Slags plays a significant role at high temperature processes. The estimation of the slag viscosity is vital for the safe run of e.g. entrained flow gasifiers. One opportunity of determination is rotational viscometry. This technique is disadvantageous in view of elevated temperatures, applied materials and the necessary time. Additionally, the viscosity can be predicted by the help of viscosity models, where viscosity is a function of slag composition and temperature. Due to changing slag properties within the technical processes, the calculated viscosities can hugely differ from measured ones. In this work, the viscosities of 42 slags where measured up to 100 Pa s and temperatures up to 1700 °C. Oxidizing and reducing conditions were applied. Additionally, selected slag samples were quenched at defined temperatures to qualitatively and quantitatively determine the formed minerals by X-ray diffraction (XRD). Differential temperature analysis (DTA) was applied to find the onset of crystallization for the complementation of investigations. The Einstein-Roscoe equation was chosen to improve the classic viscosity models. Reducing atmosphere decreased viscosity and the number of formed minerals was increased. Slags show a shear-thinning behavior above ca. 10 vol.-% of solid mineral matter. Also, Newtonian behavior was observed up to 60 vol.-%. To overcome problems with the kinetic cooling behavior of the slags, a viscosity approximation method was applied afterwards. This can result in optimized viscosity predictions when several preconditions are fulfilled.

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.

Slags plays a significant role at high temperature processes. The estimation of the slag viscosity is vital for the safe run of e.g. entrained flow gasifiers. One opportunity of determination is rotational viscometry. This technique is disadvantageous in view of elevated temperatures, applied materials and the necessary time. Additionally, the viscosity can be predicted by the help of viscosity models, where viscosity is a function of slag composition and temperature. Due to changing slag properties within the technical processes, the calculated viscosities can hugely differ from measured ones. In this work, the viscosities of 42 slags where measured up to 100 Pa s and temperatures up to 1700 °C. Oxidizing and reducing conditions were applied. Additionally, selected slag samples were quenched at defined temperatures to qualitatively and quantitatively determine the formed minerals by X-ray diffraction (XRD). Differential temperature analysis (DTA) was applied to find the onset of crystallization for the complementation of investigations. The Einstein-Roscoe equation was chosen to improve the classic viscosity models. Reducing atmosphere decreased viscosity and the number of formed minerals was increased. Slags show a shear-thinning behavior above ca. 10 vol.-% of solid mineral matter. Also, Newtonian behavior was observed up to 60 vol.-%. To overcome problems with the kinetic cooling behavior of the slags, a viscosity approximation method was applied afterwards. This can result in optimized viscosity predictions when several preconditions are fulfilled.:List of Tables ............................................................................................................ vi List of Figures ........................................................................................................ viii Symbols and Abbreviations .................................................................................. xviii 1. Introduction and Aim ....................................................................................... 1 2. General Overview of Slag ............................................................................... 2 2.1 Viscosity ...................................................................................................... 2 2.1.1 Viscosity Introduction ........................................................................... 2 2.1.2 Flow behavior of fluids ......................................................................... 3 2.2 Slag Definition and Phase Diagrams ........................................................... 4 2.3 Solid Slag Structure .................................................................................... 5 2.4 Liquid Slag Structure ................................................................................. 10 2.5 Basicity and B/A-ratio ................................................................................ 11 2.6 Slag Components...................................................................................... 13 2.6.1 Silicon dioxide .................................................................................... 13 2.6.2 Aluminum oxide ................................................................................. 13 2.6.3 Calcium oxide .................................................................................... 15 2.6.4 Iron oxide ........................................................................................... 16 2.6.5 Magnesium Oxide .............................................................................. 18 2.6.6 Potassium Oxide ................................................................................ 19 2.6.7 Sodium Oxide .................................................................................... 