Objectives: Heavy lifting in nursing is highly associated with low back pain (LBP) and musculoskeletal injuries (MSI). We aimed to evaluate the impact of mechanical devices used for patient lifting and transferring on risk of LBP and MSI of health care personnel. Methods: We conducted a systematic review and meta-analysis. The literature search was performed during 1st and 12th September 2021 using 17 electronic databases and handsearching of bibliographies of included studies. Twenty studies were included in the qualitative synthesis and eight studies with in total 2087 participants in the meta-analysis. Dependent on the study design, risk of bias was assessed by Cochrane RoB 2.0, EPOC, and MINORS. We conducted random-effects meta-analyses assessing Hedges’s g and 95% CI of MSI rate, perceived LBP, and peak compressive spinal load. We calculated prediction intervals and conducted a cost-benefit analysis (CBA). Results: All outcomes showed significant, adjusted pooled effect sizes (MSI rate: g = 1.11, 95% CI 0.914–1.299; perceived LBP: g = 1.54, 95% CI −0.016–3.088; peak compressive spinal load: g = 1.04, 95% CI −0.315 to 2.391). True effect sizes in 95% of all comparable populations fell in the following prediction intervals: MSI rate = −1.07-3.28, perceived LBP = −0.522–3.594, and peak compressive spinal load = −15.49 to 17.57. CBA revealed cost-benefit ratios of 1.2 and 3.29 between cumulative total savings and investment costs of intervention. - Conclusions: Prediction intervals confirmed strong true effect sizes for MSI rate and perceived LBP in 95% of all comparable populations but not for peak compressive spinal load. Mechanical lifting and transferring devices displayed a favorable cost-benefit ratio and should be considered for clinical implementation.

Background: Global and regional transpulmonary pressure (PL) during one-lung ventilation (OLV) is poorly characterized. We hypothesized that global and regional PL and driving PL (ΔPL) increase during protective low tidal volume OLV compared to two-lung ventilation (TLV), and vary with body position. Methods: In sixteen anesthetized juvenile pigs, intra-pleural pressure sensors were placed in ventral, dorsal, and caudal zones of the left hemithorax by video-assisted thoracoscopy. A right thoracotomy was performed and lipopolysaccharide administered intravenously to mimic the inflammatory response due to thoracic surgery. Animals were ventilated in a volume-controlled mode with a tidal volume (VT) of 6 mL kg⁻¹ during TLV and of 5 mL kg⁻¹ during OLV and a positive end-expiratory pressure (PEEP) of 5 cmH₂O. Global and local transpulmonary pressures were calculated. Lung instability was defined as end-expiratory PL<2.9 cmH₂O according to previous investigations. Variables were acquired during TLV (TLVsupine), left lung ventilation in supine (OLVsupine), semilateral (OLVsemilateral), lateral (OLVlateral) and prone (OLVprone) positions randomized according to Latin-square sequence. Effects of position were tested using repeated measures ANOVA. Results: End-expiratory PL and ΔPL were higher during OLVsupine than TLVsupine. During OLV, regional end-inspiratory PL and ΔPL did not differ significantly among body positions. Yet, end-expiratory PL was lower in semilateral (ventral: 4.8 ± 2.9 cmH₂O; caudal: 3.1 ± 2.6 cmH₂O) and lateral (ventral: 1.9 ± 3.3 cmH₂O; caudal: 2.7 ± 1.7 cmH₂O) compared to supine (ventral: 4.8 ± 2.9 cmH₂O; caudal: 3.1 ± 2.6 cmH2O) and prone position (ventral: 1.7 ± 2.5 cmH₂O; caudal: 3.3 ± 1.6 cmH₂O), mainly in ventral (p ≤ 0.001) and caudal (p = 0.007) regions. Lung instability was detected more often in semilateral (26 out of 48 measurements; p = 0.012) and lateral (29 out of 48 measurements, p < 0.001) as compared to supine position (15 out of 48 measurements), and more often in lateral as compared to prone position (19 out of 48 measurements, p = 0.027). Conclusion: Compared to TLV, OLV increased lung stress. Body position did not affect stress of the ventilated lung during OLV, but lung stability was lowest in semilateral and lateral decubitus position.

