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Zur Eigenspannungsausbildung bei der wickeltechnischen Verarbeitung thermoplastischer Bandhalbzeuge
(2005)
Filament winding is today a well established production technique for fiber reinforced
pressure vessels. Most of the parts are still made using thermosets as matrix material,
but parts with thermoplastic matrices are today on the edge to mass production.
Usually these parts are made from fully consolidated unidirectional fiber reinforced
thermoplastic tapes. During processing the matrix material is molten and the tapes
are placed on the substrate where they re-solidify. A wide range of material combinations
are available on the market. The materials used in the present investigation are
semi-crystalline thermoplastics and glass or carbon fiber i.e. carbon fiber reinforced
Polyetheretherketone, glass fiber reinforced Polyetheretherketone and glass fiber
reinforced Polypropylene.
Applications can be found in the field of medium and high pressure vessels like they
are used for natural gas and hydrogen storage or for tubes and pipes for their transport.
During the design of such parts mostly idealized properties as for example tensile
strength are used. Residual stresses which are inherent for composite materials
are only considered as part of the safety factor.
The present work investigates the generation of residual stresses for in-situ consolidation
during filament winding. Within this process consolidation of the tape material
and the substrate takes place immediately after the tapes are placed. This is contrary
to the normal curing of thermoset materials and has a large influence on the generation
of the residual stress. The impact of these stresses on the behavior of the produced
parts during service is one of the topics of this investigation. Therefore the
background of thermal residual stresses in semi-crystalline thermoplastic parts is discussed
and a closer look on the crystallization behavior of the matrix materials was
taken. As the beginning of the crystal growth is a major point in the generation of thermal residual stress.
The aim of the present work is to find process parameter combinations that allow to
compensate the thermal residual stresses and to generate a residual stress profile
that – unlike the thermal residual stresses - brings about structural benefit. Ring
samples with a defined geometry were made to measure the generated stresses.
The geometry of the samples was chosen in a way that prevents influences of the
boundary conditions of the free edges on the measuring point.
In the investigations the residual stresses were measured in circumferential direction
using a method where the ring samples were cut in radial direction and the deformation
was measured using strain gages. From the strain the local stress can be determined.
It was tried to minimize the number of experiments. Therefore the influence of filament
winding process parameters on the residual stress were investigated using a
Design of Experiments approach where the main influences on the residual stress
generation can be found from a relatively small number of experiments such as 8
instead of 128. As a result of these experiments it was found that the winding angle,
the mandrel temperature, the annealing, the wall thickness and the tape tension have
a significant influence on residual stresses. With increasing winding angles the influence
on the measured circumferential stresses increase regardless to kind of residual
stresses. The mandrel temperature has a large influence on the temperature difference
that causes the stress between fiber and matrix. They are caused by different
thermal expansion coefficients of fiber and matrix. Structural benefit through annealing
is only theoretically possible because the required outside temperatures
along with internal cooling of the parts can not be realized within an industrial processes.
Increasing wall thickness leads to also increasing residual stress but it can not
be the aim to build oversized parts for the sake of residual stresses. The applied tape
tension was identified as a parameter that can be used to achieve the desired residual
stress state with reasonable efforts.
Different ways of varying the tape tension with increasing wall thickness were investigated.
The tape tension was increased with every layer to a chosen maximum value or, after half of the layers were placed, in one step to the maximum value. Furthermore
a continuously high tape tension and a variant without tape tension was investigated.
The experiments led to the conclusion that increasing tape tension with increasing
wall thickness is a viable way to have structural benefit from residual stress.
The increasing in one step gave the best results.
The impact of the thermal history during production is discussed as well. Temperatures
must not exceed the softening point of the matrix. Otherwise a part of the tape
tension gets lost by relaxation. In a particular case the relaxation reached an amount
where the compensation of the thermal stresses failed. Thermodynamic calculations
led to the conclusion that the energy transfer into the material by mandrel heating
and melt energy caused a temperature above the softening point.