20 2.6.8 Titanium Oxide ................................................................................... 21 2.6.9 Phosphorous ...................................................................................... 22 2.6.10 Sulfur .............................................................................................. 22 2.7 Summary of Last Chapters ........................................................................ 23 3. Slag Viscosity Toolbox .................................................................................. 25 3.1 Slag Viscosity Predictor............................................................................. 25 3.2 Slag Viscosity Database............................................................................ 26 3.3 Prediction Quality of Viscosity Models ....................................................... 27 4. Classic Slag Viscosity Modelling ................................................................... 30 4.1 Selected Classic Viscosity Models ............................................................ 31 4.1.1 S2 ....................................................................................................... 32 4.1.2 Watt-Fereday ..................................................................................... 32 4.1.3 Bomkamp ........................................................................................... 32 4.1.4 Shaw .................................................................................................. 32 4.1.5 Lakatos .............................................................................................. 33 4.1.6 Urbain ................................................................................................ 33 4.1.7 Riboud ............................................................................................... 33 4.1.8 Streeter .............................................................................................. 34 4.1.9 Kalmanovitch-Frank ........................................................................... 34 4.1.10 BBHLW .......................................................................................... 34 4.1.11 Duchesne ....................................................................................... 34 4.1.12 ANNliq ............................................................................................ 35 4.2 Need of Improvement in Viscosity Literature ............................................. 35 4.3 Summary of Last Chapters ........................................................................ 36 5. Advanced Slag Viscosity Modelling .............................................................. 37 5.1 Crystallization ............................................................................................ 37 5.1.1 Nucleation .......................................................................................... 38 5.1.2 Crystallization Rate ............................................................................ 39 5.1.3 Crystallization Measurement Methods ............................................... 39 5.2 Slag Properties Changes During Crystallization ........................................ 40 5.2.1 Slag Density ....................................................................................... 40 5.2.2 Solid Volume Fraction ........................................................................ 46 5.2.3 Estimation of Slag Composition During Cooling ................................. 46 5.3 Viscosity Depending on Particles and Shear Rate..................................... 47 5.3.1 Einstein-Roscoe Equation .................................................................. 48 5.3.2 Improved Modelling Approach by Modified Einstein-Roscoe .............. 49 5.4 Summary of Last Chapters ........................................................................ 50 6. Experimental Procedures ............................................................................. 52 6.1 Viscosity Measurements ........................................................................... 52 6.1.1 Estimating Parameter Ranges of Viscosity Measurements ................ 53 6.1.2 Viscosity Measurement Procedure ..................................................... 54 6.2 Thermal Analysis of Slags ......................................................................... 55 6.2.1 Experimental Conditions of DTA ........................................................ 55 6.3 Phase Determination ................................................................................. 55 6.3.1 Quench Experiment Processing ......................................................... 56 6.3.2 Phase Determination on XRD Results ............................................... 56 6.4 Summary of Last Chapters ........................................................................ 57 7. Results and Discussion ................................................................................ 58 7.1 Selected Slag Samples ............................................................................. 58 7.1.1 Slag Sample Composition Before Viscosity Measurements ............... 58 7.1.2 Slag Sample Composition After Viscosity Measurements .................. 59 7.2 General Results of Viscosity Measurements ............................................. 60 7.2.1 Viscosity under Air Atmosphere ......................................................... 