<p>In the United States, buildings are responsible for almost 40% of the country’s total energy consumption and 38% of the total greenhouse gas emissions. Researchers are constantly seeking sustainable and efficient energy generation solutions for buildings as society continues to cope with the intensifying energy crisis and environmental deterioration. Thermoelectric technology is one such solution that potentially can lead to significant energy recovery and conversion between waste or excess thermal energy and electrical energy. One promising application is integrating thermoelectric materials into the building envelope (TBE) for power generation and building heating and cooling without transporting energy among subsystems and refrigerant use. TBE can combine structural support and thermal storage with power generation and thermal-activated cooling and heating, thereby contributing to sustainable living and energy. </p> <p>TBE technology is still in its early development stages. This dissertation aimed to develop a fundamental understanding of the characteristics, behaviors, operation, and control of TBE systems as energy-efficient measures for thermal energy harvesting and thermal comfort regulation and to address the significant research gaps concerning high-conversion efficiency materials and optimal module configuration as well as system deployment related to real-world applications. Accordingly, this dissertation focused on the following three key objectives: (1) development and characterization of new thermoelectric composite materials; (2) identification of optimal designs and controls of TBE and established mathematical models for performance simulation; and (3) quantification of the energy-saving benefits of TBE. </p> <p>The following five aspects specifically were investigated:</p> <p>(1)<em> Material development and characterization</em>. New thermoelectric cement composites were developed with cement and various additives, material concentrations, and fabrication methods in the laboratory. Their thermoelectric properties (e.g., Seebeck coefficient, thermal conductivity, electrical conductivity, power factor, and the figure of merit) were measured simultaneously and characterized at 300–350 K.</p> <p>(2)<em> Module evaluation.</em> Commercially available thermoelectric modules (TEMs) were assessed using well-designed test apparatus in both the heat pumping and power generation modes. The test results validated the numerical model, which assisted with performance comparison and material selection between cement-based and commercial TEMs for the TBE prototype.</p> <p>(3)<em> Prototype assessment. </em>A convective TBE prototype and a radiant TBE prototype were designed, assembled, and evaluated in a pair of controlled testing chambers. The TBE’s surface temperature, thermal capacity, and COP were assessed under summer and winter conditions. </p> <p>(4)<em> Prototype modeling. </em>The first-principle-based numerical models of both the convective and radiant TBE prototypes were developed in Modelica. The modeling results indicated good agreement with the experimental data. The verified models were used to study the impacts of the design parameters and operating conditions on the heat pumping performance of TBE.</p> <p>(5)<em> System simulation. </em>A TBE building system model was established by integrating the TBE prototype model within a building’s heat balance model, considering the building construction, climate condition, power control, etc. Its seasonal performance under various climate conditions was studied to identify the potential optimal operation and energy savings. </p> <p>This dissertation confirmed several key findings in the areas of material development, system design and operation, and energy savings. The TBE achieved higher efficiency with a heat pump for heating than for cooling generally. The TBE heating system performed better than a conventional electric heater (efficiency assumed at 0.9). The measures that improved TBE heating efficiency were enhancing the material’s thermoelectric properties, optimizing the geometry and number of TEMs, and improving the boundary heat transfer of TEMs. </p> <p>This dissertation concluded that the TBE system is a promising alternative to conventional heating systems in buildings. Furthermore, the knowledge gained will strengthen the understanding of thermoelectrics in the building domain and guide further development in TBE, as well as facilitate the operation of net-zero energy and carbon-neutral buildings. </p>

