Die inhärenten elastomeren Eigenschaften von Gummiwerkstoffen sind im Vergleich zu Thermoplasten in vielen Spezialanwendungen vorteilhaft. Jedoch sind ihre schlechten Reibungs- und Verschleißeigenschaften ein wesentlicher Nachteil besonders bei tribologischen Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Reibung, Verschleiß und mechanische Eigenschaften von Gummiwerkstoffen, die Polytetrafluorethylen(PFTE)-Pulver enthalten, untersucht. Hauptziel war dabei die Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften bei weiterer Erhöhung der mechanischen Eigenschaften der Elastomere. Es ist bekannt, dass sich Reibungs- und Verschleißeigenschaften gummiähnlicher Materialien in vielfältiger Weise von den Reibungseigenschaften der meisten anderen Festkörper unterscheiden. Die Gründe dafür sind das viskoelastische Verhalten und der sehr geringe elastische Modul von Gummi. Die Verwendung von mit Elektronen modifizierten PTFE-Pulvern in Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) Kautschuken führt zu einer signifikanten Reduzierung der Reibung, Erhöhung der Verschleißfestigkeit und gleichzeitig zu verbesserten mechanischen Eigenschaften in Folge einer speziellen chemischen Kopplung zwischen dem modifiziertem PTFE-Pulver und dem EPDM. Gummirezeptur, Vernetzungsmethode und die viskoelastischen Materialeigenschaften beeinflussen wesentlich die tribologischen und mechanischen Eigenschaften. Morphologie, Dispersion und die chemische Kopplung des PTFE-Pulvers haben einen signifikanten Einfluss auf die Reibungs- und Verschleißverhalten. Die viskoelastischen Materialeigenschaften, d.h. Härte, E-Modul und tan delta (Verlustfaktor) der Gummimischungen sind kritische Parameter und erfordern deshalb eine Optimierung. In dieser Arbeit wurden zwei Modellsysteme untersucht, die auf zwei unterschiedlichen Kautschuktypen basieren: a) Ethylen-Propylene-Diene-Monomer (EPDM) Kautschuk und b) Polychloropren Kautschuk (CR). / The inherent elastomeric properties of rubber compounds in comparison to thermoplastics are advantageous in many special purpose applications. However, their characteristic poor friction and wear properties are of prime concern especially in tribological applications. In the present work, friction, wear and mechanical properties of rubber compounds based on PTFE powder have been investigated. The main aim was to improve the friction and wear properties while further enhancing the mechanical properties of rubber compounds. As known, friction and wear behaviour of rubber-like materials differ in many ways from the frictional properties of most other solids. The reason for this is the high viscoelasticity and very low elastic modulus of rubber. The use of electron-modified PTFE powder in EPDM results in significant improvement in reducing friction, enhancing wear resistance and simultaneously improving mechanical properties due to specific chemical coupling between modified PTFE powder and EPDM. The rubber formulation, crosslinking mode and bulk viscoelastic properties strongly influences friction, wear and mechanical properties. The morphology, dispersion, and specific chemical coupling of PTFE powder play a significant role on friction and wear behaviour. The bulk viscoelastic properties, i.e. hardness, modulus and tan delta (loss factor) of the compounds are critical parameters and therefore, requires optimization. In this work two model systems based on two different rubber matrixes i.e. Ethylene-Propylene-Diene-Monomer (EPDM) and Chloroprene (CR) rubber have been investigated.

Die Motivation zur Untersuchung ternärer und quaternären CuZr-Legierungen bestand in der Annahme, dass die Zugabe von Kobalt den Stabilitätsbereich von B2 CuZr bis zur Raumtemperatur erweitert und Aluminium einen signifikanten Effekt auf die Glasbildungsfähigkeit des CuZr-Systems hat. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) und Cu50-xCoxZr45Al5- (x = 2, 5, 10 und 20) Legierungen. Hierbei wurden die Phasenbildung, die thermische Stabilität, die Mikrostruktur, die Martensitbildung und die mechanischen Eigenschaften der Legierungen untersucht. Die Abhängigkeit der Phasenbildung von der Erstarrungsrate und der thermodynamischen Stabilität von Cu-Co-Zr-Legierungen zeigte, dass die Zugabe von Kobalt die Glasbildungsfähigkeit von Cu-Co-Zr-Legierungen absenkt und die stabilen kristallinen Produkte des Systems von Cu10Zr7 + CuZr2 zu (Cu,Co)Zr Phase mit einer B2 Struktur verändert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei den schmelzgesponnene Bänder mit wenigstens 5 Atom-% Co das Glas direkt in B2 (Cu,Co)Zr kristallisiert, während Massivproben mit Co-Gehalten zwischen 0 ≤ x < 5 die monokline (Cu,Co)Zr Phase und Cu10Zr7 sowie CuZr2 beinhalten, wobei für x ≥ 10 die B2 (Cu,Co)Zr Phase bei Raumtemperatur im Gleichgewicht ist. Des Weiteren werden mit steigendem Co-Gehalt die Martensitumwandlungstemperaturen zu niedrigeren Werten verschoben. Die Phasenbildung im ternären System wird im pseudo-binären (Cu,Co)Zr-Phasendiagramm zusammengefasst, welches die Entwicklung neuer Formgedächtnislegierungen sowie metallischer Glas-Komposite bei Zugabe des Glasbildungselementes Aluminium vereinfacht. In den Vierstofflegierungen erhöht Al die Glasübergangs- und Kristallisationstemperaturen und verbessert dadurch die Glasbildungsfähigkeit