Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten Einflüsse magnetischer Felder, insbesondere mit hohen Gradienten der magnetischen Flussdichte, auf Korrosionsprozesse am Beispiel Eisen quantifiziert und deren Wirkungsmechanismus erklärt werden. Als ein besonders in technisch relevanten gering konzentrierten sauren wässrigen Lösungen bedeutsamer Effekt wurde eine sekundäre Wirkung der Feldgradientenkraft über den Mechanismus der Wahrung der Ladungsneutralität auf den pH-Wert an der Elektrodenoberfläche identifiziert. Somit konnte ein signifikanter Magnetfeldeinfluss auf die formal ladungstransferkontrollierte Korrosionsreaktion nachgewiesen werden. Um die komplexen Korrosionsvorgänge an mehrphasigen NdFeB-Magneten mit paramagnetischer intergranularer Nd-reicher Phase aufklären zu können, war zunächst eine vertiefte Analyse der freien und anodischen Korrosionsreaktionen des Neodyms notwendig. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse erlauben den Magnetfeldeinfluss bei der Korrosion aufmagnetisierter NdFeB-Magnete zu verstehen.

Magnetfelder und sichtbares Licht präsentieren zwei Operationen externe Reize für eine schnelle, ferngesteuerte, zuverlässige und heilende der Kleinrobotik weicher und harter Körper. Umden Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden, wurden selbstfahrende Bewegungen und komplexere Bewegungsmuster mit kleinen Robotern in der Längenskala von Mikro-bis Zentimeter demonstriert. In Bezug auf die begrenzte Betätigungsleistung und die mangelhafte Untersuchung der nicht linearen Dynamik von Hochgeschwindigkeitsbewegungsmustern in magnetischen weichen Robotern und der durch Niedrigenergie verursachten ineffizienten Bewegung von Mikrorobotern unter sichtbarem Licht konzentriert sich diese Arbeit auf drei Hauptthemen: ultraschnelle Roboter mit weichem Körper, angetrieben durch ein Magnetfeld, hoch-bewegliche, durch sichtbares Licht angetriebene Janus-Mikroroboter aus Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl), sowie betätigt aktivierter effizienter Ausschluss zwischen plasmonischen Ag/AgCl-Mikrorobotern und passiven Partikeln mittels sichtbares Licht. Im ersten Teil der Arbeit wird wir eine Reihe von simulationsgesteuerten, leichten, langlebigen, nicht angegeschlossee und ultraschnellen magnetischen Robotern mit weichem Körper, demonstriert die Deformationen mit großer Amplitude (Drehw-inkel > 90◦) bei hohen Frequenzen von bis zu 100 Hz ausführen. Unsere Roboter können mit einem sehr kleinen Magnetfeld von nur 0.5 mT angetrieben werden, was 20-mal weniger ist als das der allgemeine Magnetroboter. Desweiteren werde ein numerisches Modell entwickelt, welches das grundlegende Verständnis dieser nicht linearen Dynamik in ultraschnellen weichen Robotern erklärt. Ein inspirierendes, blütenförmiges, weiches Roboterdesign mit ultraschneller Betätigung kann eine leb ende Fliege in 35msfür einen Moment einwickeln. Die Schließgeschwindigkeit ist etwa achtmal höher als die der Venusfliegenfalle. Wenn unsere mehrarmigen Roboter mit weichem Körper in einem bestimmten Bereich hoher Frequenzen reagieren, zeigen sie eine stark nicht lineare dynamische Betätigung, die als “Kreuzklatsch” - Bewegung bezeichnet wird, die durch Simulation vorhergesagt und durch Experimente beobachtet wird. Unsere multifunktionalen Roboter mit weichem Körper können mit externen Magneten laufen, schwimmen, schweben und Fracht transportieren. Weiterhin wird demonstrieren die Bewegung von Janus-Polystyrolpartikel (PS)/Ag/ AgCl-Mikrorobotern vorgestellt, die große Verschiebungen in reinem Wasser unter blauem Licht zeigen, und mögliche Verwendung in menschlichem Speichel, phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) und Rhodamin B (RhB) Lösungen. Finden der auf Janus Ag/AgCl basierende Mikroroboter kann die mittlere quadratische Verschiebung (MSD) in reinem Wasser in 8 s auf einen bemerkenswerten Wert von 800 μm2 steigern, welcher etwa siebenmal höher ist als die zuvor in der Literatur angegebenen MSDWerte für AgCl-basierte Mikroroboter. Es wird zudem eine Untersuchung experimentelle, unter Verwendung numerischer Simulationen, der Bewegung einzelner Janus-Partikel in kleinen (bestehend aus 2 und 3 einzelnen Janus-Partikeln) und großen Clustern (bestehend aus vielen einzelnen Janus-Partikeln) vorgestellt. Die höchsten Bewegungsgeschwindigkeiten