Till följ av de stora skadorna som riskeras vid frontalkollision mellan personbil och lastbil, utför Scania CV AB kraschtester för att bättre kunna utveckla komponenter med syfte att skydda passagerarna i personbilen. Den typ av test som denna studie bygger på utvärderar den s.k. FUP:en (engelska Front Underrun Protection). I dagsläget görs ett fullskaligt test, där en personbil avfyras in i en lastbil. Syftet med studien är att undersöka möjligheten att utveckla en förenklad test metod där endast de väsentliga komponenterna från lastbilen inkluderas, och en representativ struktur ersätter personbilen. Om möjligt kommer detta minska kostnaderna samt möjliggöra för större repeterbarhet. Tester och utvärderingar görs med hjälp av simulationer i LS-Dyna, ANSA & META, och designkoncept visualiseras i CAD-programmet CATIA V5. Resultat visar att det finns goda förutsättningar för att ersätta personbilen med en barriär av honeycomb struktur samt att lastbilen kan ersättas med en vagn där de väsentliga komponenterna fäst. Diskussioner kring simuleringarna och designen lyfter fram faktorer som visar på goda utvecklingsmöjligheter, men med betoning på det fortsatta arbetet som krävs. / Scania CV AB are developing components to prevent fatal damages during frontal collisions with passenger cars. Therefore, they need to test their assemblies and specifically FUP (Frontal Underrun Protection). Currently, a full-scale test is done in which a passenger car is launched into a truck. The purpose of this study is to examine and develop the possibility of having a simplified test procedure in which only the relevant components of the truck are included, and a representative structure replaces the car. If possible, this would reduce costs and allow for greater repeatability. Analysis and evaluations are done via finite element models using ANSA, LS-Dyna and META. The conceptual design is visualized using CATIA V5. Results show good indication that the passenger car can be replaced by a trolley with deformable barriers mounted on it and the truck can be replaced by a simplified structure with main FUP components mounted onto it. Discussions about the numerical models results and the conceptual design highlight factors that show promising possibilities, but with emphasis on the continued work that is required.

Thesis advisor: Fazel Tafti / The search for an ideal quantum spin-liquid (QSL) material which can host a QSL ground state as well as exotic excitations has been one of the leading research topics in condensed matter physics over the past few decades. Out of all the proposals to realize the physics of a QSL, the Kitaev model is the most promising proposal with a QSL ground state. The Kitaev Hamiltonian is exactly solvable via fractionalization of its spin degrees of freedom into Majorana excitations, and it can be engineered in real materials. Among all the proposed Kitaev candidates, α-Li2IrO3, Na2IrO3, Li2RhO3, and α-RuCl3 are the most promising candidates. During my Ph.D. research I explored new physics related to Kitaev materials via modification of the symmetry and structural properties of these known Kitaev candidates. First, I studied how modification of the inter-layer chemistry can alter the thermodynamic properties of Kitaev candidate α-Li2IrO3 via an enhancement of the spin-orbit coupling (SOC) effect. The light, octahedrally-coordinated inter-layer Li atoms are replaced with heavier, linearly-coordinated Ag atoms to synthesize Ag3LiIr2O6. In addition to these structural modifications to the parent compound α-Li2IrO3, having heavier elements between the honeycomb layers in the Ag compound increased the effect of SOC in the honeycomb layers and led to a decrease in the long-range ordering temperature in Ag3LiIr2O6 compared to its parent compound. Second, I studied the effect of local crystal distortion in the presence of a weak SOC effect to explore a new spin-orbital state different from the Jeff=1/2 state. Based on theoretical predictions, the ground states of Kitaev materials can be tuned to