Die Arbeit analysiert das Lasermikrosintern von Metallen in seiner Gesamtheit durch kalkulierbare Modelle und Formulierungen. Hierfür wird der Sintervorgang in relevante Prozessschritte untergliedert. Die darauf aufbauenden Berechnungen der Prozessparameter werden in Form analytischer Ansätze und durch numerische Simulation analysiert. Anfänglich werden die Modelle der Einzelschritte und deren Resultate werden auf Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und Beobachtungen geprüft. Hierbei dienen die Modelle, Algorithmen und analytischen Beziehungen als nachhaltiges Instrumentarium für Analysen und Beschreibungen dieses und ähnlicher Prozesse. Mithilfe der entwickelten Algorithmen werden die bisherigen Vorstellungen zum Prozessmechanismus verifiziert, korrigiert, ergänzt und offene Fragen zur Prozessmechanik beantwortet. Abschließend werden die mechanistischen Modelle der Einzelschritte zur Diskussion experimenteller Ergebnisse und beobachteter Prozessphänomene in Form einer Gesamtinterpretation der betreffenden Lasermikrosinterregime zusammengeführt. Zunächst werden die Prozessbedingungen und Prozessbeschreibungen sowie die Modelle zur Strahlungsabsorption in Pulvern in Arbeiten fremder Autoren vorgestellt. Zur Beschreibung der Ursache und Wirkung laserinduzierter Plasmen, ein besonders beim Lasermikrosintern bedeutsames Phänomen, wird auf eigene frühere Arbeiten zurückgegriffen. Aus den besonderen Bedingungen des Lasermikrosinterns wird die formale Gliederung des Prozessverlaufs in drei separate Dissipationsphasen abgeleitet. Die drei relevanten Reaktionsphasen sind hierbei, die Absorption der Strahlung, die Wärmeausbreitung und Schmelzerzeugung sowie die Wärmeleitung im Pulverbett. Die ablaufenden Einzelmechanismen als Folge der gepulsten Laserstrahlung werden durch geeignete Näherungen beschrieben und berechnet. Die Resultate werden mit grundlegender Aussage mit experimentellen Beispielen verglichen und verifiziert. Die Betrachtung unterschiedlicher Regime des Lasermikrosinterns erfolgt, gestützt auf die Ergebnisse der Kalkulationen der energetisch-thermodynamischen Synthese. Es werden Aussagen zu den regimespezifischen Prozessmerkmalen getroffen und mit den Beobachtungen verglichen. Oder, es werden regimespezifische Beobachtungen mit Hilfe der im vorhergehenden Abschnitt entwickelten prozessanalytischen Werkzeuge interpretiert. Auswirkungen von Parametervariationen auf den Gesamtprozess werden im Hinblick auf das Optimierungspotential diskutiert.

We study the conformational properties of dendrimers with flexible spacers in solutions over a wide range of concentrations from dilute solutions to melts. By combining large scale computer simulations using the bond fluctuation model with scaling arguments we identify the semi-dilute regime of dendrimers which is controlled by the concentration behavior of the linear spacers. Associated with this observation we find that the decrease in the size of flexible dendrimers is accompanied by increasing interpenetration between the molecules with increasing concentration of the solution. In the melt state we show that the size of individual dendrimers follows the scaling prediction for isolated dendrimers at the θ-point rather than that of collapsed dendrimers. The pair correlation functions between the centers of dendrimers indicate that for short spacers dendrimer solutions retain the morphological characteristics of simple liquids. For long spacers the functions reveal high penetration of neighboring dendrimers in the melt state. Our studies show that flexible dendrimers in solution can be understood with arguments similar to those of linear polymers. The role of generation is to influence the particular form of the crossover-function.

