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Fukuda et al. published a paper (Scripta Mater. 68 (2013) 984–987) in which they claimed to be able to determine the isothermal nature of the martensitic transformation in a Ti–Ni alloy. They analyzed the evolution of electrical resistance during isothermal holding stages and concluded that the variations were a consequence of the isothermal transition between austenite and martensite. In the following we will demonstrate that the discussed data do not allow the interpretation presented and that the isothermal nature is not proved.
Sulphurous additives for polystyrene: Influencing decomposition behavior in the condensed phase
(2015)
The thermal decomposition behaviour of polystyrene (PS) containing sulphur and phosphorus additives was investigated, using thermogravimetry coupled with Fourier transform infrared spectroscopy (TGA-FTIR). It was found that the additives influence the decomposition process of the polymer in the condensed phase, resulting in a decrease in styrene monomer formation and an increase in styrene oligmer derivatives. Via reference measurements with binary mixtures it was found that the presence of sulphur additives influences the radicalic decomposition process of PS. In combination with quantum chemical calculations it was concluded that this is due to the formation of radicals that abstract hydrogen from the polymer matrix at lower temperatures, disfavouring the radicalic decomposition pathway leading to styrene.
The effect of structural constriction on molecular mobility is investigated by broadband dielectric spectroscopy (BDS) within three types of molecular arrangements: monomers, oligomers and self-assembled monolayers (SAMs). While disordered monomers exhibit a variety of cooperative and local relaxation processes, the constrained nanodomains of oligomers and highly ordered structure of monolayers exhibit much hindered local molecular fluctuations. Particularly, in SAMs, motions of the silane headgroups are totally prevented whereas the polar endgroups forming the monolayer canopy show only one cooperative relaxation process. This latter molecular fluctuation is, for the first time, observed independently from other overlapping dielectric signals. Numerous electrostatic interactions among those dipolar endgroups are responsible for the strong cooperativity and heterogeneity of the canopy relaxation process. Our data analyses also revealed that the bulkiness of dipolar endgroups can disrupt the organization of the monolayer canopy thus increasing their ability to fluctuate as temperature is increased.
An approach is presented to model elastic waveguides of arbitrary cross-section coupled to infinite solid media. The formulation is based on the scaled boundary-finite element method. The surrounding medium is approximately accounted for by a dashpot boundary condition derived from the acoustic impedances of the infinite medium. It is discussed under which circumstances this approximation leads to sufficiently accurate results. Computational costs are very low, since the surrounding medium does not require discretization and the number of degrees of freedom on the cross-section is significantly reduced by utilizing higher-order spectral elements.
Epoxy carbon-fibre prepreg, Hexcel Type 6376 HTS, was investigated using Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The DMA characteristic parameters are storage modulus E', loss modulus E' and loss factor tanδ. These parameters are ideally suited to observe the vitrification, referred to as glass transition, resulting from the cross-linking reaction. Detection of the cure state may also be achieved by determining the momentary glass transition temperature of partially cured samples. The consequent use of a multi-frequency measuring regime was used to derive the apparent activation energy for the glass transition process. Different temperature programs were also applied to monitor the curing process directly, as well as to investigate the different states of incomplete cure reached in preceding curing steps. The intention was to provide better understanding of the consequences of an interrupted autoclave curing process and to use DMA to detect the cure state achieved. With DMA, the continuation of an incomplete curing process also can be monitored. DMA measurements up to 300 °C showed, furthermore, that the final glass transition temperature was reduced by thermal degradation at high temperatures.
The objects of this investigation were sculptures taken from a ca. three hundred years old baroque epitaph of a church in Tonning, a town in Northern Germany. Around 1900 it was found in a disastrous state heavily damaged by wood-worm. At that time, the whole artwork was treated with the tar extract carbolineum as a remedy. Nowadays, this substance has been identified as carcinogenic, and its presence can be perceived by its stench and visually at certain spots on the surface where it has penetrated the covering paint.
A gold-painted sculpture of a massive wooden skull was interrogated with X-rays and fast neutrons to investigate the internal distribution of the carbolineum. The X-ray tomography, with its excellent spatial resolution revealed galleries left over from the worm infestation in the outer areas and cracks in the central region. The golden color coating appeared as a thick and dense layer. In comparison the tomography with fast neutrons, though being of lower resolution and yet unresolved artefacts revealed sections of slightly different densities in the bulk of the wood. These differences we attribute to the differences in the distribution of the impregnant in the wood, visible due to its higher hydrogen content making it less transparent for neutrons.
ISO standards for gas cylinders made from aluminum alloys generally require heat treatment after the forming process. Such heat treatment is a costly part of the manufacturing process. Particularly due to increasing international trade, market-surveillance authorities need simple and reliable methods to field-test cylinders for proper heat treating. By the present contribution the difference in strength of heat-treated and non-heat-treated gas cylinders is exemplarily shown and several material analysis methods are investigated for their suitability as field tests.
This article presents an analytical approach for simulation of ultrasonic diffracted wave signals from cracks in two-dimensional geometries based on a novel Huygens–Fresnel Diffraction Model (HFDM). The model employs the frequency domain far-field displacement expressions derived by Miller and Pursey in 2D for a line source located on the free surface boundary of a semi-infinite elastic medium. At each frequency in the bandwidth of a pulsed excitation, the complex diffracted field is obtained by summation of displacements due to the unblocked virtual sources located in the section containing a vertical crack. The time-domain diffracted wave signal amplitudes in a general isotropic solid are obtained by standard Fast Fourier Transform (FFT) procedures. The wedge based finite aperture transducer refracted beam profiles were modelled by treating the finite dimension transducer as an array of line sources. The proposed model is able to evaluate back-wall signal amplitude and lateral wave signal amplitude, quantitatively. The model predicted range-dependent diffracted amplitudes from the edge of a bottom surface-breaking crack in the isotropic steel specimen were compared with Geometrical Theory of Diffraction (GTD) results. The good agreement confirms the validity of the HFDM method. The simulated ultrasonic time-of-flight diffraction (TOFD) A-scan signals for surface-breaking crack lengths 2 mm and 4 mm in a 10 mm thick aluminium specimen were compared quantitatively with the experimental results. Finally, important applications of HFDM method to the ultrasonic quantitative non-destructive evaluation are discussed.
A software prototype is developed for assessing and updating the reliability of single-cell prestressed concrete box girders subjected to chloride-induced reinforcement corrosion. The underlying system model consists of two integrated sub-models: a condition model for predicting the deterioration state of the box girder and a structural model for evaluating the overall system reliability. The condition model is based on a dynamic Bayesian network (DBN) model which considers the spatial variation of the corrosion process. Inspection data are included in the calculation of the system reliability through Bayesian updating on the basis of the DBN model. To demonstrate the effect of partial inspections, the software prototype is applied to a case study of a typical highway bridge with six spans. The case study illustrates that it is possible to infer the condition of uninspected parts of the structure due to the spatial correlation of the corrosion process.