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An urgent transformation from fossil fuels to cleaner energy sources to combat climate change has led to the utilization of renewable energies like solar, wind, and tidal power. However, the intermittency of these sources hinders their wider implementation. To address this, large-scale electrical energy storage (EES) systems are needed. These systems store excess energy during periods of surplus and release it during peak demand, enhancing grid reliability. Secondary batteries have been developed as promising EES solutions due to their reliability, independence from weather, and ease of maintenance. While lithium-ion batteries (LIBs) are popular as secondary batteries, their limited lithium supply, and rising costs demand for cost-effective alternatives. This study focuses on developing sodium iron fluorophosphate (Na2FePO4F) as a promising cathode material for SIBs. Because of its iron-based composition, which is generated from sustainable sources, Na2FePO4F offers a potential solution to the cost and supply difficulties related with LIBs. However, challenges exist, including low electronic conductivity and inferior electrochemical performance. To address these challenges, this research explores mechanochemically assisted solid-state synthesis routes as a low-cost and environmentally friendly approach. The characterization and performance evaluation of Na2FePO4F (NFPF) and NFPF/C positive electrode materials for sodium-ion batteries (SIBs) were systematically investigated through a range of analytical techniques, including XRD, TGA, SEM-EDS, FT-IR, and Raman analyses. A single-step solid-state synthesis demonstrates effectiveness in producing NFPF and NFPF/C-positive electrode materials. Moreover, Fe2O3 nanoparticles serve as the primary iron source in the solid-state synthesis of iron-based fluorophosphate Na2FePO4F/C, successfully producing both NFPF pristine phase and NFPF carbon-coated active materials. Finally, a comparison between the two synthesis pathways reveals that the active material from single-step solid-state synthesis exhibits a superior initial discharge specific capacity of 74.24 mAh⋅g−1 at 0.005 C, outperforming the double-step solid-state synthesis. These findings can contribute to the development of affordable and sustainable energy storage solutions, offering alternatives to traditional LIBs. / En akut omvandling från fossila bränslen till renare energikällor för att bekämpa klimatförändringarna har lett till ett utnyttjande av förnybar energi som sol-, vind- och tidvattenkraft. Emellertid hindrar dessa källors intermittenser deras bredare genomförande. För att komma till rätta med detta behövs storskaliga system för lagring av elektrisk energi (EES). Dessa system lagrar överskottsenergi under perioder med överskott och släpper ut den under toppbelastning, vilket förbättrar nätets tillförlitlighet. Sekundära batterier har utvecklats som lovande EES-lösningar på grund av deras tillförlitlighet, väderberoende och enkla underhåll. Medan litiumjonbatterier (LIB) är populära som sekundära batterier, kräver deras begränsade litiumtillgång och stigande kostnader kostnadseffektiva alternativ. Denna studie fokuserar på att utveckla natriumjärnfluorfosfat (Na2FePO4F) som ett lovande katodmaterial för SIB. På grund av sin järnbaserade sammansättning, som genereras från hållbara källor, erbjuder Na2FePO4F en potentiell lösning på kostnads- och försörjningssvårigheter relaterade till LIB. Men det finns utmaningar, inklusive låg elektronisk konduktivitet och sämre elektrokemisk prestanda. För att möta dessa utmaningar undersöker denna forskning mekanokemiskt assisterade syntesvägar i fast tillstånd som ett billigt och miljövänligt tillvägagångssätt. Karakteriseringen och prestandautvärderingen av Na2FePO4F (NFPF) och NFPF/C positiva elektrodmaterial för natriumjonbatterier (SIB) undersöktes systematiskt genom en rad analytiska tekniker, inklusive XRD, TGA, SEM-EDS, FT-IR och Raman analyser. En enstegs solid state-syntes visar effektivitet vid framställning av NFPF och NFPF/C-positiva elektrodmaterial. Dessutom tjänar Fe2O3-nanopartiklar som den primära järnkällan i solid state-syntesen av järnbaserat fluorfosfat Na2FePO4F/C, vilket framgångsrikt producerar både NFPF orörd fas och NFPF kolbelagda aktiva material. Slutligen avslöjar en jämförelse mellan de två syntesvägarna att det aktiva materialet från enstegs-solid-state-syntes uppvisar en överlägsen initial urladdningsspecifik kapacitet på 74,24 mAh⋅g−1 vid 0,005 C, vilket överträffar dubbelstegs-solid-state-syntesen. Dessa resultat kan bidra till utvecklingen av prisvärda och hållbara energilagringslösningar, som erbjuder alternativ till traditionella LIB.