63 7.2.2 Viscosity under Reducing Atmospheres ............................................. 65 7.2.3 Viscosity under Constant Partial Oxygen Pressure ............................ 66 7.2.4 Summary of Last Chapter .................................................................. 68 7.3 Mineral Formation ..................................................................................... 69 7.3.1 General Results on Primarily Mineral Formation ................................ 69 7.3.2 Influences on Primarily Mineral Formation ......................................... 70 7.3.3 Mineral Formation over Wide Temperature Ranges ........................... 71 7.3.4 Summary of Last Chapter .................................................................. 77 7.4 Results Obtained by DTA .......................................................................... 78 7.4.1 Comparing Results obtained by DTA and Quenching ........................ 80 7.4.2 Summary of Last Chapter .................................................................. 82 7.5 Shear Rate Influence on Slag Viscosity ..................................................... 82 7.5.1 Shear Rate Influence under Oxidizing Atmospheres .......................... 83 7.5.2 Shear Rate Influence under Reducing Atmospheres .......................... 87 7.5.3 Shear Rate Influence under Constant Atmospheres .......................... 91 7.5.4 Summary of chapter ........................................................................... 92 7.6 Atmospheric Influence on Viscosity ........................................................... 93 7.6.1 Summary of Last Chapter .................................................................. 95 7.7 Cooling Rate Influence on Slag Viscosity .................................................. 95 7.7.1 Summary of Last Chapter .................................................................. 97 8. Advanced Viscosity Modelling Approach ...................................................... 99 8.1 Prediction Quality of Classical Viscosity Models ........................................ 99 8.1.1 Selecting the Best Viscosity Model for Newtonian Flow ..................... 99 8.1.2 Summary of Last Chapter ................................................................ 103 8.2 Predicting Liquidus Temperature ............................................................. 103 8.2.1 Comparing Liquidus Calculations and Quenching Experiments ....... 103 8.2.2 Comparing DTA Results and Liquidus Calculations ......................... 105 8.2.3 Summary of Last Chapter ................................................................ 107 8.3 Predicting Liquid Slag Composition ......................................................... 108 8.3.1 Results of Slag Composition Calculations at Oxidizing Conditions ... 108 8.3.2 Results of Slag Composition Calculations at Reducing Conditions ... 110 8.3.3 Summary of Last Chapter ................................................................ 111 8.4 Modelling Approach ................................................................................ 112 8.4.1 Development of Datasets for Advanced Viscosity Modeling ............. 113 8.4.2 Summary of Last Chapter ................................................................ 116 8.5 Results of Advanced Slag Viscosity Modelling Approach ........................ 116 8.5.1 Summary of Last Chapter ................................................................ 121 9. Summary .................................................................................................... 123 10. Appendix: Information on Classic Viscosity Modelling ................................. 126 10.1 Backgrounds of Applied Viscosity Models............................................ 126 10.2 Viscosity Model of the BCURA (S2) ..................................................... 129 10.3 Watt-Fereday ....................................................................................... 130 10.4 Bomkamp ............................................................................................ 130 10.5 Shaw ................................................................................................... 131 10.6 Lakatos Model ..................................................................................... 132 10.7 Urbain Model ....................................................................................... 133 10.8 Riboud Model ...................................................................................... 134 10.9 Streeter Model ..................................................................................... 136 10.10 Kalmanovitch-Frank Model .................................................................. 137 10.11 BBHLW Model ..................................................................................... 137 10.12 Duchesne Model .................................................................................. 139 10.13 ANNliq Model ...................................................................................... 141 11. Appendix: Settings of Equilibrium Calculations ........................................... 143 12. Appendix: Parameters of Einstein-Roscoe Equation ................................... 153 13. Appendix: Ash and Slag Sample Preparation ............................................. 155 14. Appendix: Experimental Procedures: Viscometer ....................................... 