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.

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

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 Analyse des wissenschaftlich-technischen Standes zeigt, dass die gegenwärtige mineralogisch-petrographische Gesteinscharakterisierung in vielen Fällen nur eine verbale Gefügebeschreibung erlaubt. In der Aufbereitungstechnik ist diese Verfahrensweise jedoch nicht ausreichend. Hier ist eine quantitative Charakterisierung der Gesteine erforderlich. Deshalb bestand die Aufgabe darin, eine neue mathematisch-petrographische Methode zur Charakterisierung der unterschiedlichen Gesteinseigenschaften zu entwickeln. Im Ergebnis der neuen mathematisch-petrographischen Methode wurde festgestellt, dass die verbale Beschreibung der Gesteinsstruktur und -textur durch quantitative Gesteinskennwerte ersetzt werden kann. Mit Hilfe der quantitativen Gesteinskennwerte kann eine Prognostizierung relevanter Produkt- bzw. Systemkenngrößen ohne zerkleinerungstechnische Untersuchungen vorgenommen werden. Die Gesteinskenngrößen erlauben eine Einschätzung des Gesteins hinsichtlich Brechbarkeit und Produktkornform einerseits sowie Verschleiß und erforderlichem Energieaufwand andererseits und stellen somit eine wichtige Grundlage für die Auswahl und den Betrieb der Maschinen und Anlagen der Naturstein-Industrie dar.

Compositwerkstoffe mit Hartstoffverstärkung für das thermische Spritzen finden eine breite Anwendung als Beschichtungswerkstoffe, da sie einen sehr guten Verschleißschutz bieten. Die bislang zur Verfügung stehenden konventionellen karbidhaltigen Pulver für die Herstellung verschleißfester Schichten enthalten zum Teil höhere Mengen an Elementen, die sowohl als kostenintensiv als auch bedenklich im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit (z.B. Ni, Cr und Co) einzustufen sind. Die Untersuchungen wurden im Rahmen der Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Verbundwerkstoffe der TU Chemnitz mit dem Belorussischen Institut für Pulvermetallurgie Minsk durchgeführt. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung neuartiger SHS-Verbundwerkstoffe auf der Basis von Eisen-Titankarbid, die als preiswerte und umweltfreundliche Spritzpulver zum thermischen Spritzen von verschleißbeständigen Schichten eingesetzt werden können. Als metallische Bindephasen für die Herstellung der Verbundpulver wurden kostengünstiges Eisen und unterschiedliche Eisenlegierungen verwendet. Es werden die Gesetzmäßigkeiten des Werkstoffverhaltens während der SH-Synthese, bei der spritztechnischen Verarbeitung durch die APS-, VPS- und HVOF sowohl bei der Schichtbildung als auch während der verschiedenen Verschleißuntersuchungen vorgestellt, die durch umfassende metallkundliche Betrachtungen begleitet werden. Die Ergebnisse aus den Verschleißuntersuchungen der synthetisierten TiC-haltigen Spritzschichten sowie der Spritzschichten aus den herkömmlichen Pulvern werden verglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen Voraussetzungen für vielfältige Anwendungen von SHS-Verbundwerkstoffen des Fe/TiC-Systems für das thermische Spritzen hochverschleißfester Schichten.

Die hohe thermische Belastung des Lichtbogens während des Schaltvorganges bewirkt ein Aufschmelzen des Kontaktwerkstoffes. Für einen kurzen Augenblick schwimmen Metalloxidpartikel in einem Bereich geschmolzenen Silbers. Dies hat eine Gefügeumordnung zur Folge, welche die Eigenschaften des Kontaktes beeinflussen. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen Beitrag zur Erweiterung des Verständnisses von Ag/SnO2-Werkstoffen zu leisten, um die Entwicklung neuer und optimierter Kontaktwerkstoffe voranzutreiben und nachhaltig den Einsatz von Umweltressourcen wie Werkstoffe (Edelmetallgehalt) und Energie zu verringern. Dabei nimmt die Gefügecharakterisierung von ungeschalteten und geschalteten Ag/SnO2-Kontaktwerkstoffen einen wichtigen Stellenwert ein. Die Ausbildung der Kontaktoberfläche und die Ausprägung der Gefügeumordnung (sog. Schaltgefüge) werden in Abhängigkeit der Schaltversuchsart, der Werkstoffzusammensetzung und der Herstellroute der Kontaktwerkstoffe charakterisiert. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Untersuchung der Kontaktoberfläche und metallographischer Schliffe (Ionenstrahl poliert) von mehrfach geschalteten Kontakten (≥ 1000 Schaltungen) mittels FE-REM, um anschließend Zusammenhänge zwischen dem Ausgangsgefüge, dem Schaltgefüge und den Schalteigenschaften zu ermitteln. Dazu wird unter anderem die Wirkung der oxidischen Zusätze durch Benetzungsversuche von Ag auf Metalloxidsubstraten experimentell bestimmt. Des Weiteren wird die Schädigung des Werkstoffes durch die reine Lichtbogenbelastung mittels Laufschienenversuchen untersucht, wodurch das Laufverhalten des Lichtbogens und die Bildung der Anoden- und Kathodenkrater in Abhängigkeit des Werkstoffes untersucht werden kann. / During the switching process the contact material is melting. For a short time (about 10 ms) metal oxide particles will be swimming in liquid silver resulting in structural changes which will effect the properties of the contact materials. The goal of this investigation is to contribute to an improvement of knowledge about Ag/SnO2 contact materials in order to promote the development of new and improved contact materials to strongly reduce the stake of environmental resources like materials (precious metal content) and energy. The microstructure characterization of unswitched and switched Ag/SnO2-materials is the significant part of this study. The formation of the contact surface and the structural changes are investigated depending on several switching experiments, material composition and manufacturing process. An essential part of this work is to analyze the contact surface and the changes of the microstructure of multi-switched contacts (number of switches ≥ 1000) by FE-SEM. In order to identify relations between the bulk microstructure, the charged microstructure and switching behaviour. Furthermore, the effects of the oxide additives are investigated by wetting experiments of Ag on the metal oxide substrate. The erosion of the contact material is reviewed by using a running rails experiment with pure arc loading. Thereby it is possible to research the running arc behaviour and the formation of the anode and cathode craters depending on the contact material.

