Die Solarstromerzeugung mit Photovoltaikmodulen entwickelt sich zu einer wesentlichen Säule der Energieversorgung. Dabei kann die Integration der Module in die Gebäudehülle die Nachhaltigkeit der Systeme verbessern und neue Anwendungen in der Architektur erschließen. Die vorliegende Arbeit untersucht die bautechnischen Anforderungen, die sich bei der gebäudeintegrierten Verwendung von Photovoltaikmodulen im Hinblick auf die Sicherheit von Bauteilen aus Glas ergeben. Diese Anforderungen betreffen die materielle Zusammensetzung als Bauprodukt, die Konstruktionsweise und die zu erbringenden Nachweise. Die alleinige Produktqualifizierung nach der elektrotechnischen Normung und die üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen in der Modulproduktion bieten hierfür keine hinreichende Grundlage, da sie keine charakteristischen Materialkennwerte liefern. Infolgedessen bedarf die Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle in vielen Fällen gesonderter Zustimmungs- oder Zulassungsverfahren. Resttragfähigkeitsprüfungen an Glas-Glas-Photovoltaikmodulen verfolgten das Ziel, die mechanischen Sicherheitseigenschaften gängiger Modulaufbauten im Vergleich zu Verbund-Sicherherheitsglas zu ermitteln. Auf der Grundlage der Ergebnisse lassen sich die untersuchten Aufbauten als mindestens gleichwertig beurteilen. Mit einer bauaufsichtlichen Einstufung geeigneter Modulaufbauten als Verbund-Sicherherheitsglas könnte sich der zusätzliche Nachweisaufwand für gebäudeintegrierte Photovoltaik erheblich reduzieren. Im Vierpunkt-Biegeversuch wurde der Einfluss der Glasbeschichtung mit Dünnschichtsolarzellen auf die Festigkeit der verwendeten Gläser analysiert. Die für eine praktikable Qualitätssicherung durch die Hersteller wünschenswerte Prüfung im Fertigungsformat der Module erforderte eine Modifikation der Probengeometrie. Numerische Berechnungen konnten die Anwendbarkeit des Prüf- und Auswertungsverfahrens auf die vergrößerte Probenbreite nachweisen. Bei beiden untersuchten Dünnschichttechnologien ließ sich die Randentschichtung als Ursache für eine leichte Reduzierung der Biegezugfestigkeit identifizieren. Dabei blieben Mindestwerte für das Basisprodukt Floatglas eingehalten. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Nachweis der mechanischen Leistungseigenschaften von Photovoltaikmodulen, die für den Einsatz als Bauprodukt erforderlich sind. Darüber hinaus können die entwickelten Empfehlungen für die photovoltaikspezifischen Entwurfs- und Planungsaufgaben einen ganzheitlichen und interdisziplinären Planungs- und Bauablauf erleichtern. / Solar electricity produced by photovoltaic systems will play a major role in future energy supply systems. Integrating photovoltaic modules into the envelopes of buildings can improve the sustainability of these systems and stimulate new architectural applications. This thesis investigates the structural requirements related to building-integrated photovoltaic modules with regard to the structural safety of architectural glazing components. These requirements apply to the materials used, the structural design and the verification procedures. Neither type approval according to the electrical engineering standards nor customary quality control in module production provides characteristic material properties. Therefore, these standards are not sufficient to determine and declare the performance of a construction product. As a result, building-integrated photovoltaic modules require individual approval in many cases. Residual strength testing of glass-glass photovoltaic modules was carried out with the aim of determining the mechanical safety properties of common module configurations in comparison with laminated safety glass. Based on the results, the configurations tested can be evaluated to provide an equivalent safety level. The classification of suitable module configurations as laminated safety glass in the building codes could significantly reduce the need for additional testing and approval, and thus facilitate the use of building-integrated photovoltaics. The influence of photovoltaic thin-film coatings on the bending strength of the float glass used as a substrate or superstrate was analysed by applying four-point bending tests. As the direct use of full-size photovoltaic-coated glass sheets as samples would simplify quality control by the manufacturers, the dimensions of the specimens were modified with respect to the existing testing standard. Numerical calculations demonstrated the applicability of the test and evaluation procedures when the larger specimen width was used. For both types of investigated thin-film PV technology, edge ablation was determined to cause a slight reduction in the bending strength. The specimens tested still met the minimum values for float glass. The thesis contributes to knowledge on the mechanical performance of photovoltaic modules that are required for use as construction products. In addition, recommendations on the specific design and planning tasks for building-integrated photovoltaics were developed to promote a holistic and interdisciplinary planning and construction process.