First developments of a new test to evaluate the fire behavior of photovoltaic modules on roofs
(2015)
A new test for photovoltaic (PV) modules exposed to an external fire source on roofs is proposed, and first results are presented. This is a simplification of the standards commonly in use for testing PV modules as roofing parts, roofing components or building components. Most of the tests required different fire scenarios and the use of burning brands such as wood cribs. In our study we proposed replacing wooden burning brands with a propane burner, the output of which is close to the one that can be observed in the burning of wooden cribs 500 g and 2 kg in size. The fire behavior was assessed by measuring smoke evolution, burning drips, flaming debris, and the time to burn-through of monocrystalline, polycrystalline and amorphous silicon panels. Two different configurations of the burner were tested, with the fire source on the top of the module or under the tilted module, respectively. The fire behavior of the modules was dependent on the burner output (16 to 46 kW), but also on the construction type of the panel (glass/glass or glass/plastic sheet) and on the position of the fire source (top or bottom). These preliminary tests for further development of the procedure yielded encouraging results for the evaluation of PV panels on roofs.
The aim of this study was the development of a low volume air sampling strategy for biocides and polychlorinated biphenyls (PCB) at low air change rates in modern, air-tight showcases as they are present in museums. Lindane, pentachlorophenol, dichlofluanid, tolyfluanid, isodrin, p,p-dichlorodiphenyl trichloroethane and permethrin were the biocides and PCB 28 and PCB 153 were the PCBs studied, all of which are semi volatile organic compounds (SVOC). Their occurrences in the museum environment originate from various sources e.g. preventive treatment of organic exhibits or organic building materials. Exhibits are long-term exposed to these pollutants due to storing in showcases or other storage equipment at low air change rates. To achieve air sampling under the aforementioned conditions the influences of temperature, air circulation, air change rate and relative humidity on the emission behavior of the selected biocides and PCBs had to be determined. This was carried out with pre-soaked wood samples in low volume air sampling experiments using 27 L test showcases and 23 L and 24 L emission test chambers and also diffusive sampling with glass as the sampling material.
The pore structure of lightweight granules made from masonry rubble was studied in order to better understand their engineering properties. Thermally and hydrothermally hardened granules were tested. Analysis by ESEM, mercury porosimetry and sorption methods yield important insight into their microstructure. The thermal granules are characterised by partly melted vitreous areas and large internal macropores that are connected via narrow throats. They show a marginal specific surface area along with a hydrophobic behaviour. In contrast, the hydrothermal granules have an accessible mesoporous system containing plate-like and ink-bottle pores. The shape of their water isotherms depending on the granules CaO content is sensitive to the morphology of calcium silicate hydrate phases (CSH). The hysteresis changes from a narrow loop that closes at low pressures, which can be attributed to coarser more crystalline CSH, to a large triangular-shaped loop along with a low pressure hysteresis, which is characteristic for fine fibre-like CSH with ink-bottle and plate-like pore morphologies. Granules with fibre-like CSH have the higher specific surfaces areas but those with more crystalline CSH show stronger physisorption of water molecules.
The aim of the joint project ViPQuali (Virtual Product Qualification) was to describe a components ageing behaviour in a given environment, by numerical simulation.
Having chosen polypropylene (PP) as the material, which does not show sensitivity to moisture, the relevant weathering parameters of the doseresponse functions could be limited to spectral irradiance and temperature.
In artificial irradiation tests, for PP plates of varied stabiliser content, spectral sensitivity as well as temperature dependence of irradiation-caused crack formation was quantified. For that purpose, samples were exposed both to artificial weathering tests at various constant temperatures and to spectrally resolved irradiation. The temperature dependence could be modelled by an Arrhenius fit. For fitting the spectral sensitivity, a plateau function was chosen. Subsequently, the stabiliser content was parameterised and extrapolated.
The formed dose–response functions were incorporated into a Computational Fluid Dynamics (CFD) software program, simulating the environment of a sample within a Phoenix-exposed IP/DP (Instrument Panel/Door Panel box) box, based on sun position and weather conditions, including radiation interactions. Observed local effects as well as the general ageing advance of PP hats are compared with respect to simulation and experiment.
Resulting from this project, for this most simple example of PP of varied stabiliser content, the time to failure can be estimated for each weathering exposure environment with known time-resolved irradiance and temperature conditions.
NbC has a relatively high hardness (19.6 GPa) and melting temperature (3600 °C) and is usually applied as a grain growth inhibitor in WC–Co hardmetals. The current study reports on the influence of the sintering technology and overall chemical composition on the microstructure and mechanical properties of NbC-based hardmetals, using Co as a binder. The partial replacement of NbC by 5 wt.% WC, Mo2C, VC or TiC allows one to significantly improve the hardness and toughness of the NbC–Co materials. The influence of different binders, i.e., Co, 316L stainless steel and Fe3Al on the microstructure and mechanical properties of NbC-based hardmetals was also investigated. The powder mixtures were sintered in the solid state by PECS and liquid state by conventional vacuum sintering. Detailed microstructural analysis was conducted by EPMA elemental mapping and WDS point analysis. Mechanical properties, including Vickers hardness and indentation toughness were assessed.
In this paper, a method to determine the complex dispersion relations of axially symmetric guided waves in cylindrical structures is presented as an alternative to the currently established numerical procedures. The method is based on a spectral decomposition into eigenfunctions of the Laplace operator on the cross-section of the waveguide. This translates the calculation of real or complex wave numbers at a given frequency into solving an eigenvalue problem. Cylindrical rods and plates are treated as the asymptotic cases of cylindrical structures and used to generalize the method to the case of hollow cylinders. The presented method is superior to direct root-finding algorithms in the sense that no initial guess values are needed to determine the complex wave numbers and that neither starting at low frequencies nor subsequent mode tracking is required. The results obtained with this method are shown to be reasonably close to those calculated by other means and an estimate for the achievable accuracy is given.
Bile acids are relevant markers for clinical research. This study reports the production of antibodies for isolithocholic acid, the isomer of the extensively studied lithocholic acid. The IgG titer and affinity maturation were monitored during the immunizations of three mice and two rabbits. In both animal models, polyclonal antibodies with a high selectivity and affinity were produced. The development of a direct competitive ELISA with a test midpoint of 0.69 ± 0.05 µg/L and a measurement range from 0.09–15 µg/L is reported. Additionally, the crystal structure of isolithocholic acid is described for the first time.
Pectin-water interactions: comparison of different analytical methods and influence of storage
(2015)
Interactions of pectin with water are essential for nearly all pectin applications. It was assumed that these interactions strongly depend not only on chemical molecular parameters but also on physical powder material properties and that they might be affected by storage. This was examined with nine different pectin samples from three suppliers. Storage at 60 °C and 80% humidity for two weeks was used in order to simulate long term storage at moderate conditions. Material properties were tested by measuring solid density and BET surface and by mercury porosimetry and X-ray analysis. Pectin-water interactions were examined with two different methods, a modified sorption method at αw around 1.0 and the capillary sucking method (Baumann method). After storage, the BET surface of the pectin samples was reduced, solid density was altered differently and crystalline structures became amorphous. It is assumed that storage at high heat and humidity caused particle surfaces softening, swelling and partly dissolution. The particle surfaces smoothed, small inter-particle voids were reduced or sealed and particles agglomerated. These alterations caused a reduced water uptake of stored pectins. In general, the accessibility of hydrophilic groups in pectin was more important for pectin-water interactions than their number. All applied methods for testing pectin-water interactions detected special sample properties and their combination allowed an extensive evaluation of the water binding properties.
