Since many years, carbon nanotubes (CNTs) have been considered for a wide range of applications due to their outstanding mechanical properties. CNTs are tubular structures, showing a graphene like hexagonal lattice. Our interest in the calculation of the mechanical properties is motivated by several applications which demand the knowledge of the material behavior. One application in which the knowledge of the material behavior is vital is the CNT based fiber. Due to the excellent stiffness and strength of the individual CNTs, these fibers are expected to be a promising successor for state of the art carbon fibers. However, the mechanical properties of the fibers fall back behind the properties of individual CNTs. It is assumed that this gap in the properties is a result of the van-der-Waals interactions of the individual CNTs within the fiber. In order to understand the mechanical behavior of the fibers we apply a molecular mechanics approach. The mechanical properties of the individual CNTs are investigated by using a modified structural molecular mechanics approach. This is done by calculating the properties of a truss-beam element framework representing the CNT with the help of a chemical force field. Furthermore, we also investigate the interactions of CNTs arranged in basic CNT assemblies, mimicking the ones in a simple CNT fiber. We consider the van-der-Waals interactions in the structure and calculate the potential surface of the CNT assemblies.

Traumatic rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) can cause local destabilization and loss of mobility. Reconstruction using engineered ACL grafts is rarely successful due to sub-optimal material choice and mechanical performance. Thus, the presented work demonstrates the fabrication of various embroidered single- and bi-component scaffolds made of two commercially available monofilament threads (polydioxanone, poly(lactic acid-co-ɛ- caprolactone)) as well as a novel melt spun poly(L-lactic acid) multifilament and their mechanical analysis by tensile tests and under cyclic loading. Selected scaffolds, adjusted by material composition and textile parameters, revealed a load–strain behavior comparable to native lapin ACL tissue exhibiting a sufficient amount of elastic deformation within the toe-region of 1.7%, scaffold stiffness of 123 N/mm and adequate maximum tensile load (300 N) and strain (20%). Therefore, the design of resorbable embroidered bi-component scaffolds represents a promising approach to replace artificial non-resorbable ligament grafts and allows for innovative tissue engineering strategies.

Carbon fiber (CF) must be protected from thermal oxidation for high temperature application because of its low thermo-oxidative stability above 450°C in air. CF is now increasingly being used as a reinforcing material in the construction industry. A thermal and oxidation resistant coating is necessary for CF-reinforced concrete (CFRC) composites in order to satisfy a high level of safety standard in the case of fire. New types of pre-ceramic coatings, such as Tyranno® polymer (Si–Ti based pre-ceramic) and SiO₂ sol–gel, have been deposited on CF filament yarn by means of a wet chemical continuous dip coating method. The results of surface analyses, e.g. scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and infrared spectroscopy, showed the changes in topographical properties of CF caused by the coatings. Thermogravimetric analysis proved that the high temperature (up to 800°C) oxidation stability of CF was considerably improved due to the coatings. Tensile test results indicated that the strength of CF yarn at 20°C was increased by up to 80% with the coatings. Thermo-mechanical properties were also enhanced up to 600°C. CF yarn retains its original strength and elasticity modulus, i.e. the stiffness at 700°C, with a Tyranno® polymer coating.

The field of articular cartilage tissue engineering has developed rapidly, and chitosan has become a promising material for scaffold fabrication. For this paper, wet-spun biocompatible chitosan filament yarns were converted into short flock fibers and subsequently electrostatically flocked onto a chitosan substrate, resulting in a pure, highly open, porous, and biodegradable chitosan scaffold. Analyzing the wet-spinning of chitosan revealed its advantages and disadvantages with respect to the fabrication of the fiber-based chitosan scaffolds. The scaffolds were prepared using varying processing parameters and were analyzed in regards to their geometrical and mechanical properties. It was found that the pore sizes were adjustable between 65 and 310 µm, and the compressive strength was in the range 13–57 kPa.

To prevent the renewed rupture of ligaments and tendons prior to the completed healing process, which frequently occurs in treated ruptured tendons, a temporary support structure is envisaged. The limitations of current grafts have motivated the investigation of tissue-engineered ligament replacements based on the braiding technology. This technology offers a wide range of flexibility and adjustable geometrical and structural parameters. The presented work demonstrates the possible range for tailoring the mechanical properties of polyester braids and a variation of the braiding process parameters. A finite element simulation model of the braiding process was developed, which allows the optimization of production parameters without the performance of further experimental trials. In a second modelling and simulation step, mechanical properties of the braided structures were virtually determined and compared with actual tests. The digital element approach was used for the yarns in the numerical model. The results show very good agreement for the process model in terms of braiding angles and good agreement for the structural model in terms of force-strain behaviour. With a few adaptions, the models can, thus, be applied to actual ligament replacements made of resorbable polymers.