The impact of tape tension on material quality is documented. Very low tape tension
can not guarantee a proper consolidation. On the other hand excessive tape tension
can lead to matrix squeeze out and in particular cases to cracks due to too high residual
stresses. Therefore the tape tension profile should be well adapted to work
load, the composite and its properties.
Investigations on the relaxation behavior of the residual stresses showed that relaxation
occurs and that a part of the residual stress relaxes when the samples were exposed
to higher temperatures. Test at room temperature showed no significant sign
of relaxation. When the temperature was raised – in this case to 80 °C - the samples
clearly relaxed. The amount of induced residual stress sank to half of its initial value.
Investigations on the structural benefit showed that material savings of up to 23 % of
weight are possible for high pressure applications and fiber reinforcements with relatively
low fiber volume content. Higher fiber volume contents which also mean higher
strengths reduce the benefit. As the strength of the material increases the benefit
reduces in relation to it.
Nevertheless there is a potential in material saving and one should keep in mind that
the costs to establish the equipment to control the tape tension is cheap in comparison
to the achievable result.
Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.
Anthocyane, eine Untergruppe der Flavonoide, sind als natürliche Farbpigmente weit verbreitet in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft. Ihnen werden eine Reihe von gesundheitlich positiven Wirkungen zugeschrieben, was dazu geführt hat, dass auf dem Markt für Nahrungsergänzungsmittel immer mehr Produkte auf Anthocyanbasis auftauchen. Als ein möglicher nachteiliger Faktor für eine potentielle genotoxische Wirkung von Flavonoiden wird die Interaktion mit humanen Topoisomerasen diskutiert. Bezüglich einer möglichen Risiko/Nutzen-Evaluierung ist es nicht nur von Bedeutung, ob Flavonoide/Anthocyane mit diesen Enzymen interagieren, sondern auch die Art dieser Interaktion und sich möglicherweise daraus ergebende Konsequenzen, besonders im Hinblick auf die Integrität der DNA. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Anthocyanidine Delphinidin (Del), Cyanidin (Cy), Pelargonidin (Pg), Paeonidin (Pn) und Malvidin (Mv) hinsichtlich ihrer Beeinflussung humaner Topoisomerase I und II zu untersuchen. Ein Schwerpunkt lag bei der Aufklärung des Wirkmechanismus dieser Verbindungen bezüglich einer Stabilisierung des Cleavable Complex, möglichen Interaktionen mit der DNA und die Relevanz dieser Effekte für die Integrität zellulärer DNA. Es konnte gezeigt werden, dass nur die Verbindungen mit vicinalen Hydroxygruppen im B-Ring des Anthocyangrundgerüstes, Del und Cy, effektiv die katalytische Aktivität isolierter humaner Topoisomerase I und Topoisomerase IIalpha + IIbeta hemmen. Sie wirken jedoch nicht wie die klassischen Topoisomerasegifte Camptothecin oder Etoposid über die Stabilisierung des kovalenten Topoisomerase-DNA-Komplexes, sondern stellen rein katalytische Inhibitoren dar. Del und Cy könnten sogar die DNA vor Topoisomerase I-Giften schützen, da sie zumindest am isolierten Enzym die Stabilisierung des Cleavable Complex der Topoisomerase I durch Camptothecin effektiv verhindern. Für alle getesteten Anthocyanidine konnte gezeigt werden, dass sie im niedrigen mikromolaren Bereich, zwischen 15 µM und 50 µM, sowohl an die kleine Furche der DNA binden, als auch in die DNA interkalieren können und das diese DNA-interagierenden