@phdthesis{Dannert2006,
  author    = {Dannert, Christian Alexander},
  title     = {Untersuchungen zum Sinterverhalten von Porzellan},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-26283},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Unter {\"o}konomischen und {\"o}kologischen Zw{\"a}ngen geht der Trend in der Porzellanherstellung dahin, den Brennprozess immer weiter zu beschleunigen und damit die Brenndauer zu verk{\"u}rzen. Die Aufheizrate beim Brand wird dazu zunehmend erh{\"o}ht. In der Folge treten, durch fehlende Standfestigkeit des sinternden Scherbens bedingt, bleibende Verformungen auf. Außerdem f{\"u}hren große Dichtegradienten im Scherben zu Rissen, die sich beim Brand nicht mehr schließen. Eine bessere Kenntnis der Sinterph{\"a}nomene w{\"a}hrend des Brandes tr{\"a}gt zur L{\"o}sung dieser Probleme bei. Deshalb wurden in dieser Arbeit Methoden der Sinteranalyse auf Porzellan angewandt und erweitert: die Aufstellung eines Kinetic Field, die Untersuchung der Temperaturleitf{\"a}higkeit und die Analyse des Verformungsverhaltens beim Brand. Die Untersuchungen fanden in einer umgebauten und erweiterten Thermo- Optischen Meßanlage (TOM) statt. In dieser Meßanlage k{\"o}nnen gleichzeitig die Schwindung und die Temperaturleitf{\"a}higkeit in-situ w{\"a}hrend der Sinterung gemessen werden. Um die industriellen Brennbedingungen von Porzellan m{\"o}glichst genau in den Labormaßstab zu {\"u}bertragen, wurde die TOM um den Betrieb unter wasserdampfhaltiger Brennatmosph{\"a}re erweitert. Zur Untersuchung des Verformungsverhaltens von Porzellan w{\"a}hrend der Sinterung in der TOM wurde weiterhin ein Aufbau entwickelt, der besonders den optischen Gegebenheiten in der Meßeinrichtung Rechnung tr{\"a}gt. W{\"a}hrend der Sinterung kann die Probe mit einer definierten Kraft belastet und die resultierende Verformung optisch gemessen werden. In Versuchsreihen zum Porzellanbrand, bei denen Aufheizraten, Maximaltemperaturen, Belastungen und Atmosph{\"a}ren ver{\"a}ndert wurden, wurden gleichzeitig Schwindung und Temperaturleitf{\"a}higkeit gemessen. Aus den Schwindungsdaten der unbelasteten Sinterungen wurde ein Kinetic Field von Porzellan erstellt. Es zeigt die Sintergeschwindigkeit in Abh{\"a}ngigkeit von der Temperatur und der Aufheizrate. Das Kinetic Field erlaubt, die Sintervorg{\"a}nge von Porzellan abh{\"a}ngig von den Brennparametern vorherzusagen. Es ist somit ein wichtiges Werkzeug zur Optimierung von Brennvorg{\"a}ngen, da es den Schritt von arbeits- und kostenintensiven "Trial and Error"-Versuchen zu materialangepaßten theoretischen Optimierungen erm{\"o}glicht. Mittels Finite-Differenzen-Verfahren wurden die Dichtegradienten im Porzellanscherben w{\"a}hrend des Brandes berechnet. Diese Berechnung konnte erstmals gekoppelt, unter Ber{\"u}cksichtigung sowohl der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeits- als auch der Dichteentwicklung, erfolgen. Dichtegradienten beg{\"u}nstigen die Ausbildung von Rissen beim Brand. Die Berechnung der Dichtegradienten kann auf jedes beliebige Brennregime angewandt werden. So kann im Vorfeld der industriellen Umsetzung ein Brennprogramm auf minimale Dichtegradienten und geringe Rißneigung w{\"a}hrend des Brandes optimiert werden. Aus Verformungsmessungen wurde die Standfestigkeit von Porzellan w{\"a}hrend des Brandes bestimmt. Sie beeinflußt wesentlich die Verformung des Scherbens w{\"a}hrend des Brandes. Auch hier kann durch wenige Versuche im Labor die Verformung von Porzellan w{\"a}hrend des industriellen Brandes vorhergesagt werden. Dadurch wird die Optimierung auf geringste Verformung m{\"o}glich. Bei der Untersuchung der Sintergeschwindigkeit des untersuchten Porzellans fallen zwei charakteristische Maxima auf, die in den Temperaturbereichen auftreten, in denen die Dichtegradienten im Scherben stark ausgebildet sind und in denen auch die Standfestigkeit gering ist. Diese Erscheinungen werden mit Sinterph{\"a}nomenen der Fl{\"u}ssigphasensinterung in Verbindung gebracht. Sie resultieren aus mehreren, teils gegeneinander wirkenden und sich {\"u}berlagernden Sintervorg{\"a}ngen. Beim Brand unter industrieller, feuchter Brennatmosph{\"a}re treten die einzelnen Sinterph{\"a}nomene unabh{\"a}ngig von der Aufheizrate immer bei der gleichen Temperatur auf. Dieses Verhalten ist sehr ungew{\"o}hnlich und wurde bisher noch