159 14.1 General Viscometer Description .......................................................... 159 14.2 Temperature Calibration ...................................................................... 160 14.3 Viscometer Calibration ......................................................................... 160 14.4 Accuracy and Reproducibility of HT-Viscosity Measurements .............. 161 14.5 Influence of Inductive Heating .............................................................. 163 14.6 Influence of Measurement System Materials ....................................... 164 15. Appendix: Experimental Procedures: Quenching Furnace .......................... 167 16. Appendix: Slag Sample Parameters and Composition ................................ 168 17. Appendix: Slag Viscosity Measurements Results ....................................... 175 18. Appendix: Viscosities at Different Cooling Rates ........................................ 182 19. Appendix: Slag Viscosity Modelling: AALE Calculations ............................. 187 20. Appendix: Advanced Viscosity Modelling: a-factors .................................... 193 21. Appendix: Slag Mineral Phase Investigations and Modelling ...................... 197 22. Appendix: Results of DTA Measurements on Slags .................................... 207 23. Appendix: Advanced Slag Viscosity Modelling Approach ............................ 211 References ........................................................................................................... 228

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) has been a fundamental player in the studies of superconducting materials for many decades. This local probe technique allows for the study of the static electronic properties as well as the low energy excitations of the electrons in the normal and the superconducting state. On that account it has also been widely applied to Fe-based superconductors from the very beginning of their discovery in February 2008. This dissertation comprises some of these very first NMR results, reflecting the unconventional nature of superconductivity and its strong link to magnetism in the investigated compounds LaO(1-x)F(x)FeAs and LiFeAs.:1. Introduction 2. Basic Principles of NMR 3. NMR in the Superconducting State 4. Iron-based Superconductors 5. Experimental Setup 6. NMR on LaO(1-x)F(x)FeAs in the Normal State 7. MR and NQR on LaO(1-x)F(x)FeAs in the Superconducting State 8. NMR and NQR on LiFeAs 9. Conclusions

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Schichtsysteme für die Realisierung biaxial texturierter hochtemperatursupraleitender Bandleiter. Bisher sind eine Vielzahl von Bandleiterarchitekturen bekannt, die sowohl durch physikalische Depositionsmethoden als auch mittels Abscheidung aus der chemischen Lösung hergestellt werden können. Während die Funktion von YBCO-Bandleitern mit Hilfe physikalischer Depositionsmethoden in den letzten Jahren demonstriert werden konnte, zeigen auf chemischem Wege deponierte Bandleiter schlechtere Eigenschaften. Seitens der Industrie besteht ein starkes Interesse, die hohen Produktionskosten, die im Hinblick auf physikalische Depositionsmethoden mit einem hohen Anlagenaufwand verbunden sind, anhand der kostengünstigen chemischen Synthese von Einzelschichten oder der gesamten Bandleiterarchitektur zu senken. Gelöst wurde diese Aufgabe innerhalb der vorliegenden Arbeit durch die Entwicklung metallorganischer Vorstufenlösungen zur Deposition von CaTiO3-, SrTiO3-Pufferschichten und supraleitender YBa2Cu3O7-Schichten.

Um die Leistung und Lebensdauer von energietechnischen Komponenten weiter zu steigern, sind höhere Leistungen, Leistungsdichten sowie Prozesswirkungsgrade zentrale Bestandteile künftiger Entwicklungen. Mit steigernden Leistungsdichten erhöhen sich auch stetig die Belastungen der einzelnen Komponenten. Zusammen mit neuen Werkstoffen und technologischem Fortschritt, wie beispielsweise verbesserten Kühltechnologien oder strömungstechnischen Optimierungen ermöglicht auch eine verbesserte Kenntnis der Belastungsbedingungen und des Schädigungsverhaltens höhere Leistungen und Leistungsdichten. Aktuelle Gasturbinen und oft auch Kraftwerkskomponenten unterliegen zusätzlich zu den mechanischen und zeitlich variablen thermischen Beanspruchungen auch großen örtlichen thermischen Gradienten, die die Lebensdauer der Komponenten stark beeinflussen. Diese thermischen Gradienten induzieren zum einen zusätzliche Beanspruchungen und die örtlich variablen Temperaturfelder führen zum anderen zu stark variierenden Werkstofffestigkeiten. In dieser Arbeit wird ein Prüfstand zur realistischen Prüfung eines typischen Gasturbinenschaufelmaterials Mar-M247 entwickelt und mit diesem eine systematische experimentelle Untersuchung des Einflusses thermischer Gradienten auf die niederzyklische Ermüdungsfestigkeit unter erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im weiteren Teil der Arbeit wird ein visko-elasto-plastisches Materialmodell weiterentwickelt, um die lokal unsymmetrische Beanspruchung der Proben unter zyklischer Last realistisch abbilden zu können. Mit Hilfe von Experimenten aus der Literatur werden dabei zunächst die Grenzen und Möglichkeiten des Modells diskutiert, um es dann auf den konkreten Werkstoff anzupassen. Der wesentliche Vorteil des entwickelten Modells liegt in der verbesserten Beschreibung des zyklischen