Motivation • Warum sollten wir Daten analysieren? Beyond Excel • Wie können wir Daten analysieren? Fallbeispiele • Welche Erkenntnisse haben wir gewonnen? • Flächenbedarf der Montage • Arbeitskräftebedarf in der Logistik • (Auto-) Korrelation

In the past, it has been found that CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr crystals in the glassy matrix display significant plasticity with obvious work hardening. In this work, it was tried to provide a strategy for pinpointing the formation of CuZr-based BMG composites, to modify the microstructures of these composites, and to clarify their yielding and deformation mechanisms. In order to pinpoint the formation of CuZr-based BMG composites, the phase formation and structural evolution of 11 kinds of CuZr-based alloy systems, altogether 36 different compositions, during heating and quenching processes were investigated. An endothermic event between the crystallization and melting peaks was found to be associated with a eutectoid transformation of the B2 CuZr phase. With the addition of elements to the CuZr-based alloys, this endothermic peak(s) shifts to lower or higher temperatures, implying that minor element additions can change the thermal stability of the B2 CuZr phase. By considering the thermal stability of the supercooled liquid, i.e. its resistance against crystallization, and the thermal stability of the B2 CuZr phase, a new strategy to select compositions, which form metastable CuZr-based composites consisting of an amorphous phase and B2 CuZr crystals, is proposed. It is characterized by a parameter, K = Tf /TL, where Tf and TL are the final temperature of the eutectoid transformation during heating and the liquidus temperature of the alloy, respectively. Based on this criterion, the present CuZr-based alloys are classified into three types. For Type I alloys with lower K values, it is difficult to obtain bulk metallic glass (BMG) composites. For Type III alloys with higher K values, BMG composites with larger dimensions are prone to be fabricated, whereas only moderate-sized BMG composites can be obtained for Type II possessing intermediate K values. Accordingly, CuZr-based BMG composites containing B2 CuZr phase in the glassy matrix for different alloy systems were successfully fabricated into different dimensions. For the sake of controlling the formation of the B2 CuZr phase in the glassy matrix and then changing the deformability of CuZr-based BMG composites, different methods were also used to fabricate these composites by: (1) introducing insoluable/high-melting particles; (2) appropriate re-melting treatments of master alloys; and (3) a new flash heating and quenching method. It was demonstrated that the volume fraction, size and distribution of the B2 phase in the glassy matrix can be controlled as well using the methods above. In order to clarify the excellent mechanical properties of CuZr-based BMG composites, the yielding and plastic deformation mechanisms of CuZr-based BMG composites were investigated based on SEM, XRD, and TEM observations. With the volume fraction of amorphous phase (famor) decreasing from 100 vol.% to 0 vol.%, a single-to-“double”-to-“triple”-double yielding transition was found. For the monolithic CuZr-based BMGs and their composites with the famor ³ 97.5 ± 0.5 vol.%, only one yielding at a strain of ~2% occurs, which is due to the formation of multiple shear bands in the glassy matrix, and the associative actions of the shear banding and the martensitic transformation (MT), respectively. When the famor is less than 97.5 ± 0.5 vol.%, a “yielding” occurs at a low strain of ~1%, which results from the yielding of B2 CuZr phase and the onset of the MT within B2 CuZr phase. When the famor is larger than 55 ± 3 vol.%, a “yielding” observed at strains >8% is ascribed from the operation of dislocations with a high density as well as partial de-twinning. It was also found that with the famor decreasing, the deformation mechanism gradually changes from a shear-banding dominated process, to a process being governed by the MT in the crystalline phase, resulting in different plastic strains. Owing to the importance of the MT and the shear banding to the deformation of CuZr-based BMG composites, the details of the MT and the shear banding process were investigated. On one hand, it was found that the MT temperatures of CuZr-based martensitic alloys have a clear relationship with the respective electronic structure and the lattice parameter of the equiatomic CuZr intermetallics. The MT temperatures of the studied alloys can be evaluated by the average concentration of valence electrons. Additional elements with larger atomic radius can affect the stacking fault energy and the electronic charge density redistribution, resulting in the difference of the electronic structures. On the other hand, the formation and multiplication of shear bands for CuZr-based BMG composites is associated with the storage and dissipation of the partial elastic energy during the plastic deformation. When microstructural inhomogeneities at different length scales are introduced into the glassy matrix, the elastic energy stored in the sample-machine system during the plastic deformation is redistributed, resulting in a transition of shear banding process from a chaotic behavior to a self-organized critical state. All in all, our studies and observations provide an understanding of the formation, deformation, and microstrcutural optimization of CuZr-based BMG composites and give guidance on how to improve the ductility/toughness of BMGs. / In letzter Zeit zeigte sich, dass massive Cu-Zr-basierte metallische Glaskomposite, welche B2 CuZr-Kristallite in der amorphen Matrix enthalten, eine ausgeprägte Plastizität mit klarer Kaltverfestigung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, eine Strategie zur zielgenauen Einstellung der Phasenbildung und des dazugehörigen Gefüges von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen bereitzustellen, sowie deren Fließ- und Verformungsmechanismen aufzuklären. Es wurden elf verschiedene CuZr-basierte Legierungssysteme, insgesamt 36 verschiedene Zusammensetzungen, während Heiz- und Abschreckprozessen untersucht, um die Phasenbildung samt Gefüge von massiven CuZr-basierten Glas-Matrix-Kompositen zielgenau einzustellen. Bei CuZr-basierten metallischen Gläsern kann eine endotherme Reaktion zwischen Kristallisation und Schmelzvorgang der eutektoiden Umwandlung von B2 CuZr zugeordnet werden. Mit Zugabe verschiedener Elemente zur CuZr-Basislegierung kann diese Umwandlung zu höheren bzw. niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Bereits geringe Beimischungen beeinflussen die thermische Stabilität der B2 CuZr-Phase. Unter Berücksichtigung der thermischen Stabilität, sowie des Widerstands gegen Kristallisation der unterkühlten Schmelze und der B2 CuZr-Phase wurde eine neue Strategie zur Auswahl des Zusammensetzungsgebiets metastabiler CuZr-Legierungen verschiedener Durchmesser vorgeschlagen. Dieser Widerstand kann durch den Parameter K=Tf/TL beschrieben werden, wobei Tf die Endtemperatur der eutektoiden Umwandlung und TL die Liquidustemperatur sind. Basierend auf diesem Parameter können die untersuchten CuZr-basierten Legierungen in drei Klassen unterteilt werden. Für Legierungen vom Typ I mit niedrigeren K-Werten, ist es schwer massive metallische Glas-Komposite (BMG-Komposite) zu erhalten. Im Gegensatz dazu lassen sich für Legierungen vom Typ III, mit höheren K-Werten, BMG-Komposite mit größeren Probendurchmessern herstellen und Legierungen vom Typ II mit einem mittleren K-Wert mit moderaten Probendurchmessern erzeugt werden. Folglich wurden CuZr-basierte Glas-Matrix-Komposite verschiedener Legierungssysteme mit B2-Phase in der amorphen Matrix erfolgreich in unterschiedlichen Geometrien hergestellt. Zur Kontrolle der Ausbildung der B2-Phase in der amorphen Matrix wurden unterschiedliche Methoden verwendet, um duktile CuZr-basierte BMG-Komposite herzustellen: (1) Einbringen von unlöslichen, hochschmelzenden Partikeln; (2) geeignete Wiederaufschmelzbehandlungen der Vorlegierungen; (3) eine neue Schnellerhitzungs- und -Abschreckmethode. Es konnte gezeigt werden, dass der Volumenanteil, sowie die Größe und Verteilung der B2-Phase in der amorphen Matrix durch die oben genannten Methoden kontrolliert werden können. Um die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Fließens und der plastischen Deformationsmechanismen von CuZr-basierten BMG-Kompositen aufzuklären, wurden diese näher mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Durchstrahlungs-elektronenmikroskopie untersucht. Mit sinkendem Volumenanteil der amorphen Phase (famor) von 100 vol.