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Polarization Doping and Work Function of Epitaxial Graphene on Silicon Carbide
No full textGraphen ist eine einatomar dünne Schicht von Kohlenstoffatomen mit besonderen elektronischen Eigenschaften. Epitaktisches Wachstum von Graphen auf der Silizium-terminierten Oberfläche von Siliziumkarbid (SiC) wird weithin als eine der geeignetsten Methoden zur Herstellung von großflächigem Graphen für elektronische Anwendungen angesehen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Dotierungsmechanismen von Graphen auf SiC theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Auf der Silizium-terminierten SiC-Oberfläche gewachsenes Graphen besitzt einen Überschuss an Elektronen (n-Dotierung). Wird die SiC/Graphen-Grenzfläche mit Wasserstoff passiviert und das Graphen vom Substrat entkoppelt, liegt dagegen Löcherleitung vor (p-Dotierung). Die p-Dotierung von quasifreistehendem Graphen (QFG) auf hexagonalem SiC wird durch die spontane Polarisation des Substrats erklärt. Dieser Mechanismus basiert auf einer Volumeneigenschaft von SiC, die bei jeden hexagonalem Polytyp des Materials vorhanden und unabhängig von Einzelheiten der Grenzflächenbildung ist. Die n-Dotierung des epitaktischen Graphens (EG) wird durch Grenzflächenzustände erklärt, die die Polarisationsdotierung überkompensieren.
Die Austrittsarbeit und elektronische Struktur von EG sowie QFG werden ebenfalls untersucht. Es wird beobachtet, dass die Austrittsarbeit gegen den Wert von Graphit konvergiert, wenn die Anzahl der Graphenschichten erhöht wird. Außerdem, Messungen der Oberflächenphotospannung werden im Zusammenhang mit verschiedenen Rekombinationsraten an der Grenzfläche von EG und QFG diskutiert
Field-responsive colloidal assemblies defined by magnetic anisotropy
Get PDFParticle dispersions provide a promising tool for the engineering of functional materials that exploit self-assembly of complex structures. Dispersion made from magnetic colloidal particles is a great choice; they are biocompatible and remotely controllable among many other advantages. However, their dominating dipolar interaction typically limits structural complexity to linear arrangements. This paper shows how a magnetostatic equilibrium state with noncollinear arrangement of the magnetic moments, as reported for ferromagnetic Janus particles, enables the controlled self-organization of diverse structures in two dimensions via constant and low-frequency external magnetic fields. Branched clusters of staggered chains, compact clusters, linear chains, and dispersed single particles can be formed and interconverted reversibly in a controlled way. The structural diversity is a consequence of both the inhomogeneity and the spatial extension of the magnetization distribution inside the particles. We draw this conclusion from calculations based on a model of spheres with multiple shifted dipoles. The results demonstrate that fundamentally new possibilities for responsive magnetic materials can arise from interactions between particles with a spatially extended, anisotropic magnetization distribution
Ein Beitrag zur Modellierung versetzungs- und verformungsinduzierter plastischer Lokalisierungsphänomene metallischer Werkstoffe
Get PDFDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Festkörperkontinuumsmechanik und Metall- bzw. Kristallplastizität auf verschiedenen Längenskalen. Diesbezüglich besteht die Arbeit aus drei größeren Teilen. Im ersten Teil werden Verformungsvorgänge mit expliziter FEM (Finite-Elemente-Methode) und einem makroskopischen phänomenologischen Modell der Viskoplastizität simuliert. Hierbei wird sich auf das Gleichkanalwinkelpressen (ECAP) eines Metallbarrens und die Stauchung einer sogenannten Crashbox konzentriert. In beiden Fällen gelingt es, die im Experiment bereits beobachtete Lokalisierung der Verformung korrekt wiederzugeben. Da bei den Simulationen die konkrete Mikrostruktur des Materials vernachlässigt wird, werden diese Lokalisierungsphänomene als verformungsinduziert angesehen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Erweiterung des viskoplastischen Modells, sodass mikroskopische Vorgänge der Gitterdefektstruktur des Materials berücksichtigt werden können. Dazu wird ein Modell des dynamischen Verhaltens von