The capability to probe the dispersion of elementary spin, charge, orbital, and lattice excitations has positioned resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the forefront of photon science. In this work, we will investigate how RIXS can contribute to a deeper understanding of the orbital properties and of the pairing mechanism in unconventional high-temperature superconductors. In particular, we will show how direct RIXS spectra of magnetic excitations can reveal long-range orbital correlations in transition metal compounds, by discriminating different kind of orbital order in magnetic and antiferromagnetic systems. Moreover, we will show how RIXS spectra of quasiparticle excitations in superconductors can measure the superconducting gap magnitude, and reveal the presence of nodal points and phase differences of the superconducting order parameter on the Fermi surface. This can reveal the properties of the underlying pairing mechanism in unconventional superconductors, in particular cuprates and iron pnictides, discriminating between different superconducting order parameter symmetries, such as s, d (singlet pairing) and p wave (triplet pairing).

The capability to probe the dispersion of elementary spin, charge, orbital, and lattice excitations has positioned resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the forefront of photon science. In this work, we will investigate how RIXS can contribute to a deeper understanding of the orbital properties and of the pairing mechanism in unconventional high-temperature superconductors. In particular, we will show how direct RIXS spectra of magnetic excitations can reveal long-range orbital correlations in transition metal compounds, by discriminating different kind of orbital order in magnetic and antiferromagnetic systems. Moreover, we will show how RIXS spectra of quasiparticle excitations in superconductors can measure the superconducting gap magnitude, and reveal the presence of nodal points and phase differences of the superconducting order parameter on the Fermi surface. This can reveal the properties of the underlying pairing mechanism in unconventional superconductors, in particular cuprates and iron pnictides, discriminating between different superconducting order parameter symmetries, such as s, d (singlet pairing) and p wave (triplet pairing).

In der vorliegenden Arbeit wurden bruch- und schädigungsmechanische Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe, welche im Rahmen des SFB 920 entwickelt und erforscht werden, bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Werkstoffsysteme - Aluminiumoxid und kohlenstoffgebundenes Alumniumoxid - mit entwickelten Miniaturprüfmethoden bei Prüftemperaturen bis 1500°C untersucht. Mit Hilfe des Ball-On-Three-Balls-Tests (B3B) wurde die biaxiale Festigkeit in Abhängigkeit der Prüftemperatur bestimmt. Für die kohlenstoffgebundenen Proben wurde weiterhin der Einfluss der Verkokungstemperatur als auch des Kohlenstoffgehalts auf die Festigkeit untersucht. Es konnte ein Festigkeitsmaximum ermittelt werden, wenn die Prüftemperatur der Verkokungstemperatur entspricht. Die schädigungsmechanischen Materialparameter des duktilen Verformungs- und Versagensverhalten beider Werkstoffe bei 1500°C wurden mit Hilfe von numerischen Simulationen des B3B identifiziert. Die Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte erfolgte mit einem Vier-Punkt-Biegeversuchsaufbaus mit Chevron-gekerbten Proben (CNB-Versuch). Numerische Untersuchungen dienten zur Bestätigung der Versuchsergebnisse und Bestimmung der Form der Rissfront sowie Risswachstum während des Versuches. / In the present work, fracture and damage mechanical properties of ceramic filter materials, which are developed and investigated within the framework of the CRC 920, are determined. Two different material systems - alumina and carbon-bonded alumina - are investigated using miniaturized test methods at temperatures up to 1500°C. The biaxial strength at different temperatures is determined using the Ball-On-Three-Balls-Test (B3B). The strength of carbon-bonded specimens is dependent on the coking temperature and the carbon content. A maximum strength can be obtained if the testing temperature equals the coking temperature. The damage-mechanical material parameters in order to describe the ductile deformation and failure behaviour of both materials at 1500°C are identified with the help of numerical simulations. The determination of fracture-mechanical properties are carried out with a four-point bending test setup with chevron-notched specimens (CNB). Numerical investigations are used to validate the test results and to simulate the shape of the crack front and crack growth during the experiment.