Die Effizienz von Verbindungshalbleitern hängt von ihrer lokalen Zusammensetzung und ihrer räumlichen Elementverteilung ab. Um die opto-elektronischen Eigenschaften solcher Bauelemente zu optimieren, ist ein detailliertes Verständnis und die Kontrolle der Zusammensetzungsgradienten entscheidend. Industriell wichtige Bauelemente sind Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen, die eine hohe Effizienz in Kombination mit einem geringen Materialbedarf und einer hohen elastischen Flexibilität bieten. Ein gängiges Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellenabsorber ist das Annealen bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu dem, was bei Fick'schen Diffusionsprozessen zu erwarten wäre – führt dieses regelmäßig zur Bildung steiler und stabiler Zusammensetzungsgradienten, die oft von den optimalen Profilen für hocheffiziente Absorber abweichen. In dieser Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf den mechanischen Spannungen, die sich im Inneren von Dünnschichten entwickeln, und auf deren Auswirkungen auf Diffusionsprozesse und die mikrostrukturelle Entwicklung des Materials. Es wird gezeigt, dass die Bildung von elastischen Spannungen die endgültigen Elementverteilungen stark beeinflusst und sogar zur Bildung von starken und stabilen Zusammensetzungsgradienten führt. In dieser Arbeit wird weiterhin argumentiert, dass die Wirkung der Spannungen auf die Gleichgewichts-Zusammensetzungsprofile von den mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials abhängen kann, insbesondere vom Vorhandensein von Leerstellenquellen. Ein Vergleich numerischer Berechnungen mit Echtzeitdaten der energiedispersiven Röntgenbeugung, die während der Dünnschichtsynthese in-situ erfasst wurden, hilft zu zeigen, dass die so entwickelten Interdiffusionsmodelle die experimentell beobachteten Beugungsspektren und insbesondere die Stagnation der Interdiffusion vor Erreichen der vollständigen Durchmischung teilweise reproduzieren können. / The operational efficiency of compound semiconductors regularly depends on their local elemental composition and on the spatial distribution of contained elements. To optimize the opto-electronic properties of such devices, a detailed understanding and control of compositional gradients is crucial. Industrially important devices are thin-film solar cell absorber layers which deliver high photo-conversion efficiencies in combination with a low demand of material and high elastic flexibility. These materials use local variations in composition to tune their opto-electronic properties. A common fabrication process for thin-film solar cell absorbers involves annealing at high temperatures to achieve specific compositional gradients, which – contrary to what could be expected from simple Fickian diffusion processes – regularly results in the formation of steep and stable compositional gradients, often deviating from the optimal profiles for high-efficiency absorbers. In this work attention is focused especially on mechanical stresses developing inside thin-films and on their effects on diffusion processes and on the material’s micro-structural evolution. It is shown that the formation of elastic stresses strongly influences the final elemental distributions, even leading to the formation of strong and stable final compositional gradients. However, this thesis also argues that their exact effect on equilibrium composition profiles may depend on the detailed micro-structural properties of the material, especially on the presence of vacancy sources and sinks. A comparison of numerical calculations with real-time synchroton-based energy-dispersive X-ray diffraction data acquired in-situ during thin-film synthesis helps to demonstrate that the such developed interdiffusion models can partly reproduce the experimentally observed diffraction spectra and, especially, the stagnation of interdiffusion before total intermixing is achieved.