% auf 0 vol.% kann ein Übergang von einer über zwei zu drei Fließgrenzen beobachtet werden. Für monolithische CuZr-basierte BMGs und ihre Komposite mit einem Anteil famor ≥ 97.5 ± 0.5vol.% erfolgt das Fließen ab einer Stauchung von ~2% durch Ausbildung von mehreren Scherbänden in der amorphen Matrix bzw. dem Zusammenwirken des dazugehörigen Scherens und der Martensitumwandlung. Bei einem Anteil famor unter 97.5 ± 0.5 vol.% findet ein Fließen bei niedrigerer Stauchung von ~1% statt. Dies geschieht aufgrund des Fließens und der beginnenden martensitischen Umwandlungen der B2 CuZr-Phase. Bei einem Anteil famor größer als 55 ± 3 vol.% kann ein Fließen oberhalb einer Stauchung von 8% durch die Interaktion von Versetzungen bei hoher Versetzungsdichte sowie partiellem „Entzwillingen“, beobachtet werden. Es wurde herausgefunden, dass mit sinkendem famor der Verformungsmechanismus schrittweise von einem Scherband dominierten zu einem von der martensitischen Umwandlung dominierten Mechanismus übergeht. Dieser Übergang führt zu Unterschieden in der plastischen Verformung. Da für das Verformungsverhalten von CuZr-basierten BMG-Kompositen die deformationsinduzierte martensitische Umwandlung und die Entstehung sowie Ausbreitung von Scherbändern von herausragender Bedeutung sind, wurden sie näher untersucht. Einerseits wurde herausgefunden, dass die Umwandlungstemperatur der martensitischen Umwandlung von CuZr-basierten martensitischen Legierungen in klarer Beziehung zur entsprechenden Elektronenstruktur und der Gitterkonstanten der äquiatomaren intermetallischen CuZr-Phasen stehen. Die martensitischen Umwandlungstemperaturen der untersuchten Legierungen können über die mittlere Valenzelektronenkonzentration ausgewertet werden. Zusätzliche Elemente mit größerem Atomradius können die Stapelfehlerenergie und die Ladungsdichteverteilung ändern, was in unterschiedliche Elektronenstrukturen mündet. Andererseits ist die Entstehung und Vervielfachung von Scherbändern in CuZr-basierten BMG-Kompositen verbunden mit der Speicherung und Dissipation der partiellen elastischen Energie während der plastischen Verformung. Durch das Einbringen von Gefügeinhomogenitäten unterschiedlicher Größe in die Glasmatrix, wird die elastische Energie, die im System Probe-Maschine gespeichert ist, während der plastischen Deformation umverteilt. Dies führt zu einem Übergang des Schervorgangs von chaotischem Verhalten zu einem selbstorganisierten kritischen Zustand. Insgesamt stellen unsere Untersuchungen und Beobachtungen ein Verständnis der Ausbildung, Verfomung und Gefügeoptimierung von CuZr-basierten BMG-Kompositen bereit und sollen als Leitfaden zur Verbesserung der Duktilität bzw. Zähigkeit von BMGs dienen.

Early developed non-bulk Fe-based glasses, e.g. Fe-Cr(-Mo)-metalloid(s), exhibit extraordinary corrosion resistance, but low glass formation ability (GFA). Newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys have on the contrary high GFA, but also very different compositions and therefore their corrosion behaviour is expectedly not similar. Fundamental investigations regarding corrosion behaviour were performed for one of the most prominent bulk glassy alloy, namely (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5. Particularly, the free corrosion and the anodic polarization behaviour, the passivation ability and the pitting susceptibility have been assessed in electrolytes with varying pH values and anion species concentrations. Due to its monolithic single phase microstructure this alloy has a much lower corrosion rate in acids than a two-phase conventional steel (DIN X210Cr12) with much higher content of passivating Cr, i.e. 11.4 at. %. However, the high concentration of electrochemically active Mn and B as well as the unfavourably high Mo to Cr concentration ratio determine a higher corrosion rate of this bulk glassy alloy in strong alkalis and also a very poor passivation ability in acids. On the contrary, the high content of Mo has a positive influence on the pitting resistance by inhibiting very effectively the propagation of pits occurring at Y2O3 inclusions. Detailed microscopic analysis investigations by HRSEM and in-situ AFM revealed the formation of characteristic morphological features at the micro- and nanometre scale on the surface of samples exposed to acidic solutions. These were explained by selective dissolution of active elements, e.g. Mn, B. This study demonstrated the necessity to investigate the corrosion properties of newly developed bulk glass-forming Fe-based alloys – they are not per-se highly corrosion resistant, but their corrosion behaviour depends on their particular chemical composition. / Früh entwickelte, nicht-massive amorphe Eisenbasislegierungen, z.B. Fe-Cr(-Mo)-Metalloid(e), zeigen bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit, aber niedrige Glasbildungsfähigkeit (englisch: glass-forming ability, GFA). Neu entwickelte massiv-glasbildende Eisenbasislegierungen haben im Gegenteil eine höhere GFA, aber auch sehr unterschiedliche Zusammensetzungen und deshalb ist ihr Korrosionverhalten ist wie zu erwarten nicht änlich. Grundlegende Untersuchungen des Korrosionsverhaltens einer der bekanntesten massiven amophen Legierung, nämlich (Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5, wurden vorgenommen. Insbesondere wurde das Augenmerk auf das freie Korrosions- und das anodische Polarisationsverhalten, die Passivierungseigenschaften und die Anfälligkeit gegenüber Lochfraß in Elektrolyten mit verschiedenen pH-Werten und Anionenkonzentrationen gerichtet. Aufgrund ihres einphasig monolitischen Gefüges zeigt diese Legierung in Säuren eine viel niedrigere Korrosionsgeschwindigkeit als die eines zweiphasigen herkömmlichen Stahls (DIN X210Cr12) mit viel höherem Gehalt an passivierendem Cr, d.h. 11.4 at.%. Der höhere Gehalt an electrochemisch aktivem Mn und B sowie das nachteilige Verhältnis von Mo zu Cr Konzentration sind für eine höhere Korrosionsgeschwindigkeit dieser massiven amorphen Legierung in konzentrierten Alkalien sowie eine geringere Passivierungsfähigkeit in Säuren verantwortlich. Der hohe Gehalt an Mo hat jedoch einen positiven Einfluss auf die Lochfraßbeständigkeit – er hindert sehr wirksam das Wachstum der an Y2O3-Einschlüssen gebildeten Löcher. Detaillierte mikroskopische Untersuchungen durch HRSEM und in-situ AFM zeigten die Bildung charakteristischer Morphologien im Mikrometer- und Nanometerbereich auf der Oberfläche von Proben, die starken Säure ausgesetzt waren. Dieses wurde durch selektive Auflösung aktiver Elemente, z.B. Mn, B, erklärt. Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit, die Korrosionseigenschaften der neu entwickelten, massivglasbildenden Eisenbasislegierungen zu untersuchen – diese sind nicht per-se „hochkorrosionsbeständig“, stattdessen hängt ihr Korrosionsverhalten vielmehr von ihrer besonderen chemischen Zusammensetzung ab.