Die Verstärkung von Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen kann durch die Integration von Hartphasenpartikeln in die Matrix erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung der Komposite ist abhängig davon, wie die Verstärkungsphase die einwirkenden Kräfte aufnehmen kann und zudem von den Auswirkungen der Verstärkungsphase auf das Werkstoffgefüge. Die Verfestigung wird zurückgeführt auf Versetzungsmultiplikation, Matrixpartitionierung und Orowan-Verstärkungseffekte. Die Festigkeit steigt durch Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungsphase sowie durch die Reduktion der Größe der Verstärkungsphase. Darüber hinaus kann die Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen durch eine Gefügemodifikation verbunden mit einer Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase erreicht werden. Die Festigkeitssteigerung kann auch durch die Schaffung harmonischer Strukturen, d.h. durch ein bimodales Gefüge, erfolgen. Dieses wird erzeugt durch kontrolliertes Mahlen der partikelförmigen Precursor-Phase, die dann aus grobkörnigen Kerngebieten bestehen, eingebettet in eine kontinuierliche feinkörnige Matrix. In dieser Arbeit werden Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis durch Hochenergiemahlen und anschließender Konsolidierung durch Heißpressen hergestellt. Ausgehend von der in-situ Herstellung intermetallischer Verstärkungsphasen in Al-Mg-Verbundwerkstoffen werden außerdem in-situ Gefügemodifikationen in Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffen betrachtet. Al-Fe3Al-Verbundwerkstoffe mit harmonischer Struktur konnten dabei erfolgreich hergestellt werden. Anschließend wurde der Einfluss der mikrostrukturellen Veränderungen auf die mechanischen Eigenschaften analysiert. Al-Mg-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden aus den Pulvergemischen von elementarem Aluminium und Magnesium durch druckunterstütztes reaktives Sintern hergestellt. Das Ziel ist es, den Einfluss des anfänglichen Volumenanteils von Magnesium auf die mikrostrukturellen Veränderungen und die Entstehung der in-situ intermetallischen Verstärkungsphase zu analysieren. Zudem wird der Einfluss der Reaktion zwischen Aluminium und Magnesium und die damit verbundene Bildung der intermetallischen Phasen β-Al3Mg2 und γ-Al12Mg17 auf die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersucht. Die Bildung der intermetallischen Phasen verbraucht zunehmend Aluminium und Magnesium und bewirkt eine Verfestigung der Verbundwerkstoffe: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit steigen mit zunehmendem Gehalt an intermetallischer Verstärkungsphase auf Kosten der plastischen Verformung. In der nächsten Phase wird im Al-Fe3Al-System die Wirksamkeit der Reaktion zwischen Matrix und Verstärkungsphase als festigkeitssteigernde Maßnahme zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden transformierte und nicht-transformierte Verbundwerkstoffe durch Heißpressen bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellt. Phasenanalyse und mikrostrukturelle Charakterisierung der transformierten Verbundwerkstoffe zeigten die Bildung der intermetallischen Phasen Al5Fe2 und Al13Fe4, die als Verstärkungsphase mantelförmig um die die Fe3Al-Phase angeordnet sind. Die Al-Matrix wird dabei mit steigendem Anteil an Verstärkungsphase zunehmend verbraucht. Um die durch die Al-Fe3Al-Reaktion induzierte Phasenfolge zu analysieren, wurden Verbundwerkstoffe, bestehend aus Al-Matrix und einem einzigen mm-großen Fe3Al-Partikel durch Heißpressen bei 823, 873 und 903 K synthetisiert. Die Gefüge- und Phasenanalyse deuten darauf hin, dass die In-situ-Phasenumwandlung durch atomare Diffusion von Aluminium in Fe3Al erfolgt und die Bildung von in-situ intermetallischen Phasen (Al5Fe2 und Al13Fe4) ausschließlich innerhalb der ursprünglichen Fe3Al-Partikel stattfindet. Die Phasenumwandlung beim Heißpressen führt zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung: Die Streckgrenze und die Druckfestigkeit erhöhen sich von 70-360 MPa und 200-500 MPa für die nicht umgewandelten Verbundwerkstoffe auf 400-1800 MPa und 550-1800 MPa für die umgewandelten Materialien. Damit verbunden ist jedoch auch eine verringerte plastische Verformbarkeit in den umgewandelten Kompositen. Die Streckgrenze von transformierten und nicht transformierten Verbundwerkstoffen folgt dem Iso-Stress-Modell, wenn die charakteristischen strukturellen Merkmale (d.h. Verstärkungsphasen und Matrix) berücksichtigt werden. Schließlich wird das Konzept der harmonischen Strukturen für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erweitert, indem die Wirksamkeit solcher bimodaler Gefüge als Verstärkungsmethode für Verbundwerkstoffe aus einer reinen Al-Matrix verstärkt mit Fe3Al-Partikeln betrachtet wird. Ziel der Studie ist es, die Gefügeveränderungen zu untersuchen, die durch das Hochenergiemahlen der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen induziert werden. Weiterhin soll der Einfluss des so veränderten Gefüges auf das mechanische Verhalten der durch Heißpressen synthetisierten Verbundproben charakterisiert werden. Die beabsichtigte Kornfeinung beschränkt sich auf die Oberfläche der Partikel, wo die Fe3Al-Phase während der Kugelmahlung der Al-Fe3Al-Verbundpulvermischungen nach und nach fragmentiert wird. In den bei der anschließenden Pulverkonsolidierung erzeugten harmonisierten Kompositen wird die feinkörnige Oberfläche zur kontinuierlichen feinkörnigen Matrix, die Makroregionen mit grobkörnigen Verstärkungspartikeln umschließt. Die Erzeugung der bimodalen Gefüge hat einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe, die die des konventionellen Materials um den Faktor 2 übertrifft, ohne die plastische Verformbarkeit zu beeinträchtigen. Zudem zeigt die Modellierung der mechanischen Eigenschaften, dass die Festigkeit der harmonischen Verbundwerkstoffe genau beschrieben werden kann, indem sowohl der Volumenanteil der Verstärkungsphase als auch die charakteristischen Gefügemerkmale der harmonischen Struktur berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Pulvermetallurgie (d.h. Hochenergiemahlen mit anschließendem Heißpressen) erfolgreich eingesetzt werden kann, um hochfeste Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis mit intermetallischer Verstärkungsphase herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Phasenumwandlung und