Versetzungspopulationen entwickelt und an das makroskopische viskoplastische Modell gekoppelt. Auf diese Weise können Aspekte der sogenannten Kornfeinung – einem komplexen Strukturbildungsprozess von Versetzungen und anderen Gitterdefekten – erfasst werden. Allerdings kann die für die makroskopischen Eigenschaften entscheidende Bildung von Subkorngrenzen auf diese Weise nicht abgebildet werden. Um dies zu erreichen, wird im dritten Teil der Arbeit eine mesoskopische Theorie der Kristallplastizität mit kontinuierlich verteilten Versetzungen verwendet und weiterentwickelt. Hierbei werden die für eine Subkornbildung wesentlichen Freiheitsgrade hinzugenommen, die Anzahl phänomenologischer Ansätze und zugehöriger Materialparameter aber so klein wie möglich gehalten. Mit dieser Kontinuumsversetzungstheorie (KVT) gelingt es, die Bildung von Subkorngrenzen bei großen plastischen Verformungen eines Kristallits zu verfolgen. Bei den impliziten FEM-Simulationen wird ebenfalls eine Lokalisierung beobachtet, allerdings in Bezug auf die Aktivität der Versetzungen in verschiedenen Gleitebenen. Dementsprechend wird dieses Lokalisierungsphänomen als versetzungsinduziert angesehen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt zum einen in der Aufarbeitung und Gegenüberstellung unterschiedlicher methodischer Herangehensweisen zur Modellierung verformungs- und versetzungsinduzierter Lokalisierungsphänomene. Zum anderen wird eine Analyse und Vereinheitlichung der geometrisch linearen KVT nach Berdichevsky & Le vorgenommen. Wie sich dabei zeigt, verhindern inhärente kinematische Einschränkungen der Theorie die Simulation einer Subkornbildung. Aus diesem Grund wird die konsistente geometrisch nichtlineare KVT von Gurtin aufgegriffen und erweitert. Mit einem daraus abgeleiteten elastisch und plastisch anisotropen Modell der Einkristallviskoplastizität wird der Nachweis erbracht, dass die Subkornbildung damit simuliert werden kann. Darüber hinaus wird eine Aufbereitung und Synthese von Algorithmen zur numerischen Lösung der zugehörigen Feldgleichungen mittels der Methode der finiten Differenzen und der finiten Elemente geliefert. Zudem werden beide Näherungsverfahren in Bezug auf Vor- und Nachteile sowie thermodynamische Konsistenz bei der Anwendung auf Mehrfeldprobleme miteinander verglichen.The present thesis deals with solid continuum mechanics applied to metal and crystal plasticity on different length scales. In this respect, the work consists of three larger parts. In the first part, deformation processes are simulated with explicit FEM (Finite Element Method) and a macroscopic phenomenological model of viscoplasticity. Here the focus is on the Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) of a metal billet and the compression of a so-called crash box. In both cases it is possible to correctly reproduce the localization of the deformation as already observed in the experiment. Since the concrete microstructure of the material is neglected in the simulations, these localization phenomena are regarded as deformation-induced. The second part deals with the extension of the viscoplastic model so that microscopic processes of the lattice defect structure of the material can be considered. A model of the dynamic behavior of dislocation populations is developed and coupled to the macroscopic viscoplastic model. In this way, aspects of the so-called grain refinement – a complex structure formation process of dislocations and other lattice defects – can be captured. However, the formation of subgrain boundaries, which is decisive for the macroscopic properties, cannot be predicted in this way. To achieve this, a mesoscopic theory of crystal plasticity with continuously distributed dislocations is used and further developed in the third part of the thesis. Here, the degrees of freedom essential for subgrain formation are added, while the number of phenomenological approaches and associated material parameters are kept as small as possible. With this continuum dislocation theory it is possible to follow the formation of subgrain boundaries during large plastic deformations of a crystallite. In the implicit FEM simulations, localization is also observed, but with respect to the dislocation activity in different slip planes. Accordingly, this localization phenomenon