nicht beobachtet. Es kann dadurch erkl{\"a}rt werden, daß die feuchte Atmosph{\"a}re die Viskosit{\"a}t der glasbildenden Schmelzphase im Werkst{\"u}ck stark erniedrigt und in der Folge Gleichgewichtsph{\"a}nomene der Sinterung geschwindigkeitsbestimmend werden. Aus den gesammelten Erkenntnissen wurden Hinweise zur optimierten Brennf{\"u}hrung beim Brand des hier untersuchten Porzellans formuliert. Ziel war es, Produkte ohne Verformungen und Risse mit dem k{\"u}rzestm{\"o}glichen Brennzyklus zu erhalten. Dazu sollte die Aufheizung m{\"o}glichst schnell erfolgen, so daß Bereiche niedriger Festigkeit schnell durchfahren werden. Die obere Grenze der Aufheizgeschwindigkeit wird durch Temperatur- und Dichtegradienten im Werkst{\"u}ck bestimmt, die zu mechanischen Spannungen und damit zu Rissen f{\"u}hren k{\"o}nnen. Dieses Verhalten konnte rechnerisch simuliert werden. In Verbindung mit neuen Ofentechnologien ist es m{\"o}glich, die Dauer des Porzellanglattbrandes auf deutlich unter vier Stunden zu verringern.},
  subject      = {Keramik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Buerke2004,
  author    = {B{\"u}rke, Harald},
  title     = {TEM-Grundlagenuntersuchungen zur Gef{\"u}geentwicklung in aush{\"a}rtbaren Glimmerglaskeramiken},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-12548},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Untersuchung der Keimbildung und des Kristallisationsverhaltens einer mit Zirkoniumoxid verst{\"a}rkten Glimmerglaskeramik mit Na- Fluorphlogopit als kristalliner Hauptphase. Es der Einfluss des Zirkoniumoxides auf die Keimbildung untersucht. Die M{\"o}glichkeiten und Mechanismen der mechanischen Verfestigung der vorkristallisierten Glaskeramik in einem zweiten Temperschritt durch gezielte Gef{\"u}geeinstellung, Wachstum der Zirkoniumoxidkristalle auf eine umwandlungsf{\"a}hige Gr{\"o}ße, sowie durch Ausscheidung anderer Phasen wurden im zweiten Teil untersucht. Ziel war die Optimierung der Bearbeitbarkeit nach der ersten Kristallisation und eine bestm{\"o}gliche Verfestigung durch die zweite Kristallisation. Keimbildung und Kristallisation Die in der Literatur h{\"a}ufig beschriebene tr{\"o}pfchenf{\"o}rmige Entmischung konnte nicht beobachtet werden. Die Keimbildung wird wesentlich durch die prim{\"a}re Ausscheidung von nanokristallinem Zirkoniumoxid beg{\"u}nstigt. Ohne Zirkoniumoxid erfolgt im gew{\"a}hlten Zusammensetzungsbereich des Grundglases eine homogene Keimbildung von Phlogopit mit einem Keimbildungsmaximum im Bereich der Transformationstemperatur Tg des Glases. Bei einer Zusammensetzung mit sechs Masseprozent Zirkoniumoxid lassen sich homogene einphasige Gl{\"a}ser herstellen, wenn die Abmessungen nicht zu groß sind, so dass die Abk{\"u}hlung in wenigen Minuten erfolgt. Andernfalls w{\"u}rde bereits w{\"a}hrend der Abk{\"u}hlung die unkontrollierte Ausscheidung von Zirkoniumoxid-Dendriten erfolgen. Eine Temperaturbehandlung bei ca. 60 - 100 °C oberhalb von Tg f{\"u}hrt zur homogenen Ausscheidung von Zirkoniumoxid-Nanokristallen und anschließender heterogener Keimbildung von Chondrodit- und Phlogopit-Kristallen. Die maximale Keimbildungsrate erh{\"o}ht sich hierdurch um mehr als 20-tausendfach. Das Maximum der Keimbildung wird zu h{\"o}heren Temperaturen verschoben und die Induktionszeit drastisch verk{\"u}rzt. Somit k{\"o}nnen in technisch interessanten Zeiten gen{\"u}gend Keime erzeugt werden um ein feinkristallines Gef{\"u}ge zu erhalten. In den untersuchten Gl{\"a}sern erfolgt die Kristallisation ohne vorangehende amorphe Phasentrennung. Unterhalb einer Temperatur von 1060 °C wachsen gest{\"o}rte Glimmerkristalle mit gegen{\"u}ber der regul{\"a}ren St{\"o}chiometrie erh{\"o}htem Al-Anteil. Bei gr{\"o}ßeren Glimmerkristallen lassen sich makroskopisch gekr{\"u}mmte, dendritisch verzweigte Wachstumsformen erkennen. Als Ursache hierf{\"u}r konnten St{\"o}rungszonen im Gitteraufbau der Glimmer ausgemacht werden. Zus{\"a}tzliche, eingeschobene {001}-Halbebenen f{\"u}hren zu einer Verbiegung der benachbarten durchgehenden Netzebenen und erm{\"o}glichen dem Kristall die Wachstumsrichtung um einen kleinen Winkelbetrag zu {\"a}ndern. In der Summe entstehen so die makroskopisch gekr{\"u}mmten und verzweigten Kristalle. Anders als f{\"u}r die bekannten sph{\"a}risch aggregierten Glimmerkristalle angenommen, ist hier also kein durch