Ein Verbundwerkstoff aus Titan und Aluminium kann mittels akkumulativem Walzplattieren hergestellt werden. Dabei wird die Dehngrenze angehoben, wenn die Titanlagen nicht abschnüren, sondern laminar bleiben. Die Herstellung eines laminaren Ti/Al-Verbundwerkstoffes ist neu gegenüber den bisherigen Studien. Diese Dissertation beschreibt die Hindernisse und Lösungen, die aus metallphysikalischer Überlegung entstanden und praktisch umgesetzt worden sind. Bei der starken Umformung je ARB-Zyklus neigt das Titan bereits beim zweiten Walzen zur Bildung von Einschnürungen. Das kann durch eine Verringerung der Dickenreduktion je Zyklus sowie durch eine Erhöhung der Verfestigungsrate unterdrückt oder verzögert werden. Walzen mit unterschiedlich großen Ober- und Unterwalzen führt im Vergleich zum symmetrischen Walzen bei gleicher Dickenreduktion zu verstärktem Einschnüren der Titanlagen. Da der Prozess jedoch eine Verringerung der Dickenreduktion erlaubt, ermöglicht er die Zahl der Einschnürungen bei gegenüber dem Quartowalzen gleicher Geschwindigkeit zu verringern. Die spezifische Festigkeit erreicht hierbei einen Wert von auf dem Niveau hochfester Stähle.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Ein Verbundwerkstoff aus Titan und Aluminium kann mittels akkumulativem Walzplattieren hergestellt werden. Dabei wird die Dehngrenze angehoben, wenn die Titanlagen nicht abschnüren, sondern laminar bleiben. Die Herstellung eines laminaren Ti/Al-Verbundwerkstoffes ist neu gegenüber den bisherigen Studien. Diese Dissertation beschreibt die Hindernisse und Lösungen, die aus metallphysikalischer Überlegung entstanden und praktisch umgesetzt worden sind. Bei der starken Umformung je ARB-Zyklus neigt das Titan bereits beim zweiten Walzen zur Bildung von Einschnürungen. Das kann durch eine Verringerung der Dickenreduktion je Zyklus sowie durch eine Erhöhung der Verfestigungsrate unterdrückt oder verzögert werden. Walzen mit unterschiedlich großen Ober- und Unterwalzen führt im Vergleich zum symmetrischen Walzen bei gleicher Dickenreduktion zu verstärktem Einschnüren der Titanlagen. Da der Prozess jedoch eine Verringerung der Dickenreduktion erlaubt, ermöglicht er die Zahl der Einschnürungen bei gegenüber dem Quartowalzen gleicher Geschwindigkeit zu verringern. Die spezifische Festigkeit erreicht hierbei einen Wert von auf dem Niveau hochfester Stähle.:1. Einleitung - hochfeste, verformbare und leichte Halbzeuge für ressourcenschonende Mobilität 2 2. Zielstellung - hochfeste Leichtmetall-Verbundbleche mit feinlamellaren Strukturen und geringer Korngröße 4 3. Grundlagen 7 3.1. Härtungsmechanismen 7 3.2. Ultrafeinkörnige Werkstoffe und Werkstoffkonzepte für den Leichtbau 10 3.3. Akkumulatives Walzplattieren 15 3.4. Titan/Aluminium-Verbundmaterialien durch ARB 18 3.5. Prinzip und Anwendung von Differential speed rolling 21 4. Methoden 24 4.1. Walzen und Akkumulatives Walzplattieren 24 4.2. DSR - Scherwalzen 27 4.3. Metallographische Probenpräparation 29 4.4. Elektronenmikroskopie, EBSD und Korngrößenbestimmung 32 4.5. Zugversuche 34 4.6. Härtemessungen 36 5. Akkumulatives Walzplattieren 38 5.1. Einfluss von Walzenparametern 38 5.1.1.Walzgut- und Walzenvorheizung 38 5.1.2. Zwischenglühung 45 5.1.3. Walzgeschwindigkeit 60 5.1.4. Mechanische Spannung durch Haspelzug 64 5.1.5. Vergleich von Triowalzen und Quartowalzen 70 5.2. Parametersatz und Vergleich des Verbundes mit EinzelmaterialBlechen 77 5.3. Nachwalzen 80 6. DSR / Walzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Arbeitswalzen 84 6.1. Ermittlung der Scherung beim Walzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten der Arbeitswalzen in Abhängigkeit der vorherigen ARB-Zyklen 84 6.2. Entwicklung des Gefüges in homogenen Metallen und Verbundmetallen 88 7. Abschließende Diskussion und Ausblick 100 8. Zusammenfassung 106 9. Literatur 108