is considered dislocation-induced. The contribution of the present work lies on the one hand in the review and comparison of different methodical approaches to the modeling of deformation- and dislocation-induced localization phenomena. On the other hand, an analysis and unification of the geometrically linear continuum dislocation theory according to Berdichevsky & Le is carried out. As it turns out, inherent kinematic limitations of the theory prevent the simulation of subgrain formation. For this reason the consistent geometrically non-linear continuum dislocation theory from Gurtin is adopted and extended. With the derived model of elastically and plastically anisotropic single crystal viscoplasticity it is proven that subgrain formation can be simulated. Moreover, a preparation and synthesis of algorithms for the numerical solution of the associated field equations using the method of finite differences and finite elements is provided. In addition, both approximation methods are compared in terms of advantages and disadvantages as well as thermodynamic consistency when applied to multi-field problems
Gutes Klima – ein schmaler Grat zwischen Fakten und Interpretationen
Get PDFSatire erlaubt alles – so die Aussage einiger Comedians und Freunde des gepflegten Spöttelns. Doch wenn politisches Kabarett dazu beiträgt, Falschinformationen und Fehlinterpretationen zu verbreiten – darf Satire dann immer noch alles? Trägt nicht auch das politische Kabarett Verantwortung für eine adäquate Faktendarstellung anstelle einseitiger Politisierung? Satire blendet leider auch einige Fakten und Wirkbezüge in der Klimadebatte und den wissenschaftlichen Erkenntnissen aus. Dass diese Blindheit und Ignoranz nicht zwingend zuträglich für eine gesellschaftliche Entwicklung und die Aufgeklärtheit einer Gesellschaft sind, liegt auf der Hand – aller Freiheit politischer Satire zum Trotz. Auch wenn zu viel Informationen und Wissen, und erst recht ambigue und widersprüchliche Daten, zu Verwirrungen und häufig nicht zur Irritation der eigenen (festgefahrenen) Weltbilder führen können, soll dieser Beitrag die Vielfalt der Daten und Interpretationsspielräume aufzeigen und zu mehr factfulness in der Klimadiskussion motivieren.Satire allows everything - so the statement of some comedians and friends of the cultivated mockery. But if political cabaret contributes to spreading misinformation and misinterpretations - is satire still allowed to do everything? Doesn't political cabaret also bear responsibility for an adequate presentation of facts instead of one-sided politicization? Unfortunately, satire also ignores some facts and causal relations in the climate debate and scientific knowledge. It is obvious that this blindness and ignorance is not necessarily conducive to social development and the enlightenment of a society - despite all the freedom of political satire. Even if too much information and knowledge, and even more so ambiguous and contradictory data, can lead to confusion and often not to the irritation of one's own (deadlocked) world views, this contribution is intended to show the diversity of data and scope for interpretation and motivate more factfulness in the climate debate
International evidence on school education effects -> cognitive ability
Get PDFVortrag auf der ICPS-Convention 2019 in Paris zu internationalen Unterschieden in Studien zu kognitiven Fähigkeiten, ihren Ursachen, Folgen sowie ihre Bedeutung im Kontext komplexer bildungssystemischer Zusammenhänge. Ein zusätzlicher Fokus wird auf methodische Ansätze zur Untersuchung des Forschungsgegenstandes gerichtet.Presentation at the ICPS Convention 2019 in Paris on international differences in studies on cognitive ability, their causes, consequences and their importance in the context of complex causalities in educational systems. An additional focus lies on methodological approaches to investigate the research subject
Computerbasiertes Lernen mit Aufmerksamkeitsdefizit: Unterstützung des selbstregulierten Lernens durch metakognitive Prompts
Get PDFIn der Bildungspolitik wird zunehmend die Digitalisierung des schulischen Unterrichts gefordert. Dabei stellt sich die Frage, ob alle Schüler/innen gleichermaßen von dem zunehmenden Einsatz digitaler Lernmedien im Unterricht profitieren können.
