@phdthesis{Bittner2017,
  author    = {Bittner, Andreas},
  title     = {Innovative Materialkonzepte f{\"u}r elektrochemische Energiespeicher},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152300},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Beschichtungstyp f{\"u}r die Elektrodenmaterialien von Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt und charakterisiert. Dieser besteht aus einem speziellen anorganisch-organischen Hybridpolymer, das sich bez{\"u}glich seiner Zusammensetzung und Funktion gegen{\"u}ber bestehenden Beschichtungsmaterialien abhebt. Das anorganisch-organische Netzwerk des Hybridpolymers konnte mittels Feststoff-NMR-Messungen vollst{\"a}ndig aufgekl{\"a}rt werden. Dabei zeigte sich ein stabiles anorganisches Ger{\"u}st aus hoch vernetzten Polysiloxan-Einheiten. Zus{\"a}tzliche organische Modifizierungen liegen als lange bewegliche Ketten mit funktionellen Polyethylenoxid-Einheiten vor oder sind in Form von Polyethern und Diolen vernetzt. Mit dieser speziellen Netzwerkstruktur ist es m{\"o}glich, Materialeigenschaften zu erzeugen, die {\"u}ber solche von rein anorganischen und rein organischen Beschichtungen hinausgehen. Zu den mit verschiedenen Methoden nachgewiesenen Eigenschaften z{\"a}hlen eine hohe ionische Leitf{\"a}higkeit von 10\(^{-4}\) S/cm, eine hohe Elastizit{\"a}t mit E = 63 kPa, eine hohe elektrochemische Stabilit{\"a}t bis 5,0 V vs. Li/Li\(^+\) und eine hohe thermische Stabilit{\"a}t. Eine weitere Besonderheit des neuen Beschichtungsmaterials ist die mehrstufige Vernetzung der anf{\"a}nglichen Prekursoren zu einem Hybridpolymer-Sol und dem abschließenden Hybridpolymer-Gel. Die im Beschichtungssol vorliegende Teilvernetzung der Vorstufen konnte detailliert mittels Fl{\"u}ssig-NMR-Messungen untersucht und beschrieben werden. Aus den Messungen ließ sich folgern, dass die organisch und anorganisch vernetzbaren Gruppen im Sol teilweise vernetzt vorliegen. Die sterisch erreichbaren Si-OR-Gruppen der so entstandenen Oligomere sind vorwiegend nicht hydrolysiert, wodurch deren anorganische Anbindung an die OH-Gruppen der Partikeloberfl{\"a}chen kinetisch bevorzugt ist. Damit lassen sich besonders homogene und vollst{\"a}ndig bedeckende Beschichtungen der Elektrodenmaterialien erzeugen. Dies konnte mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden nachgewiesen werden: simulationsgest{\"u}tzte R{\"u}ckstreuanalysen mittels REM, hochaufgel{\"o}ste TEM-Aufnahmen sowie Elementanalysen durch EDX und XPS. Nach der Optimierung des nasschemischen Beschichtungsprozesses {\"u}ber Rotationsverdampfen ergaben sich f{\"u}r die verschiedenen Elektrodenmaterialien Li\(_4\)Ti\(_5\)O\(_{12}\), Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) jeweils etwa 20 nm dicke Beschichtungen mit Hybridpolymer. Die Frage nach deren L{\"o}sungsmittelbest{\"a}ndigkeit konnte durch die Analyse von behandelten Proben mit TG, REM, XPS und ICP-OES aufgekl{\"a}rt werden. Dabei zeigte sich sowohl f{\"u}r die Behandlung mit NMP, dem klassischen L{\"o}sungsmittel bei der Elektrodenfertigung mit PVDF-Binder, als auch f{\"u}r die Behandlung mit dessen umweltschonenderem Ersatzstoff Aceton eine gute Best{\"a}ndigkeit der Beschichtung. Die Beschichtung l{\"o}ste sich in den L{\"o}sungsmitteln an, blieb allerdings als geschlossene nanoskalige Beschichtung erhalten. Lediglich gegen{\"u}ber dem L{\"o}sungsmittel H\(_2\)O, das in Kombination mit dem neuen Binder CMC eingesetzt wird, wurde eine mangelnde Schichtstabilit{\"a}t deutlich. Das daf{\"u}r verantwortliche Quellverhalten der Beschichtung konnte mittels D{\"u}nnschicht-Modellsystem und daran durchgef{\"u}hrten REM-, IR- und EPA-Untersuchungen aufgekl{\"a}rt werden. Die Optimierung des Hybridpolymer-Materials bez{\"u}glich einer besseren H\(_2\)O-Best{\"a}ndigkeit {\"u}bersteigt den Rahmen dieser Arbeit und liefert die Grundlage f{\"u}r weitere k{\"u}nftige Forschungsarbeiten. Aufgrund der vollst{\"a}ndigen Bedeckung der neuen Beschichtung, ihrer besonderen Eigenschaften und ihrer Best{\"a}ndigkeit bei der klassischen Elektrodenfertigung ist es m{\"o}glich, die Elektrodenmaterialien grundlegend hinsichtlich ihrer wichtigsten Eigenschaften zu verbessern. Hierf{\"u}r wurden sowohl {\"u}ber die NMP- als auch {\"u}ber die Aceton-Route Elektroden gefertigt und zu Halbzellen und Vollzellen verarbeitet. Die REM-Analyse der Elektroden zeigte, dass die Partikelbeschichtungen keinen negativen Einfluss auf die Homogenit{\"a}t und Morphologie der Elektroden aus{\"u}ben. Damit war es m{\"o}glich, jeweils einen direkten Vergleich von beschichteten und unbeschichteten Materialien hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performance anzustellen. F{\"u}r die Kathodenmaterialien Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) ergaben die Zyklenfestigkeits- und Impedanzmessungen klare Verbesserungen durch die Beschichtung. Verbunden mit einer Verbesserung der Energiedichte erh{\"o}hte sich bei beiden Materialien die Zyklenfestigkeit um mehr als 60 \%. Bei Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) zeigt sich die Verbesserung in einer erh{\"o}hten Zellspannung durch das vergleichsweise hohe Redoxpotential des Materials von etwa 4,7 V vs. Li/Li\(^+\), w{\"a}hrend sich bei Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) die Hochvoltf{\"a}higkeit des Materials verbessert, was mit einer vergr{\"o}ßerten Speicherkapazit{\"a}t verbunden ist. Dabei ist herauszustellen, dass f{\"u}r keines der Materialien ein negativer Einfluss der d{\"u}nnen Beschichtung auf die Leistungsdichte festgestellt werden konnte. Der erwartete Mechanismus f{\"u}r die verbesserte Elektrodenfunktion durch das Hybridpolymer ist die Bildung einer physikalischen Schutzschicht in Form einer Li\(^+\)-leitf{\"a}higen Membran. Diese umgibt das Elektrodenmaterial vollst{\"a}ndig, erm{\"o}glicht die Ladungstr{\"a}gerinterkalation und sch{\"u}tzt die Elektrode gleichzeitig vor irreversiblen Reaktionen mit dem Elektrolyten. Damit verbunden ist eine verminderte Mn-Ausl{\"o}sung und eine verminderte Entwicklung von isolierenden Deckschichten aus Reaktionsprodukten wie LiF, Li\(_2\)O, Li\(_2\)CO\(_3\), was sich positiv auf die Alterung der Batteriezellen auswirkt. Die Funktion der Beschichtung wurde prim{\"a}r auf den Kathodenmaterialien demonstriert. Doch auch auf der Anodenseite wurde ihre Anwendungstauglichkeit aufgezeigt, was das große Potential der Beschichtung f{\"u}r eine breite Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien verdeutlicht.},
  subject      = {Lithium-Ionen-Akkumulator},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Brockmann2018,
  author    = {Brockmann, Dorothea E. R.},
  title     = {Gef{\"u}ge-Simulationen an Nicht-Oxid-Keramiken: Korrelation zwischen Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-157255},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Die experimentelle Verbesserung der makroskopischen Eigenschaften (z. B. thermische oder mechanische Eigenschaften) von Keramiken ist aufgrund der zahlreichen erforderlichen Experimente zeitaufw{\"a}ndig und kostenintensiv. Simulationen hingegen k{\"o}nnen die Korrelation von Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften nutzen, um die Eigenschaften von beliebigen Gef{\"u}gekompositionen zu berechnen. In bisherigen Simulationen wurden meist stark vereinfachte Modelle herangezogen, welche die Mikrostruktur einer Keramik nur sehr grob widerspiegeln und deshalb keine zuverl{\"a}ssigen Ergebnisse liefern. In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelation der drei wichtigsten Nicht-Oxid-Keramiken untersucht. Dies sind Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si3N4) und Siliciumcarbid (SiC). Diese drei Keramiktypen vertreten die h{\"a}ufigsten Mikrostrukturtypen, welche bei Nicht-Oxid-Keramiken auftreten k{\"o}nnen. Zu jedem Keramiktyp liegen zwei verschiedene Proben vor. Alle drei untersuchten Keramiktypen sind zweiphasig. Die Hauptphase von AlN und Si3N4 besteht aus keramischen K{\"o}rnern, die Nebenphase erstarrt w{\"a}hrend der Sinterung aus den zugesetzten Sinteradditiven. Die Restporosit{\"a}t von AlN und Si3N4 wird als vernachl{\"a}ssigbar angesehen und in den Simulationen nicht ber{\"u}cksichtigt. Bei den SiC-Proben handelt es sich um Keramiken mit bimodaler Korngr{\"o}{\"y}enverteilung. Durch Infiltration mit fl{\"u}ssigem Silicium wurden die Hohlr{\"a}ume zwischen den K{\"o}rnern aufgef{\"u}llt, um porenfreie SiSiC-Proben zu erhalten. Anhand von Simulationen werden zun{\"a}chst reale Mikrostrukturen in Anlehnung an vorliegende Vergleichsproben nachgebildet. Diese Modelle werden durch Abgleich mit rasterelektronenmikroskopischen 2D-Aufnahmen der Proben verifiziert. An den Modellen werden mit der Methode der Finite-Element-Simulation makroskopische Eigenschaften (W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit, Elastizit{\"a}tsmodul und Poisson-Zahl) der Keramiken simuliert und mit experimentellen Messungen an den vorliegenden Proben abgeglichen. Der Vergleich der Mikrostruktur von den computergenerierten Gef{\"u}gen und den vorliegenden Proben zeigt in der Mustererkennung durch das menschliche Auge und quantitativ in den Gef{\"u}geparametern eine gute {\"U}bereinstimmung. F{\"u}r die makroskopischen Eigenschaften wird auf der Basis einer ausf{\"u}hrlichen Literaturrecherche zu den Materialparametern der beteiligten Phasen eine gute {\"U}bereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen und den simulierten Eigenschaften erreicht. Evtl. auftretende Abweichungen zwischen Experiment und Simulation k{\"o}nnen damit erkl{\"a}rt werden, dass die Proben Verunreinigungen enthalten, da aus der Literatur bekannt ist, dass Verunreinigungen eine Verschlechterung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit bewirken. Nachdem die G{\"u}ltigkeit der Modelle verifiziert ist, wird der Einfluss von charakteristischen Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften auf die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit, den Elastizit{\"a}tsmodul und die Poisson-Zahl der Keramiken untersucht. Hierzu werden die Mikrostrukturparameter von AlN und Si3N4 gezielt um die Parameter der vorliegenden Vergleichsproben variiert. Bei beiden Keramiktypen werden die Volumenanteile der beteiligten Phasen sowie die mittlere Sehnenl{\"a}nge der keramischen K{\"o}rner ver{\"a}ndert. Bei den AlN-Keramiken wird zus{\"a}tzlich der Dihedralwinkel variiert, welcher Auskunft {\"u}ber den Benetzungsgrad der Fl{\"u}ssigphase gibt; bei den Si3N4-Keramiken ist das Achsenverh{\"a}ltnis der langgezogenen Si3N4-K{\"o}rner von Interesse und wird deshalb ebenfalls variiert. Es zeigt sich, dass die Aufteilung der Teilvolumina zwischen den zwei Phasen den gr{\"o}ßten Einfluss auf die Eigenschaften der Keramik hat, w{\"a}hrend die {\"u}brigen Mikrostrukturparameter nur eine untergeordnete Rolle spielen. Um die Qualit{\"a}t der Simulationen zu {\"u}berpr{\"u}fen, wird die Simulationsreihe an AlN mit unterschiedlicher Aufteilung der Volumina zwischen den beiden Phasen in Relation zu etablierten Modellen aus der Literatur (Mischungsregel und Modell nach Ondracek) gesetzt. Alle Simulationsergebnisse f{\"u}r die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit und den Elastizit{\"a}tsmodul liegen innerhalb der jeweils oberen und unteren Grenze beider Modelle. Es konnte also eine Verbesserung gegen{\"u}ber den etablierten Modellen erzielt werden. An allen drei Keramiktypen wird der Einfluss der Materialeigenschaften der Haupt- und Nebenphase auf die makroskopischen Eigenschaften der Keramik untersucht. Hierf{\"u}r werden die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit, der Elastizit{\"a}tsmodul und die Poisson-Zahl der Phasen getrennt voneinander {\"u}ber einen gr{\"o}ßeren Bereich variiert. Es stellt sich heraus, dass es vom Keramiktyp und dem Volumenanteil der Nebenphase abh{\"a}ngt, wie stark der Einfluss einer Komponenteneigenschaft auf die Eigenschaft der Keramik ist. Mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Simulationen wird der Einfluss von Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften berechnet. Auf der Grundlage dieser Simulationen k{\"o}nnen die Architektur des Gef{\"u}ges simuliert und die Eigenschaften von Keramiken f{\"u}r individuelle Anwendungen berechnet werden. Dies ist die Basis f{\"u}r die Produktion von maßgeschneiderten Keramiken. Zudem k{\"o}nnen mit den validierten Mikrostrukturmodellen die Eigenschaften von unbekannten Mischphasen ermittelt werden, was experimentell oft nicht m{\"o}glich ist.},