In this work, the crystal growth as well as structural and magnetic investigations of several metal trichalcogenides compounds with a general formula M2X2Ch6 are presented. M stands for a main group metal or transition metal, X is an element of the IV or V main group and Ch is a chalcogen. In particular, these compounds are the phosphorus sulfides Fe2P2S6, Ni2P2S6 as well as intermediate compounds of the substitution regime (Fe1-xNix)2P2S6, the quarternary phosphorus sulfides CuCrP2S6 and AgCrP2S6 and the germanium tellurides Cr2Ge2Te6 and In2Ge2Te6. As members of the metal trichalcogenides, all these compounds have a van der Waals layered honeycomb structure in common. This layered structure in combination with their magnetic properties makes these compounds interesting candidate materials for the production of magnetic monolayers by exfoliation from bulk crystals. Crystals of the phosphorus sulfides were grown by the chemical vapor transport technique and, for the growth of the germanium tellurides, the self-flux growth technique was used. Crystals of all phases were extensively characterized regarding their morphology, chemical composition and homogeneity as well as regarding their crystal structure. The structural analysis, especially for Ni2P2S6, yields insight into details of the stacking order and disorder of the corresponding quasi-two-dimensional layers in the bulk. Regarding the magnetic properties, both Fe2P2S6 and Ni2P2S6 order antiferromagnetically but exhibit different magnetic anisotropies (i.e. Ising-like anisotropy for Fe2P2S6 and XYZ anisotropy for Ni2P2S6). In this context, it is surprising to find that compounds in the solid solution regime of (Fe1-xNix)2P2S6 up to x = 0.9 exhibit an anisotropic magnetic behavior that is comparable to Fe2P2S6 and, thus, indicative of Ising-like anisotropy. For CuCrP2S6 and AgCrP2S6, the ordering of the two different transition elements on the honeycomb sites yields more complex magnetic structures. The magnetic Cr3+ atoms in CuCrP2S6 order in a triangular arrangement and form an antiferromagnetic ground state with notable ferromagnetic interactions. AgCrP2S6 exhibits pronounced features of low dimensional magnetism resulting from the (quasi-)one-dimensional stripe-like arrangement of magnetic Cr3+ atoms and no onset of long-range magnetic order is unambiguously observed. Cr2Ge2Te6 exhibits ferromagnetic order and an anisotropic feature in the temperature dependence of the magnetization. Based on the magnetic phase diagrams for two orientations between the magnetic field and the crystallographic directions, the temperature dependence of the magnetocrystalline anisotropy constant as well as the critical exponents of the magnetic phase transition are extracted. Concluding from this, the magnetic interactions in Cr2Ge2Te6 are dominantly of two-dimensional nature and the anisotropy is uniaxial with the before mentioned anisotropic feature resulting from the interplay between magnetocrystalline anisotropy, magnetic field, and temperature. In2Ge2Te6 is diamagnetic as to be expected for a closed-shell system. Additional to the investigations on single crystals, the quasi-binary phase diagram of (Cu1-xAgx)CrP2S6 was investigated for regimes of solid solution behavior based on polycrystalline samples. Accordingly, isostructural substitution is most likely possible in the composition range of (Cu0.25Ag0.75)CrP2S6 to AgCrP2S6, potentially allowing to tune the magnetic interactions of the Cr sublattice indirectly by substitution on the Cu/Ag sublattice.:1. Introduction 1.1. M2X2Ch6 Class of Materials 1.2. Magnetism in Solid State Materials 1.2.1. Diamagnetism 1.2.2. Paramagnetism 1.2.3. Cooperative Magnetism 1.2.4. Magnetic Anisotropy 1.2.5. Magnetism in D < 3 1.2.6. Critical Exponents 2. Methods 2.1. Synthesis and Crystal Growth 2.1.1. Solid State Synthesis 2.1.2. Crystal Growth via the Liquid Phase 2.1.3. Crystal Growth via the Vapor Phase 2.2. X-ray Diffraction 2.2.1. Single Crystal X-ray Diffraction 2.2.2. Powder X-ray Diffraction 2.3. Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.3.1. Scanning Electron Microscopy 2.3.2. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.4. Magnetometry 2.5. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2.6. Specific Heat Capacity 3. M2P2S6 3.1. Ni2P2S6 3.1.1. Crystal Growth 3.1.2. Characterization 3.1.3. Magnetic Properties 3.1.4. 31P-NMR Spectroscopy 3.1.5. Stacking (Dis-)Order in Ni2P2S6 3.2. (Fe1-xNix)2P2S6 3.2.1. Synthesis and Crystal Growth 3.2.2. Characterization 3.2.3. Evolution of Magnetic Properties 3.3. Summary and Outlook 4. M1+CrP2S6 4.1. CuCrP2S6 4.1.1. Crystal Growth 4.1.2. Characterization 4.1.3. Magnetic Properties 4.2. AgCrP2S6 4.2.1. Crystal Growth 4.2.2. Characterization 4.2.3. Magnetic Properties 4.3. Polycrystalline (Cu1-xAgx)CrP2S6 4.3.1. Synthesis 4.3.2. Phase Analysis 4.4. Summary and Outlook 5. M2(Ge,Si)2Te6 5.1. Cr2Ge2Te6 5.1.1. Crystal Growth 5.1.2. Characterization 5.1.3. Magnetic Properties 5.1.4. Analysis of the Critical Behavior 5.2. In2Ge2Te6 5.2.1. Crystal Growth 5.2.2. Characterization 5.2.3. Magnetic Properties 5.2.4. Specific Heat 5.3. Summary and Outlook 6. Conclusion Bibliography List of Publications Acknowledgements Eidesstattliche Erklärung A. Appendix A.1. Scanning Electron Microscopic Images A.1.1. (Fe1-xNix)2P2S6 A.2. scXRD A.2.1. (Fe1-xNix)2P2S6 / In dieser Arbeit werden die Kristallzüchtung sowie strukturelle und magnetische Untersuchungen an mehreren Metalltrichalkogenid-Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel M2X2Ch6 vorgestellt. M steht für ein Hauptgruppen- oder Übergangsmetall, X ist ein Element der IV- oder V-Hauptgruppe und Ch ein Chalkogen. Insbesondere handelt es sich bei diesen Verbindungen um die Phosphorsulfide Fe2P2S6, Ni2P2S6 sowie um Verbindungen der Substitutionsreihe (Fe1-xNix)2P2S6, die quaternären Phosphorsulfide CuCrP2S6 und AgCrP2S6 sowie die Germaniumtelluride Cr2Ge2Te6 und In2Ge2Te6. Als Mitglieder der Metalltrichalkogenide haben alle diese Verbindungen eine van-der-Waals-Schichtstruktur mit Honigwabenmotiv gemein. Diese Schichtstruktur in Kombination mit ihren magnetischen Eigenschaften macht diese Verbindungen zu interessanten Kandidaten für die Herstellung von magnetischen Monolagen durch Exfoliation aus Volumenkristallen. Kristalle der Phosphorsulfide wurden mit der chemischen Dampfphasentransporttechnik gezüchtet und für die Züchtung der Germaniumtelluride wurde die Selbstflusstechnik verwendet. Die Kristalle aller Phasen wurden sowohl hinsichtlich ihrer Morphologie, chemischen Zusammensetzung und Homogenität als auch hinsichtlich ihrer Kristallstruktur umfassend charakterisiert. Die Strukturanalyse, insbesondere für Ni2P2S6, gibt Aufschluss über Details der Stapelordnung und -unordnung der entsprechenden quasizweidimensionalen Schichten im Volumen. Bezüglich der magnetischen Eigenschaften ordnen sowohl Fe2P2S6 als auch Ni2P2S6 antiferromagnetisch, zeigen aber unterschiedliche magnetische Anisotropien (d.h. Ising-artige Anisotropie für Fe2P2S6 und XYZ-Anisotropie für Ni2P2S6). In diesem Zusammenhang ist es überraschend, dass Verbindungen im Mischkristallregime von (Fe1-xNix)2P2S6 bis x = 0.9 ein anisotropes magnetisches Verhalten zeigen, das mit dem von Fe2P2S6 vergleichbar ist und daher auf Ising-artige Anisotropie hindeutet. Bei CuCrP2S6 und AgCrP2S6 führt die Anordnung der beiden unterschiedlichen Übergangselemente auf den Gitterplätzen der Wabenstruktur zu komplexeren magnetischen Strukturen. Die magnetischen Cr3+ Atome in CuCrP2S6 ordnen sich in einer Dreiecksanordnung an und bilden einen antiferromagnetischen Grundzustand mit ausgeprägten ferromagnetischen Wechselwirkungen. AgCrP2S6 weist