There is an ongoing technological shift with electromobility, automation and connectivity, which affects the development of heavy vehicles such as excavators, wheel loaders and pavers. These vehicles can be referred to as cyber-physical systems (CPS). The development entails changes for companies' product development, which leads to higher complexity which is a challenge to manage. To develop heavy cyber-physical vehicles, the company uses an X-methodology in the product development process (referred to as X by confidentiality). The challenge for the company is to develop the X-methodology to combine systematic working methods where modularization and Virtual Reality (VR) are combined in early phases of product development. The purpose of this thesis was to develop the company's work processes in the early phases of product development utilizing modularization with the support of VR. This is to find improvement potential in their existing modularization methodology to achieve improved efficiency and complexity management in the product development process. To answer this, two research questions were formed: RQ1: What can modularization combined with VR be used for in early phases of product development? RQ2: How can the development of a modular cyber-physical subsystem be improved with the help of VR in the early phases of the product development process? Due to the lack of VR in the early phases of product development in the X-methodology, a literature study and a case study were conducted around a specific subsystem. The early phases of the company correspond to the literature’s Planning- and Concept Development phase. For this study, interviews, internal documents, and physical artifacts were used as empirical evidence and then compared with the found literature. In the analysis of data, it was noted that the literature's findings estimated a reduction of 50% of the product development time, a time reduction of 65% in sketch production and a 95% cost reduction for prototypes. The data found in the case study argued that lead times and costs for prototypes in scale 1:1 can be reduced with the help of virtual prototypes. The reduction in lead times was 95–97.5% of the current value, while the cost reduction was 100% for virtual prototypes in 1:1 scale compared to physical prototypes in 1:1 scale. Limited to the case study’s subsystem, it was estimated that it is possible to reduce physical location required for reviewing the subsystems, reach infinite workspace, increase visibility of the product architecture, allow more degrees of freedom for interaction with the subsystems, and infinite size scale. The study's data for research question 1 suggest that the combination between VR and modularization forms a synergic improvement of the early phases in the product development process. VR supports complexity reduction by evaluating the modularization. VR has the ability in early phases to reduce costs and time. This is achieved by working with VR early on with cross-functional feedback together with virtual models that reflects the final product. The study's data for research question 2 suggest that VR has the potential to improve the product development of modular cyber-physical systems by reducing time and costs, as well as providing access to reference architecture. With delimitation to a subsystem and its variants, it was demonstrated that VR can reduce the physical space required for prototypes and facilitate/ease visualization and interaction with the prototypes. / Det pågår ett teknikskifte med elektromobilitet, automation och uppkoppling vilket påverkar utvecklingen av tunga fordon så som grävmaskiner, hjullastare och asfaltläggare. Dessa fordon kan benämnas som cyberfysiska system (CPS). Utvecklingen medför förändringar för företagens produktutveckling vilket leder till högre komplexitet som är en utmaning att hantera. För att utveckla tunga cyberfysiska fordon använder företaget en X-metodik i produktutvecklingsprocessen (benämns X av sekretess). Utmaningen för företaget är att utveckla X-metodiken för att kombinera systematiska arbetssätt där modularisering och Virtuell Verklighet (VR) kombineras i tidiga faser av produktutveckling. Syftet med detta examensarbete var att utveckla företagets arbetsprocesser i tidiga faser av produktutveckling gällande modularisering med stöd av VR. Detta för att finna förbättringspotential i deras befintliga modulariseringsmetodik för att nå en förbättrad effektivitet och komplexitetshantering i produktutvecklingsprocessen. Specifikt kommer dessa forskningsfrågor att undersökas: FF1: Vad kan modularisering kombinerat med VR användas för i tidiga faser av produktutvecklingen? FF2: Hur kan utvecklingen av ett modulärt cyberfysiskt delsystem förbättras med hjälp av VR i tidiga faser av produktutvecklingsprocessen? På