Synthetische Hochleistungswerkstoffe, in Faserform, haben sich bisher in Gebieten wie dem Freizeitsport (Klettersport, Segelsport), Seetechnik (Ankerleinen, Zugleinen) und Schutzausrüstung (Ballistik, Arbeitsschutzbekleidung) bewehrt. Die Einführung von Hochleistungsfasern in weiteren Anwendungsfeldern wird durch Schwachstellen im Materialverhalten der Fasern selbst verhindert. So gilt unter Anwendern und Entwicklern das Problemfeld des inneren Verschleißes der textilen Halbzeuge bei Belastung auf Zug und Biegung, durch gegenseitiges Schädigen der Garne, als Haupthindernis zur weiteren Verbreitung von Textilstrukturen aus synthetischen Hochleistungspolymeren. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Lebensdauer von z.B. Seilen und Bändern aus Hochleistungsfasern signifikant erhöht werden kann, falls es gelingt, bestimmte Schädigungsmechanismen wie Alterung durch Strahlung, aggressive Medieneinflüsse und inneren Verschleiß auszuschließen bzw. zu mindern. Da eine, wie auch immer geartete, nachträgliche Ausrüstung oder Modifizierung der Hochleistungsfasern durch den Weiterverarbeiter (z.B. Seilerei, Weberei, Konfektionär etc.) oder individuelle Bereitstellungen durch die Hersteller ausgeschlossen ist, werden für die Erarbeitung von Lösungsansätzen folgende Randbedingungen vorgeschlagen: die Modifikation des Endverbundes erfolgt nicht durch Veränderungen an der Hochleistungsfaser, sondern durch zusätzlich eingebrachte Hilfsfasern. Das Einbringen der Hilfsfasern soll mit in der Textiltechnik üblicher Weise vorhandener Maschinentechnik möglich sein. Die Ausrüstung der Hilfsfasern erfolgt vorrangig durch Additive, primär mittels Compoundierung im Schmelzspinnprozess. Die vorliegende Arbeit wird zunächst versuchen die Auswirkungen dynamischer Belastungsprozesse auf textile Zug- und Tragmittel aus Hochleistungsfasern zu erfassen. Nach Aufnahme des Schadbildes werden dann die ausgerüsteten Hilfsfasern charakterisiert, d.h. es werden solche mechanischen und physikalischen Parameter erfasst und deren Änderung beschrieben, welche in dem zu erwartenden tribologischen System aus Hochleistungsfaser und Hilfsfasern ausschlaggebend sind. / Advanced synthetic materials, in the shape of synthetic high-performance fibers, are well established in areas such as leisure sports (climbing, sailing), maritime technology (anchor lines, load lines) and reinforced protective equipment (ballistics, protective work clothing). The introduction of high-performance fibers in other fields of application is hindered by deficiencies in the material behavior of the fibers themselves. Whereas the problem of inner wear of the textile-semi-finished products, due to tension and bending loads, causes mutual harm to the fibers. This is considered being the main obstacle to the further spread of textile structures made of synthetic high-performance polymers among users and developers. It can be assumed that a significantly increase of lifetime, of e.g. fiber ropes and narrow fabrics, can be achieved if it succeeds, to exclude certain damage mechanisms such as aging resulting from radiation, aggressive media influences and inner wear. Since any subsequently equipment or modification of high-performance fibers by the manipulators (e.g. rope factory) or individual deployments by the manufacturer are excluded, the following general conditions are suggested for the development of approaches in this work. The modification of the final textile product is not been carried out due to changes on the high-performance fiber, but by additionally introduced assisting fibers. Introducing the assisting fibers to the textile product needs to be carried out on textile technology in common ways on existing machinery. The modification of the assisting fibers will be carried out, primarily through commercially available additives, during compounding in the melt spinning process. This paper will first attempt to capture the effect of dynamic load processes on textile-based tension and hoist members, made of high-performance fibers. After recording the damage structure, the equipped assisting fibers are characterized then. The investigations are including such mechanical and physical parameters, which are crucial in the expected tribological system of high-performance fiber and assisting fibers.