Fracture Mechanics process of Welded Joint is a very vast research area and has many possibilities for solution and prediction. Although the fatigue strength (FAT) and stress intensity factor (SIF) solutions are reported in several handbooks and recommendations, these values are available only for a small number of specimens, components, loading and welding geometries. The available solutions are not always adequate for particular engineering applications. Moreover, the reliable solutions of SIF are still difficult to find in spite of several SIF handbooks have been published regarding the nominal applied SIF. The effect of residual stresses is still the most challenge in fatigue life estimation. The reason is that the stress distributions and SIF modified by the residual stresses have to be estimated. The stress distribution is governed by many parameters such as the materials type, joint geometry and welding processes. In this work, the linear elastic fracture mechanics (LEFM), which used crack tip SIFs for cases involving the effect of weld geometry, is used to calculate the crack growth life for some different notch cases. The variety of crack configurations and the complexity of stress fields occurring in engineering components require more versatile tools for calculating SIFs than available in handbook’s solutions that were obtained for a range of specific geometries and load combinations. Therefore, the finite element method (FEM) has been used to calculate SIFs of cracks subjected to stress fields. LEFM is encoded in the FEM software, FRANC, which stands for fracture analysis code. The SIFs due to residual stress are calculated in this work using the weight function method. The fatigue strength (FAT) of load-carrying and non-load carrying welded joints with lack of penetration (LOP) and toe crack, respectively, are determined using the LEFM. In some studied cases, the geometry, material properties and loading conditions of the joints are identical to those of specimens for which experimental results of fatigue life and SIF were available in literature so that the FEM model could be validated. For a given welded material and set of test conditions, the crack growth behavior is described by the relationship between cyclic crack growth rate, da/dN, and range of the stress intensity factor ( K) , i.e., by Paris’ law. Numerical integration of the Paris’ equation is carried out by a FORTRAN computer routine. The obtained results can be used for calculating FAT values. The computed SIFs along with the Paris’ law are used to predict the crack propagation. The typical crack lengths for each joint geometry are determined using the built language program by backward calculations. To incorporate the effect of residual stresses, the fatigue crack growth equations which are sensitive to stress ratio R are recommended to be used. The Forman, Newman and de Konig (FNK) solution is considered to be the most suitable one for the present purpose. In spite of the recent considerable progress in fracture mechanics theories and applications, there seems to be no, at least to the author’s knowledge, systematic study of the effect of welding geometries and residual stresses upon fatigue crack propagation based completely on an analytical approach where the SIF due to external applied load (Kapp) is calculated using FEM. In contrast, the SIF due to residual stresses (Kres) is calculated using the analytical weight function method and residual stress distribution. To assess the influence of the residual stresses on the failure of a weldment, their distribution must be known. Although residual stresses in welded structures and components have long been known to have an effect on the components fatigue performance, access to reliable, spatially accurate residual stress field data are limited. This work constitutes a systematic research program regarding the concept for the safety analysis of welded components with fracture mechanics methods, to clarify the effect of welding residual stresses upon fatigue crack propagation. / Die Bewertung einer Schweißnaht ist ein großes Forschungsgebiet und hat viele Möglichkeiten für Lösungskonzepte und Vorhersagen. Obwohl für die Schwingfestigkeit und die Spannungsintensitätsfaktor (SIF)-Lösungen in verschiedenen Handbüchern Empfehlungen ausgewiesen sind, sind diese Werte nur für eine geringe Anzahl von Proben, Komponenten, Belastungsfälle und Schweißgeometrien verfügbar. Die vorhandenen Lösungsansätze sind nicht immer für spezielle technische Anwendungen geeignet. Darüber hinaus sind zuverlässige bewährte Lösungen von Spannungsintensitätsfaktoren immer noch schwierig zu finden, obwohl verschiedene SIF-Handbücher mit Hinweis auf den anliegenden nominalen SIF veröffentlicht sind. Der Einfluss von Eigenspannungen ist eine der größten Herausforderungen bei der Lebensdauerabschätzung. Aufgrund der Tatsache, dass infolge der Eigenspannungen sowohl die Spannungsverteilung als auch der SIF verändert werden, muss eine Abschätzung erfolgen. Die Spannungsverteilung wird durch viele Parameter beeinflusst, wie zum Beispiel den Werkstoff, die Nahtgeometrie und den Schweißprozess. In der vorliegenden Arbeit wurde für die Berechnung des Ermüdungsrisswachstums unter verschiedenen Kerbfällen das Konzept