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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 tribological
performance 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 Reibungs und 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.
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.
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.
The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate
nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted
in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and
thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate
nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the
nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their
structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related
aspects were addressed.
For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and
non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile
butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the
nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains
within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures.
Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead
of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was
significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in
rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay
observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an
indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the
silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its
participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary
amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the
deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected
for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing
(as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism
differs from that of the sulfur curing.
The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the
properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different
nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the
rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates
with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites
were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations)
developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken
into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the
silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or
their orientation in the rubber matrix (order parameter).
Carbon-fibre reinforced plastics have been widely used in the aerospace industry as
materials for structural components. During recent years, the focus has been on
preform/RTM materials with the aim of improving material properties and reducing
costs. Harnessing the full potential of these materials requires a model for assessing
the properties and in particular long-term behaviour. Such a model needs to take into
account the special conditions of these materials. Basic failure mechanisms have to
be analysed in order to develop this kind of model.
Consequently, the aim of the work was to investigate the fatigue phenomenon in
preform-CFRP materials with thermoset matrices on a microstructural level. The
influence of the dynamic loading and the temperature on the emerging fracture
phenomena should be identified. Based on the results, a common fracture mechanism
should be found. The failure should be described on a mesoscopic level so that
it is not restricted on the fatigue failure at a single crack front.
To achieve this aim, different preform materials with EP matrix (some of which had
been subjected to impact) were loaded with dynamic compression load and high
frequent alternate bending. The fatigue behaviour of the matrix systems was investigated
by CT tests.
By means of microfractography, the only method for detecting fatigue failure as such,
the failure mechanisms were analysed at submicroscopic level. The results showed
correlations between microstructure and failure.
It became apparent that what in the technical literature has been given as an explanation
for the appearance of the fatigue striations in the scanning electron microscope
had to be corrected. As undercuts are not reflected in the SEM as dark striations,
the appearance of the striations must be based on different inclinations of the
local fractured surface to the primary electron beam.
On the basis of this result the shape and the formation of the fatigue striations could
be shown in resin pockets and fibre imprints. Fatigue striations have a shape which
sticks out from the fracture plane, preferably in the form of steps.
There was no proof for an influence of the high frequent load on the formation of
fatigue striations. However, it was possible to find lamellar fracture phenomena which
have not been described in the technical literature yet. Due to their shape and their occurrence these can be understood rather as a sign of a dynamic load then as a
fracture phenomenon of a high frequent cyclic loading.
The examinations of the high frequent loaded samples, where temperatures up to
120°C occurred, as well as in the CT tests with elevated temperatures (60% Tg)
yielded no proof that the temperature has an influence on the mechanical failure
behaviour. However, the formation of the fatigue striations in high frequent loaded
specimens leads to the deduction that adiabatic heating exists at the crack tip which
leads to large plastic deformations because the glass transition temperature is exceeded
locally.
The microfractographic investigations showed that the fatigue striations appear as
separate static fractures. On account of their shape and in relation to the matching
fracture surfaces plastic processes can be held responsible for the formation of the
striations. Altogether this leads to a modification of the models for the origin of fatigue
striations prevalent in the technical literature. The suggested model associates the
real fracture growth under fatigue loading only with a small part of the loading cycle.
Crack propagation only occurs when the maximum stress intensity is reached in the
area of the upper loading of the cycle. Microplastic processes by molecular rearrangement
in the stress field ahead of the crack tip lead to the blunting of the crack
tip, which is reflected as fatigue striations on the fracture surface. Simultaneously, the
cyclic loading causes damages in the molecular network of the thermoset. This leads
to the possibility of fracture formation below the static stress at break.
On the basis of the model and of fatigue crack growth diagrams it is possible to
establish thresholds for the stress intensity necessary for crack propagation under
cyclic load. The upper threshold of the stress intensity corresponds to KC, because it
marks the transition to unstable crack growth. The lower threshold is determined by
the value of the cyclic stress intensity factor where crack growth has just ceased to
be ascertainable.
With the existing model of local crack growth under fatigue loading and the results of
the chronological course of failure from the microfractographic investigations of the
different materials it was possible to detect a general failure mechanism for the
preform-CFRP materials.
When an external alternating load is applied, an inhomogeneous stress field forms in
the composite material. In areas stressed within the growth stress, fatigue growth occurs in the form of secondary fractures within the matrix. The primary crack front
runs along these damaged points in the material until global failure occurs. This leads
to a discontinuous, stepwise failure expiration under fatigue loading. This general
mechanism permits assessment of the damage behaviour and the progression of
failure in various types of fibre reinforcement.
Erfassung und Bewertung von Grenzschichteffekten in neuartigen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren
(2005)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Potenzial neuer Faser-Kunststoff-Verbunde auf
Basis von Duromeren mit hybrider und interpenetrierender Struktur und
Kohlenstofffasern analysiert. Die Motivation bestand darin, neue, innovative Harze im
Hinblick auf ihren Einsatz als Matrixsysteme für Flüssigimprägnierverfahren zum
Herstellen kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe zu
untersuchen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der Ausbildung der
Faser/Matrix-Grenzschicht und deren Einfluss auf das gesamte Eigenschaftsprofil
der Verbunde.