Ces dernières années, les matériaux composites à matrices minérales ont suscité un grand intérêt dans le domaine du génie civil, en raison de leurs multiples avantages tels que la grande résistance en traction, le comportement pseudo-ductile, la facilité de mise en oeuvre, la nontoxicité et la compatibilité aux substrats. Toutefois, l’efficacité de ces composites est souvent limitée du fait de la faible adhérence du renfort avec la matrice. Cela est du à la faible pénétration des particules de la matrice entre les filaments internes du fil, ce qui entraine une rupture prématurée du matériau. Ce travail a pour but d’améliorer l’adhérence fil-matrice par pré-imprégnation du renfort, afin d’optimiser le comportement mécanique des composites. Deux méthodes de pré-imprégnation ont été utilisées : pré-imprégnation classique par voie humide et pré-imprégnation par voie sèche. Cette dernière se base sur l’application d’un champ électrostatique alternatif permettant la pénétration de la poudre au sein du renfort. La première méthode a déjà été utilisée dans la littérature et a permis d’améliorer les propriétés mécaniques du composite. Cependant, son utilisation reste limitée aux éléments préfabriqués simples contrairement à la deuxième méthode qui peut être appliquée pour réaliser des éléments de construction de grande taille, ou bien pour le renforcement et la réparation des structures in situ. La présente étude s’appuie sur une analyse multi-échelles permettant d’aborder le problème d’adhérence à l’échelle d’interface (fil-matrice) et à l’échelle du composite (fil-matrice et textile-matrice). Tout d’abord, des essais d’arrachement ont été conduits sur des fils de verre enrobés dans une matrice ettringitique. Huit configurations ont été étudiées afin d’évaluer l’effet du processus de pré-imprégnation et le type des matériaux de pré-imprégnation à sec. Il en sort que le comportement d’arrachement est amélioré par pré-imprégnation du fil par voie humide et sèche mais, précisons que par voie sèche, l’amélioration est significative seulement dans le cas d’utilisation de poudre de particules très fines. Une modélisation numérique de l’essai d’arrachement a été également réalisée afin d’identifier les propriétés d’interface fil-matrice. En se basant sur ces résultats, une étude expérimentale et numérique du comportement en traction des composites fil-matrice a été ensuite réalisée. Cinq configurations ont été retenues, après avoir écarté les prétraitements de fil ayant eu un effet néfaste sur l’adhérence fil-matrice. Il s’est avéré que les deux procédés contribuent à une augmentation significative des propriétés mécaniques du composite. De plus, un modèle numérique 3D a été développé pour simuler l’essai de traction d’un composite sec et pré-imprégné. Il a permis d’une part de prédire le comportement global du matériau et d’autre part d’apporter une meilleure compréhension de ce comportement grâce à l’analyse des états de déformation et de contrainte au niveau du fil, de la matrice et de l’interface. Enfin, une comparaison de l’effet des deux procédés de pré-imprégnation a été établie à l’échelle du composite textile-matrice au moyen d’essais de traction et d’analyse de corrélation d’image. Cinq différents types de tissu de verre unidirectionnel ont été utilisés. La pré-imprégnation par voie sèche a démontré la plus forte amélioration des performances du composite quel que soit le grammage du tissu, contrairement à la pré-imprégnation par voie humide qui trouve sa limite quand le textile devient dense / In recent years, mineral matrix composites have gained great interest in the field of civil engineering, thanks to their multiple advantages such as high tensile strength, pseudo-ductile behavior, ease of implementation, non-toxicity and substrate compatibility. However, the efficiency of these composites is often limited because of the low adhesion of the reinforcement to the matrix. This is due to the low penetrability of matrix particles into the space between the inner filaments of the yarn, which leads to premature failure of the material. The purpose of this work is to improve the yarn-matrix adhesion by pre-impregnating the reinforcement in order to optimize the mechanical behavior of composites. Two pre-impregnation methods were used : conventional pre-impregnation in a wet manner and pre-impregnation in a dry manner. This last is based on an alternating electrostatic field used to impregnate yarns with powder. The first method has already been used in the literature and has improved the mechanical properties of the composite. However, it is suited only for the manufacturing of simple prefabricated elements, unlike the second method, which can be applied for the construction of large elements, or for strengthening or repairing structures in site. This study is based on a multi-scale analysis to investigate the bond problem at the interface scale (yarn-matrix) and at the composite scale (yarn-matrix and textile-matrix). First, pull-out tests were conducted on glass yarns embedded in an ettringitic matrix. Eight configurations were studied to evaluate the effect of the pre-impregnation process and the type of dry pre-impregnation powders. It results that the pull-out behavior is improved by pre-impregnating the yarn in wet and dry manner but, it should be noted that in dry process, the improvement is significant only when using very fine particle powders. A numerical modeling of the pull-out test was also carried out in order to identify the yarn-matrix interface properties. Based on these results, an experimental and numerical study of the tensile behavior of yarn-matrix composites was then carried out. Five configurations were selected, after excluding the yarn pre-treatments that had a negative effect on the yarn-matrix bond. It was found that both processes contribute to a significant increase in the mechanical properties of the composite. In addition, a 3D numerical model has been developed to simulate the tensile test of a dry and pre-impregnated composite. It allowed on the one hand to predict the global behavior of the material and on the other hand to provide a better understanding of this behavior by analyzing the deformation and stress states at the level of the yarn, the matrix and the interface. Finally, a comparison of the effect of the two pre-impregnation processes was established at the textile-matrix composite scale by means of tensile tests and image correlation analysis. Five different types of unidirectional glass fabric were used. The dry pre-impregnation has shown the best improvement in composite performance regardless of fabric density, unlike the wet pre-impregnation, which has its limits when the textile becomes dense