  subject      = {Aluminiumnitrid},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Brockmann2016,
  author    = {Brockmann, Nicolas},
  title     = {Kompositschichten aus dealuminiertem Zeolith Y und Hybridpolymeren auf Basis von Bis(triethoxysilyl)ethan},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-150817},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit Kompositschichten aus Zeolithen und Hybridpolymeren, die mittels des Sol-Gel-Prozesses aus Alkyltrialkoxysilanen hergestellt werden. Am Beispiel von dealuminiertem Zeolith Y und Solen aus Bis(triethoxysilyl)ethan wurde untersucht, wie sich die Zug{\"a}nglichkeit der Zeolithporen in Kompositschichten erhalten l{\"a}sst. Zur Analyse der Porenzug{\"a}nglichkeit kamen Gasadsorptionsmessungen zum Einsatz. Zur weiteren Charakterisierung wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen und ausf{\"u}hrliche spektroskopische Untersuchungen der erhaltenen Hybridpolymer-Sole durchgef{\"u}hrt. Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften erfolgte {\"u}ber die Messung der Wischfestigkeit. Die im Rahmen diverser Experimente erhaltenen Kompositschichten wiesen eine hohe Zeolithporenerreichbarkeit auf, sofern der Zeolithanteil mindestens 70 Volumenprozent betrug, und das jeweilige Sol einen hohen Hydrolyse- und Kondensationsgrad aufwies. Im Zusammenhang mit den genannten Studien wurden Hybridpolymere verglichen, die bei unterschiedlichen pH-Bedingungen mit verschiedenen Mengen an Wasser zur Hydrolysereaktion hergestellt wurden, oder bei denen neben Bis(triethoxysilyl)ethan Methacryloxypropyltrimethoxysilan als zweites Monomer eingesetzt wurde. Letztendlich konnten mit einfachen Mitteln Kompositschichten hergestellt werden, die auf flexible Oberfl{\"a}chen aufgebracht werden konnten und beim Biegen nicht vom Substrat abplatzten. Ferner waren sie wischfest und zeigten bei passender Zusammensetzung eine nahezu vollst{\"a}ndige Zeolithporenerreichbarkeit (Zeolithanteil: ≥ 70 Vol.-\%; Monomer: Bis(triethoxysilyl)ethan; Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion: pH-Wert ≤ 2, {\"U}berschuss an Wasser). Ihr Anwendungspotential als Adsorbensschicht f{\"u}r die Aufnahme organischer Schadstoffe wurde beispielhaft anhand der reversiblen Adsorption von Formaldehyd demonstriert.},
  subject      = {Zeolith},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Klauer2018,
  author    = {Klauer, Peter},
  title     = {Vollst{\"a}ndig integrierter Traveling-Wave-MPI-MRI-Hybridscanner},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-161314},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges tomographisches Bildgebungsverfahren, welches in der Lage ist, dreidimensional die Verteilung von superparamagnetischen Nanopartikeln zu detektieren. Aufgrund des direkten Nachweises des Tracers ist MPI ein sehr schnelles und sensitives Verfahren [12] und ben{\"o}tigt f{\"u}r eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalit{\"a}t wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die strukturelle Einordnung wird h{\"a}ufig mit dem Fusion-Imaging-Verfahren durchgef{\"u}hrt, bei dem die Proben separat in den Ger{\"a}ten vermessen und die Datens{\"a}tze retrospektiv korreliert werden [75][76]. In einem ersten Experiment wurde bereits ein Traveling-Wave-MPI-Scanner (TWMPI) [17] mit einem Niederfeld-MRI-Scanner kombiniert und die ersten Hybridmessung durchgef{\"u}hrt [15]. Der technische Aufwand, zwei separate Ger{\"a}te aufzubauen sowie die Tatsache, dass ein MRI-Ger{\"a}t bei 30mT sehr lange ben{\"o}tigt, diente als Motivation f{\"u}r ein integriertes TWMPIMRI- Hybridsystem, bei dem das dynamische lineare Gradientenarray (dLGA) eines TWMPI-Scanners intrinsisch das B0-Feld f{\"u}r ein MRI-Ger{\"a}t erzeugen sollte. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlagen f{\"u}r einen integrierten TWMPI-MRIHybridscanner zu schaffen. Die Geometrie des dLGAs sollte dabei nicht ver{\"a}ndert werden, damit TWMPI-Messungen weiterhin ohne Einschr{\"a}nkungen m{\"o}glich sind. Zusammenfassend werden hier noch mal die wichtigsten Schritte und Ergebnisse dieser Arbeit aufgezeigt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde mittels Magnetfeldsimulationen nach einer geeigneten Stromverteilung gesucht, um allein mit dem dLGA ein ausreichend homogenes Magnetfeld erzeugen zu k{\"o}nnen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass bereits zwei unterschiedliche Str{\"o}me in 14 der 20 Einzelspulen des dLGAs gen{\"u}gten, um ein Field of View (FOV) mit der Gr{\"o}ße 36mm x 12mm mit ausreichender Homogenit{\"a}t zu erreichen. Die Homogenit{\"a}t innerhalb des FOVs betrug dabei 3000 ppm. F{\"u}r die angestrebte Feldst{\"a}rke von 235mT waren Stromst{\"a}rken von 129A und 124A n{\"o}tig. Die hohen Str{\"o}me des dLGAs erforderten die Entwicklung eines daf{\"u}r angepassten Verst{\"a}rkers. Das urspr{\"u}ngliche Konzept, welches auf einem linear angesteuerten Leistungstransistors aufbaute, wurde in zahlreichen Schritten so weit verbessert, dass die n{\"o}tigen Stromst{\"a}rken stabil an- und ausgeschaltet werden konnten. Mithilfe eines Ganzk{\"o}rper-MRIs konnte erstmals das B0-Feld des dLGAs, welches durch den selbstgebauten Verst{\"a}rker erzeugt wurde, gemessen und mit der Simulation verglichen werden. Zwischen den beiden Verl{\"a}ufen zeigte sich eine qualitativ gute {\"U}bereinstimmung. Das Finden des NMR-Signals stellte wegen des selbstgebauten Verst{\"a}rkers eine Herausforderung dar, da zu diesem Zeitpunkt die n{\"o}tige Pr{\"a}zision noch nicht erreicht wurde und der wichtigste Parameter, die Magnetfeldst{\"a}rke im dLGA, nicht gemessen werden konnte. Dagegen konnte die L{\"a}nge der Pulse f{\"u}r die Spin-Echo- Sequenz sehr gut gemessen werden, jedoch war der optimale Wert noch nicht bekannt. Durch iterative Messungen wurden die richtigen Einstellungen gefunden, die nach {\"A}nderungen an der Hardware jeweils angepasst wurden. Die Performanz des Verst{\"a}rkers konnte anhand wiederholter Messungen des NMRSignals genauer untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Pr{\"a}zision weiter verbessert werden musste, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Mithilfe des NMR-Signals konnten auch das B0-Feld ausgemessen werden. Es zeigte eine gute {\"U}bereinstimmung zur Simulation. Mithilfe von vier Segmentspulen des dLGAs war es m{\"o}glich einen linearen Gradienten entlang der z-Achse zu erzeugen. Ein Gradient wurde zus{\"a}tzlich zum B0-Feld geschaltet und ebenfalls ausgemessen. Auch dieser Verlauf zeigte eine gute {\"U}bereinstimmung zur Simulation. Mithilfe des Gradienten wurde erfolgreich die Frequenzkodierung und die Phasenkodierung implementiert, durch die bei beiden Messungen zwei Proben anhand des Ortes unterschieden werden konnten. Damit war die Entwicklung des MRIScanners abgeschlossen. Der Aufbau des TWMPI-Scanners ben{\"o}tigte neben dem Bau des dLGAs die Anfertigung von Sattelspulen. F{\"u}r die MPI-Messungen konnte der fehlende Teil der Sendekette sowie die gesamte Empfangskette von einer fr{\"u}heren Version benutzt werden. Auch f{\"u}r das MPI wurde die Funktionalit{\"a}t mithilfe einer Punktprobe und eines Phantoms {\"u}berpr{\"u}ft, allerdings hier in zwei Dimensionen. Die Erweiterung zu einem Hybridscanner erforderte weitere Modifikationen gegen{\"u}ber einem reinen TWMPI- bzw. MRI-Scanner. Es musste ein Weg gefunden werden, die Beschaltung des dLGAs f{\"u}r die jeweilige Modalit{\"a}t z{\"u}gig anzupassen. Daf{\"u}r wurde ein Steckbrett gebaut, das es erlaubt, die Verkabelung des dLGAs in kurzer Zeit zu {\"a}ndern. Außerdem mussten innerhalb des dLGAs die Sattelspulen und die Empfangsspule des TWMPIs sowie die Empfangsspule des MRIs untergebracht werden. Ein modulares System erlaubte die gleichzeitige Anordnung aller Komponenten innerhalb des dLGAs. Das messbare FOV des MRIs ist der Homogenit{\"a}t des B0-Feldes angepasst, das FOV des TWMPI ist ausgedehnter. Zum Ende dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Hybridmessung durchgef{\"u}hrt. Das Phantom bestand aus je zwei Kugeln gef{\"u}llt mit {\"O}l und mit einem MPI-Tracer (Resovist). Mit TWMPI war die r{\"a}umliche Abbildung der Resovistkugeln m{\"o}glich, w{\"a}hrend mit MRI die der {\"O}lkugeln m{\"o}glich war. Diese in situ Messung zeigte die erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes f{\"u}r den TWMPI-MRI-Hybridscanner. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Grundlagen f{\"u}r einen TWMPIMRI- Hybridscanner gelegt. Die gr{\"o}ßte Schwierigkeit bestand darin, ein ausreichend homogenes B0-Feld f{\"u}r das MRI zu erzeugen, mit dem man ein gutes NMRSignal aufnehmen konnte. Mit einer einfachen Stromverteilung, bestehend aus zwei unterschiedlichen Str{\"o}men, konnte ein ausreichend homogenes B0-Feld erzeugt werden. Durch komplexere Stromverteilungen l{\"a}sst sich die Homogenit{\"a}t noch verbessern und somit das FOV vergr{\"o}ßern. Die MRI-Bildgebung wurde in dieser Arbeit f{\"u}r eine Dimension implementiert und soll in fortf{\"u}hrenden Arbeiten auf 2D und 3D ausgedehnt werden. Letztendlich soll anhand eines MRI-Bildes die Partikelverteilung des MPI-Tracers in Lebewesen deren Anatomie zugeordnet werden. In [76][77][78] sind die ersten pr{\"a}klinischen Anwendungen mit dem TWMPI-Scanner durchgef{\"u}hrt worden. Diese Anwendungen erlangen eine h{\"o}here Aussagekraft durch die zus{\"a}tzlichen Informationen eines TWMPI-MRI-Hybridscanners. In weiteren Arbeiten sollte zus{\"a}tzlich die Gr{\"o}ße des FOVs f{\"u}r das MRI erweitert werden. Außerdem macht es Sinn, einen elektronischen Schalter zum Umschalten des dLGAs zwischen MRI und MPI zu realisieren. Die n{\"a}chste Version des Hybridscanners k{\"o}nnte beispielsweise ein komplett neu gestaltetes dLGA enthalten, in dem jede Segmentspule in radialer Richtung einmal geteilt wird und dadurch in eine innere und eine {\"a}ußere Spule zerlegt wird. F{\"u}r das MRI werden die beiden Spulenteile gegen geschaltet, um ein homogenes Feld in radialer Richtung zu erhalten. F{\"u}r das TWMPI werden die Spulenteile gleichgeschaltet, um einen m{\"o}glichst starken Feldgradienten zu erreichen. In dieser Arbeit wurde f{\"u}r die n{\"a}chste Version eines TWMPI-MRI-Hybridscanners viel Wissen generiert, das {\"a}ußerst hilfreich f{\"u}r das neue Design sein wird. Anhand der Vermessung des B0-Feldes hat sich gezeigt, dass die simulierten Magnetfelder gut mit den gemessenen Magnetfeldern {\"u}bereinstimmen. Außerdem wurde viel gelernt {\"u}ber die Kombination von TWMPI mit MRI.},
  subject      = {Magnetpartikelbildgebung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Somorowsky2016,
  author    = {Somorowsky, Ferdinand},
  title     = {Entwicklung von nanopor{\"o}sen Gl{\"a}sern mit kontrollierten Sorptionseigenschaften zur Verbesserung des Innenraumklimas},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-148100},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die prinzipielle Eignung von por{\"o}sen Vycor®-Gl{\"a}sern als Feuchteregulierungsmaterial f{\"u}r den Einsatz im Baubereich erarbeitet. Im Speziellen wurden die Einfl{\"u}sse der Herstellungsparameter auf die Glaseigenschaften entwickelt und optimiert. Die por{\"o}sen Glasflakes wurden in angepasste Putzsysteme implementiert und praxisnahe Untersuchungen der Wirksamkeit durchgef{\"u}hrt. Unterst{\"u}tzt wurden die Ergebnisse durch auf Messwerten basierte Simulationen des Geb{\"a}udeklimas, welche auch die Auswirkungen bei verschiedenen klimatischen Bedingungen ber{\"u}cksichtigen. Der verwendete Prozess zur Herstellung der por{\"o}sen Gl{\"a}ser basiert auf dem 1933 patentierten Vycor®-Verfahren [HOO34][HOO38]. Durch eine Temperaturbehandlung entmischt das homogene Natrium-Borosilicatglas in zwei perkolierende, interpenetrierende Phasen. Diese weisen deutlich unterschiedliche chemische Best{\"a}ndigkeiten auf. Durch Aufl{\"o}sen der instabileren Phase verbleibt ein por{\"o}ses, fast reines Siliciumdioxidgef{\"u}ge, dessen Struktur und Eigenschaften durch die Wahl der Prozessparameter eingestellt werden kann. Erstmals konnte gezeigt werden, dass por{\"o}se Vycor®-Gl{\"a}ser in der Lage sind, Wasser bei Raumtemperatur reversibel aufzunehmen, im Porensystem zu speichern und wieder abzugeben. Basierend auf dieser unerl{\"a}sslichen Eigenschaft, konnten die Vycor®-Gl{\"a}ser durch eine Optimierung und ein besseres Verst{\"a}ndnis der Herstellungsparameter hin zu einem Material mit wirklichen Feuchteregulierungseigenschaften qualifiziert werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit (Kapitel 4.1 und 4.2) wurde der Einfluss der strukturbestimmenden Parameter