des Systems. Die röntgenographische Analyse zeigte, dass die Kristallisationsprodukte der schmelzgesponnenen Bänder variieren: von Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr zu (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr, wenn Co ≤ 5 und Co ≥ 10. Die Herstellung von Massivproben mit unterschiedlichen Durchmessern führte zu einem vollständig amorphen Gefüge, einem metallischen Glas-Komposit oder einem vollständig kristallinen Gefüge. Für Co ≤ 5 tritt neben (Cu,Co)Zr und AlCu2Zr ebenfalls Cu10Zr7 auf. Mittels Rasterelektronen (REM)- und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgte die Analyse des Einflusses von Al- und Co-Zugaben auf die Mikrostruktur von CuZr-Legierungen. Für die Cu-Co-Zr-Al-Legierungen sowie Cu30Co20Zr45Al5 (ø = 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 2 mm) wurden mikrostrukturelle Untersuchungen mittels TEM durchgeführt. Nachfolgend wurde die Heterogenität der Mikrostruktur in der Cu40Co10Zr45Al5 (ø = 2 mm) untersucht. Der Einfluss von Co auf die mechanischen Eigenschaften von rascherstarrten Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 und 20 Atom-%) Legierungen zeigt, dass das Verformungsverhalten der Stäbe unter Druckbeanspruchung stark von der Mikrostruktur der (Cu,Co)Zr Phase und somit von der Legierungszusammensetzung abhängt. Kobalt beeinflusst die Bruchfestigkeit der Gussproben. Weiterhin zeigen Proben mit martensitischem Gefüge eine Kaltverfestigung. Neben der Kaltverfestigung zeigen die Legierungen mit hohem Co-Gehalt eine verformungsinduzierte Martensitumwandlung und weisen zwei Streckgrenzen auf. Für die Vierstofflegierungen wurde der Einfluss der Kühlrate und der chemischen Zusammensetzung auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Für Cu48Co2Zr45Al5 (ø = 1.5, 2, 3 und 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 3 mm) wurde der Einfluss der Kühlrate und der Heterogenität diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Cu50-xCoxZr45Al5-Legierungen stark von der Makrostruktur und dem Volumenanteil der amorphen und kristallinen Phase abhängen. Die verformungsinduzierte Martensitumwandlung in Cu40Co10Zr50- und Cu40Co10Zr45Al5-Gussstäben wurde mittels hochenergetischer Röntgenstrahlung durchgeführt. Die In-situ- Druckversuche erfolgten weg- und kraftkontrolliert. Das makroskopische und mikroskopische Spannung-Dehnungs-Verhalten sowie die Phasenumwandlungskinetik wurden dabei betrachtet. Die relativen Veränderungen der vollständig integrierten Intensität der ausgewählten B2- und Martensitreflexe, die auf die Veränderungen der Volumenanteile der entsprechenden Phasen unter Verformung hinweisen, wurden als Phasenumwandlungsvolumen M/M+B2 beschrieben. / The fact that the presence of Co extends the stability range of B2 CuZr to room temperature, together with the significant effect of Al on improving the glass forming ability of the CuZr system was the motivation to investigate the ternary and quaternary CuZr alloys with the aim of synthesizing BMG composites containing B2 (Cu,Co)Zr crystals. This PhD thesis deals with preparation and characterization of Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) and Cu50-xCoxZr45Al5 (x = 2, 5, 10 and 20) alloys. The phase formation, thermal stability, microstructure, martensitic transformation and mechanical properties of these alloys were investigated. The dependence of phase formation on solidification rate and the thermodynamically stability of Cu-Co-Zr alloys reveals that the addition of Co decreases the glass forming ability (GFA) of the Cu-Co-Zr alloys and changes the stable crystalline products of the system from Cu10Zr7 + CuZr2 to (Cu,Co)Zr phase with a B2 structure. The results indicate that for the melt-spun ribbons with at least 5 % Co, the glass crystallizes directly into B2 (Cu,Co)Zr, while in the case of bulk specimens, compositions with 0 ≤ x < 5 of Co contain the monoclinic (Cu,Co)Zr phase and Cu10Zr7 and CuZr2, whereas, for x ≥ 10, the B2 (Cu,Co)Zr phase is the equilibrium phase at room temperature. Furthermore, increasing the cobalt content decreases the martensitic transformation temperatures to lower temperatures. The phase formation in the ternary system is summarized in a pseudo-binary (Cu,Co)Zr phase diagram, that helps for designing new shape memory alloys, as well as bulk metallic glass composites with the addition of glass former elements. In the quaternary alloys, Al increases the glass transition and crystallization temperatures and hence improves the GFA of the system. The X-ray analysis illustrates that for the melt-spun ribbons, the crystallization products vary from Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr to (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr when Co ≤ 5 and Co ≥ 10, respectively. Depending on the cooling rates, the bulk samples represent a fully amorphous structure or BMG composites or a fully crystalline structure. For Co ≤ 5, beside (Cu,Co)Zr and AlCu2Zr, Cu10Zr7 exists as well. Scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy investigations were done to investigate the effect of Al and Co addition to the microstructure of CuZr alloys. In the case of Cu-Co-Zr-Al alloys, Cu30Co20Zr45Al5 (ɸ = 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) compositions were selected for the microstructure verification using TEM. Later, the heterogeneity of the microstructure in Cu40Co10Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) alloy was considered. The effect of Co on the mechanical properties of rapidly solidified Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 and 20 at.