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden im Rahmen der Teilprojekte B1 und B2 des SFB 532 alkalibeständige Glas- und Carbonrovings eingesetzt, die zu offenmaschigen 2D-Textilien verarbeitet wurden. Untersuchungen des Verbund- und des Tragverhaltens der Verstärkungsstrukturen in Pull-Out- und Dehnkörperversuchen haben gezeigt, dass das Potential der Verstärkungsfasern aufgrund einer unvollständiger Durchtränkung der Bewehrung nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Auch Defizite bei der Produktionstechnik wurden erkannt und für zukünftige Entwicklungen analysiert. Um das Potential der verwendeten Verstärkungsfaser vollständiger auszuschöpfen, wurden innovative Garnkonstruktionen, die sich positiv auf den inneren und/oder den äußeren Verbund auswirken, entwickelt und erprobt. Anhand von Versuchsreihen auf der Textilebene wurden unterschiedliche Textilparameter, wie Art der Bindung, Gittergröße und Wirkfadenspannung, identifiziert, die unmittelbar die Tragfähigkeit der Verbundbauteile beeinflussen. Für die gängigen Produktionstechniken Laminieren, Gießen, Spritzen, Schleudern und Extrudieren wurden entsprechende Bewehrungskonstruktionen abgeleitet, die den Anforderungen des jeweiligen Prozess angepasst wurden. Ein weiterer Punkt der Forschungsaktivitäten stellte die Entwicklung der Maschinentechnik zur Herstellung von Verstärkungstextilien dar. Am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University wurde in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ein Maschinenkonzept entwickelt und umgesetzt, das die Herstellung von 3D-Abstandsgewirken mit einer freien Gestaltung der Deckflächen mit marktrelevanten Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. Zur gezielten Einstellung der Wirkfadenspannung wurde ein Regelungssystem konzipiert und technisch umgesetzt, mit dem eine reproduzierbare Fertigung von textilen Verstärkungsstrukturen möglich wird.

Zur Charakterisierung der Mikrostruktur wurde die Geometrie des Verbundes aus REM-Aufnahmen ausgewertet, sowie die Verbundwirkung einzelner Filamente aus Filament-Pull-Out-Versuchen abgeleitet. Die gewonnenen Parameter bilden die Grundlage für die Modellierung von Garnauszugs- und Rissüberbrückungsmodellen. Unabhängig davon wurde ein Filament-Matrix-Verbund-Gesetz simuliert. Die Übereinstimmungen zwischen der Simulation und der experimentellen Untersuchung des Ausziehverhaltens werden in dem Artikel diskutiert. / The microstructure is characterized by analysing the bond geometrically and experimentally. The data to evaluate these two ways are from SEMimages and filament-pull-out-tests. Based on these data yarn-pull-out-models and crack-bridging-models are calculated. In addition a filament-matrix-bond-law is simulated independently. The correlation between the simulation and the experimental analysis of the pull-out behaviour is discussed in this paper.

Zur Untersuchung der Schädigungs- und Versagensmechanismen eines in Beton eingebetteten Multifilamentgarns im Auszugversuch wurde die Schallemissionsanalyse zur Identifizierung und Lokalisierung von Filamentbrüchen eingesetzt. Im ersten Schritt wurden dazu die Schall emittierenden Ursachen (Filamentriss, Filamentablösung und Mikroriss im Beton) für eine Differenzierung charakterisiert. Es wurden Versuche zur Erzeugung von isolierten Signalen durchgeführt, welche mit Hilfe der Signal- und Frequenzanalyse untersucht wurden. Bei dem durchgeführten Garnauszugversuch konnte eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit der Filamentbrüche erzielt werden. Der Schädigungsverlauf des Garns während des Auszugversuchs konnte detailliert untersucht werden.

The idea underlying the present study was to apply twisting in order to introduce different levels of transverse pressure. The modified structure affected both the bonding level and the evolution of the damage in the yarn. In order to isolate this effect in a broader context, additional parameters were included in the experiment design, namely effects of loading rate, specimen length and filament diameter (directly linked to the fineness of the yarn). These factors have been studied in various contexts by several authors. Some related studies on involved factors will be briefly reviewed.