Als Matrixsysteme wurden ein Vinylester-Urethan-Hybridharz (VEUH), eine mit
Flüssigkautschuk (ETBN) modifizierte Variante dieses Harzsystems und eine
Verbindung zwischen Epoxid (EP) und Vinylester (VE) verwendet. Nach
Charakterisierung der Reinharzsysteme und der Auswahl einer geeigneten
Kohlenstofffaser wurden Laminate im Harzinjektionsverfahren sowie im
Nasswickelverfahren gefertigt.
Es hat sich gezeigt, dass konventionelle, mikromechanische Testmethoden zur
Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzschicht unter Verwendung dieser
Materialien nur bedingt anwendbar sind und die damit erzielten Ergebnisse nicht
ausreichen, um Korrelationen mit den makromechanischen Kennwerten aufzustellen.
Vielmehr erwiesen sich Faserbündeltests als eine gute Alternative, um wichtige
Informationen in Bezug auf die Bildung und Charakterisierung der Grenzschicht zu
erlangen. Beispielsweise reagierte der Querzugfaserbündeltest (QFT) äußerst
sensibel auf Änderungen in der Grenzschicht und ist nicht zuletzt aufgrund der
Berücksichtigung mesomechanischer Aspekte besser geeignet, um
makromechanische Tendenzen widerzuspiegeln. Aus diesem Grund und weiterhin
mit dem Verdacht auf erheblich hohe Eigenspannungen in den VEUH-Verbunden
wurde ein Makro/Mikro-Modell erstellt und mit Hilfe der Finiten Elemente Methode
analysiert. Die Ergebnisse gaben sowohl Aufschluss über die Entwicklung der
thermischen Eigenspannungen, als auch über Ort und Höhe der wirkenden
Spannungskomponenten. Ein wichtiges Resultat war, dass über 75% der relevanten
Spannungskomponenten bereits bei der Abkühlung durch die induzierten
thermischen Eigenspannungen entstehen. Weiterhin standen die Ergebnisse im Einklang mit experimentell ermittelten Daten und mikroskopisch beobachteten
Ereignissen. So konnte gezeigt werden, dass die herrschenden Spannungszustände
in guter Annäherung die auftretenden Versagensmechanismen beschreiben.
Des Weiteren wurden mehrere neue Ansätze zur Ergebnisinterpretation
verschienener Testmethoden verfolgt. Diese Vorgehensweisen lieferten ebenfalls
Informationen über den Status der Faser/Matrix-Grenzschicht. Es wurde
insbesondere bei den in dieser Arbeit untersuchten neuartigen Harzsystemen
deutlich, dass bisher gewonnenes Fachwissen auf dem Gebiet der Faser/Matrix-
Grenzfläche nicht zwingend auf neue Materialkombinationen übertragbar ist. Ferner
verweisen die Ergebnisse auf die Ernsthaftigkeit der Grenzschichtproblematik in
FKV, da deutlich herausgearbeitet wird, wie breit das Spektrum sein kann, über das
sich der Einfluss der Faser/Matrix-Grenzschicht erstreckt.
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.
Channel estimation is of great importance in many wireless communication systems, since it influences the overall performance of a system significantly. Especially in multi-user and/or multi-antenna systems, i.e. generally in multi-branch systems, the requirements on channel estimation are very high, since the training signals or so called pilots that are used for channel estimation suffer from multiple access interference. Recently, in the context with such systems more and more attention is paid to concepts for joint channel estimation (JCE) which have the capability to eliminate the multiple access interference and also the interference between the channel coefficients. The performance of JCE can be evaluated in noise limited systems by the SNR degradation and in interference limited systems by the variation coefficient. Theoretical analysis carried out in this thesis verifies that both performance criteria are closely related to the patterns of the pilots used for JCE, no matter the signals are represented in the time domain or in the frequency domain. Optimum pilots like disjoint pilots, Walsh code based pilots or CAZAC code based pilots, whose constructions are described in this thesis, do not show any SNR degradation when being applied to multi-branch systems. It is shown that optimum pilots constructed in the time domain become optimum pilots in the frequency domain after a discrete Fourier transformation. Correspondingly, optimum pilots in the frequency domain become optimum pilots in the time domain after an inverse discrete Fourier transformation. However, even for optimum pilots different variation coefficients are obtained in interference limited systems. Furthermore, especially for OFDM-based transmission schemes the peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmit signal is an important decision criteria for choosing the most suitable pilots. CAZAC code based pilots are the only pilots among the regarded pilot constructions that result in a PAPR of 0 dB for the transmit signal that origins in the transmitted pilots. When summarizing the analysis regarding the SNR degradation, the variation coefficient and the PAPR with respect to one single service area and considering the impact due to interference from other adjacent service areas that occur due to a certain choice of the pilots, one can conclude that CAZAC codes are the most suitable pilots for the application in JCE of multi-carrier multi-branch systems, especially in the case if CAZAC codes that origin in different mother codes are assigned to different adjacent service areas. The theoretical results of the thesis are verified by simulation results. The choice of the parameters for the frequency domain or time domain JCE is oriented towards the evaluated implementation complexity. According to the chosen parameterization of the regarded OFDM-based and FMT-based systems it is shown that a frequency domain JCE is the best choice for OFDM and a time domain JCE is the best choice for FMT applying CAZAC codes as pilots. The results of this thesis can be used as a basis for further theoretical research and also for future JCE implementation in wireless systems.
