Im Volltext enthalten sind ausgewählte Abstracts der Vorträge, die im Rahmen des 3. Dresdner Werkstoffsymposium gehalten wurden.:A. Leson, G. Englberger, D. Hammer, S. Makowski, H.-J. Scheibe, V. Weihnacht: Steigerung der Energieeffizienz durch reibungsmindernde Schichten R. Franke, I. Haase: Technische Anforderungen von Oberflächen- und Randschichttechnologien aus tribologischer Sicht O. Zimmer: Hartstoffschichten für den Verschleißschutz J. Tschernjaew: Neue bio-inspirierte funktionale Coatingsysteme für maritime Anwendungen C. Hinüber, A. Breier, G. Heinrich: Tissue Engineering Strategien auf Basis resorbierbarer Polymere A. Michaelis: Keramische Werkstoffoberflächen für die Umwelttechnologie J. Strümpfel, U. Seyfert: Magnetronsputtern für die Beschichtung von Architekturglas und Solarmodulen − Schichteigenschaften und Morphologie J. Nicolai, U. Cikalová, B. Bendjus, J. Schreiber: Speckle-Photometrie – eine neue zerstörungsfreie Prüfmethode E. Zschech, K. B. Yeap, S. Niese: Reliability of 3D integrated chips – The role of metallic surfaces and interfaces H. Worch, S. Heinemann, C. Heinemann, B. Kruppke, T. Hanke, J. Thomas, P. Simon: Mesokristalline Biomaterialien − ein geniales Bauprinzip der Natur F. Schlottig: Implantatoberflächen – im Spannungsfeld von Innovation, Alterspyramide, Kosten und regulatorischem Umfeld J. Gehrke: Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren bei Nietverbindungen in Mischbauweise A. Kolitsch, R. Yankov: Ionenstrahlbasierte Oberflächenmodifizierung von TiAl-Werkstoffen

Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.

Abstract der Posterpräsentation: Ebenso wie Geschirrspülmaschinen in deutschen Haushalten mit ca. 68 % eine weite Verbreitung finden, treten unästhetische Korrosionsproduktablagerungen und Lochkorrosion auf Besteckteilen auf [1]. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden an metallischen Werkstoffen unter Bedingungen der maschinellen Geschirrreinigung liegt es nahe, eine Schutzanode in den Besteckkorb einzubringen. Der kathodische Korrosionsschutz mit Hilfe von Schutzanoden wird bekanntermaßen bei Schiffen, Pipelines und Bohrinseln genutzt. Der stabile metallische Kontakt durch das Verschrauben der Anode an das Schutzobjekt kann für Besteck im Geschirrspüler jedoch nicht gewährleistet werden, sodass das Aufstellen der Besteckteile auf die Anode zu wechselnden Widerstandsverhältnissen im Kontaktbereich führt. Zudem liegen während eines Spülganges sehr unterschiedliche Bedingungen (Reiniger: pH > 9,5; Klarspüler: pH < 3,5; Essensreste) vor, und es kommt auf Grund der dünnen Elektrolytfilme zu einer graduellen Änderung der lokalen Elektrodenpotentiale längs des Besteckteils. Elektrochemische Untersuchungen an Aluminiumwerkstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung sowie an diversen Besteckstählen bestätigen ebenso wie Messungen an beiden Komponenten in galvanischem Kontakt, dass eine kathodische Polarisation des Stahls um mehrere 100 mV zustande kommt. Experimente im Geschirrspüler zeigten jedoch, dass unter verschiedenen Bedingungen eine dünne Ablagerung von Korrosionsprodukten auftrat, so dass die Eingangshypothese anodischer Korrosionsprozesse am Stahl offenbar revidiert werden muss. Ursachen hierfür werden analysiert, indem eine Dünnfilmströmungszelle, die pH-Wert-Messung bei Stahl-Anoden-Kontakt mit geringer Elektrolytmenge und Temperaturanstieg sowie das instrumentierte maschinelle Geschirrspülen (In-situ-Temperatur- und Potentialmessung des Stahles im direkten Kontaktbereich zur Anode) genutzt werden. Die Ursache der Korrosion des Stahles bei Kontakt mit der Anode konnte bisher nicht hinreichend geklärt werden.