und größten MSD-Werte wurden bei einzelnen Janus-Partikeln beobachtet. Mit zunehmender Anzahl von Einzelpartikeln, die einen aktiven Mikroroboter bilden, nehmen die detektierten Geschwindigkeiten und die MSD. Infolge der Aufhebung der Eigenbitgeschwindigkeiten der Janus-Partikelbestandteile aufgrund ihrer zufälligen Anordnung in den Baugruppen ab. Diese Studie kann dazu genutzt werde, umneue Designs von Mikrorobotern mit sichtbarem Licht zu realisieren, welche auf dem Oberflächenplasmonresonanzeffekt (SPR) basieren, sowie fortschrittliche Anwendungen zu entwickeln, die für die biomedizinischen und ökologischen Wissenschaften relevant sind. Anschließend wird eine Reihe von des welche Lichte aktivierende kollektiven Verhaltensweisen zwischen aktiven Ag/AgCl-basierten Mikrorobotern (Einzel-, Doppel-, Dreifach- und Cluster), durch sichtbares und passiven PS-Partikeln in reinemWasser. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht lösen die Janus-Mikroroboter eine selbstfahrende Bewegung aus und schließen die umgebenden PS-Partikeln aus. Die ausschließliche Wirkung der passiven PS-Partikel ist bei großen Clustern von Janus-Partikeln aufgrund der starken Strömung der Produkte der chemischen Reaktion aus großen Clustern viel stärker als bei einzelnen Mikrorobotern. Dieses komplexe gemischte System mit beweglichen passiven und aktiven Objekten bietet Einblick in den interaktiven Effekt zwischen den PS-Partikeln und bietet vielversprechende Auswirkungen auf den licht aktivierten Antriebstransport und die chemische Erfassung.

There is an increasing interest in nanostructured and nanocomposite surface finishings for automotive and aerospace applications. The widespread applicability of these novel materials is based on their unique mechanical, physical, and chemical properties. An advantageous production method is the electrocodeposition (ECD) process from metal plating baths containing dispersed nanoparticles. By using this technique, a broad range of substrate sizes and shapes can be coated cost-effectively. However, the prediction of the amount as well the distribution of nanoparticles within the metal film fails frequently. There is no complete understanding of the particle incorporation mechanism. The goal of this research was to improve the fundamental understanding of the ECD mechanism. In order to identify the forces affecting the codeposition behavior of nanoparticles in a metal matrix, the effects of a variety of interrelated process parameters on the composite film formation have been investigated systematically. Nanocomposites containing metal and metal oxide nanoparticles in a nickel matrix have been prepared by means of ECD from two different types of nickel plating baths, an acidic sulfamate (pH 4.3) and an alkaline pyrophosphate bath (pH 9.5). The effect of deposition conditions on the ECD process was investigated utilizing two electrode configurations, viz. a parallel plate electrode (PPE) and impinging jet electrode (IJE) and different deposition techniques, viz. direct current (DC) deposition, both pulse plating (PP) and pulse-reverse plating (PRP). The surface charge and sedimentation behavior of the nanoparticles in these electrolytes were characterized by zeta potential and stability measurements. The surface charge, hydrodynamic diameter and colloidal stability of the nanoparticles in the nickel electrolytes were mainly affected by the composition and pH of the bath. The particles tend to form agglomerates in both nickel baths. Smaller agglomerates and an improved colloidal stability occurred in the case of the alkaline bath. Composites with a maximum particle content of either ~3.6 vol-% of 13 nm Al2O3 or ~10.4 vol-% of 21 nm TiO2 were obtained using a parallel plate electrode and DC deposition conditions. Both jet plating as well as pulse plating resulted in a distinct increase of the particle codeposition. A maximum incorporation of ~12 vol-% of 50 nm Al2O3 particles in a nickel matrix was achieved using an unsubmerged IJE system, while PP and PRP resulted in composites with particle contents up to 11 vol-% of 13 nm Al2O3. The particle incorporation increased with the particle content of the electrolyte for all deposition conditions studied. A beneficial effect on the amount of codeposited particles was found with