der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) verwendet, welches K-Lösungen für die Rissspitze bei unterschiedlichen Fällen der Schweißgeometrie berücksichtigt. Aufgrund der Komplexität der Risskonfigurationen und der Spannungsfelder in praxisrelevanten Komponenten werden weitere Hilfsmittel zur Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren benötigt, welche die herkömmlichen Lösungen in Handbüchern erweitern. Deshalb wurde die Finite Elemente Methode (FEM) zur Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren an Rissen verwendet. Die LEBM wird in der FEMSoftware FRANC berücksichtigt. Die aus Eigenspannungen resultierenden Spannungsintensitätsfaktoren wurden mit Hilfe der Gewichtsfunktionsmethode berechnet. Die Ermüdungslebensdauer (Schwingfestigkeit) von tragenden und nichttragenden Schweißnähten mit ungenügender Durchschweißung beziehungsweise Kerbriss wurden mit Hilfe der LEBM durch Integration der Zyklischen Risswachstumskurve ermittelt. Zur Validierung des FEM-Modells konnte in einigen untersuchten Fällen auf experimentelle Ergebnisse zur Lebensdauer und zum SIF aus der Literatur zurückgegriffen werden, wo identische Geometrien, Materialeigenschaften und Belastungsverhältnisse der Naht vorlagen. Unter Vorgabe des Werkstoffes und der Prüfbedingungen wurde das Risswachstumsverhalten mit dem Zusammenhang von Risswachstumsgeschwindigkeit da/dN und zyklischem Spannungsintensitätsfaktor K mit dem Paris-Gesetz beschrieben. Eine numerische Integration der Paris-Gleichung erfolgte über ein FORTRAN-Programm. Die damit erhaltenen Ergebnisse sind als Ermüdungslebensdauer (Schwingfestigkeit) verwendbar. Die berechneten SIF‘en entlang der Paris-Geraden werden zur Vorhersage des Risswachstums benutzt. Die typischen Risslängen für jede Nahtgeometrie wurden mit Hilfe des eigens integrierten Programmes ermittelt. Zur Berücksichtigung des Einflusses von Eigenspannungen wird empfohlen, Risswachstumsgleichungen zu nutzen, die empfindlich auf das Spannungsverhältnis R reagieren. Für die vorliegende Zielsetzung gilt der Lösungsansatz nach Forman, Newman und de Konig (FNK) als der am besten geeignete. Trotz der jüngsten, beträchtlichen Fortschritte in den bruchmechanischen Theorien und Anwendungen sind systematische Studien zum Einfluss der Schweißgeometrie und der Eigenspannungen auf das Ermüdungsrisswachstum, in welchen der SIF aufgrund extern anliegender Beanspruchungen (Kapp) mit der FEM berechnet wurde, in der Literatur kaum vorhanden. Im Gegensatz dazu wurde der SIF infolge von Eigenspannungen (Kres) mit Hilfe der analytischen Gewichtsfunktionsmethode und der Eigenspannungsverteilung berechnet. Um den Einfluss von Eigenspannungen auf das Versagen einer Schweißverbindung abzuschätzen, muss deren Verteilung bekannt sein. Obwohl die Wirkung von Eigenspannungen auf das Ermüdungsverhalten in geschweißten Strukturen und Komponenten schon lange bekannt ist, ist der Zugriff auf verlässliche und präzise Daten von räumlichen Eigenspannungsfeldern begrenzt. Bezüglich einer konzeptionellen Sicherheitsanalyse von geschweißten Komponenten mit bruchmechanischen Methoden begründet diese Arbeit einen systematischen Ansatz, um den Einfluss von Schweißeigenspannungen auf das Ermüdungsrisswachstum zu verdeutlichen.

Planare keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen liefern aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sowie einer hohen Variabilität geeigneter Brennstoffe einen wertvollen Beitrag zur ressourcenschonenden Stromproduktion. Für einen sicheren Betrieb dieser Brennstoffzellen sind hermetisch dichte und elektrisch isolierende Dichtungen unabdingbar. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der Anpassung relevanter Fügeeigenschaften wie Viskosität und thermischem Ausdehnungsverhalten eignen sich insbesondere teilkristalline Glaslote als Dichtungs- und Fügewerkstoffe für diese Aufgabe. Für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb von Brennstoffzellensystemen ist neben der Anpassung der Fügeparameter ein umfassendes Verständnis der Alterungsprozesse von Glasloten im Fügeverbund unter Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasdichtheit und elektrischem Iso-lationsvermögen von entscheidender Bedeutung. In grundlegenden Untersuchungen zeigt diese Arbeit auf, welche vielschichtigen Degradationsprozesse in teilkristallinen Glasloten unter simulierten Einsatzbedingungen ablau-fen. Durch geeignete Versuchsabläufe gelang es, diese Einflüsse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Degradationsprozesse zu separieren und zu bewerten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in eine Glaslotentwicklung ein, mit der die Degradationsstabilität teilkristalliner Glaslote unter den gegebenen Einsatzbedingungen deutlich erhöht werden konnte. Besondere Berücksichtigung fand hierbei der Einfluss der Glaszusammensetzung auf Degradationsprozesse im Verbund mit den metallischen Fügepartnern sowie die Porenbildung in gesinterten glaskeramischen Gefügen unter brennstoffzellentypischen Betriebsbedingungen. Im Gesamtergebnis zeigt die vorliegende Arbeit, dass zur Erfüllung von Fügeaufgaben neben der Anpassung intrinsischer Glasloteigenschaften auch das langfristige Verhalten teilkristalliner Glaslote im Fügeverbund Berücksichtigung finden muss.