Fortschrittliche ingenieurtechnische Anwendungen stellen hohe Ansprüche an neuartige Materialien sowohl hinsichtlich e.g. mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität als auch hinsichtlich einer möglichst vielfältigen Einsetzbarkeit (Maßschneiderung etc.). Zudem sind Ressourcenschonung und nachhaltige Produktion bei gleichzeitig hoher Performance zu realisieren. Entsprechend existiert grundlagenseitig Forschungsbedarf zu innovativen Materialien (e.g. Kompositwerkstoffe) und ihren Prozessierungen. In der vorliegenden Dissertation werden submikro-/nanokristalline mehrphasige Gradientenmaterialien zum Einen mittels experimenteller Methoden wie der zweidimensionalen Röntgenmikrobeugung (in geeigneter Weiterentwicklung) sowie zum Anderen mittels analytischer und numerischer Modellrechnungen bezüglich spezieller Eigenschaften und deren Korrelation zum Herstellungsprozess (starke plastische Verformung durch akkumuliertes Rundkneten) untersucht. Insbesondere werden lokale Verteilungen kristallografischer Textur sowie mechanischer (Eigen-)Spannungen analysiert und in Hinblick auf materialrelevante Eigenschaften (e.g. mechanisch, mikrostrukturell) interpretiert und korreliert. Derartige Beziehungen sind hinsichtlich perspektivischer Applikationen, e.g. im Bereich hochfester Leichtbaulösungen, von technischer Relevanz.

Bauteilkonstruktionen mit integrierten Kunststoffnietverbindungen nehmen aufgrund der steigenden Anzahl artfremder Werkstoffkombinationen im Rahmen von Hybridbauweisen kontinuierlich zu. Als nicht lösbare und punktuell wirkende Verbindung wird das Kunststoffnieten insbesondere aufgrund seiner kosteneffizienten und einfach anmutenden Prozessführung u. a. für die Herstellung von Elektronik- und Sensorelementen sowie für das Verbinden von Bauteilen im Interieur- bzw. Exterieur-Bereich eingesetzt. Aufgrund der hohen Anwendungs- und Werkstoffvielfalt unterliegt der Kunststoffnietprozess jedoch komplexen Anforderungen, die für eine sichere Prozessanwendung durch ein hinreichendes Prozessverständnis sowie eine zielführende Qualitätssicherung kompensiert werden müssen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der wissenschaftlichen Analyse der thermischen Nietprozesse Warmumformen und Heißluftnieten. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht die systematische Ausarbeitung der Zusammenhänge zwischen dem Verfahrensablauf, den mechanischen Eigenschaften sowie dem resultierenden Versagensverhalten der Nietverbindung. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer optimierten Prozessführung für beide thermischen Nietverfahren hohe mechanische Eigenschaften erreicht werden können. Als dominierender Faktor offenbarte sich die Anbindungsqualität des Nietkopfes an den Nietzapfen, welche in einem direkten Zusammenhang zum Erwärmungs- und Umformverhalten des Nietzapfens steht. Zudem sind die Verarbeitungseigenschaften und die erreichbare Verbindungsqualität vom eingesetzten Werkstoff abhängig. / Due to the rising number of dissimilar material combinations in the field of hybrid design, components with integrated plastic rivet joints are steadily increasing. Among other things, staking is primary used as a non-detachable and point-acting joint for the production of electronic and sensor elements as well as for the joining of components in the automotive interior and exterior by reason of its cost-efficient and seemingly simple process control. However, due to the high diversity of applications and materials, the staking process is subject to complex requirements, which must be compensated by a sufficient understanding of the process as well as a perfected quality assurance in order to ensure reliable process application. The present dissertation deals with the scientific analysis of the thermal staking processes hot forming staking and hot air staking. The investigations focus on the systematic analysis of the relationships between the procedure itself, the mechanical properties and the resulting failure behavior of the riveted joint. The results show that high mechanical properties can be achieved for both thermal staking processes by having an optimized process control. The most dominant factor revealed to be the bond quality of the rivet head to the rivet pin, which is directly related to the heating and forming behavior of the rivet pin. In addition, the processing properties and the achievable joint quality depend on the material which is used.