Glaszusammensetzung, Partikelgr{\"o}ße bzw. -form und Entmischungsbedingungen auf das Sorptionsverhalten von Wasser dargestellt. Um die Wasseraufnahme und -abgabe sowie das Zusammenspiel (Zyklisierbarkeit) bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten zu untersuchen, wurde in einem Klimaschrank ein realit{\"a}tsnahes Feuchte- und Temperaturprofil generiert. Hiermit konnte die Zyklisierbarkeit der por{\"o}sen Gl{\"a}ser in Abh{\"a}ngigkeit der Glaseigenschaften beobachtet werden. Erg{\"a}nzt wurde die Charakterisierung durch Stickstoffsorptionsuntersuchungen und REM-Aufnahmen. Bei der Glaszusammensetzung wurde der Einfluss des Siliciumdioxid-Anteils und des Boroxid zu Natriumoxid Verh{\"a}ltnisses auf das finale por{\"o}se Glas betrachtet. Es zeigte sich, dass Gl{\"a}ser mit einem geringeren SiO2 Anteil zu Gl{\"a}sern mit einer h{\"o}heren Porosit{\"a}t, einer h{\"o}heren spezifischen Oberfl{\"a}che und als Folge daraus zu einer besseren Zyklisierbarkeit f{\"u}hren. Die praktische Einsatzf{\"a}higkeit wird allerdings von einer ungen{\"u}genden mechanischen Best{\"a}ndigkeit von Gl{\"a}sern mit Siliciumdioxidgehalten unterhalb von 50 MA\% begrenzt. Das B2O3/Na2O-Verh{\"a}ltnis wirkt sich vor allem auf den Grad des Entmischungsverlaufs und damit auf die sich bildende interpenetrierende Struktur aus. Erkennbar ist dies an der zum Boroxidanteil indirekt proportionalen Transformationstemperatur. Dies zeigt sich ebenfalls bei den Zyklisierungsversuchen, bei denen sich die Wasseraufnahme bzw. -abgabe bei gegebener Temperatur und unterschiedlichem B2O3/Na2O-Verh{\"a}ltnis deutlich unterscheidet. Anhand der entsprechenden Stickstoffsorptionsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Reaktionsverm{\"o}gen eines por{\"o}sen Glases auf einen Temperatur- und Feuchtezyklus, ein Zusammenspiel aus passendem Porendurchmesser und hoher spezifischer Oberfl{\"a}che ist. Einen besonderen Aspekt der vorliegenden Arbeit stellt die Untersuchung von Glasflakes, flache Pl{\"a}ttchen mit Dicken von einigen µm und Durchmessern von bis zu 1000 µm, dar. Diese k{\"o}nnen z. B. mittels eines Rotationsflakers hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die mit den Flakes versehenen Wandanstriche nicht nur bessere Verarbeitungseigenschaften aufweisen, sondern auch im Vergleich zu ann{\"a}hernd isotropen Partikeln signifikant verbesserte Sorptionseigenschaften besitzen. Die Ausbildung der Porengr{\"o}ße und damit der spezifischen Oberfl{\"a}che verl{\"a}uft haupts{\"a}chlich {\"u}ber den einstellbaren thermischen Entmischungsvorgang. Um die optimalen Parameter f{\"u}r die Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe zu finden, wurde in dieser Arbeit neben der Plateautemperatur auch die Entmischungsdauer variiert. Oberhalb von ca. 520 °C ist die charakteristische Phasenseparation energetisch beg{\"u}nstigt. Diese verst{\"a}rkt sich mit steigender Temperatur, wodurch gr{\"o}ßere Entmischungsbezirke entstehen. Oberhalb von ca. 650 °C kommt es zum Zusammensintern der Glasflakes, sodass deren urspr{\"u}ngliche Geometrie zerst{\"o}rt wird. F{\"u}r Untersuchungen oberhalb dieser Temperaturen muss also das Rohglas entmischt und erst im nachfolgenden Prozess zu Pulver aufgemahlen werden. Glasflakes sind durch diesen Verarbeitungsprozess jedoch nicht mehr herstellbar. Ein entscheidendes neues Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die Porengr{\"o}ße innerhalb dieses Temperaturbereiches durch Anpassung der Entmischungstemperatur ann{\"a}hernd nanometer-genau eingestellt werden kann. Dies zeigt auch den großen Vorteil por{\"o}ser Vycor®-Gl{\"a}ser im Vergleich zu anderen por{\"o}sen Materialien. F{\"u}r die Feuchteregulierung erwies sich ein Porendurchmesser von 3,8 nm, welcher durch eine Entmischungstemperatur von 533 °C generiert wird, als optimal. Die Dauer der Entmischung hat vor allem einen Einfluss auf den Fortschritt des Porenwachstums, nicht jedoch auf die Porengr{\"o}ße selbst. Nach ca. 30 Minuten kann das Entstehen der Poren erstmals eindeutig nachgewiesen werden. Der Entmischungsprozess ist nach ca. 24 Stunden abgeschlossen. Eine Verl{\"a}ngerung der Entmischungszeit hat keine weitere Ver{\"a}nderung der Porenstruktur zur Folge. In Kombination mit den Ergebnissen der Untersuchungen zum Einfluss des B2O3/Na2O-Verh{\"a}ltnisses konnte gezeigt werden, dass durch die Wahl der passenden Entmischungstemperatur die gew{\"u}nschte Porengr{\"o}ße, in weiten Bereichen unabh{\"a}ngig vom B2O3/Na2O-Verh{\"a}ltnis, gezielt eingestellt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Auslaugung hinsichtlich technischer Funktionalit{\"a}t und Umweltfreundlichkeit optimiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass neben Schwefels{\"a}ure auch Salzs{\"a}ure zur vollst{\"a}ndigen Auslaugung verwendet werden kann. Salzs{\"a}ure kann im Gegensatz zu Schwefels{\"a}ure deutlich einfacher wieder aufgearbeitet werden (geringere Temperatur und Druck im Falle einer destillativen Aufarbeitung), was f{\"u}r die wirtschaftliche Anwendung von hoher Bedeutung ist. Weiterhin wurde die Konzentration der S{\"a}ure verringert. Hierbei konnten bis zu einer Verd{\"u}nnung auf 0,75 molare Salzs{\"a}ure noch por{\"o}se Gl{\"a}ser mit vergleichbaren Zyklisierungswerten erhalten werden. Erst bei weiterer Verd{\"u}nnung wurden die entmischten Glasflakes unvollst{\"a}ndig ausgelaugt. Ein weiterer Einfluss der verwendeten S{\"a}ureart oder der Konzentration auf die Porenstruktur bzw. die Porengr{\"o}ße konnte nicht gefunden werden. Wie in der Literatur beschrieben, wurde die Auslaugung der entmischten Gl{\"a}ser zun{\"a}chst bei hohen Temperaturen oberhalb von 95 °C durchgef{\"u}hrt, sodass dieser Teilschritt viel Energie verbraucht [JAS01]. Um den Prozess ressourcenschonender aufzustellen, wurde im Kapitel 4.3 untersucht, welche Temperatur zwingend ben{\"o}tigt wird. Hierbei wurden die Temperatur und die S{\"a}urekonzentration variiert. Diese Parameter ver{\"a}ndern den Anteil der Poren, jedoch nicht die Porengr{\"o}ße. Durch eine geringere Temperatur und geringere S{\"a}urekonzentrationen nimmt die Porosit{\"a}t ab. Eine Verl{\"a}ngerung der Auslaugedauer auf drei Stunden verbessert den Grad der Auslaugung erheblich. Da die Auslaugung bei 0,40 molarer Salzs{\"a}ure nicht vollst{\"a}ndig verl{\"a}uft, wurde bei dieser Konzentration die Auslaugedauer nochmals einzeln betrachtet. Hierbei best{\"a}tigte sich, dass eine l{\"a}ngere Auslaugung den Anteil der in der Entmischung eingestellten Poren vergr{\"o}ßert und auch die Zyklisierbarkeit (Massenhub) zunimmt. Die Werte von den mit 1,5 molarer Salzs{\"a}ure ausgelaugten Gl{\"a}sern k{\"o}nnen, trotz einer Dauer von bis zu acht Stunden, jedoch nicht erreicht werden. Eine alternative M{\"o}glichkeit um die Auslaugung ressourcenschonender zu gestalten, wurde mit dem neuen Ansatz die Synthese unter hydrothermischen Bedingungen durchzuf{\"u}hren, entwickelt. Hierbei wurden die entmischten Gl{\"a}ser entweder mit verd{\"u}nnter S{\"a}ure (0,75 mol/l HCl) oder mit Wasser in einem Autoklaven bei Temperaturen von 100 °C bis 200 °C, einem Reaktionsdruck von bis zu 30 bar und f{\"u}r bis zu 20 Stunden behandelt. Im Fall der Salzs{\"a}ure verursachen alle drei Parameter eine Ver{\"a}nderung der Porenstruktur. In der Porengr{\"o}ßenbetrachtung mittels Stickstoffsorption erkennt man einen zweiten Peak bei gr{\"o}ßerem Durchmesser, wobei der urspr{\"u}ngliche Peak abnimmt. Dies deutet auf ein Aufl{\"o}sen der urspr{\"u}nglichen Porenw{\"a}nde hin. Die Zunahme des Porenvolumens und die Abnahme der spezifischen Oberfl{\"a}che best{\"a}tigt diese Annahme. Da die resultierende Porenstruktur und die spezifische Oberfl{\"a}che stark ver{\"a}ndert werden, ist diese hydrothermale Methode zur Fertigung von Glasflakes f{\"u}r die Anwendung als Feuchtespeichermaterial nicht geeignet. F{\"u}r andere Anwendungsfelder (siehe Seite 85) k{\"o}nnte diese M{\"o}glichkeit dennoch sehr interessant sein, da so leicht ein bimodales Porensystem hergestellt werden kann. Das Kapitel „Variation der Auslaugebedingungen" wird mit Untersuchungen zur Wiederverwertbarkeit von Auslaugemedium und Bors{\"a}ure abgeschlossen. Hierzu wird die gel{\"o}ste Bors{\"a}ure aus dem Auslaugemedium bei Raumtemperatur ausgef{\"a}llt. Eine anschließende destillative Aufreinigung kann zu einem nahezu vollst{\"a}ndigen Recycling, sowohl des Auslaugemediums als auch der Bors{\"a}ure, f{\"u}hren. Neben dem Einfluss der Glasherstellung und der Herstellungsparameter auf die Wasserauf- und -abgabef{\"a}higkeit der por{\"o}sen Gl{\"a}ser, wurden auch die Parameter der Klimaprofile (Raumtemperaturschwankungen, {\"A}nderung der Feuchtigkeit) genauer betrachtet. Die Sorption h{\"a}ngt stark von der Temperatur ab. Die Wasserabgabe wird durch eine h{\"o}here Temperatur (50 °C) erh{\"o}ht und beschleunigt. Dieser Effekt zeigt sich auch bei der Zyklisierung. Der Massenhub betr{\"a}gt bei 50 °C 12,1 MA\%, bei 20 °C nur noch 3,3 MA\% bei identischem Feuchte- und Zeitprofil. Die Kinetik der Wasseraufnahme und -abgabe wurde anhand von Klimaprofilen mit unterschiedlichen {\"A}nderungsraten untersucht. Hierbei fand die Feuchte{\"a}nderung von 30 \% auf 90 \% innerhalb von einer Stunde, zwei Stunden und vier Stunden statt. Untersucht wurden die f{\"u}r den Einsatz als Feuchteregulierungsmaterial optimierten Glasflakes sowie Flakes mit gr{\"o}ßeren und kleineren Porendurchmessern. Bei allen Proben findet die Aufnahme deutlich schneller statt als die Desorption. Ein Grund hierf{\"u}r ist der Flaschenhalsporeneffekt (siehe Seite 37). Des Weiteren ist bei den optimierten Glasflakes die Steigung der Massen{\"a}nderung, unabh{\"a}ngig von der Feuchte{\"a}nderungsrate, immer am gr{\"o}ßten. Diese Gl{\"a}ser sprechen also am direktesten auf {\"A}nderungen der Luftfeuchtigkeit an und es best{\"a}tigt sich, dass die Einstellung der richtigen Porengr{\"o}ße entscheidend ist. Dies konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit realisiert werden. Dar{\"u}ber hinaus erm{\"o}glichen die Ergebnisse der Experimente zur Sorptionskinetik einen umfassenderen Blick auf die Sorption und dabei insbesondere auf die Poreneigenschaften und auf die Sorptionsvorgeschichte. Ebenfalls wurde die Alterung der Sorptionsf{\"a}higkeit untersucht. Bei bis zu 20 Wiederholungszyklen konnte kein negativer Effekt beobachtet werden. Die Wasseraufnahme und -abgabe hat neben dem feuchtigkeitsregulierenden auch eine energetische Auswirkung auf den Energiehaushalt in einem Geb{\"a}ude. Da bei jeder Sorption Energie verbraucht bzw. frei wird, kann ein w{\"a}rmeregulierender Effekt auftreten. Um diesen Effekt genauer zu quantifizieren, wurde die Desorption von konditionierten Gl{\"a}sern mittels Differenzkalorimetrie untersucht. Der Energiebetrag kann sowohl bei den Glasflakes als auch bei den mit Flakes versetzten Putzen detektiert werden und korreliert mit der gespeicherten Wassermenge. Auch wenn die Einzelenergiemenge pro Vorgang sehr gering ist, so summiert sich diese bei den vielen Vorg{\"a}ngen {\"u}ber das Jahr hinweg zu einem erheblichen Gesamtenergiebetrag (ca. 6 \% des Energieverbrauchs in einem Wohnhaus), welcher eine interessante Erg{\"a}nzung zur Feuchtigkeitsregulierung darstellen kann. Mit den f{\"u}r die Wasserauf- und -abgabe optimierten por{\"o}sen Gl{\"a}sern wurden Wandanstriche (Putze und Farben) hergestellt (siehe Seite 112) und diese auf ihre Eignung als Feuchteregulierungsmaterial untersucht. Im Vergleich mit den Standardputzen haben die Klimaputze mit dem Zusatz von Glasflakes aktuell noch geringere mechanische Kennwerte, insbesondere Druckfestigkeit und Dynamisches E-Modul. Dies ist vor allem auf das lockere Gef{\"u}ge durch die Beimischung der Glasflakes zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Die Beimengung f{\"u}hrt umgekehrt aber zu einer Steigerung der Porosit{\"a}t und der spezifischen Oberfl{\"a}che. REM-Aufnahmen belegen dies. Durch Optimierung der Putzzusammensetzung gibt es jedoch eine gute Chance, die mechanischen Eigenschaften der Klimaputze noch zu verbessern. Um den Feuchteregulierungseffekt besser einsch{\"a}tzen zu k{\"o}nnen, wurde in Zyklisierungsversuchen der Vycor®-Putz mit kommerziellen Putzen mit und ohne zus{\"a}tzliche Regulierungsfunktionalit{\"a}t und anderen Feuchteregulierungsmaterialien, wie Zeolithen und Holzfaserplatten, verglichen. Dabei zeigte der Putz mit den optimierten Glasflakes eine deutlich h{\"o}here Wasseraufnahmekapazit{\"a}t, ein direkteres Ansprechverhalten auf Feuchtigkeitsschwankungen und einen sehr viel h{\"o}heren Massenhub. Erkennbar wird dies