The large elastic limit, the strength close to the theoretical limit, the excellent magnetic properties and good corrosion resistance of bulk metallic glasses (BMGs) make them promising for several applications such as micro-geared motor parts, pressure sensors, Coriolis flow meters, power inductors and coating materials. The main limitation of these materials is their reduced macroscopic ductility at room temperature, resulting from an inhomogeneous deformation concentrated in narrows shear bands. The poor ductility can be overcome by the incorporation of a ductile second phase in the glassy matrix to form composites, which exhibit a better balance between strength and ductility. Different types of BMG composites have been developed to date but considerable plastic strain during tensile or bending tests has been only obtained for composites with in-situ formation of the second phase during solidification. Among these in-situ formed composites, significant tensile ductility has been only observed for two types of alloys so far: TiZrBe-based and CuZr-based BMG composites. The former precipitate dendrites of the cubic β-(Ti,Zr) phase in the glass matrix, whereas the latter combine spherical precipitates of the cubic B2-CuZr shape memory phase within the glass. The CuZr-based BMG composites have certain advantages over the TiZrBe-based composites such as the absence of Be, which is a toxic element, and exhibit a strong work-hardening behaviour linked to the presence of the shape memory phase. This concept of “shape memory” BMG composites has been only applied to CuZr-based alloys so far. It is worth investigating if such a concept can be also used to enhance the plasticity of other BMGs. Additionally, the correlation between microstructure, phase formation and mechanical properties of these composites is still not fully understood, especially the role of the precipitates regarding shear band multiplication as well as the stress distribution in the glassy matrix, which should be significantly influenced by the precipitates. The aim of the present work is to develop a new family of shape memory bulk metallic glass composites in order to extend the concept initially developed for CuZr-based alloys. Their thermal and mechanical properties shall be correlated with the microstructure and phase formation in order to gain a deeper understanding of the fundamental deformation mechanisms and thermal behaviour. A candidate to form new shape memory BMG composites is the pseudo-binary TiCu-TiNi system because bulk glassy samples with a critical casting thickness of around 1 mm have been obtained in the compositional region where the cubic shape memory phase, B2-TiNi, precipitates. This phase undergoes a martensitic transformation to the orthorhombic B19-TiNi during cooling at around 325 K. The B2- and B19-TiNi exhibit an extensive deformation at room temperature up to 30% during tensile loading. Compositions in the Ti-Cu, Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-Ni-Zr, Ti-Cu-Ni-Zr-(Si) and Ti-Cu-Ni-Co systems were selected based on literature data and on a recently proposed λ+Δh1/2 criterion, which considers the effect of atomic size mismatch between the elements and their electronic interaction. Samples were then produced by melt spinning (ribbons) and Cu-mould suction casting (rods and plates). The investigation started in the Ti-Cu system. A low glass-forming ability (GFA) was observed with formation of amorphous phase only in micrometer-thick ribbons and the results showed that the best glass former is located around Ti50Cu50. Considering that the GFA of the binary alloys can be further improved with additions of Ni, new Ti-Cu-Ni shape memory BMG composites were then developed in which the orthorhombic Ti(Ni,Cu) martensite precipitates in the glassy matrix. These alloys exhibit a high yield strength combined with large fracture strain and the precipitates show a reversible martensitic transformation from B19 to B2-type structure at a critical temperature around 320 K (during heating). The amorphous matrix stabilizes the high-temperature phase (B2 phase), which causes different transformation temperatures depending on whether the precipitates are partially or completely embedded in the glassy matrix. The deformation starts in the softer, crystalline phase, which generates a heterogeneous stress distribution in the glassy matrix and causes the formation of multiple shear bands. The precipitates also have the important function to block the fast movement of shear bands and hence retard fracture. However, the size of such composites is limited to 1 mm diameter rods because of their low GFA, which can be further improved by adding CuZr. New Ti-Cu-Ni-Zr composites with diameter ranging from 2 to 3 mm were developed, which consist mainly of spherical precipitates of the cubic B2-(Ti,Zr)(Cu,Ni) and the glassy phase. The interrelation between composite strength and volume fraction of B2 phase was analysed in detail, which follows the rule of mixture for values lower than 30 vol.% or the load-bearing model for higher values. The fracture strain is also affected by the volume fraction of the respective phases with a maximum observed around 30 vol.% of B2 phase, which agrees with the prediction given by the three-body element model. It was observed that the cubic B2 phase undergoes a martensitic transformation during deformation, resulting in a strong work hardening and a high fracture stress of these alloys. The GFA of the Ti-Cu -based alloys can be further increased by minor additions of Si. A maximum GFA is observed for additions of 1 and 0.5 at.% Si to binary Ti-Cu or quaternary Ti-Cu-Ni-Zr alloys, respectively. This optimum GFA results from the formation of a lower amount of highly stable Ti5Si3 precipitates, which act as nuclei for other crystalline phases, and the increased stability of the liquid and the supercooled liquid. The addition of Co has the opposite effect. It drastically decreases the GFA of Ti-Cu-Ni alloys and both the martensitic transformation temperature and their mechanical behaviour seem to correlate with the number and concentration of valence electrons of the B2 phase. The transformation temperature decreases by increasing the concentration of valence electrons. An excellent combination of high yield strength and large fracture strain occurs for Ti-Cu-Ni-Zr and Ti-Cu-Ni-Zr-Si alloys with a relatively low amount of CuZr, with a fracture strain in compression almost two times larger than the one usually observed for CuZr-based composites. For instance, the Ti45Cu39Ni11Zr5 alloy exhibit a yield strength of 1490±50 MPa combined with 23.7±0.5% of plastic strain. However, a reduced ductility was found for the CuZr-richer Ti-Cu-Ni-Zr compositions, which results from the precipitation of the brittle Cu2TiZr phase in the glassy matrix. The present study extends the concept of “shape memory BMG matrix composites” originally developed for CuZr-based alloys and delivers important insights into the correlation between phase formation and mechanical properties of this new family of high-strength TiCu-based alloys, which upon further optimization might be promising candidates for high-performance applications such as flow meters, sensors and micro- and mm-sized gears. / Auf Grund der hohen Elastizitätsgrenze, Festigkeiten, die nahe an der theoretischen Grenze liegen, sehr guten magnetischen Eigenschaften, sowie einer guten Korrosionsbeständigkeit erscheint der Einsatz massiver metallischer Gläser (BMG) vielversprechend in zahlreichen Gebieten, wie z.B. in Mikro-Getriebemotorteilen, Coriolis-Massendurchflussmessern, Drucksensoren, Speicherdrosseln und als Beschichtungsmaterialien. Der Einsatz dieser Materialien wird jedoch hauptsächlich durch ihre begrenzte makroskopische Duktilität bei Raumtemperatur eingeschränkt. Diese resultiert aus einer inhomogenen Verformung, die in schmalen Scherbändern konzentriert ist. Die unzureichende Duktilität kann durch das Einbringen einer zweiten, duktilen Phase in die Glas-Matrix verbessert werden, so dass Komposite gebildet werden. Diese Komposite weisen in der Regel immer noch hohe Festigkeiten