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Neue elektrische Antriebskonzepte ermöglichen es, eine hohe Funktionalität in einem eingeschränkten Bauraum unterzubringen. Damit steigt auch in der Landwirtschaft das Interesse an elektrischen Antrieben. Die Projektgruppe Elektrische Maschinen und Antriebe der HTW Dresden beteiligt sich mit der TU Dresden an einem Projekt, bei dem beginnend mit der elektrisch angetriebenen Dreschtrommel umfassend an einem Mähdrescher untersucht wird, wie diese Antriebe in einzelne Funktionselemente integriert werden können. Neben der Auslegung der Antriebe werden Verfahren erarbeitet, die Verluste im Motor mit hoher Genauigkeit zu berechnen. So können in Zukunft passgenaue Kühlkonzepte für diese Antriebstechnik entwickelt werden. Anforderungen gerade im Bereich der Elektromobilität fordern den Blick für neue Materialien, deren elektromagnetisches und thermisches Verhalten werden in ihrem Einfluss auf die Erwärmung untersucht. Analytische und kombinierte Berechnungsmethoden in 2D-FEM gestatten die vereinfachte Rechnung unter Berücksichtigung von Grundwelle und entstehenden Harmonischen zu qualifizieren. Verlustberechnungen aus der transienten FEM-Rechnung ermöglichen diese Verbesserung. Die Methode wird am Beispiel der elektrischen Dreschtrommel mit den berechneten Verlustverteilungen beschrieben. Neue Methoden der 3D-FEM, wie sie die Software Ansys bietet, werden für die Nutzung von Einflüssen der Wirbelstromeffekte und in Auswertung für die Segmentierung von Permanentmagneten dargestellt. Die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag für weitere Schneidwerksantriebe am Mähdrescher, aber auch darüber hinaus in Projekten mit Herstellern elektrischer Maschinen. / New concepts for electrical drives make it possible to put a high functionality into a restricted structural form. Thereby the interest in electrical drives increases also in the farming. The project team Electrical machines and drives of the HTW Dresden participates together with the TU Dresden in a project, where starting with the electrically driven threshing cylinder is comprehensively examined at a combine harvester, how these drives can be integrated into single function elements. Besides the dimensioning of the drives are developed methods to calculate losses in the engine with high precision. So custom-fit cooling concepts can be developed for this drive technology in future. Requirements just in the area of the electric mobility call looking for new materials, whose electromagnetic and thermic behavior are examined in her influence on the warming. Analytical and combined computation methods in 2D-FEM allow the simplified calculation under consideration of the fundamental wave and the arising harmonic ones. Loss calculations by means of the transient FEM calculation make possible this improvement. The method is described at the example of the electrical threshing cylinder with the calculated loss distributions. New methods of the 3D-FEM, as the software of Ansys offers, are presented for the use of influences of the eddy current effects and in evaluation for the segmentation of permanent magnets. The exemplarily got knowledge provides a contribution for further cut header drives at the combine but also furthermore in projects together with manufacturers of electrical machines.

In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.

Wir stehen im fächerübergreifenden Dialog inner- und außerhalb der Universität und sind auch Ansprechpartner zu den wichtigen Fragestellungen der Zukunft – sei es in Lehre und Studium, in der Forschung, in der Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses oder im Transfer von Wissen und technologischem Know-how in Wirtschaft und Gesellschaft. Exemplarische Einblicke in die Chemnitzer Arbeit zu Themengebieten, die auf deutscher und europäischer Ebene als zukunftsweisend diskutiert werden, gibt diese Broschüre. / We invite you with this brochure to join us in the dialogue about our shared future.