Kriechens und zyklischen Relaxierens (Ratcheting) insbesondere unter einachsiger Beanspruchung und in der nachträglichen Anpassungsmöglichkeit des spezifischen Ratchetingterms nach der Anpassung aller anderen Materialparameter. Die Analyse der experimentell ermittelten Lebensdauern erfolgt sowohl mit ingenieurmäßigen Methoden basierend auf der spannungsabhängigen Lebensdauerbeschreibung nach Basquinund Wöhler als auch mittels eines lokalen bruchmechanischen Ansatzes, der es ermöglicht,sowohl die Rissinitiierung als auch den Rissfortschritt unter variabler Temperatur und kombinierter Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung zu beschreiben. Das Material- und Lebensdauermodell werden zusammen im letzten Teil der Arbeit eingesetzt, um das Verformungs- und Lebensdauerverhalten der untersuchten Proben zu berechnenund es kann gezeigt werden, dass sich die Versuche mit sehr guter Qualität wiedergeben lassen.:Versicherung i Abstract iii Kurzfassung v List of abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 2 Objective 5 3 State of the art 7 3.1 Thermal and mechanical loading of gas turbine components . . . . . . . . . . 7 3.2 Material characterisation of nickel-based superalloys . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Deformation modelling based on constitutive material laws . . . . . . . . . . 13 3.3.1 Ramberg-Osgood material law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3.2 Strain and stress tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.3 Thermodynamic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Elasto-visco-plastic material models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4.1 Isotropic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.2 Kinematic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.3 Kinematic hardening for improved simulation of ratcheting . . . . . . 18 3.4.4 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5 Failure at elevated temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.5.1 Fundamental fatigue life models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5.2 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.3 Crack growth models for fatigue loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.4 Creep crack growth based on C(t) and C ∗ . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5.5 Temperature dependency and normalization methods . . . . . . . . . 35 3.5.6 Lifetime under temperature variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.7 Influence of mean stresses on lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.8 Influence of oxidation on failure at elevated temperatures . . . . . . . 42 3.5.9 Constitutive damage and crack growth models . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Experimental methods for the generation of large homogeneously distributed heat flux densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1 Resistance heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2 Inductive heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.6.3 Convective heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6.4 Laser based heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6.5 Radiation heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7 Conclusion on the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 Development of a test system for cyclic fatigue tests under homogeneous surface temperature conditions 59 4.1 Boundary conditions for the development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Concept for a test system with a new highly focusing heating . . . . . . . . . 60 4.2.1 Simulation of heat fluxes of different furnace geometries by ray-tracing 60 4.3 Definition of reflection and transmission coefficient . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.1 Simulation of the radiation behaviour for the furnace concepts . . . . 66 4.4 Analytical calculation of heat transfer inside the hollow specimen . . . . . . . 71 4.5 Finite element calculation of temperature distribution in the specimen wall . 73 4.6 Design and evaluation of the specimen internal cooling system . . . . . . . . . 75 4.6.1 Installation of heating and development of the load train . . . . . . . 81 5 Experimental investigation 85 5.1 Measurement of surface temperatures and thermal gradients . . . . . . . . . . 87 5.1.1 Measurement of surface temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1.2 Axial surface temperature distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.3 Measurement of thermal gradients across specimen wall . . . . . . . . 92 5.2 Results of isothermal ratcheting tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3 Deformation behaviour of cyclic tests with superimposed thermal gradients . 98 5.3.1 Variation of mean strain and mean stress . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Termination criteria for the tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.4.1 Measurement of modulus of elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.5 Low cycle fatigue life of Mar-M247 with and without superimposed thermal gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.6 Results of hollow cylindrical specimen testing with thermal gradients . . . . . 