grund av avsaknaden av VR i tidiga faser av produktutvecklingen i X-metodiken genomfördes en litteraturstudie och en empirisk fallstudie kring ett avgränsat delsystem. Företagets tidiga faser motsvarar litteraturens Planering- och Konceptutveckling-faser. Till denna studie användes intervjuer, interna dokument och fysiska artefakter som empiri och jämfördes med den funna litteraturen. I analysen av all data framkom det att litteraturens fynd uppskattade en reduktion med 50% av produktutvecklingstiden, en tidreduktion med 65% i skissframtagning och 95% kostnadsreduktion för prototyper. Fallstudien menade att ledtider och kostnader för prototyper i skala 1:1 kan reduceras med hjälp av virtuella prototyper. Reduktionen av ledtider var 95–97,5% av det nuvarande värdet, medan kostnadsreduktionen var 100% för virtuella prototyper i skala 1:1 jämfört med fysiska prototyper i skala 1:1. Avgränsat till fallstudiens delsystem uppskattades en reducerad fysisk plats som krävs för granskning av delsystemen, oändlig arbetsyta, ökad synlighet för produktarkitekturen, fler frihetsgrader för interaktion med delsystemen och oändlig storleksskala. Slutsats till forskningsfråga 1 från studiens data var att kombinationen mellan VR och modularisering bildar en synergi för en förbättring av tidiga faser i produktutvecklingsprocessen. VR stödjer komplexitetreduktion vid utvärdering av modularisering. VR har möjlighet i tidiga faser att reducera kostnader och tid. Vilket grundar sig att jobba tidigt med VR för tvärfunktionell feedback tillsammans med virtuella modeller som återspeglar slutprodukten. Studiens data till forskningsfråga 2 föreslår att VR har möjligheten att förbättra produktutvecklingen av modulära cyberfysiska system genom att reducera tid och kostnader samt ge tillgång till referensarkitektur. Med avgränsning till ett delsystem och dess varianter påvisades det att VR kan reducera fysiskt utrymme som krävs för prototyper och underlätta visualisering samt interaktion med dem.

Quantitative phase imaging (QPI) is a label-free technique providing both morphology and quantitative biophysical information in biomedicine. However, applying such a powerful technique to in vivo pathological diagnosis remains challenging. Multi-core fiber bundles (MCFs) enable ultra-thin probes for in vivo imaging, but current MCF imaging techniques are limited to amplitude imaging modalities. We demonstrate a computational lensless microendoscope that uses an ultra-thin bare MCF to perform quantitative phase imaging with microscale lateral resolution and nanoscale axial sensitivity of the optical path length. The incident complex light field at the measurement side is precisely reconstructed from the far-field speckle pattern at the detection side, enabling digital refocusing in a multi-layer sample without any mechanical movement. The accuracy of the quantitative phase reconstruction is validated by imaging the phase target and hydrogel beads through the MCF. With the proposed imaging modality, three-dimensional imaging of human cancer cells is achieved through the ultra-thin fiber endoscope, promising widespread clinical applications.

Zur Untersuchung der Faser-Matrix-Haftung in Faser-Kunststoff-Verbunden werden neben makromechanischen Methoden wie dem Querzug und der Drei-Punkt-Biegung mikromechanische Methoden an Einzelfaser-Modellverbunden eingesetzt. Zu letzteren Methoden zählen bspw. der Tropfenabscherversuch, der Einzelfaserauszugversuch (engl. single-fibre pull-out test, SFPO) und der Einzelfaserfragmentierungsversuch (engl. single fibre fragmentation test, SFFT). Bei ihrem Einsatz ist zu beachten, dass sich unterschiedliche Einflussgrößen auf ihre Ergebnisse auswirken können. In der vorliegenden Arbeit wird eine ausführliche Literaturübersicht mit einem detaillierten Überblick zu einer größeren Anzahl verschiedener Einflussgrößen durchgeführt. Daraus werden die Einflussgrößen Härtungsdauer, Feuchtigkeit, freie Faserlänge und Abzugsgeschwindigkeit als Untersuchungsgegenstände dieser Arbeit erarbeitet. Wesentliche aus dieser Arbeit resultierende Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind nachstehend zusammengefasst. Härtungsdauer: Bei SFFT-Untersuchungen an Keramikfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern wird ein degressiver Anstieg der Faser-Matrix-Haftung über der Härtungsdauer beobachtet. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass sich die Härtungsdauer beim SFFT und SFPO prinzipbedingt unterschiedlich auswirkt (aufgrund destruktiver bzw. konstruktiver Überlagerungen von Eigenspannungen und Prüfkraft-induzierten Spannungen). Feuchtigkeit: SFPO-Untersuchungen an Kohlenstoffaser/Epoxidharz-Prüfkörpern nach einmonatiger Konditionierung in feuchtem (50 %rF, 23 °C) bzw. trockenem Klima (0 %rF, 23 °C) belegen eine feuchtebedingt verringerte Haftung. Daraus wird geschlussfolgert, dass eine schwankende Luftfeuchtigkeit auch in diesem eingegrenzten klimatischen Spektrum (bspw. in teilklimatisierten Laboren) als wichtiger potentieller Störfaktor zu beachten ist. Prüfparameter: Auf Basis des Hooke’schen Gesetzes kann für den SFPO gezeigt werden, dass die freie Faserlänge die Maximalkraft beeinflusst und die Einflüsse der freien Faserlänge und der Abzugsgeschwindigkeit auf die Maximalkraft in Zusammenhang stehen. Beides wird anhand von SFPO-Untersuchungen an Glasfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern bestätigt. Ferner wird aus den Untersuchungen geschlussfolgert, dass eine Geschwindigkeitserhöhung von 0,01 µm/s auf 0,1 µm/s zur Reduzierung der Versuchsdauer – im vorliegenden Fall von 30 45 min auf 6 8 min – vertretbar ist. Darüber hinaus werden anhand von Fehlerverstärkungsfaktoren differenzierte Aussagen zum Einfluss fehlerhaft bestimmter Eingangsdaten auf die Berechnung der lokalen Grenzflächenscherfestigkeit generiert. / For investigating fibre-matrix adhesion in fibre-polymer composites, macromechanical methods such as transverse tensile and three-point bending tests can be applied as well as micromechanical methods for which single-fibre model composites are used. The latter category of methods includes microbond, single-fibre pull-out (SFPO) and single-fibre fragmentation tests (SFFT). When applying these methods, it needs to be considered that their results can be affected by different influencing factors. In the present thesis, an extensive literature survey with a detailed overview of a larger number of influencing factors is conducted. Based on this overview, the factors curing time, moisture, free fibre length and test speed are acquired as objects of investigation of this thesis. Main results and conclusions of this work are summarised below. Curing time: Results from SFFT investigations on ceramic fibre/epoxy-specimens exhibit a degressive increase of fibre-matrix adhesion with curing time. This indicates that curing time affects SFFT and SFPO results differently due to different underlying principles (based on destructive and, respectively, constructive superposition of internal stresses and load-induced stresses). Moisture: SFPO specimens (carbon fibre/epoxy) are conditioned in humid (50 %rH, 23 °C) and dry climate (0 %rH, 23 °C) for one month prior to testing. The results show lower adhesion due to moisture. It is concluded that uncontrolled humidity, even in this limited climatic spectrum, needs to be considered as an important potential factor of influence (e.g. in partially climatised laboratories). Test parameters: Based on Hooke’s law, it is demonstrated for the SFPO that a) the free fibre length affects the maximum force and b) the effects of the free fibre length and the test speed on the maximum force are interrelated. Both is confirmed with results from SFPO investigations on glass fibre/epoxy-specimens. Furthermore, it is deduced from the above investigations that an increase in test speed from 0.01 µm/s to 0.1 µm/s is legitimate for reducing test duration – in the present case from 30 45 min to 6 8 min. In addition, the effect of erroneously determined input data on the calculation of the local interfacial shear strength is studied using conditions numbers (a measure for the propagation of error). With this, differentiated statements are generated.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es erstmals gelungen, mit einem ps-Pumplaser (10 ps) Weißlicht mit einer spektralen Breite von mehr als einer optischen Oktave in einer mikrostrukturierten Faser (MSF) bei einer Pumpwellenlänge von 1064 nm zu generieren. Es ließ sich, abgesehen von nichtkonvertierten Resten der Pumpstrahlung, ein unstrukturiertes und zeitlich stabiles Weißlichtspektrum von 700 nm bis 1650 nm generieren. Die maximale Ausgangsleistung dieser Weißlichtstrahlung betrug 3,1 W. Es konnten sehr gute Einkoppeleffizienzen von maximal 62 % erzielt werden. Die an der Weißlichterzeugung beteiligten dispersiven und nichtlinear optischen Effekte, wie z.B. Selbstphasenmodulation, Vierwellenmischung, Modulationsinstabilitäten oder Solitoneneffekte, werden detailliert theoretisch untersucht und erläutert. Die Arbeit beinhaltet ebenfalls eine umfangreiche Beschreibung der Wirkungsweise und Eigenschaften von mikrostrukturierten Fasern mit einem festen Faserkern. Aufgrund der großen Variationsvielfalt des mikrostrukturierten Fasermantels und der damit verbundenen Wellenleitereigenschaften ergeben sich, insbesondere für die Anwendung in der nichtlinearen Optik, eine Reihe von interessanten Eigenschaften. Es wurden insgesamt vier verschiedene mikrostrukturierte Fasern experimentell untersucht. Für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse ist die Pulsausbreitung der ps-Pumppulse in einer dispersiven, nichtlinear optischen Faser anhand der verallgemeinerten nichtlinearen Schrödinger-Gleichung berechnet worden. Durch einen Vergleich der Berechnungen mit den Messdaten ließen sich verstärkte Modulationsinstabilitäten und verschiedene Solitoneneffekte als hauptsächlich für die Weißlichterzeugung bei ps-Anregungspulsen verantwortlich identifizieren. Auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen wurde in Kooperation mit der Fa. Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH eine kompakte und leistungsstarke Weißlichtquelle entwickelt. Diese wurde erfolgreich in einer Kohärenztomographiemessung (Optical Coherence Tomography - OCT) getestet: Es konnte in ex vivo-Untersuchungen gezeigt werden, dass sich mit dieser ps-Weißlichtquelle eine hohe Eindringtiefe von ca. 400 µm in die Netzhaut eines Affen erreichen lässt. / With the present work it succeeded for the first time to generate white-light with a spectral width of more than an optical octave in a microstructured fiber (MSF) with a pump wavelength of 1064 nm and ps-pump pulses (10 ps). Apart from non-converted remainders of the pumping radiation, an unstructured and temporally stable white-light spectrum from 700 nm to 1650 nm could be generated. The maximum output power of this white-light radiation amounted to 3.1 W. Very good coupling efficiencies of max. 62 % could be obtained. At the white light generation different dispersive and nonlinear optical effects took part, e.g. self-phase modulation, four-wave mixing, modulation instabilities and soliton effects. These processes are theoretically examined and described in detail. Likewise the work contained an extensive description of the principle of operation and characteristics of microstructured fibers with a solid fiber core. Due to the large variation variety of the microstructured fiber cladding and the associated wave-guiding characteristics arise, in particular for application in the nonlinear optics, a set of interesting properties. Altogether four different microstructured fibers were experimentally examined. For the interpretation of the experimental results the pulse propagation of ps-pump pulses in a dispersive, nonlinear optical fiber was computed on the basis of the generalized nonlinear Schroedinger equation. By a comparison of the calculation results with the measuring data amplified modulation instabilities and different soliton effects could be identified as main responsible for the white light generation with ps-pump pulses. With respect to the accomplished experimental and theoretical investigations in co-operation with the company Jenoptik laser, optics, systems GmbH a compact and high-performance white-light source was developed. This broadband light source was tested successfully in an optical coherence tomography measurement (OCT): It could be shown in ex vivo investigations that with this white-light source high penetration depths of approx. 400 µm into the retina of a monkey could be achieved.

Kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffmatrixverbunde werden hergestellt und untersucht mit den Zielen der Verbesserung ihrer technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. Zur Erweiterung ihres industriellen Einsatz- potentials wurde ein schnelles und ökonomisches Herstellungsverfahren für diese Verbunde ausgewählt, prozessbegleitend untersucht und objektiviert. Die Herstellung erfolgte über die Polymerpyrolyseroute in Verbindung mit einer Nachverdichtung der fertigen porösen C/C-Verbunde durch einmalige Imprägnierung der offenen Poren mittels modifizierten, polymeren Silicium-Verbindungen (Polysilan, Polycarbosilan bzw. Tyranno). Diese polymeren Si-Verbindungen wurden durch Zugabe von Dicobaltoctacarbonyl [Co2(CO)8] modifiziert und anschließend einer thermischen Umsetzung unterzogen, d.h. zu SiC pyrolysiert. Die wirkungsvolle Nach- verdichtung der porösen C/C-Verbunde mittels modifiziertem Polysilan wird nachgewiesen und auf die katalytische Wirkung von Co2(CO)8 zur Bildung von Si-Si-Bindungen im Polysilan zurückgeführt. Im Gegensatz zur Nachverdichtung mit flüssigem Silicium wurde bei polymeren Si-Verbindungen keine Faserschädigungen aufgrund einer Reaktion zwischen C-Faser und Silicium und keine Si-Anreicherungen in den infiltrierten Poren gefunden. Darüber hinaus verbessert das Einbringen von Si und SiC in die Matrix das Oxidationsver- halten des Verbundes nachhaltig. Entgegen der wirkungsvollen Nachverdichtung mittels modifiziertem Polysilan ist keine effektive Abdichtung der C/C-Verbunde durch eine einmalige Infiltration von mit Co2(CO)8 modifiziertem Polycarbosilan bzw. Tyranno erzielbar. Die hergestellten Verbunde wurden eingehend mittels Lichtmikroskopie, REM, EDXS, TMA, DMA, TGA und Mikrobiegeversuch charakterisiert.