deutliche Merkmale von niederdimensionalem Magnetismus auf, welche aus der (quasi-)eindimensionalen, streifenartigen Anordnung der magnetischen Cr3+ Atome resultieren, und das Einsetzen von langreichweitiger magnetischer Ordnung kann nicht eindeutig beobachtet werden. Cr2Ge2Te6 weist ferromagnetische Ordnung und einen anisotropen Verlauf der Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung auf. Anhand von magnetischen Phasendiagrammen für zwei Orientierungen zwischen Magnetfeld und kristallographischen Richtungen wurden die Temperaturabhängigkeit der magnetokristallinen Anisotropiekonstante sowie die kritischen Exponenten des magnetischen Phasenübergangs extrahiert. Hieraus ergibt sich, dass die magnetischen Wechselwirkungen in Cr2Ge2Te6 überwiegend zweidimensionaler Natur sind und die Anisotropie uniaxial ist, wobei der zuvor erwähnte anisotrope Verlauf aus dem Zusammenspiel von magnetokristalliner Anisotropie, Magnetfeld und Temperatur resultiert. In2Ge2Te6 ist diamagnetisch, wie es für ein System mit geschlossener Schale zu erwarten ist. Zusätzlich zu den Untersuchungen an Einkristallen wurde das quasibinäre Phasendiagramm von (Cu1-xAgx)CrP2S6 anhand von polykristallinen Proben auf Bereiche mit Mischkristallverhalten hin untersucht. Folglich ist eine isostrukturelle Substitution höchstwahrscheinlich im Zusammensetzungsbereich von (Cu0.25Ag0.75)CrP2S6 bis AgCrP2S6 möglich, was es erlauben könnte, die magnetischen Wechselwirkungen des Cr-Untergitters indirekt durch Substitution auf dem Cu/Ag-Untergitter zu beeinflussen.:1. Introduction 1.1. M2X2Ch6 Class of Materials 1.2. Magnetism in Solid State Materials 1.2.1. Diamagnetism 1.2.2. Paramagnetism 1.2.3. Cooperative Magnetism 1.2.4. Magnetic Anisotropy 1.2.5. Magnetism in D < 3 1.2.6. Critical Exponents 2. Methods 2.1. Synthesis and Crystal Growth 2.1.1. Solid State Synthesis 2.1.2. Crystal Growth via the Liquid Phase 2.1.3. Crystal Growth via the Vapor Phase 2.2. X-ray Diffraction 2.2.1. Single Crystal X-ray Diffraction 2.2.2. Powder X-ray Diffraction 2.3. Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.3.1. Scanning Electron Microscopy 2.3.2. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.4. Magnetometry 2.5. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2.6. Specific Heat Capacity 3. M2P2S6 3.1. Ni2P2S6 3.1.1. Crystal Growth 3.1.2. Characterization 3.1.3. Magnetic Properties 3.1.4. 31P-NMR Spectroscopy 3.1.5. Stacking (Dis-)Order in Ni2P2S6 3.2. (Fe1-xNix)2P2S6 3.2.1. Synthesis and Crystal Growth 3.2.2. Characterization 3.2.3. Evolution of Magnetic Properties 3.3. Summary and Outlook 4. M1+CrP2S6 4.1. CuCrP2S6 4.1.1. Crystal Growth 4.1.2. Characterization 4.1.3. Magnetic Properties 4.2. AgCrP2S6 4.2.1. Crystal Growth 4.2.2. Characterization 4.2.3. Magnetic Properties 4.3. Polycrystalline (Cu1-xAgx)CrP2S6 4.3.1. Synthesis 4.3.2. Phase Analysis 4.4. Summary and Outlook 5. M2(Ge,Si)2Te6 5.1. Cr2Ge2Te6 5.1.1. Crystal Growth 5.1.2. Characterization 5.1.3. Magnetic Properties 5.1.4. Analysis of the Critical Behavior 5.2. In2Ge2Te6 5.2.1. Crystal Growth 5.2.2. Characterization 5.2.3. Magnetic Properties 5.2.4. Specific Heat 5.3. Summary and Outlook 6. Conclusion Bibliography List of Publications Acknowledgements Eidesstattliche Erklärung A. Appendix A.1. Scanning Electron Microscopic Images A.1.1. (Fe1-xNix)2P2S6 A.2. scXRD A.2.1. (Fe1-xNix)2P2S6

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. / Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

