Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Abscheideverfahrens für Dünnschichten aus Polymer-Metall-Nanokompositen sowie die Charakterisierung sensorischer und antibakterieller Eigenschaften von ersten, mit diesem System abgeschiedenen Komposit-Schichten . Durch den Einbau eines rotierenden Probenhalters zwischen den beiden Plasmaquellen ist es möglich, Plasmapolymere und metallische Nanopartikel als Einzelschichten, Komposite oder Multischichten abzuscheiden. Mit der Gasflusssputterquelle werden Silber-Nanopartikel einer Größe von 1,8…20 nm mit einer Verteilungsbreite der gewichteten Normalverteilung von 0,1…2,7 nm durch Kathodenzerstäubung und anschließende Agglomeration der Cluster in der Gasphase generiert. Die Entladungsbedingungen, welche durch die Elektronentemperatur und -dichte charakterisiert werden, zeigen eine sprunghafte Änderung bei Drücken von 70…85 Pa und einer Spannung von 550 V. Ab einem Gasfluss von 3 slpm kehrt sich die Proportionalität zwischen zugeführter elektrischer Leistung und Elektronentemperatur um. Dies wird durch die vermehrte Emission von Sekundärelektronen erklärt. Die abgeschiedenen Partikel sind aus verschieden orientierten Clustern aufgebaut. Durch Kühlung des Substrates wurde nachgewiesen, dass eine Agglomeration auf dem Substrat nur bei Gasflüssen von 5 slpm stattfindet. Anhand der Auswertung von faktoriellen Versuchsplänen wurde gezeigt, dass der Gasfluss auf die Partikelgröße und Abscheiderate den größten Einfluss hat. Die Präkursoren Styrol, Methylmethacrylat und 3-Methyl-1,2-butadien wurden durch Plasmapolymerisation in einer 60 MHz-Linearquelle als dünne, homogene Schichten im nm-Bereich abgeschieden. Aus den Emissionsspektren von Argon konnten, unter Verwendung des Stoß-Strahlungs-Modells, Elektronendichten von 6*1010…1,5*1011 cm-3 und Elektronentemperaturen von 3…9 eV in Abhängigkeit von der Verweilzeit der Monomermoleküle im Plasma sowie des Energieeintrages berechnet werden. Die Elektronen haben bei Energieeinträgen oberhalb von 6*107 J/kg genügend Energie, um -Bindungen des Kohlenstoffs in der Gasphase zu spalten. Die freien Radikale initiieren Oxidationsreaktionen, was zur Bildung von Carbonylverbindungen in Schichten aus Styrol- und Isoprenplasmapolymeren führt. Die mit XPS-Messungen gefundenen hohen Sauerstoffgehalte der Plasmapolymer-Schichten konnten durch Kontaktwinkelmessungen bestätigt werden. Die Quellungsmessungen in organischen Lösungsmitteln (Aceton, Ethanol, Chloroform, Toluol) mit reflektometrischer Interferenzspektroskpie bestätigen die Tendenzen der Kontaktwinkelmessung im Fall von Styrol und Methylmethacrylat. Die Abscheiderate der Plasmapolymere wird besonders durch den Energieeintrag beeinflusst. Dabei zeigt sich nur bei Isopren eine deutliche Auswirkung der Abbaureaktionen.Die Härte der Isopren-Schichten korreliert ebenfalls mit der Elektronendichte. Die Perkolationsschwelle der Silber-Plasmapolymer-Nanokomposite liegt bei einem Füllgrad von 57 %, was typisch für Partikel mit geringem Aspektverhältnis ist. Die Schichten reagieren selektiv auf Dämpfe der Lösungsmittel. Bisher war die Langzeitstabilität von Membranen zur Trinkwasseraufbereitung durch Ultrafiltration durch das starke Wachstum von Mikroorganismen auf der Membranoberfläche eingeschränkt. Dies konnte durch die Beschichtung mit Silber-MMA-Kompositen verbessert werden. Durchflussmessungen an behandelten Membranen sowie elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigen die gute antibakterielle Wirkung der Beschichtung.