Insbesondere Kinder mit Aufmerksamkeitsstörungen haben Schwierigkeiten bei der Planung und Strukturierung ihrer Lernprozesse. Die störungsbedingt leichte Ablenkbarkeit durch externe oder interne Faktoren erschwert das Aufnehmen der Lerninhalte zusätzlich. Während externe Ablenkungen in Lernsituationen durch Umgebungsreize auftreten können, entstehen interne Ablenkungen beim computerbasierten Lernen beispielsweise durch die Möglichkeit, im Internet bevorzugt Seiten nach persönlichem Interesse anstatt nach der Passung zu einer gestellten Lernaufgabe auszuwählen. In
zwei empirischen Studien wurde untersucht, inwiefern aufmerksamkeitsgestörte Kinder beim computerbasierten selbstregulierten Lernen durch metakognitive Prompts unterstützt werden können. Diese stellen Lernhilfen dar, die in Form von Pop-Up Fenstern im Lernprogramm eingebunden sind und zu metakognitiven Aktivitäten, wie z.B. zur Planung, Steuerung und Kontrolle des eigenen Lernverhaltens, anregen sollen. Basierend auf Forschungsergebnissen zum metakognitiven Prompting und dem Therapieprogramm Training mit aufmerksamkeitsgestörten Kindern (Lauth
& Schlottke, 2009) wurde eine computerbasierte Lernumgebung zum Thema Klima und Klimazonen entwickelt. Die im Lernprogramm enthaltenen metakognitiven Prompts zielten auf eine Strukturierung des Lernprozesses, indem sie zuerst aufforderten, die Lernaufgabe genau zu lesen und wichtige Begriffe herauszufiltern.
Nachfolgend sollten entsprechend dieser Begriffe aufgabenrelevante Links in der Seitenleiste markiert und innerhalb der Lernphase dann lediglich diese, als relevant markierten Seiten, gelesen werden. Einige Minuten vor Ende der Lernzeit wurden die Teilnehmenden dazu angehalten, den Lernprozess zu kontrollieren und ggf. zu korrigieren. In der ersten Studie dieser Arbeit (untersucht wurden Kinder der Klassen 6 bis 9, N = 44) verbesserten sich die Lernergebnisse der aufmerksamkeitsgestörten Kinder, die metakognitive Prompts erhielten im Vergleich zu einer Kontrollgruppe mit Gestaltungsprompts nicht. Als Ursache wurde die mangelnde Motivation der Teilnehmenden angesehen, den Aufforderungen in den metakognitiven Prompts Folge zu leisten und ihr Wissen im Lerntest adäquat wiederzugeben. Aus diesem Grund wurde in der zweiten Studie ein motivationaler Anreiz für die Promptbefolgung
und die Beantwortung des Wissenstests eingebunden. Untersucht wurden 40 Schüler/innen mit einer Aufmerksamkeitsstörung der Klassenstufen 7 bis 9. Wie in der ersten Studie erfolgte die Zuweisung zu Experimentalgruppe (EG, motivationaler Anreiz für die Promptbefolgung) und Kontrollgruppe (KG, kein motivationaler Anreiz für die Promptbefolgung) randomisiert. Beide Gruppen arbeiteten in der gleichen Lernumgebung, erhielten die gleiche Lernaufgabe, sowie dieselben metakognitiven Prompts. Allen Teilnehmenden wurde für ein gutes Ergebnis im Wissenstest ein motivationaler Anreiz gestellt. Schüler/innen der EG wurden zusätzlich für die Befolgung der metakognitiven Prompts motiviert: die drei Teilnehmenden, welche die Prompts am besten befolgten, sollten einen Geldgutschein bei einem Einkaufsmarkt ihrer Wahl gewinnen. Es zeigte sich, dass in der EG im Vergleich zur KG keine besseren Ergebnisse im Wissenstest erreicht, jedoch die metakognitiven Prompts signifikant besser befolgt wurden. Betrachtet man die gesamte Stichprobe, stellte das Ausmaß der