die Glasmatrix vorgegebener Zwang f{\"u}r die gekr{\"u}mmte Morphologie entscheidend. Vielmehr f{\"u}hren Wachstumsst{\"o}rungen, die aufgrund der nichtst{\"o}chiometrischen, Al-reichen und hochviskosen Glasmatrix auftreten, zu Gitterfehlern in deren Folge die Glimmerkristalle gekr{\"u}mmt wachsen. Bei h{\"o}heren Temperaturen und h{\"o}herer Mobilit{\"a}t der f{\"u}r den Phlogopit erforderlichen Baueinheiten erfolgt die Rekristallisation zu st{\"o}chiometrischem Phlogopit. Verfestigung Die Zugabe von Zirkoniumoxid hat einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit der Glimmerglaskeramik. Bereits nach der ersten Kristallisation wurden Biegefestigkeiten bis 290 MPa gemessen, gegen{\"u}ber 120 MPa ohne Zirkoniumoxid. In diesem Stadium liegen die Zirkoniumoxidkristalle noch in einem nicht umwandlungsf{\"a}higen nanokristallinen Zustand vor. Durch die heterogene Keimbildung an ZrO2-Kristallen wird ein feink{\"o}rniges Phlogopitgef{\"u}ge m{\"o}glich, wodurch eine Verfestigung gegeben ist. Umwandlungsf{\"a}hige ZrO2-Teilchen in der Restglasmatrix nach der zweiten Kristallisation konnten nachgewiesen werden. Damit wurde der Prozess der Umwandlungsverst{\"a}rkung qualitativ nachgewiesen. Es trat jedoch keine signifikante Erh{\"o}hung der Bruchz{\"a}higkeit ein. Die h{\"o}here Biegefestigkeit nach der zweiten Kristallisation wird deshalb durch umwandlungsinduzierte Oberfl{\"a}chendruckspannung erkl{\"a}rt. Mikrorissverst{\"a}rkung ist ein weiterer bekannter Verfestigungsmechanismus. Mikrorisse an bereits umgewandelten ZrO2-Teilchen wurden jedoch nicht beobachtet. Kristallisation weiterer Phasen Durch unterschiedliche Keimbildung und geringe {\"A}nderungen des Fluorgehaltes der Gl{\"a}ser konnten im zweiten Kristallisationsschritt Kornerupin, Mullit oder Spinell als weitere Phase kristallisiert werden. Kornerupin kristallisierte in Form von langen Nadeln. Schon ein geringer Anteil Kornerupin f{\"u}hrte zu einer deutlich h{\"o}heren H{\"a}rte und Elastizit{\"a}tsmodul. Die Bruchz{\"a}higkeit nahm etwas ab, ein signifikanter Einfluss auf die Biegefestigkeit war nicht festzustellen. Die Bearbeitbarkeit wurde signifikant schlechter. Außerdem f{\"u}hrten relativ geringe Mengen Kornerupin zu einer starken Opakisierung des Materials. Mullit und Spinell zeigten beide eine gute Vertr{\"a}glichkeit mit dem Glimmergef{\"u}ge, es wurden hohe Festigkeiten erreicht. Im Gegensatz zu den Kornerupin-Nadeln, welche Gef{\"u}ge{\"u}bergreifend wuchsen, kristallisierte, je nach Fluorgehalt, Mullit oder Spinell in den glasigen Bereichen zwischen den Glimmerkristallen. Ein negativer Einfluss auf die Bearbeitbarkeit wurde nicht festgestellt. Proben mit mehr Mullit sind jedoch weniger transluzent als Proben mit {\"u}berwiegend Spinell. Bearbeitbarkeit Durch den Einsatz von Zirkoniumoxid und dessen gezielter Ausscheidung in einem zweistufigen Kristallisationsprozess wurden bearbeitbare Glimmerglaskeramiken mit deutlich h{\"o}heren Festigkeitswerten hergestellt, als die der bisher bekannten Glimmerglaskeramiken. Der Widerspruch zwischen guter Bearbeitbarkeit und hoher Festigkeit konnte nicht aufgehoben werden. Es ist zwar eine Bearbeitung der Proben mit spanenden Werkzeugen m{\"o}glich. Die verst{\"a}rkten Proben sind jedoch deutlich schwerer zu bearbeiten, als die unverst{\"a}rkten. Eine Optimierung war m{\"o}glich, indem der Glimmeranteil erh{\"o}ht wurde. Da die Proben mit h{\"o}herem Glimmeranteil eine niedrigere H{\"a}rte hatten, konnte ein inverser Zusammenhang zwischen der gemessenen H{\"a}rte und der Bearbeitbarkeit festgestellt werden. Dem urspr{\"u}nglichen Ziel entsprechend wurde durch die zweite Kristallisationsstufe eine Steigerung der Festigkeit erzielt, bei gleichzeitig verminderter Bearbeitbarkeit. Die hohen Erwartungen an die zweistufige Kristallisation konnten jedoch nicht erf{\"u}llt werden. Vielmehr ist bereits in einem einstufigen Prozess eine hohe Festigkeit bei noch akzeptabler Bearbeitbarkeit m{\"o}glich.},
  subject      = {Glimmer},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Hansch2003,
  author    = {Hansch, Ralf},