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Abscheideverfahrens für Dünnschichten aus Polymer-Metall-Nanokompositen sowie die Charakterisierung sensorischer und antibakterieller Eigenschaften von ersten, mit diesem System abgeschiedenen Komposit-Schichten . Durch den Einbau eines rotierenden Probenhalters zwischen den beiden Plasmaquellen ist es möglich, Plasmapolymere und metallische Nanopartikel als Einzelschichten, Komposite oder Multischichten abzuscheiden. Mit der Gasflusssputterquelle werden Silber-Nanopartikel einer Größe von 1,8…20 nm mit einer Verteilungsbreite der gewichteten Normalverteilung von 0,1…2,7 nm durch Kathodenzerstäubung und anschließende Agglomeration der Cluster in der Gasphase generiert. Die Entladungsbedingungen, welche durch die Elektronentemperatur und -dichte charakterisiert werden, zeigen eine sprunghafte Änderung bei Drücken von 70…85 Pa und einer Spannung von 550 V. Ab einem Gasfluss von 3 slpm kehrt sich die Proportionalität zwischen zugeführter elektrischer Leistung und Elektronentemperatur um. Dies wird durch die vermehrte Emission von Sekundärelektronen erklärt. Die abgeschiedenen Partikel sind aus verschieden orientierten Clustern aufgebaut. Durch Kühlung des Substrates wurde nachgewiesen, dass eine Agglomeration auf dem Substrat nur bei Gasflüssen von 5 slpm stattfindet. Anhand der Auswertung von faktoriellen Versuchsplänen wurde gezeigt, dass der Gasfluss auf die Partikelgröße und Abscheiderate den größten Einfluss hat. Die Präkursoren Styrol, Methylmethacrylat und 3-Methyl-1,2-butadien wurden durch Plasmapolymerisation in einer 60 MHz-Linearquelle als dünne, homogene Schichten im nm-Bereich abgeschieden. Aus den Emissionsspektren von Argon konnten, unter Verwendung des Stoß-Strahlungs-Modells, Elektronendichten von 6*1010…1,5*1011 cm-3 und Elektronentemperaturen von 3…9 eV in Abhängigkeit von der Verweilzeit der Monomermoleküle im Plasma sowie des Energieeintrages berechnet werden. Die Elektronen haben bei Energieeinträgen oberhalb von 6*107 J/kg genügend Energie, um -Bindungen des Kohlenstoffs in der Gasphase zu spalten. Die freien Radikale initiieren Oxidationsreaktionen, was zur Bildung von Carbonylverbindungen in Schichten aus Styrol- und Isoprenplasmapolymeren führt. Die mit XPS-Messungen gefundenen hohen Sauerstoffgehalte der Plasmapolymer-Schichten konnten durch Kontaktwinkelmessungen bestätigt werden. Die Quellungsmessungen in organischen Lösungsmitteln (Aceton, Ethanol, Chloroform, Toluol) mit reflektometrischer Interferenzspektroskpie bestätigen die Tendenzen der Kontaktwinkelmessung im Fall von Styrol und Methylmethacrylat. Die Abscheiderate der Plasmapolymere wird besonders durch den Energieeintrag beeinflusst. Dabei zeigt sich nur bei Isopren eine deutliche Auswirkung der Abbaureaktionen.Die Härte der Isopren-Schichten korreliert ebenfalls mit der Elektronendichte. Die Perkolationsschwelle der Silber-Plasmapolymer-Nanokomposite liegt bei einem Füllgrad von 57 %, was typisch für Partikel mit geringem Aspektverhältnis ist. Die Schichten reagieren selektiv auf Dämpfe der Lösungsmittel. Bisher war die Langzeitstabilität von Membranen zur Trinkwasseraufbereitung durch Ultrafiltration durch das starke Wachstum von Mikroorganismen auf der Membranoberfläche eingeschränkt. Dies konnte durch die Beschichtung mit Silber-MMA-Kompositen verbessert werden. Durchflussmessungen an behandelten Membranen sowie elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigen die gute antibakterielle Wirkung der Beschichtung.