%) alloys depict that the deformation behavior of the rods under compressive loading strongly depends on the microstructure, and as a results, on the alloy composition. Cobalt affects the fracture strength of the as-cast samples; and deformation is accompanied with two yield stresses for high Co-content alloys, which undergo deformation-induced martensitic transformation. Instead samples with a martensitic structure show a work-hardening behavior. For quaternary alloys, the effects of cooling rate and chemical composition on mechanical properties of the alloys were investigated. Cu48Co2Zr45Al5 (ɸ= 1.5, 2, 3 and 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 3 mm) compositions were selected to discuss the effect of cooling rate and heterogeneity, respectively. The results depict that the mechanical properties of Cu50-xCoxZr45Al5 alloys strongly depend on the microstructure and the volume fraction of the amorphous and crystalline phases. The deformation-induced martensitic transformation of Cu40Co10Zr50 and Cu40Co10Zr45Al5 as-cast rods, was studied by means of high-energy X-rays. The in situ compression measurements were performed in track control and load control modes. The macroscopic and microscopic stress-strain behavior, as well as the phase transformation kinetics were considered. The relative changes in the fully integrated intensity of the selected B2 and martensite peaks, which indicate the changes in volume fraction of the corresponding phases under deformation, was described as phase transformation volume, M/M+B2.

No description available.

Die Motivation zur Untersuchung ternärer und quaternären CuZr-Legierungen bestand in der Annahme, dass die Zugabe von Kobalt den Stabilitätsbereich von B2 CuZr bis zur Raumtemperatur erweitert und Aluminium einen signifikanten Effekt auf die Glasbildungsfähigkeit des CuZr-Systems hat. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) und Cu50-xCoxZr45Al5- (x = 2, 5, 10 und 20) Legierungen. Hierbei wurden die Phasenbildung, die thermische Stabilität, die Mikrostruktur, die Martensitbildung und die mechanischen Eigenschaften der Legierungen untersucht. Die Abhängigkeit der Phasenbildung von der Erstarrungsrate und der thermodynamischen Stabilität von Cu-Co-Zr-Legierungen zeigte, dass die Zugabe von Kobalt die Glasbildungsfähigkeit von Cu-Co-Zr-Legierungen absenkt und die stabilen kristallinen Produkte des Systems von Cu10Zr7 + CuZr2 zu (Cu,Co)Zr Phase mit einer B2 Struktur verändert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei den schmelzgesponnene Bänder mit wenigstens 5 Atom-% Co das Glas direkt in B2 (Cu,Co)Zr kristallisiert, während Massivproben mit Co-Gehalten zwischen 0 ≤ x < 5 die monokline (Cu,Co)Zr Phase und Cu10Zr7 sowie CuZr2 beinhalten, wobei für x ≥ 10 die B2 (Cu,Co)Zr Phase bei Raumtemperatur im Gleichgewicht ist. Des Weiteren werden mit steigendem Co-Gehalt die Martensitumwandlungstemperaturen zu niedrigeren Werten verschoben. Die Phasenbildung im ternären System wird im pseudo-binären (Cu,Co)Zr-Phasendiagramm zusammengefasst, welches die Entwicklung neuer Formgedächtnislegierungen sowie metallischer Glas-Komposite bei Zugabe des Glasbildungselementes Aluminium vereinfacht. In den Vierstofflegierungen erhöht Al die Glasübergangs- und Kristallisationstemperaturen und verbessert dadurch die Glasbildungsfähigkeit des Systems. Die röntgenographische Analyse zeigte, dass die Kristallisationsprodukte der schmelzgesponnenen Bänder variieren: von Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr zu (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr, wenn Co ≤ 5 und Co ≥ 10. Die Herstellung von Massivproben mit unterschiedlichen Durchmessern führte zu einem vollständig amorphen Gefüge, einem metallischen Glas-Komposit oder einem vollständig kristallinen Gefüge. Für Co ≤ 5 tritt neben (Cu,Co)Zr und AlCu2Zr ebenfalls Cu10Zr7 auf. Mittels Rasterelektronen (REM)- und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgte die Analyse des Einflusses von Al- und Co-Zugaben auf die Mikrostruktur von CuZr-Legierungen. Für die Cu-Co-Zr-Al-Legierungen sowie Cu30Co20Zr45Al5 (ø = 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 2 mm) wurden mikrostrukturelle Untersuchungen mittels TEM durchgeführt. Nachfolgend wurde die Heterogenität der Mikrostruktur in der Cu40Co10Zr45Al5 (ø = 2 mm) untersucht. Der Einfluss von Co auf die mechanischen Eigenschaften von rascherstarrten Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 und 20 Atom-%) Legierungen zeigt, dass das Verformungsverhalten der Stäbe unter Druckbeanspruchung stark von der Mikrostruktur der (Cu,Co)Zr Phase und somit von der Legierungszusammensetzung abhängt. Kobalt beeinflusst die Bruchfestigkeit der Gussproben. Weiterhin zeigen Proben mit martensitischem Gefüge eine Kaltverfestigung. Neben der Kaltverfestigung zeigen die Legierungen mit hohem Co-Gehalt eine verformungsinduzierte Martensitumwandlung und weisen zwei Streckgrenzen auf. Für die Vierstofflegierungen wurde der Einfluss