelliert und simuliert wurde das dynamische Bewegungsverhalten des servohydraulisch angetriebenen dreidimensionalen Vibrationstisches. Es zeigte sich die Eignung der konstruierten Vibrationseinrichtung, ebenfalls wiesen Spannungs- und Verformungsanalysen zur Optimierung eines neuen Gießbehälters seine geforderten Einsatzmöglichkeiten nach. Die Vorzugsvariante, ein dreidimensional servohydraulisch angetriebener Vibrationstisch ohne Klemmrahmen, konnte in eine neue Lost-Foam-Gießanlage projektiert werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere die Untersuchungen zur 3–D–Vibration belegen eindrucksvoll, dass die räumliche Herangehensweise an die Problematik der Befüllung von Modellhohlräumen und –hinterschneidungen sowie der Formsandverdichtung beim Lost–Foam–Prozess der richtige Lösungsansatz ist. D. h., um die Gesetzmäßigkeiten, Abhängigkeiten und gegenseitigen Beeinflussungen der Sandbewegungen in den drei Achsen des Raumes umfassend beurteilen zu können, ist es erforderlich, auch den Formstoffbehälter in diesen drei Achsrichtungen mit voneinander unabhängigen Frequenzen und Amplituden zu erregen. Durch die Kombination der drei Vibrationsrichtungen werden im Hohlraum Dichtewerte des Quarzsandes erreicht, die ihm eine hohe Stabilität und ausreichend Widerstand gegen das Penetrieren des flüssigen Metalls in die Sandschichten verleihen. Für die Erzielung eines optimalen Befüllungs- und Verdichtungsverhaltens werden also alle drei axialen Vibrationsrichtungen benötigt, eine optimale Vibrationsrichtung wurde nicht ermittelt.

Die Nutzung von Flächen mit künstlichen oder natürlichen Hohlräumen im Unter- und Baugrund ist mit erhöhten Risiken behaftet, weil Bauwerke durch unerwünschte Deformationen des Baugrundes in Mitleidenschaft gezogen werden können. Zur theoretischen Analyse eines Tagesbruchvorganges über einen zusammenbrechenden Hohlraum in praktischen Aufgabenstellungen auf Standorten mit mehreren Schichten kann die ”Allgemeine Hohlraum-Bruchmassen-Bilanz-Methode” mit einer stark eingegrenzten Anzahl von Eingangsparametern genutzt werden. In einer rechnerischen Tagesbruchprognose können sowohl die Eingangsgrößen der theoretischen Modellierung eines Tagesbruchvorganges als auch die Größe prognostizierter Tagesbruchvolumina als Zufallsvariable angesehen werden. Die Random-Set-Theorie bietet eine praktikable Möglichkeit, die stochastische Natur des Tagesbruchvorganges mit einem begrenzten rechnerischen Aufwand theoretisch zu fassen. Die berechneten Tagesbruchvolumina und die zugehörigen Eintrittswahrscheinlichkeiten können als Grundlage der Risikobewertung von zu schützenden Objekten herangezogen werden. / The use of sites with artificial or natural openings in the underground includes an elevated technical risk, as constructions can be constrained due to unplanned deformations of the subsoil. To the theoretical analysis of pothole subsidence in practical settings on a layered site, the ”General Failure Mass Volume Balance Method”can be applied with a low number of input parameters. Both the input values of a theoretical model for pothole subsidence analysis and the volume of prognosed surface failures can be regarded as random variables. The randomset- theory offers a practical solution to include the stochastic nature of the pothole subsidence process into a theoretical model with limited required computational effort. The prognosed volumina and the corresponding probabilities of occurrence can be used for a risk analysis of protected objects on sites with expected pothole subsidence.