Promptbefolgung für das Fakten- und Transferwissen einen signifikanten Prädiktor dar. Trotz des fehlenden Gruppenunterschieds konnte der lernförderliche Effekt der metakognitiven Prompts somit bestätigt werden. Demzufolge stellt die Einbindung metakognitiver Prompts in computerbasierten Lernumgebungen eine Möglichkeit dar, Kinder mit Aufmerksamkeitsstörungen in ihrem Lernprozess erfolgreich zu unterstützen. Aufgrund der geringen Stichprobenzahlen haben die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Studien eher einen explorativen Charakter. Dennoch zeigen sie sowohl Ansatzpunkte für die weitere Forschung als auch für die Therapie und die damit verbundene bzw. bezweckte Übertragung der Trainingsinhalte in den schulischen Kontext auf
Gestures for Human-Machine Interaction. Design Aspects, User Experience and Impact on Driving Safety
Get PDFDas Ziel der Dissertation war, zu untersuchen, welche Aspekte bei Design und Implementierung von Gestensteuerung im Bereich Mensch-Maschine Interaktion wichtig sind. Der Schwerpunkt des ersten Teiles richtet sich auf Aspekte eines Gestenvokabulars und die Frage eines zusätzlichen Feedbacks unter Bezugnahme auf Usability, mentale Belastung und Nutzerzufriedenheit. Der Schwerpunkt des zweiten Teils liegt auf den Auswirkungen von Gestensteuerung auf das Fahrverhalten.
In der vorliegenden Dissertation wurden drei relevante Aspekte von Gestensteuerung herausgestellt. Experiment 1 und 2 der Vorstudie untersuchten, wie ein Gestenvokabular aussehen sollte im Hinblick auf die Form der Gesten und die Anzahl verschiedener Gesten, die in einem System implementiert werden. Als Ergebnis schnitt die höchste Anzahl an Gesten (6)
in Bezug auf User Experience und Akzeptanz am besten ab. Ebenso das Gestenset, das an die menschliche Kommunikation angelehnt war.
Im Unterschied zur Bedienung eines Touchscreens gibt es bei Gestensteuerung kein direktes haptisches Feedback. Aus diesem Grund wurde in Experiment 3 der Vorstudie untersucht, ob es einen Ersatz für das fehlende direkte Feedback geben sollte. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass alle genutzten Feedback-Varianten nicht signifikant besser abschnitten als die Variante mit keinem zusätzlichen Feedback.
Die Simulator- und die VIL-Studie untersuchten den Einfluss von Gestensteuerung auf das Blickverhalten und die Reaktion auf kritische Ereignisse im Straßenverkehr. Für diesen Zweck wurde das Gestensteuerungs-Setup in einen Simulator beziehungsweise das Vehicle in the Loop (VIL) übertragen. Die Simulator-Studie konnte zeigen, dass die Fahrer weniger häufig auf das Display im Fahrzeuginneren schauten wenn sie Gestensteuerung benutzten im Vergleich zu Touchsteuerung. Außerdem fühlten sie sich sicherer und die Gebrauchstauglichkeit wurde als gut beschrieben. Die VIL-Studie konnte einen positiven Einfluss auf Reaktionszeiten auf kritische Ereignisse zeigen. Insgesamt kann damit Gestensteuerung als sichere Alternative für Interaktion im Fahrzeug bezeichnet werden, die darüber hinaus auch beliebt bei den Fahrern zu sein scheint.This thesis investigates aspects of designing and implementing gestures in human-machine interaction (HMI). The first part focuses on aspects of a gesture set and additional feedback with regard to usability, workload, and user satisfaction. The second part focuses on the impact of gesture-based interaction (GBI) on driving behavior.