<p>Idag används guld som kontaktmaterial på elektriska kontakter för lågströmstillämpningar. Guldhar emellertid låg nötningsbeständighet, är dyrt och miljömässigt påfrestande att utvinna. Ettalternativt kontaktmaterial till guld är nanokomposit Ti-Si-C-Ag belagt medlikströmsmagnetronsputtring. Nanokomposit Ti-Si-C-Ag har hittills belagts med sammansatt Ti-Si-C sputterkälla och separat silverkälla.</p><p>I detta arbete har filmer belagts från tre olika sammansatta Ti-Si-C-Ag-källor med tre olikakolhalter. Filmerna har belagts i två olika beläggningssystem: Ett konventionellt batchladdat ochett sekventiellt med sluss.</p><p>Filmernas fas- och ämnessammansättning har studerats med XRD och EDX. Tjocklek ochmikrostruktur har analyserats med SEM. Vidhäftning och resistivitet har analyserats medRockwellindentation och ytresistansmätning med fyrpunktsprob. Kontaktresistansen har ävenstuderats i begränsad mån.</p><p>Arbetet visar att ökat kolinnehåll i källan ger kolrikare filmer med större titankarbidkorn.Resistiviteten ökar p.g.a. tilltagen amorf fas mellan kornen men kontaktresistansen sjunker givetduktilare film.</p> / <p>Today gold is used as contact material on electric contacts for low current applications. Gold, however,has low wear resistance, is expensive and environmentally stressful to produce. An alternative contactmaterial to gold is nano composite Ti-Si-C-Ag deposited with DC-magnetron sputtering. Nanocomposite Ti-Si-C-Ag has so far been deposited by a compound Ti-Si-C sputter source with a separateAg source.</p><p>In this work films have been deposited by three different compound Ti-Si-C-Ag sources with threedifferent carbon contents. The films have been deposited in two separate PVD systems: Oneconventional batch loaded and one sequential with a load-lock.</p><p>The phase- and elemental composition of the films has been studied with XRD and EDX respectively.Thickness and microstructure have been analysed with SEM. Adhesion and resistivity has beenanalysed with Rockwell indentation and surface resistivity measurement with four point probe. Contactresistance has also been studied to a limited extent.</p><p>The work shows that the increment of carbon content in the source yields more carbon rich films withlarger titanium carbide crystallites. The resistivity is increasing due to an increased amorphous phasebetween the crystallites but the contact resistance is decreasing due to a more ductile film.</p>

Idag används guld som kontaktmaterial på elektriska kontakter för lågströmstillämpningar. Guldhar emellertid låg nötningsbeständighet, är dyrt och miljömässigt påfrestande att utvinna. Ettalternativt kontaktmaterial till guld är nanokomposit Ti-Si-C-Ag belagt medlikströmsmagnetronsputtring. Nanokomposit Ti-Si-C-Ag har hittills belagts med sammansatt Ti-Si-C sputterkälla och separat silverkälla. I detta arbete har filmer belagts från tre olika sammansatta Ti-Si-C-Ag-källor med tre olikakolhalter. Filmerna har belagts i två olika beläggningssystem: Ett konventionellt batchladdat ochett sekventiellt med sluss. Filmernas fas- och ämnessammansättning har studerats med XRD och EDX. Tjocklek ochmikrostruktur har analyserats med SEM. Vidhäftning och resistivitet har analyserats medRockwellindentation och ytresistansmätning med fyrpunktsprob. Kontaktresistansen har ävenstuderats i begränsad mån. Arbetet visar att ökat kolinnehåll i källan ger kolrikare filmer med större titankarbidkorn.Resistiviteten ökar p.g.a. tilltagen amorf fas mellan kornen men kontaktresistansen sjunker givetduktilare film. / Today gold is used as contact material on electric contacts for low current applications. Gold, however,has low wear resistance, is expensive and environmentally stressful to produce. An alternative contactmaterial to gold is nano composite Ti-Si-C-Ag deposited with DC-magnetron sputtering. Nanocomposite Ti-Si-C-Ag has so far been deposited by a compound Ti-Si-C sputter source with a separateAg source. In this work films have been deposited by three different compound Ti-Si-C-Ag sources with threedifferent carbon contents. The films have been deposited in two separate PVD systems: Oneconventional batch loaded and one sequential with a load-lock. The phase- and elemental composition of the films has been studied with XRD and EDX respectively.Thickness and microstructure have been analysed with SEM. Adhesion and resistivity has beenanalysed with Rockwell indentation and surface resistivity measurement with four point probe. Contactresistance has also been studied to a limited extent. The work shows that the increment of carbon content in the source yields more carbon rich films withlarger titanium carbide crystallites. The resistivity is increasing due to an increased amorphous phasebetween the crystallites but the contact resistance is decreasing due to a more ductile film.