Die Implementierung von Laser Powder Bed Fusion bei Aluminiumoxidkeramiken ist aufgrund einer geringen Temperaturwechselbeständigkeit, Bauteilverdichtung, Pulverfließfähigkeit und Lichtabsorption eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wurden diese Prob-leme mit unterschiedlichen Ansätzen adressiert. Sprühgetrocknete Aluminiumoxid Granulate wurde zur Verbesserung der Laserabsorption (über 80 % Verbesserung) mit farbigen Nano-Oxidpartikeln dotiert. Es wurden verschiedene Partikelpackungstheorien und Pulverbehand-lungen getestet, um die Pulverbettdichte und damit die Dichte des endgültigen Bauteils (Dichten bis zu 98,6 %) zu erhöhen. Die Pulverqualität wurde durch Schütt und Rütteldichte, Feuchtigkeitsgehalt, Partikelgrößenverteilung, Hausner-Verhältnis, Lawinenwinkel und Oberflächenfraktal charakterisiert. Des Weiteren wurde der Zusatz geeigneter Stoffe zur Verringerung der Rissbildung durch thermische Spannungen getestet. Die In-situ-Bildung von Phasen mit geringer und negativer Wärmeausdehnung reduzierte die Rissbildung in den lasergefertigten Oxidkeramiken stark.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 State of the art . 2 1.3 Aim of the project 2 2 Literature review 5 2.1 Additive manufacturing by laser powder bed fusion 5 2.1.1 Classification and process description 5 2.1.2 Advantages against other AM processes 9 2.1.3 Challenges of laser powder bed fusion 12 2.1.4 State of the art of laser powder bed fusion of aluminum oxide based ceramics 13 2.1.4.1 Powder bed preparation and impact on the process 13 2.1.4.2 Critical rating of the powder bed preparation techniques 17 2.1.4.3 Processing methods and properties 19 2.1.4.4 Part properties 26 2.2 Theoretical and experimental considerations for powder bed preparation 35 2.2.1 Spray granulation 35 2.2.2 Particle packing theories 39 2.3 Mechanisms for particle dispersing 41 2.3.1 DLVO-theory 41 2.3.2 Surface charge and electrical double layer 43 2.4 Conceptualization of new ideas for laser powder bed fusion of aluminum oxide 45 2.4.1 Densification, powder flowability and absorption issue 46 2.4.2 Reduction of crack formation 47 3 Doped spray-dried granules to solve densification and absorption issue in laser powder bed fusion of alumina 55 3.1 Dispersing of aluminum oxide, iron oxide and manganese oxide 55 3.1.1 Experimental 55 3.1.2 Particle characterization 57 3.1.3 Saturation amount evaluation of dispersant 59 3.1.4 Particle size distributions after dispersing 62 3.1.4.1 Particle size distributions of alumina powders 62 3.1.4.2 Particle size distribution of dopant 67 3.2 Packing density increase of spray-dried granules 76 3.2.1 Experimental 77 3.2.2 Influence of solid load and particle ratio on granules 83 3.2.3 Influence of dopant shape and multimodal distributions on granules 84 3.2.4 Evolution of pH-value during slurry preparation and slurry stability after mixing of all components 85 3.2.5 Influence of slurry viscosity on yield of granules 88 3.2.6 Addition of coarse alumina to spray-dried granules 89 3.2.7 Application of Andreasen model on mixtures of ceramic particles with spray-dried granules 94 3.2.8 Thermal pre-treatment of granules 98 3.2.9 Influence of surface tension of slurry on granule size and density 110 3.3 Investigation of laser manufactured parts 114 3.3.1 Experimental 115 3.3.2 Influence of different iron oxide dopants and multimodal particle distributions within granules 118 3.3.3 Influence of coarse alumina variation 121 3.3.4 Influence of thermal pre-treatment of powders 127 3.3.5 Grain structure of laser additive manufactured parts 135 3.3.6 Thermal expansion of laser processed parts 137 3.3.7 Influence of thermal pre-treatment and laser processing on manganese amount within granules and laser additive manufactured parts 138 4 Additives to reduce crack formation in selective laser melting and sintering of alumina 143 4.1 Experimental 144 4.2 Additives to reduce thermal stresses 150 4.2.1 Selective laser melting with mullite additives 150 4.2.2 Amorphous alumina formation by rare earth oxide doping 160 4.2.3 Formation of aluminum titanate by use of reduced titanium oxide 169 4.2.3.1 Dispersing of titanium oxide nanoparticles in water 170 4.2.3.2 Thermal treatment of Al2O3/TiO2 granules under argon/hydrogen atmosphere 172 4.2.3.3 Laser manufacturing of parts 178 4.2.4 In-situ formation of negative thermal expansion materials 187 4.2.4.1 Dispersing of zirconia and tungsten oxide nanoparticles 187 4.2.4.2 Influence of spray drying process parameters 191 4.2.4.3 Preparation of final powders for laser powder bed fusion 197 4.2.4.4 Laser manufacturing of layers and parts 200 4.3 Mechanical properties of laser processed parts 205 5 Flowability and inner structure of customized granules 209 5.1 Experimental 