Bei einem entwickelten Verfahren zur mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) aus Elektrofahrzeugen fallen zwei, hauptsächlich aus den Elektrodenbestandteilen bestehenden, Feinfraktionen (FF) an. Typischerweise erfolgt eine Rückgewinnung der enthaltenen Wertstoffe Co, Ni und Cu derzeit über eine kombinierte pyro- und hydrometallurgische Aufbereitung. Dabei dient der pyrometallurgische Schritt der Abtrennung von Stoffen, welche bei der hydrometallurgischen Aufbereitung störend wirken. Durch eine mechanische Aufbereitung der FF wurde alternativ zu dem pyrometallurgischen Schritt versucht, die in der FF enthaltenen Wertstoffe anzureichern sowie ebenfalls die Störstoffe für eine hydrometallurgische Aufbereitung abzutrennen. Dazu wurden verschiedene trockene Sortierprozesse herangezogen und auf ihre Eignung hin untersucht. Mit Hilfe der Ergebnisse wurde ein Verfahrensfließbild für die Aufbereitung der FF entworfen und testweise durchlaufen. Zusätzlich zu den Sortierversuchen wurden eine Materialcharakterisierung durchgeführt, die Aufschlussverhältnisse (visuelle Einschätzung, Bestimmung Aufschlussgrad) sowie die Aufschlusszerkleinerung der FF untersucht. Als Aufgabegut diente eine Co-, Ni-, Mn- haltige FF, welche nach der 1. Zerkleinerung und Klassierung im entworfenen Verfahrensfließbild zur Aufbereitung der LIBs aus Elektrofahrzeugen gewonnen wurde. Zur Anreicherung der Wertstoffe Co, Ni innerhalb des Aktivmaterials (AM) und Cu sowie zur Reduzierung der Störstoffgehalte von Al und Kohlenstoff in bestimmten Produkten haben sich die Siebklassierung, die Magnetscheidung, die Gegenstromsortierung sowie als nasser Dichtesortierprozess die Schwimm-Sink-Sortierung als geeignet herausgestellt. Als resultierendes technologisches Aufbereitungsverfahren haben sich aus den Ergebnissen eine Siebklassierung bei x = 200 µm und x = 800 µm mit einer nachgeschalteten Magnetscheidung oder Gegenstromsortierung für die Klasse 0,2…0,8 mm ergeben, woraus 4 Produkte resultieren. Beim testweisen Durchlaufen des resultierenden Verfahrensfließbildes hat sich zudem herausgestellt, dass in Abhängigkeit von der FF bzw. deren Kenngrößen auf die Magnetscheidung bzw. Gegenstromsortierung verzichtet werden kann. Insgesamt wird zur Aufwands- und Kostenminimierung eine Vereinheitlichung der aufzubereitenden FF empfohlen. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens (inklusive Pyro- und Hydrometallurgie) wird stark durch die dynamische Entwicklung der Batterietechnologie, insbesondere der enthaltenen erlösbringenden Komponente Kobalt, und des Marktes (Verkaufsraten und Lebensdauer der LIBs) beeinflusst. Die notwendige kontinuierliche Anpassung des bestehenden Verfahrensfließbildes aufgrund der schnellen Weiterentwicklung chemischer LIB-Regime ist zudem nicht vermeidbar. Generelle Unterschiede in den FF (chemische Zusammensetzung, PGV) können auf verschiedene LIB-Typen (unterschiedliche AMs), deren Vorgeschichte (Alterungszustand, Lagerung, …) sowie die Zerkleinerungsbedingungen zurückgeführt werden. Mit Hilfe einer Bilanzierung wurden die Gehalte des gesamten AM in den FF zwischen c = 33,2 ± 3,4 Ma.-% und c = 54,9 ± 5,7 Ma.-% ermittelt. Mit Hilfe der untersuchten Methoden wurde in keinem Produkt der maximale Anreicherungsfaktor für die AMs erreicht, so dass lediglich eine Voranreicherung bezüglich dieser (und auch der anderen Komponenten) erzielt wurde. Betrachtungen zu den Verbindungs- und Aufschlussverhältnissen in der FF führten zu dem Ergebnis, dass sowohl die Anodenbeschichtung noch mit der Kupferfolie als auch die Kathodenbeschichtung mit der Aluminiumfolie im Verbund vorliegen können. Bezüglich der AMs wird ein Aufschluss im Partikelgrößenbereich größer der Primär- und Sekundärpartikelgröße (> 1 bis 20 µm) ausgeschlossen. Es konnte ein maximaler Aufschlussgrad von A = 37,9 % für eine der untersuchten Feinfraktionen bestimmt werden. Zur Zerkleinerung der Partikel in der Feinfraktion eignen sich eine Zerkleinerung in der einer Fliehkraftmühle bzw. mittels Ultraschallbeanspruchung.