der Kühlrate und der chemischen Zusammensetzung auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Für Cu48Co2Zr45Al5 (ø = 1.5, 2, 3 und 4 mm) und Cu45Co5Zr45Al5 (ø = 3 mm) wurde der Einfluss der Kühlrate und der Heterogenität diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Cu50-xCoxZr45Al5-Legierungen stark von der Makrostruktur und dem Volumenanteil der amorphen und kristallinen Phase abhängen. Die verformungsinduzierte Martensitumwandlung in Cu40Co10Zr50- und Cu40Co10Zr45Al5-Gussstäben wurde mittels hochenergetischer Röntgenstrahlung durchgeführt. Die In-situ- Druckversuche erfolgten weg- und kraftkontrolliert. Das makroskopische und mikroskopische Spannung-Dehnungs-Verhalten sowie die Phasenumwandlungskinetik wurden dabei betrachtet. Die relativen Veränderungen der vollständig integrierten Intensität der ausgewählten B2- und Martensitreflexe, die auf die Veränderungen der Volumenanteile der entsprechenden Phasen unter Verformung hinweisen, wurden als Phasenumwandlungsvolumen M/M+B2 beschrieben. / The fact that the presence of Co extends the stability range of B2 CuZr to room temperature, together with the significant effect of Al on improving the glass forming ability of the CuZr system was the motivation to investigate the ternary and quaternary CuZr alloys with the aim of synthesizing BMG composites containing B2 (Cu,Co)Zr crystals. This PhD thesis deals with preparation and characterization of Cu50-xCoxZr50 (0 ≤ x ≤ 20) and Cu50-xCoxZr45Al5 (x = 2, 5, 10 and 20) alloys. The phase formation, thermal stability, microstructure, martensitic transformation and mechanical properties of these alloys were investigated. The dependence of phase formation on solidification rate and the thermodynamically stability of Cu-Co-Zr alloys reveals that the addition of Co decreases the glass forming ability (GFA) of the Cu-Co-Zr alloys and changes the stable crystalline products of the system from Cu10Zr7 + CuZr2 to (Cu,Co)Zr phase with a B2 structure. The results indicate that for the melt-spun ribbons with at least 5 % Co, the glass crystallizes directly into B2 (Cu,Co)Zr, while in the case of bulk specimens, compositions with 0 ≤ x < 5 of Co contain the monoclinic (Cu,Co)Zr phase and Cu10Zr7 and CuZr2, whereas, for x ≥ 10, the B2 (Cu,Co)Zr phase is the equilibrium phase at room temperature. Furthermore, increasing the cobalt content decreases the martensitic transformation temperatures to lower temperatures. The phase formation in the ternary system is summarized in a pseudo-binary (Cu,Co)Zr phase diagram, that helps for designing new shape memory alloys, as well as bulk metallic glass composites with the addition of glass former elements. In the quaternary alloys, Al increases the glass transition and crystallization temperatures and hence improves the GFA of the system. The X-ray analysis illustrates that for the melt-spun ribbons, the crystallization products vary from Cu10Zr7 + CuZr2 + AlCu2Zr to (Cu,Co)Zr + AlCu2Zr when Co ≤ 5 and Co ≥ 10, respectively. Depending on the cooling rates, the bulk samples represent a fully amorphous structure or BMG composites or a fully crystalline structure. For Co ≤ 5, beside (Cu,Co)Zr and AlCu2Zr, Cu10Zr7 exists as well. Scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy investigations were done to investigate the effect of Al and Co addition to the microstructure of CuZr alloys. In the case of Cu-Co-Zr-Al alloys, Cu30Co20Zr45Al5 (ɸ = 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) compositions were selected for the microstructure verification using TEM. Later, the heterogeneity of the microstructure in Cu40Co10Zr45Al5 (ɸ = 2 mm) alloy was considered. The effect of Co on the mechanical properties of rapidly solidified Cu50-xCoxZr50 (x = 2, 5, 10 and 20 at.%) alloys depict that the deformation behavior of the rods under compressive loading strongly depends on the microstructure, and as a results, on the alloy composition. Cobalt affects the fracture strength of the as-cast samples; and deformation is accompanied with two yield stresses for high Co-content alloys, which undergo deformation-induced martensitic transformation. Instead samples with a martensitic structure show a work-hardening behavior. For quaternary alloys, the effects of cooling rate and chemical composition on mechanical properties of the alloys were investigated. Cu48Co2Zr45Al5 (ɸ= 1.5, 2, 3 and 4 mm) and Cu45Co5Zr45Al5 (ɸ = 3 mm) compositions were selected to discuss the effect of cooling rate and heterogeneity, respectively. The results depict that the mechanical properties of Cu50-xCoxZr45Al5 alloys strongly depend on the microstructure and the volume fraction of the amorphous and crystalline phases. The deformation-induced martensitic transformation of Cu40Co10Zr50 and Cu40Co10Zr45Al5 as-cast rods, was studied by means of high-energy X-rays. The in situ compression measurements were performed in track control and load control modes. The macroscopic and microscopic stress-strain behavior, as well as the phase transformation kinetics were considered. The relative changes in the fully integrated intensity of the selected B2 and martensite peaks, which indicate the changes in volume fraction of the corresponding phases under deformation, was described as phase transformation volume, M/M+B2.