vor allem beim realit{\"a}tsnahen Vergleich von zwei Wandst{\"u}cken. Hierf{\"u}r wurden Tr{\"a}gerplatten als Basis sowohl mit einem Standardputz als auch mit dem Vycor®-Klimaputz aufgebaut. Das Vycor®-Wandsystem konnte den Feuchtigkeitssprung im Klimaschrank von 72 \% r. L. auf 40 \% r. L. vollst{\"a}ndig abpuffern. Der Massenhub betrug mit ca. 13 g Wasser pro m2 Wandfl{\"a}che sogar das Dreifache der eigentlich zu bindenden Wassermenge. In Zusammenarbeit mit der Universit{\"a}t Bayreuth konnten die im Labor gewonnen Ergebnisse mittels Simulationsberechnungen untermauert werden. Mit dem Software-Tool WUFI (W{\"a}rme und Feuchte instation{\"a}r) konnte sowohl eine Regulierung der jahreszeitlichen Feuchteschwankungen als auch ein positiver Effekt auf das Wohlbefinden der Bewohner gezeigt werden. Durch die Simulationen, deren Eingangswerte auf realen Messwerten basieren, konnte nachgewiesen werden, dass sowohl por{\"o}se Gl{\"a}ser als auch die mit por{\"o}sen Glasflakes versetzen Baustoffe einen deutlich messbaren positiven Effekt auf das Raumklima haben. Der direkte Nachweis, also ein positiver Effekt des por{\"o}sen Glases auf das Raumklima, wurde bisher nur in Simulationen modelliert und ist unter realen Versuchsbedingungen noch zu pr{\"u}fen. Hierzu m{\"u}sste ein Testraum aufgebaut und {\"u}ber l{\"a}ngere Zeit vermessen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Hand der voran beschriebenen Ergebnisse das por{\"o}se Glassystem der Vycor®-Gl{\"a}ser hinsichtlich seiner kontrollierten Sorptionseigenschaften f{\"u}r eine Anwendung als Feuchteregulierungsmaterial entwickelt. Im Zuge dessen wurde ein besseres Verst{\"a}ndnis f{\"u}r die Abl{\"a}ufe und Mechanismen der auftretenden spinodalen Entmischung erarbeitet. Weiterhin konnten die Zusammenh{\"a}nge zwischen den Poreneigenschaften und der Sorption von Wasser tiefgehender verstanden werden, sodass wichtige Erkenntnisse gewonnen werden konnten, um por{\"o}ses Vycor®-Glas als Modellsystem f{\"u}r Entmischung und Sorption weiter zu etablieren.},
  subject      = {Glas},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wagenhoefer2014,
  author    = {Wagenh{\"o}fer, Julian},
  title     = {Mikro- und mesopor{\"o}se Silicate als Wirkstoffspeichersysteme},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-103848},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Mesopor{\"o}se Silica-Materialien (MSM) und mikropor{\"o}se Zeolithe besitzen große innere Oberfl{\"a}chen und eine damit verbundene hohe Speicherkapazit{\"a}t von verschiedenen Molek{\"u}len. Auf Grund dieser Eigenschaften stehen por{\"o}se, silicatische Materialien seit etwa 10 Jahren im Focus der Entwicklung neuartiger Wirkstoffspeichersysteme (WSS). Die innerhalb dieser Thematik ver{\"o}ffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten konnten die Fragestellungen nach dem exakten Mechanismus der Wirkstoffspeicherung und Wiederfreisetzung bisher nicht komplett beantworten. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich im Besonderen mit der Beladung und Abgabe des Lokalan{\"a}sthetikum Lidocain-Hydrochlorid (LidHCl) in bekannten MSM wie SBA15, MCM41 oder HMS, sowie in unterschiedlich modifizierten Zeolithen vom Typ FAU und BEA. Zus{\"a}tzlich wurde der Einfluss von organischen Ankergruppen innerhalb der Porenstruktur von SBA15 auf dessen Sorptions-eigenschaften hin untersucht. Ziel der Promotionsarbeit ist die Aufkl{\"a}rung des Speicher- und Freisetzungs-mechanismus dieses speziellen Speichersystems. Dazu wurden zun{\"a}chst detaillierte Analysen der reinen und der mit Wirkstoff beladenen Matrizes via N2-Sorption (BET-, BJH-, t-plot-Methode), XRD, SAXS, DSC und TG durchgef{\"u}hrt. Außerdem wurden grafische Profile erstellt, die das Verh{\"a}ltnis der ad- bzw. desorbierten Wirkstoffmengen gegen die bei der Beladung eingesetzten Wirkstoffkonzentrationen (Speicherprofil) bzw. gegen die bei der Wiederfreisetzung verstrichene Zeit (Freisetzungsprofil) wiedergeben. Durch die Kombination dieser Untersuchungsmethoden konnte der jeweilige Sorptionsmechanismus, sowie der Speicherort der Wirkstoffmolek{\"u}le innerhalb der ausgew{\"a}hlten Matrix erfasst werden. Der Vergleich der verschiedenen, hier untersuchten Speichersysteme zeigt, dass neben der Porengr{\"o}ße, die Art der Adsorbens-Adsorbat-Wechselwirkung, aber auch die Stabilit{\"a}t der Porenstruktur einen großen Einfluss auf die Sorption von Molek{\"u}len nimmt.},
  subject      = {Silicate},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Obel2016,
  author    = {Obel, Kerstin},
  title     = {Synthese und Charakterisierung partiell degradierbarer Hybridpolymere f{\"u}r biomedizinische Anwendungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124026},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Zur Z{\"u}chtung von Gewebe außerhalb des K{\"o}rpers wird ein struktureller und biologischer Ersatz f{\"u}r die nat{\"u}rliche Extrazellul{\"a}re Matrix (ECM) ben{\"o}tigt, der durch k{\"u}nstliche Ger{\"u}st-struk¬tu¬ren, sogenannte Scaffolds, realisiert wird. Aktuell werden einige nat{\"u}rliche und synthe-tische biodegradierbare Polymere als Scaffold¬materialien verwendet, die jedoch alle noch signifi¬kante Nachteile aufweisen, weshalb verst{\"a}rkt an Alternativen geforscht wird. Das Ziel dieser Arbeit war daher, auf Basis klassischer anorganisch-organischer Hybridpolymere, neuartige biodegradierbare Hybridpolymere zu synthetisieren, die ebenfalls durch einfache Variationen in ihrem strukturellen Aufbau gezielt modifiziert werden k{\"o}nnen. In diesem Zusammen¬hang sind Untersuchungen zur Erstellung grundlegender Struktur-Eigenschafts-beziehungen dieser sogenannten partiell degradierbaren Hybridpolymere von besonderer Bedeutung und daher ein wesentlicher wissen¬schaft¬licher Grundbestandteil dieser Arbeit, um dementsprechend anwendungs¬bezo¬gene Eigen¬schaften wie beispielsweise das E-Modul und die Degradationsrate definiert einstellen zu k{\"o}nnen.},
  subject      = {Metallorganische Polymere},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Spatz2013,
  author    = {Spatz, Kerstin},
  title     = {Mechanische und rheologische Eigenschaften von Calciumphosphat-Zementen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-124860},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Zur Erh{\"o}hung der mechanischen Stabilit{\"a}t mineralischer Knochenzemente aus Calciumorthophosphaten (CPC) wurde in einem TTCP/DCPA-System das Zementedukt TTCP mit verschiedenen biokompatiblen Oxiden (SiO2, TiO2, ZrO2) w{\"a}hrend des Herstellungsprozesses dotiert. Dies f{\"u}hrte zur Bildung von Calciummetallaten und einer Herabsetzung der L{\"o}slichkeit der TTCP-Komponente des Zements. Gegen{\"u}ber einem oxidfreien Zement konnte die Druckfestigkeit von 65 MPa auf 80 MPa (SiO2) bzw. 100 MPa (TiO2) gesteigert werden. In einem zweiten Ansatz zur Verbesserung der Injizierbarkeit wurden die Wechselwirkungen der Partikeloberfl{\"a}chen mit der fl{\"u}ssigen Zementphase betrachtet. Durch biokompatible Additive sollte eine repulsive elektrostatische Wechselwirkung eingestellt werden, um Partikelagglomerate effektiv zu dispergieren und eine verfl{\"u}ssigende Wirkung zu erreichen. Die Injizierbarkeit eines TTCP/DCPA-Zements durch eine Kan{\"u}le mit 800 µm Durchmesser konnte durch die Verwendung von 500 mM tri-Natriumzitrat-L{\"o}sung aufgrund einer deutlichen Herabsetzung der Viskosit{\"a}t der Zementpaste signifikant gesteigert werden (>95\%, P/L 3,3/1, Kraftaufwand 20 N). Abschließend wurde der Einfluss der Partikelgr{\"o}ßenverteilung auf die Festigkeit und Injizierbarkeit einer auf monomodaler Partikelgr{\"o}ßenverteilung basierten Zementmatrix untersucht. Hierzu wurden einem mechanisch aktivierten a-TCP-System unreaktive, feink{\"o}rnige F{\"u}llstoffpopulationen (TiO2, CaHPO4, CaCO3) zugesetzt und systematisch deren Effekt in Verbindung mit einer Partikelaufladung durch tri-Natriumzitrat auf die rheologischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Erst die Kombination einer bimodalen Partikelgr{\"o}ßenverteilung mit tri-Natriumzitrat-L{\"o}sung f{\"u}hrte zu einer starken Erniedrigung der Viskosit{\"a}t, damit zur nahezu vollst{\"a}ndigen Injizierbarkeit der Zemente und einer teilweise signifikanten Steigerung der mechanischen Festigkeiten (z.B. 72 MPa reiner a-TCP-Zement auf 142 MPa mit Zusatz von CaHPO4).},
  subject      = {Biomaterial},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Nashed2017,
  author    = {Nashed, Alexander},
  title     = {Entwicklung spinnf{\"a}higer Precursorpolymere zur Herstellung nicht-oxidischer Keramikfasern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-138517},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Ausgehend von chlorhaltigem Oligosilan, erhalten durch Disproportionierung der „Disilan-Fraktion" der M{\"u}ller-Rochow-Synthese, wurde mit verschiedenen Aminen dechloriert bzw. strukturell modifiziert. Die auf diese Weise in das Oligosilan eingef{\"u}hrten Baugruppen wurden spektroskopisch und durch Vergleich mit geeigneten Modellverbindungen identifiziert. Vernetzungsgrad und keramische Ausbeute der erzeugten Materialen wurden bestimmt. Mit Ammoniak oder einwertigen Aminen wie Methylamin werden Produkte erhalten, die sich nicht zu Keramikfasern verarbeiten lassen. Letzteres scheitert daran, dass entweder keine signifikante Molekulargewichtserh{\"o}hung des Oligosilans erreicht wird, oder f{\"u}hrt dazu, dass das Oligomer vergelt und damit in Toluol unl{\"o}slich wird. Durch Umsetzung des Oligosilans mit zweiwertigen Aminen wie EDA oder TMDA als Vernetzungsreagenz gelang es, eine Syntheseroute zu entwickeln, die - anders als bei der am ISC etablierten Route - keinen thermischen Vernetzungsschritt erfordert, d.h. die gesamte Synthese findet bei Temperaturen ≤200 °C statt. Hierbei wird eine kontrollierbare Erh{\"o}hung des Molekulargewichts erreicht. Die Verwendung von TMDA hat gegen{\"u}ber EDA den Vorteil, dass aufgrund des Ausbleibens von Ringbildung ein h{\"o}her vernetztes Polymer erhalten wird. Dar{\"u}ber hinaus wurde gefunden, dass Gr{\"u}nfasern w{\"a}hrend der Pyrolyse durch radikalisch vernetzbare Gruppen (C=C-Doppelbindungen) im Polymer stabilisiert werden k{\"o}nnen. Diese Gruppen lassen sich entweder durch Dechlorierung mit Allylamin oder durch Umsetzung mit Vinyl-Grignard-Reagenzien einf{\"u}hren. Allylamin erwies sich hierbei als geeigneter, da es preiswerter und leichter handhabbar ist und außerdem - im Gegensatz zu Vinyl-Grignard-Reagenzien - eine vollst{\"a}ndige Dechlorierung des Polymers gestattet. Alle Polymere wurden auf ihre Verarbeitbarkeit zu Gr{\"u}n- und anschließend zu Keramikfasern untersucht. Hierbei wurde gefunden, dass die im Hinblick auf die Eigenschaften der resultierenden Keramikfasern g{\"u}nstigste Rezeptur in der Umsetzung eines zuvor mit DMA vollst{\"a}ndig dechlorierten Oligosilans mit 18,2 mol-\% TMDA und 40 mol-\% Allylamin (bezogen auf NMe2-Gruppen) besteht. Die aus diesem Polymer erhaltenen Keramikfasern zeigen die f{\"u}r noch nicht technisch ausgereifte, im Stadium der Entwicklung befindliche Fasern typischen Festigkeiten und entsprechen damit denjenigen, die auf der am ISC bereits etablierten Route erh{\"a}ltlich sind. Dies macht sie zu aussichtsreichen Kandidaten f{\"u}r die weitere Optimierung.},
  subject      = {Keramikfaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kocic2014,
  author    = {Kocic, Nikola},