This thesis contains the mathematical treatment of a special class of analog microelectronic circuits called translinear circuits. The goal is to provide foundations of a new coherent synthesis approach for this class of circuits. The mathematical methods of the suggested synthesis approach come from graph theory, combinatorics, and from algebraic geometry, in particular symbolic methods from computer algebra. Translinear circuits form a very special class of analog circuits, because they rely on nonlinear device models, but still allow a very structured approach to network analysis and synthesis. Thus, translinear circuits play the role of a bridge between the "unknown space" of nonlinear circuit theory and the very well exploited domain of linear circuit theory. The nonlinear equations describing the behavior of translinear circuits possess a strong algebraic structure that is nonetheless flexible enough for a wide range of nonlinear functionality. Furthermore, translinear circuits offer several technical advantages like high functional density, low supply voltage and insensitivity to temperature. This unique profile is the reason that several authors consider translinear networks as the key to systematic synthesis methods for nonlinear circuits. The thesis proposes the usage of a computer-generated catalog of translinear network topologies as a synthesis tool. The idea to compile such a catalog has grown from the observation that on the one hand, the topology of a translinear network must satisfy strong constraints which severely limit the number of "admissible" topologies, in particular for networks with few transistors, and on the other hand, the topology of a translinear network already fixes its essential behavior, at least for static networks, because the so-called translinear principle requires the continuous parameters of all transistors to be the same. Even though the admissible topologies are heavily restricted, it is a highly nontrivial task to compile such a catalog. Combinatorial techniques have been adapted to undertake this task. In a catalog of translinear network topologies, prototype network equations can be stored along with each topology. When a circuit with a specified behavior is to be designed, one can search the catalog for a network whose equations can be matched with the desired behavior. In this context, two algebraic problems arise: To set up a meaningful equation for a network in the catalog, an elimination of variables must be performed, and to test whether a prototype equation from the catalog and a specified equation of desired behavior can be "matched", a complex system of polynomial equations must be solved, where the solutions are restricted to a finite set of integers. Sophisticated algorithms from computer algebra are applied in both cases to perform the symbolic computations. All mentioned algorithms have been implemented using C++, Singular, and Mathematica, and are successfully applied to actual design problems of humidity sensor circuitry at Analog Microelectronics GmbH, Mainz. As result of the research conducted, an exhaustive catalog of all static formal translinear networks with at most eight transistors is available. The application for the humidity sensor system proves the applicability of the developed synthesis approach. The details and implementations of the algorithms are worked out only for static networks, but can easily be adopted for dynamic networks as well. While the implementation of the combinatorial algorithms is stand-alone software written "from scratch" in C++, the implementation of the algebraic algorithms, namely the symbolic treatment of the network equations and the match finding, heavily rely on the sophisticated Gröbner basis engine of Singular and thus on more than a decade of experience contained in a special-purpose computer algebra system. It should be pointed out that the thesis contains the new observation that the translinear loop equations of a translinear network are precisely represented by the toric ideal of the network's translinear digraph. Altogether, this thesis confirms and strengthenes the key role of translinear circuits as systematically designable nonlinear circuits.
Ziel der Arbeit war es, das Härtungsverhalten und die Netzwerkstrukturbildung eines kalthärtenden Modellepoxidklebstoffs in Abhängigkeit der Oberflächenvorbehandlung einer nichthärtenden Aluminiumknetlegierung AlMg3 zu beschreiben. Für die Charakterisierung wurden thermische, thermodynamische und spektroskopische Analysemethoden verwendet. Für einen Vergleich mit dem Härtungsverhalten des Klebstoffs auf den verschieden vorbehandelten Oberflächen wurde zunächst das Bulk-Polymer selber charakterisiert. Anschließend wurden Experimente zur Härtungskinetik auf entfetter, gebeizter und anodisierter Aluminiumoberfläche durchgeführt. Die Versuche zeiigten, dass die Härtungsreaktion auf der gebeizten Oberfläche wesentlich schneller ist als auf den anderen Oberflächen. Die Netzwerkstrukturbildung wurde im DMA-Experiment auf den unterschiedlichen Oberflächen untersucht. Die Versuche zeigten, dass auf allen Oberflächen analoge Netzwerkstrukturen erzweugt werden, sich aber jedoch in ihrer Häufigkeitsverteilung unterscheiden. Im lweiteren Teil der Arbeit wurde mit oberflächensensitiven Messverfahren die Bruchfläche von einfachen Zugscherproben analysiert. Auch hier zeigten sich mit der Tof-SIMS differente Fragmentierungen auf den einzelnen Oberflächen, wodurch die bisherigen Ergebnisse unterstützt wurden. Im letzen Teil der Arbeit wurde im DSC-Versuch gezeigt, dass auch die Schichtdicke des aufgetragenden Klebstoffs einen erheblichen Einfluss auf die Netzwerkstruktur des Klebstoffs hat.
Im Rahmen der Arbeit wurden neue monosubstituierte, optisch aktive Cyclopentadienylliganden mit [2.2.1]-bicyclischen Substituenten synthetisiert. Als Startmaterialien dienten Verbindungen aus dem chiral pool wie beispielsweise Campher, Borneol oder auch Fenchon. Mit den neuen Liganden wurden optisch aktive Komplexe des Zirkoniums und des Titans hergestellt. Ein erstes Katalyseexperiment (katalytische Hydrierung) wurde durchgeführt.