Eigenschaften keinen wesentlichen Beitrag zur Hemmung der Topoisomerasen liefern. Auch wenn im Falle der Anthocyanidine die direkte DNA-Interaktion im Hinblick auf die Topoisomerasehemmung nur von geringer Bedeutung ist, so scheint sie jedoch relevant bezüglich der Integrität zellulärer DNA zu sein. Die einstündige Inkubation von HT29 Kolonkarzinomzellen zeigte, dass bei Inkubation mit den Anthocyanidinen in Konzentrationen >50 µM, signifikant DNA-Schäden induziert werden. Im Hinblick auf die Integrität der DNA lebender Zellen scheint der jeweilige Konzentrationsbereich von entscheidender Bedeutung zu sein. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss der Überexpression der Tyrosyl-DNA-Phosphodiesterase 1 (TDP1) nach Inkubation mit Topoisomerasegiften zu untersuchen. Im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Boege, Universitätsklinikum Düsseldorf, wurden uns verschiedene Zellklone zur Verfügung gestellt, die ein Fusionsprotein aus TDP1 und GFP überexprimierten, sowie eine katalytisch inaktive Variante des Enzymes (TDP1-H263A). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen an diesen Zelllinien zur Zytotoxizität von Topoisomerasegiften durchgeführt, sowie Untersuchungen zum Einfluss der TDP1 auf die Induktion von DNA-Schäden durch Topoisomerasegifte. Untersuchungen zum Zellwachstum der verschiedenen Zelllinien mittels MTT-Zytotoxiziätsassay zeigten nach 72 stündiger Inkubation mit den Topoisomerasegiften Camptothecin (Topo I) und Etoposid (Topo II) keinen signifikanten Wachstumsvorteil bei Überexpression der TDP1. Betrachtet man jedoch die Induktion von DNA-Schäden bei Kurzzeitinkubationen (1h) von Camptothecin im Comet-Assay, so erkennt man eine signifikante Reduktion der DNA-Schäden bei Überexpression der TDP1. Ist bei der TDP1 das katalytische Histidin 263 gegen Alanin ausgetauscht, steigen die DNA-Schäden auf das gleiche Niveau wie bei nicht TDP1-überexprimierenden Zellen, d.h. es findet keine Reparatur statt. Erstaunlicherweise zeigte sich auch bei der Inkubation mit dem Topoisomerase II-Gift Etoposid, welches ursprünglich als Negativkontrolle gedacht war, der gleiche Reparatureffekt. Eine Hochregulation DNA-reparierender Enzyme ist unwahrscheinlich, da bei Inkubation mit dem DNA-methylierenden Agens N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) alle Zelllinien eine vergleichbare Menge an DNA-Schäden aufwiesen. Die nunmehr erzielten Ergebnisse eröffnen erstmals die Möglichkeit den Comet-Assay, unter Verwendung der unterschiedlichen TDP1-Klone, zum Auffinden von TDP1-Hemmstoffen einzusetzen.
Seit Beginn der 90er Jahre werden vermehrt Kreisverkehre gebaut. Insbesondere beim Umbau vorhandener LSA-Kreuzungen zu Kreisverkehren werden Vorteile für den Individualverkehr gesehen. Diese Vorteile werden allerdings mit Nachteilen für den öffentlichen Personennahverkehr erkauft. Die erstmals untersuchten Auswirkungen dieser Knotenpunktform auf Fahrzeuge des öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) sind teilweise erheblich: - Wartezeiten für ÖV-Fahrzeuge an Kreisverkehren schwanken und sind schlecht in den Fahrplan zu integrieren, - Fahrtrichtungswechsel bei der Befahrung der Kreisfahrbahn reduzieren den Fahrkomfort, - ÖPNV-Beschleunigungen werden an Kreisver-kehren selten angewandt, - ÖPNV-Priorisierungmöglichkeiten durch Eingriffe in Lichtsignalanlagensteuerungen entfallen. Dass Beschleunigungen auf dem Linienweg in vielen Fällen möglich sind, wurde sowohl durch empirische Auswertungen bestehender Kreisverkehre als auch durch Simulationen gezeigt. Bei geringen Verkehrsstärken sind