The distribution and speciation of zinc were studied in the body of female specimens of the soil-inhabiting, plant-feeding nematode, Xiphinema vuittenezi treated with nano-ZnO and its bulk counterpart. Lyophilized nematodes were studied by X-ray absorption near edge structure spectrometry (XANES) in order to characterize the zinc speciation. Furthermore, in the cross-sections prepared by focused ion beam technique, elemental maps were obtained using the electron probe microanalysis (EPMA) technique. XANES spectra were collected from three different regions (head, midbody and tail region) of nematodes in case of two different treatments (50 mg/L bulk and nano-ZnO suspension, 24 h long treatment). The sample spectra were fitted by the spectra of several reference compounds, the main components of the fitted spectra are the following in all cases: bulk/nano-ZnO; ZnHis and Zn3(PO4)2 * xH2O. Consequently, partial biotransformation takes place for both treatments, histidine- and phosphate-rich ligands play dominant role in the binding of zinc. According to the result of the EPMA analysis, it can be established that the distribution of zinc correlates with the calcium and phosphorus distribution for both treatments. Considering the results of the investigations performed by the two microanalytical techniques, it is likely that calcium phosphate granules were formed in order to bind zinc and hereby to take part in zinc detoxification. Apparent difference in the behavior of bulk and nano-sized ZnO in the body of the investigated nematodes was not found.
Carrier gas hot extraction (CGHE) technique was used for measurement of hydrogen in press-hardened (and as delivered) condition of 22MnB5 steel primarily coated with a thin layer of Al–Si. The CGHE technique was applied using different temperature programs: isothermal heating, temperature step, and linear heating in solid state. The effusing hydrogen was measured using thermal conductivity device (TCD) and high resolution mass spectroscopy (MS). Single isothermal heating at 400 and 900 °C allowed determining absolute value of effusing hydrogen. The linear heating, also known as thermal desorption analysis (TDA), revealed temperature dependent hydrogen effusion peaks. The deconvolution of the TDA spectra by peak fitting allowed the calculation of hydrogen desorption energies for each peak. The results showed good agreement between hydrogen concentrations measured with MS and TCD. In addition, the as-received ferrite-perlite microstructure showed only hydrogen effusion above 400 °C. The subsequent press hardening process leads to hydrogen uptake in the microstructure. In general, the press-hardened 22MnB5 revealed a hydrogen concentration of 0.4 to 0.5 ppm. The biggest concentration was released at isothermal holding at 400 °C indicating reversibly trapped hydrogen. TDA results with different heating rates confirmed mostly diffusible and reversible trapped hydrogen due to calculated activation energies in the range from 4 to 20 kJ mol-1; it was ascertained that nearly 90 % of the hydrogen left the specimens below 400 °C. Melt extraction (ME) was performed to measure the total hydrogen amount (including the diffusible and trapped hydrogen) and showed that above 900 °C up to 1 ppm hydrogen is trapped.
We demonstrate the determination of crystal chirality using electron backscatter diffraction (EBSD) in the scanning electron microscope. The chirality of a-quartz as a space-group-dependent property is verified via direct comparison of experimental diffraction features to simulations using the dynamical theory of electron diffraction.
The paper presents an experimental program aiming at assessing the mechanical performance of rammed earth walls, namely under compression and shear loading. Axial compression and diagonal compression tests were carried out for this purpose, which allowed determining important mechanical parameters, such as compressive strength, Young's modulus, Poisson's ratio, shear strength and shear modulus. Furthermore, it allowed assessing the level of non-linear behaviour of the respective stress–strain relationships as well as the failure modes. The experimental results were then used in the calibration of numerical models (finite element method) for simulating the non-linear behaviour of rammed earth under shear loading. Both macro- and micro modelling approaches were considered for this purpose. The total strain rotating crack model was used to simulate the behaviour of the rammed earth material, while the Mohr–Coulomb failure criterion was used to simulate the behaviour of interfaces between layers. In general, the numerical models achieved good agreement with the experimental results, but uncertainties related to the definition of the input parameters required to perform a sensitivity analysis. The compressive strength, the Poisson's ratio, the tensile strength and the tensile fracture energy revealed to be the most important parameters in the analyses.
This article describes a simple and quick in silico method for the prediction of cytochrome P450 (CYP)-mediated hydroxylation of drug-like compounds. Testosterone and progesterone, two known substrates of CYP3A4, are used to test the method. Further, we apply the procedure to predict sites of hydroxylation of isomers of the flame retardant hexabromocyclododecane by CYP3A4. Within the method, the compound is rotated in the binding pocket of the cytochrome, so that each hydrogen under consideration is placed near the active centre. Afterwards, short molecular dynamics simulations are provided for each step of the rotation. All steps of the simulation are compared concerning the distances between the hydrogens and the active centre and the corresponding energies. The computational results correlate well with experimental results.
Condensates from the gas stream in simulated CO2 transport pipelines have been identified during the experiments in the laboratory. Because of their acidic origin the corrosion resistance of pipeline steels used for CCS (carbon capture and storage) technology might be limited. Over the last years it has become clear that the amount of water and acid building constituents in the CO2 stream has to be controlled very well. In this work, condensates formed in experiments using gaseous CO2 containing high amounts of water, NO2 and SO2 were analyzed, replicated, and used for extensive electrochemical experiments. These highly acidic condensates were enriched with CO2 and then applied to characteristic steels planned to use in the CCS transport chain. Even high alloy steels are susceptible to localized corrosion under these conditions. The results implicate that condensation of aggressive acid droplets has to be avoided or the locations where condensation takes place have to be controlled extensively.
Most additive manufacturing (AM) techniques have in common that material is spread out as thin layers of a dried powder/granulate by a roller or a shaker system. These layers are mostly characterized by a low packing rate. On the other hand, appreciable densities can be reached by the use of ceramic slurries. In this context, the layer-wise slurry deposition (LSD) has been developed. Specific features of the LSD process are reflected on the basis of already existing additive manufacturing technologies. The microstructure of laser-sintered bodies will be discussed, and strategies for an improved microstructure during sintering will be introduced.
The stochastic dynamic damage locating vector approach is a vibration-based damage localization method based on a finite element model of a structure and output-only measurements in both reference and damaged states. A stress field is computed for loads in the null space of a surrogate of the change in the transfer matrix at the sensor positions for some values in the Laplace domain. Then, the damage location is related to positions where the stress is close to zero. Robustness of the localization information can be achieved by aggregating results at different values in the Laplace domain. So far, this approach, and in particular the aggregation, is deterministic and does not take the uncertainty in the stress estimates into account. In this paper, the damage localization method is extended with a statistical framework. The uncertainty in the output-only measurements is propagated to the stress estimates at different values of the Laplace variable, and these estimates are aggregated based on statistical principles. The performance of the new statistical approach is demonstrated both in a numerical application and a lab experiment, showing a significant improvement of the robustness of the method due to the statistical evaluation of the localization information.