  title     = {Optimierung des PbO-Haushaltes in undotierten und SKN-substituierten PZT-Fasern: Gef{\"u}ge und Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-6651},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Ziel der vorliegenden Arbeit war eine Optimierung des Mikrogef{\"u}ges und der funktionalen Eigenschaften von undotierten und substituierten Bleizirkonat-Bleititanat-Fasern (PZT), die {\"u}ber die Sol-Gel-Route hergestellt worden waren. Die Kontrolle der Gef{\"u}geausbildung und der damit zusammenh{\"a}ngenden funktionalen Eigenschaften in den Fasern erfolgte {\"u}ber drei Wege: (1) {\"u}ber eine Optimierung des PbO-Gehaltes im Spinnsol, (2) {\"u}ber eine Anpassung der bei der Sinterung eingesetzten PbO-haltigen Puffersysteme sowie (3) {\"u}ber Variationen der Sinterzeit. Durch eine geeignete Kombination all dieser Pr{\"a}parationsparameter gelang es, phasenreine PZT-Fasern mit einem vollst{\"a}ndig verdichteten Mikrogef{\"u}ge und guten di- und ferroelektrischen Eigenschaften herzustellen. Sinterexperimente an undotierten PZT-Fasern zeigten, daß eine Grobjustage des PbO-Haushaltes durch einen PbO-{\"U}berschuß im Spinnsol f{\"u}r ein vollst{\"a}ndig verdichtetes Mikrogef{\"u}ge notwendig ist. Erg{\"a}nzend dazu ist die Feinjustage des PbO-Haushaltes durch ein geeignetes Puffersystem w{\"a}hrend der Sinterung ein effektives Werkzeug zur gezielten Einstellung des Mikrogef{\"u}ges. Mit Hilfe dieser Sinteroptimierung konnte beispielsweise die Sinterzeit f{\"u}r dichtgesinterte Fasern von 5 h auf 15 min erniedrigt werden. Dies f{\"u}hrt zu einem kosteng{\"u}nstigeren und damit wirtschaftlicheren Herstellungsprozeß. R{\"o}ntgenographische Phasenanalysen mittels XRD zeigten, daß alle PbO-{\"U}berschuß-Fasern nach der Sinterung aus phasenreinem Bleizirkonat-Bleititanat mit einem Zr/Ti-Verh{\"a}ltnis im Bereich der morphotropen Phasengrenze bestanden. In PbO-{\"U}berschuß-Fasern konnte jedoch mittels TEM-EDX-Untersuchungen eine amorphe Sekund{\"a}rphase mit stellenweise kristallinen PbO-Einschl{\"u}ssen im Bereich von Korntripelpunkten nachgewiesen werden. Das Auftreten dieser Sekund{\"a}rphase und die sehr schnelle Verdichtung unterst{\"u}tzen den im System Bleizirkonat-Bleititanat ohnehin naheliegenden Schluß, daß die Verdichtung der PbO-{\"U}berschuß-Fasern vorwiegend {\"u}ber einen Fl{\"u}ssigphasensintermechanismus erfolgt. Dagegen resultiert die Verdichtung in PbO-Defizit-Fasern durch einen Festphasensintermechanismus. Die mechanischen Eigenschaften der PZT-Fasern konnten durch eine Vereinzelung der Fasern aus dem Faserb{\"u}ndel vor der thermischen Prozeßf{\"u}hrung sowie durch eine Beschlichtung deutlich verbessert werden. So konnte an optimierten Fasern Zugfestigkeiten im Bereich von 125 MPa gemessen werden. Die dielektrischen Eigenschaften von undotierten PZT-Fasern sind mit denen von Mixed-Oxide-Keramiken vergleichbar. Nicht verdichtete PZT-Fasern mit Korngr{\"o}ßen von ca. 1 µm zeigten relative Dielektrizit{\"a}tskonstanten um 600, wohingegen dichtgesinterte Fasern mit Korngr{\"o}ßen von bis zu 4 µm relative Dielektrizit{\"a}tskonstanten von ca. 1000 bis 1200 aufwiesen. Die Großsignaleigenschaften waren relativ unabh{\"a}ngig vom Fasergef{\"u}ge, typische Werte lagen f{\"u}r die Koerzitivfeldst{\"a}rken bei 2,1 V/µm und f{\"u}r die maximale Polarisation bei 36 µC/cm2; die remanente Polarisation lag bei 22 µC/cm2. Die Großsignaldehnungen betrugen ca. 0,1 \% bei Feldst{\"a}rken von 6 kV/mm. Zyklierungsexperimente an undotierten PZT-Fasern zeigten, daß bis ca. 10000 Zyklen eine Art „Entalterung" auftritt, die mit der von undotierten PZT-Bulkmaterialien vergleichbar ist. Die Erm{\"u}dung der PZT-Fasern ab 100000 Zyklen, kann hingegen eindeutig auf einen Interface-Effekt an der Grenzfl{\"a}che zwischen Elektrode und Komposit zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. In einem weiteren Schritt wurden die an den undotierten PZT-Fasern gewonnenen Erkenntnisse auf PZT/SKN-Fasern {\"u}bertragen, bei denen eine partielle Substitution durch Strontium, Kalium und Niob vorgenommen wurde. Hier konnte gezeigt werden, daß die zus{\"a}tzlich eingebrachten Substitutionselemente als Kornwachstumsinhibitoren wirken. Eine vollst{\"a}ndige Verdichtung des Gef{\"u}ges kann bei diesen Fasern im Gegensatz zu den undotierten PZT-Fasern nicht durch einen PbO-{\"U}berschuß, sondern nur durch eine Erh{\"o}hung der Sintertemperatur erreicht werden. Bei Temperaturen von 950 °C reicht dann allerdings bereits ein geringer PbO-{\"U}berschuß von 4 Mol-\% f{\"u}r eine vollst{\"a}ndige Verdichtung der Faser aus. In Analogie zu den