Das Hochtemperaturverhalten beeinflusst viele verschiedene Prozesse von der Materialherstellung bis hin zur technologischen Anwendung. In-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bietet die Möglichkeit, die atomaren Prozesse während struktureller Phasenübergänge direkt und in Realzeit zu beobachten. In dieser Arbeit wurde in-situ TEM angewendet, um die Reversibilität des Schmelz- und Kristallisationsprozesses, sowie das anisotropen Sublimationsverhaltens von Ge-Sb-Te (GST) Dünnschichten zu untersuchen. Die gezielte Probenpräparation für die erfolgreiche Beobachtung der Hochtemperatur-Phasenübergänge wird hervorgehoben. Die notwendige Einkapselung für die Beobachtung der Flüssigphase unter Vakuumbedingungen und die erforderliche sauberer Oberfläche für den Sublimationsprozess werden detailliert beschrieben. Außerdem wird die Elektronenenergieverlustspektroskopie eingesetzt um die lokale chemische Zusammensetzung vor und nach den Übergängen zu bestimmen. Die Untersuchung der Grenzflächenstruktur und Dynamik sowohl beim Phasenübergang fest-flüssig als auch flüssig-fest zeigt Unterschiede zwischen den beiden Vorgängen. Die trigonale Phase von GST weist beim Schmelzen eine teilweise geordnete Übergangszone an der fest-flüssig-Grenzfläche auf, während ein solcher Zwischenzustand bei der Erstarrung nicht entsteht. Außerdem läuft der Schmelzvorgang zeitlich linear ab, während die Kristallisation durch eine Wurzelabhängigkeit von der Zeit mit überlagerter Start-Stopp-Bewegung beschrieben werden kann. Der Einfluss der Substrat-Grenzfläche wird diskutiert und die Oberflächenenergie von GST bestimmt. Die anisotrope Dynamik führt beim Phasenübergang fest-gasförmig der kubischen Phase von GST zur Ausbildung stabiler {111} Facetten. Dies erfolgt über die Bildung von Kinken und Stufen auf stabilen Terrassen. Die Keimbildungsrate und die bevorzugten Keimbildungsorte der Kinken wurden identifiziert und stimmen mit den Voraussagen des Terrassen-Stufen-Kinken Modells überein. / High-temperature behavior influence many different processes ranging from material processing to device applications. In-situ transmission electron microscopy (TEM) provides the means for direct observation of atomic processes during structural phase transitions in real time. In this thesis, in-situ TEM is applied to investigate the reversibility of the melting and solidification processes as well as the anisotropic sublimation behavior of Ge-Sb-Te (GST) thin films. The purposeful sample preparation for the successful observation of the high-temperature phase transitions is emphasized. The required encapsulation for the observation of the liquid phase inside the vacuum conditions and the necessary clean surface for sublimation process are discussed in detail. Additionally electron energy-loss spectroscopy in the TEM is used to determine the local chemical composition before and after the phase transitions. The analysis of the interface structure and dynamic during the solid-to-liquid as well as the liquid-to-solid phase transition shows differences between both processes. The trigonal phase of GST exhibits a partially ordered transition zone at the solid-liquid interface during melting while such an intermediate state does not form during solidification. Additionally the melting process proceeds with linear dependence on time, whereas crystallization can be described as having a square-root time-dependency featuring a superimposed start-stop motion. The influence of the interface is addressed and the surface energies of GST are determined. The anisotropic dynamic of the solid-to-gas phase transition of the cubic GST phase leads to the formation of stable {111} facets. This happens via kink and step nucleation on stable terraces. The nucleation rates and the preferred kink nucleation sites are identified and are in accordance with the predictions of terrace-step-kink model.

