Eine ortsauflösende Spannungs- und Dehnungssensortechnik soll durch die Nutzung magnetostriktiver Materialien auf der Oberfläche von Kohlenstoffeinzelfasern (C-Fasern) und Mikrofeinstrukturierung dieser Schichten erzeugt und zur elektronischen Überwachung des Belastungszustandes von sicherheits- oder servicerelevanten Faserverbundbauteilen eingesetzt werden. Eine auf lokaler Gasphasenabscheidung und Mikrostrukturierung mittels der Focused Ion Beam (FIB)-Technik beruhende Sensorfabrikationsmethode wurde gemeinsam mit dem Institut für Mikrotechnologie Hannover (imt) entwickelt. Mehrschichtig mittels CVD und PVD bedampfte und zusätzlich galvanisch beschichtete C-Fasern weisen neuartige Eigenschaften auf, die im vorgestellten Vorhaben am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (LVW) charakterisiert wurden. Insbesondere die Untersuchung der verschiedenen Schichten sowie deren Interfaces nehmen eine bedeutende Rolle ein.

<p>A magnetostrictive material elongates when it is subjected to a magnetic field. This effect can then be used to design powerful actuators. The department of electromagnetic engineering has been working with magnetostricitve material and their applications since the 1980s and is presently engaged in a project focusing on magnetostrictive transducer utilisation for the aeronautic field.</p><p>The focus of the presented work has been to develop and improve methods and tools supporting the development of magnetostrictive actuators.</p><p>The axial-radial model was previously developed at the department and is well suited for circular cross sections of magnetostrictive rods. It is, however, common to laminate the magnetostrictive rods resulting in rectangular cross sections. The use of Cauer circuits allows modelling of the shielding effect. This shielding effect results in non-homogenous magnetisation and stress in both rectangular and circular cross sections of the rod. A model based on Cauer circuits, including a hysteresis model based on experimental data, was developed during the project. Furthermore, it is demonstrated how figures of merit and the use of finite element methods can be used to find optimised designs in a systematic and computational efficient way. The<i> modified generalised Fabry factor</i> <i>and the magnetisation inhomogeneity coefficient</i> are two proposed new figures of merit.</p><p>A Magnetostricitve material is characterised through an experimental procedure. Usually, magnetostrictive material exhibit large hysteresis. An important part of the material characterisation is the post-processing of the measurement data, including a de-hysterisation procedure. In the thesis, a de-hysterisation method which ensures energy consistent data is presented. Energy consistent material data is essential to achieve energy consistent simulations of magnetostrictive systems.</p><p>It is also demonstrated how the knowledge at the department can be utilised in international projects. In an ongoing project, the department is engaged in two sub tasks. In one of these sub tasks a high torque actuator is to be developed for the helicopter industry. The developed magnetostrictive models are used to perform system simulations of such actuator systems. In the other sub task a device for power harvesting from vibrations is analysed. It has now been shown how to adapt the load impedance in order to extract maximal electric power from the device.</p>

Eisen-Gallium-Legierungen sind aufgrund ihrer hohen Magnetostriktion und ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften sehr interessant für Anwendungen sowohl in Form von Sensoren als auch Aktoren. Die fortschreitende Miniaturisierung erfordert die Herstellung von Bauteilen in eindimensionaler Struktur und komplexen Geometrien. Beide Herausforderungen sind mit templatbasierter elektrochemischer Abscheidung zugänglich. Es konnte gezeigt werden, dass dünne Fe-Ga-Schichten schon aus einfachen wässrigen Elektrolyten abgeschieden werden können. Gallium kann nur in Anwesenheit von Fe induziert reduziert werden. Gleichzeitig konnte nachgewiesen werden, dass durch die Hydrolyseneigung der Ga-Ionen immer Hydroxide gebildet und in das Deposit eingebunden werden. Durch die Einführung einer alternierenden potentiostatischen Abscheidung mit einem Reduktions- und einem Relaxationsschritt können dennoch dichte und homogene Fe80Ga20-Schichten mit wenigen Defekten und einem vernachlässigbar kleinen Sauerstoffgehalt hergestellt werden. Die Übertragung der so gefundenen Abscheideparameter zur templatbasierten Nanodrahtherstellung ist nur bis zu einem Porendurchmesser von 100nm möglich. Wird der Durchmesser der Porenkanäle weiter verringert, führt aufgrund eingeschränkter Diffusionsvorgänge die Abscheidung zu segmentierten und sauerstoffreichen Depositen. Die Modifizierung des Elektrolyten durch Komplexierung der Metallionen verhindert die Bildung und Einbindung der Hydroxide. Damit können auch für Porendurchmesser kleiner 100nm Drähte in AAO-Template abgeschieden werden. Diese sind dicht, defektfrei und weisen keinen Zusammensetzungsgradienten entlang der Wachstumsrichtung auf. Detaillierte TEM-Untersuchungen konnten zeigen, dass die Herstellung durch ein einfacheres potentiostatisches Abscheideregime zu weniger verspannten und dennoch homogenen und defektfreien Drähten führt. Für die Herstellung von magnetisch aktiven Drähten sollte daher die potentiostatische der gepulsten Abscheidung vorgezogen werden.