The progress in genome research demands for an adequate infrastructure to analyze the data sets. Database systems reflect a key technology to organize data and speed up the analysis process. This paper discusses the role of a relational database system based on the problem of finding frequent substructures in multi-dimensional protein databases. The specific problem consists of producing a set of association rules regarding frequent substructures with different lengths and gaps between the amino acid residues of a protein. From a database point of view, the process of finding association rules building the base for a more in-depth analysis of the data material is split into two parts. The first part performs a discretization of the conformational angle space of a single amino acid residue by computing the nearest neighbor of a given set of representatives. The second part consists in adapting a well-known association rule algorithm to determine the frequent substructures. Both steps within this comprehensive analysis task requires substantial support of the underlying database in order to reduce the programming overhead at the application level.

Hochduktile Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) und Textilbetone (engl.: Textile Reinforced Concrete – TRC) sind zwei neuartige Faserbetone, die ein duktiles und dehnungsverfestigendes Zugverhalten aufweisen. SHCC bestehen aus feinkörnigen Zementmatrizen und kurzen Hochleistungspolymerfasern, während TRC eine Kombination aus feinkörnigen Zementmatrizen und kontinuierlichen zwei- oder dreidimensionalen Textilschichten darstellt. Letztere bestehen aus Multifilamentgarnen aus Kohlenstoff, alkalibeständigem Glas oder Polymerfasern. Die hohe elastische Verformbarkeit beider Verbundwerkstoffe bis zum Erreichen der Zugfestigkeit entsteht aus der sukzessiven Bildung multipler feiner Risse. Neben der hervorragenden Risskontrolle und Duktilität weisen diese Verbundwerkstoffe ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, was in Bezug auf kurzzeitdynamische Belastungen eine durchaus erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Obwohl SHCC eine höhere Dehnungskapazität als herkömmliche TRC zeigen, weisen die Textilbetone eine erheblich höhere Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus besitzen die textilbewehrten Betone deutlich niedrigere Einflüsse von Anwendungstechnologie und Maßstab auf das Zugverhalten, d. h. eine bessere Robustheit. Daher stellt die Kombination dieser beiden Bewehrungskonzepte einen vielversprechenden Ansatz dar. Während die Kurzfasern für eine bessere Risskontrolle und Erstrissfestigkeit sorgen, sichern die Textilgelege eine hohe Zugfestigkeit sowie Steifigkeit im gerissenen Zustand und eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Verstärkungsschicht bzw. im Bauteil. Dieser synergetische Effekt kann jedoch nur durch eine zielgerichtete Materialentwicklung erreicht werden, die eine grundlegende Materialcharakterisierung unter verschiedenen Belastungsszenarien erfordert. Im Rahmen des DFG-finanzierten Graduiertenkollegs GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“ werden duktile und Impakt resistente Komposite entwickelt, charakterisiert und erprobt, die als dünne Verstärkungsschichten auf bestehende Konstruktionen bzw. Bauelemente aufgetragen werden und dadurch deren Widerstandsfähigkeit und Resilienz gegen extreme kurzzeitdynamische Beanspruchungen signifikant erhöhen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des A3-Projektes innerhalb des GRK 2250/1 erzielt. Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und die Dehnratenabhängigkeit von mineralisch gebundenen Kompositen mit hybrider Faserbewehrung zu erfassen und zu beschreiben. Das Forschungskonzept besteht aus systematischen und parametrischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten (Faser, Textil, zementgebundene Matrix), ihres Verbundes und der entsprechenden Verbundwerkstoffe. Hierfür wurden zweckbestimmte Prüfkonfigurationen und dreidimensionale Messverfahren angewandt, die in anderen Projekten des GRK 2250/1 entwickelt wurden. Außer uniaxialen, quasistatischen und dynamischen Zugversuchen wurden quasistatische und dynamische Einzelgarnauszugsversuche durchgeführt. Die wichtigsten untersuchten Materialparameter waren die Art der Kurzfaserbewehrung und der Textilien (Material, geometrische und Oberflächeneigenschaften, Art der Tränkung usw.). Auf Basis der mechanischen Experimente wurde ein analytisches Modell eingesetzt und angepasst, dass das Zugverhalten solcher Komposite in Abhängigkeit von verschiedenen Materialparametern abbilden soll. Zusätzlich zu der detaillierten Beschreibung der Materialeigenschaften, der maßgebenden Mechanismen und synergetischen Effekte bilden die erzielten Ergebnisse eine umfangreiche experimentelle Basis für eine empirische und Modell gestützte Weiterentwicklung und Optimierung dieser Verbundwerkstoffe mit Hinblick auf wirtschaftliche und ökonomische Aspekte. / Strain-hardening cement-based composites (SHCC) and textile-reinforced concrete (TRC) are two novel types of fiber-reinforced cementitious composites that exhibit ductile, strain-hardening tensile behavior. SHCC comprises fine-grained cementitious matrices and short, high-performance polymer fiber, while TRC is a combination of a fine-grained, cementitious matrix and continuous two- or three- dimensional textile layers of multi-filament yarns, usually made of carbon or alkali-resistant glass. Both composites yield high inelastic deformations in a strain-hardening phase due to the successive formation of multiple fine cracks. Such cracking behavior stands for high energy absorption of the composites when exposed to extreme loading, without abrupt loss of load-bearing capacity. In comparative terms, SHCC shows superior strain capacity, while TRC yields considerably higher tensile strength. The addition of short fibers strengthens the matrix by efficiently restraining the micro-cracks’ growth and reducing spallation, while the textile reinforcement ensures a secure confinement of the reinforced concrete element (substrate to be strengthened), as well as a favorable stress distribution. The combination of SHCC and textile reinforcement is expected to deliver high tensile strength and stiffness in the strain-hardening stage along with pronounced multiple cracking. In order to achieve a favorable synergetic effect, a purposeful material design is required based on a clear understanding of the mechanical interactions in the composites. In the framework of the DFG Research Training Group GRK 2250, which aims at enhancing structural impact safety through thin strengthening layers made of high-performance mineral-based composites, this work focuses on developing hybrid fiber-reinforced cementitious materials to be applied on the impact rear side. The development concept builds upon a systematic investigation of various aspects of the mechanical behaviors of SHCC and textile at quasi-static and impact strain rates, including the bond properties of fiber to matrix and textile to matrix. Accordingly, uniaxial quasi-static tension tests were first performed on SHCC, bare textile, and hybrid-reinforced composite specimens. The parameters under investigation were types of short fiber and textile reinforcements, reinforcing the ratio for textile as well as bond properties between textile and the surrounding SHCC. Furthermore, impact tension tests were performed to study the strain rate effect on the synergetic composite response. Finally, single-yarn pull-out tests were carried out under both quasi-static and impact loading rates to supplement the comparative assessment of the hybrid fiber-reinforced composites. These tests yielded shear strength-related parameters for quantifying the bond properties of different materials, which were then used as input of the analytical model developed to describe the mechanics of crack propagation and tension stiffening effect of textile-reinforced composites without short fibers. This model is the first step towards a comprehensive analytical description of the tensile behavior of hybrid fiber-reinforced composites based on the experimental data and input parameters attained through the work at hand.