Abstract der Posterpräsentation: PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapour Deposition) haben sich aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, unterschiedliche Oberflächeneigenschaften von dünnen Schichten mit fast jedem Volumenmaterial (Substrat) kombinieren zu können, etabliert. Durch die definierte Einstellung der Prozessparameter (z. B. Energiezufuhr, Druck, Gaszusammensetzung) können Schichten gemäß den spezifischen Anforderungen des Einsatzzweckes angepasst und optimiert werden. Selbst widersprechende Eigenschaften wie extreme Härte und Flexibilität lassen sich miteinander kombinieren. Zielsetzung des im Rahmen des BMBF-Programms „KMU-innovativ: Nanotechnologie“ (Nanochance) geförderten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen Kombination aus plasmagestützter Bogenentladung und gepulster HPPMS-Sputterabscheidung (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) für die Herstellung von schadenstoleranten Schichten auf Umformwerkzeugen. Durch diese Kombination soll zum einen die Qualität bestehender nanokristalliner Schichtsysteme signifikant verbessert sowie eine Vielzahl neuer Schichtsysteme mit bislang nicht erreichten Eigenschaften synthetisiert werden. Ein derzeit untersuchtes Schichtsystem besteht aus einer konventionellen Hartstoffschicht mit sehr hoher Formbeständigkeit und einer weniger als fünf Mikrometer dünnen Deckschicht aus einer Cr2AlC-MAX-Phase, die chemisch und thermisch beständig ist und einen sehr geringen Reibverschleiß hat. Die Beschichtung erfolgt in einer umgerüsteten industriellen PVD-Beschichtungsanlage im Technikum der KCS Europe GmbH. Durch in-situ Plasmaanalysen sowie mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierungen der unterschiedlich hergestellten Schichtsysteme durch die TU Dresden wird die Korrelation zwischen technischen Beschichtungsparametern, Plasmaparametern sowie Schichtstruktur und Schichteigenschaften erarbeitet. Damit wird ein tiefgreifendes Verständnis der Abscheidemechanismen von nanokristallinen Schichtsystemen und eine Beschleunigung des Entwicklungsprozesses möglich.

Abstract der Posterpräsentation: Das bekannteste superhydrophobe Phänomen in der Natur ist das Blatt der Lotospflanze. Dieses Eigenschaftsprofil, das gemeinsam mit einer so genannten Selbstreinigungsfähigkeit auftritt, ist nicht primär biologischer, sondern physikalischchemischer Natur, auf dem Zusammenwirken von Mikrorauheit und Oberflächenchemie beruhend. Es ist seit Mitte der 1990er Jahre auf verschiedene Materialoberflächen übertragen worden (Bionik) und ist für Wissenschaft und Technik von großem theoretischen wie praktischen Interesse. Superhydrophobe Oberflächen haben Kontaktwinkel >150° und außerordentlich geringe Abrollwinkel für Wassertropfen. In dieser Arbeit wurden am Beispiel von AlMg1 unterschiedliche Verfahren der Aufrauung (anodische Oxidation, plasmaelektrolytische Oxidation) mit unterschiedlichen hydrophobierenden Substanzen/ Oberflächenmodifizierungsmethoden (Abscheidung aus der Lösung, CVD-Abscheidungen) kombiniert. Zusätzlich zu den Charakterisierungsmethoden der dynam. Kontaktwinkelmessung, REM, FTIR wurde eine Abriebbeanspruchung vorgenommen, um die mechanische Stabilität zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass die effektivste Mikrostrukturierung in der intensivierten anodischen Oxidation besteht und Superhydrophobie sowohl mit Dünnfilm-Modifizierungen vom SAM-Typ erzielt werden kann (z.B. Zonyl FSP) als auch mit dickeren Reaktionsprodukten (Tetradecanphosphonsäure) oder mit CVD-Beschichtungen, sofern die Schichten selbst einen günstigen Beitrag zur Morphologie erbringen und eindeutig hydrophobe Eigenschaften aufweisen (PTFE). Nachteilig ist hierbei die mechanische Empfindlichkeit, die sich teils auf die dickeren Modifizierungsschichten, teils auch auf die oxidische Basisschicht bezieht. Hier weisen die durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellten sehr harten Substrate klare Vorteile auf, aber ihre morphologischen Merkmale erfordern eine Optimierung. Die bisher erzeugten Polysiloxanbeschichtungen haben wesentlich bessere Abriebeigenschaften, zeigen jedoch insgesamt wegen ihrer Oberflächenchemie und glatten Oberfläche keine zufriedenstellende Hydrophobie. Möglicherweise liegt der Schlüssel in einer Kombination unterschiedlicher Dickschicht-Modifizierungen.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.