Beschleunigungen im Allgemeinen nicht notwendig. Zudem steht die Wirkung häufig in ungünstiger Relation zum erforderlichen Aufwand. Bei hohen Verkehrsstärken in den Zufahrten ermöglicht dagegen z.B. die ÖV-Spur hervorragende Beschleunigungen für den ÖV. Allerdings wurden bei zweistreifiger, pa-ralleler Führung von MIV- und ÖV-Strömen zu einstreifigen Kreisverkehren häufig Irritationen zwischen MIV- und ÖV-Fahrzeugen beobachtet. Kei-ne Irritationen wurden beobachtet, wenn MIV- und ÖV- Spur in der Zufahrt zum Kreisverkehr zweistreifig parallel geführt werden und die MIV-Fahrspur unmittelbar vor dem Kreisverkehr in einer Fahrstreifenreduktion endet und die ebenfalls endende ÖV-Spur als normaler Fahrstreifen fortgeführt wird. Bei dieser als „KREIFAS“ (KReisverkehr mit EIngezogenem FAhrstreifen) bezeichneten Verkehrsführung wechseln die MIV-Fahrzeuge den Fahrstreifen, während der ÖV geradeaus weiterfahren kann. Eine Beschleunigungsmöglichkeit bei der Einfahrt in die Kreisfahrbahn bietet die „schlafende LSA“. Der Vorrang der Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn wird durch eine schlafende Lichtsignalanlage (Dunkelampel) aufgehoben, wenn ÖV-Fahrzeuge in der Zufahrt auf den Kreisverkehr zufahren. Fahrzeuge aus dieser Zufahrt erhalten solange Vorrang, bis dass das ÖV-Fahrzeug die Kreisfahrbahn erreicht hat. Durch diese und andere Maßnahmen wird eine Reduzierung von Wartezeiten für Busse bei der Einfahrt in die Kreisfahrbahn erreicht, ebenso wie eine Verstetigung des Fahrtverlaufes in der Zufahrt und somit eine Steigerung von Fahrplantreue und Fahrkomfort erreicht. Insgesamt ist eine ausgewogene Berücksichtigung aller Verkehrsteilnehmer auch bei Planungen an Kreisverkehren erforderlich. Wenn ÖV-Linien beschleunigt über Kreisverkehre geführt werden sollen, sind deren Anforderungen besonders sorgfältig zu berücksichtigen. Somit ergeben sich auch für das Element Kreisverkehr Beschleunigungsmöglichkeiten, um den Wegfall von LSA-Beschleunigungsmaßnahmen in weiten Teilen zu kompensieren.
In der Arbeit geht es um die Untersuchung von Mechanismen zur Energiegewinnung in Ambient Intelligence Systemen. Zunächst wird ein Überblick über die existierenden Möglichkeiten und deren zu grunde liegenden physikalischen Effekte gegeben. Dann wird die Energiegewinnung mittels Thermogeneratoren näher untersucht.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten
Polytetraßuorethylen-basierender Verbundwerkstoffe (PTFE) bezogen auf eine Anwendung
als tribologisch beanspruchte Maschinenelemente im Temperaturbereich
zwischen Raumtemperatur und Temperaturen in kryogenen Medien. Dieser Temperaturbereich
ist relevant für eine Reihe neuer, innovativer Technologien, allen voran die
Wasserstofftechnologie als Alternative zu fossilen Energieträgern.
Der Ausgangspunkt dieser Arbeit ist eine auf bekannten Erfahrungen und entsprechenden
Publikationen aufbauende Werkstoffauswahl. Daher wurde PTFE als Matrixwerkstoff
ausgewählt, da es sich bereits in Tieftemperaturanwendungen bewährt hat.
Zur Verstärkung der PTFE-Matrix wurden ein polymerer Füllstoff, Polyetheretherketon
(PEEK) beziehungsweise ein aromatisches Polyester, und kurze Kohlenstofffasern
ausgewählt. Diese Werkstoffkomponenten wurden zu einer Reihe von Verbundwerkstoffen
mit systematisch variierendem Faser- und Füllstoffgehalt zusammengesetzt.
Der experimentelle Teil beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit tribologischen Untersuchungen
bei Raumtemperatur mit Hilfe einer Eigenbau-Stift-Scheibe-Prüfapparatur.
Als Gegenkörper kommen geschliffene Laufringe aus 100 Cr6 Stahl zum Einsatz.
