Vinylene-linked two-dimensional conjugated covalent organic frameworks (V-2D-COFs), belonging to the class of two-dimensional conjugated polymers, have attracted increasing attention due to their extended π-conjugation over the 2D backbones associated with high chemical stability. The Knoevenagel polycondensation has been demonstrated as a robust synthetic method to provide cyano (CN)-substituted V-2D-COFs with unique optoelectronic, magnetic, and redox properties. Despite the successful synthesis, it remains elusive for the relevant polymerization mechanism, which leads to relatively low crystallinity and poor reproducibility. In this work, we demonstrate the novel synthesis of CN-substituted V-2D-COFs via the combination of Knoevenagel polycondensation and water-assisted dynamic Michael-addition-elimination, abbreviated as KMAE polymerization. The existence of C=C bond exchange between two diphenylacrylonitriles (M1 and M6) is firstly confirmed via in situ high-temperature NMR spectroscopy study of model reactions. Notably, the intermediate M4 synthesized via Michael-addition can proceed the Michael-elimination quantitatively, leading to an efficient C=C bond exchange, unambiguously confirming the dynamic nature of Michael-addition-elimination. Furthermore, the addition of water can significantly promote the reaction rate of Michael-addition-elimination for highly efficient C=C bond exchange within 5 mins. As a result, the KMAE polymerization provides a highly efficient strategy for the synthesis of CN-substituted V-2D-COFs with high crystallinity, as demonstrated by four examples of V-2D-COF-TFPB-PDAN, V-2D-COF-TFPT-PDAN, V-2D-COF-TFPB-BDAN, and V-2D-COF-HATN-BDAN, based on the simulated and experimental powder X-ray diffraction (PXRD) patterns as well as N2-adsorption–desorption measurements. Moreover, high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) analysis shows crystalline domain sizes ranging from 20 to 100 nm for the newly synthesized V-2D-COFs.

2D transition metal carbides and/or nitrides, so-called MXenes, are noted as ideal fast-charging cation-intercalation electrode materials, which nevertheless suffer from limited specific capacities. Herein, it is reported that constructing redox-active phosphorus−oxygen terminals can be an attractive strategy for Nb4C3 MXenes to remarkably boost their specific capacities for ultrafast Na+ storage. As revealed, redox-active terminals with a stoichiometric formula of PO2- display a metaphosphate-like configuration with each P atom sustaining three P-O bonds and one P=O dangling bond. Compared with conventional O-terminals, metaphosphate-like terminals empower Nb4C3 (denoted PO2-Nb4C3) with considerably enriched carrier density (fourfold), improved conductivity (12.3-fold at 300 K), additional redox-active sites, boosted Nb redox depth, nondeclined Na+-diffusion capability, and buffered internal stress during Na+ intercalation/de-intercalation. Consequently, compared with O-terminated Nb4C3, PO2-Nb4C3 exhibits a doubled Na+-storage capacity (221.0 mAh g-1), well-retained fast-charging capability (4.9 min at 80% capacity retention), significantly promoted cycle life (nondegraded capacity over 2000 cycles), and justified feasibility for assembling energy−power-balanced Na-ion capacitors. This study unveils that the molecular-level design of MXene terminals provides opportunities for developing simultaneously high-capacity and fast-charging electrodes, alleviating the energy−power tradeoff typical for energy-storage devices.

The thesis addressed the effect of a varying MgO grade in MgO-C refractories on both their behavior in contact with a steel melt and the resulting effect on the non-metallic inclusion (NMI) population in the solidified steel. For this purpose, immersion tests were conducted in a semi-industrial steel casting simulator. In addition, the effect of the steel melting process parameters on the NMI population was thoroughly investigated, providing a guideline for the result interpretation for future experiments in the steel casting simulator. Here, a fundamental concept of data evaluation for the NMI characterization in a steel matrix using automated feature analysis was developed. The main NMI types detected in the solidified steel samples were alumina and MnSi-based inclusions. Their number density depended on the steel melt's temperature and amount of dissolved oxygen. A lower MgO grade refractory specimen in contact with the steel melt resulted in a higher proportion of low melting phases on its surface compared to a higher MgO grade specimen. These low-melting phases promoted the formation of MnSi-based inclusions and triggered NMI agglomeration leading to the formation of large alumina inclusions.