Multi-metallic aerogels have recently emerged as a novel and promising class of unsupported electrocatalyst materials due to their high catalytic activity and improved durability for various electrochemical reactions. Aerogels can be prepared by a spontaneous one-step gelation process, where the chemical co-reduction of metal precursors and the prompt formation of the nanochain-consisting hydrogels, as a preliminary stage for the preparation of aerogels take place. However, detailed knowledge about the homogeneity and chemical distribution of these three-dimensional Pd-Pt aerogels at the nano-scale as well as at the macro-scale is still unclear to date. Therefore, we used a combination of spectroscopic and microscopic techniques to obtain a better insight into the structure and elemental distribution of the various Pd-rich Pd-Pt aerogels prepared by the spontaneous one-step gelation process. Synchrotron-based extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy and high-angle annular dark-field (HAADF) scanning transmission electron microscopy (STEM) in combination with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were employed in this work to uncover the structural architecture and chemical composition of the various Pd-rich Pd-Pt aerogels over a broad length range. The Pd80Pt20, Pd60Pt40 and Pd50Pt50 aerogels showed heterogeneity in the chemical distribution of the Pt and Pd atoms inside the macroscopic nanochain-network. Features of monometallic clusters were not detected by EXAFS or STEM-EDX, indicating alloyed nanoparticles. However, the local chemical composition of the Pd-Pt alloys strongly varied along the nanochains and thus within a single aerogel. To determine the electrochemically active surface area (ECSA) of the Pd-Pt aerogels for applications in electrocatalysis, we used the electrochemical CO stripping method. Due to high porosity and extended network structure, the resulting values of the ECSA for the Pd-Pt aerogels were higher than that for a commercially available unsupported Pt black catalyst. We show that the Pd-Pt aerogels possess a high utilization of catalytically active centers for electrocatalytic applications based on the nanostructured bimetallic framework. Knowledge about the homogeneity and chemical distribution of the bimetallic aerogels can help to further optimize their preparation by the spontaneous one-step gelation process and to tune their electrocatalytic reactivity.

This dissertation deals with the calculation of the mechanical properties, electronic structure, electronic transport, and optical properties of strained carbon nanotubes (CNTs). CNTs are discussed for straintronics as their electronic bands show a strong strain-sensitivity. Further, CNTs are stiff, possess a large rupture strain and they are chemically inert, which make them a suitable material in terms of reliability and functionality for straintronic devices. Therefore, this work aims to explore the potential of strain-dependent CNT devices with regard to their mechanical, electronic, and optical properties from a first-principles point of view. There is no work so far that systematically compares these strain-dependent, physical properties from ab initio calculations, which are suitable for small CNTs only, to tight-binding calculations, which are suitable to model large CNTs. First, the structural and mechanical properties of CNTs are investigated: Structural properties are obtained by geometry optimization of many CNTs using density functional theory (DFT). The mechanical properties of CNTs are calculated in the same way. The resulting stress-strain relations are investigated and their key parameters are systematically displayed with respect to the CNT chirality and radius. The ground state electronic properties are calculated using tight-binding models and DFT. Both methods are compared systematically and it is explored where the tight-binding approximation can be applied in order to obtain meaningful results. On top of the electronic structure, a transport model is used to calculate the current through strained CNTs. The model includes the effect of ballistic conductance, parametrized electron-phonon scattering and the influence of an applied gate voltage. Finally, a computationally efficient model is described, which is able to predict the current through strained CNT transistors and enables to find optimal operation regimes for single-chirality devices and devices containing CNT mixtures. Optical properties of strained CNTs are explored by calculating quasiparticle excitations by the means of the GW approximation and the solution of the Bethe-Salpeter equation for CNT excitons. Due to the numerical effort of these approaches, the data for just one CNT is obtained. Still, it is explored how the above-mentioned many-body properties can be related to the ground state results for this CNT. This finally leads to empirical approaches that approximately describe the many-body results from the ground state properties. It is elucidated how such a model can be generalized to other CNTs in order to describe the strain dependence of their optical transitions. / Diese Dissertation befasst sich mit der Berechnung der mechanischen Eigenschaften, der elektronischen Struktur, der Transport- und der optischen Eigenschaften von verspannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs). CNTs werden für die Straintronik diskutiert, da ihre elektronischen Bänder eine starke Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Weiterhin sind CNTs steif, besitzen eine hohe Zugfestigkeit und sind chemisch inert, weshalb sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität ein geeignetes Material für straintronische Bauelemente sind. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial von dehnungsabhängigen CNT-Bauteilen hinsichtlich ihrer mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften aus der Perspektive von first principles-Methoden zu untersuchen. Es gibt bisher keine Arbeit, in der die Ergebnisse verschiedener Methoden – ab initio-basierte Berechnungen für kleine CNTs und tight-binding Berechnungen, die näherungsweise die elektronische Struktur großer CNTs beschreiben – miteinander systematisch vergleicht. Einführend werden die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von CNTs untersucht: Strukturelle Eigenschaften ergeben sich durch Geometrieoptimierung vieler CNTs mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die mechanischen Eigenschaften von CNTs werden in gleicher Weise berechnet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden untersucht und deren relevante Parameter systematisch in Abhängigkeit von CNT-Chiralität und CNT-Radius dargestellt. Die Eigenschaften des CNT-Grundzustands werden unter Verwendung von tight-binding-Modellen und DFT berechnet. Beide Methoden werden systematisch verglichen und es wird untersucht, wo die tight-binding-Näherung angewendet werden kann, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Basierend auf der elektronischen Struktur der CNTs wird ein Transportmodell aufgesetzt, durch das der Strom durch verspannte CNTs berechnet werden kann. Dieses Modell beinhaltet den Einfluss der ballistischen Leitfähigkeit, Elektron-Phonon-Streuung in parametrisierter Form und den Einfluss eines Gates. Damit wird ein numerisch effizientes Modell beschrieben, das in der Lage ist, den Strom durch verspannte CNT-Transistoren vorherzusagen. Auf dessen Basis wird es möglich, optimale Arbeitsbereiche für reine CNT-Bauelemente und Bauelemente mit CNT-Mischungen zu berechnen. Die optischen Eigenschaften verspannter CNTs werden durch die Berechnung von Quasiteilchenanregungen mittels der GW-Approximation und der Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung für CNT-Exzitonen untersucht. Aufgrund des numerischen Aufwandes dieser Ansätze werden diese Daten für nur ein CNT erhalten. Daran wird der Zusammenhang zwischen den oben genannten Vielteilchen-Eigenschaften und den Grundzustandseigenschaften für dieses CNT demonstriert. Daraus ergeben sich empirische Ansätze, die es gestatten, die Vielteilchen-Ergebnisse näherungsweise auf die elektronischen Grundzustandseigenschaften zurückzuführen. Es wird dargestellt, wie ein solches Modell für andere CNTs verallgemeinert werden kann, um die Verspannungsabhängigkeit ihrer optischen Übergänge zu beschreiben.