Alle Verbundwerkstoffe wurden bei Standard-Testbedingungen von 1 m/s, 1 MPa sowie
Raumtemperatur getestet. Einer der verschleißbeständigsten Verbundwerkstoffe
wurde auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Belastungen geprüft. Das Reibungsverhalten
dieser Werkstoffe zeigte sich anders als erwartet, weshalb zusätzliche
Versuche erforderlich waren, um den TransferÞlmbildungsprozess beobachten zu können.
Zur Einordnung der tribologischen Ergebnisse werden auch reines PTFE und
einige lediglich partikelgefüllte PTFE-Compounds hinsichtlich Reibung und Verschleiß
getestet. Weiterhin werden die für tribologische Anwendungen wichtigen mechanischen
und thermischen Werkstoffeigenschaften untersucht.
Im Diskussionsteil werden die Einßüsse der Füllstoffe und Fasern auf die resultierenden
mechanischen, thermischen und tribologischen Werkstoffeigenschaften bewertet.
Die im Rahmen dieser Arbeit beschafften bzw. hergestellten Werkstoffe wurden parallel
an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, BAM, Berlin, tribologischen
Beanspruchungen in verschiedenen kryogenen Medien, insbesondere auch in ßüssigem
Wasserstoff, unterworfen. Auf die dort erarbeiteten Ergebnisse wird ebenfalls kurz
eingegangen.
The use of polymers subjected to various tribological situations has become state of
the art. Owing to the advantages of self-lubrication and superior cleanliness, more
and more polymer composites are now being used as sliding elements, which were
formerly composed of metallic materials only. The feature that makes polymer composites
so promising in industrial applications is the opportunity to tailor their properties
with special fillers. The main aim of this study was to strength the importance of
integrating various functional fillers in the design of wear-resistant polymer composites
and to understand the role of fillers in modifying the wear behaviour of the materials.
Special emphasis was focused on enhancement of the wear resistance of
thermosetting and thermoplastic matrix composites by nano-TiO2 particles (with a
diameter of 300nm).
In order to optimize the content of various fillers, the tribological performance of a
series of epoxy-based composites, filled with short carbon fibre (SCF), graphite,
PTFE and nano-TiO2 in different proportions and combinations, was investigated.
The patterns of frictional coefficient, wear resistance and contact temperature were
examined by a pin-on-disc apparatus in a dry sliding condition under different contact
pressures and sliding velocities. The experimental results indicated that the addition
of nano-TiO2 effectively reduced the frictional coefficient, and consequently the contact
temperature, of short-fibre reinforced epoxy composites. Based on scanning
electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) observations of the
worn surfaces, a positive rolling effect of the nanoparticles between the material pairs
was proposed, which led to remarkable reduction of the frictional coefficient. In particular,
this rolling effect protected the SCF from more severe wear mechanisms, especially
in high sliding pressure and speed situations. As a result, the load carrying
capacity of materials was significantly improved. In addition, the different contributions
of two solid lubricants, PTFE powders and graphite flakes, on the tribologicalperformance of epoxy nanocomposites were compared. It seems that graphite contributes
to the improved wear resistance in general, whereas PTFE can easily form a
transfer film and reduce the wear rate, especially in the running-in period. A combination of SCF and solid lubricants (PTFE and graphite) together with TiO2 nanoparticles
can achieve a synergistic effect on the wear behaviour of materials.
The favourable effect of nanoparticles detected in epoxy composites was also found
in the investigations of thermoplastic, e.g. polyamide (PA) 6,6 matrix. It was found
that nanoparticles could reduce the friction coefficient and wear rate of the PA6,6
composite remarkably, when additionally incorporated with short carbon fibres and
graphite flakes. In particular, the addition of nanoparticles contributed to an obvious
enhancement of the tribological performances of the short-fibre reinforced, hightemperature
resistant polymers, e.g. polyetherimide (PEI), especially under extreme
sliding conditions.
A procedure was proposed in order to correlate the contact temperature and the
wear rate with the frictional dissipated energy. Based on this energy consideration, a
better interpretation of the different performance of distinct tribo-systems is possible.