auf, lassen sich aber gleichzeitig deutlich besser plastisch verformen. Es wurden bereits verschiedene Arten von massiven metallischen Glas-Matrix-Kompositen entwickelt. Jedoch konnte die plastische Verformbarkeit in Zug- oder Biegeversuchen nur in den Materialien erhöht werden, in denen sich die zweite Phase bei der Erstarrung ausscheidet. Unter diesen in-situ Kompositen konnte eine signifikante Duktilität lediglich für zwei Legierungstypen beobachtet werden: massive metallische Gläser auf TiZrBe- und auf CuZr-Basis. Die Ausscheidungen der kubischen β-(Ti,Zr) Phase wachsen dendritenartig in die Glas-Matrix, wohingegen sich in letzterem Legierungstypen sphärische Ausscheidungen der Formgedächtnislegierung, B2-CuZr, im Glas bilden. CuZr-Basislegierungen haben dabei den großen Vorteil, dass sie kein Be enthalten, welches toxisch ist. Außerdem weisen diese Komposite auch dank der Formgedächtnisphase eine starke Kaltverfestigung auf. Das Konzept, massive metallische Formgedächtnis-Glas-Matrix-Komposite herzustellen, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren, wurde bisher nur auf CuZr-Basislegierungen angewandt. Es soll mittels dieser Arbeit nun erforscht werden, ob dieses Konzept auf andere massive metallische Gläser übertragbar ist. Des Weiteren ist der Zusammenhang zwischen Gefüge, Phasenbildung und mechanischen Eigenschaften der Komposite noch nicht vollständig verstanden, insbesondere die Rolle der Ausscheidungen in Bezug auf die Scherbandbildung und die Spannungsverteilung in der Glas-Matrix. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Klasse massiver, metallischer Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite um das Konzept, welches ursprünglich für CuZr-Basislegierungen entwickelt wurde, zu erweitern. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften sollen mit dem Gefüge und der Phasenbildung in Beziehung gesetzt werden, um so die fundamentalen Verformungsmechanismen und ihre Ursachen besser zu verstehen. Der Ausgangspunkt bei der Herstellung neuer massiver metallischer Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite ist das pseudobinäre TiCu-TiNi-System. In diesem System konnten massive Glasproben mit einem kritischen Gießdurchmesser von circa 1 mm hergestellt werden und zwar in dem Zusammensezungsbereich, in dem die kubische Formgedächtnisphase, B2-TiNi, gebildet wird. Während der Abkühlung findet in diesen Kompositen bei etwa 325 K eine martensitische Umwandlung der B2-Phase zur orthorhombischen B19-TiNi Phase statt. B2- und B19-TiNi weisen eine gute Verformbarkeit von bis zu 30% bei Raumtemperatur unter Zugbelastung auf. Die hier erzeugten Ti-Cu, Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-Ni-Zr, Ti-Cu-Ni-Zr-(Si) und Ti-Cu-Ni-Co-Legierungen basieren auf Literaturangaben und Vorhersagen bezüglich der Glasbildungsfähigkeit in diesen Systemen mittels λ+Δh1/2-Kriterium, welches die Auswirkungen der Atomgrößenunterschiede der Elemente und deren elektronische Wechselwirkung einbezieht. Die Proben wurden im Schmelzspinnverfahren (Bänder) und mittels Saugguss in einer Cu-Kokille (Stäbe und Bleche) hergestellt. Die Weiter- und Neuentwicklung von Legierungen, beginnt mit dem Ti-Cu-System. Die Glasbildungsfähigkeit in diesem binären System ist nur gering, so dass lediglich mikrometerdicke amorphe Bänder hergestellt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass der beste Glasbildner eine Zusammensetzung von etwa Ti50Cu50 hat. Die Glasbildungsfähigkeit von binären Legierungen kann durch die Zugabe von Ni weiter verbessert werden. Dies führte innerhalb dieser Arbeit zur Entwicklung neuer Ti-Cu-Ni Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite, in welchen die orthorhombische Martensitphase in der Glas-Matrix ausgeschieden wird. Diese ternären Legierungen zeigen eine hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einer hohen Bruchdehnung. Beim Überschreiten einer Temperatur von etwa 320 K vollziehen die Ausscheidungen eine reversible martensitische Umwandlung vom B19- zum B2-Strukturtyp. Durch die amorphe Matrix wird die Hochtemperaturphase (B2 Phase) stabilisiert. Dies verursacht unterschiedliche Umwandlungstemperaturen im Kompositmaterial, die davon abhängig sind, ob die Ausscheidungen nur teilweise oder vollständig in der Matrix eingebettet sind. Die Verformung beginnt in der weichen kristallinen Phase, welche eine heterogene Spannungsverteilung in der Glas-Matrix erzeugt und eine hohe Dichte an Scherbändern in der Matrix verursacht. Die Ausscheidungen haben zudem die Funktion, die Ausbreitung der Scherbänder zu blockieren und das Versagen des Materials zu verzögern. Die Größe der Komposite ist jedoch auf Grund der geringen Glasbildungsfähigkeit auf einen Stabdurchmesser von ca. 1 mm begrenzt. Dies kann mit dem Zulegieren von CuZr verbessert werden. Es wurden hier auf diese Weise neue Ti-Cu-Ni-Zr Komposite entwickelt, deren Durchmesser zwischen 2 und 3 mm liegt. Diese bestehen hauptsächlich aus sphärischen Ausscheidungen der kubischen B2-(Ti,Zr)(Cu,Ni)- und der Glasphase. Die wechselseitige Beziehung zwischen der Streckgrenze und dem Volumenanteil der B2-Phase wurde im Detail untersucht. Für kristalline Volumenanteile kleiner als 30 Vol.-% folgt die Streckgrenze der Mischungsregel und für größere Volumenanteile dem „lasttragenden Modell“ (load bearing model). Die Bruchdehnung wird ebenfalls vom Volumenanteil der Phasen beeinflusst und zeigt ein Maximum bei etwa 30 Vol.-% an B2-Phase. Dies stimmt mit der Vorhersage des „Drei-Element-Modells“ überein. Es wurde festgestellt dass die kubische B2-Phase während der Verformung eine martensitische Umwandlung durchführt, was die starke Kaltverfestigung und die hohen Bruchspannungen dieser Legierungen zur Folge hat. Die Glasbildungsfähigkeit von TiCu-Basislegierungen kann im Gegenzug weiterhin durch geringe Si-Zusätze gesteigert werden. Hierbei tritt jeweils ein Maximum bei Zusätzen von 1 und 0,5 at-% Si zu binären Ti-Cu- oder zu quarternären Ti-Cu-Ni-Zr-Legierung auf. Das Optimum der Glasbildungsfähigkeit ist das Ergebnis sowohl eines geringeren Anteils hochschmelzender Ti5Si3-Ausscheidungen, die als Keimbildner für andere kristalline Phasen dienen, als auch der erhöhten Stabilität der Schmelze sowie der unterkühlten Schmelze. Der Zusatz von Co wiederum hat einen gegenteiligen Effekt. Er vermindert die Glasbildungsfähigkeit von Ti-Cu-Ni-Legierungen drastisch. Zudem scheinen sowohl die martensitische Umwandlungstemperatur als auch das mechanische Verhalten mit der Zahl und Konzentration der Valenzelektronen der B2-Phase zu korrelieren. Die Umwandlungstemperatur sinkt mit steigender Valenzelektronenkonzentration. Eine ausgezeichnete Kombination von hoher Streckgrenze und Bruchdehnung tritt für die Legierungen Ti-Cu-Ni-Zr und Ti-Cu-Ni-Zr-Si mit einem relativ geringen CuZr-Anteil auf. Die Bruchdehnung unter Druck ist fast zweimal höher als es für CuZr-Basis-Komposite gewöhnlich beobachtet worden ist. Die Legierung Ti45Cu39Ni11Zr5 zeigt beispielsweise eine Streckgrenze von 1490±50 MPa in Kombination mit einer plastischen Dehnung von 23,7±0,5%. Für die CuZr-reicheren Ti-Cu-Ni-Zr Zusammensetzungen wurde jedoch eine geringere Duktilität festgestellt, was das Resultat spröder Cu2TiZr-Ausscheidungen in der Glas-Matrix ist. Die vorliegende Arbeit erweitert folglich das Konzept der „Formgedächtnis-Glas-Matrix Komposite“, welches bisher auf CuZr-basierte Legierungen beschränkt war und liefert wichtige Einblicke in die Beziehung zwischen Phasenbildung und mechanischen Eigenschaften der neuen Klasse hochfester TiCu-Basislegierungen, welche nach weiterer Optimierung vielversprechend sein könnten für Hochleistungsanwendungen wie Durchflussmesser, Sensoren und mikrometer- und mm-große Antriebe.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung der kostengünstigen aber sauerstoffaffinen Legierungselemente Mangan, Silizium und Chrom in pulvermetallurgisch hergestellten Sinterstählen untersucht. Das Einbringen der Legierungselemente erfolgte mit Hilfe unterschiedlicher Masteralloysysteme. In der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt 18 chemisch unterschiedliche, niedriglegierte Sinterstähle entwickelt und untersucht.