Automated theorem proving is a search problem and, by its undecidability, a very difficult one. The challenge in the development of a practically successful prover is the mapping of the extensively developed theory into a program that runs efficiently on a computer. Starting from a level-based system model for automated theorem provers, in this work we present different techniques that are important for the development of powerful equational theorem provers. The contributions can be divided into three areas: Architecture. We present a novel prover architecture that is based on a set-based compression scheme. With moderate additional computational costs we achieve a substantial reduction of the memory requirements. Further wins are architectural clarity, the easy provision of proof objects, and a new way to parallelize a prover which shows respectable speed-ups in practice. The compact representation paves the way to new applications of automated equational provers in the area of verification systems. Algorithms. To improve the speed of a prover we need efficient solutions for the most time-consuming sub-tasks. We demonstrate improvements of several orders of magnitude for two of the most widely used term orderings, LPO and KBO. Other important contributions are a novel generic unsatisfiability test for ordering constraints and, based on that, a sufficient ground reducibility criterion with an excellent cost-benefit ratio. Redundancy avoidance. The notion of redundancy is of central importance to justify simplifying inferences which are used to prune the search space. In our experience with unfailing completion, the usual notion of redundancy is not strong enough. In the presence of associativity and commutativity, the provers often get stuck enumerating equations that are permutations of each other. By extending and refining the proof ordering, many more equations can be shown redundant. Furthermore, our refinement of the unfailing completion approach allows us to use redundant equations for simplification without the need to consider them for generating inferences. We describe the efficient implementation of several redundancy criteria and experimentally investigate their influence on the proof search. The combination of these techniques results in a considerable improvement of the practical performance of a prover, which we demonstrate with extensive experiments for the automated theorem prover Waldmeister. The progress achieved allows the prover to solve problems that were previously out of reach. This considerably enhances the potential of the prover and opens up the way for new applications.
Over the last decades, mathematical modeling has reached nearly all fields of natural science. The abstraction and reduction to a mathematical model has proven to be a powerful tool to gain a deeper insight into physical and technical processes. The increasing computing power has made numerical simulations available for many industrial applications. In recent years, mathematicians and engineers have turned there attention to model solid materials. New challenges have been found in the simulation of solids and fluid-structure interactions. In this context, it is indispensable to study the dynamics of elastic solids. Elasticity is a main feature of solid bodies while demanding a great deal of the numerical treatment. There exists a multitude of commercial tools to simulate the behavior of elastic solids. Anyhow, the majority of these software packages consider quasi-stationary problems. In the present work, we are interested in highly dynamical problems, e.g. the rotation of a solid. The applicability to free-boundary problems is a further emphasis of our considerations. In the last years, meshless or particle methods have attracted more and more attention. In many fields of numerical simulation these methods are on a par with classical methods or superior to them. In this work, we present the Finite Pointset Method (FPM) which uses a moving least squares particle approximation operator. The application of this method to various industrial problems at the Fraunhofer ITWM has shown that FPM is particularly suitable for highly dynamical problems with free surfaces and strongly changing geometries. Thereby, FPM offers exactly the features that we require for the analysis of the dynamics of solid bodies. In the present work, we provide a numerical scheme capable to simulate the behavior of elastic solids. We present the system of partial differential equations describing the dynamics of elastic solids and show its hyperbolic character. In particular, we focus our attention to the constitutive law for the stress tensor and provide evolution equations for the deviatoric part of the stress tensor in order to circumvent limitations of the classical Hooke's law. Furthermore, we present the basic principle of the Finite Pointset Method. In particular, we provide the concept of upwinding in a given direction as a key ingredient for stabilizing hyperbolic systems. The main part of this work describes the design of a numerical scheme based on FPM and an operator splitting to take the different processes within a solid body into account. Each resulting subsystem is treated separately in an adequate way. Hereby, we introduce the notion of system-inherent directions and dimensional upwinding. Finally, a coupling strategy for the subsystems and results are presented. We close this work with some final conclusions and an outlook on future work.
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.
Ultraschall ist eines der am häufigsten genutzen, bildgebenden Verfahren in der Kardiologie. Dies ist durch die günstige Erzeugung, die Nicht-Invasivität und die Unschädlichkeit für die Patienten begründet. Nachteilig an den existierenden Geräten ist der Umstand, daß lediglich zwei-dimensionale Bilder generiert werden können. Zusätzlich können diese Bilder aufgrund anatomischer Gegebenheiten nicht aus einer wahlfreien Position akquiriert werden. Dies erschwert die Analyse der Daten und folglich die Diagnose. Mit dieser Arbeit wurden neue, algorithmische Aspekte des vier-dimensionalen, kardiologischen Ultraschalls ausgehend von der Akquisition der Rohdaten, deren Synchronisation und Rekonstruktion bis hin zur Visualisierung bearbeitet. In einem zusätzlichen Kapitel wurde eine neue Technik zur weiteren Aufwertung der Visualisierung, sowie zur visuellen Bearbeitung der Ultraschalldaten entwickelt. Durch die hier entwickelten Verfahren ist es möglich bestimmte Einschränkungen des kardiologischen Ultraschalls aufzuheben oder zumindest zu mildern. Hierunter zählen vor allem die Einschränkung auf zwei-dimensionale Schnittbilder, sowie die eingeschränkte Sichtwahl.