Jahresbericht 2014
(2015)
Das Radarverfahren ist ein schnelles bildgebendes Verfahren für die Untersuchung der inneren Struktur von Stahlbeton-Bauwerken und wird seit längerem erfolgreich für die zerstörungsfreie Untersuchung von Brückenbauwerken eingesetzt. Für die Rekonstruktion der Lage der Bewehrung reicht die Annahme einer homogenen Materialeigenschaft des Betons meistens aus.
Nähere Untersuchungen der empfangenen Streuungen der Radarwellen zeigen, dass neben der starken Streuung der Radarwellen an den metallischen Einbauteilen auch schwache Streuungen existieren. Diese schwachen Streuungen im Beton wurden nun erstmals in dieser Arbeit untersucht und können der Heterogenität des Betons zugeordnet werden. Die schwachen Streuungen entstehen durch den Permittivitätskontrast und die Geometrie der Gesteinskörnung im umgebenden Zementstein des Betons.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die schwachen Streuungen im Beton für unterschiedliche Gesteinskörnungen charakterisiert und der Einfluss des Wellenlängenbereichs der Radarwellen auf die Ergebnisse untersucht. Weiter zeigt die Arbeit, dass die Streuungen an der Gesteinskörnung einen wesentlichen Einfluss auf die maximale Eindringtiefe von Radarwellen in Beton haben.
The plastic deformation results in irreversible microstructure changes in the steel, which can be considered as the initial stage of the fracture process. However, detecting, monitoring and evaluating, damage states and small defects non-destructively in advance still proves challenging. Dubov reported the phenomenon of the spontaneous emergence of weak magnetic fields in ferritic structural steel and pipelines, which originate due to heterogeneous mechanical and / or thermal stresses. This observation is not associated with induced phase transformations by deformation and appears to be a promising tool for the prior characterization of damage in ferromagnetic steels. To provide a better understanding of the physical bases of the process, the magnetic microstructure of such materials and a change of magnetic domains after undergoing plastic deformation were studied. A colloidal solution with paramagnetic particles in the nanometer range (ferrofluid), which allowed, through the Bitter technique, not only to observe a change in size of the magnetic domains of the material, but also changes in their morphology. Ferritic steels with their concentrations of carbon in its composition (0.12%; 0.17% and 0.45%) were studied in this work.
Die bisherigen Forschungsergebnisse ermöglichen, ungeachtet der Vielzahl existenter experimenteller und numerischer Ergebnisse, keine allgemeingültige Heißrisscharakterisierung und speziell Erstarrungsrisscharakterisierung. Ursächlich hierfür ist vor allem die Vielzahl von Einflussgrößen und damit die komplexe Interaktion dieser Mechanismen, die eine generelle Beschreibung des Heißrissphänomens erschwert. Die Heißrissentstehung und somit die Erstarrungsrissinitiierung werden durch die Interaktion von Schweißprozess, Metallurgie und Design beschrieben. Die Literaturrecherche zeigt, dass bei der Erstarrungsrisscharakterisierung der konstruktive Aspekt vielfach unterschätzt wird. Hierbei werden u. a. die bauteil- und fertigungsspezifischen Vorbeanspruchungen durch diverse Umformprozesse hinsichtlich der Ausführung der Schweißnaht zu selten berücksichtigt. Ferner wird der Designeinfluss bei der Heißrissentstehung durch die eingeschränkte Übertragbarkeit verschiedener Beanspruchungen auf den Labormaßstab und somit auf die jeweiligen Heißrisstests limitiert. Daraus resultiert die Komplexität bei dem Transfer der Ergebnisse zwischen Laborproben und Bauteilen sowie der grundsätzlichen Heißrisscharakterisierung.
Diese Arbeit hatte das Ziel, unterschiedliche bei Bauteilschweißungen auftretende Bean-spruchungen im Labor abzubilden sowie die experimentelle Quantifizierung erstarrungs-risskritischer Größen. Diesbezüglich wurden fremdbeanspruchte Heißrisstests unter An-wendung berührungsloser Messtechniken durchgeführt, um so den Schweißprozess hin-sichtlich verschiedener designspezifischer Einflussgrößen auf die Erstarrungsrissinitiierung bei hochlegierten Stählen zu analysieren. Die Untersuchungen erfolgten an austenitischen (1.4828) und ferritischen (1.4509) Werkstoffen mit unterschiedlichen mechanischen und technologischen Eigenschaften. Zur Berücksichtigung der praxisrelevanten Beanspruchungen wurden die Proben mit verschiedenen Zug- und Biegebeanspruchungen teils vor und während des WIG-Schweißprozesses beaufschlagt. Im Hinblick auf den jeweiligen Beanspruchungsfall erfolgten lokale und schweißnahtnahe Analysen erstarrungsrisskritischer Verschiebungen und Verschiebungsraten mit exakter Zeit- und Ortsauflösung. Zusätzlich wurden Fallanalysen an Bauteilen in industriellen Fertigungsprozessen durchgeführt, um besonders den gegenseitigen Einfluss von Design und Schweißprozess zu ermit-teln und zusätzlich die Ergebnisübertragbarkeit von Laborproben und Bauteilen aus dem Fertigungsprozess zu prüfen.
Die durchgeführten Untersuchungen ergeben wesentliche Erkenntnisse zur Vermeidung von Bauteilschäden durch Erstarrungsrisse. Es wurde der designspezifische Einfluss auf das Erstarrungsverhalten der Schweißnaht nachgewiesen und als Erstarrungsrisskriterium dargestellt. Die Arbeit beschreibt für diverse Beanspruchungen die Mechanismen bei der Erstarrungsrissinitiierung. Ferner zeigen die Ergebnisse wesentliche erstarrungsrissspezifische Unterschiede zwischen Vorbeanspruchungen und Beanspruchungen während des Schweißprozesses. Zudem erfolgte die Darstellung der Interaktion von Design und Schweißprozess, werkstoffspezifisch anhand in-situ detektierter Verschiebungswerte. Es wurde gezeigt, dass die ermittelten Messdaten von Bedeutung für weiterführende numerische Simulationen sind, insbesondere zur Validierung numerischer Modelle, die erstarrungsrisskritische Bauteildeformationen abbilden.
Funktionalisierte Oberflächen sind in vielen Bereichen, z. B. als Haftvermittler in Polymerkompositen, für katalytische Anwendungen oder als Sensoren von Interesse. Für viele solcher Anwendungen ist es ausreichend, den verwendeten Werkstoff mit einem ultradünnen Polymerfilm zu überziehen. Dazu gibt es bislang einige Verfahren, wie z. B. Chemical Vapour Deposition, Layer-by-Layer-Technik, Langmuir-Blodgett-Technik oder Spin-Coating, die alle bestimmte Nachteile haben.
In der vorliegenden Arbeit wurden wenige Nanometer dicke Polymerschichten auf metallischen und nicht-metallischen Substraten mittels Elektrospray Ionisation abgeschieden.
