Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2002. / Vita. Includes bibliographical references. Available also from UMI Company.

Plasmapolymer-Metall-Compositschichten werden durch alternierende Plasmapolymerisation und thermische Verdampfung hergestellt. Dabei entsteht ein Mehrlagensystem aus Plasmapolymergrund-, Composit- und Plasmapolymerdeckschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 100 nm. Die Informationen ueber Groesse, Form und Verteilung der dispers eingelagerten Nanometallpartikel werden unter dem Begriff Mikrostruktur zusammengefasst. Deren Bestimmung erfolgt durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Verbindung mit optischer Bildverarbeitung. Die Mikrostruktur veraendert sich unter Normalbedingungen nicht. Veraenderungen werden zunaechst durch thermische Ausheizung induziert und im TEM nachgewiesen. Lokal begrenzte Mikrostrukturveraenderungen koennen durch eine Laser-Bestrahlung (NdYAG:1064 nm) induziert werden. Die optischen Eigenschaften des Mehrlagensystems werden nach der Herstellung und nach thermischer Ausheizung bzw. Laser-Bestrahlung bestimmt. Deren Veraenderungen werden unter der Verwendung von Effektivmedien (Maxwell-Garnett, Bergman) modelliert und in Bezug zu Veraenderungen von Partikelgroesse und -form gesetzt. Die zu Mikrostrukturveraenderungen fuehrenden physikalischen Prozesse werden durch Ausheizungen in situ im TEM untersucht. In Abhaengigkeit von der Mikrostruktur vor Beginn der Ausheizung und erreichter Temperatur waehrend der Ausheizung werden Rekristallisation und atomare Diffusion (Ostwald-Reifung, Koaleszenz) gefunden. Unter Hochaufloesungsbedingungen im TEM wird erstmals eine elektronenstrahlinduzierte Koaleszenz von matrixeingelagerten Silberpartikeln in situ beobachtet. Bei der externen Elektronenbestrahlung in einer UHV-Apparatur werden die gefundenen Prozesse bei elektronenstrahlinduzierten Mikrostrukturveraenderungen ausgenutzt. Die gegenwaertige Aufloesung liegt bei der Modifizierung von Linien der Breite von 2 Mikrometer bei einem Abstand von 4 Mikrometer.

In order to incorporate fiber-reinforced composite materials in space structures, adhesive joining techniques are required. Because analytical models have a hard time capturing the complex stress state inherent to adhesively joining dissimilar materials, a different modeling technique was deemed necessary. A two-dimensional axisymmetric finite element model capable of capturing the three-dimensional stress state of cylindrical adhesive joints was developed. In order to rigorously validate the model, testing was undergone to ensure the model accurately predicted joint displacements. Displacement data was acquired via an Epsilon axial extensometer. Load data was taken simultaneously via the load cell incorporated in the Tinius Olsen tensile test machine used. The measured force vs. displacement data was found to agree with the model’s predicted displacement for a given load. Displacement data was also taken, again with the extensometer, as the joints were rapidly cooled to liquid nitrogen temperature. It was found that the joints behave much like laminated plates in that after the first several cycles they “settle down”. The term “settle down”, in this context, means that after the first several cycles the displacements of the joints when placed from a room temperature environment to a cryogenic environment become consistent and smooth. This result allows for the joints to be modeled. The finite element model was shown to accurately predict the settled down displacement given the prescribed temperature change. The joints were also shown to maintain structural integrity post thermal cycling. Transient temperature tensile tests were performed until sample failure. One result with major design implication coming from this test was that the material properties do not change significantly enough over the temperature range tested to affect the joint’s behavior. The same properties used in the room temperature model were used to model the measured data of the transient temperature data and were found to match satisfactorily. Having validated that the developed axisymmetric finite element model accurately predicts cylindrical joint displacement fields, the model becomes an invaluable tool in design. The model can now be used in confidence, in conjunction with design requirements for a specific joint, to reduce the maximum displacements below any specified operating requirements.