The validity of the model was illustrated for various sliding tests under different conditions.
Although simple quantitative formulations could not be expected at present, the
study may lead to a fundamental understanding of the mechanisms controlling friction
and wear from a general system point of view. Moreover, using the energybased
models, the artificial neural network (ANN) approach was applied to the experimental
data. The well-trained ANN has the potential to be further used for online monitoring and prediction of wear progress in practical applications.Die Verwendung von Polymeren im Hinblick auf verschiedene tribologische Anwendungen
entspricht mittlerweile dem Stand der Technik. Aufgrund der Vorteile von
Selbstschmierung und ausgezeichneter Sauberkeit werden polymere Verbundwerkstoffe
immer mehr als Gleitelemente genutzt, welche früher ausschließlich aus metallischen
Werkstoffen bestanden. Die Besonderheit, die polymere Verbundwerkstoffe
so vielversprechend für industrielle Anwendungen macht, ist die Möglichkeit ihre Eigenschaften
durch Zugabe von speziellen Füllstoffen maßzuschneidern. Das Hauptziel
dieser Arbeit bestand darin, die Wichtigkeit der Integration verschiedener funktionalisierter
Füllstoffe in den Aufbau polymerer Verbundwerkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand
aufzuzeigen und die Rolle der Füllstoffe hinsichtlich des Verschleißverhaltens
zu verstehen. Hierbei lag besonderes Augenmerk auf der Verbesserung
des Verschleißwiderstandes bei Verbunden mit duromerer und thermoplastischer
Matrix durch die Präsenz von TiO2-Partikeln (Durchmesser 300nm).
Das tribologische Verhalten epoxidharzbasierter Verbunde, gefüllt mit kurzen Kohlenstofffasern
(SCF), Graphite, PTFE und nano-TiO2 in unterschiedlichen Proportionen
und Kombinationen wurde untersucht, um den jeweiligen Füllstoffgehalt zu optimieren.
Das Verhalten von Reibungskoeffizient, Verschleißwiderstand und Kontakttemperatur
wurde unter Verwendung einer Stift-Scheibe Apparatur bei trockenem
Gleitzustand, verschiedenen Kontaktdrücken und Gleitgeschwindigkeiten erforscht.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von nano-TiO2 in kohlenstofffaserverstärkte
Epoxide den Reibungskoeffizienten und die Kontakttemperatur
herabsetzen können. Basierend auf Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen
durch Rasterelektronen- (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) trat ein positiver
Rolleffekt der Nanopartikel zwischen den Materialpaaren zum Vorschein, welcher zu
einer beachtlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führte. Dieser Rolleffekt
schützte insbesondere die SCF vor schwerwiegenderen Verschleißmechanismen,
speziell bei hohem Gleitdruck und hohen Geschwindigkeiten. Als Ergebnis konnte die Tragfähigkeit dieser Materialien wesentlich verbessert werden. Zusätzlich wurde
die Wirkung zweier fester Schmierstoffe (PTFE-Pulver und Graphit-Flocken) auf die tribologische Leistungsfähigkeit verglichen. Es scheint, daß Graphit generell zur Verbesserung
des Verschleißwiderstandes beiträgt, wobei PTFE einen Transferfilm bilden
kann und die Verschleißrate insbesondere in der Einlaufphase reduziert. Die
Kombination von SCF und festen Schmierstoffen zusammen mit TiO2-Nanopartikeln
kann einen Synergieeffekt bei dem Verschleißverhalten der Materialien hervorrufen.
Der positive Effekt der Nanopartikel in Duromeren wurde ebenfalls bei den Untersuchungen
von Thermoplasten (PA 66) gefunden. Die Nanopartikel konnten den Reibungskoeffizienten
und die Verschleißrate der PA 66-Verbunde herabsetzen, wobei
zusätzlich Kohlenstofffasern und Graphit-Flocken enthalten waren. Die Zugabe von
Nanopartikeln trug offensichtlich auch zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit
von SCF-verstärkten, hochtemperaturbeständigen Polymeren (PEI)
insbesondere unter extremen Gleitzuständen, bei. Es wurde eine Methode vorgestellt,
um die Kontakttemperatur und die Verschleißrate mit der durch Reibung dissipierten
Energie zu korrelieren. Diese Energiebetrachtung ermöglicht eine bessere
Interpretation der verschiedenen Eigenschaften von ausgewählten Tribo-Systemen.
