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Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener physikalischer Parameter auf das Verhalten von Frequenz-abstimmbaren External-Cavity Quantenkaskadenlasern (EC-QCLs) theoretisch und experimentell. Diese beinhalten unter anderen die Antireflexschicht, die Art der Optiken, die geometrischen und die mechanisch/strukturellen Eigenschaften. Dies wurde erreicht durch Aufbau dreier sehr unterschiedlicher EC-Konfigurationen, der Diskussion und dem Vergleich ihrer Leistungsmerkmale und ihrer Vor- und Nachteile für verschiedene Anwendungen unter hauptsächlicher Verwendung von QCLs desselben Wafers der Vergleichbarkeit wegen. Für den letzten Teil dieser Arbeit wurde ein neuer Typus EC-QCL mit vielversprechenden Eigenschaften entwickelt, sodass wir glauben er hat das Potential das Littrow Design langfristig abzulösen. Dieses selbststabilisierende Design verwendet einen Retroreflektor als externen Reflektor. Für die Demonstration dieses Konzepts war die Entwicklung eines Tuning-Elements in Form eines Winkel-verstimmbaren Mittinfrarot-Bandpass-Interferenzfilters mit sehr hohem Gütefaktor vonnöten. Für das Design des Filters wurden Materialien mit sehr strengen Toleranzen bezüglich ihrer physikalischen und optischen Eigenschaften auf Basis von theoretischen Überlegungen ausgewählt und eine Fabrikationsmethode mit hochoptimierten Prozessparametern entwickelt. Die ersten Filter auf Basis von Yttriumfluorid/Yttriumoxid/Germanium/Silizium haben eine Transmissionsbandbreite von 0.14% der Zentralwellenlänge und eine maximale Transmission von etwa 60%. Die EC Konfiguration resultierte in verminderter Empfindlichkeit gegenüber Mechanischen Störungen des Reflektors um zwei Größenordnungen. Das Design behebt die grundsätzliche Limitierung des Littrow Designs bezüglich Miniaturisierung, da kein großer Strahldurchmesser vonnöten ist um kleine Bandbreiten des Littrowgitters zu erreichen. / This thesis thoroughly investigates theoretically and experimentally the effects many physical parameters have on the performance of Tunable External-Cavity Quantum-Cascade Lasers (EC-QCLs). These include, among others, the anti-reflection coating, the type of optics, and the geometrical as well as mechanical and structural properties of the EC setup. This was done by assembling three very different EC setups and comparing and discussing their performance, as well as advantages and disadvantages for different purposes using mainly QCLs from the same original wafer for better comparability. For the last part of this thesis, a new type of EC-QCL configuration was developed with properties so promising that we believe it has the potential to replace the Littrow Cavity in the long term. This is an alignment-stabilized and interference filter-tuned design using a retroreflector as the external reflector. For the demonstration of this concept, development of the tuning element in the form of an angle-tunable high-Q mid-infrared bandpass filter was necessary. For the design of the filter, materials with very strict tolerances on the physical and optical properties were selected from theoretical considerations and a fabrication method with highly optimized process parameters was developed. The first filters on the basis of yttrium fluoride/yttrium oxide/germanium/silicon have a transmission bandwidth of 0.14% of the central wavelength and a peak transmission of approximately 60%. The EC configuration resulted in a sensitivity reduction to mechanical perturbations of the reflector by two orders of magnitude, with a calculated potential for three orders of magnitude using optimized optics. This design lifts the fundamental constraint on miniaturization imposed on the Littrow design that requires large beam diameters to ensure a small bandwidth of the Littrow grating.