In this work, a 3-terminal capacitance dilatometer was set up and used for measurements of the thermal expansion and magnetostriction of novel superconducting iron pinictides and related materials. In particular, \re~with R\,=\,La, Ce, Pr, Sm, Gd, \laf~and Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ have been investigated. The data on polycrystalline \laf~are the first published thermal expansion data on this material. The lattice effects at the structural and the magnetic phase transition have been investigated and the phase diagram upon F-doping has been studied. A main result is the observation of a previously unknown fluctuation regime for the doping level $\mathnormal{x}\leqslant$ 0.04 over a large $T$ range above the structural transition temperature \ts. The absence of any structural anomalies in the normal state of the superconducting \laf~samples with $\mathnormal{x}\geqslant$ 0.05 corroborates the discontinuous character of the phase boundary not only for the magnetism but also for the structural degrees of freedom. Similarly, the presence of high-temperature fluctuations is found for all \re~undoped materials under study. The discussion of the probable origin of the fluctuations as well as the definition of the structural transition temperature \ts~are done. The low temperature features shown by the thermal expansion data for \re~are caused by the onset of long range magnetic order of the $4f$-moments and their different configurations. In particular, \pr, which has a very pronounced anomaly associated with Pr-ordering exhibits a large magnetostriction at low temperatures. By discussing this effect along with the magnetization, resistivity and other measurements, it is found that this large magneto-elastic effect may originate from the correlations between the momentum from Fe$^{3+}$ and Pr$^{3+}$. Last, the thermal expansion of Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ 122 single crystals is investigated. Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ is one of the first materials where single crystals are available. The thermal expansion results on the undoped compound with $x=0$ show a large anomaly at the combined magnetic and structural transition which is far sharper than that for polycrystalline systems. Upon doping, both transitions are suppressed and their splitting is visible in the thermal expansion data. The high precision thermal expansion and magnetostriction results presented in this work are among the first data on the novel family of iron-based superconductors. A valuable insight in the respective ordering phenomena and the thermodynamic properties is provided.

Eisen-Gallium-Legierungen sind aufgrund ihrer hohen Magnetostriktion und ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften sehr interessant für Anwendungen sowohl in Form von Sensoren als auch Aktoren. Die fortschreitende Miniaturisierung erfordert die Herstellung von Bauteilen in eindimensionaler Struktur und komplexen Geometrien. Beide Herausforderungen sind mit templatbasierter elektrochemischer Abscheidung zugänglich. Es konnte gezeigt werden, dass dünne Fe-Ga-Schichten schon aus einfachen wässrigen Elektrolyten abgeschieden werden können. Gallium kann nur in Anwesenheit von Fe induziert reduziert werden. Gleichzeitig konnte nachgewiesen werden, dass durch die Hydrolyseneigung der Ga-Ionen immer Hydroxide gebildet und in das Deposit eingebunden werden. Durch die Einführung einer alternierenden potentiostatischen Abscheidung mit einem Reduktions- und einem Relaxationsschritt können dennoch dichte und homogene Fe80Ga20-Schichten mit wenigen Defekten und einem vernachlässigbar kleinen Sauerstoffgehalt hergestellt werden. Die Übertragung der so gefundenen Abscheideparameter zur templatbasierten Nanodrahtherstellung ist nur bis zu einem Porendurchmesser von 100nm möglich. Wird der Durchmesser der Porenkanäle weiter verringert, führt aufgrund eingeschränkter Diffusionsvorgänge die Abscheidung zu segmentierten und sauerstoffreichen Depositen. Die Modifizierung des Elektrolyten durch Komplexierung der Metallionen verhindert die Bildung und Einbindung der Hydroxide. Damit können auch für Porendurchmesser kleiner 100nm Drähte in AAO-Template abgeschieden werden. Diese sind dicht, defektfrei und weisen keinen Zusammensetzungsgradienten entlang der Wachstumsrichtung auf. Detaillierte TEM-Untersuchungen konnten zeigen, dass die Herstellung durch ein einfacheres potentiostatisches Abscheideregime zu weniger verspannten und dennoch homogenen und defektfreien Drähten führt. Für die Herstellung von magnetisch aktiven Drähten sollte daher die potentiostatische der gepulsten Abscheidung vorgezogen werden.