Switchable metal–organic frameworks (MOFs) change their structure in time and selectively open their pores adsorbing guest molecules, leading to highly selective separation, pressure amplification, sensing, and actuation applications. The 3D engineering of MOFs has reached a high level of maturity, but spatiotemporal evolution opens a new perspective toward engineering materials in the 4th dimension (time) by t-axis design, in essence exploiting the deliberate tuning of activation barriers. This work demonstrates the first example in which an explicit temporal engineering of a switchable MOF (DUT-8, [M1M2(2,6-ndc)2dabco]n, 2,6-ndc = 2,6-naphthalene dicarboxylate, dabco = 1,4diazabicyclo[2.2.2]octane, M1 = Ni, M2 = Co) is presented. The temporal response is deliberately tuned by variations in cobalt content. A spectrum of advanced analytical methods is presented for analyzing the switching kinetics stimulated by vapor adsorption using in situ time-resolved techniques ranging from ensemble adsorption and advanced synchrotron X-ray diffraction experiments to individual crystal analysis. A novel analysis technique based on microscopic observation of individual crystals in a microfluidic channel reveals the lowest limit for adsorption switching reported so far. Differences in the spatiotemporal response of crystal ensembles originate from an induction time that varies statistically and widens characteristically with increasing cobalt content reflecting increasing activation barriers.

This report deals with the influence of different sizing agents on carbon fiber (CF) heavy tows towards their impregnation with a geopolymer (GP) suspension and resulting properties of mineral-impregnated carbon-fiber composites (MCF) produced in an automated, continuous process. Three different commercial CFs were investigated after treatment with either thermoplastic, epoxy, or vinyl-ester sizing agents and then compared to unsized CFs. During impregnating, diverse yarn-spreading behavioral modes and degrees of wetness were observed, indicating different degrees of impregnation, both in quality and quantity. All sizing agents decreased the hydrophobic nature of unsized CFs significantly. Supported by microscopic investigation, water contact angle measurement, and thermal gravimetric and mercury intrusion porosity, the epoxy sizing showed the best fiber-matrix distribution over the cross-section and a dense microstructure. Moreover, in single-fiber pullout tests each sizing brought about a significant increase in maximum pullout force, indicating enhanced bond between fiber and matrix. This is attributed to more intense interaction in the interfacial region, fully corroborating the topological characteristics obtained in microscopic analysis. With higher interfacial bond strength, the thermoplastic sizing enabled the highest tensile properties of MCF despite slightly less impregnation quality in comparison with epoxy-sized samples.:Abstract Keywords 1. Introduction 2. Materials and methods 2.1. Raw materials 2.2. Preparation of the mineral-impregnated carbon fiber composites (MCF) 2.3. Single-fiber pullout tests 2.4. Characterization of fresh state properties of MCF 2.5. Mechanical testing of MCF 2.6. Analytical and morphological characterization 3. Results and discussion 3.1. Characterization of CF yarns 3.2. Characterization of yarn processing 3.3. Morphological and analytical characterization of MCF 3.4. Bending behavior of MCF 3.5. Pullout behavior of carbon fibers 3.6. Uniaxial tensile behavior of MCF 3.7. Microscopic analysis of the fracture surfaces of MCF 4. Summary and conclusions CRediT authorship contribution statement Declaration of Competing Interest Acknowledgment References

Thin active elements can be added to rigid surfaces for the tuning of mechanical contact properties. The deformation of the active structures leads to the forming of arches. Depending on the forming of the arch, the force–displacement curve for contact becomes more or less steep. This can be understood as changing the interaction property between soft and hard. Herein, this concept is presented with hydrogels inside the active elements. Analytical derivations and finite-element simulation results for actuation and contact, based on the stimulus expansion model, are shown. This modeling approach appropriately captures the stimulus-dependent swelling properties of the material and can be easily applied in commercial finite-element tools. Special considerations are taken for the encapsulation of the active materials. A thin encapsulation foil allows 1) the use of swelling agents, such as water, without contaminating the contact objects. Furthermore, 2) appropriate water reservoirs for the swelling process can be included. The simulation results show that a surface softness tuning can be realized. The presented active material and dimensions are exemplary; the concept can be applied to other active materials for tuning surface interactions.

... im Rahmen der politischen Zielsetzung einer nachhaltigeren und umweltschonenderen Energieerzeugung wird auch die Biomassenutzung in Form der dezentralen Wärmeerzeugung gefördert, um die Energiewende voran zu treiben und Kohlenstoffdioxidemissionen durch die Nutzung nachwachsender Rohstoffe einzusparen. Bei den genutzten Technologien muss jedoch auch sichergestellt sein, dass deren Betrieb hinsichtlich der emittierten Luftschadstoffe unbedenklich ist und die geltenden Vorschriften erfüllt. Dazu zählt bei Feuerungsanlagen die wiederkehrende Emissionsprüfung.