So wurden typischerweise etwa 10 nm dicke Schichten von Polyacrylsäure (PAA) hergestellt. Die analytische Charakterisierung der produzierten Schichten erfolgte mit der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Die Atomkraft- bzw. Rasterelektronenmikroskopie gaben Auskunft über den Bedeckungsgrad und die Schichtmorphologie. Die Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie wurde zur Bestimmung des Restlösemittelgehaltes verwendet.
Zur Optimierung der Schichtabscheidung und -struktur wurden verschiedene Parameter variiert, wie z. B. der Kapillaren-Proben-Abstand, die Beschichtungszeit oder die Beschichtungstemperatur, wobei sich herausstellte, dass die Schichtbildungsparameter für jedes Polymer individuell angepasst werden müssen.
Es konnte gezeigt werden, dass Beschichtungen, bei denen sich das Substrat senkrecht zur Kapillare befindet, bei Raumtemperatur mit einem Kapillaren-Proben-Abstand von mindestens 100 mm zu lösemittelfreien PAA-Schichten führen. Dabei war die Ausbildung der Filmtopographie unabhängig sowohl von der Konzentration der Lösung als auch von der Oberflächenenergie des Substrates.
Die Nanomedizin beschäftigt sich unter anderen mit der Frage, wie sich die Behandlung gefährlicher Krankheiten effizienter und sicherer gestalten lässt, deren konventionelle Therapie oftmals mit schweren Nebenwirkungen einhergeht. Die Vision ist, ein theranostisches Wirkstoffträgersystem zu schaffen, das seinen therapeutischen Cargo sicher an den Wirkort transportiert, dort freisetzt und gleichzeitig in Echtzeit verfolgt werden kann, um die Therapie individuell anzupassen. Die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung eines Wirkstoffträgersystems bilden Untersuchungen zum Verhalten von nanopartikulären Substanzen in physiologischer Umgebung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden polymere Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie durch die kontrollierte Selbstorganisation amphiphiler Blockcopolymere hergestellt, charakterisiert und auf ihre Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen und Serumproteinen untersucht. Dazu wurde eine Studie zur Geometrie- und Größenabhängigkeit der Zytoxizität von nanoskaligen Kugel- und Zylindermizellen sowie Vesikelstrukturen durchgeführt. Des Weiteren wurde das Agglomerationsverhalten von verschiedenen polymeren Nanopartikeln in Anwesenheit von Serumproteinen untersucht. Mit Hilfe eines Mikromischer-basierenden Verfahrens gelang es, kontinuierlich sehr einheitliche Polymervesikel herzustellen und diese in situ mit unterschiedlichen Komponenten zu beladen - unter anderem mit dem Wirkstoff Camptothecin sowie einer hohen Dichte an hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikeln. Diese wirkstoffbeladenen Hybridvesikel zeigten in vitro im Vergleich zum freien Wirkstoff eine erhöhte zytotoxische Wirksamkeit gegen die Krebszelllinie PC-3. Nach einer Funktionalisierung mit einem krebszellspezifischen Targeting-Peptid und einer zusätzlichen Fluoreszenzmarkierung wurde mit Hilfe der Durchflusszytometrie und konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie eine rezeptor-spezifische Zellaufnahme in PC-3-Krebszellen demonstriert. Messungen zur magnetischen Charakterisierung bestätigten zudem die potenzielle Anwendung magnetischer Polymervesikel als MRT-Kontrastmittel wie auch als Tracer für das Magnetic Particle Imaging (MPI). Kontinuierlich hergestellte, wirkstoffbeladene, magnetische Polymervesikel erfüllen somit viele Grundvoraussetzungen für ein theranostisches Wirkstoffträgersystem und bieten weitere Entwicklungsmöglichkeiten im Hinblick auf Magnetfluid-Hyperthermie, magnetisches Targeting oder eine durch ein Magnetfeld induzierte Wirkstofffreisetzung.
Wirtschaftliche und ökologische Aspekte führten in den letzten Jahren zu deutlich gesteigerten Anforderungen an die Effizienz und die Flexibilität petrochemischer Anlagen. Die heutzutage geforderten Prozesstemperaturen und -drücke lassen sich nur durch den Einsatz neuer warmfester Stahlgüten erreichen. Der mit Vanadium modifizierte Stahl 13CrMoV9-10 weist eine bessere Kriech und Druckwasserstoffbeständigkeit auf und wird seit Mitte der 90er Jahre im petrochemischen Reaktorbau eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Zähigkeit und hohen Festigkeit des Schweißgutes im geschweißten, nicht spannungsarm geglühten Zustand sowie einer erhöhten Sensitivität gegenüber Spannungsrelaxationsrissen bedarf dieser Stahl allerdings einer äußerst sorgfältigen schweißtechnischen Verarbeitung. Bisherige Untersuchungen zur Rissentstehung in warmfesten Stählen konzentrierten sich vorrangig auf thermische und metallurgische Einflussfaktoren, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss des Schweißprozesses auf die Rissbildung beim Spannungsarmglühen unter Berücksichtigung realitätsnaher Fertigungsbedingungen.
Im ersten Teil wurde zunächst der Einfluss der Wärmeführung auf die mechanischen Eigenschaften anhand von frei schrumpfenden Laborproben untersucht. Während sich die Wärmeführung wesentlich auf die Schweißnahtstruktur auswirkte, war ein signifikanter Effekt auf die mechanischen Eigenschaften nicht nachweisbar. Auch traten infolge der Wärmenachbehandlung der frei schrumpfend geschweißten Proben keine Spannungsrelaxationsrisse auf.
Der zweite Teil umfasste die realitätsnahe Abbildung der Fertigungsbedingungen im petrochemischen Reaktorbau. Zu diesem Zweck wurden die konstruktiven Randbedingungen während des Vorwärmens, Schweißens, des Wasserstoffarmglühens und der abschließenden Wärmenachbehandlung realitätsnah in einer speziellen 3-D-Prüfanlage zur Simulation von Bauteilschweißungen abgebildet. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang der Nachweis der unterschiedlichen Wirkung von Vorwärm- / Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die resultierenden Kräfte, Momente und Spannungen. Die Gesamtreaktionsspannung nach dem Schweißen wurde innerhalb des untersuchten Parameterfeldes maßgeblich durch die Streckenenergie beeinflusst.
Ein möglichst geringer Gesamtwärmeeintrag hat die niedrigste Bauteilbeanspruchung zur Folge. Während der Wärmenachbehandlung kam es in allen Versuchen zu Spannungsrelaxationsrissen.
Deren kumulierte Länge korrelierte mit den ermittelten schweißbedingten Reaktionsspannungen. Die Detektion der Risse während der Wärmenachbehandlung im Bauteilversuch erfolgte erstmalig in-situ mittels Schallemissionsanalyse. Die Rissinitiierung fand nachweislich im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C statt. Die Reaktionsspannungen nach der Wärmenachbehandlung lagen unabhängig von der Ausgangsbelastung auf einem vergleichbaren Niveau. Die Zähigkeit der Schweißverbindung nahm klar gegenüber den frei schrumpfend geschweißten Proben ab.