durch die Anordnung von Verstärkungsphasen hervorgerufene Gefügeveränderungen die Festigkeit der Verbundwerkstoffe signifikant erhöht werden kann. Die Festigkeit und Verformbarkeit der so erzeugten Komposite hängt vom Volumenanteil und der Anordnung der Verstärkungsphase sowie der Grenzflächenreaktion zwischen den Ausgangskomponenten ab. / The strengthening of aluminum matrix composites can be achieved by incorporating hard phase particles in the matrix. The strengthening of the composites depends on the ability of the reinforcement to bear the load and on the microstructural changes induced by the reinforcement addition. The microstructural strengthening is mainly associated with dislocation multiplication, matrix partitioning and Orowan strengthening effects. The strength increases by increasing the reinforcement volume fraction as well as by reducing the size of the reinforcing particles. Additionally, strengthening of composites can be achieved by microstructural modifications through the proper reaction between matrix and reinforcement. Strengthening can also be efficiently attained by the creation of harmonic structures: bimodal microstructures generated by controlled milling of the particulate precursors, which consist of coarse-grained cores embedded in a continuous fine-grained matrix. In this thesis, aluminum based composites are synthesized using ball milling followed by consolidation through hot pressing. Starting from the in-situ creation of intermetallic reinforcements in Al-Mg composites, the research proceeds towards the in-situ microstructural modification in Al-Fe3Al composites. Finally, Al-Fe3Al composites with harmonic structure are successfully produced. The consolidated composites are characterized to analyze the effect of the microstructural changes on the mechanical properties. Lightweight Al-Mg metal matrix composites are synthesized from elemental powder mixtures of aluminum and magnesium using pressure-assisted reactive sintering. The aim is to analyze the effect of the initial volume percent of magnesium on the microstructural modifications and development of the in-situ intermetallic reinforcements. The effect of the reaction between aluminum and magnesium on the mechanical properties of the composites due to the formation of β-Al3Mg2 and γ-Al12Mg17 intermetallics is also investigated. The formation of the intermetallic compounds progressively consumes aluminum and magnesium and induces strengthening of the composites: the yield and compressive strengths increase with increasing the content of intermetallic reinforcement at the expense of the plastic deformation. In the next stage, the effectiveness of the reaction between matrix and reinforcement as a strengthening method for further improving the mechanical performance composites is investigated for the Al-Fe3Al system. To achieve this aim, transformed and non-transformed composites are produced by hot pressing at different temperatures. Phase analysis and microstructural characterization of the transformed composites reveal the formation of a double-shell-reinforcement with Al5Fe2 and Al13Fe4 intermetallics surrounding the Fe3Al phase, while the Al matrix is progressively consumed with increasing the reinforcement content. In order to analyze the phase sequence induced by the Al-Fe3Al reaction, composites consisting of Al matrix and a single mm-sized Fe3Al particle were synthesized through hot pressing at 823, 873 and 903 K. The microstructural investigations and phase identifications suggest that in-situ phase transformation occurs through atomic diffusion of aluminum in Fe3Al and the formation of in-situ intermetallics (Al5Fe2 and Al13Fe4) takes place exclusively within the original Fe3Al particles. The phase transformation during hot pressing induces significant strengthening: the ranges of yield and compressive strengths increase from 70-360 MPa and 200-500 MPa for the non-transformed composites to 400-1800 MPa and 550-1800 MPa for the transformed materials. This occurs at the expense of the plastic deformation, which is generally reduced in the transformed composites. The yield strength of both transformed and non-transformed composites follows the iso-stress model when the characteristic structural features (i.e. strengthening phases and matrix) are taken into account. At the end, the concept of harmonic structures is extended to metal matrix composites by analyzing the effectiveness of such bimodal microstructures as a strengthening method for composites consisting of a pure Al matrix reinforced with Fe3Al particles. The purpose of the study is to examine the microstructural variations induced by ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures and how such variations influence the resulting microstructure and mechanical response of the bulk composite specimens synthesized by hot-pressing. Preferential microstructural refinement limited to the surface of the particles, where the Fe3Al phase is progressively fragmented, occurs during ball milling of the Al-Fe3Al composite powder mixtures. The refined surface becomes the continuous fine-grained matrix that encloses macro-regions with coarser reinforcing particles in the harmonic composites synthesized during subsequent powder consolidation. The generation of the bimodal microstructure has a significant influence on the strength of the harmonic composites, which exceeds that of the conventional material by a factor of 2 while retaining considerable plastic deformation. Finally, modeling of the mechanical properties indicates that the strength of the harmonic composites can be accurately described by taking into account both the volume fraction of reinforcement and the characteristic microstructural features describing the harmonic structure. The results of the current research work demonstrate that powder metallurgy (i.e. ball milling followed by hot consolidation) can be successfully used to produce high strength aluminum based composites reinforced by intermetallics. The findings indicate that phase transformation and reinforcement arrangement based microstructural modifications can significantly enhance the strength of the composites. The strength and deformability of the composites depends on the volume fraction and arrangement of the reinforcement along with the interfacial reaction between the initial components.