108 6 Microstructural investigation 113 7 Deformation modeling with improved ratcheting simulation based on small scale strain theory 123 7.1 Modeling of ratcheting behaviour of Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.1 Improvement of uniaxial ratcheting description for the Armstrong- Frederick-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.2 Evaluation of the proposed model for multiaxiality . . . . . . . . . . . 129 7.2 Application of the deformation model on Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . 132 8 Lifetime calculation of the nickel-base-superalloy Mar-M247 based on engineering and crack growth methods 139 8.1 Modification of the Krämer crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Choice of basic variable for the fatigue crack growth and crack initiation . . . 140 8.3 Oxidation based crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8.4 Creep crack growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.5 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.6 Fatigue life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.6.1 Extension of the Paris crack growth model based on intrinsic defect size152 8.6.2 Crack length independent formulation of J-integral . . . . . . . . . . . 154 8.7 Combined model for comprehensive description of the crack-initiation and -growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.7.1 Comparison to crack growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.7.2 Comparison to fatigue experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9 Application of material and crack growth model to the experiments with superimposed thermal gradient 167 9.1 Geometry function for the hollow specimen investigated . . . . . . . . . . . . 167 9.2 Application of the crack growth model on non-isothermal tests . . . . . . . . 170 9.2.1 Calculation of the stress strain field of hollow cylindrical specimen subjected to thermally induced stress gradients with the elasto-visco- plastic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.2.2 Calculated crack growth behaviour under locally non-isothermal con- ditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10 Conclusion and outlook 181 Bibliography 185

With this thesis, I present an experimental study focusing on the provision of thermodynamic data of fluids at elevated pressure and temperature conditions. Hereby a microcapillary setup that is equipped with an in situ Raman Spectroscopy unit as well as with a high-speed camera, was further improved within the scientific employment of the author. The setup consists in principle of a fused-silica microcapillary embedded in a heating block, which is furthermore connected to high pressure syringe pumps. Pure compounds and mixtures were studied with the microfluidic setup and different thermodynamic properties were determined. For instance, vapor pressures of Poly(oxymethylene) Dimethyl Ethers (OME3 and OME4), a potential class of renewable diesel fuels, were the first time measured for temperatures exceeding the atmospheric boiling temperature. Hereby the regarded compound is pressurized at constant temperature, from what the vapor pressure is determined optically by detecting bubble or film formation, indicating the transition from vapor to liquid state. The main results of this thesis were however the vapor-liquid equilibria (VLE) of fuel/air-systems that were determined by in situ Raman Spectroscopy, whereby the Stokes-scattered Raman signal can be successfully separated phase-dependently by light barrier technology. A further task was the determination of saturated mixture densities of the validation system ethanol/CO2. With this study, I intend to contribute to the scarce literature data for the studied systems and properties. Therewith I want to help to enhance the understanding of microprocesses such as the evaporation and mixing formation in diesel combustion engines.

Hochtemperatur-Konversionsprozesse sind ein wesentlicher Bestandteil von industriellen Produktionsprozessen, die maßgeblich den Prozesswirkungsgrad und die Produktionskosten beeinflussen. Die modellgestützte Optimierung ermöglicht eine gezielte Verbesserung verschiedener Parameter unter Berücksichtigung von prozesstechnischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten. Bisher existiert in der Literatur kein Vergleich der Einsatzmöglichkeiten verschiedener Modellierungsmethoden zur modellgestützten, multikriteriellen Optimierung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen. Daher werden in dieser Arbeit drei exemplarische Konversionsprozesse mit unterschiedlichen Modellierungsmethoden optimiert und anhand der Ergebnisse die Potenziale und Einsatzgrenzen für die modellgestützte Optimierung bewertet. Die Modellierung eines Wirbelschichtvergasers zeigt, dass detaillierte CFD-Modelle für komplexe mehrphasige Prozesse zu rechenaufwändig sind. Hingegen ist für einfache einphasige Prozesse wie ein Quench-Reaktor die Optimierung mit reduzierten CFD-Modellen realisierbar. Die Integration von Ersatzmodellen beschleunigt das Optimierungskonzept bei gleicher Ergebnisqualität, was die Optimierung von komplexen Prozessen für einfache Optimierungsprobleme ermöglicht. Die Optimierung der Partialoxidation von flüssigen Einsatzstoffen zur Methanolproduktion zeigt, dass sich Fließbildmodelle gut zur Optimierung von vollständigen Produktionsprozessen und komplexen Optimierungsproblemen eignen. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Basis für die Erstellung von Modellierungs- und Optimierungskonzepten für weitere Hochtemperatur-Konversionsprozesse genutzt werden.

