The interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development is key for the formation of tissues and organs with distinct shapes and functions. An important step during the formation of many tissues is the formation of compartment boundaries which separate cells of different fates and functions. Compartment boundaries are lineage restrictions that are characterized by a straight morphology. Biochemical signaling across compartment boundaries induce the expression of morphogens in the cells along the boundaries. These morphogens then act at long-range to direct growth and patterning of the whole tissue. Compartment boundaries stabilize the position of morphogens and thereby contribute to proper tissue development. The straight morphology of compartment boundaries is challenged by cell rearrangements caused by cell division and tissue reshaping. Physical mechanisms are therefore required to maintain the straight morphology of compartment boundaries. The anteroposterior (A/P) compartment boundary in the developing Drosophila melanogaster wing is established by biochemical signals. Furthermore, mechanical processes are required to maintain the straight shape of the A/P boundary. Recent studies show that mechanical tension mediated by actomyosin motor proteins is increased along the A/P boundary. However, it was not understood how biochemical signals interact with mechanical processes to maintain the A/P boundary. Here I provide the first evidence that Hedgehog signaling regulates mechanical tension along the A/P boundary. I was able to show that differences in Hedgehog (Hh) signal transduction activity between the anterior and posterior compartments are necessary and sufficient to maintain the straight shape of the A/P boundary, which is crucial for patterning and growth of the adult wing. Moreover, differences in Hh signal transduction activity are necessary and sufficient for the increase in mechanical tension along the A/P boundary. In addition, differences in Hh signal transduction activity are sufficient to generate smooth borders and to increase mechanical tension along ectopic interfaces. Furthermore, the differential expression of the transmembrane protein Capricious is sufficient to increase mechanical tension along ectopic interfaces. It was previously suggested that mechanical tension is generated by an actomyosin-cable through which the increase in mechanical tension is transmitted between the junctions along the A/P boundary. Here I show that mechanical tension is generated locally at each cell bond and not transmitted between junctions by an actomyosin cable. My results provide new insights for our understanding of the interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development.

Epithelial folding is an important morphogenetic process that is essential in transforming simple sheets of cells into complex three-dimensional tissues and organs during animal development (Davidson, 2012). Epithelial folding has been shown to rely on constriction forces generated by the apical actomyosin network (Martin et al., 2009; Roh-Johnson et al., 2012; Sawyer et al., 2010). However, the contributions of mechanical forces acting along lateral and basal cell surfaces to epithelial folding remain poorly understood. Here we combine live imaging with force measurements of epithelial mechanics to analyze the formation of two epithelial folds in the Drosophila larval wing imaginal disc. We show that these two neighboring folds form via two distinct mechanisms. These two folds are driven either by decrease of basal tension or increase of lateral tension, none of them depends on apical constriction. In the first fold, a local decrease in extracellular matrix (ECM) density in prefold cells results in a reduction of mechanical tension on the basal cell surface, leading to basal expansion and fold formation. Consistent with that, a local reduction of ECM by overexpression of Matrix metalloproteinase II is sufficient to induce ectopic folding. In the second fold a different mechanism is at place. Here basal tension is not different with neighboring cells, but pulsed dynamic F-actin accumulations along the lateral interface of prefold cells lead to increased lateral tension, which drives cell shortening along the apical-basal axis and fold formation. In this thesis I described two distinct mechanisms driving epithelial folding, both basal decrease and lateral increase in tension can generate similar morphological changes and promote epithelial folding in the Drosophila wing discs. / Die Faltung von Epithelien ist ein wichtiger morphogenetischer Prozess, der die Entstehung komplexer, dreidimensionaler Gewebe und Organe aus einfachen Zellschichten ermöglicht (Davidson, 2012). Es ist bekannt, dass Kräfte erzeugt durch das apikale Aktomyosin-Netzwerk wichtig sind für die erfolgreiche Faltung von Epithelien (Martin et al., 2009; Roh-Johnson et al., 2012; Sawyer et al., 2010). Die Rolle von mechanischen Kräften, die entlang der lateralen und basalen Seite wirken, ist jedoch kaum verstanden. Wir verbinden Lebendmikroskopie mit der Messung von mechanischen Eigenschaften, um die Entstehung von 2 Epithelfalten in den Imaginalscheiben von Drosophila zu verstehen. Wir können dadurch zeigen, dass die beiden Falten durch unterschiedliche Mechanismen entstehen. Sie entstehen entweder durch eine Verringerung der Spannung auf der basalen Seite oder durch eine Erhöhung der Spannung auf der lateralen Seite, aber keine von beiden entsteht durch zusammenziehende Kräfte auf der apikalen Seite. Die erste Falte entsteht durch eine lokale Verringerung der extrazellulären Matrix in den Vorläuferzellen, was zu einer Reduktion der Spannung auf der basalen Seite und zur Ausbildung der Falte führt. Die zweite Falte wird durch einen anderen Mechanismus ausgebildet. Hier ist nicht die Spannung auf der basalen Seite reduziert sondern dynamische Anreicherungen von F-Aktin auf der lateralen Seite resultieren in einer erhöhten lateralen Spannung, die zu einer Verkürzung der Zellen und damit zur Ausbildung einer Falte führt. In meiner Arbeit zeige ich 2 neue Mechanismen zur Entstehung von Epithelfalten auf, durch Absenken der Spannung auf der basalen oder Erhöhen auf der lateralen Seite.