other exotic spin-orbital states such as an Ising spin-1/2 state. To provide the proper conditions for a competition between the trigonal crystal distortion and the SOC effect, I modified the crystal environment around the magnetic elements in the parent compound Li2RhO3 via a topo-chemical method and synthesized Ag3LiRh2O6. An increase in the strength of trigonal distortion in Ag3LiRh2O6, in the presence of weak SOC, led to a transition from the Jeff=1/2 ground state (Kitaev limit) in the parent compound to an Ising spin-1/2 ground state (Ising limit) in the product. This change in spin-orbital state resulted in a dramatic change in magnetic behavior. Whereas Li2RhO3 shows a spin-freezing transition at 6 K, Ag3LiRh2O6 reveals a robust long-range antiferromagnetic transition at 94 K. This is the first realization of a change of ground state between the Kitaev and Ising limits in the same structural family. Lastly, I studied how the crystal symmetry can be an important factor in the physics of Kitaev materials. Honeycomb layered materials can be crystallized in space groups C2/m, C2/c, and P6_322. However, the crystal symmetry of most Kitaev candidates is described by the C2/m space group. We successfully synthesized a polymorph of a 3d Kitaev candidate, hexagonal Na2Co2TeO6 (P6_322 space group) in space group C2/m. The change in crystal symmetry of this cobalt tellurate replaced three anti-ferromagnetic (AFM) orders at 27, 15, 7 K in the hexagonal polymorph by a single AFM peak at 9.6 K in the monoclinic Na2Co2TeO6. / Thesis (PhD) — Boston College, 2023. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

Dans le domaine des polymères, l'auto-organisation de la matière a été largement étudiée dans les dernières années et beaucoup de progrès dans le domaine des films ordonnés, générés par l'auto-assemblage de copolymères à blocs, ont été réalisés. Ce progrès est motivé par le fait que les films auto-assemblés possèdent des applications en biologie, photonique, adhésion. Le sujet initial de thèse est la fabrication des films structurés en nid d’abeilles formés par un bloc de copolymère contenant une partie hydrophobe ( à peu près 90%) et une partie hydrophile (10%) qui peuvent s’auto-organiser en nid d’abeilles. Les films de polymères préparés seront ultérieurement à la base d’une étude de complexation avec des métaux. Ceci sert à décontaminer les eaux usées des métaux ou pesticides. Durant ces années de thèse, une méthodologie d’analyse de surface est détaillée pour comprendre la topographie de ces films ainsi que la chimie de surface de ces derniers. Pour cette raison, divers techniques d’analyses sont utilisées pour décrire vigoureusement la surface de ces films afin d’optimiser ces films pour complexer les contaminants à origine industrielle.Une des techniques d’analyse de surface, i.e. TOF-SIMS (Time Of Flight-Secondary Ion Mass Spectroscopy), a prouvé être un outil efficace pour caractériser chimiquement la composition élémentaire et moléculaire de l’extrême surface et en profondeur. Cette technique était la technique de base de ces études. Elle la permis de décrire les empreintes spectrales ainsi que la distribution en surface et en profondeur de chaque polymère dans les films élaborés en nid d’abeilles. / Since its introduction in 1994, the preparation of ordered porous polymer films by the breath figure “BF” method has received a considerable interest. Self-organized porous polymer films, with pores ordered into a hexagonal pattern, can be elaborated by a fast solvent evaporation method under a humid atmosphere, also called “Breath Figure” approach. The honeycomb films have found a panel of perspective applications ranging from materials with optical properties, biomaterial sensors, and scaffold for tissue engineering or highly hydrophobic surfaces. The main objective of this PhD thesis project is the fabrication of sensitive hierarchically self-organized bio inspired films based on organic compound trapping block copolymers. It is worth noting that one of the advantages of using