209 5.2 Comparison of flowability in terms of Hausner ratio, Avalanche angle and surface fractal measurements 211 5.2.1 Influence of coarse alumina AA18 variation 211 5.2.2 Influence of thermal pre-treatment of powders 213 5.2.3 Influence of dopant content within granules 216 5.2.4 Flowability of zirconia-tungsten oxide granules and alumina granules with mullite or rare earth oxide addition 219 5.2.5 Flowability of titanium oxide doped alumina powders 221 5.3 Cross sections of customized granules to image inner structure 224 6 Summary, conclusions and outlook 233 6.1 Summary and conclusions 233 6.2 Outlook 241 References 245 List of Figures 260 List of Tables 269 / The implementation of laser powder bed fusion of aluminum oxide ceramics is challenging due to a low thermal shock resistance, part densification, powder flowability and light absorptance. In this work, these challenges have been addressed by different approaches. Spray-dried alumina granules were doped with colored oxide nanoparticles to improve the laser absorption (improvement by over 80%). Different particle packing theories and powder treatments were tested to increase the powder bed density and therefore, the final part density (densities up to 98.6%). The powder quality was characterized by apparent and tapped density, moisture content, particle size distribution, Hausner ratio, avalanche angle and sur-face fractal. Furthermore, the addition of suitable was tested to reduce crack formation caused by thermal stresses. The in-situ formation of low and negative thermal expansion phases strongly reduced the crack formation in the laser manufactured oxide ceramic parts.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 State of the art . 2 1.3 Aim of the project 2 2 Literature review 5 2.1 Additive manufacturing by laser powder bed fusion 5 2.1.1 Classification and process description 5 2.1.2 Advantages against other AM processes 9 2.1.3 Challenges of laser powder bed fusion 12 2.1.4 State of the art of laser powder bed fusion of aluminum oxide based ceramics 13 2.1.4.1 Powder bed preparation and impact on the process 13 2.1.4.2 Critical rating of the powder bed preparation techniques 17 2.1.4.3 Processing methods and properties 19 2.1.4.4 Part properties 26 2.2 Theoretical and experimental considerations for powder bed preparation 35 2.2.1 Spray granulation 35 2.2.2 Particle packing theories 39 2.3 Mechanisms for particle dispersing 41 2.3.1 DLVO-theory 41 2.3.2 Surface charge and electrical double layer 43 2.4 Conceptualization of new ideas for laser powder bed fusion of aluminum oxide 45 2.4.1 Densification, powder flowability and absorption issue 46 2.4.2 Reduction of crack formation 47 3 Doped spray-dried granules to solve densification and absorption issue in laser powder bed fusion of alumina 55 3.1 Dispersing of aluminum oxide, iron oxide and manganese oxide 55 3.1.1 Experimental 55 3.1.2 Particle characterization 57 3.1.3 Saturation amount evaluation of dispersant 59 3.1.4 Particle size distributions after dispersing 62 3.1.4.1 Particle size distributions of alumina powders 62 3.1.4.2 Particle size distribution of dopant 67 3.2 Packing density increase of spray-dried granules 76 3.2.1 Experimental 77 3.2.2 Influence of solid load and particle ratio on granules 83 3.2.3 Influence of dopant shape and multimodal distributions on granules 84 3.2.4 Evolution of pH-value during slurry preparation and slurry stability after mixing of all components 85 3.2.5 Influence of slurry viscosity on yield of granules 88 3.2.6 Addition of coarse alumina to spray-dried granules 89 3.2.7 Application of Andreasen model on mixtures of ceramic particles with spray-dried granules 94 3.2.8 Thermal pre-treatment of granules 98 3.2.9 Influence of surface tension of slurry on granule size and density 110 3.3 Investigation of laser manufactured parts 114 3.3.1 Experimental 115 3.3.2 Influence of different iron oxide dopants and multimodal particle distributions within granules 118 3.3.3 Influence of coarse alumina variation 121 3.3.4 Influence of thermal pre-treatment of powders 127 3.3.5 Grain structure of laser additive manufactured parts 135 3.3.6 Thermal expansion of laser processed parts 137 3.3.7 Influence of thermal pre-treatment and laser processing on manganese amount within granules and laser additive manufactured parts 138 4 Additives to reduce crack formation in selective laser melting and sintering of alumina 143 4.1 Experimental 144 4.2 Additives to reduce thermal stresses 150 4.2.1 Selective laser melting with mullite additives 150 4.2.2 Amorphous alumina formation by rare earth oxide doping 160 4.2.3 Formation of aluminum titanate by use of reduced titanium oxide 169 4.2.3.1 Dispersing of titanium oxide nanoparticles in water 170 4.2.3.2 