Additive manufacturing (AM), also known as 3D-printing, has made it possible to produce components made of bulk metallic glass (BMG) which have remarkable properties compared to parts made of conventional alloys. A metallic glass is a metastable noncrystalline alloy that form if a melt is quenched with a sufficient cooling rate. Research on systems with low critical cooling rates have made the maximum dimensions of these alloys to grow to what is called BMG's. The high local cooling rate obtained during AM makes it in principle possible to bypass the dimension restrictions that otherwise have been present when creating these alloys but the procedure is complex. It is believed that oxygen impurities in the powder feedstock material used during AM of Zr-based alloys makes it favourable for nucleation of stable crystalline phases at lower activation energies which hinders fully glass features to develop. The purpose of this thesis is to investigate how the limiting solute concentration in the bulk of the AM produced alloy AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5(at\%)) impact the nucleation. Using a numerical model based on classical nucleation theory (CNT) that couples the interfacial and long range fluxes makes it possible to study how impurities impact the nucleation event. However, missing oxygen dependent data makes this a study on how limiting solute impact the nucleation in AMZ4. The numerical model is validated against earlier work and the results obtained from the simulations on AMZ4 shows a strong connection between the nucleation event and the limiting solute concentration. Further investigations on phase separation energies and the production of concentration dependent time-temperature-transformation (TTT) diagrams are needed to fully describe the connection to oxygen concentration. Nevertheless, the implemented model captures important features that the classical model cannot describe which needs to be taken into account when describing the nucleation in AMZ4. / Friformsframställning (eng. additive manufacturing (AM)), också känt som 3D-printing, har gjort det möjligt att producera komponenter gjorda av bulkmetallglas (eng. bulk metallic glass (BMG)) vilka har anmärkningsvärda egenskaper jämfört med delar gjord av konventionella legeringar. Ett metalliskt glas är en metastabil icke kristallin legering som skapas om en smälta släcks med en tillräcklig kylhastighet. Forsking på system med låga kritiska kylhastigheter har gjort att de maximala dimensionerna av dessa legeringar har ökat till vad som kallas BMG's. Den höga lokala kylhastigheten som erhålls under AM gör att  dimensionsrestriktionerna principiellt kan kringgås vilka annars är närvarande vid skapandet dessa legeringar men proceduren är komplex. Det är trott att orenheter av syre i pulver-råvarumaterialet som används vid AM av Zr-baserade legeringar gör det fördelaktigt för kärnbildning av stabila kristallina faser vid lägre aktiveringsenergier vilket hindrar fulla glas egenskaper från att utvecklas. Syftet med denna uppsats är att undersöka hur den begränsande lösningen påverkar kärnbildningsförloppet i den AM producerade legeringen AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5(at\%)). En numerisk modell baserad  på klassisk kärnbildningsteori (eng. classical nucleation theory (CNT)) som kopplar gränsskikt- och långdistans-flödet gör det möjligt att studera hur orenheter påverkar kärnbildningsförloppet. Syreberoende data gör dock detta till en studie om hur den begränsande lösningen påverkar kärnbildningen i AMZ4. Den numeriska modellen valideras mot tidigare arbeten och resultaten från simuleringarna av AMZ4 visar ett starkt samband mellan kärnbildningsförloppet och den begränsade lösningskoncentrationen. Vidare studier rörande fas-separeringsenergier och framställningen av koncentrationsberoende tid-temperature-transformation (eng. time-temperature-transformation (TTT)) diagram behövs för att till fullo beskriva kopplingen till syrekoncentrationen. Den implementerade modellen fångar dock viktiga egenskaper som den klassiska modellen inte kan beskriva vilka måste tas hänsyn till när kärnbildning i AMZ4 ska beskrivas.

III-Nitride semiconductor materials have garnered significant attention among researchers due to their diverse applications stemming from their remarkable electrical and optical properties. This present thesis encompasses theoretical investigations conducted on InAlN and AlGaN for the purpose of designing light-emitting diodes (LEDs), along with experimental characterization experiments on BGaN thin films. The primary objective of this research is to delve deeply into the optoelectronic applications of InAlN and analyze the current state of BGaN. Theoretical studies were carried out on InAlN-based deep-ultraviolet (DUV) LEDs, with a particular focus on elucidating the polarization properties exhibited by this material when combined with AlGaN. Additionally, an estimation of the band alignment of this system was included, taking into account the available reported data. The intention behind this work is to underscore the importance of designing novel optoelectronic devices that incorporate ternary-to-ternary heterointerfaces. However, it is crucial to carefully consider both the advantages and disadvantages of such interfaces in terms of carrier injection efficiency and radiative efficiency. The experimental section of this thesis entailed the fabrication and characterization of BGaN thin films. A comprehensive understanding and development of this material are essential, as boron-alloys have garnered attention due to their unique properties. Nevertheless, there have been reports of epitaxial complications and theoretical limits associated with these alloys. In this section, we present the characteristics of the first conductive memory-effect-obtained p-type BGaN, doped with magnesium. Although the characterization of the reported samples includes techniques such as HRXRD, AFM, SEM, Hall, CTLM, SIMS, and CL, it is important to note that a more profound fundamental study is still underway. The relevance of this work can be summarized into two key aspects: Firstly, it provides valuable insights and descriptions of novel heterojunctions for ultraviolet LEDs from a physics perspective. Secondly, it contributes to material advancements in the pursuit of developing new ternary-alloys, offering a material science perspective.

