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.

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Das Ziel der Arbeit „The Technological improvement of Portuguese pinewood by chemical modification” bestand darin, die Charakteristiken des Holzes der See-Kiefer (Pinus pinaster Ait.) und den Einfluss der chemischen Modifizierung hinsichtlich des Widerstandes gegen Meeresorganismen, sowie ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Vier Modifizierungstypen wurden getestet: 1,3-Dimethylol-4,5-dihydroxyethylen-Harnstoff (DMDHEU), N-Methylol-Melamine (MMF), Tetra-alkoxysilane (TEOS) und Wachs. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen: eine vorläufige und eine Haupt-Studie. In ersterer wurde eine Vielzahl von Materialeigenschaften untersucht - physikalische und mechanische Eigenschaften und ihre Wechselwirkungen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Resistenz gegenüber Meeresorganismen gelegt, wobei die Rolle der Härte, der Form der Proben sowie der Toxizität der Chemikalien untersucht wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine ausführliche Studie zum Thema Kriechen durchgeführt. Art und Grad der Modifizierung wurden in Abhängigkeit von der Belastung, von verschiedenen Umgebungsbedingungen und vom mechano-sorptiven Effekt evaluiert. Obwohl die Steifigkeit nicht signifikant verschieden war, traten Unterschiede in den anderen Eigenschaften auf. Einerseits waren die Anti-Quellungs-Effizienz und Steifigkeit-Stabilisierung erhöht. Andererseits waren die Bruchschlagarbeit und die Gleichgewichtsfeuchte signifikant durch Zellwand-Modifizierung (DMDHEU und MMF-Harz) reduziert, wobei eine enge Wechselbeziehung zwischen letzteren Variablen beobachtet wurde. Unter hohem Belastungsgrad oder unter dem Einfluss des mechano-sorptiven Effekts war für das modifizierte Holz mit Zellwandreaktion (DMDHEU and MMF) das Ausmaß des Kriechens geringer als das des unmodifiziertem Holzes. Für beide Arten von Harz wurde das relative Kriechen deutlich verringert, trotz unterschiedlicher Veränderungen in der Ausgleichsfeuchte, Steifigkeit Stabilisierung und Festigkeit. Die Anti-Kriech-Effizienz zeigte eine enge Korrelation mit der Abnahme der Gleichgewichtsfeuchte, der Anti-Quell-Effizienz und der Steifigkeits-Stabilisationseffizienz. Die lumen-füllende Modifizierung mit TEOS-Lösung hatte weder einen Einfluss auf den Kriech-Faktor noch auf die Gleichgewichtsfeuchte und die Steifigkeits-Stabilisationseffizienz. Bei den Meerwasseruntersuchungen waren die wichtigsten Schlussfolgerungen, dass die Härte und die Form der Proben keinen Einfluss auf die Resistenz gegenüber einem Befall durch die Meerwasser-Bohrschädlinge (Limnoriden und Terediniden) haben. Lumen-füllende Modifizierungen (TEOS und Wachs) hatten keine Wirkung hinsichtlich der Resistenz gegen Meerwasser-Bohrschädlinge. Hölzer, die mit Kondensationsharzen (DMDHEU und MMF) modifiziert waren, waren von einem Befall mit Limnoriden nicht betroffen. Aber nur DMDHEU mit einem Minimum an Modifizierung war geeignet, um einen Befall durch Terediniden über eine Expositionsdauer von 3 Jahren zu verhindern. Die Verwendung von modifiziertem Holz als Baumaterial für nicht-tragende Bauteile wie Anwendungen in Feuchträumen, Wandfassaden oder Gartenmöbeln ist bekannt. Diese Untersuchung unterstützt die Ausweitung seiner Anwendung für tragende Bauteile, besonders wenn das Design durch die Möglichkeit von Deformation bestimmt wird, die seine Funktionsfähigkeit einschränkt. Deshalb müssen das Versprödungsverhalten, insbesondere bei der Zellwand-Modifizierung mit DMDHEU, und die Designmöglichkeiten für mechanische Verbindungen bestimmt werden, um die Anwendungsmöglichkeiten des modifizierten Holzes als tragende Komponente auszuweiten, bei denen oft der Grenzzustand der Tragfähigkeit das Design der strukturellen Komponenten bestimmt.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.