The glass-forming Ti75Zr10Si15 alloy is regarded as a potential new material for implant applications due to its composition of non-toxic, biocompatible elements and many interesting mechanical properties. The effects of partial substitution of 15 at.-% Ti by Nb on the microstructure and mechanical behavior of the alloy have been investigated. The limited glass-forming ability (GFA) of the Ti75Zr10Si15 alloy results for melt-spun ribbons mainly in nanocomposite structures with β-type nanocrystals being embedded in a glassy matrix. Addition of Nb increases the glass-forming ability. Raising the overheating temperature of the melt prior to melt-spinning from 1923 K to 2053 K yields a higher amorphous phase fraction for both alloys. A decrease of hardness (H), ultimate stress and reduced Young’s modulus (Er) is observed for Ti60Zr10Nb15Si15 rods as compared to Ti75Zr10Si15 ones. This is attributed to an increase of the fraction of the β-type phase. The melt-spun ribbons show an interesting combination of very high hardness values (H) and moderate reduced elastic modulus values (Er). This results in comparatively very high H/Er ratios of >0.075 which suggests these new materials for applications demanding high wear resistance. The corrosion and passivation behavior of these alloys in their homogenized melt-spun states have been investigated in Ringer solution at 37°C in comparison to their cast multiphase crystalline counterparts and to cp-Ti and β-type Ti-40Nb. All tested materials showed very low corrosion rates. Electrochemical and surface analytical studies revealed a high stability of their passive states in a wide potential range. The addition of Nb does not only improve the glass-forming ability and the mechanical properties but also supports a high pitting resistance even at extreme anodic polarization. With regard to the corrosion properties, the Nb-containing nearly single-phase glassy alloy can compete with the β-type Ti-40Nb alloy. In addition, it has been demonstrated that thermal oxidation could be well applied to Ti75Zr10Si15 and Ti60Zr10Nb15Si15 melt-spun ribbons. Thermal oxidation treatment is one of the simple and cost-effective surface modification methods to improve the surface characteristics of these alloys. In the first tests, ribbon samples of the ternary and the quaternary alloy which were oxidized at 550°C in synthetic air showed suitable fundamental properties for implant applications, i.e. high hardness, good wettability and hydroxyapatite-forming ability after 10 days. All these properties recommend the new glass-forming alloys for application as wear- and corrosion-resistant coating materials for implants. / Die glasbildende Legierung Ti75Zr10Si15 wird wegen ihrer biokompatiblen Zusammensetzung ohne toxische Elemente und auf Grund interessanter mechanischer Eigenschaften als potentielles neues Implantatmaterial betrachtet. Es wurden 15 at.-% Ti durch Nb partiell substituiert und die Effekte auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht. Auf Grund der eingeschränkten Glasbildungsfähigkeit von Ti75Zr10Si15 bestehen die schmelzgeschleuderten Bänder dieser Legierung hauptsächlich aus Nanokomposit-Strukturen mit β-phasigen Nanokristallen in einer glasartigen Matrix. Die Zugabe von Nb steigert die Glasbildungsfähigkeit. Das Anheben der Überhitzungstemperatur der Schmelze vor dem Schmelzschleudern von 1923 auf 2053 K führt für beide Legierungen zu einem höheren Anteil amorpher Phase. Es wird bei der Legierung Ti60Zr10Nb15Si15 im Vergleich zur Ti75Zr10Si15-Legierung eine Abnahme der Härte (H), Bruchfestigkeit und ein reduzierter E-Modul (Er) beobachtet. Dies wird mit dem Anstieg des beta-Phasenanteils erklärt. Die schmelzgeschleuderten Bänder zeigen eine interessante Kombination aus sehr hoher Härte und moderaten E-Modul Werten (Er). Dies führt zu vergleichsweise sehr hohen H/Er-Verhältnissen von >0,075, wodurch diese Materialien für Anwendungen mit hohen Verschleißanforderungen geeignet sind. Das Korrosions- und Passivierungsverhalten dieser Legierungen in ihrem homogenisierten schmelzgeschleuderten Zustand wurde in Ringer-Lösung bei 37°C untersucht und mit dem gegossenen vielphasigen kristallinen Zustand dieser Legierungen sowie mit cpTi und beta-Typ Ti-40Nb verglichen. Alle untersuchten Materialien zeigten sehr niedrige Korrosionsraten. Elektrochemische Studien und Oberflächenanalysen belegen eine hohe Stabilität der Passivfilme in einem weiten Potentialbereich. Die Zugabe von Niob verbessert nicht nur die Glasbildungsfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften, sondern erhöht weiterhin die Lochfraßbeständigkeit, selbst bei stark anodischer Polarisation. Bezüglich der Korrosionseigenschaften konkurriert die Nb-haltige fast einphasige glasartige Legierung mit β-phasigem Ti-40Nb. Weiterhin wurde gezeigt, dass an schmelzgeschleuderten Bändern