Thermal treatment of Al2O3/TiO2 granules under argon/hydrogen atmosphere 172 4.2.3.3 Laser manufacturing of parts 178 4.2.4 In-situ formation of negative thermal expansion materials 187 4.2.4.1 Dispersing of zirconia and tungsten oxide nanoparticles 187 4.2.4.2 Influence of spray drying process parameters 191 4.2.4.3 Preparation of final powders for laser powder bed fusion 197 4.2.4.4 Laser manufacturing of layers and parts 200 4.3 Mechanical properties of laser processed parts 205 5 Flowability and inner structure of customized granules 209 5.1 Experimental 209 5.2 Comparison of flowability in terms of Hausner ratio, Avalanche angle and surface fractal measurements 211 5.2.1 Influence of coarse alumina AA18 variation 211 5.2.2 Influence of thermal pre-treatment of powders 213 5.2.3 Influence of dopant content within granules 216 5.2.4 Flowability of zirconia-tungsten oxide granules and alumina granules with mullite or rare earth oxide addition 219 5.2.5 Flowability of titanium oxide doped alumina powders 221 5.3 Cross sections of customized granules to image inner structure 224 6 Summary, conclusions and outlook 233 6.1 Summary and conclusions 233 6.2 Outlook 241 References 245 List of Figures 260 List of Tables 269

In dieser Arbeit werden mit einem Raumtemperatur-Modellsystem die Wechselwirkungen und Überlagerungen der verschiedenen Einflussparameter auf die Partikelabscheidung in keramischen Tiefenfiltern dargestellt. Aussagen zum zeitlichen Beladungsverhalten, dem Einfluss der Strukturparameter und der Oberflächenrauheit der Filter auf die Abscheidung werden diskutiert. Außerdem wird die Abscheideeffizienz in Abhängigkeit der Eigenschaften der Verunreinigungen (Größe, Agglomeratzustand, Dichte), sowie dem Vorhandensein von Mikro- oder Nanogasblasen untersucht. Mit Hilfe der Computertomografie können die im Filter abgeschiedenen Verunreinigungen lokal abgebildet werden, was zum Verständnis der in schaumkeramischen Filtern ablaufenden Prozesse bei der Aluminium-Schmelzefiltration beiträgt. Ergebnisse einer dynamischen Bildanalyse lassen Rückschlüsse auf den Fraktionsabscheidegrad der Filter zu.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der thermo-mechanischen Beschreibung und Bewertung von keramischen Filtern für die Metallschmelze-Filtration mithilfe der Finiten-Elemente-Methode. Infolge des zellularen Aufbaus des Werkstoffs handelt es sich um ein Mehrskalenproblem. Grundlegende Aufgaben der Arbeit waren deshalb die geometrische und mechanische Modellbildung sowie die Untersuchung verschiedener effizienzsteigernder Methoden zur Gewinnung einer akkuraten numerischen Lösung. Dabei wurden sowohl verschiedene Verfahren aus der Fachliteratur implementiert und kritisch bewertet, als auch neue Ansätze verfolgt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf das effektive elastische und elastisch-plastische Verhalten von Kelvin-, Weaire-Phelan- und Voronoi-Strukturen. Insbesondere die entwickelten Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Modellbildung gestatten in einfacher Weise die Umsetzung von Parameterstudien und Optimierungsaufgaben. Aus darauf aufbauenden Sensitivitätsstudien wurden Empfehlungen hinsichtlich der geometrischen und mechanischen Modellbildung für zellulare Werkstoffe abgeleitet. Diese betreffen auch vielfach eingesetzte Methoden zur Modellreduktion für diese Werkstoffe und tragen somit zukünftig zu einer effizienteren Bewertung von Filterstrukturen bei.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der thermo-mechanischen Beschreibung und Bewertung von keramischen Filtern für die Metallschmelze-Filtration mithilfe der Finiten-Elemente-Methode. Infolge des zellularen Aufbaus des Werkstoffs handelt es sich um ein Mehrskalenproblem. Grundlegende Aufgaben der Arbeit waren deshalb die geometrische und mechanische Modellbildung sowie die Untersuchung verschiedener effizienzsteigernder Methoden zur Gewinnung einer akkuraten numerischen Lösung. Dabei wurden sowohl verschiedene Verfahren aus der Fachliteratur implementiert und kritisch bewertet, als auch neue Ansätze verfolgt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf das effektive elastische und elastisch-plastische Verhalten von Kelvin-, Weaire-Phelan- und Voronoi-Strukturen. Insbesondere die entwickelten Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Modellbildung gestatten in einfacher Weise die Umsetzung von Parameterstudien und Optimierungsaufgaben. Aus darauf aufbauenden Sensitivitätsstudien wurden Empfehlungen hinsichtlich der geometrischen und mechanischen Modellbildung für zellulare Werkstoffe abgeleitet. Diese betreffen auch vielfach eingesetzte Methoden zur Modellreduktion für diese Werkstoffe und tragen somit zukünftig zu einer effizienteren Bewertung von Filterstrukturen bei.