Die Gültigkeit dieses Models wurde für mehrere Gleittests unter verschiedenen Bedingungen
erklärt.
Vom generellen Blickpunkt eines tribologischen Systems aus mag diese Arbeit zu
einem fundamentalen Verständnis der Mechanismen führen, welche das Reibungsund
Verschleißverhalten kontrollieren, obwohl hier einfache quantitative (mathematische)
Zusammenhänge bisher nicht zu erwarten sind. Der auf energiebasierenden
Modellen fußende Lösungsansatz der neuronalen Netzwerke (ANN) wurde darüber
hinaus auf die experimentellen Datensätze angewendet. Die gut trainierten ANN's
besitzen das Potenzial sie in der praktischen Anwendungen zur Online-
Datenauswertung und zur Vorhersage des Verschleißfortschritts einzusetzen.
Die Erprobung neuer Fahrzeugachsen oder Achsvarianten auf Basis von Lastdaten aus dem Fahrbetrieb erfolgt meist mit Hilfe komplexer mehrkanaliger Prüfstände. Bei solchen Erprobungen sollen im Allgemeinen die im Fahrbetrieb gemessenen Radnabenkräfte und Momente vom Prüfstand reproduziert werden. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen Prüfling und Prüfmaschine stellt sich bei jedem neuen Konzept die Frage, ob der gewünschte Test mit einem vorgegebenen Prüfsystemaufbau durchführbar ist, bzw. welche Konfiguration des Prüfsystems für den geplanten Test geeignet erscheint. In dieser Arbeit wird die Modellierung eines neuartigen Achsprüfsystemkonzeptes beschrieben, das auf zwei Hexapoden basiert. Die Modellierung umfasst neben der geometrischen Anordnung des Prüfsystems auch die Hydraulik sowie den internen Controller. Das Prüfsystemmodell wurde als so genanntes Template innerhalb des Fahrzeugsimulationsprogramms ADAMS/Car entwickelt und kann mit verschiedenen Achsmodellen zu einem Gesamtsystem gekoppelt werden. An diesem Gesamtmodell können alle am realen Prüfsystem auftretenden Arbeitsschritte wie Controllereinstellung, Drive-File-Iteration und Simulation durchgeführt werden. Geometrische oder hydraulische Parameter können auf einfache Weise geändert werden, um eine optimale Anpassung des Prüfsystems an den Prüfling und die vorgegebenen Lastdaten zu ermöglichen. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Modell unterstützt und begleitet einerseits die Einführung des neuen Achsprüfsystemkonzeptes und kann andererseits zur virtuellen Vorbereitung von Testläufen eingesetzt werden. Am Beispiel einer Vorder- und einer Hinterachse wird die allgemeine Vorgehensweise erläutert und die neuen Möglichkeiten aufgezeigt, die sich durch die Prüfsystemsimulation ergeben.
In diesem technischen Bericht werden drei Aufgaben zur Prüfung bzw. zur Beanspruchung unterschiedlicher Facetten der Arbeitsgedächtniskapazität beschrieben. Die Aufgaben beruhen zum Teil auf Material von Oberauer (1993) sowie Oberauer et al. (2000, 2003). Sie wurden in RSVP programmiert und sind auf Apple-Macintosh-Rechnern lauffähig. Die Aufgaben eignen sich zur computerunterstützten Erfassung oder Beanspruchung der Arbeitsgedächtniskapazität im Einzelversuch, teilweise auch im Gruppenversuch und werden hauptsächlich in Forschungskontexten benutzt. Für jede Aufgabe werden das Konzept, die Durchführung, Auswertungs- und Anwendungsmöglichkeiten sowie gegebenenfalls Vergleichsdaten geschildert.