Straßenaufbauten sind stetig sich ändernden Randbedingungen wie Verkehrsstärke, Achslasten, Achs- und Bereifungskombinationen sowie Klimarandbedingungen ausgesetzt. Um einen Straßenaufbau belastungs- und materialgerecht zu dimensionieren, reichen empirische Verfahren oftmals nicht aus und rechnerische Verfahren werden erforderlich. Hierbei entsteht eine Vielzahl von straßenbautechnischen Fragestellungen, insbesondere die Frage nach der Vali-dierung der Rechenverfahren. Für die im Rahmen der Dimensionierung erforderliche Berechnung der mechanischen Beanspruchungen eines Asphaltstraßenaufbaus stehen die Mehrschichtentheorie, die Finite Elemente Methode (FEM) sowie Hybridverfahren unter Anwendung der FEM und der Fourier Transformation zur Verfügung (SAFEM). Zudem ist nach den Richtlinien zur Dimensionierung eine Vielzahl von Berechnungsschritten durchzuführen, wobei es gilt, die Gesamtberechnungszeit in praxisgerechten Maßen zu halten. Dies kann mit einfachen Modellen und Annahmen wie z.B. statische Belastung und linear-elastisches Materialverhalten erreicht werden. Mit der sensorinstrumentierten Modellstraße in Asphaltbauweise im Maßstab 1:1 bei der Bundesanstalt für Straßenwesen steht eine Versuchsinfrastruktur zur Verfügung, mit der eine Reihe von straßenbautechnischen Fragestellungen beantwortet werden kann und die Lücke zwischen Laborversuch und Beobachtung von Straßen in situ geschlossen werden kann. In einem umfangreichen Versuchsprogramm mit Überfahrten verschiedener Lkw-Konfigurationen bei Variation der Achslasten, der Achs- und Bereifungskombination sowie der Geschwindigkeit als auch Belastung mit dem Falling Weight Deflectometer wurden die Biegedehnungen im Asphalt, die Druckspannungen auf den Schichten ohne Bindemittel, die Oberflächendeflektionen sowie die Asphalttemperaturen gemessen und ausgewertet. Hierbei wurde z.B. das linear-elastische Verhalten zwischen Vertikallast und erzeugter mechanischer Bean-spruchung und somit auch impliziert das linear-elastische Materialverhalten im Rahmen der vorherrschenden Randbedingungen bestätigt. Eine wichtige Komponente ist die Bestimmung der E-Moduli der Asphalte basierend auf den aus den Messsignalen abgeleiteten Belastungsimpulsfrequenzen. Unter Berücksichtigung der adäquaten E-Moduli wurden verschiedene Varianten berechnet und den gemessenen Dehnungen im Asphalt und den Spannungen auf den Schichten ohne Bindemittel gegenübergestellt. Der Vergleich weist eine gute adäquate Annäherung der berechneten an die gemessenen Asphaltdehnungen auf. Somit kann für die Biegedehnungen im Asphalt eine Validierung des „einfachen“, linear-elastischen und statischen Berechnungsmodells mithilfe der SAFEM-Software bestätigt werden.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 10 1.1 Hintergrund und Motivation 10 1.2 Problemstellung und Ziel 12 1.3 Zentrale These 14 1.4 Untersuchungsmethodik 15 2 Theoretische Grundlagen 17 2.1 Allgemeines 17 2.2 Mehrschichtentheorie 20 2.3 Finite Elemente Methode 24 2.4 Stoffmodelle 27 2.4.1 Asphalt 27 2.4.2 Tragschichten bzw. Schichten ohne Bindemittel 29 2.4.3 Hydraulisch gebundene Schichten 30 2.4.4 Untergrund/Unterbau 30 2.5 Schichtenverbund 30 2.6 Elastizitätsmodul, Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 34 2.7 Grundlagen der Dimensionierung von Verkehrsflächenbefestigungen 40 2.7.1 Standardisierte Dimensionierung 40 2.7.2 Rechnerische Dimensionierung 40 2.7.3 Nachweis der Asphalttragschicht 43 2.7.4 Nachweis der Schichten ohne Bindemittel 44 2.7.5 Nachweis der Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln 45 2.8 Computerprogramm SAFEM 46 2.9 Computerprogramm