A balance between strength and ductility has been one of the most important considerations in the steel industry. Austenitic steel or multi-phase steel with retained austenite has plasticity-enhancing mechanisms, which can make it achieve high strength and good formability. Due to the occurrence of twinning-based mechanisms in high Mn steels, they have improved strength without sacrificing ductility. However, high Mn steels with extraordinary mechanical properties has not been used in mass production because of its high material cost together with welding problems and so on. As a consequence, many researchers have attempted to decrease the Mn concentration of high Mn twinning-induced plasticity steels without significant sacrifice of the mechanical properties. In the present work, a novel medium Mn steel with high C is designed with the aim of obtaining comparable mechanical properties as high Mn TWIP steel. In addition to Mn, C is also common effective austenite stabilizing element. C and Mn both increase the SFE of austenite. It should be possible to substitute at least some of the Mn in high Mn steels with C and still retain the TWIP effect. If the reduction in Mn content is not compensated for by the addition of other alloying elements, the microstructure will additionally contain some ferrite or martensite. The problem with C concentration is that it will result in the formation of carbide during the cooling process. As long as the carbide formation is suppressed, the formation of ferrite/martensite in medium Mn steels can be inhibited by an increase in the C concentration. In such cases, a soft and formable austenitic microstructure can be achieved by quenching from high austenitization temperatures to retain austenite with appropriate mechanical stability. The precipitation and dissolution of cementite in austenitic medium Mn high C steels capable of deformation-induced twinning were analyzed based on the associated length changes. Al addition was found to significantly retard the kinetics of cementite precipitation, indicating its usefulness in the design of cementite-free austenitic medium Mn steels with high C concentrations. Furthermore, Al addition changes the morphology of intragranular cementite from plate-shaped to equiaxed. The tensile properties of alloy were also examined in the present study. The present contribution discusses the mechanical properties of a bulk medium Mn high C steel with special alloying additions to oppose the precipitation of cementite. In particular, it aims to justify the mechanical properties based on crack nucleation and growth mechanisms. The reported mechanical properties enable a comparison with those of the well-known high Mn and Hadfield steels.

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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.