  title     = {Bestimmung des Keimbildungsexponenten f{\"u}r die Kristallisation von Polymeren durch nicht-isotherme DSC-Analysen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-113950},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Thermoplastische Kunststoffe (sog. Thermoplaste) lassen sich in einem be-stimmten Temperaturbereich beliebig oft schmelzen und in einer gew{\"u}nschten Form erstarren. Grundvoraussetzung f{\"u}r eine bestimmte Anwendung eines thermoplastischen Bauteils sind die Gebrauchseigenschaften des Materials, die im Wesentlichen vom Ablauf der Erstarrung abh{\"a}ngen. Die Molek{\"u}le einiger Thermoplaste k{\"o}nnen bei der Erstarrung geordnete kristalline Bereiche bilden. Dies sind die sog. teilkristallinen Kunststoffe, deren Erstarrungsprozess Kristallisation genannt wird. Die dabei entstehenden Kristallstrukturen werden zusammen mit deren Charakteristiken allgemein als Morphologie der teilkristallinen Kunststoffe bezeichnet. Die Morphologie hat einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften des Materials. Dementsprechend stellen Kenntnisse {\"u}ber die Kristallisation eine wertvolle Hilfe bei der Vorhersage der Gebrauchseigenschaften eines teilkristallinen Kunststoffs dar. Um die Kristallisation zu starten, muss zun{\"a}chst eine Energiebarriere {\"u}berwunden werden, die an erster Stelle vom molekularen Aufbau des Kunststoffs abh{\"a}ngt. Somit weisen beispielsweise Kunststoffe mit linearen, regelm{\"a}ßigen Molek{\"u}len und kleinen Seitengruppen eine niedrigere Energiebarriere und aus diesem Grund eine starke Neigung zur Kristallisation auf. Einige Zusatzstoffe wie z. B. unterschiedliche Additive, Farbstoffe oder F{\"u}llstoffe k{\"o}nnen die Energiebarriere und infolgedessen die Kristallisation eines teilkristallinen Kunststoffs wesentlich beeinflussen. Das Ziel dieser Dissertation war es, ein bestehendes Kristallisationsmodell zu erweitern und es an gef{\"u}llte oder additivmodifizierte teilkristalline Kunststoffe anzupassen. Das erweiterte Modell soll die Ermittlung eines Kristallisationspa-rameters, des sog. Keimbildungsexponenten, eines gef{\"u}llten oder additivmodifizierten teilkristallinen Kunststoffs bei der nicht-isothermen Kristallisation erm{\"o}glichen. Der Keimbildungsexponent ist mit der erw{\"a}hnten Energiebarriere eng verbunden und bestimmt somit den Ablauf des Kristallisationsprozesses bzw. die daraus folgende Morphologie. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit lag darin, die vorgeschlagene Modellerweiterung bei verschiedenen Abk{\"u}hlgeschwindigkeiten zu {\"u}berpr{\"u}fen. Im Anschluss sollten die Beziehungen zwischen den berechneten Keimbildungsexponenten und experimentell ermittelten me-chanischen Eigenschaften (E-Modul, Streckspannung und Schlagz{\"a}higkeit) {\"u}berpr{\"u}ft werden. F{\"u}r die Untersuchungen wurden drei verschiedene Polymersysteme verwendet: PP / Talkum, HDPE / Talkum sowie PA6 / Bentonit. Hierbei weist der F{\"u}llstoff eine stark positive, schwach positive bzw. inhibierende Wirkung auf die Kristallisation der entsprechenden Polymermatrix auf. Hinsichtlich reiner Polymere wurde eine gute {\"U}bereinstimmung zwischen den ermittelten und Literaturwerten des Keimbildungsexponenten festgestellt. Die Zugabe von positiv wirkendem Talkum in PP bzw. HDPE f{\"u}hrt zu einer Abnah-me des Keimbildungsexponenten, was zu dickeren Kristallen des jeweiligen Kunststoffs f{\"u}hrte. Im Gegensatz dazu bewirkte die Bentonitzugabe einen zu-nehmenden Keimbildungsexponenten, was anschließend d{\"u}nnere PA6-Kristalle zur Folge hat. Die durchgef{\"u}hrten Untersuchungen zeigen außerdem, dass die F{\"u}llstoffpartikelgr{\"o}ße einen ausgepr{\"a}gten Einfluss auf den ermittelten Keimbildungsexponenten hat. Weiterhin wurde festgestellt, dass der ermittelte Keimbildungsexponent durch die (DSC)-Abk{\"u}hlgeschwindigkeit beeinflusst wird. Es wurde ferner gezeigt, dass sich dieser Einfluss ab einer bestimmten Abk{\"u}hlgeschwindigkeit (20 K/min im Falle des PP und HDPE bzw. 15 K/min im Falle des PA6) nicht mehr {\"a}ndert, was zu einem konstanten Keimbildungsexponenten f{\"u}hrt. Um den Einfluss der Abk{\"u}hlgeschwindigkeit auf die modellierte Gr{\"o}ße zu ber{\"u}cksichtigen, sind weitere Untersuchungen n{\"o}tig. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen weiterhin, dass der berechnete Keimbildungsexponent mit den experimentell ermittelten Werten f{\"u}r E-Modul, Streckspannung und Charpy-Schlagz{\"a}higkeit bei talkumgef{\"u}lltem PP gut korreliert. Solche Korrelationen wurden jedoch bei den HDPE- und PA6-Proben nicht gefunden. Der Grund hierf{\"u}r k{\"o}nnte eine ausgepr{\"a}gte Orientierung der HDPE-Makromolek{\"u}le bzw. ein starker mikromechanischer Effekt des exfolierten Bentonits sein. Diese Effekte konnten im Rahmen der Arbeiten best{\"a}tigt werden. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Mo-dellerweiterung auch bei gef{\"u}llten oder additivmodifizierten Kunststoffen zufriedenstellende Resultate liefert. Die entsprechende Berechnung erfordert dabei lediglich eine DSC-Messung, was im Vergleich zum Stand der Technik in einen niedrigeren Messaufwand resultiert. Die vorliegende Arbeit liefert daher einen signifikanten Beitrag zur Erstellung des Zusammenhangs zwischen der Kristallisation, der Morphologie und dem mechanischen Verhalten von teilkristallinen Polymeren.},
  subject      = {Kristallisation},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Beyer2013,
  author    = {Beyer, Matthias},
  title     = {Untersuchungen zu photovernetzbaren und biokompatiblen (Hybrid-)Polymeren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-97131},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die Arbeit besch{\"a}ftigte sich mit Untersuchungen zu photovernetzbaren und -strukturierbaren (Hybrid-)Polymeren, um Grundlagen f{\"u}r die Herstellung von Tr{\"a}gerger{\"u}ststrukturen (Scaffolds) auf Basis photovernetzbarer (Hybrid-)Polymere zu legen und damit in der Zukunft patientenindividuelle medizinische Werkst{\"u}cke, die beliebig durch Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse in drei Dimensionen strukturierbar sind, f{\"u}r die Regenerative Medizin zu erm{\"o}glichen. Daf{\"u}r wurden zun{\"a}chst die zum Teil in der Literatur unbekannten unterschiedlichen Monomere Acr-1, MAcr-2, Acr-3, MAcr-4 und DiMAcr-5 synthetisiert. Dabei handelt es sich um einfache und gut vergleichbare organische (Meth-)Acrylat-Monomere, die mono- bzw. difunktional in ihren photochemisch reaktiven Gruppen sind. Die synthetisierten organischen Monomere Acr-3, MAcr-4 und DiMAcr-5 wurden in verschiedenen Verh{\"a}ltnissen mit dem anorganisch-organischen Methacrylat-basierten Hybridpolymers ORMOCER® I kombiniert. Die (Co-)Polymerisation der unterschiedlichen Formulierungen wurde in situ mittels UV-DSC-Untersuchung verfolgt. Dabei wurden bei diesen Untersuchungen zum Teil deutliche Unterschiede im Reaktionsverlauf der einzelnen Materialformulierungen festgestellt. So konnten zum Beispiel bei Monomermischungen ein schnellerer Polymerisationsverlauf sowie eine h{\"o}here maximale Polymerisationsrate als bei den jeweiligen Einzelkomponenten beobachtet werden (Synergieeffekt). Diese Beobachtungen wurden anhand der Monomerstruktur (unterschiedliche Diffusionsf{\"a}higkeiten im vergelten, aber noch nicht erstarrten System durch Mono- bzw. Difunktionalit{\"a}t) und der Art der funktionellen Gruppe (Acrylat- bzw. Methacrylatgruppe) erkl{\"a}rt. Weiterhin wurden der Einfluss des verwendeten Photoinitiators und dessen eingesetzte Konzentration auf die photochemisch-induzierte Copolymerisation eines ausgew{\"a}hlten Systems beleuchtet. Dazu wurden verschiedene Einflussfaktoren der Initiation betrachtet. Neben der eingesetzten Initiatorkonzentration spielen auch die Absorptionseigenschaften, die umgebende Matrix und die Initiatoreffizienz eine große Rolle f{\"u}r den Reaktionsverlauf der photochemischen Vernetzung. Weiterhin wurden die Photoinitiatoren in unterschiedlichen Konzentrationen eingesetzt, um die dadurch induzierte Ver{\"a}nderung des Reaktionsverlaufs zu betrachten. Aus den Einfl{\"u}ssen auf die Reaktionsverl{\"a}ufe konnte geschlossen werden, dass diese sowie auch die maximale Polymerisationsrate RP,max und damit die Reaktionskinetik nicht in jedem Fall linear mit der Initiatorkonzentration zunehmen muss. Erste generelle 2PP-Strukturierungen wurden zudem an ausgew{\"a}hlten Material-formulierungen durchgef{\"u}hrt. Dabei zeigte sich, dass alle Formulierungen bei bestimmten Parameterkombinationen aus Laserleistung und Schreibgeschwindigkeit mittels 2PP strukturiert werden konnten. Außerdem wurden bei den verschiedenen Formulierungen bei gleicher Parameterkombination unterschiedliche Strukturbreiten und damit erstmalig unterschiedliche Strukturvolumina beobachtet. Diese unterschiedlichen Volumina konnten erstmalig mit den unterschiedlichen Reaktionsverl{\"a}ufen der Materialformulierungen korreliert werden. Dabei zeigte sich, dass das chemische Wechselwirkungsvolumen von der Funktionalit{\"a}t der eingesetzten Materialkomponenten abh{\"a}ngig ist, da davon der Grad an Quervernetzung abh{\"a}ngt, der bestimmt, ob ausreichend vernetzte Voxel und Strukturen entstehen, die durch einen Entwicklungsschritt nicht mehr entfernt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein biokompatibles und photostrukturierbares Hybridpolymer (RENACER® MB-I) entwickelt, welches mittels 2PP strukturiert werden konnte, was anhand kleiner wie auch großer Scaffolds mit dem Material demonstriert wurde. Dazu wurde das kommerziell erh{\"a}ltliche Alkoxysilan-Molek{\"u}l O-(Methacryloxyethyl)-N-(triethoxysilylpropyl)urethan als Precursor verwendet. Durch eine bewusst unvollst{\"a}ndige Hydrolyse- und Kondensationsreaktion konnte aus dem Precursorsilan ein Hybridpolymerharz hergestellt werden, welches anorganisch vorverkn{\"u}pft war. Weiterhin wies es sowohl als Volumenpolymer, als auch in Form von Scaffold-Strukturen eine sehr gute Biokompatibilit{\"a}t auf. Um zu untersuchen, ob die im Hybridpolymer enthaltenen prinzipiell degradierbaren Gruppen unter physiologischen Bedingungen tats{\"a}chlich degradieren und Teile aus dem Polymerverband herausgel{\"o}st werden k{\"o}nnen, wurde ein selbstentwickeltes Verfahren f{\"u}r station{\"a}re Degradations-untersuchungen in phosphat-gepufferter Saline (PBS, pH = 7,4) verwendet. Die durch die photochemische Polymerisation neu entstandenen Ketten besaßen ihrer Natur gem{\"a}ß keine hydrolysierbaren Einheiten, weshalb das Hybridpolymer nicht vollst{\"a}ndig degradieren kann. Es konnte jedoch ein prinzipieller Zugang zu Ger{\"u}sttr{\"a}gerstrukturen auf Basis photovernetzbarer Polymere f{\"u}r die Regenerative Medizin geschaffen werden.},
  subject      = {Photopolymerisation},
  language  = {de}
}
@phdthesis{CollingebTroetschel2014,
  author    = {Collin [geb. Tr{\"o}tschel], Daniela},
  title     = {Untersuchungen zu photostrukturierbaren piezo- und ferroelektrischen D{\"u}nnschichten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-108422},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich organisch polymerisierbare Titan(IV)- und Zirkonium(IV)komplexe, die bei der Synthese anorganisch-organischer Hybrid-polymere verwendet werden, in Precursor-Solen f{\"u}r anorganische Beschichtungen verhalten. Dabei sollte ein Konzept zur Herstellung photochemisch strukturierter, anorganischer D{\"u}nnschichten erarbeitet werden. Als Beispiel f{\"u}r das anorganische D{\"u}nnschichtmaterial wurde Bleizirkonattitanat (PZT) und f{\"u}r die polymerisierbaren Liganden Methacryls{\"a}ure gew{\"a}hlt. Der Schwerpunkt der Arbeit lag dabei besonders auf den Untersuchungen der photochemischen Polymerisation mittels UV-lithographischer und Mehrphotonenpolymerisation sowie der in situ Untersuchung w{\"a}hrend der Pyrolyse des polymerisierten Materials und der Reaktion zur anorganischen D{\"u}nnschicht. Der Prozess zur Herstellung photostrukturierter, anorganischer D{\"u}nnschichten kann in zwei Schritte eingeteilt werden. Nach der Synthese des Precursor-Sols erfolgten zun{\"a}chst die licht-induzierte organische Polymerisation und die Entfernung der nicht polymerisierten Bereiche mit Hilfe eines Entwicklerbads. Im Anschluss daran wurden im zweiten Schritt die organischen Bestandteile durch eine thermische Behandlung entfernt und die Reaktion zum anorganischen Oxidmaterial induziert. Die homogensten Schichten wurden dabei mit einem n Butanol-basierten, methacrylat¬funktionalisierten PZT-Sol mit 25 Gew. \% Feststoffgehalt auf Stahlsubstraten bei Pyrolyse¬bedingungen ab 500 bis 700 °C mit einer Heizrate von 5 K/min erreicht. An diesen Schichten konnte ferroelektrisches Verhalten nachgewiesen werden. Allerdings reichen die Eigenschaften noch nicht an in der Literatur beschrieben ferro- und piezoelektrische D{\"u}nnschichten heran, die ebenfalls aus PZT-Solen hergestellt wurden. Dies liegt zum einen an den zu geringen Schichtdicken und der damit verbundenen erh{\"o}hten Durchschlagsgefahr dieser Sol-Gel-basierten PZT-Schichten. Zum anderen reduzieren Grenzfl{\"a}chenreaktionen des chromhaltigen Substrats und der PZT-Solschicht zu Pb2(CrO4)O sehr drastisch die ferroelektrischen Eigenschaften, indem sich nicht-ferroelelektrische Oxidschichten mit niedrigen Permittivit{\"a}ten bilden und die Beweglichkeit der Dom{\"a}nenw{\"a}nde durch Diffusion von Cr3+-Akzeptorionen in die PZT-Schicht verringert wird. Zun{\"a}chst wurde die PZT-Solsynthese untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Nebenproduktbildung von verschiedenen Estern vermieden werden kann, wenn die leicht fl{\"u}chtigen Bestandteile nach der Ligandenaustauschreaktion von Alkoxid gegen Methacryls{\"a}ure bei