This master’s thesis deals with origin, structure and mechanical properties of architectured material. The theoretical part deals with composits and theory of architectured materials. Further, the cold spray technology is described and it is used to create the network of grooves in the architectured material. In the experimantal part the influence of groof geometry and profil on the mechanical properties of the resulting architectured material is researched. Microstructure and hardness of the samples were also examined.

Plasmapolymer-Metall-Compositschichten werden durch alternierende Plasmapolymerisation und thermische Verdampfung hergestellt. Dabei entsteht ein Mehrlagensystem aus Plasmapolymergrund-, Composit- und Plasmapolymerdeckschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 100 nm. Die Informationen ueber Groesse, Form und Verteilung der dispers eingelagerten Nanometallpartikel werden unter dem Begriff Mikrostruktur zusammengefasst. Deren Bestimmung erfolgt durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Verbindung mit optischer Bildverarbeitung. Die Mikrostruktur veraendert sich unter Normalbedingungen nicht. Veraenderungen werden zunaechst durch thermische Ausheizung induziert und im TEM nachgewiesen. Lokal begrenzte Mikrostrukturveraenderungen koennen durch eine Laser-Bestrahlung (NdYAG:1064 nm) induziert werden. Die optischen Eigenschaften des Mehrlagensystems werden nach der Herstellung und nach thermischer Ausheizung bzw. Laser-Bestrahlung bestimmt. Deren Veraenderungen werden unter der Verwendung von Effektivmedien (Maxwell-Garnett, Bergman) modelliert und in Bezug zu Veraenderungen von Partikelgroesse und -form gesetzt. Die zu Mikrostrukturveraenderungen fuehrenden physikalischen Prozesse werden durch Ausheizungen in situ im TEM untersucht. In Abhaengigkeit von der Mikrostruktur vor Beginn der Ausheizung und erreichter Temperatur waehrend der Ausheizung werden Rekristallisation und atomare Diffusion (Ostwald-Reifung, Koaleszenz) gefunden. Unter Hochaufloesungsbedingungen im TEM wird erstmals eine elektronenstrahlinduzierte Koaleszenz von matrixeingelagerten Silberpartikeln in situ beobachtet. Bei der externen Elektronenbestrahlung in einer UHV-Apparatur werden die gefundenen Prozesse bei elektronenstrahlinduzierten Mikrostrukturveraenderungen ausgenutzt. Die gegenwaertige Aufloesung liegt bei der Modifizierung von Linien der Breite von 2 Mikrometer bei einem Abstand von 4 Mikrometer.

Das Prinzip eines Schwungmasseenergiespeichers (kurz SMS), d. h. kinetische Energie in rotierenden Massen zu speichern, ist bekannt. In den letzten Jahren haben SMS durch ihre Eigenschaft, große Leistungen bei hohen Zyklenzahlen aufzunehmen/abzugeben, an Attraktivität gewonnen. Durch Neu- und Weiterentwicklungen auf den Gebieten der Leistungselektronik, bei der Herstellung hochfester Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (kurz CFK, von: carbonfaserverstärkter Kunststoff) für Rotor und Schwungmasse und in der Lagertechnik sind energieeffiziente und sichere SMS bis zu 150 kWh machbar. Mit einem Leistungsband von 0,5-50 MW eignet sich die SMS-Technologie zur Stabilisierung von Verbundnetzen. Dieser Beitrag gibt einen generischen Einblick in die ingenieurwissenschaftlichen Arbeiten an einer Hochgeschwindigkeitsschwungmasse. Dazu wird die strategische Herangehensweise vorgestellt. Die Herausforderungen bei der Gestaltung der hybriden Metall-CFK-Strukturen des Laufzeugs werden vertieft. / The principle of a flywheel storage system (FSS for short), i.e., to store kinetic energy in rotating masses, is well described. In recent years, FSS have become more attractive due to their ability to receive/deliver large power at high cycle rates. Due to new and further developments in the fields of power electronics, in the production of high-strength materials such as carbon fiber reinforced plastics (short CFRP) for rotor and flywheel and in bearing technology, energy-efficient and safe FSS up to 150 kWh are possible. With a power range of 0.5-50 MW, FSS technology is suitable for stabilizing interconnected power grids. This paper gives a generic insight with respect to the engineering work on a high-speed flywheel. The strategic approach is presented. The design challenges regarding the hybrid metal-CFRP structures of the rotating assembly are deepened.