Die inhärenten elastomeren Eigenschaften von Gummiwerkstoffen sind im Vergleich zu Thermoplasten in vielen Spezialanwendungen vorteilhaft. Jedoch sind ihre schlechten Reibungs- und Verschleißeigenschaften ein wesentlicher Nachteil besonders bei tribologischen Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Reibung, Verschleiß und mechanische Eigenschaften von Gummiwerkstoffen, die Polytetrafluorethylen(PFTE)-Pulver enthalten, untersucht. Hauptziel war dabei die Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften bei weiterer Erhöhung der mechanischen Eigenschaften der Elastomere. Es ist bekannt, dass sich Reibungs- und Verschleißeigenschaften gummiähnlicher Materialien in vielfältiger Weise von den Reibungseigenschaften der meisten anderen Festkörper unterscheiden. Die Gründe dafür sind das viskoelastische Verhalten und der sehr geringe elastische Modul von Gummi. Die Verwendung von mit Elektronen modifizierten PTFE-Pulvern in Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) Kautschuken führt zu einer signifikanten Reduzierung der Reibung, Erhöhung der Verschleißfestigkeit und gleichzeitig zu verbesserten mechanischen Eigenschaften in Folge einer speziellen chemischen Kopplung zwischen dem modifiziertem PTFE-Pulver und dem EPDM. Gummirezeptur, Vernetzungsmethode und die viskoelastischen Materialeigenschaften beeinflussen wesentlich die tribologischen und mechanischen Eigenschaften. Morphologie, Dispersion und die chemische Kopplung des PTFE-Pulvers haben einen signifikanten Einfluss auf die Reibungs- und Verschleißverhalten. Die viskoelastischen Materialeigenschaften, d.h. Härte, E-Modul und tan delta (Verlustfaktor) der Gummimischungen sind kritische Parameter und erfordern deshalb eine Optimierung. In dieser Arbeit wurden zwei Modellsysteme untersucht, die auf zwei unterschiedlichen Kautschuktypen basieren: a) Ethylen-Propylene-Diene-Monomer (EPDM) Kautschuk und b) Polychloropren Kautschuk (CR). / The inherent elastomeric properties of rubber compounds in comparison to thermoplastics are advantageous in many special purpose applications. However, their characteristic poor friction and wear properties are of prime concern especially in tribological applications. In the present work, friction, wear and mechanical properties of rubber compounds based on PTFE powder have been investigated. The main aim was to improve the friction and wear properties while further enhancing the mechanical properties of rubber compounds. As known, friction and wear behaviour of rubber-like materials differ in many ways from the frictional properties of most other solids. The reason for this is the high viscoelasticity and very low elastic modulus of rubber. The use of electron-modified PTFE powder in EPDM results in significant improvement in reducing friction, enhancing wear resistance and simultaneously improving mechanical properties due to specific chemical coupling between modified PTFE powder and EPDM. The rubber formulation, crosslinking mode and bulk viscoelastic properties strongly influences friction, wear and mechanical properties. The morphology, dispersion, and specific chemical coupling of PTFE powder play a significant role on friction and wear behaviour. The bulk viscoelastic properties, i.e. hardness, modulus and tan delta (loss factor) of the compounds are critical parameters and therefore, requires optimization. In this work two model systems based on two different rubber matrixes i.e. Ethylene-Propylene-Diene-Monomer (EPDM) and Chloroprene (CR) rubber have been investigated.