Experimentelle Untersuchungen und Modellierungen fotothermischer Meáverfahren Peter Meja Abstrakt In der Arbeit werden verschiedene fotothermische Meáverfahren, die lasergesttzte Meámethoden sind, vorgestellt. Am Anfang steht ein philosophisch geprgtes Vorwort ber die begrenzte Anwendbarkeit von physikalischen Modellen. Im ersten Kapitel wird der internationale Stand vorgestellt. Viele Gráen der Lasermeátechnik sind in internationalen Normen oder Normenentwrfen standardisiert, wobei auf diese kurz eingegangen und einige Unzulnglichkeiten andiskutiert werden. Die Wirkungsweise und der internationale Forschungsstand der fotothermischen Meáverfahren und der Theorie der Thermoelastizitt schlieáen sich an. Nach der Formulierung der Aufgabenstellung im zweiten Kapitel folgt im nchsten Kapitel die Beschreibung der zum Teil bereits bestehenden und zum Teil neu errichteten Meápltze. Insbesondere werden dort ausfhrlich mgliche Meáfehler analysiert. Das vierte Kapitel behandelt verschiedene Modelle der Laserkalorimetrie. Als erstes wird das Modell der Laserkalorimetrie vorgestellt, auf welchen Voraussetzungen die standardisierten Auswertemethoden beruhen. Dabei wurde herausgearbeitet, daá die Pulsmethode auf einem Nherungsverfahren beruht und daá dabei groáe Abweichungen fr lngere Bestrahlzeiten auftreten. Eine Korrektur wurde hierfr angegeben. Als Ergebnis wurde festgestellt, daá die bestehende Laserkalorimetrie von einer unendlich groáen Temperaturleitfhigkeit ausging und somit starke Abweichungen bei der Bestimmung des Absorptionsgrades fr groáe Proben und Proben mit geringer Temperaturleitfhigkeit auftreten. Daraufhin wurde ein Modell aufgestellt, um den Einfluá der Temperatur bei verschiedenen Anfangs- und Umgebungsbedingungen zu diskutieren, wobei die erhaltenen Parameterabhngigkeiten erlutert wurden. Eingehend wurde die Temperaturleitung in einer adiabatisch isolierten Probe untersucht, wobei der Bezug zu einer neuen mglichen Auswertung hergestellt wurde. Die Kapitel 5 und 6 behandeln die Lsung der thermoelastischen Gleichungen im ein- und zweidimensionalen Fall. Zur Lsung von thermoelastischen Wellen im Nahfeld wurde die LISA-Methode verwendet und die Gleichungen hergeleitet. Bei der Laserabsorptionssimulation in verschiedenen Festkrpern wurden beachtenswerte Verschiebungs-, Spannungs- und Temperaturfelder erhalten, die erstmalig in dieser Komplexitt bildlich dargestellt wurden. Auáerdem ermglicht es die Behandlung des zeitabhngigen Laserpulses und der Eindringtiefe, die vor allem bei Laseranregung auftritt, sowie einer rumlichen inhomogenen Anregung, die in der Arbeit nicht ausgefhrt wurde. Im siebenten Kapitel werden einige Empfindlichkeitsmessungen mit dem gechopperten fotothermischen Verfahren dargestellt. Dabei wurden Umwelteinflsse wie die Meátemperatur und die Luftfeuchtigkeit untersucht. Im Kapitel 8 werden verschiedene fotothermische Meáverfahren vorgestellt, die auf der Bestrahlung mittels eines Pulslasers beruhen. Alle Verfahren wurden neu aufgebaut. Es wurden einzelne Experimente dargestellt werden, die als Prfung des fotothermischen Effektes beim Meásignal dienten, z.B. die Messung der Probenaufwlbung oder die Detektion der lokalen Oszillation des Transmissionsgrades mittels des kombinierten fotothermischen Verfahrens in Transmission. An dieses Kapitel schlieáen sich die fotoakustische