Ce travail de thèse, en partenariat avec l’entreprise ALSTOM, s’inscrit dans une logique de remplacement de pièces industrielles en alliage métallique par des pièces composites pour l’allègement des structures. L’objectif est de contribuer à l’écriture de règles de dimensionnement permettant au partenaire industriel de certifier des pièces structurales annulaires réalisées en composite à matrice thermoplastique thermostable (TPTS) renforcée par des fibres de carbone pour des applications embarquées sur machine tournante. Il s’agit plus exactement de déterminer la durée de vieen fatigue de ces pièces, en particulier en présence d’endommagement, et lorsque celles -ci sont soumises aux chargements inertiels et thermiques de service.Au cours de ce travail de thèse, une méthodologie a été développée afin de répondre à cette demande. La stratégie a consisté à reproduire,à l’échelle d’éprouvettes de laboratoire, l’état de contrainte multi-axial et l’endommagement auxquels la structure industrielle est soumise, et ce en développant et optimisant un essai de traction sur des éprouvettes annulaires entaillées. Les essais multi axiaux plus classiques mettant en œuvre des sollicitations par pression interne présentent effectivement de nombreux problèmes techniques et sécuritaires lorsqu’ils doivent être mis en œuvre à chaud.Une fois la configuration d’essai sur anneau optimisé par simulation numérique, des essais ont été réalisés afin de confirmer l’apparition des endommagements escomptés à l’aide de techniques de contrôle non-destructif. Les essais cycliques réalisés dans cette configuration ont montré une excellente résistance du matériau en fatigue, en particulier pour un ratio de chargement R de 0.5, proche des conditions de service. Les résultats ont également soulignés le fort potentiel restant de ces structures, même après un grand nombre de cycles de chargement. / The objective of this thesis work, in partnership with ALSTOM Company, is to contribute to the writing of design rules in order to qualify and certify annular structures made of thermostable thermoplastic matrix composite reinforced by carbon fibre. These structures are used in rotating machines for embedded applications.This work proposes an innovative methodology to achieve this goal. It consists in reproducing, at the scale of a laboratory specimen, the multiaxial stress and damage states to which the industrial structure is subjected in-service byoptimizing a tensile test on annular notched specimen. More conventional multiaxial tests, based on internal pressureand tensile loading are particularly unsafe and difficult to be performedwhen implemented at elevated temperature.After the optimisation of the ring configuration by numerical simulation, experimental tests were performed to validatethe appearance of the expected damage under loading. Damage was characterized using non-destructive techniques suchas acoustic emission and infrared thermography. The cyclic tests achieved using this configuration showed high fatiguestrength of this material, in particular for a ratio R of 0.5 (equivalent to thein-service ratio). The results also highlight thegreat remaining strength and rigidity of these structures, even after a large number of cycles.

This master' thesis deal with the desiggning of steel bearing structure of road bridge with span of 48,5m with lower bridge deck, which cross local road over the river Thaya in the town Znojmo. Three variants have been designed of arched bridge. The most economical variant was prepared in detail and wascarried out static assessment of individual elements and selected details. In detail solved variant is the bridge with free staing arches and lower bredge deck with composite crosspiece. The span of bridge is 48,5m, width of bridge is 11,5meters, free width of main trafic area 6,5m. Camber of bridge 8,0m