BISAR 48 3 Stand der Wissenschaft und Technik - Literaturanalyse 49 3.1 Großversuche an instrumentierten Versuchsstraßen 49 3.2 Messung von Deflektionen, Dehnungen im Asphalt und Druckspannungen in den ungebundenen Schichten in Straßenaufbauten von Großversuchsanlagen 50 3.3 Fahrzeuggeschwindigkeiten, Belastungsimpulslängen und Belastungsimpulsfrequenzen in Asphaltstraßenaufbauten 57 4 Versuchsaufbau, Sensorik und Versuchsdurchführung 76 4.1 Aufbau der Modellstraße in Asphaltbauweise 76 4.2 Planum (sogenanntes „fiktives“ Planum) 79 4.3 Frostschutzschicht/Schicht aus frostunempfindlichem Material 79 4.4 Tragschicht ohne Bindemittel: Kies- und Schottertragschichten 80 4.5 Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel: Hydraulisch Gebundene Tragschicht und Verfestigung 82 4.6 Asphaltschichten 82 4.7 Gegenüberstellung RStO 01 und RStO 12 84 4.8 Schichtdicken und Schichtenverbund 85 4.8.1 Schichtdickenbestimmung anhand von Bohrkernen 85 4.8.2 Schichtdickenbestimmung mit dem Georadar 88 4.8.3 Schichtenverbund an Bohrkernen 90 4.8.4 Schichtenverbund an Ausbauquerschnitten des Feldes 4 91 4.9 Einbau, Anordnung und Funktionsweise der Sensorik der Modellstraße 93 4.9.1 Allgemeines 93 4.9.2 Dehnungssensoren 93 4.9.3 Drucksensoren 95 4.9.4 Thermoelemente 96 4.9.5 Anordnung und Einbau der Sensorik in den Straßenaufbau 97 4.9.6 Datenerfassung und Aufbereitung 99 4.9.7 Nachträgliche Entnahme von Bohrkernen mit Sensoren 101 4.9.8 Sensorik oberhalb des Straßenaufbaus 101 4.10 Versuchsdurchführung der Lkw-Überfahrten 103 4.11 Fahrzeugkonfigurationen für die Belastungsversuche 103 4.12 Beladen und Verwiegen der Fahrzeuge 105 4.13 Versuchsdurchführung der Überfahrten und Versuchsmatrix 112 4.14 Zeitstrahl der Aktivitäten an der Modellstraße 115 5 Interaktion Reifen-Fahrbahn 116 5.1 Lasteintrag und Spannungsverteilung in der Kontaktfläche 116 5.2 Messung der Druckspannungsverteilung in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn an verschiedenen Lkw-Reifen auf der Modellstraße 117 5.3 Kontaktflächengeometrie und Druckspannungen als Eingangsgrößen für die analytischen Berechnungen 126 6 Bestimmung der Materialparameter für analytische Berechnungen 130 6.1 Allgemeines, Grundlagen 130 6.2 Schichten ohne Bindemittel 130 6.3 Hydraulisch gebundene Schichten 135 6.4 Asphaltschichten 137 6.4.1 Bindemittelkennwerte 137 6.4.2 Rechnerische Bestimmung der Steifigkeitsmoduli der Asphalte nach dem Verfahren von Francken und Verstraeten 139 6.4.3 Versuchstechnische Bestimmung der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 148 6.4.4 Gegenüberstellung der berechneten und versuchstechnisch ermittelten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 158 6.4.5 Querdehnzahl 160 6.4.6 Ermüdungsfunktion 161 7 FWD-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 162 7.1 Allgemeines, Grundlagen 162 7.2 FWD-Belastung der Straßenaufbauten der Modellstraße 167 7.3 FWD-Belastung an den Positionen ausgewählter Sensoren der Modellstraße 173 7.4 Grundlagen für die Berechnung der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen in den Straßenaufbauten der Modellstraße infolge FWD-Belastung 176 7.5 Berechnungen der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen mit den Programmen SAFEM und BISAR 183 7.6 Ausgewählte Ergebnisse der Berechnung mit SAFEM 202 8 Lkw-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 205 8.1 Allgemeines, Grundlagen 205 8.1.1 Temperaturen im Straßenaufbau 205 8.1.2 Auswahl Messinstrumente 206 8.1.3 Lastposition und Exzentrizität Last - Messinstrument 207 8.2 Darstellung ausgewählter Messergebnisse 210 8.3 Analyse der Biegefigur