Im Rahmen dieser wurden neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten untersucht. Prozesskombinationen aus Faserbündelimprägnierung und Wickeltechnik wurden in der Vergangenheit weitestgehend vernachlässigt, aufgrund der technisch schon sehr anspruchsvollen Imprägnierung einer großen Anzahl von Fasern mit einer hochviskosen Thermoplastschmelze. In jüngerer Vergangenheit wurde jedoch eine neue Technologie entwickelt, die sogenannte Imprägnierrad-Technologie, die eine hochwertige Schmelzeimprägnierung von Faserrovings ermöglicht. Aufgrund der beachtlichen Imprägniergeschwindigkeit und der spezifischen Charakteristika des Prozesses, bot sich die Technologie für eine Prozesskombination mit der Wickeltechnik an. Nach Auslegung und Umsetzung des Entwurfs der Anlagentechnik, wurden umfassende Parameterstudien durchgeführt. Glasfaserverstärkte Polypropylen- und Polyamid 12-Rohrabschnitte wurden mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/min hergestellt. Die gegenwärtige Begrenzung der Prozessgeschwindigkeit ist nicht durch die Imprägniergüte bedingt, sondern durch den übermäßigen Anstieg der Kräfte, die benötigt werden, um das Faserbündel von den Imprägnierwerkzeugen abzuziehen. Anlagentechnische Maßnahmen zur Entschärfung dieser Problematik und zur allgemeinen Verbesserung, sowie der damit verbundenen Steigerung der Produktivität wurden vorgeschlagen. Die Wirtschaftlichkeit der Prozesskombination wurde auf Basis einer Kostenvergleichsrechnung bewertet. Die einzigartige Möglichkeit mit einer Prozesskombination den Faservolumengehalt in radialer Richtung in einem Bauteil zu variieren wurde gezeigt. Rollformen als Verfahren zur Herstellung von Profilen mit einer großen Vielfalt von Querschnittsgeometrien aus Metallblechen hat aufgrund seiner hohen Produktivität weite Verbreitung in einer Vielzahl von Industriezweigen gefunden. Durch die Adaption dieses Verfahrens zur Verarbeitung von kontinuierlich verstärkten, thermoplastischen Faserkunststoffverbunden können lange Komponenten, die all die Vorteile dieser Materialien besitzen, auf eine effiziente Art und Weise gefertigt werden. Gewebeverstärkte GF/PP- und GF/PA66-Plattenhalbzeuge wurden erfolgreich zu Hutprofilen umgeformt, mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min. Die Fähigkeit teilkristalline Thermoplaste im Zustand einer unterkühlten Schmelze bei Tem-peraturen unter der Schmelztemperatur umzuformen wurde im Prozess gezielt ausgenutzt. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Werkzeugdesign gewidmet, um dem Umformverhalten kontinuierlich verstärkter Thermoplaste Rechnung zu tragen. Die Qualität der Profile wurde maßgeblich von der Zustelltemperatur der Halbzeuge in den ersten Rollenstand sowie der Austrittstemperatur aus dem Prozess beeinflusst. Das Temperaturprofil des Materials während der Verarbeitung und das Prozesslayout müssen als Funktion von Verarbeitungsgeschwindigkeit und Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden, um Profile hoher Qualität herzustellen. Die Komplexität und die Schwierigkeiten eines theoretischen Ansatzes zur Beschreibung des Prozesses wurden angesprochen, aber auch auf die Notwendigkeit eines solchen zur Weiterentwicklung des Verfahrens wurde hingewiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einfaches FE-Modell zur Simulation des Stempelumformens eines Organoblechs zu einem Hutprofil entwickelt. Trotz des unterschiedlichen Formgebungsprozesses konnten einige allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden, die auch für den Rollformprozess von Bedeutung sind. Einige anlagentechnische Maßnahmen zur Steigerung der Produktqualität im Rah-men zukünftiger Arbeiten wurden vorgeschlagen.
In this thesis we have discussed the problem of decomposing an integer matrix \(A\) into a weighted sum \(A=\sum_{k \in {\mathcal K}} \alpha_k Y^k\) of 0-1 matrices with the strict consecutive ones property. We have developed algorithms to find decompositions which minimize the decomposition time \(\sum_{k \in {\mathcal K}} \alpha_k\) and the decomposition cardinality \(|\{ k \in {\mathcal K}: \alpha_k > 0\}|\). In the absence of additional constraints on the 0-1 matrices \(Y^k\) we have given an algorithm that finds the minimal decomposition time in \({\mathcal O}(NM)\) time. For the case that the matrices \(Y^k\) are restricted to shape matrices -- a restriction which is important in the application of our results in radiotherapy -- we have given an \({\mathcal O}(NM^2)\) algorithm. This is achieved by solving an integer programming formulation of the problem by a very efficient combinatorial algorithm. In addition, we have shown that the problem of minimizing decomposition cardinality is strongly NP-hard, even for matrices with one row (and thus for the unconstrained as well as the shape matrix decomposition). Our greedy heuristics are based on the results for the decomposition time problem and produce better results than previously published algorithms.
