Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob das Drahtziehverfahren bereits im Altertum zur Anwendung kam und nicht, wie in der bisherigen Forschung angenommen, erst im Frühmittelalter einsetzte. Um diese Fragestellung zu klären, wurden Drähte unterschiedlicher Produktgattungen untersucht und experimentalarchäologisch mit der Expertise des Goldschmieds und Restaurators Frank Willer nachgeahmt. Während einige Drähte aus einem Blech gezogen sind, konnte für den Draht des Kettenpanzers aus der Tiefenau bei Bern anhand einer metallographischen Analyse das Ziehen aus einem massiven Rohling nachgewiesen werden. Auch die Untersuchung der für das Drahtziehen benötigten Werkzeuge unterstützt die Annahme, dass das Drahtziehverfahren früher als bisher vermutet bekannt gewesen war. Durch eine materialwissenschaftliche Analyse der Zieheisen und -bronzen konnte nachgewiesen werden, dass diese Werkzeuge den Anforderungen für das Ziehen von Drähten entsprechen. Ein weiteres Argument für das Drahtziehen im Altertum besteht aus der chronologischen und geographischen Korrelation zwischen dem Einsetzen von Kettenpanzern und dem Aufkommen von Zieheisen innerhalb des Latènekreises. Für die Produktion von Kettenpanzern wurde Draht in großen Mengen benötigt, weswegen die Nutzung des im Vergleich ökonomischeren Drahtziehverfahrens naheliegend ist. Somit lässt sich das Ziehen von Drähten zwar schon vereinzelt für die Bronzezeit nachweisen, doch eine weite Verbreitung dieser Innovation geschieht erst ab der Früh- oder Mittellatènezeit mit der Nutzung von Kettenpanzern. Solch eine verzögerte Diffusion einer Innovation stellt keine Ausnahme innerhalb der Technikgeschichte dar und ist dadurch zu erklären, dass eine Innovation, die nicht fortgeführt wurde, an einem geographisch und zeitlich unterschiedlichem Punkt der Geschichte erneut auftreten kann, da es sich um eine konvergente Entwicklung handelt, bei der dieselben Rahmenbedingungen und Anforderungen vorliegen. / The doctoral thesis examines the question of whether the wire drawing process was already used in antiquity and not, as assumed in previous research, first began in the early Middle Ages. In order to elucidate this question, the wires of different products were examined and imitated experimentally with the expertise of the goldsmith and conservator Frank Willer. While some wires were drawn from a sheet metal, by metallographic analysis the wire of the mail armour from Tiefenau near Bern was drawn from a solid blank. The investigation of the tools required for wire drawing also supports the assumption that the wire drawing process was known earlier than previously assumed. A materials science analysis of the drawplates showed that these these Bronze and Iron Age tools met the requirements for wire drawing. Another argument for wire drawing in antiquity is the chronological and geographical correlation between the introduction of mail armour and the frequent use of drawplates within the Latène circle. The production of mail armour required considerable quantities of wire, so the use of the more economical wire drawing process compared to hammering or torsion techniques is obvious. Although the drawing of wire can be proven for the Bronze Age in certain cases, this innovation was not widely spread and established until the Early or Middle Latène Period onwards with the use of mail armour and the accompanying higher demand for wires. Such a delayed diffusion of an innovation is not an exception within the history of technology and can be explained by the fact that an innovation that was not continued can reappear at a geographically and temporally different point in history, since it is a convergent development in which the same underlying conditions and requirements are present.

PV solar cells and modules have to show high-efficiency at very low cost. The idea of the project is to understand and test the feasibility of an all-aluminum-silicon (AlSi)-wired solar cell and solar module enabling an easy cell string for module assembly. The cell is thought to be build up in the best case by a silicon wafer cleaned and passivated by dielectric layer which will be laser opened in lines or dashes or dots for contacting. The AlSi wires are used to contact the opened areas during high temperature treatment forming contacts to silicon with local doping. The main advantage of the concept is a much cheaper cell and module fabrication as a silver- and diffusion-doping-free solar cell is build, cell contacting and module cell string connection could be one process step (i.e. no paste screen-printing and no additional stringing), thus no copper nor silver is used. Solar cell structures of interest have to withstand the eutectic temperature of silicon, thus industrial PERC and TOPCon could be possible candidates.

Das Ziel dieser Arbeit ist die ganzheitliche Erfassung der Haftmechanismen zwischen Metallbeschichtungen (Kupfer, Aluminium) und Polymersubstraten (Polyetheretherketon) funktionalisiert durch Draht-Lichtbogenspritzen. Hierzu werden die Vorbehandlung sowie der Applikationsprozess erforscht. An den hergestellten Fügeverbindungen erfolgen unterschiedliche mechanische Versuche zur Ermittlung der Hafteigenschaften und der Auswirkungen des Beschichtungsvorgangs auf die Substrate. Zur Analyse des Interfaces kommen mikroskopische (REM, TEM, HR-TEM), spektroskopische (EDX) und diffraktometrische (SAED, XRD) Verfahren zum Einsatz. Anhand der Ergebnisse erfolgt die Durchdringung des Anbindungsprozesses. Die thermisch und mechanisch bedingten Einflüsse auf das Substrat sowie dessen Eigenschaftsprofil sind in ihrer geometrischen Ausdehnung (mikroskopisch) begrenzt. Die Bestätigung für die mechanische Verklammerung wird erbracht. Durch eine HR-TEM-Untersuchung des Interfaces erfolgt der Nachweis von Oxiden und Hydroxiden. Diese stellen die Voraussetzung für physikalisch und chemisch bedingte Haftmechanismen dar.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156 / The aim of this work is the holistic detection of the adhesion mechanisms between metal coatings (copper, aluminum) and polymer substrates (polyetheretherketone) functionalized by wire arc spraying. For this purpose, the pretreatment and the application process are researched. Different mechanical tests are carried out on the manufactured joints to determine the adhesive properties and the effects of the coating process on the substrates. For the analysis of the interface, microscopic (SEM, TEM, HR-TEM), spectroscopic (EDX) and diffractometric (SAED, XRD) methods are used. Based on the results, the investigation of the connection process is carried out. The ther-mally and mechanically conditioned influences on the substrate as well as its property profile are limited in their geometrical extent (microscopically). The confirmation for the mechanical clamping is provided. An HR-TEM examination of the interface reveals the presence of oxides and hydroxides. These are the requirements for physically and chemically induced adhesive mechanisms.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156