block copolymer structure is that the first block confers the hydrophobic character, required for the elaboration and stability of HC structure, and the second block could provide an additional functionality such as hydrophilicity, stimuli-responsive character or trapping of targeted molecules (especially metals).During this thesis, a methodology of surface analysis is performed in order to understand the topography of these films as well as its surface chemistry. For this reason, various analytical techniques are used to describe the surface of these films vigorously in order to optimize these films to complex industrial contaminants.One of the techniques of surface analysis, i.e. TOF-SIMS (Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectroscopy), has proved to be an effective tool for chemical characterization of the surface and in depth. This technique was the basic technique of our studies. It allowed the description of spectral finger prints as well as the distribution on the surface and in depth of each polymer in the structured films.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden. Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS). Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden. Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen. Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden. In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird. Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden. Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS). Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden. Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen. Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden. In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird. Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.:1 Ziel der Arbeit 1 2 Einführung – zellulare Materialien 3 2.1 Herstellung zellularer metallischer Werkstoffe 4 2.2 Pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Schäumen aus höherschmelzenden Werkstoffen (Stahl, Titan, …) 8 2.2.1 Pressen von Metallpulver-Treibmittel-Mischungen 8 2.2.2 Pressen von Metallpulver-Platzhalter-Mischungen 9 2.2.3 Schaumherstellung mit Metallpulver-Polymer-Mischungen 9 2.2.4 Beschichtung von Trägerstrukturen 10 2.2.5 Technologie zur Herstellung von Hohlkugelstrukturen 11 2.3 Eigenschaften zellularer metallischer Werkstoffe 13 2.4 Die Struktur zellularer metallischer Werkstoffe 14 2.4.1 Mikrostruktur 15 2.4.2 Mesostruktur 16 2.4.3 Makrostruktur 16 2.5 Mechanische Eigenschaften 17 2.5.1 Einleitung 17 2.5.2 Mechanische Prüfung 19 2.5.3 Verformung und Versagen 20 2.5.4 E-Modul und Steifigkeit 22 2.5.4.1 Theoretische Betrachtung 22 2.5.4.2 Praktische Bestimmung der Steifigkeit 24 2.5.5 Einfluss der Strukturebenen auf das mechanische Verhalten 25 2.5.5.1 Makroskopische Parameter 26 2.5.5.2 Einfluss der mikroskopischen Parameter 27 2.5.5.3 Einfluss der mesoskopischen Parameter 28 2.6 Zusammenfassung 31 3 Konzept zur Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs 33 4 Nachweis der Herstellbarkeit einer geschlossenzelligen Struktur 37 4.1 Experimentelle Arbeiten 37 4.1.1 Verwendete Materialien 37 4.1.2 Beschichtung 38 4.1.3 Formgebung - Ausschäumen 38 4.1.4 Wärmebehandlung 39 4.2 Ergebnisse 39 4.3 Zusammenfassung 40 5 Formschäumen 43 5.1 Formteilherstellung aus expandierbarem Polystyrol (EPS) 43 5.2 Überlegungen zum Formschäumen von Grünkugeln 44 5.3 Anforderungen an das Bindersystem beim Formschäumen 44 5.4 Entwicklung des Versuchsstandes 46 5.4.1 Konstruktion des Formwerkzeuges 46 5.4.2 Dampfbereitstellung 48 6 Verfahrensexperimente 49 6.1 Ausgangsmaterialien 49 6.1.1 Metallpulver 49 6.1.2 Expandierbares Polystyrol (EPS) 49 6.1.3 Binder 50 6.2 Grünkugelherstellung 51 6.2.1 Substrataufbereitung 51 6.2.2 Suspensionen 52 6.2.3 Grünkugelherstellung – Beschichtung des EPS 53 6.2.4 Charakterisierung der EPS-Partikel und Grünkugeln 54 6.3 Formschäumen 55 6.3.1 Formschäumen von unbeschichtetem EPS 55 6.3.1.1 Schäumen mit dem Dampfkessel 55 6.3.1.2 Schäumen mit dem Dampferzeuger 56 6.3.1.3 