The focus of this work is the theoretical and experimentell descreption of so-called Reactive Multilayer Systems (RMS). The RMS consist of at least two mostly metallic materials, which can exothermic response with each other. Using magnetron sputter deposition (MSD) several hundred to thousands alternating layers are produced. The periodic thickness varies between 10-150 nm and the total thickness between 10-100 µ m . The exotermic reaction is effected by an activation energy, e.g. with an electric spark. In this case a phase transition of the RMS materials, which are in a metastable equilibrium, will take place. This released energy in the shape of heat, which actvates the reaction in the neighboring areas. It forms a self-sustaining thermal wave through the RMS foil. In this case the amount of energy is present, that a solder on the RMS or the joining samples or even the material itself can be melted. Therefore the RMS can be used as a heat source for joining two components. The major advantage of this technology is the very low heat input in the bonding components, due to the milliseconds of the reaction. Thus the components are heated only superfical and there is no structural damage. Thus a very low-stress joining is possible. Furthermore is guaranteed, because of the metallic materials, a very high electrical and thermal conductivity. For the theoretical characterization of the physical and chemical processes within the RMS FEM-Simulations of the absolut temperature and the propagation velocity are preformed. In order to calculate the tmeperature ditribution in the components a new method will presented. It is thus possible to calculate the temperature penetration of the components to determine potential thermal barrier layer-thickness and the meltig time. Thus parameters for the specific joint problem such as period thickness, etc. of the RMS are derived. Modelling the heat transport after joining with RMS it is possible to derive a corralation between the thermal conductivity and shear strength. To quantify the theoretical results and to require certain parameters for the calculations experiments were preformed. The RMS will be investigated experimentally in terms of their enthalpy H , propagation velocity v , nascent temperature, melting time t schmelz , interdiffusion zone w , phase transition and its use as inovative heat source for joining components. The experimental results are compared with the theortical and complet this work.

Beim Siegeln von Verpackungen können nicht-qualitätsgerechte Siegelnähte dadurch entstehen, dass sich Teile des Packguts zwischen den zu fügenden Packmittelbahnen befinden. Im Gegensatz zum konventionellen Wärmekontaktsiegeln besteht beim Ultraschallsiegeln die Möglichkeit, für jeden einzelnen Siegelvorgang Prozessdaten zu erfassen. Aus dem Bereich des Ultraschallschweißens ist bekannt, dass sich anhand dieser Daten der Prozess überwachen und dessen Güte bewerten lässt. Die vorliegende Arbeit untersucht den Informationsgehalt dieser Prozessdaten hinsichtlich störungsbehafteter Siegelnähte und leistet damit einen Beitrag zur Verbesserung der Verpackungsqualität und damit im besten Fall auch zu weniger Lebensmittelverlusten. Es wird dazu zunächst eine Systematisierung von möglichen Störprinzipen beim Siegeln hinsichtlich ihrer physikalischen Wirkprinzipe vorgenommen. Darauf aufbauend konnte ein Versuchsstand und eine Methodik zur Untersuchung der Thematik entwickelt werden. Abschließend wurden ausgewählte Störprinzipe untersucht, wobei sich ein sehr starker Packstoff- und Einfluss der Prozessführung herausstellte. Es konnte ein prinzipieller Zusammenhang zwischen Auswirkung einer Störung auf die Nahtqualität und die Prozessdaten gezeigt werden, welcher sich jedoch auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse nicht verallgemeinern lässt.