undotierten PZT-Fasern wird auch hier die Gef{\"u}geverdichtung von einem Fl{\"u}ssigphasensintermechanismus dominiert. Erste Untersuchungen der Großsignaleigenschaften der PZT/SKN-Fasern sind charakteristisch f{\"u}r ein weichferroelektrisches Verhalten. In den Kleinsignaleigenschaften zeigen die substituierten PZT/SKN-Fasern eine deutliche Abh{\"a}ngigkeit von der Korngr{\"o}ße: Mit einer Zunahme der Korngr{\"o}ße um 50\% auf 4?5 µm konnte ein Anstieg der Dielektrizit{\"a}tskonstante von 600 auf 1000 korreliert werden. Messungen des Dickenkopplungsfaktors ergab Werte um 40\%; sie sind somit vergleichbar mit denen, die an Bulk-Keramiken festgestellt wurden.},
  language  = {de}
}
@article{CosarinskyRoemerRoces2020,
  author    = {Cosarinsky, Marcela I. and R{\"o}mer, Daniela and Roces, Flavio},
  title     = {Nest Turrets of Acromyrmex Grass-Cutting Ants: Micromorphology Reveals Building Techniques and Construction Dynamics},
  series = {Insects},
  volume    = {11},
  journal   = {Insects},
  number    = {2},
  issn      = {2075-4450},
  doi       = {10.3390/insects11020140},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-200680},
  year      = {2020},
  abstract  = {Acromyrmex fracticornis grass-cutting ants construct conspicuous chimney-shaped nest turrets made of intermeshed grass fragments. We asked whether turrets are constructed by merely piling up nearby materials around the entrance, or whether ants incorporate different materials as the turret develops. By removing the original nest turrets and following their rebuilding process over three consecutive days, age-dependent changes in wall morphology and inner lining fabrics were characterized. Micromorphological descriptions based on thin sections of turret walls revealed the building behaviors involved. Ants started by collecting nearby twigs and dry grass fragments that are piled up around the nest entrance. Several large fragments held the structure like beams. As a net-like structure grew, soil pellets were placed in between the intermeshed plant fragments from the turret base to the top, reinforcing the structure. Concomitantly, the turret inner wall was lined with soil pellets, starting from the base. Therefore, the consolidation of the turret occurred both over time and from its base upwards. It is argued that nest turrets do not simply arise by the arbitrary deposition of nearby materials, and that workers selectively incorporate large materials at the beginning, and respond to the developing structure by reinforcing the intermeshed plant fragments over time.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Weigold2015,
  author    = {Weigold, Lena},
  title     = {Ermittlung des Zusammenhangs zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei hochpor{\"o}sen Materialien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124806},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit ist es, ein verbessertes Verst{\"a}ndnis f{\"u}r den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei hochpor{\"o}sen Materialien zu erlangen. Im Fokus dieser Arbeit steht die Fragestellung, wie mechanische Steifigkeit und W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bei hochpor{\"o}sen Materialien miteinander zusammenh{\"a}ngen und ob es m{\"o}glich ist, diese beiden Eigenschaften durch geometrische Modifikationen der Mikrostruktur unabh{\"a}ngig voneinander zu ver{\"a}ndern. Die durchgef{\"u}hrten Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil der mikrostrukturellen Modifikationen beide Materialeigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit in der Regel eng mit dem W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st verkn{\"u}pft ist. Es konnte jedoch auch nachgewiesen werden, dass die mechanische Steifigkeit bei hochpor{\"o}sen Materialien nicht eindeutig mit dem W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st zusammenh{\"a}ngt und spezifische mikrostrukturelle Modifikationen einen st{\"a}rkeren Einfluss auf die mechanische Steifigkeit besitzen, als auf den W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st. Umgekehrt ist diese Aussage nicht ganz so eindeutig. Die theoretische Betrachtung des Zusammenhangs zeigt, dass in die Berechnung der mechanischen Steifigkeit teils andere geometrische Strukturgr{\"o}ßen einfließen, als in die Berechnung des W{\"a}rmetransports {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st, so dass die mechanische Steifigkeit unabh{\"a}ngig von der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit ver{\"a}ndert werden kann. Es zeigt sich jedoch auch, dass die meisten strukturellen Ver{\"a}nderungen beide Eigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit aufgrund der Biegedeformation der Netzwerkelemente systematisch st{\"a}rker auf strukturelle Ver{\"a}nderungen reagiert als die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Struktur, so dass die mechanische Steifigkeit in der Regel quadratisch mit der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des Festk{\"o}rperger{\"u}stes skaliert. Mit den Methoden der effective-media-theory lassen sich Grenzen ermitteln, innerhalb derer sich mechanische Steifigkeit und W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit unabh{\"a}ngig voneinander variieren lassen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden Probenserien von Polyurethan-Sch{\"a}umen, Polyurea Aerogelen und organisch / anorganischen Hybrid Aerogelen herangezogen, so dass por{\"o}se Materialien mit geordneten, voll vernetzten Mikrostrukturen, mit statistisch isotropen, teilvernetzen Mikrostrukturen, sowie Mikrostrukturen mit anisotropen Charakter in die Untersuchung einbezogen werden konnten. Als Struktureigenschaften, die die mechanische Steifigkeit ungew{\"o}hnlich stark beeinflussen, konnten die Regelm{\"a}ßigkeit der Struktur und der Kr{\"u}mmungsradius der Netzwerkelemente sicher identifiziert werden. Alle weiteren strukturellen Ver{\"a}nderungen f{\"u}hren zu dem ann{\"a}hernd quadratischen Zusammenhang. In einem dritten Abschnitt dieser Arbeit wird das vereinfachte Phononendiffusionsmodell herangezogen, um den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei Aerogelen grundlagenphysikalisch zu modellieren. Zur Diskussion werden die experimentell ermittelten Eigenschaften der isotropen Polyurea Aerogele herangezogen und eine qualitative Modellierung ihrer Schwingungszustandsdichten durchgef{\"u}hrt. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Probendichte und Schallgeschwindigkeit, mit der sich die mechanische Steifigkeit berechnen l{\"a}sst, unter bestimmten Randbedingungen auch die Energie und Transporteigenschaften der Phononen beschreibt, die den W{\"a}rmetransport {\"u}ber das Festk{\"o}rperger{\"u}st bei Aerogelen bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich zum Beispiel heranziehen, um die Eigenschaften hochpor{\"o}ser Materialien f{\"u}r eine gegebene Anwendung durch mikrostrukturelle Modifikationen optimal zu gestalten.},
  subject      = {Por{\"o}ser Stoff},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Lange2003,
  author    = {Lange, Uta},
  title     = {Einfluß der Korngr{\"o}ße auf die morphotrope Phasengrenze in Sol-Gel abgeleiteten Nd-dotierten PZT-Keramiken},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-10175},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT) werden f{\"u}r die Anwendung als Sensor oder Aktuator in vielf{\"a}ltigen Geometrien und {\"u}ber sehr unterschiedliche Verfahren hergestellt. Aus technologischenGr{\"u}nden ergeben sich bei einigen dieser Verfahren Besonderheiten im Gef{\"u}ge wie z.B.ein hoher Porenanteil oder kleine mittlere Korngr{\"o}ßen. Da sich diese Parameter auf die Eigenschaften eines ferroelektrischen Materials auswirken, ist die Gef{\"u}geabh{\"a}ngigkeit der Materialeigenschaften von PZT-Keramiken von verschiedenen Arbeitsgruppen detailliert untersucht worden. {\"U}ber die Auswirkungen sehr kleiner Korngr{\"o}ßen bestand in der Literatur dennoch bisher Uneinigkeit. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit feink{\"o}rnige PZT-Keramiken, die {\"u}ber ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden, im Bezug auf die Material- und strukturellen Eigenschaften untersucht. Dabei war besonders die morphotrope Phasengrenze (MPG) rhomboedrisch-tetragonal von Interesse. Messungen der dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften zeigten unterhalb einer Grenzkorngr{\"o}ße von etwa 1 µm einen starken Einfluß des Gef{\"u}ges und f{\"u}hrten zu der Annahme, daß sich die MPG mit abnehmender Korngr{\"o}ße zu titanreicheren Zusammensetzungen verschiebt. Diese Vermutungen konnten durch quantitative Phasenanalysen auf der Basis von Pulverbeugungsdiagrammen