Polyamide 6/SiO2 hybrid materials were produced by a coupled polymerization reaction of three monomeric components namely 1,1′,1′′,1′′′-silanetetrayltetrakis-(azepan-2-one) (Si(ε-CL)4), 6-aminocaproic acid (ε-ACA) and ε-caprolactam (ε-CL) within one process. Si(ε-CL)4 together with ε-ACA has been found suitable as a precursor monomer for the silica and PA6 components. The accurate adjustment of the molar ratio of both components, as well as the combination of the overall process for producing the polyamide 6/SiO2 hybrid material with the hydrolytic ring opening polymerization of ε-caprolactam is of great importance to achieve homogeneous products with a low extractable content. Water in comparison with ε-ACA has been found unsuitable as an oxygen source to produce uniformly distributed silica. The procedure was carried out in a commercial laboratory autoclave at 8 bar initial pressure. The molecular structure and morphology of the hybrid materials have been investigated by solid state 29Si and 13C NMR spectroscopy, DSC and FTIR spectroscopy and electron microscopy measurements. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Mit der Entwicklung und Einführung ökologischer Bauweise im Neubau sowie neuen Baustoffsystemen in Sandwichbauweise wird es zunehmend erforderlich, neue effektive Befestigungsvarianten zu entwickeln, die eine dauerhafte Fixierung auch unter sicherheitstechnischen Bestimmungen sowie aus Garantie- bzw. haftungsrechtlichen Gründen ermöglichen. Die aus der Praxis bisher bekannten chemischen Befestigungssysteme (Zweikomponentenverbundmörtel, Verbundankerpatronen) weisen hinsichtlich der Applikation unter bautechnischen Bedingungen noch einige Nachteile auf. Dazu gehören vor allem längere Aushärtungszeiten zur Realisierung der abschließenden Verbundfestigkeit, Inhomogenitäten im Verbund, der Einsatz toxischer Verbindungen und eine Limitierung der Applikationsmöglichkeiten in horizontalen und Überkopf-Einsatzbereichen sowie Hohlkammersystemen. Alle zuvor genannten Punkte haben bis jetzt die Nutzung solcher Verbundwerkstoffe als universale Anwendungsmöglichkeit verhindert. Ein neues chemisches Befestigungssystem, welches aus Novolak gehärteten mit Hexamethylentetramin (Hexa) und anorganischen Füllstoff besteht, wurde für Applikationen in Beton entwickelt. Das Bindemittel härtet bei der Temperaturzuführung aus. Die unkatalysierte Befestigungsmasse zeigt bei einer Temperatur zwischen 150-300 °C eine hohe Reaktivität. Die Vorteile dieses Systems sind die unbegrenzte Lagerfähigkeit der vorgemischten härtbaren Masse sowie die Gewährleistung einer homogenen Netzwerkstruktur im gesamten Verbund und sie ist frei von giftigen und flüchtigen Substanzen. Auf den Einsatz toxischer Substanzen wurde verzichtet. In dieser Arbeit wurde die Gesamtkinetik der Reaktion während des Aushärtungsprozesses dieser Polymerkomposite untersucht. Die DSC- (nicht-isothermen, isothermen) und MDSC-Untersuchungen haben sich als ein sicheres Verfahren zur Qualitätskontrolle des Aushärtezustands der Befestigungssysteme herausgestellt. Parallel zur nicht-isothermischen und isothermischen DSC wurden Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt, um den Endpunkt der Aushärtungsreaktion zu bestimmen. / The development and introduction of ecological construction methods and the use of sandwich materials make it necessary to develop new fixing systems and technologies. Dealing with the application in concrete and other substrates commercial chemical fixing systems show some disadvantages up to date. Especially the rather long curing time in order to realize the final bond strength, inhomogenities in the composite, the partial use of toxic substances and application limits of such systems in horizontal direction as well as hollow section materials has so far prevented the use of such composites for all-purpose applications. A new chemical fixing system, which consists of hexamethylene tetramine (hexa) cured novolac and inorganic filler, was developed for application in concrete. It is applied by a thermo-curing procedure. The uncatalyzed curable mixture has a high reactivity at temperature between 150-300 °C. Compared with commercial chemical fixing systems, the premixed curable mass has many benefits. First it has a unique storage stability and second, it is free of toxic and volatile substances. Another important aspect is, it is self-foaming. In this study was investigated the overall kinetics of the reaction during the curing process of these polymer composites. An appropriate method for this experiment proved to be the DSC in isothermal and non-isothermal mode and MDSC. This turned out to be a safe quality control technique for these systems. Parallel to the non-isothermal and isothermal DSC conductivity measurements have been performed to determine the end point of the curing reaction.