Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten im ternären System B-C-N. In diesem System sind einerseits die härtesten heute bekannten Materialien (Diamant, c-BN) enthalten, aber andererseits auch Stoffe mit unterschiedlichsten elektrischen Eigenschaften (Graphit, h-BN). Es besteht daher das Bestreben, verschiedene bekannte Materialien zu kombinieren und so deren Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen. Allerdings wird sowohl experimentell als auch theoretisch des öfteren eine Separation in BN- und C/CNx-Phasen beobachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schichten über einen weiten Stöchiometriebereich mittels reaktiver DC-Magnetronzerstäubung hergestellt und untersucht. Schwerpunkt wurde dabei auf die Analyse der Struktur und des Bindungszustandes sowie die mechanischen Eigenschaften Härte und Elastizitätsmodul gelegt. Es wird diskutiert, in welchen Elementezusammensetzungen wirkliche ternäre Verbindungen entstanden sind und ein Zusammenhang zwischen Struktur und mechanischen Eigenschaften in Form einer empirischen Formel abgeleitet.

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties. On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM: - 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor - Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor. For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress. With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements. / In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert: - 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor - Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt. Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

Die vorliegende Arbeit gründet auf einer neuartigen analytischen Theorie zum HERTZschen Kontakt am geschichtet aufgebauten Halbraum von N. SCHWARZER (1998). Der Kugeleindruckversuch in Schichtsysteme kann damit im linear-elastischen Bereich exakt beschrieben werden, was bereits erfolgreich zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von ultradünnen Schichten ausgenutzt wurde. Mit der Theorie kann aber auch das Spannungsfeld im Grenzfall elastischer Deformation, zu Beginn des Materialversagens analysiert werden. Über die Kenntnis kritischer Spannungswerte ließen sich damit Versagensmechanismen identifizieren. So konnte kürzlich für Schichten im System Si3N4/SiO2 gezeigt werden, dass die VON MISES-Vergleichsspannung im Versagensfall kritische Werte annimmt. Dies ist wiederum typisch für das plastische Versagen, womit erstmals die Fließpannung von Dünnschichten bestimmt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieses Ergebnis an magnetronsputterten Schichten vom B4C-Target bestätigt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften über die Gaszusammensetzung N2/Ar variiert wurden. Die Nanoindentermessungen mit dem UMIS 2000 erfolgten an Einzelschichten auf Silizium und Quarzglas sowie an einem speziellen Dreischichtsystem. Die Analyse zeigt, dass die plastische Deformation nicht in allen Fällen zum Versagen führte und bei geeignetem Schichtaufbau einstellbar ist. Ferner zeigt die rasterkraft- und rasterelektronenmikroskopische Schadensbildanalyse, dass das Versagen unter bestimmten Bedingungen wahrscheinlich durch star cracks verursacht wurde. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer anderen Problematik. Ausgangspunkt dafür bildet eine Weiterentwicklung der theoretischen Methode durch SCHWARZER (2001), mit der die Anwendung der elastischen Kugeleindruckmethode an begrenzten oder real geformten Festkörperoberflächen denkbar ist. Konzeptionell wird dabei die existierende Lösung für den geschichteten Halbraum auf geeignete krummlinige Koordinaten transformiert. Zur Überprüfung des Beschreibungskonzepts wurde die Lösung für das spezielle Kontaktproblem am Viertel- und Achtelraum entwickelt. Dabei war allerdings bereits wieder eine Annahme nötig, deren Überprüfung Gegenstand dieser Arbeit ist. Hierzu wurden zwei unabhängige Indenterexperimente in der Nähe von Kanten vorgenommen, die zunächst widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Weiterführende Untersuchungen zeigen aber einerseits, dass die Empfindlichkeit einer der beiden Messmethoden nicht ausreichend ist. Andererseits liefern die Zusatzuntersuchungen Vorschläge zu Verbesserung der weiterentwickelten Theorie.

Tantalum and tantalum nitride thin films are routinely applied as diffusion barriers in state-of-the-art metallization systems of microelectronic devices. In this work, such films were prepared by reactive magnetron sputtering on silicon and oxidized silicon substrates and studied by spectroscopic ellipsometry in the spectral range from 190 nm to 2.55 μm. The complex refractive index for thick films (75 to 380 nm) was modeled using a Lorentz-Drude approach. These models were applied to film stacks of 20 nm TaN / 20 nm Ta on unoxidized and thermally oxidized Si. With free oscillator parameters, accurate values of the film thicknesses were obtained according to cross-sectional scanning electron microscope (SEM) measurements. At the same time, a strong variation of the optical properties with film thickness and substrate was observed.