Mit multiaxialen Gelegen auf Basis der Kettenwirktechnik stehen hervorragende textile Halbzeuge für die Weiterverarbeitung als Verstärkungskomponente in Faser-Kunststoff-Verbunden zur Verfügung. Die bisherige Konfiguration der für die Herstellung dieser Textilien verwendeten Nähwirkmaschinen führt verfahrensbedingt zu einem unsymmetrischen Produktaufbau mit üblicherweise nur einer Fadenlage in Gelegelängsrichtung und ebenso zu Einschränkungen bei der Anordnung des Bindefadens im Textil. Durch die Erweiterung des Nähwirkprozesses wird es möglich, Nähwirkstoffe mit einer beliebigen Abfolge der Einzellagen herzustellen, zum Beispiel in symmetrischer Anordnung. Die neuen Varianten der Lagenanordnung und der Bindungskonstruktion bilden den Ausgangspunkt für die Produktentwicklung am Beispiel zweier Anwendungen aus den Bereichen der Faser-Kunststoff-Verbunde und des textilbewehrten Betons. Hier wird deutlich, dass über die Herstellung symmetrischer Gelege hinaus der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses die Eigenschaften der Gelege und der Endprodukte vorteilhaft beeinflussen kann. Aus den untersuchten Beispielen und grundsätzlichen Betrachtungen leitet sich ab, unter welchen maschinentechnischen Voraussetzungen der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses sinnvoll ist. Es wird ein Konzept entwickelt, auf dessen Grundlage Nähwirkstoffe mit variabler Lagenanordnung auf Nähwirkmaschinen gefertigt werden können. / Multiaxial multi-ply fabrics made by warp knitting are excellently suited for the application in fiber reinforced composites. The usual configuration of the stitch-bonding machines, which are used to produce these fabrics, necessarily leads to composite laminates with an asymmetric layer arrangement and only one layer of yarns in the zero degree direction of the fabric. The variability of patterning with the binding yarn is also limited. By completing the stitch-bonding process with an additional work step it is possible to produce stitch-bonded fabrics without any restrictions concerning the arrangement of the individual layers in the fabric, for example with a symmetric composition. This is the basis for the development of two exemplary products in the fields of textile reinforced plastics and textile reinforced concrete. It can be shown that the application of the extended stitch-bonding process is advantageous beyond the layer arrangement, positively affecting the mechanical properties of the fabric and the composite. From these examples, conclusions are drawn regarding the configuration of future stitch-bonding machines.