Flavonoide des Apfels: Transport in Caco-2-Kolonzellen und Einfluss auf den Fremdstoffmetabolismus
(2005)
In Tierexperimenten wurde eine antikanzerogene Wirkung von Flavonoiden gegenüber Brust-, Dickdarm-, Magen, sowie Lungenkrebs festgestellt. [Boyer, 2004] Da der Krebsentstehung multifaktorielle Prozesse zu Grunde liegen, werden verschiedene Mechanismen diskutiert wie Flavonoide protektiv eingreifen können. Die genaue biologische Wirkung der Nahrungskomponenten und der humantherapeutische Nutzen ist aber weitgehend ungeklärt. Deshalb wurden in dieser Arbeit Flavonoide des Apfels auf die Wirkung des Fremdstoffmetabolismus im Kolon untersucht. Ziel dieser Arbeit war es Apfelsaftextrakt, der aus Äpfeln 2002 gewonnen wurde und ausgewählte Flavonoide, die in diesem Apfelsaft vorkommen auf ihre Wirkung auf den Fremdstoffmetabolismus und ihre Aufnahme in die Enterozyten zu untersuchen. In den Zytotxizitätsassays MTT-Test und Alamar-BlueTM-Test zeigten sowohl der Apfelsaftextrakt als auch die einzelnen Substanzen einen signifikanten, konzentrationsabhängigen Effekt. Vor allem das Disaccharid Rutin zeigt schon in geringen Konzentrationen starke zytotoxische Effekte. Diese könnte daran liegen, dass Rutin wie in den Transportassays gesehen sehr schlecht in die Zellen gelangt und deshalb im Medium stärker oxidiert werden kann, als die anderen Stoffe. Das Enzym CYP1A1 wurde durch den Apfelsaftextrakt und die Flavonoide Quercetin und Phloridzin leicht induziert. Dieser Effekt konnte auf mRNA, Proteinebene und bei der Aktivitätsmessung beobachtet werden. Diese Effekte sind im Vergleich zum potenten Induktor TCDD sehr gering, so dass diese für die in vivo-Situation nicht von belang sind. Sehr viel größer als die agonistische ist die antagonistische Wirkung von den Aglyka Quercetin, Phloretin und auch vom Apfelsaftextrakt. Diese Effekte konnten auch auf mRNA, Proteinebene und bei der Aktivitätsmessung des Enzyms gemessen werden. Quercetin zeigte sich als so starker Inhibitor, es konnte die TCDD-induzierte CYP1A1-Aktivität sogar um 99% bei einer Konzentration von 50µM im EROD-Assay zurückdrängen, wodurch die Flavonoide protektiv in die Krebsentstehung eingreifen können. Quercetin, Phloretin und der Apfelsaftextrakt AS02 erweisen sich als starke Antagonisten. Damit können Flavonoide des Apfels die metabolische Aktivierung chemischer Kanzerogene wie z. B. Benzo[a]pyren oder herterocyclischer, aromatischer Amine hemmen und eventuell auf diese Weise zur Verminderung des Darmkrebsrisikos beitragen.Interaktionen zwischen Flavonoiden und Fremdstofftransportern werden als möglicher Mechanismus diskutiert, der von großer Relevanz für den Einsatz von Flavonoiden als krebspräventative Stoffe. Mehrere Flavonoide wurden in den letzten Jahren gefunden, die den MRP-vermittelten Stofftransport in Tumorzellen modulieren können [Hooijberg, 1997]. MRP2 ist ein weiteres Enzym, welches im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden. Es kann durch Quercetin und den Apfelsaftextrakt signifikant und konzentrations-abhängig in der Real Time PCR und auch im Western Blot induziert werden. Diese Induktion könnte an der Aktivierung des sogenannten Antioxidant Response Element liegen. ARE kann durch redox-aktive Substanzen aktiviert werden und kann die Induktion von Enzymen wie die NADPH Chinonoxidoreduktase, GSH, UGT1A6 und auch MRP2 bewirken. Die Induktion von MRP2 beruht wahrscheinlich auf der Redox-Aktivität der 3‘,4‘-Catechol-Struktur des Quercetins. Die Wirkung des Apfelsaftextraktes könnte an dem im Extrakt enthaltenen Quercetin und seinen Glykosiden, die durch die LPH und Glukosidasen in der Zelle in Quercetin gespalten werden können, liegen. Die Induktion des MRP2-Transporters hat einen Einfluß auf die intestinale Entgiftung und die Verteilung von Xenobiotika in den Darmkrebszellen. Zellschädigende Stoffe können so schneller aus der Zelle herausgeschleust werden und können nicht mehr toxisch wirken, ein chemopräventativer Effekt tritt ein. In Transportassays sollte die Aufnahme der Polyphenole in die Zellen untersucht werden. Bei den Substanzen war eine erleichterte Diffusion oder ein aktiver Transport nicht zu erwarten, was durch die Papp-Werte bestätigt wird. Quercetin gelangt wohl durch passive Diffusion in die Zellen, genau wie Phloretin, wobei Quercetin besser in die Zellen gelangt. Phloridzin gelangt schlechter in die Zellen hinein, allerdings kann man im UV-Spektrum eindeutig sehen, dass der Zucker des Phloridzins abgespalten wird, es entsteht aber kein Phloretin als Aglykon, sondern ein Phloretin-ähnlicher Stoff. Es könnte sich um ein Glucoronid handeln oder es könnte eine Methoxygruppe eingeführt sein, was allerdings mit dieser Methode nicht näher bestimmt werden konnte, sondern mit einer HPLC-MS. Rutin hat wegen des Disaccharides keine Affinität zur LPH oder zu dem Glucosetransporter SGLT1 und gelangt deshalb nur sehr schlecht bis gar nicht in die Zelle. Die Aglyka gelangen am besten in die Zelle, wo sie unter anderem ihre starken antagonistischen Effekte in Bezug auf CYP1A1 bewirken können.