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Zusammenhänge zwischen der molekularen Architektur, Morphologie und den mechanischen bzw. bruchmechanischen Eigenschaften in S-SB-S-Triblockcopolymeren und deren Blends und in PI-PS-Multipfropfcopolymeren herauszuarbeiten und damit einerseits einen Beitrag für das Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Block- und Pfropfcopolymeren zu leisten und andererseits Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Materialien aufzuzeigen, welche besondere Eigenschaftskombinationen aufweisen und damit ein bedeutendes Interesse für industrielle Anwendungen hervorrufen. Für die Untersuchungen wurde dabei der PS-Außenblockanteil und das S/B-Verhältnis im SB-Mittelblock in S-SB-S-Triblockcopolymeren, die Thermoplast/Thermoplastisches Elastomer (TP/TPE) -Zusammensetzung in S-SB-S-Triblockcopolymer-Blends sowie die Funktionalität und die Anzahl der Verknüpfungspunkte in PI-PS-Multipfropfcopolymeren variiert. Zur Charakterisierung der Phasenmischbarkeit und der Morphologie wurden die dynamisch mechanische Analyse (DMA), die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) angewandt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit dem einachsigen Zugversuch untersucht. Bruchmechanische Untersuchungen erfolgten unter Anwendung der „Essential Work of Fracture“- (EWF-) Methode, welche als Konzept der „Post-Yield“-Bruchmechanik innerhalb der Fließbruchmechanik für duktile nanostrukturierte polymere Materialien sehr gut anwendbar ist und Aussagen zur Bruchzähigkeit der Materialien liefert. Zur näheren Charakterisierung des zeitaufgelösten Deformationsverhaltens sowie der Rissausbreitungskinetik wurden die Dehnungsfeldanalyse, eine Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie das Risswiderstandskurven-Konzept angewandt. Die Untersuchungen der S-SB-S-Triblockcopolymersysteme und der PI-PS-Multipfropfcopolymere konnten den signifikanten Einfluss der molekularen Architektur, der Blockzusammensetzung und des PS-Gehaltes auf das Phasenverhalten, die Morphologie und die Eigenschaften klar herausstellen. Durch die Variation dieser Parameter kann das Eigenschaftsspektrum von thermoplastisch zu elastomer eingestellt und somit sowohl TPs oder TPEs mit hoher Steifigkeit und Zähigkeit als auch TPEs mit superelastischem Charakter erzeugt werden. Daraus eröffnet sich ein breiter Anwendungsbereich dieser Materialien, welche aufgrund ihrer Transparenz und physiologischen Verträglichkeit auch interessante optische und gesundheitliche Vorteile mitbringen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die systematische Variation der Architektur die gezielte Einstellung gewünschter Eigenschaftsprofile möglich ist. Die Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung anwendungsorientierter Materialkonzepte, welche ingenieurwissenschaftlich interessant sind. / The aim of this thesis was to study the relation between molecular architecture, morphology and (fracture) mechanical properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. Hence, this work should contribute to the understanding of structure-property-relationship in block and multigraft copolymers and thus offer possibilities for the development of novel materials with special properties interesting for industrial application. Within this study in the case of S-SB-S triblock copolymers the PS outer block content and the S/B ratio of the middle block, in the case of S-SB-S triblock copolymer blends the thermoplast/thermoplastic elastomer (TP/TPE) composition and in case of PI-PS multigraft copolymers the functionality and number of branch points were varied. For the characterisation of morphology and phase miscibility dynamic mechanical analysis (DMA), transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS) were applied. Uniaxial tensile tests were carried out to investigate the mechanical properties. The fracture mechanical behaviour was studied using essential work of fracture (EWF) concept based on the post yield fracture mechanic principles, which is suitable to characterise fracture toughness of ductile nanostructured materials. The time resolved analysis of deformation and fracture behaviour was characterised qualitatively by strain field analysis, scanning electron microscopy (SEM) of the fractured surfaces and quantitatively by evaluation of the crack propagation kinetics and construction of R-curves. This study clearly highlights the significant influence of molecular architecture block composition and PS content on the phase behaviour, morphology and properties of S-SB-S triblock copolymers and PI-PS multigraft copolymers. By varying these parameters the property profile can be adjusted diversifying from thermoplastic to elastomeric and both TP or TPE materials with high stiffness and toughness and TPEs with super-elastic characteristics can be designed. Hence, fundamentally it offers a broad scope of application of these materials, in which physiological compatibility and transparency are added advantages. Thus, conceptually it could be shown, that by systematic variation of the architecture desired property profiles can be adjusted. Therefore the present work contributes to the development of application-oriented material concepts, which are interesting in engineering terms.