Ziel der Arbeit war die Synthese von ZnS, welches strukturell natürlichen Sphalerit imitieren und für die Untersuchung und Optimierung von biologischen Laugungsexperimenten genutzt werden soll. Zur Herstellung von chemisch reinem sowie mit den Wertelementen Indium, Kupfer und Eisen dotierten ZnS wurden vier verschiedene Synthesemethoden getestet: Ofentempern, chemische Gasphasentransportreaktion (CVT), feldunterstütztes Sintern (SPS) und die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese (HP/HT). Es folgte die Charakterisierung der synthetisierten Produkte hinsichtlich der Realstruktur und chemischen Reinheit mittels XANES, REM, XRD, EPMA und nasschemischer Verfahren. Abschließend wurden die Synthesemethoden nach ihrer Effizienz evaluiert. Das Ziel, defektfreies kubisches ZnS zu erzeugen, wurde nur mittels CVT und HP/HT erreicht. In dieser Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Einbau von Indium ohne gleichzeitige Aufnahme von Kupfer bis zu 1 Ma-% möglich ist.:Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis XI Abkürzungen, Akronyme und Symbole XII Einheiten XV 1 Einleitung 1 2 Forschungsstand zur Synthese von Zinksulfid 6 2.1 Kristallographie von ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 p-T -Phasendiagramm von ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Synthesematerial 15 3.1 Gefälltes ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Dotierungsmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 Recherche zu kommerziellen Metallsulfiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4 Synthesemethoden 21 4.1 Ofentempern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.2 FAST-SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.3 CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.4 HP/HT-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.4.1 Toroid-Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.4.2 HP/HT-Experimentalaufbau und -ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.4.3 HP/HT-Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5 Analysemethoden 42 5.1 ICP-MS & ICP-OES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2 XRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3 UV-VIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.4 REM-EDX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.5 EBSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.6 EPMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.7 XANES Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.8 Ramanspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.9 Dichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.10 BET-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6 Ergebnisse 63 6.1 Charakterisierung industriell verfügbarer Materialien und natürlicher Proben . 63 6.1.1 Synthetische, industriell verfügbare Materialien . . . . . . . . . . . . . . 63 6.1.2 Referenzspektren für XANES-Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.2 Charakterisierung der Synthesematerialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.2.1 ZnS der Leuchtstoffwerke Breitungen GmbH (LWB) . . . . . . . . . . . 74 6.2.2 Dotierungsmaterialien In, Cu und Fe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.3 Charakterisierung der synthetisierten Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3.1 Einkristalle (CVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3.2 Polykristalline Produkte (Ofentempern, FAST-SPS und HP/HT) . . . . 112 6.4 Bestimmung des Stapelfehleranteils mittels Ramanspektroskopie? . . . . . . . . 152 7 Diskussion 155 7.1 Synthesematerialien und industriell verfügbare Materialien . . . . . . . . . . . 155 7.2 Syntheseprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 7.2.1 Syntheseprodukte: Einkristalle (CVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 7.2.2 Syntheseprodukte: Polykristalline Produkte (Ofentempern, FAST-SPS und HP/HT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.2.3 Vergleich der Syntheseprodukte: Einkristalle und Polykristalline Produkte 202 8 Laugungsexperimente: Zusammenfassung und Schlussfolgerung 213 9 Schlussfolgerung 220 10 Zusammenfassung 221 Literaturverzeichnis 225 Anhang A Ergebnispräsentation auf internationalen Fachtagungen 247 B Pulver vs. Kompaktprobe-Diffraktometrie 249 C ZnSdis.str-Datei 252 D Bestimmung der Bandlücke 254 E Messpunkte EPMA 256 F Einwaagen der Synthese 258 G Texturfaktoren der Röntgenbeugung X-Ray Diffraction (XRD)-Analyse 260