Messungen an und ein Vergleich mit der Theorie thermoelastischer Wellen zeigte eine gute bereinstimmung. In einer Meáreihe wurden z.B. die fotoakustischen Spektren zeitaufgelst dargestellt und diskutiert. Diese Methode dient zur Bestimmung des optimalen Meábereichs. Im elften Kapitel wird der Einfluá der Temperaturleitfhigkeit der Probe auf den Absorptionsgrad dargestellt. Hierbei wird ein lokaler Wrmeverlustkoeffizient eingefhrt, der sehr bedeutsam fr die Beschreibung der experimentellen Temperaturverhlnisse ist. Damit lát sich auch der Gltigkeitsbereich fr die Auswertemethoden abschtzen.

The interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development is key for the formation of tissues and organs with distinct shapes and functions. An important step during the formation of many tissues is the formation of compartment boundaries which separate cells of different fates and functions. Compartment boundaries are lineage restrictions that are characterized by a straight morphology. Biochemical signaling across compartment boundaries induce the expression of morphogens in the cells along the boundaries. These morphogens then act at long-range to direct growth and patterning of the whole tissue. Compartment boundaries stabilize the position of morphogens and thereby contribute to proper tissue development. The straight morphology of compartment boundaries is challenged by cell rearrangements caused by cell division and tissue reshaping. Physical mechanisms are therefore required to maintain the straight morphology of compartment boundaries. The anteroposterior (A/P) compartment boundary in the developing Drosophila melanogaster wing is established by biochemical signals. Furthermore, mechanical processes are required to maintain the straight shape of the A/P boundary. Recent studies show that mechanical tension mediated by actomyosin motor proteins is increased along the A/P boundary. However, it was not understood how biochemical signals interact with mechanical processes to maintain the A/P boundary. Here I provide the first evidence that Hedgehog signaling regulates mechanical tension along the A/P boundary. I was able to show that differences in Hedgehog (Hh) signal transduction activity between the anterior and posterior compartments are necessary and sufficient to maintain the straight shape of the A/P boundary, which is crucial for patterning and growth of the adult wing. Moreover, differences in Hh signal transduction activity are necessary and sufficient for the increase in mechanical tension along the A/P boundary. In addition, differences in Hh signal transduction activity are sufficient to generate smooth borders and to increase mechanical tension along ectopic interfaces. Furthermore, the differential expression of the transmembrane protein Capricious is sufficient to increase mechanical tension along ectopic interfaces. It was previously suggested that mechanical tension is generated by an actomyosin-cable through which the increase in mechanical tension is transmitted between the junctions along the A/P boundary. Here I show that mechanical tension is generated locally at each cell bond and not transmitted between junctions by an actomyosin cable. My results provide new insights for our understanding of the interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development.