Polyurethane and the analogous ‘polyurethane-urea’ are high performance polymeric materials having remarkable properties such as high stiffness, abrasion and tear strengths. In many studies, the low strength rubbers have been blended with various types of polyurethanes for new and improved materials. However, until now, the reported heterogeneous blends offer only a narrow temperature range of application due to the high temperature softening of their polyurethane (-urea) phase. In addition, the conventional solution-or melt-blending methods are time and energy intensive, which tend to forfeit the economical realization of the reported blends. In contrast to earlier studies, a simplified reactive blending process is suggested to synthesize polyurethane-urea via a prepolymer route during blending with rubbers to obtain novel elastomeric materials having extended performance characteristics. The reactive blending process is opted to prepare blends based on nitrile butadiene rubber (NBR) and in-situ synthesized polyurethane-urea (PUU). The blending is carried out in an internal mixer at a preset temperature of 100°C. The critical temperatures of the reactive blending process are determined from the chemo-rheological analysis of a premix, composed of a 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI)/polyether (PTMEG) based prepolymer admixed with 1,3-phenylene diamine (mPD). The prepared NBR/PUU blends exhibit highly improved mechanical properties. Contrary to previous reports, the reinforced dynamic-mechanical responses of the novel blends remain stable till very high temperatures (≥180°C). The influence of diamine type on the in-situ synthesized polyurethane-urea and the performance of prepared blends are investigated. Four different diamines, namely 1,3-Phenylene diamine, 1,4-Bis(aminomethyl)benzene, 4,4′-Methylene-bis(2-chloroaniline) and 4,4ʹ-(1,3-Phenylenediisopropylidene)bisaniline, are selected to chain extend the prepolymer to PUU during blending with NBR. The chemical and domain structure of the PUUs are found to greatly influence the reinforced tensile and dynamic-mechanical responses of the NBR/PUU 70/30 blends. The PUU (based on MDI/PTMEG prepolymer and mPD) is blended with polar (CR, XNBR) and nonpolar (NR, EPDM, sSBR) rubbers. PUU compatibilizes with all the rubbers irrespective of their polarity and reinforces their tensile and dynamic-mechanical characteristics. The use of blends in industrial applications, for example, in a truck tire tread compound and as a roller covering material, is examined. In a simplified tire tread formulation, the carbon black for NR-CB composite is partially replaced with an equivalent quantity of PUU for NR/PUU-CB composite of similar hardness. The dynamic mechanical investigations reveal that the energy dissipation and strain dependent softening is high in NR-CB as compared to the NR/PUU-CB composite. In another application, NBR/PUU blend is successfully tested as a rubber roller covering material. The tested blend-covered roller retains its structural integrity and develops less heat build-up as compared to the silica filled NBR-covered roller. This shows a substantial suitability of the blend-covered rollers for film, printing and textile processing machinery. These novel blends are considered to be the promising new materials for many commercial applications including wheels, rubber rollers, belts or pump impellers.

Polyurethane and the analogous ‘polyurethane-urea’ are high performance polymeric materials having remarkable properties such as high stiffness, abrasion and tear strengths. In many studies, the low strength rubbers have been blended with various types of polyurethanes for new and improved materials. However, until now, the reported heterogeneous blends offer only a narrow temperature range of application due to the high temperature softening of their polyurethane (-urea) phase. In addition, the conventional solution-or melt-blending methods are time and energy intensive, which tend to forfeit the economical realization of the reported blends. In contrast to earlier studies, a simplified reactive blending process is suggested to synthesize polyurethane-urea via a prepolymer route during blending with rubbers to obtain novel elastomeric materials having extended performance characteristics. The reactive blending process is opted to prepare blends based on nitrile butadiene rubber (NBR) and in-situ synthesized polyurethane-urea (PUU). The blending is carried out in an internal mixer at a preset temperature of 100°C. The critical temperatures of the reactive blending process are determined from the chemo-rheological analysis of a premix, composed of a 4,4′-diphenylmethane diisocyanate (MDI)/polyether (PTMEG) based prepolymer admixed with 1,3-phenylene diamine (mPD). The prepared NBR/PUU blends exhibit highly improved mechanical properties. Contrary to previous reports, the reinforced dynamic-mechanical responses of the novel blends remain stable till very high temperatures (≥180°C). The influence of diamine type on the in-situ synthesized polyurethane-urea and the performance of prepared blends are investigated. Four different diamines, namely 1,3-Phenylene diamine, 1,4-Bis(aminomethyl)benzene, 4,4′-Methylene-bis(2-chloroaniline) and 4,4ʹ-(1,3-Phenylenediisopropylidene)bisaniline, are selected to chain extend the prepolymer to PUU during blending with NBR. The chemical and domain structure of the PUUs are found to greatly influence the reinforced tensile and dynamic-mechanical responses of the NBR/PUU 70/30 blends. The PUU (based on MDI/PTMEG prepolymer and mPD) is blended with polar (CR, XNBR) and nonpolar (NR, EPDM, sSBR) rubbers. PUU compatibilizes with all the rubbers irrespective of their polarity and reinforces their tensile and dynamic-mechanical characteristics. The use of blends in industrial applications, for example, in a truck tire tread compound and as a roller covering material, is examined. In a simplified tire tread formulation, the carbon black for NR-CB composite is partially replaced with an equivalent quantity of PUU for NR/PUU-CB composite of similar hardness. The dynamic mechanical investigations reveal that the energy dissipation and strain dependent softening is high in NR-CB as compared to the NR/PUU-CB composite. In another application, NBR/PUU blend is successfully tested as a rubber roller covering material. The tested blend-covered roller retains its structural integrity and develops less heat build-up as compared to the silica filled NBR-covered roller. This shows a substantial suitability of the blend-covered rollers for film, printing and textile processing machinery. These novel blends are considered to be the promising new materials for many commercial applications including wheels, rubber rollers, belts or pump impellers.