Da Polyphenole als gesund angesehen werden, ist es Ziel dieser Arbeit, ihre Gehalte in Fruchtsäften zu erhöhen. Dies beinhaltet zum einen das Auffinden polyphenolreicher Apfel- und Beerenobstsorten als geeignete Rohware. Gleichzeitig entsteht dabei ein Datensatz über sortenreine Apfel- und Beerenobstsäfte, der die RSK-Werte ergänzt. Zum anderen sind Wege zur Minimierung von Verarbeitungsverlusten durch gezielte Studien zur Qualitätssteigerung des Endproduktes Fruchtsaft wichtig. Die im Screening untersuchten sortenreinen Mostapfelsäfte aus drei Jahrgängen zeigen sehr hohe Gesamtphenolgehalte (GP) und antioxidative Kapazitäten (aK), die die Gehalte von Tafeläpfeln übersteigen. Sorten wie Bittenfelder und Weißer Trierer Weinapfel erreichen aK von Rotwein. Beerenobstsäfte sind reicher an Antioxidantien als Apfelsäfte. Innerhalb der Arten konnten besonders antioxidantienreiche Sorten gefunden werden. Bezogen auf die aK lautet die Reihenfolge: Tafelapfel < Mostapfel <= Erdbeere < Himbeere = Brombeere < Cranberry < Heidelbeere < Johannisbeere = Boysenberry < Aronia. Darüber hinaus sind erfolgreich Extraktions- und Analysemethoden zur Bestimmung der verschiedenen Formen von Ellagsäure entwickelt und zur Untersuchung von Erdbeeren und Himbeeren eingesetzt worden. Die Gesamtellagsäuregehalte von Himbeeren übersteigen bisher beschriebene Gehalte deutlich. Darüber hinaus sind Äpfel in die Gewebezonen aufgeteilt und auf Antioxidantien untersucht worden. Dies hat ergeben, dass die Quercetine (Q) fast ausschließlich in der Schale vorhanden sind und die Dihydrochalkone (DHC) größtenteils im Kerngehäuse. Die Phenolcarbonsäuren (PC) kommen ebenso wie die Flavanole (F) in allen Gewebezonen vor. Gerade die schlecht wasserlöslichen DHC und Q, die an den festen Bestandteilen der Frucht sitzen, gehen schlecht in den Saft über. Im Rahmen der Apfelverarbeitungsstudien sind Probleme bei der Probenahme und Extraktion erkannt und behoben worden. Die durchgeführten Verarbeitungsstudien haben ergeben, dass Prozesse zur Erhöhung des Transfers von DHC und Q wie etwa eine längere Maischestandzeit zu einem Verlust von F und PC führen. Dagegen verhindern Maßnahmen zum Schutz vor Oxidation, wie eine zusätzliche KZE des Saftes nach dem Pressen, die Extraktion der DHC und Q. Eine Steigerung des Polyphenolgehaltes kann jedoch durch eine Nachextraktion erreicht werden, wobei die Supratonmaschine keinen Vorteil bringt. Dieser Nachextraktsaft von polyphenolreichen Sorten kann darüber hinaus zur Qualitätssteigerung von einfacheren (Tafel)Apfelsäften eingesetzt werden. Die besten Ergebnisse des Übergangs der Polyphenole von der Frucht in das Getränk konnten bei der Herstellung eines Ganzfruchtproduktes erzielt werden. Selbst nach Verdünnung auf Nektarstärke sind mehr Polyphenole im Getränk enthalten als in einem vergleichbaren Saft. Lagerungsversuche über ein Jahr hinweg zeigen, dass sich Bohnapfelsaft und Mehrfruchtsaft sehr unterschiedlich verhalten. Während der untersuchte Bohnapfelsaft sich im Bezug auf Antioxidantien kaum über die Lagerzeit verändert, nehmen die Anthocyane des Mehrfruchtsaftes schon im ersten Lagermonat deutlich ab. Dagegen verschlechtert sich der Bohnapfelsaft sensorisch schnell während der Mehrfruchtsaft noch nach einem Jahr geschmeckt hat. Dies zeigt die Wichtigkeit sensorischer Untersuchungen bei solchen Studien. Aus polyphenolreichen Säften hergestellte Mehrfruchtsäfte (100% Saft) können als „Wellnessgetränke“ angesehen werden, da sie einen hohen gesundheitlichen Nutzen haben. Neue Rezepturen mit phenolreichen Ausgangssäften und optimierter Verarbeitung sollten weiter entwickelt werden.