Schäumkraftmessung an EPS- Formkörpern 56 6.3.2 Formkörperherstellung – Formschäumen mit Grünkugeln 57 6.3.2.1 Formschäumen mit Dampfkessel 58 6.3.2.2 Formschäumen mit Dampferzeuger 58 6.4 Untersuchungen an ausgewählten Metallpulver-Binder-Folien 58 6.4.1 Herstellen der Folien durch das Foliengießen 58 6.4.2 Zugversuche an Folien 59 7 Ergebnisse der Formgebung und Grünkörperherstellung 61 7.1 Formschäumen mit EPS-Partikeln 61 7.1.1 Vorgeschäumtes EPS 61 7.1.2 Formkörper aus unbeschichtetem EPS 62 7.1.3 Schäumkraftmessung an EPS-Formkörpern 63 7.1.4 Anzahl der Kontaktflächen geschäumter Partikel 65 7.2 Formschäumen mit Grünkugeln 67 7.2.1 Grünkugelherstellung 67 7.2.2 Formkörperherstellung 71 7.2.2.1 Beurteilung der Metallpulver-Binder-Schichten 74 7.2.2.2 Schäumen mit Dampfkessel 75 7.2.2.3 Schäumen mit Dampferzeuger 76 7.2.2.4 Vergleich der Metallpulver-Binder-Schichten 76 7.2.3 Formkörperherstellung mit Dampferzeuger 77 7.2.3.1 Einfluss des verwendeten Dampfdrucks 78 7.2.3.2 Einfluss von Schäumzeit und Bedampfungszeit 80 7.2.3.3 Schäumkraftmessung bei der Grünkörperherstellung 82 7.3 Metallpulver-Binder-Folien (Grünfolien) 83 7.3.1 Dicke und Dichte der Grünfolien 83 7.3.2 Mechanische Eigenschaften der Folien 83 7.3.2.1 Versuchsergebnisse der „trockenen“ Grünfolien 84 7.3.2.2 Versuchsergebnisse der „nassen“ Grünfolien 84 8 Diskussion der Herstellungsuntersuchungen 87 8.1 Formschäumen 87 8.1.1 Einfluss der Metallpulver-Binder-Schicht auf den Schäumvorgang 87 8.1.2 Modifikation der Binderzusammensetzung 87 8.1.3 Schäumkraftmessungen 88 8.2 Zusammenfassung des Formschäumprozesses 89 8.3 Theoretische Betrachtungen zur Bildung der polyederförmigen Zellen 90 8.3.1 Grundlegende Annahmen 90 8.3.2 Tangentialspannung der Kugelschicht 92 8.3.3 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 92 8.3.4 Geometrische Verhältnisse spezieller Polyeder und ihrer Inkugel 93 8.3.5 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 97 8.4 Zusammenfassung der Herstellungstechnologie von Grünformteilen 98 9 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 103 9.1 Herstellen der Proben 103 9.2 Wärmebehandlung 103 9.2.1 Probenvorbereitung 103 9.2.2 Entbinderung 104 9.2.3 Sintern 104 9.3 Methoden der Charakterisierung 105 9.4 Druckversuche an gesinterten Formkörpern 107 9.4.1 Probenvorbereitung für den Druckversuch 107 9.4.2 Durchführung der Druckversuche 107 9.4.3 Auswertung der Druckversuche 109 9.5 Zugversuche an Folien 110 10 Ergebnisse der mechanischen Prüfungen 111 10.1 Wärmebehandlung 111 10.1.1 Ergebnisse der Sinterung 111 10.1.2 Kohlenstoffgehalte nach der Entbinderung und Sinterung 112 10.2 Metallographie 113 10.3 Ergebnisse der Druckversuche 117 10.3.1 Druckspannung und Stauchung 117 10.3.2 Darstellung der Verformung 118 10.3.3 Probenfestigkeit, Probensteifigkeit und Energieabsorption 119 10.4 Ergebnisse der Folienprüfung 123 10.4.1 Sinterergebnisse (Wärmebehandlung und Metallographie) 123 10.4.2 Ergebnisse der Zugversuche 124 11 Diskussion der mechanischen Prüfungen 125 11.1 Einfluss des Gefüges auf die mechanischen Eigenschaften 126 11.2 Einfluss von Herstellungsparametern auf die mechanischen Eigenschaften 127 11.2.1 Primäre Herstellungsparameter 127 11.2.2 Sekundäre Herstellungsparameter 129 11.2.3 Einfluss der Zwickelform auf die lokale Spannungsverteilung im Zwickelbereich 136 11.2.4 Einfluss der Probenfläche 140 11.3 Elastisches und plastisches Deformationsverhalten der Proben im Druckversuch 142 11.3.1 Elastischer Bereich 144 11.3.2 Elastisch-plastischer Übergangsbereich 149 11.3.3 Plateaubereich 151 11.3.4 Lokale Maxima im Plateaubereich der Druckspannung-Stauchung-Kurve 153 11.4 Zusammenfassung zu den mechanischen Eigenschaften und Einordnung der Ergebnisse 155 12 Zusammenfassung und Ausblick 161 12.1 Zusammenfassung 161 12.2 Ausblick 166 13 Literaturverzeichnis 171 14 Anhang 185 14.1 Abbildungen und Tabellen 185 14.2 Verzeichnis der Abbildungen 200 14.3 Verzeichnis der Tabellen 208 14.4 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 211 Danksagung 217 Versicherung 219 Lebenslauf 221