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.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mechanischen Untersuchung des menschlichen Fersenfettpolsters (FP) in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht. Das menschliche FP stellt evolutionsgeschichtlich eine Anpassung an den aufrechten Gang dar. Durch Aufrichtung des Oberkörpers im Zweibeingang kam es zur Ganglinienverlängerung in Richtung Ferse und folglich zu einer Mehrbelastung des Rückfußes. Sie prägten die Funktion des FP, die Kräfte beim Aufsetzen der Ferse zu reduzieren. Das FP, das ein spezielles Unterhautfettgewebe ist und sich aus straffem und lockerem Bindegewebe zusammensetzt, kann die Kräfte durch Verteilen und Absorbieren vermindern. Bekannt ist, dass sich das mechanische Verhalten der Haut zwischen Mann und Frau unterscheidet. Da das FP ein Bestandteil der Haut ist, stellt sich als ein Schwerpunkt dieser Arbeit die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Mann und Frau? Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist Altern ein natürlicher Mechanismus, der die Lebenskraft des Organismus durch Zellalterung und –tod reduziert. Aus evolutionärer Sicht wurde zugelassen, dass sich bestimmte Zellen bzw. Gewebe, welche hohen endogenen und exogenen Faktoren ausgesetzt sind, vollständig aber begrenzt regenerieren dürfen. Es wird als primäres Altern gekennzeichnet. Das primäre Altern kann positiv oder negativ durch äußere Einwirkungen auf den Organismus („Sekundäres Altern“) beeinflusst werden. Bindegewebe, welches hohen exogenen Faktoren ausgesetzt ist, sind insbesondere Schnittstellen zwischen „Biologischem System“ und „Umwelt“ (z.B. beim Menschen das Gewebe der Hautinnenfläche oder der Fußsohle). Es wird erwartet, dass das FP dem Alterungsprozess stark unterworfen ist, da es alltäglich mechanisch beansprucht wird. Folglich kann es zu einem mechanischen Funktionsverlust des FP kommen, das sich negativ auf die Belastbarkeit des Rückfußes auswirken kann. Die Entwicklung von altersbedingten Verschleißerkrankungen kann nicht ausgeschlossen werden. Als ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit stellt sich die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Jung und Alt? Es gibt hinsichtlich der Thematik dieser Dissertation wenige Untersuchungen. Die Autoren kommen zum Teil zu unterschiedlichen Ergebnissen und Schlussfolgerungen, dass möglicherweise auf die unterschiedlich verwendete Methodik zurückzuführen ist. Die Vor- und Nachteile der bisher durchgeführten Experimente machen es schwierig, Stellungnahme zu beziehen, welche der Tests die zuverlässigsten Ergebnisse liefern. Seit den letzten 10-15 Jahren wurde immer häufiger Ultraschall als zusätzliche Informationsquelle in mechanischen Messplätzen integriert, um innere Kenndaten zum mechanischen Verhalten des FP abzuleiten. Allerdings waren die quasi-statischen Messungen und die geringen Kontaktkräfte der limitierende Faktor um das mechanische Verhalten valide zu charakterisieren. Mit einem eigens entwickelten Messplatz sollte dieser methodische Ansatz überholt werden. Der instrumentierte Belastungsschlitten ermöglicht die Aufnahme von dynamischen Ultraschallbildsequenzen unter mindestens 10-fach höheren Kontaktkräften bei fast doppelter Fersenkontaktgeschwindigkeit gegenüber den bisher bekannten Ultraschallexperimenten in der Literatur. Mögliche geschlechts- und altersspezifische Unterschiede im mechanischen Verhalten des FP sind grundlegend für die Orthopädie-Technik, die klinische Forschung und die Biogerontologie. Die Orthopädie-Technik benötigt insbesondere die Erkenntnisse zum mechanischen Verhalten der Haut an unterschiedlichen Stellen der unteren Extremität in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht, um den Tragekomfort und die Bewegungseffizienz von Prothesen und Orthesen zu bessern. In der klinischen Forschung zeigt sich das Interesse an den altersspezifischen mechanischen Kenndaten, um im Zusammenhang zu klinischen Parametern die Entwicklung von orthopädischen Erkrankungen zu erforschen. Für die Biogerontologie wäre diese Art von Forschung relevant, um Zusammenhänge zu histologischen Parametern zu überprüfen, die direkt am Alterungsprozess des Bindegewebes beteiligt sind. Sie könnten zur Entschlüsselung des Mechanismus „Altern“ beitragen.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gefügebildung dünnwandig erstarrter Eisenlegierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im experimentellen Teil wurden Stahlgusslegierungen unter Variation ihrer Zusammensetzung erschmolzen und in Quarzsandformen vergossen. Das erhaltene Probenmaterial wurde im Gusszustand sowie nach optional angewendeten Wärmebehandlungen untersucht. Die Abhängigkeiten zwischen chemischer Zusammensetzung, Gefügeausbildung und mechanischen Eigenschaften wurden quantitativ dargelegt. Der Modellierungsteil enthält die Ergebnisse der Simulation des Gieß- und Erstarrungsprozesses eines ausgewählten Stahlgusswerkstoffs. Zur Durchführung der Simulation kamen kommerziell verfügbare Softwarepakete zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit experimentell ermittelten Daten verglichen und die Adäquatheit der Simulation beurteilt. Die Anwendbarkeit der genutzten Simulationsmethoden auf den Bereich dünnwandiger Stahlgussteile wurde aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Keimbildung 2.2 Unterkühlung 2.3 Erstarrungsmorphologie 2.4 Gießfehler 2.5 Erkenntnisstand und Defekte 3 Aufgabenstellung und ihre Präzisierung 4 Kleintechnische Versuche zur Herstellung dünnwandiger Stahlgussteile 4.1 Genutzte Anlagen und Untersuchungsmethoden 4.2 Auswahl der Versuchslegierungen 4.3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen 4.3.1 Duplexstahl 4.3.2 Ferritisch-bainitischer TRIP-Stahl 4.3.3 Bainitischer luftvergüteter Stahl 5 Modellierung des Erstarrungsprozesses 5.1 Simulationsmethoden 5.2 Formfüllsimulation 5.3 Erstarrungssimulation 5.4 Bewertung der Simulationsergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8 Tabellen 9 Bilder Anhang

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.