Für Entwurf, Modellierung sowie Überwachung von Gasphasenprozessen sind fun-dierte Kenntnisse über elementare Zustandsgrößen wie Temperatur oder Spezieskon-zentration unerlässlich. Obwohl bereits heute eine breite Palette an optischen, nicht-invasiven Online-Messtechniken zu Verfügung steht, ist deren Einsatz noch immer auf wenige Anwendungsfelder beschränkt. Die Gründe dafür liegen im oft hohen ex-perimentellen Aufwand oder in anderen Nachteilen wie der Notwendigkeit zum Einsatz von Tracern oder der Kalibrierung über zusätzliche Referenzen. Um diese Nachteile zu umgehen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein mobiles, faserbasiertes Sensorsystem, basierend auf der spontanen Raman-Spektroskopie entwickelt. Die Technik verwendet durchstimmbare NIR-Dauerstrich-Laser-Anregung, Signalerfassung in rückstreuender Geometrie (Punktmessung) und erfordert weder Probennahme, noch Tracer innerhalb der Strömung oder Kalibrierschritte am zu untersuchenden Prozess. Die Methode ermöglicht die simultane Bestimmung von Gastemperaturen und Spezieskonzentrationen sowie im Falle von Aerosolen die Bestimmung der Partikelspezies und der Anteile ihrer polymorphen Kristallstrukturen. Die Datenauswertung basiert auf der Rekonstruktion der gemessenen Spektren anhand simulierter Modellspektren durch Least-Square-Algorithmen. Herkömmliche Ansätze liefern lediglich Parameter, die das Residuum zwischen Simulation und Messsignal minimieren. Unsicherheiten der Messgrößen sind daraus nicht ermittelbar und werden deshalb konventionell durch Wiederholung der Messung bestimmt. Mit Hilfe der hier eingesetzten Bayes'schen Statistik lassen sich die entsprechenden Unsicherheiten direkt bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz das Einbeziehen von Vorwissen zur Verbesserung der Robustheit und Genauigkeit der Auswertung. Die Performance des Sensorsystems wurde durch Einsätze an verschiedenen Gasphasenprozessen getestet und evaluiert. Dazu gehören Test-Aerosole, ein TiO2-Nanopartikelsyntheseprozess sowie eine laminare, rußarme Flamme. Ein leicht modifiziertes Sensorsystem (VIS-Anregung) wurde an einem Vergasungsreaktor eingesetzt. Generell konnte eine hohe Qualität der ermittelten Messgrößen festgestellt werden. So sind deren Unsicherheiten mit denen deutlich komplexerer Messtechniken vergleichbar, stellenweise sogar geringer. Die mittlere Unsicherheit der Gastemperaturen innerhalb der Flamme betrug nur 1,6 %. Somit ermöglicht der vorgestellte Sensor bei geringem experimentellen Aufwand die Bestimmung wertvoller Prozessdaten und stellt so potentiell die Basis für eine breitere Anwendung optischer Prozessmesstechnik dar. / For the design, modelling and monitoring of gas-phase processes a profound knowledge of elementary state variables such as temperature or species concentration is essential. Although a wide range of optical, non-invasive online measurement techniques is already available today, their use is still limited to a few fields of application. The reasons for this are the regularly high experimental effort or other disadvantages such as the necessity to use tracers or to execute calibration via additional references. In order to avoid these disadvantages, a mobile, fiber-based sensor system based on spontaneous Raman spectroscopy was developed within the scope of this work. The technique uses tunable NIR continuous-wave laser excitation, signal acquisition in backscattering geometry (point measurement) and requires neither sampling, tracers within the flow nor calibration steps at the process under investigation. The method allows the simultaneous determination of gas temperatures and species concentrations and, in the case of aerosols, the determination of the particle species and their polymorphic crystal structures. The data evaluation is based on the reconstruction of the measured spectra using simulated model spectra through least square algorithms. Conventional approaches only provide parameters that minimize the residual between simulation and measurement signal. Uncertainties of the measured variables cannot be determined from these parameters and are, therefore, determined conventionally by repeating the measurement. With the help of the Bayesian statistics used here, the corresponding uncertainties can be determined directly. Furthermore, the approach allows the inclusion of prior knowledge to improve the robustness and accuracy of the evaluation. The performance of the sensor system was tested and evaluated by using it in different gas phase processes. These include test aerosols, a TiO2 nanoparticle synthesis process and a laminar weakly sooting flame. A slightly modified system (VIS excitation) was used with a similar operation strategy at a gasification reactor. In general, a high quality of the measured variables could be determined. Their uncertainties are comparable with those of much more complex measuring techniques, in some cases even lower. The mean uncertainty of the gas temperatures within the flame was only 1.6 %. Thus, the presented sensor enables the determination of valuable process data with low experimental effort and can potentially be the basis for a broader application of optical process measurement technology.

Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work summarizes the research and development work of the author and his research group on "Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the last years. This work was focussed on the development and application of numerical approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of fluid mechanics and process technology. A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows. On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall. Further models has been derived in order to take into account the influence of particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art from literature is comprehensively discussed. The main field of interest of the work presented here is in the area of development, implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow computations with the Eulerian-Lagrangian approach. Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation. Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen" an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen. Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen, Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist. Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht werden können.

Bei der Wiederverwertung von Alt- und Abfallgummi stehen Industrie und Forschung im Gegensatz zu den rein thermoplastischen Kunststoffen wie Polypropylen und Polyäthylen immer noch am Anfang. Große Mengen der roh- und werkstofflich wertvollen (Technischen und Sonstigen Elastomerartikel, sogen. TSE-Gummiab- fälle (ca. 400 T Jahrestonnen) werden gegenwärtig noch in Zementöfen und E-Werken verbrannt (thermisch entsorgt). Die werkstoffliche Aufbereitung, d.h. das Mahlen zu Gummigranulat bzw. -mehl ermöglicht es, inbesondere verstärkungsmittelfreies Gummimehl sehr kleiner Partikelgrößen (<0,4 mm) in einem speziellen reaktiven Mischverfahren mit Kunststoffen zu Kompositwerkstoffen (Blends und Elastomerlegierungen) zu verarbeiten. In den Elastomerlegierungen ist das Gummimehl chemisch und physikalisch mit der Kunststoffmarix gekoppelt. Deshalb kommen diese Kompositwerkstoffe in ihren Eigenschaften den der TPE (Thermoplastische Elastomere) sehr nahe. Das Projekt untersucht Einflüsse verschiedener Mahl- prozesse auf die Qualität des Gummimehls und versucht das Mischverhältnis der Ausgangskomponenten und den Mischprozeß zu optimieren. Als Qualitätskriterien für diese experimentellen und theoretischen Arbeiten gelten verschiedene mechanisch-physikalische Eigenschaften von Formteilen, die nach unterschiedlichen Verarbeitungs- methoden (Extrudieren, Formpressen, Spritzgießen) aus den Kompositwerkstoffen hergestellt wurden. Die Arbeitsgruppe um Dr. Michael von der TU Chemnitz prüft die Eignung der Gummimehle, die nach dem noch weitgehend unbekannten und von dem polnischen Projekt- partner entwickelten Mahlverfahren, der sogen. SSSP- Methode (Solid-State Shear Pulverisation) hergestellt wurden, betreffs ihres Einsatzes als Hauptrezepturkomponente in Elastomerlegierungen und speziellen Blends. Im SSSP-Zerkleinerungsprozeß werden die Gummiwerkstoffe höchsten Scherkräften ausgesetzt. Die dadurch ent- stehenden inneren Spannungen führen zur Zerkleinerung des Gummis in feinste Partikel (0,1 …0,3mm) jedoch mit sehr großen Oberflächen. Sowohl die TU Chemnitz als auch die ATL Bydgoszcz sind in der TPE-Forschung, ein Markt mit wachsender Nachfrage, seit Jahren sehr erfolgreich. Ziel des Projektes ist es, zusammen mit dem Fraunhofer Institut UMSICHT Oberhausen, der Greiner RUBBERTEC GmbH Nürtingen und weiteren Firmen der Gummiindustrie Kompetenzen zusammenzuführen und somit neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des Kunststoff- und Gummirecyclings zu gewinnen, die kurzfristig in die Praxis umgesetzt werden können. Das Projekt wird als Auftakt gemeinsamer Forschungs- kooperationen verstanden und wird im Rahmen einer gemeinsamen Ausschreibung des Auswärtigen Amtes und des BMBF zum Deutsch-Polnischen Jahr 2005/2006 mit Mitteln des BMBF gefördert.