More specifically, this thesis identifies three elementary aspects of designing a GBI. Pre-study experiments 1 and 2 examine how a gesture set should appear in terms of the shape and number of gestures used. The results indicate that the highest number of gestures, six, performs best in terms of user experience and acceptance. However, a gesture set borrowed from human communication performs equally well.
In contrast to touch-based interaction (TBI), direct haptic feedback for mid-air gestures is not present. Therefore, pre-study experiment 3 is conducted in order to determine whether a surrogate is necessary. The results of this experiment suggest that implemented forms of feedback are not rated significantly higher than special feedback.
The simulator-study and VIL-study investigate the real-world impact of GBI on driver behavior in terms of gaze behavior and reaction to critical events. For this purpose, the GBI setup is transferred into a simulator environment with a Vehicle in the Loop (VIL) to evaluate GBI for IVIS use. The simulator-study demonstrates that drivers look less to the display when using GBI compared to TBI. Moreover, they feel safer, and the user experience is better rated.
Therefore, GBI has a positive impact on driver distraction. The VIL-study reveals a positive impact on reaction times to critical events. In conclusion, gestures can be a safe alternative for in-car interaction, an alternative which is popular among drivers
Elektrochemische Untersuchungen an intermetallischen Molybdän-Nickel Verbindungen
Get PDFDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Synthesestrategie einphasiger intermetallischer Verbindungen des Systems Molybdän-Nickel als Volumenmaterial. Anhand dieser Materialien soll aufgeklärt werden, ob geordnete intermetallische Verbindungen eine höhere Aktivität in der elektrokatalytischen Wasserstoffbildung aus Wasser besitzen als nicht geordnete Substitutionslegierungen. Des Weiteren soll der Grund für die veränderte Aktivität identifiziert werden.
Dazu wurden die Verbindungen mittels elektrochemischer Charakterisierungsmethoden und zwei verschiedenen Stabilitätstests in der Wasserstoffbildungsreaktion untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Verbindungen unter den Reaktionsbedingungen nicht stabil sind. Bei Molybdängehalten ≤25 At.-% und Potentialen unterhalb des reversiblen Wasserstoffpotentials kann sich jedoch eine passivierende Nickelhydroxidschicht ausbilden, sodass eine fortschreitende Korrosion unter kathodischen Stromflüssen verhindert werden kann. Diese Nickelhydroxidschicht ist jedoch auch für die Desaktivierung der Mo-Ni Materialien verantwortlich.
Es konnte weiterhin festgestellt werden, dass die elektrochemisch aktive Oberfläche, in Folge der Auslaugung von Molybdän, proportional zum Molybdängehalt steigt, was sich in vermeintlich höheren Aktivitäten der Mo-Ni Materialien äußert
Technologieentwicklung zur großserientauglichen Herstellung automobiler Interieur-Bauteile in neuartiger Sandwichbauweise
Get PDFSteigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur
4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente
5 Beschreibung der Prüfmethoden
6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur
7 Halbzeugentwicklung und -optimierung
8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung
9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen
10 Vergleichende Ökobilanzierung
11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile
12 ZusammenfassungRising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur
4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente
5 Beschreibung der Prüfmethoden
6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur
7 Halbzeugentwicklung und -optimierung
8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung
9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen
10 Vergleichende Ökobilanzierung
11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile
12 Zusammenfassun
Lebensdauermodellierung für gesinterte Silberschichten in der leistungselektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik durch isotherme Biegeversuche als beschleunigte Ermüdungstests