Conventional resistance spot welds are not visible from the outside. Therefore, it is not straightforward to evaluate the joint quality non-destructively. The pulse-echo method of manual ultrasonic is widely used for non-destructive testing. Another option is the passive magnetic flux density testing, which is being developed at Technische Universität Dresden, Germany. The spot weld is magnetized in the normal direction and the residual magnetic flux density is measured on top of the surface of the joint. This method is suitable for spot welds on typical car body steels. Previous investigations show that the magnetic properties of the materials influence the test result. In order to develop this new non-destructive testing method further, it is necessary to know the magnetic properties of the different microstructure regions of a spot weld. This article focuses on methods to measure and evaluate the magnetic properties of these regions, especially of the base material and the weld. Different measuring methods and approaches are presented and compared with each other. Based on the results, recommendations for future measurements for magnetic characterizations are given.

In der vorliegenden Arbeit wird die Frage untersucht, ob effektive Eigenschaften von Verbunden auch nach dem Auftreten einer Dehnungslokalisierung aufgrund von entfestigendem Materialverhalten noch durch numerische Homogenisierungsmethoden berechnet werden können. Ihr Nutzen für diesen Anwendungsfall wird in der Literatur kritisch beurteilt. Aus diesem Grund werden hier systematisch alle Teilaufgaben betrachtet, die zu diesem Zweck gelöst werden müssen. Die erste dieser Aufgaben ist die Charakterisierung der einzelnen Verbundbestandteile. Zur Demonstration einer experimentell gestützten Charakterisierung wird ein glasfaserverstärktes Epoxidharz als Beispielmaterial gewählt. Neben der Beschreibung von Faser- und Matrixmaterial wird besonderes Augenmerk auf die Charakterisierung der Grenzschicht zwischen beiden gelegt. Die für die Glasfasern vorliegenden Festigkeitsmessungen entsprechen nicht der Kettenhypothese. Daher werden zahlreiche Verallgemeinerungen der Weibull-Verteilung untersucht, um störende Effekte zu erfassen. Schließlich werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen hergeleitet, die Faserbrüche im Bereich der Einspannung einbeziehen. Die Messwerte können von diesen Verteilungen gut wiedergegeben werden. Zusätzlich macht ihre Anwendung das aufwändige Aussortieren und Wiederholen jener Experimente unnötig, bei denen der Faserbruch im Klemmbereich auftritt. Zur Modellierung der Grenzfläche wird ein Kohäsivzonengesetz entwickelt. Die Bestimmung seiner Parameter erfolgt anhand von Daten aus Pullout- und Einzelfaserfragmentierungsversuchen. Aus diesen ermittelte Festigkeiten und Energiefreisetzungsraten weisen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden Versuchen auf. Dabei erfolgt die Parameteridentifikation mithilfe von Finite-Elemente-Modellen anstatt der häufig genutzten vereinfachten analytischen Modelle, welche üblicherweise eine schlechtere Übereinstimmung erreichen. Sobald eine Dehnungslokalisierung auftritt, ist neben der Materialmodellierung auch das Homogenisierungsschema zu verallgemeinern. Zu diesem gehören die Generierung repräsentativer Volumenelemente, Randbedingungen (RB) und ein Mittelungsoperator. Anhand des aktuellen Standes der Literatur werden die Randbedingungen als ein signifikanter Schwachpunkt von Homogenisierungsverfahren erkannt. Daher erfolgt die Untersuchung periodischer RB, linearer Verschiebungsrandbedingungen und minimal kinematischer RB sowie zweier adaptiver RB, nämlich Lokalisierungspfad-ausgerichteter RB und generalisiert periodischer RB. Unter der Bezeichnung Tesselationsrandbedingungen wird ein weiterer Typ adaptiver RB vorgeschlagen. Zunächst erfolgt der Beweis, dass alle drei adaptiven RB die Hill-Mandel-Bedingung erfüllen. Des Weiteren wird mittels einer Modifikation der Hough-Transformation ein systematischer Fehler derselben bei der Bestimmung der Richtung von Lokalisierungszonen eliminiert. Schließlich werden die Eigenschaften aller Randbedingungen an verschiedenen Beispielen demonstriert. Dabei zeigt sich, dass nur