Aufgrund seines hervorragenden Verhaltens gegenüber verschiedenen Beanspruchungen ist hochduktiler Beton (engl.: Strain-hardening cement-based composite, SHCC) ein vielversprechender Baustoff für eine Vielzahl an Anwendungen unter statischen, stoßartigen und zyklischen Belastungen. Für einen sicheren Materialeinsatz ist ein tieferes Verständnis des zyklischen Verhaltens erforderlich. Dazu wurden zyklische Belastungsversuche an hochfestem SHCC mit Polyethylen (PE)- Fasern unter Variation des Belastungsregimes durchgeführt. Anhand der Versuche und der morphologischen Analysen konnte gezeigt werden, dass PE-SHCC eine große Sensitivität gegenüber der Variation der mechanischen Einwirkung zeigt.

Die Sicherheit von Straßen-, Schienenfahrzeugen sowie von Flugzeugen erfordert hochbelastbare Bauteile aus Stahl, Eisen, Aluminium und Magnesium. Während des Herstellungsprozesses können Verunreinigungen in der Metallschmelze auftreten, die zu Defekten in Form von Einschlüssen führen. Die Reduzierung oder Entfernung dieser Einschlüsse ist schwierig oder manchmal sogar unmöglich. Der Sonderforschungsbereich 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ konzentrierte sich auf die Erforschung einer neuen Generation von Metallqualitäten – auch beim Recycling – durch Schmelzefiltration mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für höchstbeanspruchbare Komponenten in Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen. Der SFB 920 wurde von 2011 bis 2023 an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (Projektnummer 169148856 – SFB 920) und nach 12 Jahren intensiver Forschungsarbeit erfolgreich beendet. Der Abschlussbericht des SFB 920 fasst die wichtigsten Publikationen und ausgewählte Ergebnisse zusammen.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31 / The safety of road and railway vehicles as well as aircrafts requires highly stressable components made of steel, iron, aluminum and magnesium. During the production process, contaminations can occur in the metal melt, which lead to defects in the form of inclusions. Reducing or removing these inclusions is difficult or sometimes impossible. The Collaborative Research Center 920 “Multi-functional filters for metal melt filtration – a contribution towards zero defect materials” focussed on research into a new generation of metal qualities - also during recycling - via melt filtration with superior mechanical properties for use in high-demand construction materials and light-weight structures. The CRC 920 was funded by the German Research Foundation (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) from 2011 to 2023 at the Technische Universität Bergakademie Freiberg (Project-ID 169148856 – SFB 920) and was successfully completed after 12 years of intensive research work. The final report of the CRC 920 presents the most important publications and selected results.:1 Zusammenfassung / Summary 1 2 Die 50 wichtigsten veröffentlichten Ergebnisse 2 2.1 Publikationen mit wissenschaftlichen Qualitätssicherung 2 2.2 Weitere Publikationen und öffentlich gemachte Ergebnisse 4 3 Übersicht der Teilprojekte 5 4 Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereichs 7 4.1 Einleitung, Vision und Thesen 7 4.2 Ausgewählte Ergebnisse 8 4.2.1 „Stahlschmelze-Filtration“ 8 4.2.2 „Aluminiumschmelze-Filtration“ 16 4.2.3 „Magnesiumschmelzefiltration“ 17 4.2.4 Beiträge der Simulation 18 4.2.5 Harz- und pechfreies Bindemittel für umweltfreundliche, reaktive Filter 20 4.2.6 Generatives Hybrid-Flammspritzverfahren 20 4.2.7 Transferprojekte 21 4.2.8 Zusammenfassende Bemerkungen 22 4.2.9 Management der Forschungsdaten 24 4.2.10 Literatur 24 4.3 Wissenschaftliche Veranstaltungen und Wissenschaftskommunikation 26 4.4 Nationale und internationale Kooperationen 28 5 Schwerpunktbildung und internationale Sichtbarkeit 31

Considering the late in-vessel phase of an unlikely core melt down scenario in a light water reactor (LWR) with the formation of a corium pool in the lower head of the reactor pressure vessel (RPV) the possible failure modes of the RPV and the time to failure have to be investigated to assess the possible loadings on the containment. In this work, an integral model was developed to describe the processes in the lower plenum of the RPV. Two principal model domains have to be distinguished: The tem-perature field within the melt and RPV is calculated with a thermodynamic model, while a mechanical model is used for the structural analysis of the vessel wall. In the introducing chapters a description is given of the considered accident scenario and the relevant analytical, experimental, and numerical investigations are discussed which were performed worldwide during the last three decades. Following, the occurring physical phenomena are analysed and the scaling differences are evaluated between the FOREVER-experiments and a prototypical scenario. The thermodynamic and the mechanical model can be coupled recursively to take into account the mutual influence. This approach not only allows to consider the temperature dependence of the material parameters and the thermally induced stress in the mechanical model, it also takes into account the response of the temperature field itself upon the changing vessel geometry. New approaches are applied in this work for the simulation of creep and damage. Using a creep data base, the application of single creep laws could be avoided which is especially advantageous if large temperature, stress, and strain ranges have to be covered. Based on experimental investigations, the creep data base has been developed for an RPV-steel and has been validated against creep tests with different scalings and geometries. It can be stated, that the coupled model is able to exactly describe and predict the vessel deformation in the scaled integral