Die umfangreichen Untersuchungen ausgewählter Mg2Si-basierter Materialien innerhalb dieser Arbeit zeigen neue Wege für die Anwendung der SPS-Technik in der Grundlagen- als auch angewandten Forschung und liefern entscheidendes, neues Material für die Charakterisierung der Li-Verbindungen Li2xMg2-xX (X = Si, Ge, Sn, Pb). Aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten und den hier dargestellten Resultaten ergeben sich sowohl neue Möglichkeiten der Synthese, basierend auf dem SPS-Prozess (in Verbindung mit der Pulverherstellung, ‑verarbeitung und einem entsprechenden Werkzeugdesign), als auch eine Optimierung der Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen durch Nutzung dieser Technik. Die ternären Phasen Mg2Si1−xXx (X = Ge, Sn, Pb) und Mg2−x/2Si1−xSbx Die pulvermetallurgische Herstellung der Phasen Mg2Si1-xXx (X = Ge, Sn und Pb) und der Phase Mg2‑x/2Si1-xSbx gelang in dieser Arbeit erstmals mit Hilfe der SPS-Technik aus kugelgemahlenen Pulvergemischen (MgH2, Si, X). Die ternären Phasen Li2xMg2−xX (X = Si, Ge, Sn, Pb) Der Einbau von Li in Mg2Si wurde in dieser Arbeit erstmalig durch die SPS-Festkörperreaktion aus LiH, MgH2 und Si untersucht. Die Synthese der Li-armen Li2xMg2−xSi-Phasen gelingt schon bei Temperaturen von max. 700 °C. Die Schmelzsynthese dieser extrem luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Proben wurde unter Argon-Schutzgas aus den Elementen mit anschließender Wärmebehandlung bei 200 °C angewendet. Dabei lassen sich drei unterschiedliche kubische Li2xMg2−xSi-Phasen mit 0 < x < 0,8 auf der Mg2Si-reichen Seite des ternären Systems finden. Mit steigendem Li-Gehalt können röntgenographisch zwei strukturelle Umwandlungen, ausgehend von der Raumgruppe Fm-3m für Mg2Si zu P-43m und P-43m mit der Bildung einer Überstruktur mit a′ = 2a bestimmt werden. Mit steigendem Li-Gehalt in Li2xMg2−xSi ändern sich die Eigenschaften. Der Übergang vom halbleitenden zum metallischen Zustand konnte in dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. In Analogie zu Li2xMg2−xSi konnten die Phasen Li2xMg2−xX (X = Ge, Sn, Pb) charakterisiert werden. Eine Intercalation für Li in Mg2X ist nicht möglich. Die Verbundwerkstoffe basierend auf Mg2Si Das spröde Materialverhalten vonMg2Si-Proben kann durch einen pulvermetallurgisch erzeugten Verbundwerkstoff mit Mg reduziert werden. Die SPS-Technik Basierend auf vorangegangenen Arbeiten konnte innerhalb dieser Arbeit durch die Verwendung von MgH2 die Strom-, Dichte- und Temperaturverteilung während des SPS-Prozesses innerhalb der Probe und des Werkzeuges beurteilt werden. / Extensive investigation on selected Mg2Si based materials demonstrate new routes for the application of the SPS technique in respect to basic as well as applied research and provide decisive new material on the characterisation of the Li compounds Li2xMg2-xX (X = Si, Ge, Sn, Pb). Based on prior activities and the results shown in this work new ways of the synthesis using the SPS process (in combination with powder making and processing and suitable tool design) as well as the optimization of material properties of composite materials can be achieved using the SPS technique. The Ternary Phases Mg2Si1−xXx (X = Ge, Sn, Pb) and Mg2−x/2Si1−xSbx For the first the powder metallurgic manufacturing route of the phases Mg2Si1-xXx (X = Ge, Sn und Pb) and the phase Mg2‑x/2Si1-xSbx is shown using the SPS technique and a ball milled powder mixture (MgH2, Si, X). The Ternary Phases Li2xMg2−xX (X = Si, Ge, Sn, Pb) The intercalation of Li into Mg2Si is investigated for the first time by using the SPS solid state reaction based on LiH, MgH2 and Si. The synthesis of the Li poor phase Li2xMg2−xSi could be obtained at temperatures of max. 700 °C. The melting technique made of the elements of these extremely air and moisture sensitive samples could be performed under Argon protective atmosphere followed by a heat treatment at 200 °C. Three different cubic phases of Li2xMg2−xSi can be found on the Mg2Si rich side of the ternary System with the composition in the range of 0 < x < 0,8. With increasing Li content two structural conversions can be found using the x-ray analysis. A change from the space group Fm-3m for Mg2Si via P-43m to P-43m with a superstructure of a′ = 2a could be detected. Linked with the increasing Li content is a change of the properties. The change from the semiconducting behaviour to a metallic characteristic could be shown for the first time. Analogous to Li2xMg2−xSi the phase Li2xMg2−xX (X = Ge, Sn, Pb) could be synthesised and analysed. An intercalation of Li in to Mg2X ist not possible. Composite Materials Based on Mg2Si The brittle behaviour of Mg2Si samples can be reduced by composite material with Mg using the powder metallurgical route. The SPS-Technique Using MgH2 the distribution of the current, the density and the temperature in the sample and tool could be judged.