Mittels REM- und TEM-Analysen an vergleichbaren belasteten und unbelasteten Proben wurde eine beschleunigte Alterung, durch das frühzeitige Ausscheiden von Sonderkarbiden während der Wärmenachbehandlung unter definierter Einspannung (d. h. unter Belastung), nachgewiesen. Die verstärkte Korngrenzensegregation korrelierte mit der signifikanten Abnahme der Kerbschlagarbeit der unter Einspannung geschweißten Proben.
Natürliche Gesteinsformationen und von Menschen aus Gesteinsmaterial erschaffene Gebäude oder Monumente werden bei genügend langer Inkubation von zahlreichen Mikroorganismen besiedelt, welche komplexe Ökosysteme bilden. Dies führt oft zu Verfärbungen der Gesteinsoberflächen durch Pigmente der Mikroorganismen. Zudem können die Organismen das Gestein angreifen und zusammen mit abiotischen Faktoren eine Auflösung herbeiführen, was von essenzieller Bedeutung für die Bildung von Böden und gleichzeitig kritisch für die Erhaltung von Kulturgütern ist. Ein profundes Verständnis der Primärbesiedlung auf Gesteinen ist eine Voraussetzung, um Prozesse der Sukzession und der Gesteinsverwitterung besser nachvollziehen und modellieren zu können. Mischkulturen, die aus dem phototrophen Cyanobakterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 und dem mikrokolonialen Ascomycet Knufia petricola CBS 726.95 bestanden, wurden als Modell für die ersten Schritte der Gesteinsbesiedlung in Form von Biofilmen und hinsichtlich des biologischen Einflusses auf die Gesteinsverwitterung hin getestet. Dazu wurden unterschiedliche Gesteine als Substrate angeboten, unter verschiedenen Kultivierungs- und Witterungsbedingungen mit den Mischkulturen inkubiert und die sich bildenden Biofilme bzgl. ihrer Morphologie und Abundanz hin analysiert. Es zeigte sich, dass das Wachstum der Biofilme deutlich von den verwendeten Gesteinen und Witterungsbedingungen abhing und die Anordnung und Morphologie der Zellen und der aus diesen ausgeschiedenen polymeren Substanzen innerhalb der Biofilme sich je nach eingesetztem Gesteinssubstrat deutlich unterschieden. Der biologische Einfluss auf die Verwitterung von Gestein wurde in einem Durchfluss-System an einem Granit und in Batch-Kulturen an Calcit, Forsterit und Olivin getestet, indem nach Inkubation für 45-180 d in An- und Abwesenheit der Mikroorganismen die in der Flüssigphase angereicherten Elemente und die chemischen Veränderungen in der Mineralphase vergleichend gemessen wurden. Dabei zeigte sich, dass der Biofilm die Auflösung von Calcium, Natrium, Magnesium und Mangan aus Granit sowie von Magnesium aus Forsterit und Olivin verstärkte. Einzelkulturen von K. petricola und Mischkulturen führten zu verstärkter Magnesiumauflösung, Einzelkulturen von N. punctiforme zeigten die gleichen Effekte wie abiotische Kontrollen. Beide Mikroorganismen wuchsen deutlich besser in Mischkulturen, sodass ein indirekter biotischer Effekt auf die Mineralauflösung von N. punctiforme durch die Verstärkung des Wachstums von K. petricola innerhalb einer mutualistischen Gemeinschaft als plausibel erscheint. Der Mechanismus der biotisch induziert verstärkten Gesteinsverwitterung konnte aufgrund der hier vorliegenden Ergebnisse nicht eruiert werden. Die verwendeten Mischkulturen aus K. petricola und N. punctiforme konnten als nützliches Modell zur Untersuchung von Gesteinsbewuchs und –verwitterung etabliert werden.
Niedrigsinternde Glas-Keramik-Komposite (LTCC, low temperature co-fired ceramics) werden erfolgreich als kompakte, mehrlagige Schaltungsträger in der Automobilindustrie und Hochfrequenztechnik eingesetzt. Dazu werden sie mit Verfahren der Folien- und Multilayertechnik verarbeitet und gemeinsam mit aufgedruckten Metallisierungen bei Temperaturen bis 900 °C co-gesintert. Besonders bei hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Sinterschwindung hat sich das Sintern mit axialer Druckunterstützung etabliert, wodurch unter anderem die Schwindung in der Ebene der Einzelfolien unterdrückt werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die LTCC-Drucksintertechnologie unter zwei Gesichtspunkten weiterzuentwickeln:
• Erarbeitung eines einfachen und praktikablen Verfahrens zur Modellierung und Simulation des Verfahrens,
• prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter, speziell dünnfilmfähiger Oberflächenstrukturen.
Für die Simulation der Sinterung wurde das Modell der Mastersinterkurve ausgewählt. Die Eignung des Modells zur Beschreibung von LTCC-Werkstoffen wird zunächst ohne Druckunterstützung nachgewiesen. Dabei werden die Mastersinterkurven von frei gesinterten Pulverpresslingen und Folienlaminaten, deren Schwindung in der Ebene unterdrückt ist, quantitativ gegenübergestellt. Außerdem wird eine Methode vorgeschlagen und experimentell bestätigt, mit der die Schwindungsfehlpassung von Werkstoffkombinationen bei druckloser Co-Sinterung von berechnet werden kann. Die Modellierung der druckunterstützten Sinterung basiert auf thermomechanischen Analysen eines verbreitet angewendeten, kommerziellen LTCC-Werkstoffs (DuPont GreenTape DP951) im Druckbereich von 2 kPa bis 500 kPa. Die Auswertung der Messwerte und Entwicklung der Mastersinterkurven erfolgt unter Berücksichtigung der Kriechverformung des Werkstoffs unter Druck und wird durch grundlegende Untersuchungen zur für dieses Modell obligatorischen Bestimmung der Aktivierungsenergie ergänzt. Mit einer konstanten Aktivierungsenergie von 400 kJ/mol werden Mastersinterkurven für verschiedene Drücke aufgestellt und mit Anpassungsfunktionen modelliert. Die mit Hilfe der Anpassungsfunktionen simulierten Sinterkurven stimmen gut mit den Messungen überein. Das Modell wird als geeignet und praktikabel bewertet.