der Legierung Ti75Zr10Si15 und Ti60Zr10Nb15Si15 eine thermische Oxidation erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die thermische Oxidation ist eine der einfachsten und kosteneffektivsten Möglichkeiten der Oberflächenmodifikation um die Eigenschaften der Oberflächen dieser Legierungen zu verbessern. In den ersten Tests zeigten die Bänder-Proben der ternären und der quaternären Legierung, die bei 550°C in synthetischer Luft oxidiert wurden, entsprechende Eigenschaften für Implantat-Anwendungen, d.h. hohe Härte, gute Benetzbarkeit und die Fähigkeit nach 10 Tagen Hydroxylapatit auf der Oberfläche zu bilden. Alle zuvor genannten Eigenschaften machen diese neuen glasbildenden Legierungen zu geeigneten Materialien für die Anwendung als verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung für Implantate.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

The research goal of this work was dedicated to improvement of the properties and enhancement of the application potential of commodity polymer based on polyolefins by choosing different synthesis routes to create new structures and materials. More precisely, the presented study explores different aspects of metallocene and post-metallocene catalyzed olefin polymerization leading to synthesis of novel copolymers and nanocomposites. The first part of this thesis deals with controlled polymerization of α-olefins catalyzed by post-metallocenes. Bis(phenoxyamine) zirconium complexes with [ONNO]-type ligands bearing cumyl (bPA-c) and 1-adamantyl (bPA-a) ortho-substituents were applied. For the polymerization catalyzed by bPA catalyst quasi-living kinetic character is proposed. The bPA catalyst was applied for synthesis of block copolymers by employing the strategy of sequential monomer addition. The blocky structure of the copolymer was successfully achieved and confirmed by NMR techniques. Moreover, the monomodal distribution of molar mass in SEC chromatogram confirmed the absence of homopolymers. In the second part of the work new defined comb-like copolymers (CLC) having a poly(10-undecene-1-ol) (PUol) backbone and densely grafted poly(ε-caprolactone) (PCL) side chains are presented. These copolymers were synthesized in two steps by means of metallocene polymerization followed by ring opening polymerization. Copolymers with varied and adjustable graft length (PCL segments) were synthesized. It was proved that the melting and crystallization temperatures of the CLC correlate with the PCL side chain length, i.e. longer chains result in higher Tm and Tc,o values. The melting enthalpy was found to be asymptotically dependent on the length of PCL side chains. The bulk morphology of the comb-like copolymers is proposed to be lamellar as judged from the TEM micrographs. The third part of the thesis is focused on the synthesis of polypropylene nanocomposites via in situ polymerization. Thereby, organomodified aluminumphosphate with kanemite-type layered structure (AlPO-kan) has been used as novel filler. Melt compounding composites were prepared for comparison purposes to evaluate the influence of in situ synthesis on the dispersion quality of the filler in polymer matrix. Melt compounding of neat AlPO-kan with PP did not lead to formation of nanocomposites. TEM images show macro-composites with the lamellar solid remaining agglomerated. On the contrary, in situ polymerization of propene yielded materials with exfoliated nanocomposite morphology. In XRD, diffractions of the AlPO-kan pilling of layers are not detectable. It can be concluded that the primary existing layers are delaminated. Very fine distribution of the filler in the polypropylene matrix has been impressively demonstrated by TEM.

Polyethylene composites which contain low concentrations of metal-oxide nanoparticles e.g. ZnO and MgO are emerging materials for the use in insulations of extruded high-voltage direct-current (HVDC) cables. The challenge in the development of the composites with ultra-low electrical conductivity is to synthesize uniform and high-purity metal-oxide nanoparticles, which are functionalized with hydrophobic groups in order to make them compatible with polyethylene. The thesis reports different approaches to prepare this new generation of insulation materials. Different reaction parameters/conditions – zinc salt precursor, precursor concentrations and reaction temperature – were varied in order to tailor the size and morphology of the ZnO nanoparticles. It was shown that different particle sizes and particle morphologies could be obtained by using different zinc salt precursors (acetate, nitrate, chloride or sulphate). It was shown that 60 °C was a suitable reaction temperature in order to yield particles with different morphologies ranging from nano-prisms to flower-shaped superstructures. For removal of reaction residuals from the