In the course of the PhD thesis large area homogeneous strictly monolayer graphene films were successfully synthesized with chemical vapor deposition over both Cu and Si (with surface oxide) substrates. These synthetic graphene films were characterized with thorough microscopic and spectrometric tools and also in terms of electrical device performance. Graphene growth with a simple chemo thermal route was also explored for understanding the growth mechanisms. The formation of homogeneous graphene film over Cu requires a clean substrate. For this reason, a study has been conducted to determine the extent to which various pre-treatments may be used to clean the substrate. Four type of pre-treatments on Cu substrates are investigated, including wiping with organic solvents, etching with ferric chloride solution, annealing in air for oxidation, and air annealing with post hydrogen reduction. Of all the pretreatments, air oxidation with post hydrogen annealing is found to be most efficient at cleaning surface contaminants and thus allowing for the formation of large area homogeneous strictly monolayer graphene film over Cu substrate. Chemical vapor deposition is the most generally used method for graphene mass production and integration. There is also interest in growing graphene directly from organic molecular adsorbents on a substrate. Few studies exist. These procedures require multiple step reactions, and the graphene quality is limited due to small grain sizes. Therefore, a significantly simple route has been demonstrated. This involves organic solvent molecules adsorbed on a Cu surface, which is then annealed in a hydrogen atmosphere in order to ensure direct formation of graphene on a clean Cu substrate. The influence of temperature, pressure and gas flow rate on the one-step chemo thermal synthesis route has been investigated systematically. The temperature-dependent study provides an insight into the growth kinetics, and supplies thermodynamic information such as the activation energy, Ea, for graphene synthesis from acetone, isopropanol and ethanol. Also, these studies highlight the role of hydrogen radicals for graphene formation. In addition, an improved understanding of the role of hydrogen is also provided in terms of graphene formation from adsorbed organic solvents (e.g., in comparison to conventional thermal chemical vapor deposition). Graphene synthesis with chemical vapor deposition directly over Si wafer with surface oxide (Si/SiOx ) has proven challenging in terms of large area and uniform layer number. The direct growth of graphene over Si/SiO x substrate becomes attractive because it is free of an undesirable transfer procedure, necessity for synthesis over metal substrate, which causes breakage, contamination and time consumption. To obtain homogeneous graphene growth, a local equilibrium chemical environment has been established with a facile confinement CVD approach, inwhich two Si wafers with their oxide faces in contact to form uniform monolayer graphene. A thorough examination of the material reveals it comprises facetted grains despite initially nucleating as round islands. Upon clustering these grains facet to minimize their energy, which leads to faceting in polygonal forms because the system tends to ideally form hexagons (the lowest energy form). This is much like the hexagonal cells in a beehive honeycomb which require the minimum wax. This process also results in a near minimal total grain boundary length per unit area. This fact, along with the high quality of the resultant graphene is reflected in its electrical performance which is highly comparable with graphene formed over other substrates, including Cu. In addition the graphene growth is self-terminating, which enables the wide parameter window for easy control. This chemical vapor deposition approach is easily scalable and will make graphene formation directly on Si wafers competitive against that from metal substrates which suffer from transfer. Moreover, this growth path shall be applicable for direct synthesis of other two dimensional materials and their Van der Waals hetero-structures. / Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden großflächige und homogene Graphen-Monolagen mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf Kupfer- (Cu) und Silizium-(Si) Substraten erfolgreich synthetisiert. Solche monolagigen Graphenschichten wurden mithilfe mikroskopischer und spektrometrischer Methoden gründlich charakterisiert. Außerdem wurde der Wachstumsmechanismus von Graphen anhand eines chemo-thermischen Verfahrens untersucht. Die Bildung von homogenen Graphenschichten auf Cu erfordert eine sehr saubere Substratoberfläche, weshalb verschiedene Substratvorbehandlungen und dessen Einfluss auf die Substratoberfläche angestellt wurden. Vier Vorbehandlungsarten von Cu-Substraten wurden untersucht: Abwischen mit organischen Lösungsmitteln, Atzen mit Eisen-(III)-Chloridlösung, Wärmebehandlung an Luft zur Erzeugung von Cu-Oxiden und Wärmebehandlung an Luft mit anschließender Wasserstoffreduktion. Von diesen Vorbehandlungen ist die zuletzt genannte Methode für die anschließende Abscheidung einer großflächigen Graphen-Mono-lage am effektivsten. Die chemische Gasphasenabscheidung ist die am meisten verwendete Methode zur Massenproduktion von Graphen. Es besteht aber auch Interesse an alternativen Methoden, die Graphen direkt aus organischen, auf einem Substrat adsorbierten Molekülen, synthetisieren konnen. Jedoch gibt es derzeit nur wenige Studien zu derartigen alternativen Methoden. Solche Prozessrouten erfordern mehrstufige Reaktionen, welche wiederrum die Qualität der erzeugten Graphenschicht limitieren, da nur kleine Korngrößen erreicht werden konnen. Daher wurde in dieser Arbeit ein deutlich einfacherer Weg entwickelt. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, bei dem auf einer Cu-Substratoberfläche adsorbierte, organische Lösungsmittelmoleküle in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht werden, um eine direkte Bildung von Graphen auf einem sauberen Cu-Substrat zu gewahrleisten.Der Einfluss von Temperatur, Druck und Gasfluss auf diesen einstufigen chemothermischen Syntheseweg wurde systematisch untersucht. Die temperaturabhängigen Untersuchungen liefern einen Einblick in die Wachstumskinetik und thermodynamische Größen, wie zum Beispiel die Aktivierungsenergie Ea, für die Synthese von Graphen aus Aceton, Isopropanol oder Ethanol. Diese Studien untersuchen außerdem die Rolle von Wasserstoffradikalen auf die Graphensynthese. Weiterhin wurde ein verbessertes Verständnis der Rolle von Wasserstoff auf die Graphen-synthese aus adsorbierten, organischen Lösungsmitteln erlangt (beispielsweise im Vergleich zur konventionellen thermischen Gasphasenabscheidung). Die direkte Graphensynthese mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf Si-Substraten mit einer Oxidschicht (Si/SiOx ) ist extrem anspruchsvoll in Bezug auf die großflächige und einheitliche Abscheidung (Lagenanzahl) von Graphen-Monolagen. Das direkte Wachstum von Graphen auf Si/SiOx -Substrat ist interessant, da es frei von unerwünschten Übertragungsverfahren ist und kein Metall-substrat erfordert, welche die erzeugten Graphenschichten brechen lassen können. Um ein homogenes Graphenwachstum zu erzielen wurde durch den Kontakt zweier Si-Wafer, mit ihren Oxidflachen zueinander zeigend, eine lokale Umgebung im chemischen Gleichgewicht erzeugt. Diese Konfiguration der Si-Wafer ist nötig, um eine einheitliche Graphen-Monolage bilden zu können. Eine gründliche Untersuchung des abgeschiedenen Materials zeigt, dass trotz der anfänglichen Keimbildung von runden Inseln facettierte Körner erzeugt werden. Aufgrund der Bestrebung der Graphenkörner ihre (Oberflächen-) Energie zu minimieren, wird eine Facettierung der Körner in polygonaler Form erzeugt, was darin begründet liegt, dass das System idealerweise eine Anordnung von hexagonal geformten Körnern erzeugen würde (niedrigster Energiezustand). Der Prozess ist vergleichbar mit der sechseckigen Zellstruktur einer Bienenstockwabe, welche ein Minimum an Wachs erfordert. Dieser Prozess führt auch zu einer nahezu minimalen Gesamtkorn-grenzlänge pro Flächeneinheit. Diese Tatsache zusammen mit der hohen Qualität der resultierenden Graphenschicht spiegelt sich auch in dessen elektrischer Leistungsfähigkeit wider, die in hohem Maße mit der auf anderen Substraten gebildeten Graphenschichten (inklusive Cu-Substrate) vergleichbar ist. Darüber hinaus ist das Graphenwachstum selbstabschliessend, wodurch ein großes Parameterfenster für eine einfache und kontrollierte Synthese eröffnet wird. Dieser Ansatz zur chemischen Gasphasenabscheidung von Graphen auf Si- Substraten ist leicht skalierbar und gegenüber der Abscheidung auf Metallsubstraten konkurrenzfähig, da keine Substratübertragung notig ist. Darüber hinaus ist dieser Prozess auch für die direkte Synthese anderer zweidimensionalen Materialien und deren Van-der-Waals-Heterostrukturen anwendbar.