Das hier vorgestellte Vorhaben hat die Entwicklung eines neuartigen Sensor- und Messtechnikkonzepts zur Erfassung der Maximalwerte mechanischer Belastungen von Bauteilen bestehend aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen mit polymerer Matrix (CFK) zum Ziel. Dazu wurden Untersuchungen zur Anwendbarkeit der spontanen Magnetisierung durch die martensitische Gefügeumwandlung metastabiler Stähle als möglicher Sensoreffekt durchgeführt. Als ein einfaches passives Sensorverfahren hat die Ausbildung einer spontanen Magnetisierung durch die Gefügeumwandlung ein denkbares Anwendungspotenzial. Es ist keine permanente Energieversorgung des Messsystems erforderlich, der Sensor ist vollständig und ohne Kontakt zur Umgebung im Bauteil einbettbar und eine äquivalente Information der maximalen Last ist unauslöschbar im Sensor eingeprägt. Durch kontakt- und zerstörungsfreie Verfahren kann das Auslesen erfolgen. Um die Eignung des Effekts zu überprüfen, erfolgten verschiedene Untersuchungen. Die Ergebnisse von Zugversuchen, durchgeführt an eingebetteten und nicht eingebetteten Sensorproben, und die Messwerte magnetischer Messungen der Sensormagnetisierung wurden zur Ermittlung einer Abhängigkeit zwischen dem Grad der Belastung und der Änderung der Magnetisierung infolge der martensitischen Transformation korreliert. Mittels metallografischer Untersuchungen sowie durch Röntgenbeugung erfolgte zudem der Vergleich zwischen dem Martensitgehalt und den Messergebnissen zur spontanen Magnetisierung. Der vorliegende Artikel beschreibt die Grundlagen des ausgewählten Sensorprinzips, die durchgeführten Arbeiten und erläutert die Ergebnisse der Untersuchungen.

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.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung partikelverstärkter Weich- und Weichaktivlote mit dem Ziel der Eigenschaftsverbesserung der Lötverbindungen. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Konzept zur Einbringung von keramischen Verstärkungspartikeln in eine Sn-Basis-Lotmatrix erarbeitet und umgesetzt. Im Falle partikelverstärkter Weichaktivlote wird durch das zusätzliche Legieren der Lotmatrix mit dem reaktiven Element Titan die Ausbildung von zwei Reaktionszonen erreicht, welche die Haftung zwischen Partikel und Matrix steigern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden gegenüber der Partikelverstärkung ohne Aktivelement weiter verbessert. Zum Fügen der Aluminium- und Alumi-niummatrix-Verbundwerkstoffe (AMC) findet ein ultraschallunterstütztes Lötverfahren Anwendung, das eine Benetzung ohne den Einsatz von Flussmitteln ermöglicht. Die hergestellten Lötverbindungen zeichnen sich durch gesteigerte Verbindungsfestigkeiten, vor allem bei erhöhten Temperaturen, sowie eine verbesserte Kriechbeständigkeit aus. Aufgezeigt wird das Potenzial der Lote anhand von Zug- und Scherzugversuchen sowie Kriechuntersuchungen, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und sich daraus ergebenden Folgerung. Weiterhin liefert sie Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten auf diesem Gebiet. / This thesis deals with the development, manufacturing and characterisation of particle-reinforced solders and active solders to improve the mechanical properties of soldered joints. Based on the state of the art, a concept for embedding of ceramic particles in a Sn-based filler matrix is planed and realised. In the case of particle-reinforced active solders two interfacial reaction layers which increase the bonding between the particles and the filler matrix are formed due to the alloying by the reactive element Ti. The mechanical properties of these joints are improved in comparison to particle-reinforced solders without surface-active elements. For joining of aluminium and aluminium matrix composites (AMC), an ultrasound-supported soldering process was used, that accomplishes a fluxless wetting. The produced joints are featured by an improved joining strength, mainly at elevated temperatures, and an increased creep resistance. The potential of the developed solders is performed by tensile and shear as well as creep tests that are correlated with the results of the micro-structural and fractographical analysis. The Discussion and the drawn conclusions summarise the work and give new approaches for following investigations.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.