In der vorliegenden Arbeit wurden mittels ab initio Methoden die Strukturen und Eigenschaften sowie das Reaktionsverhalten der kationischen Zwischenstufen einer nucleophilen und einer elektrophilen Substitution untersucht. Geometrieoptimierungen wurden unter Verwendung des B3LYP-Dichtefunktionals durchgeführt, Energien und Enthalpien aus Coupled-Cluster (CCSD(T))-Rechnungen gewonnen. Standardmäßig wurde der Basissatz 6-31++G(d,p) benutzt. Im ersten Teil der Arbeit stand die Frage im Mittelpunkt, welchen Einfluss eine Aminosubstitution am Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kation auf dessen Reaktionsverhalten im Vergleich zum Grundkörper hat und ob sich die experimentell beobachteten Produktbilder der nucleophilen Substitution mit der Annahme dieser Zwischenstufe vereinbaren lassen. Die Reaktions- und Aktivierungsenergien der beiden Teilschritte einer nucleophilen S(N)1-Reaktion an chlor-substituierten Amino-Bicyclo[3.1.0]hexanen unter Gegenwart von Methanol und Methanolat-Anionen sowie der Isomerisierungswege des intermediären Amino-Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations wurden in CCSD(T)-Rechnungen ermittelt. Der Einfluss des Lösungsmittels Methanol auf die Energien wurde unter Verwendung des C-PCM-Modells bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit eines NH2- oder Morpholin-Substituenten zwar wenig an den elektronischen Eigenschaften des Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations ändert, jedoch neue Reaktionswege, insbesondere Möglichkeiten zur Isomerisierung eröffnet. Die Energiebarrieren dieser Prozesse liegen jedoch durchweg über denen eines nucleophilen Angriffs, so dass die Bildung eines thermodynamisch stabilen, methoxy-substituierten Produktes die vorherrschende Reaktion bleibt und keine isomeren Kationen zu erwarten sind. Der Aminorest erzeugt aus sterischen Gründen und durch die von ihm bewirkte Erhöhung des Dipolmomentes im Trishomocyclopropenylium-Kation eine hohe Regioselektivität zugunsten eines nucleophilen Angriffs an Ringposition beta-C(3), was die aus Sicht der Experimentatoren dringendste Frage nach den Ursachen des regio- und stereochemischen Verlauf der Substitution beantwortet. Im zweiten Teil der vorliegenden Dissertation wurden die Strukturen der sigma- und pi-Komplexe der protonierten Aromaten Benzol, Toluol und Mesitylen bestimmt sowie die Energieprofile der in diesen Verbindungen ablaufenden 1,2-Hydridverschiebungen berechnet. Darüber hinaus wurden für Benzol und Mesitylen die Strukturen von Arenium-Aren-Komplexen und Arenium-Tetrachloroaluminat-Verbindungen ermittelt und die Energetik von Protonentransfers innerhalb dieser Spezies untersucht. Als Ergebnis liegt eine umfassende Datenbasis zur Energetik von intra- und intermolekularen Wasserstoffverschiebungen vor. Die von allen aufgeführten Spezies unter Verwendung der SQM-Methode simulierten Schwingungsspektren erlauben es, bestimmte Verbindungen und Zwischenstufen in Zukunft zuverlässiger und schneller zu identifizieren. Es zeigten sich durchweg sehr gute Übereinstimmungen mit Daten aus IR-, NMR-, MS- und Röntgenstruktur-Experimenten. Einige offene Fragen, wie etwa Auffälligkeiten in den Kristallstrukturen, konnten beantwortet werden. Viele bisher nur qualitativ bekannte Fakten können anhand der erarbeiteten Daten in einem neuen Licht betrachtet werden. Die vorliegenden quantenchemischen Daten bestätigen in den untersuchten Fällen die Beobachtungen der Experimentatoren und liefern darüber hinaus eine fundierte Basis für detaillierte Modellvorstellungen über den Mechanismus von Substitutionsreaktionen, die über substituierte Trishomocyclopropenylium-Kationen oder protonierte Alkylbenzole verlaufen.