des Asphaltpaketes 213 8.4 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Radlast 214 8.5 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Geschwindigkeit 223 8.6 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Asphaltschichtdicke 228 8.7 Analyse der Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 232 8.7.1 Allgemeines und Vorgehensweise 232 8.7.2 Vereinfachte Vorgehensweise bei der Frequenzanalyse 234 8.8 Analytische Vorgehensweise mittels FFT bei der Frequenzbestimmung 245 8.9 Gegenüberstellung der Frequenzen aus manueller und analytischer Bestimmung 257 8.10 Ergebnisse der SAFEM-Berechnungen 260 8.11 Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Beanspruchungen 270 8.12 Abhängigkeit Frequenz - Geschwindigkeit 285 9 Weitere abschließende Überlegungen zur Beanspruchung von Asphaltstraßenaufbauten 292 9.1 Differenzierung zwischen der mechanischen Beanspruchung aus Einzel- und Zwillingsbereifung 292 9.2 Einfluss benachbarter Räder und Achsen auf die mechanische Beanspruchung 292 9.3 Schädigungspotenziale pro Fahrzeugkombination auf Basis der Ermüdungsfunktionen der Asphalttragschicht 292 9.4 Überlegungen zur Dauerfestigkeit von Asphalt 292 10 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 293 10.1 Zusammenfassung 293 10.2 Schlussfolgerungen 299 10.3 Ausblick und weiterer Forschungsbedarf 300 11 Literaturverzeichnis 303 12 Abbildungsverzeichnis 311 13 Tabellenverzeichnis 328 14 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 333 15 Anhang 335 / Road pavement structures are exposed to constantly changing boundary conditions such as traffic volume, axle loads, axle and tire combinations as well as climatic boundary conditions. Empirical design methods are often not sufficient to design a road pavement structure in accordance with load, structure and material, so computational methods are required. This gives rise to a large number of pavement engineering issues and in particular the validation of the computation methods. The linear-elastic-multi-layer theory, the Finite Element Method (FEM) and hybrid methods using a combination of FEM and Fourier Transformation (SAFEM-software) are available for the computation of the internal stresses and strains of an asphalt pavement structure within the scope of design. In addition, according to the regulations such as the RDO Asphalt 09 for design calculations, a large number of computation steps must be carried out so it is important to keep the total computation time within practical limits. This can usually be achieved with simplified models and assumptions such as static loading and linear-elastic material behavior. With the sensor-instrumented full-scale asphalt pavement test track at the Federal Highway Research Institute BASt, a test infrastructure is available with which a number of asphalt road pavement questions can be answered and the gap between laboratory tests and monitoring of road pavements in situ can be bridged. In an extensive test program with loading of different truck configurations with variations of axle loads, axle and tire configurations as well as vehicle speed and loading with the Falling Weight Deflectometer, the horizontal flexural strains in the asphalt, the vertical compressive stresses on the granular layers, the surface deflections and the asphalt temperatures are measured and evaluated. Here, for example, the linear-elastic behavior between vertical load and generated mechanical strains, stresses and surface deflections which implies linear-elastic material behavior was confirmed for the prevailing boundary conditions. An important component of