Seile aus synthetischen Fasern gewinnen zunehmend an Bedeutung für fördertechnische Anwendungen. Wegen ihrer geringen Dichte und Biegesteifigkeit sowie den gleichzeitig mit Stahl vergleichbaren Zugfestigkeiten, haben sich Seile aus ultrahochmolekularen Polyethylenfasern (UHMW-PE) in vielen Anwendungen in der Seefahrt und im Offshore-Bereich durchgesetzt. Die grundsätzliche Eignung solcher Seile für technische Anwendungen, wie z.B. Kräne, Aufzüge, Windenanwendungen, wurde in wissenschaftlichen Studien bereits nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit werden hochfeste Polyethylenfasern verschiedener Hersteller daraufhin untersucht, in wie weit diese durch ihre Eigenschaftsprofile ebenfalls grundsätzlich für technische Anwendungen mit auftretenden Biegewechselbelastungen geeignet sind und welche Anwendungspotentiale sie bieten. Beginnend mit einem kurzen geschichtlichen Abriss über die Entwicklung von synthetischen Polymerfasern und den Einsatz der Fasern in Seilen für technische Anwendungen, sollen grundlegend die Herstellungsverfahren und Eigenschaften von Garnen aus ausgewählten UHMW Polyethylen verglichen werden. Im weiteren Verlauf werden Faserseile aus den gewählten Fasern hinsichtlich Zugfestigkeit, Biegewechselverhalten und Eignung zum Thermofixieren untersucht. Auftretende Effekte werden analysiert und auf die Eigenschaften der Fasern bzw. Garne zurückgeführt. Eine vergleichende Betrachtung der Materialkosten als Teil der gesamten Herstellungskosten der Seile bildet den Abschluss der Arbeit. / This thesis covers investigations on the properties of ultrahigh-molecular-weight (UHMW) polyethylene fibers for use of manufacturing braided fiber ropes for conveyor and hoisting applications. The importance of synthetic fibres for conveying applications has increased during the last years. Due to the low density and bending stiffness at a strength that is comparable to steel, ropes made from high-strength UHMW polyethylene fibres have found their ways into several shipping and off-shore applications. The basic aptitude of UHMW polyethylene fibres to be used in applications like cranes, elevators and winch applications has already been proven in scientific works. Within this thesis, selected UHMW polyethylene fibres are investigated to determine how much their differing property profiles do influence their aptitude to be used in technical applications with cyclic bending loads and for which potentials for fields of application they might be appropriate. Starting with a short overview on the history of synthetic fibres and the use of such fibres in technical applications, manufacturing processes and properties of these fibres are to be compared. Further, fibre ropes, made from the selected fibres, are going to be investigated concerning their tensile strength, behaviour in cyclic bend-over-sheave tests and their aptitude to increase the strength by thermosetting. Occurring effects are going to be analysed and related to the properties of the yarns. A competitive view on the prices of the yarns regarding their portion of the total costs of rope manufacturing is finalising this work.

Die kontinuumsmechanische Untersuchung der Lastübertragungsmechanismen zwischen den Rovings im textilbewehrten Feinbeton trägt wesentlich zum Gesamtverständnis des mechanischen Verhaltens des Verbundmaterials bei. Neben der Erfassung der gegenseitigen Beeinflussung sich kreuzender Rovings erfordert insbesondere die mechanische Modellierung und numerische Simulation von Bewehrungsstößen und Endverankerungen die Kenntnis dieser Übertragungsmechanismen. Die numerischen Simulationen sollen u. a. zeigen, welche Endverankerungslängen und welche Übergreifungslängen an Bewehrungsstößen erforderlich sind und wie die Querbewehrung die Rissbildung beeinflusst. / This paper concerns with the investigation of stress transfer mechanisms between yarns and concrete matrix and their influence on the overall behavior of textile reinforced concrete (TRC). This investigation considers textile reinforcement splices and textile reinforcement development lengths and carried out by means of Finite-Element simulations and fracture mechanic approaches. A first modeling procedure is made towards analyzing and investigating the damage mechanisms in TRC specimen under tension loading which are mainly characterized by matrix cracking and yarn pullout. This modeling approach allows for considering the yarn crack bridging which is a main characteristic behavior of TRC. In the same manner, 3D Finite-Element models are conducted for calculating the required reinforcement development lengths and the reinforcement overlapping lengths. The conducted approach takes into account different damage mechanisms observed in the corresponding experimental investigations which are also used for calibrating the modeling procedures. Moreover, the presented approach covers a wide range of required textile reinforcement overlapping lengths and development lengths and provides the corresponding ultimate loads.