Epithelial folding is an important morphogenetic process that is essential in transforming simple sheets of cells into complex three-dimensional tissues and organs during animal development (Davidson, 2012). Epithelial folding has been shown to rely on constriction forces generated by the apical actomyosin network (Martin et al., 2009; Roh-Johnson et al., 2012; Sawyer et al., 2010). However, the contributions of mechanical forces acting along lateral and basal cell surfaces to epithelial folding remain poorly understood. Here we combine live imaging with force measurements of epithelial mechanics to analyze the formation of two epithelial folds in the Drosophila larval wing imaginal disc. We show that these two neighboring folds form via two distinct mechanisms. These two folds are driven either by decrease of basal tension or increase of lateral tension, none of them depends on apical constriction. In the first fold, a local decrease in extracellular matrix (ECM) density in prefold cells results in a reduction of mechanical tension on the basal cell surface, leading to basal expansion and fold formation. Consistent with that, a local reduction of ECM by overexpression of Matrix metalloproteinase II is sufficient to induce ectopic folding. In the second fold a different mechanism is at place. Here basal tension is not different with neighboring cells, but pulsed dynamic F-actin accumulations along the lateral interface of prefold cells lead to increased lateral tension, which drives cell shortening along the apical-basal axis and fold formation. In this thesis I described two distinct mechanisms driving epithelial folding, both basal decrease and lateral increase in tension can generate similar morphological changes and promote epithelial folding in the Drosophila wing discs. / Die Faltung von Epithelien ist ein wichtiger morphogenetischer Prozess, der die Entstehung komplexer, dreidimensionaler Gewebe und Organe aus einfachen Zellschichten ermöglicht (Davidson, 2012). Es ist bekannt, dass Kräfte erzeugt durch das apikale Aktomyosin-Netzwerk wichtig sind für die erfolgreiche Faltung von Epithelien (Martin et al., 2009; Roh-Johnson et al., 2012; Sawyer et al., 2010). Die Rolle von mechanischen Kräften, die entlang der lateralen und basalen Seite wirken, ist jedoch kaum verstanden. Wir verbinden Lebendmikroskopie mit der Messung von mechanischen Eigenschaften, um die Entstehung von 2 Epithelfalten in den Imaginalscheiben von Drosophila zu verstehen. Wir können dadurch zeigen, dass die beiden Falten durch unterschiedliche Mechanismen entstehen. Sie entstehen entweder durch eine Verringerung der Spannung auf der basalen Seite oder durch eine Erhöhung der Spannung auf der lateralen Seite, aber keine von beiden entsteht durch zusammenziehende Kräfte auf der apikalen Seite. Die erste Falte entsteht durch eine lokale Verringerung der extrazellulären Matrix in den Vorläuferzellen, was zu einer Reduktion der Spannung auf der basalen Seite und zur Ausbildung der Falte führt. Die zweite Falte wird durch einen anderen Mechanismus ausgebildet. Hier ist nicht die Spannung auf der basalen Seite reduziert sondern dynamische Anreicherungen von F-Aktin auf der lateralen Seite resultieren in einer erhöhten lateralen Spannung, die zu einer Verkürzung der Zellen und damit zur Ausbildung einer Falte führt. In meiner Arbeit zeige ich 2 neue Mechanismen zur Entstehung von Epithelfalten auf, durch Absenken der Spannung auf der basalen oder Erhöhen auf der lateralen Seite.

Experimentelle Untersuchungen und Modellierungen fotothermischer Meáverfahren Peter Meja Abstrakt In der Arbeit werden verschiedene fotothermische Meáverfahren, die lasergesttzte Meámethoden sind, vorgestellt. Am Anfang steht ein philosophisch geprgtes Vorwort ber die begrenzte Anwendbarkeit von physikalischen Modellen. Im ersten Kapitel wird der internationale Stand vorgestellt. Viele Gráen der Lasermeátechnik sind in internationalen Normen oder Normenentwrfen standardisiert, wobei auf diese kurz eingegangen und einige Unzulnglichkeiten andiskutiert werden. Die Wirkungsweise und der internationale Forschungsstand der fotothermischen Meáverfahren und der Theorie der Thermoelastizitt schlieáen sich an. Nach der Formulierung der Aufgabenstellung im zweiten Kapitel folgt im nchsten Kapitel die Beschreibung der zum Teil bereits bestehenden und zum Teil neu errichteten Meápltze. Insbesondere werden dort ausfhrlich mgliche Meáfehler analysiert. Das vierte Kapitel behandelt verschiedene Modelle der Laserkalorimetrie. Als erstes wird das Modell der Laserkalorimetrie vorgestellt, auf welchen Voraussetzungen die standardisierten Auswertemethoden beruhen. Dabei wurde herausgearbeitet, daá die Pulsmethode auf einem Nherungsverfahren beruht und daá dabei