reduziertem Druck und damit verbundenen niedrigeren Reaktionstemperaturen, erfolgte. Die Bindung der Methacrylatliganden ist in jedem Fall bidentat. Bei den n Butanol-basierten PZT-Solen konnte trotz h{\"o}herer Siedetemperatur und niedrigerem Dampfdruck ein gr{\"o}ßerer Anteil an Alkohol entfernt werden, als bei n-Propanol-basierten PZT-Solen. Dies wurde auf den etwas h{\"o}heren +I Effekt des n Butanols und in der Folge der bevorzugten Ligandenaustauschreaktion von Methacryl¬s{\"a}ure gegen den n Butanol im Vergleich zu n Propanol zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Die Gr{\"o}ße der PZT-Cluster war langzeitstabil, reproduzierbar herstellbar und betrug ca. 2,0 - 2,5 nm. Aus der Partikelgr{\"o}ße und dem spektros¬kopischen Nachweis von Metalloxobindungen konnte ein Strukturvorschlag basierend auf den zugrundeliegenden Titan- und Zirkoniumkomplexen erstellt werden. Dabei bilden MO6 Komplexe das Grundger{\"u}st st{\"a}bchenf{\"o}rmiger, heterometallischer Cluster. Die polymerisierbaren Methacrylatliganden befinden sich auf der Oberfl{\"a}che und sind gut zug{\"a}nglich f{\"u}r die Polymerisationsreaktion. Die mittlere Anzahl an Methacrylatliganden pro PZT-Cluster wurde zu 5 - 25 je nach Gewichtung abgesch{\"a}tzt. Bei der UV-lithographischen Strukturierung ergaben sich zwei unerwartete Effekte. Zum einen trat nach der Schichtherstellung eine reversible Tr{\"u}bung des PZT-Sols auf, welches auf konzentrations¬bedingte Phasenseparation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden konnte. Zum anderen setzte sich unter N2 Atmosph{\"a}re die lichtinduzierte radikalische Kettenreaktion in den methacrylat-funktionalisierten PZT-Solschichten auch in die unbelichteten Bereiche fort. Dieser Effekt wird sonst in dieser Deutlichkeit nur von kationischen Polymerisationsreaktionen beobachtet und auf lange Radikal¬lebensdauern zur{\"u}ckgef{\"u}hrt und wurde mittels Photo-Differentialkalorimetrie weitergehend untersucht. Allerdings konnte aufgrund der Probengeometrie der Einfluss der Atmosph{\"a}re mit der Photo-DSC-Methode nicht eindeutig gekl{\"a}rt werden. Die Qualit{\"a}t der pyrolysierten PZT-Schichten konnte durch Variation der Feststoffgehalte und der Pyrolysebedingungen optimiert werden. So wurden durch die Verd{\"u}nnung der PZT-Sole auf 25 Gew. \% Feststoffgehalt bei ansonsten analogen Pyrolyse¬bedingungen dichtere und homogenere Schichten erhalten, wohingegen PZT-Solschichten mit einem Feststoffgehalt von 31 Gew.-\% eine xerogelartige Struktur durch agglomerierte Partikel zeigten. Die untersuchten Substrate wiesen einen deutlichen Einfluss auf die nach der Pyrolyse erhaltenen PZT-Schichten auf. Unmetallisierte Silizium-Wafer eigneten sich zwar zur Untersuchung der UV-lithographischen Herstellung strukturierter Solschichten, bei der Pyrolyse bildeten sich jedoch unerw{\"u}nschte Bleisilicat¬schmelzen, die der PZT-Bildung entgegen wirkten. Weiterhin wurden platinierten Silizium-Wafer mit Titanhaftvermittler¬schicht und SiO2-Sperrschicht verwendet. Diese Substrate zeigten eine durch die hohen Pyrolyse¬temperaturen induzierten Diffusion der Haftvermittlerschicht in die Platinmetallisierung und in der Folge eine Delamination aufgrund hoher Druckspannung in der PZT-Schicht, welche durch die Entfernung der organischen Bestandteile aus der Solschicht resultierte. In der Folge entstanden mechanisch instabile Proben. Die Delamination konnte durch Zwischensinterschritte bei 360 °C bzw. durch die Pyrolyse auf Heizplatten reduziert, jedoch nicht vollst{\"a}ndig vermieden werden. Aus diesem Grund konnten keine ferroelektrischen Eigenschaften der PZT-Schichten auf diesen Substraten ermittelt werden. Lediglich auf Stahlsubstraten konnten elektrisch dichte Schichten hergestellt werden. Die Polymerisationsreaktion eines ausgesuchten PZT-Sols, welches bei den Strukturierungs- und Pyrolyseuntersuchungen die besten Ergebnisse zeigte, wurde n{\"a}her untersucht, um ein Verst{\"a}ndnis zu den ablaufenden Reaktionen zu erhalten. Die Reaktion zeigt den f{\"u}r radikalische Kettenpolymerisationen typischen Trommsdorf- bzw. Gel-Effekt. Durch die Verd{\"u}nnung der PZT-Cluster konnten trotz hoher Anzahl an C=C-Bindungen pro Monomer, d. h. stark quervernetzender Spezies, sehr hohe Umsetzungsgrade erreicht werden. Die initiator¬gehalts-abh{\"a}ngige Steigerung der Reaktionsenthalpie w{\"a}hrend der Belichtung konnte mit steigenden Umsetzungs¬graden korreliert werden. Dieses Verhalten wird in der Literatur f{\"u}r eine Vielzahl an methacrylatbasierten Monomeren beschrieben. Der empirische Zusammenhang zwischen der Reaktionsrate und der Initiatorkonzentration konnte f{\"u}r das methacrylat¬funktionalisierte PZT-Sol zu bestimmt werden. Die Gesamtaktivierungenergie konnte ebenfalls in Abh{\"a}ngigkeit vom Reaktionsumsatz ermittelt werden. Die Polymerisation eines konzentrierten PZT-Sols mit difunktionellen Monomeren zeigte h{\"o}here Umsetzungsgrade als die entsprechenden Reinsubstanzen und ein sp{\"a}teres Eintreten des Gelpunkts. Dies wird zur{\"u}ckgef{\"u}hrt auf die niedrigere Viskosit{\"a}t sowie die geringere Molek{\"u}lgr{\"o}ße des Reaktivverd{\"u}nners und die in der Folge bessere Infiltration des durch das PZT-Sol aufgespannten Netzwerks mit zus{\"a}tzlichen kleinen und beweglichen Monomeren. Da bei der thermischen Behandlung der polymerisierten PZT-Schichten die experimentellen Bedingungen, wie z. B. Heizrate oder Anfangstemperatur der Pyrolyse, einen signifikanten Einfluss besitzen, wurden energiedispersive in-situ-R{\"o}ntgenbeugungsexperimente mit Hilfe von Synchrotron¬strahlung durch¬gef{\"u}hrt. Hierbei konnte vor allem der Einfluss der organischen Polymerisation und der Anfangstemperatur der Pyrolyse auf die Phasenentwicklung des Precursor-Sols untersucht werden. Dabei zeigte sich besonders deutlich, dass die PZT-Bildungstemperatur durch die Belichtung der Probe und damit der Bildung des organischen Netzwerks steigt. Dies wird auf das starke organische Netzwerk und den erh{\"o}hten Energiebedarf zur Reorganisation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Durch eine erh{\"o}hte Anfangstemperatur der Pyrolyse von 500 °C kann die in der Literatur beschriebene Verringerung der unerw{\"u}nschten Pyrochlor-Phase beobachtet werden. Zudem ist die PZT-Bildungstemperatur hierbei niedriger als bei Pyrolysen ab Raumtemperatur. Dies wird mit einer durch den geringeren Anteil an Pyrochlor-Phase erh{\"o}hten Triebkraft zur PZT-Bildung erkl{\"a}rt. Die konsekutive Phasenumwandlung von Pyrochlor in die erw{\"u}nschte PZT-Phase ist bei Pyrolysen ab Raumtemperatur sp{\"a}ter abgeschlossen als bei Pyrolysen ab 500 °C. Dies kann mit dem geringeren Anteil an Pyrochlor-Phase erkl{\"a}rt werden, da sich ab 500 °C bereits die PZT-Phase zu bilden beginnt. Der Vergleich der Halbwertsbreiten des intensit{\"a}tsstarken Reflexes bei 31 ° zeigte, dass die Belichtung der Solschichten zu gr{\"o}ßeren Kristalliten f{\"u}hrt, was auf eine niedrigere Nukleationsrate w{\"a}hrend der Kristallisation zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Bei der Auswertung und Diskussion der Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Thematik ergaben sich einige Ansatzpunkte f{\"u}r weitere Untersuchungen, die jedoch nicht im zeitlichen und thematischen Rahmen dieser Arbeit betrachtet werden konnten. So w{\"a}re es interessant weitere Substrate auf ihre Eignung bei der, f{\"u}r die Herstellung strukturierten PZT-Schichten notwendigen, hohen thermischen Belastung zu testen, da die hier untersuchten platinierten Silizium-Wafer bzw. die Stahlsubstrate deutliche Nachteile zeigten. Des Weiteren k{\"o}nnen neben den hier behandelten polymerisierbaren Carbons{\"a}ureliganden weitere mehrz{\"a}hnige Liganden und dessen Einfluss auf die Precursormaterialien f{\"u}r die Herstellung strukturierter anorganischer Schichten untersucht werden. β-Diketone, Aminoalkohole und auch Phosphonate bilden ebenfalls stabile Metall-Ligand-Bindungen und k{\"o}nnten so die Integration polymerisierbarer Gruppen in die PZT-Cluster analog zu der im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Carbons{\"a}ure erm{\"o}glichen. Das hier erarbeitete Konzept k{\"o}nnte neben den untersuchten ferroelektrischen Schichtmaterialien ebenfalls auf andere dielektrische oder magnetische Materialklassen, wie z. B. Bariumtitanat oder Magnetit {\"u}bertragen werden. Die Herstellung photostrukturierbarer anorganischer Schichten durch den Einbau polymerisierbarer Liganden eignet sich f{\"u}r zahlreiche Materialklassen, die {\"u}ber fl{\"u}ssige Sol-Gel-Vorstufen synthetisiert werden k{\"o}nnen. Dar{\"u}ber hinaus k{\"o}nnen weitere Pyrolysebedingungen mit den hier vorgestellten Analysemethoden untersucht werden. So k{\"o}nnten z. B. verschiedene Atmosph{\"a}ren oder unterschiedliche Heizraten innerhalb eines Pyrolysezyklus variiert werden, um ihren Einfluss auf die Herstellung rissfreier und phasenreiner Schichten zu untersuchen. Dazu m{\"u}sste der hier vorgestellte experimentelle Aufbau dahingehend erweitert werden, dass eine Gaszufuhr w{\"a}hrend der Pyrolyse m{\"o}glich ist.},
  subject      = {Ultraviolett-Bestrahlung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gold2023,
  author    = {Gold, Lukas},
  title     = {Methods for the state estimation of lithium-ion batteries},
  doi       = {10.25972/OPUS-30618},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-306180},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {This work introduced the reader to all relevant fields to tap into an ultrasound-based state of charge estimation and provides a blueprint for the procedure to achieve and test the fundamentals of such an approach. It spanned from an in-depth electrochemical characterization of the studied battery cells over establishing the measurement technique, digital processing of ultrasonic transmission signals, and characterization of the SoC dependent property changes of those signals to a proof of concept of an ultrasound-based state of charge estimation. The State of the art \& theoretical background chapter focused on the battery section on the mechanical property changes of lithium-ion batteries during operation. The components and the processes involved to manufacture a battery cell were described to establish the fundamentals for later interrogation. A comprehensive summary of methods for state estimation was given and an emphasis was laid on mechanical methods, including a critical review of the most recent research on ultrasound-based state estimation. Afterward, the fundamentals of ultrasonic non-destructive evaluation were introduced, starting with the sound propagation modes in isotropic boundary-free media, followed by the introduction of boundaries and non-isotropic structure to finally approach the class of fluid-saturated porous media, which batteries can be counted to. As the processing of the ultrasonic signals transmitted through lithium-ion battery cells with the aim of feature extraction was one of the main goals of this work, the fundamentals of digital signal processing and methods for the time of flight estimation were reviewed and compared in a separate section. All available information on the interrogated battery cell and the instrumentation was collected in the Experimental methods \& instrumentation chapter, including a detailed step-by-step manual of the process developed in this work to create and attach a sensor stack for ultrasonic interrogation based on low-cost off-the-shelf piezo elements. The Results \& discussion chapter opened with an in-depth electrochemical and post-mortem interrogation to reverse engineer the battery cell design and its internal structure. The combination of inductively coupled plasma-optical emission spectrometry and incremental capacity analysis applied to three-electrode lab cells, constructed from the studied battery cell's materials, allowed to identify the SoC ranges in which phase transitions and staging occur and thereby directly links changes in the ultrasonic signal properties with the state of the active materials, which makes this work stand out among other studies on ultrasound-based state estimation. Additional dilatometer experiments were able to prove that the measured effect in ultrasonic time of flight cannot originate from the thickness increase of the battery cells alone, as this thickness increase is smaller and in opposite direction to the change in time of flight. Therefore, changes in elastic modulus and density have to be responsible for the observed effect. The construction of the sensor stack