Titandioxidschichten wurden mittels reaktiver Elektronenstrahlbedampfung und mit reaktiver plasmaaktivierter Bedampfung bei hohen Beschichtungsraten abgeschieden. Die Plasmaaktivierung erfolgte mittels einer diffusen katodischen Bogenentladung. Die gebildeten Phasen – amorph, Anatas oder Rutil – sind von Substrattemperatur und ratebezogenem Sauerstoffdruck abhängig. Für die Bildung der kristallinen Phasen wird eine Substrattemperatur von mindestens 150 bis 200 °C benötigt. Ohne Plasmaaktivierung abgeschiedene Schichten sind durch eine hohe Porosität und einen Sauerstoffüberschuss gekennzeichnet. Mit Plasmaaktivierung werden dichtere Schichten mit stöchiometrischer Zusammensetzung abgeschieden. Damit verbunden sind deutlich höhere Werte für Brechungsindex, Härte und E-Modul, die mit den Bulkwerten der jeweiligen Phasen vergleichbar sind. Die kristallinen Schichten, insbesondere die mit Plasmaaktivierung abgeschiedenen Anatas-Schichten, zeichnen sich durch photoinduzierte Hydrophilie und hohe photokatalytische Aktivität aus. Die Beschichtungsrate ist mit 30 bis 70 nm/s ein bis zwei Größenordnungen gegenüber Magnetronsputtern höher. Die plasmaaktivierte Bedampfung mittels diffuser katodischer Bogenentladung eröffnet damit die produktive Abscheidung von dichten Titandioxidschichten bei hohen Beschichtungsraten auf großen Flächen für verschiedenste Anwendungen, z. B. als optische Schicht oder für Antibeschlagsausrüstung.

Die Längsbiegefestigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Reinmagnesium konnte durch eine geeignete Nanostrukturierung der Bornitridgrenzschichten von 1140 auf 1620 MPa erhöht werden. Diese optimale Nanostrukturierung zeichnet sich dadurch aus, dass die atomaren Basisebenen des hexagonalen Bornitrids an den Grenzflächen zu den C-Faserfilamenten parallel zu deren Oberfläche verlaufen und an der Grenzfläche zur Matrix turbostratisch verknäult sind, wodurch einerseits an der inneren Grenzfläche die Haftung moderat eingestellt wird und andererseits an der äußeren Grenzfläche eine gute mechanische Verzahnung zwischen Schicht und Matrix besteht. Somit lässt diese Texturierung mikromechanische Versagensprozesse zu, wie z. B. energiedispersives Filamentdebonding und Abbau von Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen, die eine weitgehende Nutzung der hohen Faserfestigkeit im Verbund ermöglichen.

This research was undertaken for studying the bond behaviour of Lightweight Fibre-reinforced Concrete (LWFC). Lightweight concrete is inherently weak in tension and has higher brittleness than the conventional concrete. To improve these and other properties, it is generally reinforced with deformed bars and fibres. There are number of studies that favour the use of Steel fibres, however such studies are mainly focused either on normal weight concrete or on the mechanical properties of different concretes. There are also different committee reports and in some cases specific sections of codes that specifically deal with the normal weight fibre-reinforced concrete. However, such is not the case with lightweight fibre-reinforced concrete; there is limited literature available especially on the Bond of lightweight fibre-reinforced concrete. In current research work effect of fibres is studied on the bond behaviour of the lightweight reinforced concrete. Since most of code provisions for bond are based on experimental work originally carried out on conventional concrete, effect of fibres on bond of conventional concrete was therefore also included in present research domain. Main bond tests were carried out using Pull-out test methodology. Test results indicate that the ultimate bond strength of conventional concrete when reinforced with steel fibres increased by 29%. However due to very low density and high porosity of lightweight aggregates, no significant improvement on bond strength of LWFC, as a result of fibres’ addition could be observed. Nevertheless, there is noteworthy improvement in the post-cracking bond strength of LWFC. Besides this, current bond-stress slip law as defined by Model Code 2010 does not reflect the positive effect of fibres, hence some modifications are suggested. It is also found that among the existing code expressions for estimation of bond strength, expression proposed by Model Code 2010 presents better results and its effectiveness can be further increased if fibre factor and factor for lightweight concrete are considered.

In den letzten Jahren hat das Recycling von technischen Thermoplasten aus industriellen Anwendungen, wie z. B. aus der Automobilbranche, stetig zugenommen. Die Technologien zum Recycling sind dabei Stand der Technik, problematisch hingegen ist die Charakterisierung der Eigenschaften der Recyclate, die oft einer erneuten Anwendung im technischen Bereich entgegensteht. Aufgrund des unbekannten Belastungsbildes des Recyclates sind Eigenschafts- und Lebensdauervorhersagen schwierig, die aber dringend benötigt werden, um die Recyclate auf dem Markt als Werkstoffanbieten zu können. Oftmals fehlt ein Datenblatt für diese Werkstoffe, was wiederum die Voraussetzung für den Einsatz und die Qualitätssicherung bei den Bauteilen ist. Die Arbeit setzt an dieser Stelle mit Polyamid-6-Recyclaten an, deren Eigenschaftsänderungen infolge von Alterungsprozessen, auch im Vergleich zu Frischmaterial, zu untersuchen sind. Die Zielstellung besteht in der Erstellung eines Datenblattes und der Erfassung der Werkstoffkennwerte. Zur Erfüllung der Zielstellung tragen die Konzipierung von Untersuchungsmethoden und Ausführung von Versuchen zur gezielten Alterung sowie die Bestimmung der resultierenden Eigenschaften der PA-Recyclingwerkstoffe bei, ergänzt durch tribologische Untersuchungen an Recyclaten. Das Ergebnis soll in eine Abschätzung von Nutzungsmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen einfließen.:Ziel und Motivation Eigenschaften von PA 6 und PA 6-GF-15-Recyclaten Tribologische Untersuchungen Mehrfachverarbeitung Langzeitverhalten Fazit Danksagung