Tesselationsrandbedingungen sowohl beliebige Richtungen von Lokalisierungszonen erlauben als auch fehlerhafte Lokalisierungen in Eckbereichen ausschließen. Zusammengefasst können in der Literatur geäußerte grundlegende Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit numerischer Homogenisierungsverfahren beim Auftreten von Dehnungslokalisierungen aufgehoben werden. Homogenisierungsmethoden sind somit auch für entfestigendes Materialverhalten anwendbar. / The thesis at hand is concerned with the question if numerical homogenization schemes can be of use in deriving effective material properties of composite materials after the onset of strain localization due to strain softening. In this case, the usefulness of computational homogenization methods has been questioned in the literature. Hence, all the subtasks to be solved in order to provide a successful homogenization scheme are investigated herein. The first of those tasks is the characterization of the constituents, which form the composite. To allow for an experimentally based characterization an exemplary composite has to be chosen, which herein is a glass fiber reinforced epoxy. Hence the constituents to be characterized are the epoxy and the glass fibers. Furthermore, special attention is paid to the characterization of the interface between both materials. In case of the glass fibers, the measured strength values do not comply with the weakest link hypothesis. Numerous generalizations of the Weibull distribution are investigated, to account for interfering effects. Finally, distributions are derived, that incorporate the possibility of failure inside the clamped fiber length. Application of such a distribution may represent the measured data quite well. Additionally, it renders the cumbersome process of sorting out and repeating those tests unnecessary, where the fiber fails inside the clamps. Identifying the interface parameters of the proposed cohesive zone model relies on data from pullout and single fiber fragmentation tests. The agreement of both experiments in terms of interface strength and energy release rate is very good, where the parameters are identified by means of an evaluation based on finite element models. Also, the agreement achieved is much better than the one typically reached by an evaluation based on simplified analytical models. Beside the derivation of parameterized material models as an input, the homogenization scheme itself needs to be generalized after the onset of strain localization. In an assessment of the current state of the literature, prior to the generation of representative volume elements and the averaging operator, the boundary conditions (BC) are identified as a significant issue of such a homogenization scheme. Hence, periodic BC, linear displacement BC and minimal kinematic BC as well as two adaptive BC, namely percolation path aligned BC and generalized periodic BC are investigated. Furthermore, a third type of adaptive BC is proposed, which is called tesselation BC. Firstly, the three adaptive BC are proven to fulfill the Hill-Mandel condition. Secondly, by modifying the Hough transformation an unbiased criterion to determine the direction of the localization zone is given, which is necessary for adaptive BC. Thirdly, the properties of all the BC are demonstrated in several examples. These show that tesselation BC are the only type, that allows for arbitrary directions of localization zones, yet is totally unsusceptible to spurious localization zones in corners of representative volume elements. Altogether, fundamental objections, that have been raised in the literature against the application of homogenization in situations with strain localization, are rebutted in this thesis. Hence, the basic feasibility of homogenization schemes even in case of strain softening material behavior is shown.