particles surfaces, a novel cleaning method based on ultrasonication was developed, which was more efficient than traditional water-replacement cleaning. After cleaning, the presence of one atomic layer of zinc-hydroxy-salt complex (ZHS) on the nanoparticle surfaces was suggested by thermogravimetry and infrared spectroscopy. A method involving three steps – silane coating, heat treatment and silica layer etching – was used to remove the last trace of the ZHS species from the nanoparticle surface while preserving its clean and active hydroxylated surface. The surface chemistry of these nanoparticles was further tailored from hydroxyl groups to hydrophobic alkyl groups with different lengths by reactions involving methyltrimethoxysilane (C1), octyltriethoxysilane (C8) and octadecyltrimethoxysilane (C18). MgO nanoparticles were prepared by aqueous precipitation of Mg(OH)2 followed by a partial transformation to MgO nanoparticles via heat treatment at 400 °C. The surface regions of the MgO nanoparticles convert into a hydroxide phase in humid media. A novel method to obtain large surface area MgO nanoparticles with a remarkable inertness to humidity was also presented. The method involved three steps:  (a) thermal decomposition of Mg(OH)2 at 400 °C; (b) silicone oxide coating of the nanoparticles to prevent inter-particle sintering and (c) a high temperature heat treatment at 1000 °C. These MgO nanoparticles showed essentially no sign of formed hydroxide phase even after extended exposure to humid air. The functionalized metal-oxide nanoparticles showed only a minor adsorption of phenolic antioxidant, which is important in order to obtain nanocomposites with an adequate long-term stability. Tensile testing and scanning electron microscopy revealed that the surface-modified metal-oxide nanoparticles showed improved dispersion and interfacial adhesion in the polyethylene matrix with reference to that of unmodified metal-oxide nanoparticles. The highly “efficient” interfacial surface area induced by these modified nanoparticles created the traps for charge carriers at the polymer/particle interface thus reducing the DC conductivity by more than 1 order of magnitude than that of the pristine polyethylene. / Polyetenkompositer med mycket låga halter av ZnO och MgO metalloxid nanopartiklar är en växande kategori material för användning som isolering av extruderade kablar avsedda för likriktad högspänning. En utmaning i utvecklingen av dessa material kan relateras till den praktiska kompositframställningen, vilken innefattar framställning av högrena metalloxid nanopartiklar som ytmodifieras med hydrofoba molekylstrukturer för att möjliggöra blandning med den hydrofoba polyetenplasten. Denna avhandling behandlar olika metoder för att framställa denna generation av isoleringsmaterial. Vid syntesen av de rena nanopartiklarna krävdes optimering av ett antal olika reaktionsparametrar för att uppnå tillfredställande slutresultat i form av partikelstorlekar och partikelmorfologier. Dessa inkluderade val av zinksalt, zinksaltkoncentration vid utfällning, samt reaktionstemperatur vid framställningen. Experimenten avslöjade att olika partikelstorlekar och partikelmorfologier kunde framställas som endast korrelerat mot källan av zinkjonerna, och berodde av vilka motjoner som zinkatomerna haft i zinksaltet (acetat, nitrat, klorid eller sulfat). Optimering av reaktionstemperaturen visade att ca 60 °C utgjorde en lämplig start för utvärdering av synteserna, som resulterade i olika partikelmorfologier i form av pyramidformade nanopartiklar till blomformationer. Utöver de specifika reaktionsparametrarna utvecklades även en ny ultrasonikeringsmetod för att rena ytorna hos partiklarna från motjoner relaterade till de valda specifika salterna. Metodiken som visade sig avsevärt mer effektiv än sedvanlig rening att utfällda nanopartiklar via repetitivt vattenutbyte, och skapade förutsättningar etablering av kolloidal stabilitet och fragmentering av aggregat i vattensuspensionerna. Efter ultrasonikeringsreningen beräknades de kvarvarande zinkhydroxidsalterna (ZHS) utgöra endast ett atomlager ZHS utifrån termogravimetriska data kompletterade med infraröd spektroskopi. En metod att eliminera de kvarvarande ZHS-komplexen från ytan av partiklarna tillämpades/utvecklades, inkluderade ytbeläggning av partiklarna med silan, följt av värmebehandling samt etsning av den resulterande kiseloxidytan, för att uppnå en ren hydroxylyta på partiklarna. Ytkemin hos dessa partiklar modifierades från att bestå av hydroxylgrupper till att utgöras av hydrofoba alkylgrupper med olika längder relaterade metyltrimetoxysilan (C1), oktyltrietoxysilan (C8), eller oktadekyltrimetoxysilan (C18). Även MgO nanopartiklar framställdes via vattenutfällning av Mg(OH)2 partiklar, vilka omvandlades till MgO nanopartiklar via en lågtemperatur värmebehandling