Polypropylene (PP) is a common thermoplastic and frequently adapted permanently with increasing requirements by adding fillers as well as reinforcing materials. Because of incompatibility of non-polar PP and polar inorganic filler, resulting composites are brittle which has a detrimental effect on the desired properties. Improvements in mechanical properties can be reached by compatibilization, creating of chemical couplings between phases and by increasing of inhomogeneity. Thus, maleic anhydride grafted PP is used as well as reactive processing of PP in presence of peroxide radical initiators. The temperature dependence of peroxide decay as well as the dependence of radical generation rate on time are two disadvantages of peroxide induced reactive processing. Modification of polymers with high energy electron treatment is also well known and used to form parts (after) molding as well as raw materials (pellets, powders, fibers) in solid state and at room temperature. The spatially and temporally precise input of energy is used to produce desired material properties on radical-induced chemical reactions. Coupling of high energy electron modification of polymers and melt mixing offers a new possibility of reactive processing. In this case, radical generation is independent of temperature, can be easily controlled by beam current and kept constant over time. Absence of any crystallinity, high reaction rates as well as intensive macromolecular mobility and intensive mixing are reasons to expect novel structures and properties. Electron beam induced reactive processing is a novel technique where chemical reactions are induced by spatial and temporal precise energy input via high energy electrons under dynamic conditions of melt mixing. This method gives the possibility to increase surface energy of polypropylene (PP) effectively as well as to generate chemical couplings between filler and PP. The process was applied to a proved system consisting of PP (38 wt%), magnesium hydroxide (MH) (60 wt%), triallyl cyanurate (TAC) (2 wt%). This composite system was successful tested in peroxide induced conventional reactive processing. Absorbed dose imparted per rotation of rotors is a new parameter controlling mechanical properties of polymer composites. Improved properties were found in tensile strength (150 %), elongation at break (175 %), and impact strength (175 %). It can be shown that chemical couplings are generated during electron induced reactive processing in comparison to only compatibilized material.:1 Einleitung 6 2 Stand der Technik 8 2.1 Werkstoffeigenschaften von Polypropylen-Kompositen 8 2.1.1 Polypropylen 8 2.1.2 Füll- und Verstärkungsstoffe 10 2.1.3 Phasengrenze und Phasenmorphologie 12 2.1.3.1 Füllstoffmodifizierung 15 2.1.3.2 PP-Modifizierung 16 2.1.3.3 Mehrkomponentensysteme 17 2.1.3.4 Ansätze aus anderen Werkstoffsystemen 18 2.2 Reaktive Aufbereitung 19 2.3 Polymermodifizierung mit energiereichen Elektronen 22 2.3.1 Einordnung und Wechselwirkungsmechanismen 22 2.3.2 Einfluss von Polymerstruktur und G-Wert 25 2.3.3 Steuerparameter 26 2.3.3.1 Parameter der chemischen Umgebung 26 2.3.3.2 Parameter der Elektronenmodifizierung 28 2.3.4 Bestrahlung von Polypropylen 32 2.3.5 Bestrahlung von partikelgefüllten Thermoplastkompositen 33 2.3.6 Bestrahlung von Füll- und Verstärkungsstoffen 33 2.4 Zusammenfassung Stand Technik 34 3 Zielstellung 37 4 Aufgabenstellung 39 5 Experimentelles 40 5.1 Anlagentechnik 40 5.1.1 Stationäre Behandlung 40 5.1.2 Elektronen induzierte reaktive Aufbereitung 41 5.1.2.1 Aufbau u. Funktionsweise 41 5.1.2.2 Parameter der Elektronen induzierten reaktiven Aufbereitung 42 5.1.2.3 Dosimetrie 44 5.2 Probenherstellung 45 5.2.1 Materialien 45 5.2.2 Aufbereitung 45 5.2.3 Prüfkörperherstellung 46 5.3 Modifizierungsparameter 47 5.4 Vorgehensweise 49 5.5 Analytische Methoden 51 5.5.1 Zugversuch 51 5.5.2 Schlagbiegeversuch (nach Charpy) 52 5.5.3 Größenausschlusschromatographie (SEC) 54 5.5.