best{\"a}tigt werden. In Analogie zu in der Literatur dokumentierten Arbeiten m{\"u}ssen innere Spannungen als Ursache dieser Verschiebung angenommen werden. Bisher wurde davon ausgegangen, daß solche inneren Spannungen bei der ferroelektrischen Umwandlung durch die Klemmung der K{\"o}rner in der keramischen Matrix entstehen und nur in dichtgesinterten Keramiken auftreten k{\"o}nnen. Die in dieser Arbeit untersuchten Proben weisen aufgrund der Herstellungsmethode gleichzeitig mit der Abnahme der Korngr{\"o}ße jedoch einen erh{\"o}hten Porenanteil auf. Dennoch wurde mit abnehmender Korngr{\"o}ße eine zunehmende Klemmung beobachtet. Erg{\"a}nzend dazu wurden keine signifikanten Unterschiede in der Kristallstruktur und im Phasenbestand zwischen gem{\"o}rserten und ungem{\"o}rserten Proben festgestellt. Die Klemmung muß daher in den Kristalliten selbst auftreten und ist auf die Verzerrung des Kristallgitters im Bereich von Dom{\"a}nenw{\"a}nden zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Die bei kleinen K{\"o}rnern ausgebildeten Dom{\"a}nen im nm-Bereich sind fast vollst{\"a}ndig verspannt. Diese Verspannung f{\"u}hrt zu einer Deformation der Elementarzellen, und wie durch Berechnungen nach der Devonshire-Theorie nachgewiesen wurde, zur Ver{\"a}nderung der Freien Enthalpie der tetragonalen und rhomboedrischen Phase. Die tetragonale Struktur wird destabilisiert und die MPG verschiebt sich zu h{\"o}heren Titangehalten. F{\"u}r die technische Anwendung solcher feink{\"o}rniger Keramiken muß diese Verschiebung der Phasengrenze ber{\"u}cksichtigt werden. Der Versatz ist mit einem entsprechen h{\"o}heren Titangehalt zu versehen, um die optimalen Materialeigenschaften im Bereich der morphotropen Phasengrenze nutzen zu k{\"o}nnen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Dutschke2006,
  author    = {Dutschke, Anke},
  title     = {Charakterisierung von PZT-D{\"u}nnschichten auf Metallsubstraten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-26235},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Das Mischkristallsystem PbZrxTi1-xO3 (PZT) geh{\"o}rt durch seine ausgepr{\"a}gten piezo- und ferroelektrischen Eigenschaften zu den meist verwendeten Funktionskeramiken. In Form von D{\"u}nnschichten auf flexiblen Metallsubstraten k{\"o}nnen sie f{\"u}r unterschiedlichste Anwendungen als Tastschalter, Vibrationsd{\"a}mpfer, Mikroaktuator oder Ultraschallwandler eingesetzt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Gef{\"u}geaufbau und den Phasenbestand von PZT-Schichten, die in einem mehrstufigen Sol-Gel-Prozeß auf Blechen der s{\"a}ure- und temperaturbest{\"a}ndigen Chrom-Nickel-Legierung Hastelloy abgeschieden worden sind, zu analysieren und mit ihren ferroelektrischen und die-lektrischen Eigenschaften zu korrelieren. Es wird nachgewiesen, daß das Gef{\"u}ge gezielt mittels verschiedener Temperaturbehandlungen und unter-schiedlicher Neodymdotierung variiert werden kann. Durch Nd-Dotierung wird das Maximum der Keimbil-dungsrate zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben und die Wachstumsgeschwindigkeit gegen{\"u}ber undotierten Schichten verringert. Die Kristallisation in dotierten und undotierten Schichten ist heterogen und erfolgt bevorzugt an den Grenz- und Oberfl{\"a}chen sowie an den Porenr{\"a}ndern im Innern der Schichten. Die Zusammensetzung der PZT-Sol-Gel-Beschichtungen liegt im Bereich der morphotropen Phasengrenze (x=0,53) zwischen tetragonaler und rhomboedrischer Phase. Erstmals wurde die w{\"a}hrend der Temperatur-behandlung auftretende Gradientenbildung im Zr/Ti-Verh{\"a}ltnis systematisch mit dem Gef{\"u}ge und dem Phasenbestand auf Nanometerskala in Verbindung gesetzt. Hierbei konnte aufgezeigt werden, dass langreichweitige Zr:Ti-Fluktuationen vorrangig w{\"a}hrend der Kri-stallisation der Pyrochlorphase entstehen. Bei der nachfolgenden Perowskitkristallisation wachsen die Kri-stalle {\"u}ber die entmischten Bereiche hinweg, so daß Schwankungen im Zr:Ti-Verh{\"a}ltnis innerhalb der Kristallite erhalten bleiben. Es wird dargelegt, daß die Fluktuationen im Zr:Ti-Verh{\"a}ltnis infolge der starken Spannungen innerhalb der Schicht nur geringe Auswirkungen auf den Verzerrungsgrad der Kristallite und die Zugeh{\"o}rigkeit zur rhomboedrischen oder tetragonalen Perowskitphase haben. Beim {\"U}bergang in den ferroelektrischen