decreasing average current density. The Al2O3 and TiO2 particles were found to be negatively charged in the alkaline pyrophosphate bath, and positively charged in the acidic sulfamate bath. It could be shown that negatively charged particles codeposited preferentially within the nickel matrix. The effect of PP and PRP conditions, e.g. pulse frequency, duty cycle and value of the peak current density, on the ECD of Ni-Al2O3 composites was studied using rectangular current pulses in the order of milliseconds. In general, low duty cycles and high pulse frequencies resulted in an enhanced particle codeposition. Using the unsubmerged IJE system, the effects of jet flow rate, particle loading and current density on the particle incorporation were studied. Referring to the experimental results from the ECD of 50 nm alumina with nickel using an IJE system, a kinetic model was developed. Therefore, the particle flux to the electrode was derived from an analysis of the total force acting on the particle in front of the electrode. The model took into account the convective diffusion of particles to the electrode surface, and the effect of gravitational and buoyancy forces on the particle flux. The gravitational force was found to be important for the ECD of 300 nm particles, but not for 50 nm particles. The effect of an external magnetic field on the ECD of Co or Fe3O4 nanoparticles in a nickel matrix has been studied for different current densities, particle contents of the electrolyte and magnetic flux density. The particle incorporation showed a distinct dependency on the orientation of an externally applied magnetic field. While the particle incorporation increased in a perpendicular field (perpendicular with regard to the electrode surface), it decreased in a parallel orientation. The influence of the magnetic field on the ECD of magnetic nanoparticles with nickel was explained by the interplay of Lorentz force and magnetophoretic force. The structure and the properties of the nickel matrix were significantly altered due to the codeposition of nanoparticles. The pure nickel deposits from the sulfamate bath exhibited a strong <100> texture, and those from the pyrophosphate bath a strong <110> preferred orientation. With increasing plating current density and particle incorporation, a variation in the crystallite size and a loss of texture was observed. High resolution TEM imaging proved a complete embedding of nanoparticles by the nickel matrix without any voids. In the case of both nickel baths, the Vickers microhardness showed a tendency to increase with the amount of particle incorporation. The enhanced hardness of the composite films was associated with modifications in the microstructure of the nickel matrix as well as with the nanoparticle incorporation. The wear resistance as examined by linear abrasion test increased with decreasing current density and due to the particle incorporation. Furthermore, the incorporation of magnetic nanoparticles resulted in a distinct increase of the magnetic hardness of the nickel matrix.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung unter Tage ist eine in der bergbautechnischen Praxis häufig gestellte Aufgabe. Die derzeit gebräuchlichen Verfahren basieren überwiegend auf zahlreichen relativen Messungen zwischen Festpunkten an der Erdoberfläche und dem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein im geodätischen Sinn absolutes Verfahren. Die Punktbestimmung erfolgt direkt mit Hilfe der Festpunkte über Tage und dem unbekannten Punkt unter Tage. Relative Messungen zu benachbarten Punkten sind nicht notwendig. Die Grundlage des Verfahrens bildet die zeitliche Erfassung transienter elektromagnetischer Felder an einem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Die Quellen dieser Felder sind gleichstromdurchflossene Drahtschleifen an der Erdoberfläche, die näherungsweise magnetische Dipole darstellen. Nach Abschalten des Stromes zerfällt das statische Magnetfeld und induziert elektrische Ströme in der leitfähigen Erde. Das transiente Magnetfeld wird unter Tage an einem Punkt für verschiedene Senderpositionen aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus werden letztlich die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes bestimmt. / Three-dimensional positioning in mines and caves is