The factors governing electronic transport properties of copper and gold atomic-size contacts are theoretically examined in the present work. A two-terminal conductor using crystalline electrodes is adopted. The non-equilibrium Green’s function combined with the density functional tight-binding method is employed via gDFTB simulation tool to calculate the transport at both equilibrium and non-equilibrium conditions. The crystalline orientation, length, and arrangement of electrodes have very weak influence on the electronic characteristics of the considered atomic wires. The wire width is found to be the most effective geometric aspect determining the number of conduction channels. The obtained conductance oscillation and linear current-voltage curves are interpreted. To analyze the conduction mechanism in detail, the transmission channels and their decomposition to the atomic orbitals are calculated in copper and gold single point contacts. The presented results offer a possible explanation for the relation between conduction and geometric structure. Furthermore, the results are in good agreement with available experimental and theoretical studies. / In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Faktoren, die die elektronischen Transporteigenschaften von Kontaktstrukturen atomarer Größe aus Kupfer bzw. Gold bestimmen, theoretisch untersucht. Untersuchungsgegenstand ist eine leitfähige Struktur zwischen zwei kristallinen Elektroden. Um Transportberechungen sowohl unter Gleichgewichts- als auch unter Nicht-Gleichgewichts-Bedingungen durchführen zu können, wird die Simulations-Software gDFTB, die auf dem Nicht-Gleichgewichts-Green-funktionenformalismus in Kombination mit der Dichtefunktional-Tight-Binding-Methode beruht, eingesetzt. Die elektronischen Eigenschaften der betrachteten atomaren Drähte werden nur sehr schwach von ihrer kristallinen Orientierung, ihrer Länge und der Elektrodenanordnung beeinflusst. Als effektivster geometrischer Faktor wurde der Leiterquerschnitt gefunden, weil dieser die Anzahl der Leitungskanäle bestimmt. Darüber hinaus werden die erhaltenen Leitfähigkeitsoszillationen und die linearen Strom-Spannungs-Kennlinien erklärt. Für eine detaillierte Analyse des Leitungsmechanismus werden bei den Ein-Atom-Kontakten aus Kupfer und Gold die Übertragungskanäle und ihre Aufspaltung in Atomorbitale betrachtet. Die präsentierten Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung für den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und geometrischer Struktur. Die Resultate zeigen eine akzeptable Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen und theoretischen Studien.

The factors governing electronic transport properties of copper and gold atomic-size contacts are theoretically examined in the present work. A two-terminal conductor using crystalline electrodes is adopted. The non-equilibrium Green’s function combined with the density functional tight-binding method is employed via gDFTB simulation tool to calculate the transport at both equilibrium and non-equilibrium conditions. The crystalline orientation, length, and arrangement of electrodes have very weak influence on the electronic characteristics of the considered atomic wires. The wire width is found to be the most effective geometric aspect determining the number of conduction channels. The obtained conductance oscillation and linear current-voltage curves are interpreted. To analyze the conduction mechanism in detail, the transmission channels and their decomposition to the atomic orbitals are calculated in copper and gold single point contacts. The presented results offer a possible explanation for the relation between conduction and geometric structure. Furthermore, the results are in good agreement with available experimental and theoretical studies. / In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Faktoren, die die elektronischen Transporteigenschaften von Kontaktstrukturen atomarer Größe aus Kupfer bzw. Gold bestimmen, theoretisch untersucht. Untersuchungsgegenstand ist eine leitfähige Struktur zwischen zwei kristallinen Elektroden. Um Transportberechungen sowohl unter Gleichgewichts- als auch unter Nicht-Gleichgewichts-Bedingungen durchführen zu können, wird die Simulations-Software gDFTB, die auf dem Nicht-Gleichgewichts-Green-funktionenformalismus in Kombination mit der Dichtefunktional-Tight-Binding-Methode beruht, eingesetzt. Die elektronischen Eigenschaften der betrachteten atomaren Drähte werden nur sehr schwach von ihrer kristallinen Orientierung, ihrer Länge und der Elektrodenanordnung beeinflusst. Als effektivster geometrischer Faktor wurde der Leiterquerschnitt gefunden, weil dieser die Anzahl der Leitungskanäle bestimmt. Darüber hinaus werden die erhaltenen Leitfähigkeitsoszillationen und die linearen Strom-Spannungs-Kennlinien erklärt. Für eine detaillierte Analyse des Leitungsmechanismus werden bei den Ein-Atom-Kontakten aus Kupfer und Gold die Übertragungskanäle und ihre Aufspaltung in Atomorbitale betrachtet. Die präsentierten Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung für den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und geometrischer Struktur. Die Resultate zeigen eine akzeptable Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen und theoretischen Studien.