from off-the-shelf piezo elements, its electromagnetic shielding, and attachment to both sides of the battery cells was treated in a subsequent section. Experiments verified the necessity of shielding and its negligible influence on the ultrasonic signals. A hypothesis describing the metal layer in the pouch foil to be the transport medium of an electrical coupling/distortion between sending and receiving sensor was formulated and tested. Impedance spectroscopy was shown to be a useful tool to characterize the resonant behavior of piezo elements and ensure the mechanical coupling of such to the surface of the battery cells. The excitation of the piezo elements by a raised cosine (RCn) waveform with varied center frequency in the range of 50 kHz to 250 kHz was studied in the frequency domain and the influence of the resonant behavior, as identified prior by impedance spectroscopy, on waveform and frequency content was evaluated to be uncritical. Therefore, the forced oscillation produced by this excitation was assumed to be mechanically coupled as ultrasonic waves into the battery cells. The ultrasonic waves transmitted through the battery cell were recorded by piezo elements on the opposing side. A first inspection of the raw, unprocessed signals identified the transmission of two main wave packages and allowed the identification of two major trends: the time of flight of ultrasonic wave packages decreases with the center frequency of the RCn waveform, and with state of charge. These trends were to be assessed further in the subsequent sections. Therefore, methods for the extraction of features (properties) from the ultrasonic signals were established, compared, and tested in a dedicated section. Several simple and advanced thresholding methods were compared with envelope-based and cross-correlation methods to estimate the time of flight (ToF). It was demonstrated that the envelope-based method yields the most robust estimate for the first and second wave package. This finding is in accordance with the literature stating that an envelope-based method is best suited for dispersive, absorptive media [204], to which lithium-ion batteries are counted. Respective trends were already suggested by the heatmap plots of the raw signals vs. RCn frequency and SoC. To enable such a robust estimate, an FIR filter had to be designed to preprocess the transmitted signals and thereby attenuate frequency components that verifiably lead to a distorted shape of the envelope. With a robust ToF estimation method selected, the characterization of the signal properties ToF and transmitted energy content (EC) was performed in-depth. A study of cycle-to-cycle variations unveiled that the signal properties are affected by a long rest period and the associated relaxation of the multi-particle system "battery cell" to equilibrium. In detail, during cycling, the signal properties don't reach the same value at a given SoC in two subsequent cycles if the first of the two cycles follows a long rest period. In accordance with the literature, a break-in period, making up for more than ten cycles post-formation, was observed. During this break-in period, the mechanical properties of the system are said to change until a steady state is reached [25]. Experiments at different C-rate showed that ultrasonic signal properties can sense the non-equilibrium state of a battery cell, characterized by an increasing area between charge and discharge curve of the respective signal property vs. SoC plot. This non-equilibrium state relaxes in the rest period following the discharge after the cut-off voltage is reached. The relaxation in the rest period following the charge is much smaller and shows little C-rate dependency as the state is prepared by constant voltage charging at the end of charge voltage. For a purely statistical SoC estimation approach, as employed in this work, where only instantaneous measurements are taken into account and the historic course of the measurement is not utilized as a source of information, the presence of hysteresis and relaxation leads to a reduced estimation accuracy. Future research should address this issue or even utilize the relaxation to improve the estimation accuracy, by incorporating historic information, e.g., by using the derivative of a signal property as an additional feature. The signal properties were then tested for their correlation with SoC as a function of RCn frequency. This allowed identifying trends in the behavior of the signal properties as a function of RCn frequency and C-rate in a condensed fashion and thereby enabled to predict the frequency range, about 50 kHz to 125 kHz, in which the course of the signal properties is best suited for SoC estimation. The final section provided a proof of concept of the ultrasound-based SoC estimation, by applying a support vector regression (SVR) to before thoroughly studied ultrasonic signal properties, as well as current and battery cell voltage. The included case study was split into different parts that assessed the ability of an SVR to estimate the SoC in a variety of scenarios. Seven battery cells, prepared with sensor stacks attached to both faces, were used to generate 14 datasets. First, a comparison of self-tests, where a portion of a dataset is used for training and another for testing, and cross-tests, which use the dataset of one cell for training and the dataset of another for testing, was performed. A root mean square error (RMSE) of 3.9\% to 4.8\% SoC and 3.6\% to 10.0\% SoC was achieved, respectively. In general, it was observed that the SVR is prone to overestimation at low SoCs and underestimation at high SoCs, which was attributed to the pronounced hysteresis and relaxation of the ultrasonic signal properties in this SoC ranges. The fact that higher accuracy is achieved, if the exact cell is known to the model, indicates that a variation between cells exists. This variation between cells can originate from differences in mechanical properties as a result of production variations or from differences in manual sensor placement, mechanical coupling, or resonant behavior of the ultrasonic sensors. To mitigate the effect of the cell-to-cell variations, a test was performed, where the datasets of six out of the seven cells were combined as training data, and the dataset of the seventh cell was used for testing. This reduced the spread of the RMSE from (3.6 - 10.0)\% SoC to (5.9 - 8.5)\% SoC, respectively, once again stating that a databased approach for state estimation becomes more reliable with a large data basis. Utilizing self-tests on seven datasets, the effect of additional features on the state estimation result was tested. The involvement of an additional feature did not necessarily improve the estimation accuracy, but it was shown that a combination of ultrasonic and electrical features is superior to the training with these features alone. To test the ability of the model to estimate the SoC in unknown cycling conditions, a test was performed where the C-rate of the test dataset was not included in the training data. The result suggests that for practical applications it might be sufficient to perform training with the boundary of the use cases in a controlled laboratory environment to handle the estimation in a broad spectrum of use cases. In comparison with literature, this study stands out by utilizing and modifying off-the-shelf piezo elements to equip state-of-the-art lithium-ion battery cells with ultrasonic sensors, employing a range of center frequencies for the waveform, transmitted through the battery cell, instead of a fixed frequency and by allowing the SVR to choose the frequency that yields the best result. The characterization of the ultrasonic signal properties as a function of RCn frequency and SoC and the assignment of characteristic changes in the signal properties to electrochemical processes, such as phase transitions and staging, makes this work unique. By studying a range of use cases, it was demonstrated that an improved SoC estimation accuracy can be achieved with the aid of ultrasonic measurements - thanks to the correlation of the mechanical properties of the battery cells with the SoC.},
  subject      = {Lithium-Ionen-Akkumulator},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kolb2022,
  author    = {Kolb, Carina},
  title     = {Neuartige ORMOCER®-basierte Materialsysteme und deren Formgebung mittels Digital Light Processing f{\"u}r hochwertige dentale Versorgungen},
  doi       = {10.25972/OPUS-25951},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-259516},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden ORMOCER®-basierte Materialsysteme f{\"u}r dentale Versorgungen entwickelt, die additiv mittels Digital Light Processing (DLP) verarbeitbar sind und ein hochwertiges, auf die vorgesehene Zielanwendung abgestimmtes Eigenschaftsprofil besitzen. Zun{\"a}chst wurden grundlegende Untersuchungen zum DLP-Druck des Harzsystems und einfachen Kompositen durchgef{\"u}hrt, um auftretende Herausforderungen zu identifizieren und die weitere Vorgehensweise festzulegen. Ausgehend davon konzentrierte sich die Arbeit neben der Vermeidung der klebrigen Sauerstoffinhibierungsschicht auf der Bauteiloberfl{\"a}che einerseits darauf, die Maßhaltigkeit bei DLP-gedruckten Bauteilen mit {\"u}berh{\"a}ngenden Strukturen zu steigern. Insbesondere wurde das Augenmerk hier auf die Verwendung von organischen Lichtabsorbern zur Realisierung von hochtransluzenten Harz-basierten Bauteilen gelegt. Andererseits lag ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit auf der Entwicklung von DLP-druckbaren Kompositen mit hoher Transluzenz. Die daf{\"u}r n{\"o}tige Brechzahlanpassung von Harzsystem und F{\"u}llstoff wurde zum einen durch die Synthese neuer, h{\"o}herbrechender Harzsysteme und zum anderen durch die Verwendung hochbrechender ZrO2-Nanopartikel realisiert. Die resultierenden hochtransluzenten Komposite wurden umfassend mechanisch charakterisiert sowie erfolgreich DLP-gedruckt.},
  subject      = {Hybridpolymere},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Niklaus2022,
  author    = {Niklaus, Lukas},
  title     = {Electrochromic systems based on metallopolymers and metal oxides: towards neutral tint and near-infrared transmission modulation},
  doi       = {10.25972/OPUS-25855},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-258554},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {While the field of electrochromic (EC) materials and devices (ECDs) continues to advance in terms of color palette and understanding the underlying mechanism, several scientific and technological challenges need to be addressed by optimizing the materials and understanding the electrochemical interplay of these materials in full cells. The main issue here is to further improve the EC profile for color neutrality and cycling stability in order to commercialize dimmable EC products. The transparent conductive substrates used in this work (FTO and ultra-thin ITO glass) have high visible light transmittance (τv > 85\%) and low sheet resistance (< 25 Ω·sq-1). In addition, the Li+-containing gel electrolyte has sufficient ionic conductivity (2.8·10-4 S·cm-1 at 25 °C), so the investigated ECDs could achieve a fast response (required ionic conductivity is between 10-3 and 10-7 S·cm-1). This work shows that the combination of cathodically-coloring Fe-MEPE with anodically-coloring non-stoichiometric nickel oxide (Ni1-xO) electrodes (prepared by the National Institute of Chemistry in Ljubljana, Slovenia) can be used in neutral-coloring type III ECDs. The Fe-MEPE/Ni1-xO ECD with the underbalanced CE (ECD1-1, 2: 1) and the balanced configuration (ECD1-2, 1: 1) are both nearly neutrally-colored (ECD1-1: a* = -6.7, b* = 8.8; ECD1-2: a* = -9.0, b* = 10.1) in the bright state with a τv of almost 70\%. Due to the overbalancing of the CE (ECD1-3, 1:3), a deviation (a* = -2.8, b* = 19.9) from the neutral coloration occurred here. The balanced as well as the overbalanced ECD configurations show high electrochemical cycling stability (over 1,000 potentiostatic switching cycles). In general, the overbalanced configuration offers the advantage of a smaller operating voltage range (-1 V ↔ 2.5 V to -1 V ↔ 1.5 V), i.e., avoiding possible electrochemical degradation of the EC materials, electrolyte, or conductive layers. By using a Li RE in the full cell, insights into the optimal matching of electrochemical and optical properties between the two electrodes are obtained to achieve more stable ECDs. Thereby, the redox potentials of both EC electrodes (Fe-MEPE and Ni1-xO) can be measured during operation. The incomplete decolorization of ECD1-1 can be explained by the measured electrode potentials (below the required 4 V vs. Li/Li+), excluding side reactions and degradation at both electrodes. The results demonstrate the importance of using balanced and (slightly) overbalanced ECD configurations with complementary-coloring EC electrodes to achieve high cycling stability and fast switching at low operating voltages. Therefore, this three-electrode configuration provides an excellent method for in situ electrochemical characterization of the individual EC electrodes to better understand the redox processes during device operation and to further improve the optical contrast and cycle stability of ECDs. The Fe-MEPE/Ni1-xO combination was tested on flexible ultrathin ITO glass (ECD1-4). Here, by applying a low voltage of -1 V ↔ 2.5 V, the MEPE/Ni1-xO ECDs can be reversibly switched from a colored (L* = 35.6, a* = 19.4, b* = -26.7) to a nearly colorless (L* = 78.5, a* = -14.0, b* = 21.3) state. This is accompanied by a change in τv from 6\% to 53\%. The ECDs exhibit fast response and good cycling stability (5\% loss of optical contrast over 100 switching cycles). To further improve color neutrality and cycling stability, ECDs combining Fe-MEPE and mixed metal oxides as ion storage layers were investigated. Titanium manganese oxide (TMO, Fraunhofer IST) and titanium vanadium oxide (TiVOx, EControl-Glas GmbH \& Co. KG) electrodes are compared for use as optically-passive ion storage layers. TiVOx with a maximum charge density of approx. 