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 55 5.5.5 Laserbeugungsspektrometrie 57 5.5.6 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 58 5.5.7 Fourier-Transmissions-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) 58 5.5.8 Dynamische Kontaktwinkelmessung 59 5.5.9 Schmelzerheologische Untersuchungen von Polymerschmelzen 60 5.5.9.1 Ungefüllte Polymerschmelzen 62 5.5.9.2 Partikelgefüllte Polymerschmelzen 63 6 Ergebnisse 68 6.1 Mechanische Kompositeigenschaften 68 6.2 Matrixpolymersysteme PP und PPTAC 69 6.3 Partikelgröße und -verteilung 75 6.4 Kompatibilität 77 6.5 Phasenkopplung 82 6.6 Inhomogenität 86 6.7 Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften 87 6.7.1 Dosis 88 6.7.2 Elektronenenergie 90 6.7.3 Bestrahlungsdauer 91 6.7.4 Aufbereitungszeit 93 6.7.5 Dosisleistung im Modifizierungsvolumen 96 7 Zusammenfassung 98 8 Ausblick 100 9 Anhang 104 10 Literaturverzeichnis 112 11 Abkürzungsverzeichnis 115

Hoch manganhaltige Eisenbasislegierungen sind bei Raumtemperatur austenitisch und antiferromagnetisch (afm). Dabei besteht die Besonderheit, dass sich durch Legierung die afm Übergangstemperatur (Néeltemperatur) so einstellen lässt, dass sie nahe Raumtemperatur liegt. FeMn-Basislegierungen zeigen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung Transformation Induced Plasticity (TRIP) und/oder Twinning Induced Plasticity (TWIP), d.h. die niedrige Stapelfehlerenergie dieser Legierungen führt zu verformungsinduzierter, metastabiler Phasenbildung (TRIP) bzw. zur Bildung von Verformungszwillingen (TWIP) und dadurch zu außerordentlich hoher Duktilität bei gleichzeitig hoher Verfestigung. Darüber hinaus haben FeMn-Basislegierungen einen ausgeprägten Magnetovolumeneffekt und magnetoelastischen Effekt durch magnetische Ordnung. Daher sind die untersuchten FeMnNiCr-Basislegierungen auch prototypisch für afm Élinvarlegierungen. Da Élinvar jedoch für invariable Elastizität steht, bedingt eine Anwendung als temperaturkompensierte Konstantmodullegierungen die Glättung der ausgeprägten magnetischen Anomalien, die industriell noch in keiner Anwendung realisiert wurde. Der Vorteil dies für eine Anwendung zu erreichen, läge in der Unempfindlichkeit feinmechanischer Bauelemente, gegenüber magnetischen Feldern, die bei den industriell verfügbaren ferromagnetischen Élinvarlegierungen nicht gewährleistet ist. Mit Bezug zu feinmechanischen Schwingsystemen spielen dabei neben der Einstellung der magnetoelastischen Eigenschaften die Prozessierbarkeit, Kaltumformbarkeit und Festigkeit sowie deren wechselseitige Beeinflussung eine große Rolle. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Anwendbarkeit der untersuchten FeMnNiCr-Legierungen. Dabei wurden grundlegende Untersuchungen zur Plastizität durchgeführt, die die mechanische Zwillingsbildung in diesen Legierungen charakterisiert und ein Modell der mechanischen Zwillingsbildung bei kleinen plastischen Dehnungen vorschlägt, das eine Abschätzung der Stapelfehlerenergie erlaubt. Die Untersuchung des Antiferromagnetismus umgeformter Proben zeigt das Auftreten thermoremanenter Magnetisierung (TRM), deren Größe mit dem Umformgrad der untersuchten Proben skaliert. Sie wird den durch Umformdefekte erzeugten unkompensierten Momenten in der afm Spinstruktur zugeschrieben. Diese werden durch eine magnetische Feldkühlung magnetisiert und koppeln durch Austauschwechselwirkung an die umgebende antiferromagnetische Matrix unterhalb der Néeltemperatur. Das komplexe thermomagnetische Verhalten der unkompensierten Momente wird experimentell beschrieben und phänomenologisch gedeutet. Die Weiterentwicklung und Bewertung technischer, ausscheidbarer FeMnNiCrBe- und FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen wird mit Bezug zu den grundlegenden Untersuchungen dargestellt. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten ausscheidbaren FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen eine vielversprechende Ausgangsbasis darstellen, afm Élinvarlegierungen technisch umzusetzen. / High manganese iron-base alloys are austenitic and antiferromagnetic (afm) at room temperature. By further alloying it is possible to tune the afm transition temperature (Néel temperature) near room temperature. FeMn-base alloys show extraordinary strain hardening as well as ductility because of Transformation Induced Plasticity (TRIP) and/or Twinning Induced Plasticty (TWIP), i.e. in dependence on composition the generally low stacking fault energy in these alloys allows for the mechanically induced formation of metastable phases (TRIP) or deformation twinning (TWIP). Furthermore, magnetic order causes distinct magnetovolume and magnetoelastic effects in these afm FeMn-base alloys. The investigated FeMnNiCr-base alloys are therefore prototypic for afm Élinvar alloys. However, as Élinvar is meant for invariant elasticity, an application as temperature compensated alloy with constant elastic modulus requires the smoothing of the pronounced magnetic anomalies, that is not industrially available yet. The advantage of afm Élinvar alloys in precision mechanics applications, would be their impassiveness with respect to magnetic fields that is not achievable by their ferromagnetic counterparts. For precision components like mechanic oscillators not only the tuning of the magnetoelastic properties but also the processing, cold formability and mechanical properties as well as their interplay have strong influence. Therefore this work addresses the applicability of the studied FeMnNiCr alloys. Elementary investigations on plasticity characterise the occurrence of TWIP in these alloys and propose a modell for deformation twinning at low plastic strains that allows for an estimation of the stacking fault energy. The investigations on the antiferromagnetism of deformed samples show the appearance of thermoremanent magnetisation (TRM). Its magnitude scales with the degree of deformation. The TRM is therefore attributed to uncompensated moments in the afm spin structure due to deformation induced defects. These are magnetised by a magnetic field cooling and couple to the afm matrix by exchange interaction below the Néel temperature. The complex thermomagnetic behaviour of the uncompensated moments is experimentally described and phenomenologically explained. The further development and assessment of engineering-grade pecipitable FeMnNiCrBe and FeMnNiCr(Ti, Al) alloys is presented in relation to the aforementioned elementary investigations. It is shown that the newly developped precipitable FeMnNiCr(Ti, Al) alloys are good candidates for afm Élinvar alloys in application.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

In experimental acute respiratory distress syndrome (ARDS), random variation of tidal volumes (VT ) during volume controlled ventilation improves gas exchange and respiratory system mechanics (so-called stochastic resonance hypothesis). It is unknown whether those positive effects may be further enhanced by periodic VT fluctuation at distinct frequencies, also known as deterministic frequency resonance.We hypothesized that the positive effects of variable ventilation on lung functionmay be further amplified by periodic VT fluctuation at specific frequencies. In anesthetized and mechanically ventilated pigs, severe ARDS was induced by saline lung lavage and injurious VT (double-hit model). Animals were then randomly assigned to 6 h of protective ventilation with one of four VT patterns: (1) random variation of VT (WN); (2) P04, main VT frequency of 0.13Hz; (3) P10, main VT frequency of 0.05Hz; (4) VCV, conventional non-variable volume controlled ventilation. In groups with variable VT , the coefficient of variation was identical (30%). We assessed lung mechanics and gas exchange, and determined lung histology and inflammation. Compared to VCV, WN, P04, and P10 resulted in lower respiratory system elastance (63 ± 13 cm H2O/L vs. 50 ± 14 cm H2O/L, 48.4 ± 21 cm H2O/L, and 45.1 ± 5.9 cm H2O/L respectively, P < 0.05 all), but only P10 improved PaO2/FIO2 after 6 h of ventilation (318 ± 96 vs. 445 ± 110mm Hg, P < 0.05). Cycle-by-cycle analysis of lung mechanics suggested intertidal recruitment/de-recruitment in P10. Lung histologic damage and inflammation did not differ among groups. In this experimental model of severe ARDS, periodic VT fluctuation at a frequency of 0.05Hz improved oxygenation during variable ventilation, suggesting that deterministic resonance adds further benefit to variable ventilation.