In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die begonnene Analyse zur Genregulation durch den potentiellen Transkriptionsregulator PepR1 aus Lactobacillus delbrückii subsp. lactis DSM7290 fortgesetzt. PepR1 wurde aufgrund von Aminosäuresequenz-Ähnlichkeiten zu Proteinen der CcpASubfamilie, die zur GalR/LacI-Familie transkriptioneller Regulatoren gehört,identifiziert. Das pepR1-Gen ist divergierend zum pepQ-Gen angeordnet, welches für die Peptidase Q kodiert. Beide Gene besitzen eine gemeinsame intergene Region von 152 bp. Bei Promotorstudien im heterologen E. coli mit einem partiellen β-Galaktosidase-Gen (´lacZ) aus E. coli, welches mit einem Teilbereich der intergenen Region von pepR1 und pepQ sowie den ersten sechs Kodons des pepQ-Gens fusioniert wurde, erhöhte die Anwesenheit von PepR1 in trans die gemessene Aktivität des β-Galaktosidase-Fusionskonstruktes um einen Faktor von 1,95; während zwei im cre-Operator mutierte Varianten desselben Promotors nur 1,26- bzw. 1,21-fach erhöhte Aktivitäten zeigten. Analog ausgeführte Analysen mit den ebenfalls cre-ähnliche Elemente enthaltenden Promotorbereichen der Peptidasegene pepI und pepX ließen keine signifikante Beeinflussung der Expression der Reporterkonstrukte durch PepR1 erkennen. Bandshift-Analysen mit gereinigten PepR1-Protein und dem nicht modifizierten pepQ-Promotorfragment sowie einer Variante mit einem in zwei Basenpaaren mutierten cre-Operator zeigten die vollständige Retardierung beider DNA-Fragmente. Diese Resultate konnten die 14 bp palindromische cre-Sequenz als den cis-aktiven Operator für die Wirkung des DNA-bindenden Regulators PepR1 bestätigen. Die CcpA-äquivalente Funktion von PepR1 aus Lb. delbrückii subsp. lactis als pleiotroper Regulator wurde durch die partielle Komplementation einer ccpA-Mutation von Staphylococcus xylosus C2a durch das pepR1-Gen von Lactobacillus delbrückii subsp. lactis nachgewiesen. In der durch das plasmidkodiert vorliegende pepR1-Gen komplementierten ccpA-Mutante von Staphylococcus xylosus C2a war die Zucker-vermittelte Repression der α-Gluko-sidase in Gegenwart von Glukose als Kohlenstoffquelle im Vergleich zum Wildtyp fast komplett wiederhergestellt. Die autogene Regulation von pepR1 wurde in E. coli durch die parallele Expression des mit dem promotorlosen ´lacZ-Gen translational fusionierten pepR1-Promotors und dem unter der Kontrolle des eigenen bzw. des E. coli lac-Promotors exprimierten PepR1 gezeigt. Die Anwesenheit von PepR1 in trans reprimierte in beiden Fällen die Aktivität des PpepR1-´lacZ-Reporterkonstruktes um einen Faktor von zwei. Die Transkripte der Peptidasegene pepI, pepQ, pepX und des pepR1-Gens wurden parallel zur Bestimmung der zugehörigen Aktivitäten der Peptidasen I, Q, und X über den Wachstumsverlauf von in Glukose oder Laktose wachsenden Zellen von Lb. delbrückii subsp. lactis verfolgt. Beim Wachstum mit Glukose war die PepQ-Aktivität gegenüber Laktose durchschnittlich um einen Faktor von 1,8 erhöht, die Menge an pepQ-mRNA korrelierte mit den Aktivitäten. Die Aktivitäten der Pep I und der Pep X waren bei in Laktose kultivierten Zellen leicht erhöht, sie zeigten jedoch Wachstumsphasen-abhängige Modulationen bei den Aktivitäten sowie Abweichungen bei der Korrelation von enzymatischer Aktivität zur Menge an spezifischer mRNA. Die Menge an pepR1-spezifischer mRNA variierte Wachstums-phasenabhängig sowohl bei der Glukose- als auch der Laktose-Kultur mit einem Faktor von zwei bis drei. Die lac-Region von Lactobacillus delbrückii subsp. lactis DSM7290 wurde kloniert, sequenziert und partiell charakterisiert. Durch den Vergleich mit DNA-Sequenzdaten von bekannten lac-Genen anderer Milchsäurebakterien konnten drei offene Leserahmen ermittelt werden. Das lacP-Gen (1881 bp), dessen unvollständiger 5´-Genabschnitt durch Inverse PCR komplettiert wurde, kodiert für eine Permease. Drei Basenpaare stromabwärts von lacP beginnt das Gen lacZ (3024 bp) für die β-Galaktosidase, auf die in gleicher Leserichtung 51 bp stromabwärts, das an seinem 3´-Ende nur unvollständig vorliegende lacR´ folgt. Northern-Blot-Analysen konnten zeigen, daß lacP und lacZ (sowie vermutlich auch lacR´) bei Wachstum von Lb. delbrückii subsp. lactis DSM7290 in Medium mit dem Zucker Laktose als mRNA von circa 6,15 kb Größe gemeinsam transkribiert werden. Die durch CcpA/PepR1-vermittelte Kontrolle über cre-Operatoren des lac-Promotors konnte mit zwei Translationsfusionen von Plac mit dem ´lacZ aus E. coli in S. xylosus lac- bzw. lac- und ccpA-Mutanten gezeigt werden.