Die prozessintegrierte Erzeugung maßgeschneiderter Oberflächenstrukturen erfolgt über die im Drucksinterprozess eingesetzten Brennhilfsmittel. Zur Einstellung gewünschter Rautiefen auf den gesinterten Oberflächen werden Opferfolien aus Al2O3 mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und eine Opferfolie aus hexagonalem BN vorgestellt, die über Rückstandsschichten auf der LTCC-Oberfläche die Oberflächenstruktur bestimmen. Der Zusammenhang von Opferfolieneigenschaften und Oberflächencharakteristika wird an verschiedenen LTCC-Werkstoffen beschrieben. Die Rauheit einer druckgesinterten LTCC-Oberfläche kann über die Partikelgröße der Opferfolien gezielt verändert werden. Zur Herstellung dünnfilmkompatibler, rückstandsfreier Oberflächen im Drucksinterprozess wird glasartiger Kohlenstoff als Brennhilfsmittel eingeführt. Damit wird eine Regelung des Sauerstoffpartialdrucks während des Brandes erforderlich. Eine vollständige thermische Entbinderung der Grünfolien ist aufgrund von Kohlenstoffrückständen auf den Partikeloberflächen erst oberhalb 500 °C möglich. Einflüsse der Prozessparameter Druck und Haltezeit auf die resultierende Oberflächenstruktur werden aufgeklärt und optimale Prozessfenster für die untersuchten Werkstoffe angegeben. Mit dem entwickelten Verfahren können zum ersten Mal verschiedene LTCC-Substrate mit dünnfilmfähigen Oberflächen nacharbeitsfrei durch Drucksintern hergestellt werden.
Die Ergebnisse zur Modellierung und Simulation leisten einen wertvollen Beitrag zur Einsparung von Energie, Zeit und Kosten bei der Gestaltung von Drucksinterprozessen. Die erarbeiteten Brennhilfsmittelkonzepte können ressourcenaufwändige Nacharbeit teilweise ersetzen und eröffnen durch die Dünnfilmeignung der Oberflächen neue Anwendungsgebiete der Drucksintertechnologie in der Sensor und Mikrosystemtechnik.
The aim of this thesis was the development of switchable information carriers based on shape memory polymers (SMPs) and the investigation of their durability. Deployed as a new kind of security label, such technology may be an effective tool to prevent counterfeiting and product piracy.
Thermoplastic as well as thermoset SMPs turned out to be applicable as a specific substrate for the fabrication of switchable information carriers. In particular, a physically cross-linked and semi-crystalline poly(ester urethane) (PEU), and a chemically cross-linked epoxy-based polymer were investigated. Both SMPs were able to undergo distinct changes in shape upon triggering, which is commonly known as the shape memory effect (SME).
A key step for the fabrication of switchable information carriers was the development of a suitable technique for a surface-specific coloring of the polymeric base material. In particular, it was necessary to have a thin coat of paint in order to assure sufficient surface contrasts within the subsequently laser-engraved barcodes (e.g. quick response (QR) codes). In detail, coloring was conducted by diffusion of staining solutions, based on organic dyes, into the polymeric matrix. As a result of properly selected exposure times, homogenous layers of paint having thicknesses of about 100 μm, could be produced.
In order to obtain room temperature stable, temporary shapes with non-decipherable code information, various programming procedures were applied to the information carriers. These were either based on tensile or on compressive deformation. For instance, when using plane steel plates in the course of compressive deformation, code areas were randomly distorted. By contrast, selective distortions could be achieved using a steel ball type indenter. However, the triggering of the SME resulted in almost complete shape recoveries. As a result, the information carriers could reliably be switched back to readable states.
Before the developed information carriers can be brought onto the market, it is important to evaluate their durability against various environmental impacts. Artificial weathering was conducted exemplarily on blue and black colored QR code carriers based on PEU. Various scenarios were selected: exposure to UVA irradiation and aging in aqueous solution. In both cases, the durability was investigated at temperatures below and above the switching temperature of the employed SMP. It turned out, that the limiting factor for the usage of switchable information carriers was a lack of contrast and thus was dye-related. In the case of UV irradiation, the color of the dyes started fading, culminating in unreadable QR codes. For hydrolytic degradation, the non-colored code regions were stained in the course of aging. This originates from the fact that the organic dyes used for coloring were soluble in water. As a consequence, they were able to diffuse easily in and out of the swollen polymeric matrix. For both scenarios, aging at elevated temperature caused acceleration of the observed effects. However, the shape memory properties of the PEU were only slightly influenced by the applied aging scenarios.
Next, an additional thermo-responsive security feature was added to the information carriers. Therefore, thermochromic pigments (T-PIGs) were embedded into a PEU matrix. However, in contrast to the organic dyes, the size of the thermochromics microcapsules was too large to diffuse into the polymeric matrix. Thus, another procedure for a surface-specific coloring of the PEU was developed. This mainly included the preparation of a PEU-paste doped with T-PIG by solution mixing. The thermochromic paste was deposited by means of a solvent casting technique as thin layer atop the PEU plaque. After solvent evaporation, tightly connected PEU/PEU-T-PIG laminates were obtained. Beyond that, the layer thickness was adjustable by using a doctor blade for the paste deposition. Subsequent laser ablation finalized the QR code carriers. These were readable at room temperature, but unreadable above the color switching temperature of the employed T-PIGs due to a lack of contrast. Hence, the obtained multifunctional information carriers were characterized by distinct shape memory properties and tunable color switching performances. Furthermore, the combination of several T-PIGs having different colors and switching temperatures resulted in surfaces with multiple and unique temperature-dependent changes in color. Besides that, information carriers with temporarily concealed information could be obtained by covering the QR code with an additional layer doped with T-PIG.
Silbernanopartikel (Ag-NP) können, bedingt durch ihre wachsende Anwendung im Lebensmittelbereich, vermehrt oral aufgenommen und über den Intestinaltrakt resorbiert werden. Die Diversität der physikalisch-chemischen Eigenschaften, der in toxikologischen Studien eingesetzten Nanopartikel (NP), macht eine allgemein gültige Aussage zu ihren physiologischen Wirkungen nicht trivial. Auch die Ursachen ihrer zytotoxischen Eigenschaften werden weiterhin kontrovers diskutiert.
Basierend auf diesen Fragestellungen, wird in dieser Arbeit die physikalisch-chemische Charakterisierung von toxikologisch relevanten Partikeleigenschaften vorgestellt, welche das Zellkulturmedium (ZKM) als chemische Umgebung der NP berücksichtigt. Durch in-vitro Experimente mit dem humanen Modell des Intestinaltraktes (Caco-2 Zellen) wurden anschließend die relevanten molekularen Effekte des charakterisierten Ag-NP Referenzmaterials hinsichtlich partikulärer, ionischer oder synergistischer Wirkung untersucht.
Mittels einer Kombination aus Asymmetrischer-Fluss-Feldflussfraktionierung (A4F) sowie dynamischer Licht- und Röntgenkleinwinkelstreuung konnte eine Zunahme des hydrodynamischen Radius der Partikel im ZKM beobachtet werden. Dieser ließ sich durch nachfolgende energiedispersive Röntgenfluoreszenz Spektroskopie und zweidimensionale Gelelektrophorese mit der Bildung einer Proteinkorona beschreiben, die hauptsächlich aus bovinem Serumalbumin bestand. Die Trennung von ungebundenen Proteinen und Partikeln mit Korona wurde sowohl mittels A4F als auch Zentrifugation durchgeführt, wobei sich die A4F als die sensitivere Methode herausstellte.