The wetting behavior of water on methacrylate copolymer films was studied on anodically oxidized and micro-roughened aluminium surfaces and also on smooth model surfaces. The copolymerization of tert-butyl methacrylate with a methacrylate containing a fluoroorganic side chain led to a considerable decrease of the surface free energy, but not to a superhydrophobic behavior of polymer-coated, micro-roughened aluminium surfaces. However, copolymers containing both hydrophobic and hydrophilic sequences are able to form superhydrophobic films. X-ray photoelectron spectroscopy showed that an enrichment of the interface between the solid phase and the air by fluorine-containing polymer components was the reason for the strong decrease of the surface free energy. The hydrophilic segments of the copolymers improved the ability to wet the highly polar aluminium surface and to form films of higher density.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Dimensionierung und Konstruktion von Bewehrungstextilien für die Anwendung in Textilbeton werden in Abhängigkeit von der resultierenden Last im Bauteil durchgeführt. Um aus der Vielzahl möglicher Varianten von Bewehrungsstrukturen die passenden auszuwählen, wird ein reduziertes Beschreibungsschema zur Auswahl herangezogen. Als Anwendungsbeispiel wird eine komplexe Bewehrungsstruktur beschrieben, die für dünnwandige, selbsttragende Sandwichelemente genutzt wird. Die Sandwichelemente werden als Wandund Dachkonstruktion für ein 20 m² großes modulares Gebäude eingesetzt. Die Bewehrungsstrategie für die Elemente sowie die Herstellungstechnik und Prüfverfahren für die Bewehrung werden beschrieben. Zur Langzeitüberwachung der Sandwichelemente wird ein Monitoring-System verwendet.

AR-Glas wird in Form von Multifilamentgarn zur Verstärkung in textilbewehrtem Beton eingesetzt. Während des Herstellungsprozesses wird auf die AR-Glasfilamente die Schlichte aufgebracht, deren chemische Zusammensetzung maßgeblich die Qualität der Filament-Matrix-Grenzschicht bestimmt, sowie die chemische Beständigkeit im alkalischen Milieu gewährleistet. Zur Beurteilung der chemischen Beständigkeit in alkalischer Umgebung werden beschleunigte Alterungsversuche in wässrigen, alkalischen Lösungen durchgeführt. Die Reaktion von Hydroxid-Ionen mit dem Si-O-Si-Gruppen des Glasnetzwerkes führt zur Ausbildung hydratisierter Oberflächen und gelösten Silikaten. Das Ausmaß der Glaskorrosion ist von der chemischen Zusammensetzung der Glasfaser, der Schlichte bzw. Beschichtung und der alkalischen Lösung sowie von Zeit und Temperatur abhängig. Die beschleunigte Alterung von verschiedenen AR-Glasfasern in NaOH-Lösung sowie Zementlösung zeigt, dass sich der Korrosionsmechanismus aufgrund der vorhandenen Calcium-Ionen unterscheidet. Die Filamentbruchspannung wird anhand der Weibull-Verteilungsfunktion analysiert. Das mechanische Verhalten hängt deutlich von der chemischen Zusammensetzung der Alterungslösung ab, was zu unterschiedlichen Parametern der Weibull-Verteilungsfunktion sowie vermengten Verteilungen führen kann. Die Alterung in NaOH-Lösung führt zur Ausbildung einer korrodierten Schicht an der Filamentoberfläche. In Ca-haltigen Zementlösungen kommt es dagegen zu einer lokal begrenzten Korrosion. Für die Beurteilung verschiedener Polymerbeschichtungen werden Betonverbunde bei unterschiedlichen Temperaturen und Umgebungsfeuchten gelagert, wodurch geeignete Alterungsbedingungen evaluiert werden und den Vergleich der chemischen Beständigkeit unterschiedlicher Beschichtungen ermöglichen. / Rovings made of AR-glass are used in textile reinforced concrete. During the manufacturing process the sizing is applied on the AR-glass filaments. The chemical constitution of the sizing determines the quality of the filament-matrix-interface but also the chemical durability of the glass filaments in alkaline environment. The durability is evaluated by accelerated ageing tests in aqueous, alkaline solutions. In alkaline solutions, the reaction of hydroxyl ions with Si-O-Si-groups of the glass network leads to the formation of hydrated surfaces and dissolved silicate. The rate of this corrosion depends on the chemical constitution of the fibre and the alkaline solution as well as on time and temperature. The investigation of the ageing of glass fibres with different chemical constitutions in NaOH and cement solutions shows that the corrosion mechanism changes due to the inhibiting effect of calcium ions. The strength distributions have been evaluated using a Weibull distribution function. The mechanical behaviour strongly depends on the chemistry of the solution and determines the parameters of the Weibull distribution function in terms of either single or mixed distributions. The corrosion in NaOH solution leads to a strong dissolution of the outer layer of the glass fibres, whereas during aging in cement solution at the same pH-value a limited, local attack was revealed. The evaluation of polymer coatings is realised by the ageing of concrete composites at different temperatures and humidities to deduce adequate ageing conditions for the comparison of different coatings.