Zustand ist das Ausmaß der Gitterverzerrung unabh{\"a}ngig von der Kristallitgr{\"o}ße und in Nd-dotierten Schichten generell geringer als in undotierten Schichten. Es wird die Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen Metallsubstrat und PZT-Schicht untersucht, die die resultierenden elektrischen Eigenschaften maßgeblich beeinflußt. Sie wird als Oxidschicht identifiziert, be-stehend aus kristallinem NiO und NiCr2O4, verschiedenen Chromoxiden und Pb2(CrO4)O, die als nicht-ferroelektrisches Dielektrikum die resultierende Dielektrizit{\"a}tskonstante des Substrat-Schichtverbundes stark herabsetzt. Durch Aufbringen einer unterst{\"o}chiometrischen La0,75Sr0,2MnO3 (ULSM) - Elektrodierung vor der PZT-Beschichtung gelingt es, die Kontaktierung zu verbessern, die (001)-Orientierung in undotierten Schichten zu steigern und sehr schmale P-E-Hysteresekurven zu erhalten.},
  subject      = {PZT},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Iuga2007,
  author    = {Iuga, Maria},
  title     = {Ab Initio and Finite Element Simulations of Material Properties in Multiphase Ceramics},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-26246},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {In the present study numerical methods are employed within the framework of multiscale modeling. Quantum mechanics and finite element method simulations have been used in order to calculate thermoelastic properties of ceramics. At the atomic scale, elastic constants of ten different ceramics (Al2O3, alpha- and beta-SiC, TiO2-rutile and anatase, AlN, BN, CaF2, TiB2, ZrO2) were calculated from the first principles (ab-initio) using the density functional theory with the general gradient approximation. The simulated elastic moduli were compared with measured values. These results have shown that the ab-initio computations can be used independently from experiment to predict elastic behavior and can provide a basis for the modeling of structural and elastic properties of more complex composite ceramics. In order to simulate macroscopic material properties of composite ceramics from the material properties of the constituting phases, 3D finite element models were used. The influence of microstructural features such as pores and grain boundaries on the effective thermoelastic properties is studied through a diversity of geometries like truncated spheres in cubic and random arrangement, modified Voronoi polyhedra, etc. A 3D model is used for modeling the microstructure of the ceramic samples. The measured parameters, like volume fractions of the two phases, grain size ratios and grain boundary areas are calculated for each structure. The theoretical model is then varied to fit the geometrical data derived from experimental samples. The model considerations are illustrated on two types of bi-continuous materials, a porous ceramic, alumina (Al2O3) and a dense ceramic, zirconia-alumina composite (ZA). For the present study, alumina samples partially sintered at temperatures between 800 and 1320 C, with fractional densities between 58.4\% and 97\% have been used. For ZA ceramic the zirconia powder was partially stabilized and the ratio between alumina and zirconia was varied. For these two examples of ceramics, Young's modulus and thermal conductivity were calculated and compared to experimental data of samples of the respective microstructure. Comparing the experimental and simulated values of Young's modulus for Al2O3 ceramic a good agreement was obtained. For the thermal conductivity the consideration of thermal boundary resistance (TBR) was necessary. It was shown that for different values of TBR the experimental data lie within the simulated thermal conductivities. In the case of ZA ceramic also a good agreement between simulated and experimental values was observed. For smaller ZrO2 fractions, a larger Young's modulus and thermal conductivity was observed in the experimental samples. The discrepancies have been discussed by taking into account the effect of pressure. Considering the dependence of the thermoelastic properties on the pressure, it has been shown that the thermal stresses resulting from the cooling process were insufficient to explain the discrepancies between experimental and simulated thermoelastic properties.},
  subject      = {Finite-Elemente-Methode},
  language  = {en}
}