Die Arbeit analysiert das Lasermikrosintern von Metallen in seiner Gesamtheit durch kalkulierbare Modelle und Formulierungen. Hierfür wird der Sintervorgang in relevante Prozessschritte untergliedert. Die darauf aufbauenden Berechnungen der Prozessparameter werden in Form analytischer Ansätze und durch numerische Simulation analysiert. Anfänglich werden die Modelle der Einzelschritte und deren Resultate werden auf Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und Beobachtungen geprüft. Hierbei dienen die Modelle, Algorithmen und analytischen Beziehungen als nachhaltiges Instrumentarium für Analysen und Beschreibungen dieses und ähnlicher Prozesse. Mithilfe der entwickelten Algorithmen werden die bisherigen Vorstellungen zum Prozessmechanismus verifiziert, korrigiert, ergänzt und offene Fragen zur Prozessmechanik beantwortet. Abschließend werden die mechanistischen Modelle der Einzelschritte zur Diskussion experimenteller Ergebnisse und beobachteter Prozessphänomene in Form einer Gesamtinterpretation der betreffenden Lasermikrosinterregime zusammengeführt. Zunächst werden die Prozessbedingungen und Prozessbeschreibungen sowie die Modelle zur Strahlungsabsorption in Pulvern in Arbeiten fremder Autoren vorgestellt. Zur Beschreibung der Ursache und Wirkung laserinduzierter Plasmen, ein besonders beim Lasermikrosintern bedeutsames Phänomen, wird auf eigene frühere Arbeiten zurückgegriffen. Aus den besonderen Bedingungen des Lasermikrosinterns wird die formale Gliederung des Prozessverlaufs in drei separate Dissipationsphasen abgeleitet. Die drei relevanten Reaktionsphasen sind hierbei, die Absorption der Strahlung, die Wärmeausbreitung und Schmelzerzeugung sowie die Wärmeleitung im Pulverbett. Die ablaufenden Einzelmechanismen als Folge der gepulsten Laserstrahlung werden durch geeignete Näherungen beschrieben und berechnet. Die Resultate werden mit grundlegender Aussage mit experimentellen Beispielen verglichen und verifiziert. Die Betrachtung unterschiedlicher Regime des Lasermikrosinterns erfolgt, gestützt auf die Ergebnisse der Kalkulationen der energetisch-thermodynamischen Synthese. Es werden Aussagen zu den regimespezifischen Prozessmerkmalen getroffen und mit den Beobachtungen verglichen. Oder, es werden regimespezifische Beobachtungen mit Hilfe der im vorhergehenden Abschnitt entwickelten prozessanalytischen Werkzeuge interpretiert. Auswirkungen von Parametervariationen auf den Gesamtprozess werden im Hinblick auf das Optimierungspotential diskutiert.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die theoretische Betrachtung des Glasschmelzprozesses in Glasschmelzöfen und die Darstellung von fünf Bewertungsprinzipien zur qualitativen Bewertung von Glasschmelztechnologien für die Abschmelz-, Restquarz- und Läuterzone. Es konnte gezeigt werden, dass zum verbesserten Einschmelzen des Gemenges nicht nur der Energieeintrag, sondern auch der Abtransport der neu entstehenden Schmelze intensiviert werden muss. Bei der qualitativen Bewertung und der Auswahl von Schmelztechnologien zur Beschleunigung der Restquarzlösung wurde dargestellt, dass der Einfluss der Schmelztechnologie auf das Verweilzeitverhalten und damit rückwirkend auf die Effizienz der Restquarzlösezone bei der Vorauswahl von Schmelztechnologien berücksichtigt werden muss. Für die Läuterzone wurde nachgewiesen, dass zwei teils in der Literatur diskutierte Bewertungsprinzipien zur Läuterung von Glasschmelzen abzulehnen sind bzw. zu überschätzten Aussagen zur Effizienz von Läutertechnologien führen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass für den theoretischen Fall einer Läuterbank ohne Konvektionsströmungen die Blasenwachstumsgeschwindigkeiten für Konstruktionen mit minimalen Kosten im Bereich von 4-12*10-7 m/s mit möglichen Ausreißern zu 5*10-6 m/s bei Massengläsern liegen sollten.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.

Ziel der Dissertation ist die ebenso valide wie effiziente Vorhersage der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung beim Thermit-Schweißen. Dazu werden reduzierte Modelle vorgestellt, darunter ein niederdimensionales Modell des Schienenstegs und dreidimensionale Modelle des Gießsystems für das Schweißverfahren. Mit dem niederdimensionalen Modell werden mittels Parameterschätzung unbekannte Randbedingungen der Vorwärmung des Gießsystems ermittelt sowie mittels Sensitivitätsanalyse systematisch Einflüsse auf die Schmelz- und die Wärmeeinflusszone untersucht. Durch den systematischen Vergleich der vorgestellten Modelle werden Gültigkeitsgrenzen der Modelle gezielt auf die Modellreduktionen zurückgeführt und über die Modelle hinausgehende Aspekte für die Beschreibung des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens identifiziert. Dabei wird die Validität der Modelle anhand von experimentellen Daten der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone im Schienenlängsschnitt untersucht. / This dissertation aims at providing a valid and efficient prediction of the melting zone and heat-affected zone of thermite welds. For this purpose, reduced models are presented, including a low-dimensional model of the rail web and three-dimensional models of the casting system for the welding process. With the low-dimensional model, unknown boundary conditions of the preheating of the casting system are determined by means of parameter estimation and influences on the melting zone and the heat-affected zone are systematically examined by means of a sensitivity analysis. By a systematic comparison of the models presented, the validity limits of the models are specifically traced back to the model reductions and aspects beyond these models for the description of the melting and solidification behavior are identified. The validity of the models is examined on the basis of experimental data from the melting zone and the heat-affected zone in the longitudinal section of the rails.

The paper presents new results concerning the influence of the gas density and porous plug diameter on the nature of liquid steel stirring with an inert gas in the ladle. The tests were carried out on a cold model of a 30t ladle using particle image velocimetry (PIV) with a high-speed camera to analyse the plume zone formed during the supply of argon and helium as a stirring gas. The similarity criteria for the investigation of stirring processes in cold model in the past were discussed and compared. The modified Morton number was used in this paper to relate the gas flow rate in the model with real objects. The presented results constitute complete documentation of the influence of the plug diameter and gas density on the size of formed gas bubbles and the velocity of gas bubbles rising in different zones of the plume, plume, and spout geometry, including the expansion angle, spout height, open eye area, and gas hold-up.