A novel laser light-sensitive yarn based on a thermoplastic polyester–urethane (TPU) has been prepared and analyzed. Since the thermosensitive shape memory polymer yarn (SMP yarn) has been functionalized using nanoscale heat sources exhibiting light-induced heat generation, the yarn is capable of an optically triggered shape memory effect (SME). For this purpose gold nanorods (GNR) have been employed. In addition to the incorporation of GNR into the yarn, a coating of GNR on the yarn is also proposed, applied by a semi-continuous layer-by-layer (LBL) technique. The SME of the functionalized yarns can be triggered either thermally or optically and has a strain recovery of almost 100%. The light-induced SME is triggered by a low-powered laser (808 nm, 2 W for a GNR-incorporated and 1W for a GNRcoated TPU yarn). A reference yarn without GNR showed no significant effect. An adaptive structure featuring a SMPyarn backed shape memory effect has been proposed and demonstrated.

The new concept of a superconducting magnetic bearing (SMB) system can be implemented as a twisting element instead of the existing one in a ring spinning machine, thus overcoming one of its main frictional limitations. In the SMB, a permanent magnet (PM) ring rotates freely above the superconducting ring due to the levitation forces. The revolution of the PM ring imparts twists similarly to the traveler in the existing twisting system. In this paper, the forces acting on the dynamic yarn path resulting from this new technology are investigated and described with a mathematical model. The equation of yarn movement between the delivery rollers and the PM ring is integrated with the Runge-Kutta method using MATLAB. Thus, the developed model can estimate the yarn tension and balloon form according to different spindle speeds considering the dynamic behavior of the permanent magnet of the SMB system. To validate the model, the important relevant process parameters, such as the yarn tension, are measured at different regions of the yarn path, and the balloon forms are recorded during spinning with the SMB system using a high speed camera.