Get PDFGesintertes Silber (SAG) stellt eines der vielversprechendsten Materialien für Hochtemperaturanwendungen in der Leistungselektronik dar. Im Vergleich zu konventionellen Loten sind die mechanischen und thermischen Vorteile enorm, allerdings hochgradig prozessabhängig. Zusammen mit den relativ zeitintensiven Ermüdungstestmethoden ist das die Ursache, dass es aktuell nur wenige Lebensdauermodelle dazu gibt. In dieser Arbeit wird am Beispiel solcher SAG-Proben ein mechanisch beschleunigter, isothermer Biegeversuch vorgestellt, welcher das Potenzial hat, die zeitkritischen Temperatur- oder Lastwechselversuche zu ersetzen. Zum Vergleich wurde ein Temperaturwechseltest als Referenzversuch durchgeführt. Hierzu wird zunächst der Stand der Technik des Silber-Sinterns aufgezeigt, wobei der Schwerpunkt auf der mechanischen Materialcharakterisierung liegt.Wo das elastische Verhalten als näherungsweise allein porositätsabhängig gelten kann, ist die inelastische Dehnung noch unzureichend untersucht. Besonders die zeitabhängige inelastische Dehnung (Kriechen) zeigt noch kein vollständig konsistentes Bild, wodurch auch die Fehlermechanismen und deren Gewichtung noch nicht grundsätzlich als geklärt gelten können. Die gängigsten Belastungstests, welche in der Literatur zu finden sind, haben schwerwiegende Nachteile. Der hohe Zeitbedarf, die teils schwer quantifizierbaren Fehlerparameter und die fehlende Einstellmöglichkeit des Verhältnisses Kriechdehnung zu plastischer Dehnung sind hier im Besonderen zu nennen. Der rein dehnungsgesteuerte Biegeversuch hat diese Nachteile nicht. Über die Biegegeschwindigkeit ließe sich der Kriechanteil nahezu beliebig erhöhen (ggf. unter Nutzung von Haltezeiten). Die Biegeversuche wurden isotherm bei fünf Temperaturen von 22◦C bis 125◦C mit je drei Amplituden und drei Biegegeschwindigkeiten durchgeführt. Schlecht gesinterte Proben machten sich reproduzierbar als Frühausfall bemerkbar, so dass sich die Methode bereits gleich zu Beginn als hervorragender Qualitätstest bewährte. In puncto Ermüdung konnte ein stabiles und reproduzierbares Ausfallverhalten in Form von vergleichbaren Weibull-Formfaktoren und Ausfallbildern in den metallografischen Schliffen gefunden werden. Mit den Daten der Biegeversuche wurde ein fehlerphysikalisches Lebensdauermodell (Coffin-Manson) aufgestellt, welches
erfolgreich den Ausfall des Temperaturwechseltests als Referenzversuch vorhersagen konnte.Sintered silver (SAG) as die attach material is one of the promising solutions to exploit the advantages of high-gap semiconductors in power electronics. The mechanical and thermal properties are far superior to solders, but severely process-dependent. Combined with the time requirements of the state of the art (SoA) fatigue test methods this is most likely the reason for the lack of profound reliability studies yet. This thesis presents an isothermal bending test, which has the ability to replace the time-consuming thermal shock test as primary fatigue experiment for physics of failure based (PoF) lifetime models. A benchmark against a conventional thermal cycling test was done. The state of the art of the silver-sintering technique will be given with focus on the mechanical material characterization. While the elastic properties are mostly porosity-dependent, the inelastic properties are insufficiently examined yet. Especially the creep does not show a consistent image, what leads to many questions regarding the failure mechanism. The most common fatigue tests in the literature do have serious disadvantages. The time-consumption is high, the failure parameter can hardly be quantified and the ratio of plasticity to creep cannot be adjusted easily. The pure mechanical bending test does not have those disadvantages. By changing the bending-speed and the addition of holding times, the creep can be adjusted almost at will. The bending-experiments were conducted at five different temperatures between 22°C and 125°C and with three bending amplitudes as well as three speeds. Insufficiently sintered samples could be identified very early. This already proofed the value of the test as a quality test. Furthermore, a stable and repeatable fatigue behaviour could be observed, what was given by stable Weibull-exponents and repeatable cross sections. A lifetime-model was established by usage of the bending-test-data, what eventually predicted successfully the lifetime of a thermal cycling reference test