Die vorliegende Arbeit verfolgte die Zielstellung der Substitution des etablierten Weißmetalls als Laufschicht von hydrodynamischen Mehrflächengleitlagern durch neuartige Kunststoffschichten. Dazu wurden vergleichende Bauteilversuche an Mehrflächengleitlagern mit verschiedenen Laufschichten und Bohrungsformen vorgenommen. Eine Zinnbasislegierung als Laufflächenbeschichtung diente dabei als Referenzwerkstoff. Zur Durchführung des Versuchsprogrammes kam ein vorhandener, messtechnisch neu konditionierter Turbinenlagerprüfstand zum Einsatz. Die Versuchsreihen haben durchweg positive Beurteilungen der Lagerkennwerte im untersuchten Betriebsbereich der neuen Lagervarianten ergeben. Die neuartigen Laufschichtvarianten erfüllten die hohen tribologischen und thermischen Anforderungen. Einzelne Abweichungen der ermittelten Kennwerte wurden zahlenmäßig dokumentiert und können mit bereits verfügbaren physikalischen Modellen beschrieben werden. Die Ergebnisse erwiesen sich als unabhängig von der Lagerbauform aber abhängig von der gewählten Schichtvariante. Die Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter hydrodynamischer Dauerbelastung sowie im Mischreibungsgebiet und im Notlaufbetrieb führten zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Mischreibungsgebiet wiesen die untersuchten Lager kaum Unterschiede im Betriebsverhalten auf. Im Dauerversuch zeigten die Lager mit Weißmetall, Gleitlack und Keramikschicht hervorragende Eigenschaften. Die Variante Klüberplast besaß eine ungenügende Bindefestigkeit und führte zu plastischen Verformungen der Schicht infolge der hydrodynamischen Drücke. Im Notlaufbetrieb übertrafen die untersuchten Kunststoffvarianten die Standzeiten des Referenzwerkstoffs Weißmetall. / The aim of this study was to identify and test an alternative liner material instead of common liner materials such as white alloy for multi-lobe radial bearings. For this purpose comparative tests with different radial bearings were carried out. The white alloy material was taken as a reference. In preparation for these test series, the measurement system of the turbine bearing test rig was upgraded. Experiments showed beneficial performances of the bearings with a plastic liner by evaluating the static and dynamic properties of different bearing geometries and liner thicknesses under a wide range of operating conditions. The new bearings fulfilled the high tribological and thermal requirements. Observed deviations of the determined parameters were documented in number and can be described with available physical models. The results were independent of the bearing type and depending on the selected liner material variant. The studies on operating performance in continuous operation in the mixed friction area and in dry running operation led to partially different results. The mixed friction tests showed little difference in the examined stock performance. The bearings with white alloy, ceramic layer and bonded coating showed excellent fatigue properties of long-term experiment. On Klüberplast insufficient bonding strength and plastic deformation of the layer due to the hydrodynamic pressure was found. In the dry running operation the investigated polymers exceeded the lifetime of the referencematerial white alloy.

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. In der zweiten Versionierung der Dissertationsschrift wurde auf S. IV im Vorwort, sowie auf S.72, Kapitel 4.2 eine ergänzende Nennung eines Instituts und Kooperationspartners hinzugefügt. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.

With the growing demands for bone implant therapy, titanium (Ti) and its alloys are considered as appropriate choices for the load-bearing bone implant substitutes. However, the interaction of bare Ti-based implants with the tissues is critical to the success of the implants for long-term stability. Thus, surface modifications of Ti implants with biocompatible hydroxyapatite (HAp) coatings before implantation is important and gained interest. Sol-gel is a potential technique for deposition the biocompatible HAp and has many advantages over other methods. Therefore, this review strives to provide widespread overview on the recent development of sol-gel HAp deposition on Ti. This study shows that sol-gel technique was able to produce uniform and homogenous HAp coatings and identified the role of surface pretreatment of Ti substrate, optimizing the sol-gel parameters, substitution, and reinforcement of HAp on improving the coating properties. Critical factors that influence on the characteristics of the deposited sol-gel HAp films as corrosion resistance, adhesion to substrate, bioactivity, morphological, and structural properties are discussed. The review also highlights the critical issues, the most significant challenges, and the areas requiring further research.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.