the work was the determination of the adequate stiffness moduli for the viscous asphalt based on the load pulse frequencies derived from the measurement signals. Taking into account the appropriate E-Moduli, different variations were calculated and compared to the measured peak values of the asphalt strains and the stresses on the granular layer. The comparison shows a good adequate approximation of the measured asphalt strains to the calculated strains. Thus, for the flexural asphalt strains, a validation of the 'simple', linear-elastic and static calculation model can be confirmed using the SAFEM-software.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 10 1.1 Hintergrund und Motivation 10 1.2 Problemstellung und Ziel 12 1.3 Zentrale These 14 1.4 Untersuchungsmethodik 15 2 Theoretische Grundlagen 17 2.1 Allgemeines 17 2.2 Mehrschichtentheorie 20 2.3 Finite Elemente Methode 24 2.4 Stoffmodelle 27 2.4.1 Asphalt 27 2.4.2 Tragschichten bzw. Schichten ohne Bindemittel 29 2.4.3 Hydraulisch gebundene Schichten 30 2.4.4 Untergrund/Unterbau 30 2.5 Schichtenverbund 30 2.6 Elastizitätsmodul, Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 34 2.7 Grundlagen der Dimensionierung von Verkehrsflächenbefestigungen 40 2.7.1 Standardisierte Dimensionierung 40 2.7.2 Rechnerische Dimensionierung 40 2.7.3 Nachweis der Asphalttragschicht 43 2.7.4 Nachweis der Schichten ohne Bindemittel 44 2.7.5 Nachweis der Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln 45 2.8 Computerprogramm SAFEM 46 2.9 Computerprogramm BISAR 48 3 Stand der Wissenschaft und Technik - Literaturanalyse 49 3.1 Großversuche an instrumentierten Versuchsstraßen 49 3.2 Messung von Deflektionen, Dehnungen im Asphalt und Druckspannungen in den ungebundenen Schichten in Straßenaufbauten von Großversuchsanlagen 50 3.3 Fahrzeuggeschwindigkeiten, Belastungsimpulslängen und Belastungsimpulsfrequenzen in Asphaltstraßenaufbauten 57 4 Versuchsaufbau, Sensorik und Versuchsdurchführung 76 4.1 Aufbau der Modellstraße in Asphaltbauweise 76 4.2 Planum (sogenanntes „fiktives“ Planum) 79 4.3 Frostschutzschicht/Schicht aus frostunempfindlichem Material 79 4.4 Tragschicht ohne Bindemittel: Kies- und Schottertragschichten 80 4.5 Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel: Hydraulisch Gebundene Tragschicht und Verfestigung 82 4.6 Asphaltschichten 82 4.7 Gegenüberstellung RStO 01 und RStO 12 84 4.8 Schichtdicken und Schichtenverbund 85 4.8.1 Schichtdickenbestimmung anhand von Bohrkernen 85 4.8.2 Schichtdickenbestimmung mit dem Georadar 88 4.8.3 Schichtenverbund an Bohrkernen 90 4.8.4 Schichtenverbund an Ausbauquerschnitten des Feldes 4 91 4.9 Einbau, Anordnung und Funktionsweise der Sensorik der Modellstraße 93 4.9.1 Allgemeines 93 4.9.2 Dehnungssensoren 93 4.9.3 Drucksensoren 95 4.9.4 Thermoelemente 96 4.9.5 Anordnung und Einbau der Sensorik in den Straßenaufbau 97 4.9.6 Datenerfassung und Aufbereitung 99 4.9.7 Nachträgliche Entnahme von Bohrkernen mit Sensoren 101 4.9.8 Sensorik oberhalb des Straßenaufbaus 101 4.10 Versuchsdurchführung der Lkw-Überfahrten 103 4.11 Fahrzeugkonfigurationen für die Belastungsversuche 103 4.12 Beladen und Verwiegen der Fahrzeuge 105 4.13 Versuchsdurchführung der Überfahrten und Versuchsmatrix 112 4.14 Zeitstrahl der Aktivitäten an der Modellstraße 115 5 Interaktion Reifen-Fahrbahn 116 5.1 Lasteintrag und Spannungsverteilung in der Kontaktfläche 116 5.2 Messung der Druckspannungsverteilung in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn an verschiedenen Lkw-Reifen auf der Modellstraße 117 5.3 Kontaktflächengeometrie und Druckspannungen als Eingangsgrößen für die