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<p>There is a great need for accurate image reconstruction in the context of non-destructive evaluation. Major challenges include the ever-increasing necessity for high resolution reconstruction with limited scan and reconstruction time and thus fewer and noisier measurements. In this thesis, we leverage advanced Bayesian modeling of the physical measurement process and probabilistic prior information of the image distribution in order to yield higher image quality despite limited measurement time. We demonstrate in several ways efficient computational performance through the exploitation of more efficient memory access, optimized parametrization of the system model, and multi-pixel parallelization. We demonstrate that by building high-fidelity forward models that we can generate quantitatively reliable reconstructions despite very limited measurement data.</p> <p><br></p> <p>In the first chapter, we introduce an algorithm for estimating isotopic densities from neutron time-of-flight imaging data. Energy resolved neutron imaging (ERNI) is an advanced neutron radiography technique capable of non-destructively extracting spatial isotopic information within a given material. Energy-dependent radiography image sequences can be created by utilizing neutron time-of-flight techniques. In combination with uniquely characteristic isotopic neutron cross-section spectra, isotopic areal densities can be determined on a per-pixel basis, thus resulting in a set of areal density images for each isotope present in the sample. By preforming ERNI measurements over several rotational views, an isotope decomposed 3D computed tomography is possible. We demonstrate a method involving a robust and automated background estimation based on a linear programming formulation. The extremely high noise due to low count measurements is overcome using a sparse coding approach. It allows for a significant computation time improvement, from weeks to a few hours compared to existing neutron evaluation tools, enabling at the present stage a semi-quantitative, user-friendly routine application. </p> <p><br></p> <p>In the second chapter, we introduce the TRINIDI algorithm, a more refined algorithm for the same problem.</p> <p>Accurate reconstruction of 2D and 3D isotope densities is a desired capability with great potential impact in applications such as evaluation and development of next-generation nuclear fuels.</p> <p>Neutron time-of-flight (TOF) resonance imaging offers a potential approach by exploiting the characteristic neutron adsorption spectra of each isotope.</p> <p>However, it is a major challenge to compute quantitatively accurate images due to a variety of confounding effects such as severe Poisson noise, background scatter, beam non-uniformity, absorption non-linearity, and extended source pulse duration. We present the TRINIDI algorithm which is based on a two-step process in which we first estimate the neutron flux and background counts, and then reconstruct the areal densities of each isotope and pixel.</p> <p>Both components are based on the inversion of a forward model that accounts for the highly non-linear absorption, energy-dependent emission profile, and Poisson noise, while also modeling the substantial spatio-temporal variation of the background and flux. </p> <p>To do this, we formulate the non-linear inverse problem as two optimization problems that are solved in sequence.</p> <p>We demonstrate on both synthetic and measured data that TRINIDI can reconstruct quantitatively accurate 2D views of isotopic areal density that can then be reconstructed into quantitatively accurate 3D volumes of isotopic volumetric density.</p> <p><br></p> <p>In the third chapter, we introduce a separable forward model for cone-beam computed tomography (CT) that enables efficient computation of a Bayesian model-based reconstruction. Cone-beam CT is an attractive tool for many kinds of non-destructive evaluation (NDE). Model-based iterative reconstruction (MBIR) has been shown to improve reconstruction quality and reduce scan time. However, the computational burden and storage of the system matrix is challenging. In this paper we present a separable representation of the system matrix that can be completely stored in memory and accessed cache-efficiently. This is done by quantizing the voxel position for one of the separable subproblems. A parallelized algorithm, which we refer to as zipline update, is presented that speeds up the computation of the solution by about 50 to 100 times on 20 cores by updating groups of voxels together. The quality of the reconstruction and algorithmic scalability are demonstrated on real cone-beam CT data from an NDE application. We show that the reconstruction can be done from a sparse set of projection views while reducing artifacts visible in the conventional filtered back projection (FBP) reconstruction. We present qualitative results using a Markov Random Field (MRF) prior and a Plug-and-Play denoiser.</p>