In this work, a 3-terminal capacitance dilatometer was set up and used for measurements of the thermal expansion and magnetostriction of novel superconducting iron pinictides and related materials. In particular, \re~with R\,=\,La, Ce, Pr, Sm, Gd, \laf~and Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ have been investigated. The data on polycrystalline \laf~are the first published thermal expansion data on this material. The lattice effects at the structural and the magnetic phase transition have been investigated and the phase diagram upon F-doping has been studied. A main result is the observation of a previously unknown fluctuation regime for the doping level $\mathnormal{x}\leqslant$ 0.04 over a large $T$ range above the structural transition temperature \ts. The absence of any structural anomalies in the normal state of the superconducting \laf~samples with $\mathnormal{x}\geqslant$ 0.05 corroborates the discontinuous character of the phase boundary not only for the magnetism but also for the structural degrees of freedom. Similarly, the presence of high-temperature fluctuations is found for all \re~undoped materials under study. The discussion of the probable origin of the fluctuations as well as the definition of the structural transition temperature \ts~are done. The low temperature features shown by the thermal expansion data for \re~are caused by the onset of long range magnetic order of the $4f$-moments and their different configurations. In particular, \pr, which has a very pronounced anomaly associated with Pr-ordering exhibits a large magnetostriction at low temperatures. By discussing this effect along with the magnetization, resistivity and other measurements, it is found that this large magneto-elastic effect may originate from the correlations between the momentum from Fe$^{3+}$ and Pr$^{3+}$. Last, the thermal expansion of Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ 122 single crystals is investigated. Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ is one of the first materials where single crystals are available. The thermal expansion results on the undoped compound with $x=0$ show a large anomaly at the combined magnetic and structural transition which is far sharper than that for polycrystalline systems. Upon doping, both transitions are suppressed and their splitting is visible in the thermal expansion data. The high precision thermal expansion and magnetostriction results presented in this work are among the first data on the novel family of iron-based superconductors. A valuable insight in the respective ordering phenomena and the thermodynamic properties is provided.

Eine ortsauflösende Spannungs- und Dehnungssensortechnik soll durch die Nutzung magnetostriktiver Materialien auf der Oberfläche von Kohlenstoffeinzelfasern (C-Fasern) und Mikrofeinstrukturierung dieser Schichten erzeugt und zur elektronischen Überwachung des Belastungszustandes von sicherheits- oder servicerelevanten Faserverbundbauteilen eingesetzt werden. Eine auf lokaler Gasphasenabscheidung und Mikrostrukturierung mittels der Focused Ion Beam (FIB)-Technik beruhende Sensorfabrikationsmethode wurde gemeinsam mit dem Institut für Mikrotechnologie Hannover (imt) entwickelt. Mehrschichtig mittels CVD und PVD bedampfte und zusätzlich galvanisch beschichtete C-Fasern weisen neuartige Eigenschaften auf, die im vorgestellten Vorhaben am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (LVW) charakterisiert wurden. Insbesondere die Untersuchung der verschiedenen Schichten sowie deren Interfaces nehmen eine bedeutende Rolle ein.

The concept of magnetic frustration is a fundamental topic in modern solid-state physics having direct consequences in systems with rich magnetic phases hosting emergent excitations, such as the magnetic monopoles in the spin-ice compounds. One important ingredient of frustration is the lattice that constrains the magnetic spins on it to a site anisotropy and inter-site coupling. Therefore, strong magnetoelastic interactions between the magnetic system and the lattice are expected and investigated in this thesis in detail. At first, I investigate the dependence of the relative length change of single crystals of the classical spin ices \dto{} and \hto{} on the magnetic field and temperature by capacitive dilatometry. In terms of the magnetostriction and thermal expansion \dto{} and \hto{} show qualitatively similar behavior, that seems to be independent of the Kramer or non-Kramers character of the rare-earth ion. The magnitude of the magnetostrictive effect deep in the spin-ice phase at \SI{0.3}{\kelvin} is $\deltaL{} = \SI{2e-5}{}$ and $\SI{2e-4}{}$ for \dto{} and \hto{}, respectively. In numerical simulations using a manifold model, the experimental results could be qualitatively reproduced by a combination of exchange and crystal-field striction. A second highlight of the dilatometric measurements of the spin-ice compounds is the observation of the lattice dynamics. The relaxation processes are rather slow, the longest relaxation times were observed at lowest temperatures and in the field range with magnetostrictive hysteresis, \ie{}, below \SI{0.9}{\tesla} for \dto{} and below \SI{1.5}{\tesla} for \hto{}. I find that the region of longest relaxation coincides well with the kagome-ice phase of the magnetic phase diagrams; the laxation time is of the order of \SI{5000}{\second} ($> \SI{80}{\minute}$). With increasing temperatures the time scale of the relaxation reduces to minutes at around \SI{0.7}{\kelvin} corresponding to the spin-freezing temperature obtained from ac-susceptibility measurements. In the second study I investigate the variation of the magnetic properties in dependence of the lattice constant. A systematic reduction of the lattice constant of \dgsoxx{} can be achieved by substituting the non-magnetic germanium ion in the cubic pyrochlore oxide with silicon. Characteristic properties of a spin-ice phase could be observed in measurements of magnetization, ac susceptibility, and heat capacity. From the temperature shift of the peaks, observed in the temperature-dependent heat capacity, an increase of the strength of the magnetic exchange interaction by a changed ratio of the competing exchange and dipolar interaction is deduced. The new spin-ice compounds are, thus, closer to the phase boundary between spin-ice phase and antiferromagnetically ordered all-in-all-out phase consistent with a reduction of the energy of monopole excitations.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.