Strain-hardening cement-based composites (SHCC) are a special class of fiber-reinforced concrete which develop multiple, fine cracks when subjected to increasing tensile loading, reaching strain capacities of up to several percent. The tensile behavior of SHCC is a result of a purposeful material design accounting for the mechanical and physical properties of the cementitious matrix, of the reinforcing fibers and of their interaction. The exceptionally high energy dissipation through inelastic deformations before reaching tensile strength makes SHCC suitable for manufacturing or strengthening of structural elements which may be subjected to impact loading. However, the tensile behavior of SHCC is highly strain rate dependent, both in terms of tensile strength and strain capacity. The different strain rate sensitivities of the constitutive phases of SHCC (matrix, fiber and interfacial bond) lead to disproportionate dynamic alteration of their mechanical properties under increasing strain rates and, consequently, to an impairment of the micromechanical balance necessary for strain-hardening and multiple cracking. Thus, high energy dissipation under impact loading can only be ensured through a targeted material design. This work presents a series of mechanical experiments at different strain rates and different scales of investigation with the goal of developing a qualitative and quantitative basis for formulating material design recommendations for impact resistant SHCC. Three different types of SHCC were investigated, consisting of two types of polymer fibers (polyvinyl-alcohol and high-density polyethylene) and cementitious matrices (normal-strength and high-strength). Uniaxial tension experiments were performed on SHCC specimens and on non-reinforced matrix specimens with different testing setups at strain rates ranging from 10-4 to 150 s-1. Besides the measured mechanical properties, special attention was paid to the crack patterns and the condition of fracture surfaces. Additionally, micro-scale investigations were performed to quantify the strain rate dependent changes in the mechanical behavior of individual component phases, i.e., matrix, fibers and fiber-matrix bond. The results obtained from the micromechanical investigations were used in an analytical model for crack bridging. The model links the micromechanical parameters and their strain rate sensitivities to the single-crack opening behavior under increasing displacement rates, making it useful for material design purposes. If given an extensive experimental basis for the fracture mechanical properties of the non-reinforced cementitious matrices, the model can be extended for predicting the strain capacity (multiple cracking) of SHCC under different strain rates. / Die hochduktilen Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) bilden eine besondere Klasse von Faserbetonen, die eine multiple Rissbildung unter zunehmenden Zugspannungen aufweisen, was zu einer sehr hohen Bruchdehnung führt. Das dehnungsverfestigende, hochduktile Zugverhalten der SHCC wird durch eine gezielte Materialentwicklung erreicht, die die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der zementgebundenen Matrizen, der Kurzfasern und deren Zusammenwirkung berücksichtigt. Das außergewöhnliche Energieabsorptionsvermögen der SHCC durch plastische Verformungen vor dem Erreichen der Zugfestigkeit qualifiziert diese Verbundwerkstoffe für die Herstellung oder Verstärkung von Bauteilen, die Impaktbeanspruchungen ausgesetzt sein könnten. Jedoch weisen SHCC sowohl bezüglich deren Zugfestigkeit als auch deren Dehnungskapazität ein ausgeprägtes dehnratenabhängiges Verhalten auf. Unter zunehmenden Dehnraten führen die unterschiedlichen Dehnratensensitivitäten der gestaltenden Phasen von SHCC (Matrix, Faser und deren Verbund) zur Beeinträchtigung des mikromechanischen Gleichgewichts, welches für die Dehnungsverfestigung und multiple Rissbildung erforderlich ist. Eine hohe Energiedissipation unter Impaktbeanspruchungen kann deshalb nur durch eine gezielte Materialentwicklung der SHCC hinsichtlich deren Verhaltens unter hohen Dehnraten gewährleistet werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe von experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Betrachtungsebenen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Basis für Empfehlungen zur Materialentwicklung von Impakt-resistenten SHCC zu schaffen. Drei verschiedene SHCC-Zusammensetzungen wurden untersucht. Die Referenz-Zusammensetzung aus einer normalfesten zementgebundenen Matrix und Polyvinyl-Alkohol-Kurzfasern wurde mit zwei unterschiedlichen SHCC verglichen (hochfest und normalfest), die mit Kurzfasern aus hochdichtem Polyethylen bewehrt wurden. Einaxiale Zugversuche wurden an SHCC-Proben und unbewehrten Matrix-Proben mit verschiedenen Prüfvorrichtungen bei Dehnraten von 10-4 bis 150 s-1 durchgeführt. Zusätzlich zu den gemessenen mechanischen Eigenschaften wurden die Rissbildung und die Bruchflächen detailliert untersucht. Darüber hinaus wurden mikromechanische Untersuchungen durchgeführt, um die Dehnratensensitivität der einzelnen Phasen, d.h. Matrix, Faser und deren Verbund zu beschreiben. Die aus den mikromechanischen Untersuchungen erzielten Ergebnisse wurden als Eingangswerte in einem analytischen Einzelriss-Modell verwendet. Das entwickelte Modell verbindet die mikromechanischen Parameter und deren Dehnratenabhängigkeit mit dem Rissöffnungsverhalten von SHCC bei zunehmenden Verschiebungsraten. Das macht es vorteilhaft für Materialentwicklungszwecke. Das Modell kann für die Vorhersage der Dehnungskapazität von SHCC bei diversen Dehnraten weiterentwickelt werden, wenn eine umfassende experimentelle Basis für die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrizen vorliegt.

Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).