Die 24-stündige Exposition der Caco-2 Darmzellen mit jeweils zwei nicht zytotoxischen Konzentrationen des Ag-NP-Referenzmaterials sowie Silberionen aus Silbernitrat (SN) zeigte einen signifikanten Unterschied der Anzahl deregulierter Proteine zwischen partikulärer und ionischer Behandlungsgruppe. Die NP führten im Gegensatz zu den Ionen zu einer vermehrten Herunterregulation der Proteine. Die Auswertung der Proteinderegulationen deutete auf eine Inhibierung pro-inflammatorischer Proteine wie Nuclear Facor Kappa Light Chain Enhancer of Acivated B-Cells (NFκB) durch die NP Behandlungsgruppe hin. SN führte zu einer aktivierten inflammatorischen Antwort. Im Gegensatz zu den SN Behandlungsgruppen zeigten die NP eine vorhergesagte Inhibierung des Nrf2-Signalweges, der oxidativen Stress induziert.
Beide NP-Konzentrationen führten in den Zellen zu einer Suppression tumorassoziierter Proteine wie z.B. ADP-sugar Pyrophosphatase (NUDT5). Die Konzentration tumorassoziierter Proteine nach Inkubation mit SN blieb entweder unverändert oder stieg leicht an.
Mit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht.
Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein Grenzflächenmodell erarbeitet, welches sowohl Schädigung entsprechend dem vereinfachten Porositätsmodell als auch Korngrenzengleiten in Abhängigkeit von einer phänomenologischen Korngrenzenviskosität umfasst. Darüber hinaus wurde ein mikromechanisches Polykristallmodell entwickelt, welches es im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen erlaubt, das Kriechverhalten unter Einbeziehung der Gefügestruktur eines polykristallinen Werkstoffes zu simulieren. Dabei werden die Deformationen einzelner Körner durch ein viskoplastisches Einkristallmodell und die Korngrenzen durch das entwickelte Grenzflächenmodell beschrieben. Die Gefügestruktur wird durch ein Finite-Elemente-Modell abgebildet, wobei die Korngrenzen durch kohäsive Elemente modelliert werden. Durch Auswertung experimenteller Kriechdaten konnte das Polykristallmodell für eine Kupfer-Antimon-Legierung bei einer Temperatur von 823 K kalibriert werden. Die Anpassung des Einkristallmodells erfolgte dabei anhand der Kriechraten von reinen Kupfereinkristallproben.
Die experimentelle Erfassung der Korngrenzenabgleitung und der Korngrenzenporosität für grobkörnige Kupfer-Antimon-Proben konnten hingegen zur Anpassung des Grenzflächenmodells genutzt werden. Das kalibrierte Polykristallmodell wurde abschließend in Kombination mit künstlich erzeugten Kornstrukturen genutzt, um zum einen numerische und modellierungstechnische Einflüsse auf die Simulationsergebnisse zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzungsfeinheit nur zu einer vergleichsweise geringen Beeinflussung des makroskopischen Kriechverhaltens führt. Aufgrund des nahezu inkompressiblen Deformationsverhaltens des Einkristallmodells war aber die Nutzung spezieller Kontinuumselementtypen notwendig, um das Auftreten von Volumenlocking zu verhindern. Zum anderen konnte das Kriechverhalten polykristalliner Werkstoffe, zu welchem insbesondere die versagensrelevante Schädigungsentwicklung zählt, für verschiedene Material- und Belastungsparameter analysiert werden. Speziell für die betrachtete Kupfer-Antimon-Legierung zeigte sich, dass das Kriechverhalten durch Korngrenzengleiten geprägt war. Insbesondere die Spannungsumlagerungen an den Korngrenzen waren vergleichbar mit dem Verhalten für ungehindertes Korngrenzengleiten. Darüber hinaus deuteten Simulationen für mehrachsige Belastungszustände darauf hin, dass die Schädigungsentwicklungmaßgeblich durch die maximale Hauptspannung und die von Mises-Spannung beeinflusst wird.
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
Für den Transport flüssiger Gefahrguter im Luftverkehr werden unter anderem Kunststoffverpackungen verwendet, die Leckagen aufweisen oder Permeation unterliegen können. Aufgrund der vorhandenen Belüftungsbedingungen ist eine Ansammlung entzündlicher oder gesundheitsschädlicher Gase im Frachtraum von Flugzeugen denkbar. Die Überschreitung ausreichender Konzentrationen solcher Gase kann zu einer Gefährdung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Kabinenluftströmungen und der Stofftransport von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen mittels CFD untersucht. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines geeigneten numerischen Modells auf der Grundlage eines generischen Frachtraums mit typischen Merkmalen.
Die verwendeten realitätsnahen Randbedingungen entsprechen aktuellen Flugzeugmustern. Das numerische Modell wird mittels experimenteller Modellversuche im Maßstab 1/10 validiert. Das Strömungsfeld im Frachtraummodell wird mittels eines LDA-Systems vermessen. Das validierte numerische Modell wird sowohl für Simulationen im Maßstab 1/10 als auch im Maßstab 1/1 verwendet. Anhand der drei Validierungskriterien Symmetrie, Verlaufe und Beträge der betrachteten Strömungsgrößen und einer LDA-Spektralanalyse wird insgesamt eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ermittelt. Eine systematische Untersuchung zeigt den Einfluss relevanter Parameter auf das Strömungsfeld und den Stofftransport. Zunächst werden die Einlassreynoldszahl und der Einlassturbulenzgrad sowie die Wandrauigkeit und Wandunebenheit bewertet. Für kleine Reynoldszahlen werden hohe Konzentrationen und für größere Reynoldszahlen werden deutlich geringeren Konzentrationen von Gefahrgut ermittelt. Anhand einer Variation in vier Schritten wird der Einfluss des Einlassmassenstromverhältnisses aus Luft und Gefahrgut bewertet. Erst für Werte von <1000 lasst sich ein signifikanter Einfluss feststellen. Es werden die Stoffe Toluol und n-Hexan beispielhaft für brennbare Gefahrgüter der Klasse 3 verwendet. Der Einfluss der Position und Gestalt verschiedener Einlassquellen wird an vier realitätsnahen Quellentypen bewertet.
Anhand vier verschiedener Transportszenarien wird die Ausbreitung von Gefahrgut im Modellmaßstab untersucht. Die Szenarien unterscheiden sich durch die Art der Belüftung und durch die Dauer des Gefahrgutaustritts. Szenarien mit aktiver Frachtraumbelüftung sind als eher unkritisch zu beurteilen. Die betrachteten Szenarien ohne aktive Frachtraumbelüftung sind als gefährlich einzustufen. Insbesondere das Szenario mit zeitlich unbegrenztem Gefahrgutmassenstrom erreicht kritische Konzentrationswerte und eine kritische Ausdehnung der Gefahrgutansammlung im Frachtraum. Diese Ergebnisse werden anhand zweier Szenarien im Maßstab 1/1 bestätigt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, das Verständnis der Strömungs- und Stofftransportvorgange im Flugzeugfrachtraum beim Transport von Gefahrgütern im Luftverkehr zu erweitern, um Risiken im Luftverkehr zu identifizieren. Die Allgemeingültigkeit und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Flugzeugmuster und Flugszenarien mit komplexeren Details sind zu prüfen.