vid 400°C. Ytan av dessa partiklar omvandlades dock till hydroxid i fuktig miljö. En ny metod att bibehålla den stora ytarean av MgO nanopartiklarna med anmärkningsvärd motståndskraft mot att omvandlas till hydroxid utvecklades således. Metoden består av (a) en låg temperatur omvandling av Mg(OH)2, (b) en kiseloxidytbehandling av nanopartiklarna för att undvika partikelsintring vid högre temperaturer och (c) en hög temperaturbehandling vid 1000 °C. De framställda partiklarna uppvisade ingen anmärkningsvärd känslighet mot luftfuktighet och bibehöll MgO sammansättningen efter exponering mot fukt. De modifierade metalloxid nanopartiklarna visade mycket liten adsorption av fenoliska antioxidanter, vilket medförde en långtidsstabilitet hos polyeten nanokompositerna. De ytmodifierade metalloxidpartiklarna visade även förbättrade möjligheter för dispergering och yt-kompatibilitet med/i polyetenmatrisen i jämförelse med omodifierade metalloxidpartiklar, utifrån mätningar baserade på dragprovning och svepelektronmikroskopi. Slutligen, de utvecklade ytorna på de modifierade nanopartiklarna skapade ett polymer/nanopartikel gränssnitt som kunder fungera som laddningsansamlingsområden i nanokompositerna, vilket resulterade i en storleksordning minskad ledningsförmåga hos kompositerna jämfört med den rena polyetenen. / <p>QC 20160829</p>

The glass-forming Ti75Zr10Si15 alloy is regarded as a potential new material for implant applications due to its composition of non-toxic, biocompatible elements and many interesting mechanical properties. The effects of partial substitution of 15 at.-% Ti by Nb on the microstructure and mechanical behavior of the alloy have been investigated. The limited glass-forming ability (GFA) of the Ti75Zr10Si15 alloy results for melt-spun ribbons mainly in nanocomposite structures with β-type nanocrystals being embedded in a glassy matrix. Addition of Nb increases the glass-forming ability. Raising the overheating temperature of the melt prior to melt-spinning from 1923 K to 2053 K yields a higher amorphous phase fraction for both alloys. A decrease of hardness (H), ultimate stress and reduced Young’s modulus (Er) is observed for Ti60Zr10Nb15Si15 rods as compared to Ti75Zr10Si15 ones. This is attributed to an increase of the fraction of the β-type phase. The melt-spun ribbons show an interesting combination of very high hardness values (H) and moderate reduced elastic modulus values (Er). This results in comparatively very high H/Er ratios of >0.075 which suggests these new materials for applications demanding high wear resistance. The corrosion and passivation behavior of these alloys in their homogenized melt-spun states have been investigated in Ringer solution at 37°C in comparison to their cast multiphase crystalline counterparts and to cp-Ti and β-type Ti-40Nb. All tested materials showed very low corrosion rates. Electrochemical and surface analytical studies revealed a high stability of their passive states in a wide potential range. The addition of Nb does not only improve the glass-forming ability and the mechanical properties but also supports a high pitting resistance even at extreme anodic polarization. With regard to the corrosion properties, the Nb-containing nearly single-phase glassy alloy can compete with the β-type Ti-40Nb alloy. In addition, it has been demonstrated that thermal oxidation could be well applied to Ti75Zr10Si15 and Ti60Zr10Nb15Si15 melt-spun ribbons. Thermal oxidation treatment is one of the simple and cost-effective surface modification methods to improve the surface characteristics of these alloys. In the first tests, ribbon samples of the ternary and the quaternary alloy which were oxidized at 550°C in synthetic air showed suitable fundamental properties for implant applications, i.e. high hardness, good wettability and hydroxyapatite-forming ability after 10 days. All these properties recommend the new glass-forming alloys for application as wear- and corrosion-resistant coating materials for implants. / Die glasbildende Legierung Ti75Zr10Si15 wird wegen ihrer biokompatiblen Zusammensetzung ohne toxische Elemente und auf Grund interessanter mechanischer Eigenschaften als potentielles neues Implantatmaterial betrachtet. Es wurden 15 at.