analytischen Berechnungen 126 6 Bestimmung der Materialparameter für analytische Berechnungen 130 6.1 Allgemeines, Grundlagen 130 6.2 Schichten ohne Bindemittel 130 6.3 Hydraulisch gebundene Schichten 135 6.4 Asphaltschichten 137 6.4.1 Bindemittelkennwerte 137 6.4.2 Rechnerische Bestimmung der Steifigkeitsmoduli der Asphalte nach dem Verfahren von Francken und Verstraeten 139 6.4.3 Versuchstechnische Bestimmung der Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 148 6.4.4 Gegenüberstellung der berechneten und versuchstechnisch ermittelten Steifigkeitsmodul-Temperaturfunktionen 158 6.4.5 Querdehnzahl 160 6.4.6 Ermüdungsfunktion 161 7 FWD-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 162 7.1 Allgemeines, Grundlagen 162 7.2 FWD-Belastung der Straßenaufbauten der Modellstraße 167 7.3 FWD-Belastung an den Positionen ausgewählter Sensoren der Modellstraße 173 7.4 Grundlagen für die Berechnung der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen in den Straßenaufbauten der Modellstraße infolge FWD-Belastung 176 7.5 Berechnungen der Deflektionen, Dehnungen und Spannungen mit den Programmen SAFEM und BISAR 183 7.6 Ausgewählte Ergebnisse der Berechnung mit SAFEM 202 8 Lkw-Belastung: Messergebnisse und Berechnungen 205 8.1 Allgemeines, Grundlagen 205 8.1.1 Temperaturen im Straßenaufbau 205 8.1.2 Auswahl Messinstrumente 206 8.1.3 Lastposition und Exzentrizität Last - Messinstrument 207 8.2 Darstellung ausgewählter Messergebnisse 210 8.3 Analyse der Biegefigur des Asphaltpaketes 213 8.4 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Radlast 214 8.5 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Geschwindigkeit 223 8.6 Abhängigkeit mechanische Beanspruchung - Asphaltschichtdicke 228 8.7 Analyse der Belastungsimpulsdauern und Belastungsimpulsfrequenzen 232 8.7.1 Allgemeines und Vorgehensweise 232 8.7.2 Vereinfachte Vorgehensweise bei der Frequenzanalyse 234 8.8 Analytische Vorgehensweise mittels FFT bei der Frequenzbestimmung 245 8.9 Gegenüberstellung der Frequenzen aus manueller und analytischer Bestimmung 257 8.10 Ergebnisse der SAFEM-Berechnungen 260 8.11 Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Beanspruchungen 270 8.12 Abhängigkeit Frequenz - Geschwindigkeit 285 9 Weitere abschließende Überlegungen zur Beanspruchung von Asphaltstraßenaufbauten 292 9.1 Differenzierung zwischen der mechanischen Beanspruchung aus Einzel- und Zwillingsbereifung 292 9.2 Einfluss benachbarter Räder und Achsen auf die mechanische Beanspruchung 292 9.3 Schädigungspotenziale pro Fahrzeugkombination auf Basis der Ermüdungsfunktionen der Asphalttragschicht 292 9.4 Überlegungen zur Dauerfestigkeit von Asphalt 292 10 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 293 10.1 Zusammenfassung 293 10.2 Schlussfolgerungen 299 10.3 Ausblick und weiterer Forschungsbedarf 300 11 Literaturverzeichnis 303 12 Abbildungsverzeichnis 311 13 Tabellenverzeichnis 328 14 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 333 15 Anhang 335

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen, autarken, folienbasierten Sensorsystems für die Belastungsdetektion an Leichtbaumaterialien. Das integrierte Sensorsystem ist in der Lage mechanische Belastungen über die Photolumineszenz von Quantum Dots visuell darzustellen, wodurch strukturelle Defekte in Leichtbaumaterialien frühzeitig erkannt und ein Totalausfall einer gesamten Leichtbaukonstruktion verhindert werden kann. Dies führt neben einer erhöhten Sicherheit einzelner Komponenten und kompletter Konstruktionen auch zu Gewichts-, Kosten- und Rohstoffersparnissen. Die gezielte Beeinflussung der Photolumineszenz von Quantum