FOREVER-tests. There are uncertainties concerning the time to failure which are related to inexactly known material parameters and boundary conditions. The main results of this work can be summarised as follows: Due to the thermody-namic behaviour of the large melt pool with internal heat sources, the upper third of the lower RPV head is exposed to the highest thermo-mechanical loads. This region is called hot focus. Contrary to that, the pole part of the lower head has a higher strength and therefore relocates almost vertically downwards under the combined thermal, weight and internal pressure load of the RPV. On the one hand, it will be possible by external flooding to retain the corium within the RPV even at increased pressures and even in reactors with high power (as e.g. KONVOI). On the other hand, there is no chance for melt retention in the considered scenario if neither internal nor external flooding of the RPV can be achieved. Two patents have been derived from the gained insights. Both are related to passively working devices for accident mitigation: The first one is a support of the RPV lower head pole part. It reduces the maximum mechanical load in the highly stressed area of the hot focus. In this way, it can prevent failure or at least extend the time to failure of the vessel. The second device implements a passive accident mitigation measure by making use of the downward movement of the lower head. Through this, a valve or a flap can be opened to flood the reactor pit with water from a storage reservoir located at a higher position in the reactor building. With regard to future plant designs it can be stated - differing from former presumptions - that an In-Vessel-Retention (IVR) of a molten core is possible within the reactor pressure vessel even for reactors with higher power. / Für das unwahrscheinliche Szenario eines Kernschmelzunfalls in einem Leichtwasserreaktor mit Bildung eines Schmelzesees in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters (RDB) ist es notwendig, mögliche Versagensformen des RDB sowie Versagenszeiträume zu ermitteln, um die daraus resultierende mögliche Belastung des Sicherheitsbehälters bestimmen zu können. In dieser Arbeit wird ein integrales Modell entwickelt, das die Vorgänge im unteren Plenum beschreibt. Dabei sind zwei prinzipielle Modellbereiche zu unterscheiden: Das Temperaturfeld in der Schmelze und im RDB wird mit einem thermodynamischen Modell berechnet, während für die Strukturanalyse des RDB ein mechanisches Modell verwendet wird. Zunächst werden das betrachtete Unfallszenario dargestellt und die bisher in den letzten drei Dekaden weltweit durchgeführten wesentlichen analytischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen diskutiert. Anschließend werden die auftretenden physikalischen Vorgänge analysiert. Gleichzeitig werden Skalierungsunterschiede zwischen den in dieser Arbeit betrachteten Experimenten der FOREVER-Reihe und einem prototypischen Szenario herausgearbeitet. Das thermodynamische und das mechanische Modell können rekursiv gekoppelt werden, wodurch die wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt werden kann. Insbesondere werden damit neben der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter und den thermisch induzierten Spannungen im mechanischen Modell auch die Rückwirkungen der Behälterverformung auf das Temperaturfeld selber erfasst. Für die Kriech- und Schädigungssimulation werden in dieser Arbeit neue Verfahren angewendet. Durch die Entwicklung und den Einsatz einer Kriechdatenbasis konnte die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen, Spannungen und Dehnungen ungeeignete Verwendung einzelner Kriechgesetze umgangen werden. Aufbauend auf experimentellen Untersuchungen wurde eine Kriechdatenbasis für einen RDB-Stahl entwickelt und an Hand von Kriechversuchen verschiedener Geometrie und Dimension validiert. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das gekoppelte Modell prinzipiell in der Lage ist, die Behälterdeformation im Falle der skalierten FOREVER-Experimente exakt zu beschreiben bzw. vorherzusagen. Unsicherheiten bezüglich der Versagenszeit resultieren aus nicht exakt bekannten Materialparametern und Randbedingungen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aufgrund des thermodynamischen Verhaltens eines großen Schmelzesees mit inneren Wärmequellen erfolgt die höchste thermomechanische Belastung des RDB im oberen Drittel der Bodenkalotte. Dieser Bereich wird als heißer Fokus bezeichnet. Der untere Bereich der Kalotte weist hingegen eine höhere Festigkeit auf und verlagert sich deswegen bei entsprechender Belastung des RDB im wesentlichen senkrecht nach unten. Bei einer externen Flutung besteht auch bei hohen Innendrücken für einen Reaktor großer Leistung (KONVOI) die Möglichkeit, die Schmelze im RDB zurückzuhalten. Ohne interne oder externe Flutung besteht für das betrachtete Szenario keine Aussicht für eine Schmelzerückhaltung im RDB. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden zwei Patente abgeleitet. Dabei handelt es sich um passiv wirkende Einrichtungen zur Schadensbegrenzung: Die erste reduziert durch Abstützen des unteren Kalottenzentrums die Maximalspannungen im hochbeanspruchten Bereich des heißen Fokus und kann damit ein Versagen verhindern oder zumindest verzögern. Die zweite Einrichtung ermöglicht die passive Auslösung einer Flutung, indem die Abwärtsbewegung der Kalotte zur Steuerung genutzt wird. Hierdurch kann beispielsweise ein Ventil geöffnet werden, um Wasser aus im Gebäude höher angeordneten Reservoirs in die Reaktorgrube zu leiten. Abweichend von bisherigen Annahmen kann im Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger Baulinien festgehalten werden, dass eine Kernschmelzerückhaltung im Reaktordruckbehälter auch für Reaktoren größerer Leistung möglich ist.