-% Ti durch Nb partiell substituiert und die Effekte auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht. Auf Grund der eingeschränkten Glasbildungsfähigkeit von Ti75Zr10Si15 bestehen die schmelzgeschleuderten Bänder dieser Legierung hauptsächlich aus Nanokomposit-Strukturen mit β-phasigen Nanokristallen in einer glasartigen Matrix. Die Zugabe von Nb steigert die Glasbildungsfähigkeit. Das Anheben der Überhitzungstemperatur der Schmelze vor dem Schmelzschleudern von 1923 auf 2053 K führt für beide Legierungen zu einem höheren Anteil amorpher Phase. Es wird bei der Legierung Ti60Zr10Nb15Si15 im Vergleich zur Ti75Zr10Si15-Legierung eine Abnahme der Härte (H), Bruchfestigkeit und ein reduzierter E-Modul (Er) beobachtet. Dies wird mit dem Anstieg des beta-Phasenanteils erklärt. Die schmelzgeschleuderten Bänder zeigen eine interessante Kombination aus sehr hoher Härte und moderaten E-Modul Werten (Er). Dies führt zu vergleichsweise sehr hohen H/Er-Verhältnissen von >0,075, wodurch diese Materialien für Anwendungen mit hohen Verschleißanforderungen geeignet sind. Das Korrosions- und Passivierungsverhalten dieser Legierungen in ihrem homogenisierten schmelzgeschleuderten Zustand wurde in Ringer-Lösung bei 37°C untersucht und mit dem gegossenen vielphasigen kristallinen Zustand dieser Legierungen sowie mit cpTi und beta-Typ Ti-40Nb verglichen. Alle untersuchten Materialien zeigten sehr niedrige Korrosionsraten. Elektrochemische Studien und Oberflächenanalysen belegen eine hohe Stabilität der Passivfilme in einem weiten Potentialbereich. Die Zugabe von Niob verbessert nicht nur die Glasbildungsfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften, sondern erhöht weiterhin die Lochfraßbeständigkeit, selbst bei stark anodischer Polarisation. Bezüglich der Korrosionseigenschaften konkurriert die Nb-haltige fast einphasige glasartige Legierung mit β-phasigem Ti-40Nb. Weiterhin wurde gezeigt, dass an schmelzgeschleuderten Bändern der Legierung Ti75Zr10Si15 und Ti60Zr10Nb15Si15 eine thermische Oxidation erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die thermische Oxidation ist eine der einfachsten und kosteneffektivsten Möglichkeiten der Oberflächenmodifikation um die Eigenschaften der Oberflächen dieser Legierungen zu verbessern. In den ersten Tests zeigten die Bänder-Proben der ternären und der quaternären Legierung, die bei 550°C in synthetischer Luft oxidiert wurden, entsprechende Eigenschaften für Implantat-Anwendungen, d.h. hohe Härte, gute Benetzbarkeit und die Fähigkeit nach 10 Tagen Hydroxylapatit auf der Oberfläche zu bilden. Alle zuvor genannten Eigenschaften machen diese neuen glasbildenden Legierungen zu geeigneten Materialien für die Anwendung als verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung für Implantate.

The current state of wireless sensing technologies possesses a good reliability in terms of time response and sensing on movable parts or in embedded structures. Nevertheless, these tech- nologies involve energy supply such as battery and suffer from low resolution and bulky signal conditioning system for data processing. Thus, a RFID passive wireless sensor is a good candidate to overcome these issues. The feasibility of implementing microstrip patch antennas for sensing application were successfully investigated; however, low sensitivity was always a big issue to be concerned. Sensors based on nanocomposites attracted a lot of attention because of their excellent performance in term of light weight, high sensitivity, good stability and high resistance to corrosion but it lacks the capability of high conductivity, which limit their implication into RFID applications. This work introduces a novel high sensitive passive wireless strain and temperature sensors based on nanocomposites as sensing layer. To accomplish this, intrinsically conductive polymer based on carbon nanofillers nanocomposites are deeply studied and characterized. Then it’s performance is evaluated. Among them a novel tertiary nanocomposite is introduced, which opens the gate to new nanocomposite applications and thus broad- ens the application spectrum. Understanding the transport mechanism to improve the conductivity of the nanocomposite and extracting individually different models based on physical explanation of their piezoresistivity, and behavior under temperature and humidity have been developed. Afterwards, selected nanocomposites based on their high sensitivity to either strain or temperature are chosen to be used as sensing layer for patch antenna. The fabricated patch antenna has only one fundamental frequency, by determining the shift in its resonance frequency as function of the desired property to be measured; the wireless sensor characteristics are then examined. For strain sensing, the effect of strain is tested experimentally with the help of end-loaded beam measurement setup. For temperature sensing, the sensors are loaded in a controlled temperature/humid chamber and with the help of a vector network analyzer, the sensitivity of the antennas are extracted by acquiring the shift in the resonance frequency. The fabricated wireless sensors based on patch antenna are fabricated on very low lossy material to improve their gain and radiation pattern. This approach could be expanded also to include different type of substrates such as stretchable substrates i.e. elastomer polymer, very thing substrates such as Kapton, paper-based substrates or liquid crystal polymer.