groáe Abweichungen fr lngere Bestrahlzeiten auftreten. Eine Korrektur wurde hierfr angegeben. Als Ergebnis wurde festgestellt, daá die bestehende Laserkalorimetrie von einer unendlich groáen Temperaturleitfhigkeit ausging und somit starke Abweichungen bei der Bestimmung des Absorptionsgrades fr groáe Proben und Proben mit geringer Temperaturleitfhigkeit auftreten. Daraufhin wurde ein Modell aufgestellt, um den Einfluá der Temperatur bei verschiedenen Anfangs- und Umgebungsbedingungen zu diskutieren, wobei die erhaltenen Parameterabhngigkeiten erlutert wurden. Eingehend wurde die Temperaturleitung in einer adiabatisch isolierten Probe untersucht, wobei der Bezug zu einer neuen mglichen Auswertung hergestellt wurde. Die Kapitel 5 und 6 behandeln die Lsung der thermoelastischen Gleichungen im ein- und zweidimensionalen Fall. Zur Lsung von thermoelastischen Wellen im Nahfeld wurde die LISA-Methode verwendet und die Gleichungen hergeleitet. Bei der Laserabsorptionssimulation in verschiedenen Festkrpern wurden beachtenswerte Verschiebungs-, Spannungs- und Temperaturfelder erhalten, die erstmalig in dieser Komplexitt bildlich dargestellt wurden. Auáerdem ermglicht es die Behandlung des zeitabhngigen Laserpulses und der Eindringtiefe, die vor allem bei Laseranregung auftritt, sowie einer rumlichen inhomogenen Anregung, die in der Arbeit nicht ausgefhrt wurde. Im siebenten Kapitel werden einige Empfindlichkeitsmessungen mit dem gechopperten fotothermischen Verfahren dargestellt. Dabei wurden Umwelteinflsse wie die Meátemperatur und die Luftfeuchtigkeit untersucht. Im Kapitel 8 werden verschiedene fotothermische Meáverfahren vorgestellt, die auf der Bestrahlung mittels eines Pulslasers beruhen. Alle Verfahren wurden neu aufgebaut. Es wurden einzelne Experimente dargestellt werden, die als Prfung des fotothermischen Effektes beim Meásignal dienten, z.B. die Messung der Probenaufwlbung oder die Detektion der lokalen Oszillation des Transmissionsgrades mittels des kombinierten fotothermischen Verfahrens in Transmission. An dieses Kapitel schlieáen sich die fotoakustische Messungen an und ein Vergleich mit der Theorie thermoelastischer Wellen zeigte eine gute bereinstimmung. In einer Meáreihe wurden z.B. die fotoakustischen Spektren zeitaufgelst dargestellt und diskutiert. Diese Methode dient zur Bestimmung des optimalen Meábereichs. Im elften Kapitel wird der Einfluá der Temperaturleitfhigkeit der Probe auf den Absorptionsgrad dargestellt. Hierbei wird ein lokaler Wrmeverlustkoeffizient eingefhrt, der sehr bedeutsam fr die Beschreibung der experimentellen Temperaturverhlnisse ist. Damit lát sich auch der Gltigkeitsbereich fr die Auswertemethoden abschtzen.

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.

Schraubenverbindungen sind eine technische Lösung um Stromschienen aus Aluminium mechanisch und elektrisch zu verbinden. Als stationäre Verbindungen sollen sie für eine Zeit von 30 Jahren und mehr den Betriebsstrom übertragen ohne dabei die genormten, zulässigen Grenztemperaturen zu überschreiten. Die Grundvoraussetzung für eine langzeitstabile, stromführende Verbindung ist ein geringer Anfangswert des Verbindungswiderstands nach der Montage. Dieser ist abhängig von der Kontaktkraft und kann für jede Kombination aus Fügeelementen, Werkstoffen und Topografie der Leiteroberflächen an der konstruierten Verbindung experimentell bestimmt werden. Allgemeingültige Modellrechnungen zum elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen waren bisher nicht möglich. In dieser Arbeit wurde durch numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen eine Korrelation zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen hergestellt. Es wurde die inhomogene mechanische Spannungsverteilung auf der Kontaktfläche zwischen den Stromschienen bestimmt und damit ein Modell zum Berechnen des elektrischen Kontakt- und Verbindungswiderstands mit der Berücksichtigung des tatsächlich stromdurchflossenen Leitermaterials aufgestellt. Der Verbindungswiderstand kann sich, abhängig von der Temperatur und Zeit, durch verschiedene Alterungsmechanismen erhöhen. Das Altern durch den Abbau der Kontaktkraft wurde an Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen aus verschiedenen Aluminiumwerkstoffen untersucht. Es wurde die Kontaktkraft und der Verbindungswiderstand über einen Zeitraum von bis zu vier Jahren bei Temperaturen zwischen (80 … 160) °C bestimmt. Diese Untersuchungen wurden für ein System mit und ein System ohne federnde Fügeelemente durchgeführt, sowie die Kontaktkraft für eine Betriebszeit von 30 Jahren berechnet. Im Vergleich mit der experimentell bestimmten Mindestkontaktkraft und dem Werkstoffverhalten wurde eine Prognose zur Langzeitstabilität der stromführenden Verbindungen für eine konstante Belastung im Betrieb gegeben. Weiterhin wurden mit dem zeit und temperaturabhängigen Verhalten der Aluminiumwerkstoffe zulässige Grenz-temperaturen ermittelt, bei denen keine Entfestigung während der Betriebszeit auftritt. Für Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen wird eine identische, dauerhaft zulässige Grenztemperatur von 115 °C in der Norm angegeben [N1]. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der metallischen Überzüge, sowie die Reaktivität mit der Umgebung sind aber sehr unterschiedlich. An stromführenden und stromlos im Wärmeschrank bei 115 °C und 140 °C gelagerten Verbindungen wurde der Verbindungs-widerstand bis zu einer Zeit nach t = 25.000 h bestimmt. Es wurde das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei beschichteten Stromschienen, sowie einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene aus Aluminium untersucht und bewertet. Abhängig vom Schichtaufbau des metallischen Überzugs mit verschiedenen Zwischenschichten und Schichtdicken wurde der Einfluss der Interdiffusion mit der Bildung intermetallischer Phasen (IMP) auf das Langzeitverhalten der Verbindungen untersucht.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / A bolted joint is one technical possibility for mechanically and electrically connecting two busbars made of aluminium. This stationary connection shall carry the operating current for more than 30 years without exceeding the permissible limiting temperature given by international standards. For long-term stable, current-carrying connections a good electrical contact behaviour with a low initial value of the joint resistance is required after bolting. The joint resistance depends on contact force and can be measured at the constructed electrical joint for each combination of joining elements, conductor materials and pretreatment of conductor surfaces. General calculations for the electrical contact behaviour of current-carrying joints with flat contact surfaces, such as bolted joints with busbars, were not possible until now. In this thesis numerical calculations and experimental investigations were used to establish the relationship between mechanical and electrical contact behaviour of a bolted joint with busbars. In the first step, the inhomogeneous distribution of the mechanical stress was calculated on the contact area between two busbars. In the second step, a calculation model for the joint resistance and the contact resistance was created and verified by experiments. The joint resistance can increase by different ageing mechanisms depending on operating temperature and time. Ageing by the reduction of contact force was investigated on bolted joints with uncoated busbars made of various aluminium alloys. In long-term tests, these joints were loaded with temperatures between 80 °C and 160 °C. The contact forces and joint resistances were determined for up to four years of operation. Bolted joints with spring elements and without spring elements were investigated. Based on the results of these long-term tests, the contact force was calculated for up to 30 years of operation and compared with the experimentally determined minimum contact force of the joint. Together with the temperature and time dependent behaviour of the conductor materials, the long-term stability of the joints was evaluated for the case of constant thermal load during operation. Furthermore, permissible limiting temperatures at which no softening occurs during operation could be determined for various aluminium alloys. An identical limiting temperature of 115 °C is permanently permitted for bolted joints with nickel-coated and silver-coated busbars [N1] but the mechanical and electrical properties of the materials for these metallic coatings are very different. The chemical reactivity of both coatings also differs according to the environment. In long-term tests at current-carrying joints and joints which were aged in ovens at temperatures of (115 and 140) °C, the joint resistances were determined up to an operating time of t = 25.000 hours. Bolted joints with two identical coated busbars and also bolted joints with one coated and one bare busbar made of aluminium were investigated and evaluated. The influence of metallic coatings with different intermediate layers and layer thicknesses on the contact and long-term behaviour of the joints were examined. Due to interdiffusion between different materials, intermetallic compounds (IMC) can be formed. The ageing of bolted joints with coated busbars caused by the formation of IMC with poor electrical and mechanical properties compared to pure metals was investigated.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

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.