Dots durch Ladungsträgerinjektion als Hauptmechanismus des Sensorsystems erfordert spezielle Lagenaufbauten von Dünnschichtsystemen. Durch die Kombination dieser Dünnschichtsysteme mit piezoelektrischen Materialien entsteht ein autarkes Sensorsystem, wodurch eine Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Information über eine stattgefundene mechanische Belastung an Leichtbaumaterialien auf kleinsten Raum erreicht wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf / This work focuses on the development of a novel, self-sufficient, film-based sensor system for load detection on lightweight materials. The integrated sensor system is capable to visualize mechanical loads on lightweight structures by quenching the photoluminescence of quantum dots. Structural defects in lightweight materials can thus be detected at an early stage and total failure of an entire lightweight structure can be prevented. In addition to increased safety of individual components and complete structures, this also leads to weight, cost and raw material savings. The quenching of the photoluminescence of quantum dots by charge carrier injection as the main mechanism of the sensor system requires special thin-film layer stacks. By combining these thin-film layer stacks with piezoelectric materials, a self-sufficient sensor system is created. An evaluation, visualization and storage of the information about a mechanical load that has taken place on lightweight materials is thus achieved in a very small space.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf

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Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Harte amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Diese Art von Hartstoffschichten wird zunehmend für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In der Forschung, aber auch für Kleinserien, werden a-C:H-Schichten üblicherweise mit Hochfrequenzplasmaentladungen abgeschieden. Eine Alternative ist die Plasmaaktivierung mit einer asymmetrisch bipolar gepulsten Spannung im Mittelfrequenzbereich. Auf diese Weise wird eine homogene Beschichtung großer Substratflächen mit qualitativ hochwertigen Schichten ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der plasmagestützten Abscheidung von harten a-C:H-Schichten mit mittelfrequenzgepulsten Entladungen. Zur Schichtabscheidung werden Ethin-Argon- und Isobuten-Argon-Gasgemische verwendet. Der Einfluss des Prozessdrucks auf den Abscheideprozess und die Schichteigenschaften wird untersucht. Dazu wurden Argonentladungen und Beschichtungsplasmen mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert. Zur Charakterisierung der Schichteigenschaften wurden unter anderem Nanoindentation-Messungen, elastische Rückstreudetektionsanalysen und thermische Desorptionsspektroskopie verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der Ionen auf das Schichtwachstum wird ein Modell zur Identifizierung von Ionenspezies in Beschichtungsplasmen vorgestellt. In Verbindung mit der Messung der Substratströme konnte der Ionenanteil am Schichtwachstum bestimmt werden. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit untersucht ein Hybridverfahren, in dem die mittelfrequenzgepulste Entladung mit einer zusätzlichen ECR-Entladung kombiniert wird. Es wird gezeigt, dass durch dieses Hybridverfahren eine deutliche Steigerung der Abscheiderate harter a-C:H-Schichten erreicht werden kann. Die abgeschiedenen Schichten wurden zusätzlich bezüglich ihrer Oberflächenstruktur und ihrer Verschleißfestigkeit untersucht.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.