Multi-metallic aerogels have recently emerged as a novel and promising class of unsupported electrocatalyst materials due to their high catalytic activity and improved durability for various electrochemical reactions. Aerogels can be prepared by a spontaneous one-step gelation process, where the chemical co-reduction of metal precursors and the prompt formation of the nanochain-consisting hydrogels, as a preliminary stage for the preparation of aerogels take place. However, detailed knowledge about the homogeneity and chemical distribution of these three-dimensional Pd-Pt aerogels at the nano-scale as well as at the macro-scale is still unclear to date. Therefore, we used a combination of spectroscopic and microscopic techniques to obtain a better insight into the structure and elemental distribution of the various Pd-rich Pd-Pt aerogels prepared by the spontaneous one-step gelation process. Synchrotron-based extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy and high-angle annular dark-field (HAADF) scanning transmission electron microscopy (STEM) in combination with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were employed in this work to uncover the structural architecture and chemical composition of the various Pd-rich Pd-Pt aerogels over a broad length range. The Pd80Pt20, Pd60Pt40 and Pd50Pt50 aerogels showed heterogeneity in the chemical distribution of the Pt and Pd atoms inside the macroscopic nanochain-network. Features of monometallic clusters were not detected by EXAFS or STEM-EDX, indicating alloyed nanoparticles. However, the local chemical composition of the Pd-Pt alloys strongly varied along the nanochains and thus within a single aerogel. To determine the electrochemically active surface area (ECSA) of the Pd-Pt aerogels for applications in electrocatalysis, we used the electrochemical CO stripping method. Due to high porosity and extended network structure, the resulting values of the ECSA for the Pd-Pt aerogels were higher than that for a commercially available unsupported Pt black catalyst. We show that the Pd-Pt aerogels possess a high utilization of catalytically active centers for electrocatalytic applications based on the nanostructured bimetallic framework. Knowledge about the homogeneity and chemical distribution of the bimetallic aerogels can help to further optimize their preparation by the spontaneous one-step gelation process and to tune their electrocatalytic reactivity.

Der Artikel beschreibt ein Vorgehen für transdisziplinäre Forschungsteams, die auf Basis der integrativen Rahmenkonzeption „Mensch-Cyber-Technik-System“ (Human-Cyber-Physical System) gemeinsame Forschungsfragestellungen bearbeiten möchten. Es wird eine Systematik skizziert, die am Beispiel versteh- und erklärbarer Künstlicher Intelligenz für die ausgewählte Applikation der „Modellierung von menschlichem Expertenwissen über die Elastizität von Materialien“ schrittweise erläutert wird.