a common challenge. The methods currently used are based on numerous relative measurements. The method presented here is an absolute procedure in a geodesic sense. The coordinates of the unknown point are directly calculated using the surface points and the point underground. Relative measurements to neighboring points are not necessary. The localization procedure is based on recording transient electromagnetic fields under-ground. They are generated at the surface using direct-current carrying wire loops, which approximately represent magnetic dipoles. After shutoff the static magnetic field decays and induces electric currents in the conductive Earth. The transient electromagnetic field is recorded at an unknown point in the subsurface for different source positions. Finally, the three-dimensional coordinates of this point are reconstructed using an inversion algorithm.

This thesis presents an experimental study which investigates the behaviour of gas bubbles rising in a liquid metal and the related bubble-driven flow under the influence of external DC magnetic fields. The experimental configuration considered here concerns a cylindrical container filled with the eutectic alloy GaInSn. Argon gas bubbles are injected through a single orifice located at the container bottom in the centre of the circular cross-section. A homogeneous magnetic field was generated by a Helmholtz configuration of a pair of water-cooled copper coils. The magnetic field has been imposed either in vertical direction parallel to the main bubble motion or in horizontal direction, respectively. A vertical magnetic field stabilizes and damps the liquid metal flow effectively. The temporal variations of the fluid velocity with time become smaller with increasing magnetic induction. The velocity magnitudes are decreased, and the velocity distributions along the magnetic field lines are smoothed. The flow field keeps the axisymmetric distribution. A horizontal magnetic field destabilizes and enhances the flow within a range of moderate Hartmann numbers (100 < Ha < 400). The flow becomes non-axisymmetric due to the non-isotropic influence of the magnetic field. In the meridional plane parallel to the field lines, the flow changes its direction from a downward to an upward motion. Enhanced downward flows were observed in the meridional plane perpendicular to the field lines. The liquid velocity in both planes shows strong, periodic oscillations. The fluid motion is dominated by large-scale structures elongated along the magnetic field lines over the entire chord lengths of the circular cross-section.

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Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.

This thesis presents a numerical method for the phase-resolving simulation of rigid particles and deformable bubbles in viscous, magnetohydrodynamic flows. The presented approach features solid robustness and high numerical efficiency. The implementation is three-dimensional and fully parallel suiting the needs of modern high-performance computing. In addition to the steps towards magnetohydrodynamics, the thesis covers method development with respect to the immersed boundary method which can be summarized in simple words by From rigid spherical particles to deformable bubbles. The development comprises the extension of an existing immersed boundary method to non-spherical particles and very low particle-to-fluid density ratios. A detailed study is dedicated to the complex interaction of particle shape, wake and particle dynamics. Furthermore, the representation of deformable bubble shapes, i.e. the coupling of the bubble shape to the fluid loads, is accounted for. The topic of bubble interaction is surveyed including bubble collision and coalescence and a new coalescence model is introduced. The thesis contains applications of the method to simulations of the rise of a single bubble and a bubble chain in liquid metal with and without magnetic field highlighting the major effects of the field on the bubble dynamics and the flow field. The effect of bubble coalescence is quantified for two closely adjacent bubble chains. A framework for large-scale simulations with many bubbles is provided to study complex multiphase phenomena like bubble-turbulence interaction in an efficient manner.