27 mC·cm-2 and a coloration efficiency of η = 2 cm·C-1 at 584 nm shows a color change from yellow to light gray at 2 V vs. Ag/AgCl, while the slightly anodically-coloring Ti-rich TMO (10.5 mC·cm-², η584 nm = -4 cm·C-1) switches from light yellow to colorless at -2.5 V vs. Ag/AgCl. These materials show only a slight change in τv value from 85\% to 75\% and from 72\% to 81\%, respectively, thus reaching the requirements for highly transmissive optical-passive ion storage layers. The ECDs with Fe-MEPE in combination with TiVOx (ECD2-1) and TMO-1 (ECD2-2) are blue-purple in the dark state (0 V) and turn colorless by applying a voltage of 1.5 V, changing the τv value from 28\% to 69\% and from 21\% to 57\% in 3 s and 13 s, respectively. The ECDs show fast responses and high cyclability over more than 100 cycles. In the last section, the simplification of cell architecture by using redox mediators shows that different redox mediators (KHCF(III), Fc-PF6, Fc-BF4, and TMTU) can be used in type II ECDs (4 instead of 5 layers) consisting of Fe-MEPE or Ni1-xO thin film electrodes. The combination of KHCF(III) with Fe-MEPE has a low cycling stability due to the electrochemical formation of Prussian blue (PB). This side reaction is undesirable as it decreases the optical contrast. It can be avoided by using Fc+- (ECD3-5/6) or TMTU-based (ECD3-7) redox mediators, which exhibit reversible redox behavior. A high τv value of 72\% is obtained for the use of TMTU. Low concentrations (<0.1 M) of redox mediators decrease the cell voltage for complete switching without affecting the optical properties of the ECDs. The redox couple TMTU/TMFDS2+ (molar ratio of 1:0.1 in 1 M LiClO4/PC as electrolyte) works well in combination with Ni1-xO electrodes (ECD3-10), with a change in τv value from 38\% (colored at 2 V, L* = 67.1, a* = 3.9, b* = 17.2) to 70\% at (decolored at -2 V, L* = 86.6, a* = -0.6, b* = 17.2). This result implies that incorporating redox mediators into the electrolyte is an effective means to simplify the cell assembly and color neutrality can be obtained with one optically active WE and a color-neutral redox mediator. Moreover, the combination of Ni1-xO and the colorless TMTU/TMFDS2+ redox mediator is a potential candidate to obtain neutrally colored ECDs. It is shown that the lab-sized FTO- and ultra-thin ITO-glass-based ECDs are very attractive for energy-efficient EC applications, e.g., in architectural or automotive glazing, aircraft, ships, home appliances and displays. To monitor the EC performance and to prevent diverging electrode potentials during the switching process, the studied three-electrode configuration can help to extend the cycle stability as well as to improve the charge balancing of dimmable applications. The studied ECDs display a route towards neutral tint, e.g., EC active Ni1-xO, optically-inactive mixed metal oxides, and colorless redox mediators. Nevertheless, color neutrality should be further improved to meet the requirements for industrial applications. For future work, a scale-up process from lab-sized (few cm²) to prototype (few m²) ECDs will be necessary.},
  subject      = {Elektrochromie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Christ2019,
  author    = {Christ, Bastian},
  title     = {Synthese, Fabrikation und Charakterisierung eines faserf{\"o}rmigen Zelltr{\"a}germaterials auf Basis von Titan-oxo-carboxo-Clustern},
  doi       = {10.25972/OPUS-16201},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-162015},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {In dieser Arbeit konnten ethanolische Sole aus TEOT und der metabolisierbaren α-Hydroxycarbons{\"a}ure Milchs{\"a}ure (LA) in spinnf{\"a}hige viskose Spinnmassen {\"u}berf{\"u}hrt werden und erstmalig {\"u}ber die Methode des Druckspinnens zu Mikrofasern prozessiert werden. Die hybriden Fasern sind intrinsisch stabil. {\"U}ber FTIR- und 13C-MAS-NMR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in der Faser der Koordinationsmodus von LA an Ti sowohl im mono- als auch im bidentaten Modus (Nomenklatur bezogen auf die S{\"a}ureeinheit) vorliegt. Die n{\"a}here Untersuchung des Degradationsverhaltens einer LA-Faser zeigte haupts{\"a}chlich die Freisetzung von Lactat und Ethanol innerhalb weniger Stunden. Danach kann kaum noch ein Massenverlust der Fasern nachgewiesen werden. Vermutlich ist die Degradationsgeschwindigkeit abh{\"a}ngig von der S{\"a}ttigungskonzentration der wasserl{\"o}slichen Titanoxid-Spezies Ti(OH)4 und Ti(O)(OH)2. Die L{\"o}slichkeit dieser Verbindungen betr{\"a}gt ca. 1 µmol/L. Die Freisetzung von Titanverbindungen an das Degradationsmedium konnte {\"u}ber ICP-Messungen und indirekt auch {\"u}ber NMR-Messungen der Degradationsprodukte in L{\"o}sung nachgewiesen werden. Nach ca. einer Woche in L{\"o}sung bildet sich der wasserl{\"o}sliche metallorganische Komplex TiBALDH. Dieser Komplex zeigt keinen negativen Einfluss auf die Umwelt, so dass Zellkulturmedien, die in Kontakt mit den Fasermaterialien getreten sind, in Zukunft nach dem Autoklavieren gefahrlos entsorgt werden k{\"o}nnen. Zudem sollte keines der detektierten Abbauprodukte in den abgegebenen Mengen toxisch auf den humanen Organismus bei in vivo-Anwendungen wirken. Lactat und Ethanol k{\"o}nnen im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden. TIBALDH ist dem im menschlichen Serum nachweisbaren Titan(IV)citrat-Komplex strukturell sehr {\"a}hnlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Bildung von TiBALDH ca. 1 Woche dauert, ist die vorherige Bildung des Titan(IV)citrat-Komplexes im humanen Organismus wahrscheinlich. Weiterhin konnte das hybride Fasermaterial durch den Zusatz von basischen Stoffen neutralisiert werden und nach Vorkonditionierung der Fasern als nicht zytotoxisch eingestuft werden. Als Gegenionen wurde Ammonium, das biogene Amin Phenethylamin, die Aminos{\"a}ure Phenylalanin und das Biopolymer CHI getestet. F{\"u}r zuk{\"u}nftige Weiterentwicklungen k{\"o}nnen auch basische Wirkstoffe als Gegenionen herangezogen werden. Somit k{\"o}nnte das hybride Zelltr{\"a}germaterial zus{\"a}tzlich eine Drug-Delivery-Funktion erhalten. Die LA-Fasern verhalten sich nach dem Verspinnen sehr flexibel. Bei einer Lagerung bei RT jedoch verspr{\"o}den diese sehr schnell innerhalb von 3 d. Diese Materialeigenschaft wurde im zweiten Teil der Arbeit n{\"a}her untersucht und optimiert. Tempern des Fasermaterials bei 170 °C bewirkte eine Umlagerung der LA-Liganden zu AA-Liganden, aber keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Versuche einer getemperten LA-Faser mit CHI als Gegenion zeigte durchwegs positive Eigenschaften in den Zytotoxizit{\"a}tstests und auf deren Oberfl{\"a}che konnten Zellen der Zelllinien L929, 16HBE, HTB94 und MG63 erfolgreich kultiviert werden. Durch die Verwendung anderer metabolisierbarer α Hydroxycarbons{\"a}uren konnten R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die chemische Zusammensetzung der Fasern gezogen werden. Die Fasern scheinen aus wenig untereinander vernetzen Titan-oxo-carboxo-Clustern der Summenformel [Ti6O6(OR)6(Carboxylat)6] (mit R = H2+, H, Et oder „Ti6O6(OR)5(Carboxylat)6") zu bestehen. Durch Variation der verwendeten S{\"a}uren konnten die Wechselwirkungen der Cluster untereinander verst{\"a}rkt werden, so dass beispielsweise eine Faser mit MA bedeutend flexiblere Eigenschaften - auch bei einer Lagerung f{\"u}r 3d bei RT aufweist. Des Weiteren konnte durch Lagerung dieser Faser bei 4 °C der Verspr{\"o}dungsprozess f{\"u}r mind. 1 Monat gestoppt werden. Eine Lagerung von Medizinprodukten bei 4 °C stellt in L{\"a}ndern mit ausreichender Infrastruktur kein Problem dar. Aufbauend auf diesen Tatsachen und TGA-MS-Messungen konnte die These aufgestellt werden, dass sich zwischen den wenig untereinander vernetzten Titan-oxo-carboxo-Cluster direkt nach dem Verspinnen noch Wassermolek{\"u}le befinden. Diese Reste an Wasser verleihen - vermutlich aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen - der Faser flexible Eigenschaften. Bei einer Lagerung bei RT entweichen diese Wasserreste und die Faser verspr{\"o}det; bei einer Lagerung bei 4°C wird das Verdampfen des restlichen Wassers bedeutend verlangsamt. Die Faser mit den flexibelsten Eigenschaften konnte letztendlich durch die Verwendung des zweiz{\"a}hnigen Carboxylat-Liganden MalA erhalten werden. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuartiges faserf{\"o}rmiges Material auf Basis von Titan-oxo-carboxo-Clustern produziert werden, welches großes Potential besitzt als Zelltr{\"a}germaterial Anwendung zu finden. Aufbauend auf den hier gewonnenen Ergebnissen k{\"o}nnen die mechanischen Eigenschaften weiter optimiert und die Anforderungen des gew{\"u}nschten Zielgewebes feinjustiert werden. Zudem besteht die M{\"o}glichkeit dem Material Drug-Delivery-Eigenschaften zu verleihen. Somit k{\"o}nnte das Scaffold aus Mikrofasern neben den bereits integrierten chemischen und physikalischen Stimuli (die Oberfl{\"a}chenfunktionalit{\"a}ten und die Oberfl{\"a}chentopographie der Fasern) auch durch freigesetzte Wirkstoffe Zellen zur gew{\"u}nschten Differenzierung anregen.},
  subject      = {Scaffold <Biologie>},
  language  = {de}
}
@phdthesis{WulfertHolzmann2022,
  author    = {Wulfert-Holzmann, Paul},
  title     = {Die elektrische Leitf{\"a}higkeit des negativen Aktivmaterials moderner Blei-S{\"a}ure-Batterien},
  doi       = {10.25972/OPUS-29839},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-298397},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Diese Doktorarbeit besch{\"a}ftigt sich mit dem Wirkmechanismus der elektrischen Leitf{\"a}higkeit in Blei-S{\"a}ure-Batterien. Obwohl ihm eine zentrale Rolle beim „Kohlenstoff-Effekt" zugeordnet wird, ist der Wirkmechanismus der elektrischen Leitf{\"a}higkeit bislang vergleichsweise wenig untersucht worden und konnte dementsprechend noch nicht vollst{\"a}ndig aufgekl{\"a}rt werden. Mit dem Anspruch, diese Forschungsl{\"u}cke zu schließen, zielt die vorliegende Doktorarbeit darauf ab, den Einfluss der elektrischen Leitf{\"a}higkeit auf die Performance der Blei-S{\"a}ure-Batterie systematisch herauszuarbeiten und so einen Beitrag zur Generierung neuer Entwicklungsans{\"a}tze zu leisten, z. B. in Form von maßgeschneiderten Additiven. Bislang ist noch unklar, ob allein die elektrische Leitf{\"a}higkeit des Aktivmaterials relevant ist oder diese auch durch Additive beeinflusst wird. Das liegt vor allem daran, dass geeignete Messmethoden fehlen und deshalb der Einfluss von Additiven auf die elektrische Leitf{\"a}higkeit des Aktivmaterials wenig untersucht wurde. Deswegen zielt diese Arbeit auch darauf ab, eine neuartige Messmethode zu entwickeln, um die elektrische Leitf{\"a}higkeit des Aktivmaterials im laufenden Betrieb bestimmen zu k{\"o}nnen. Aufgrund der Vorkenntnisse und Vorarbeiten am Fraunhofer ISC werden die Untersuchungen dabei auf die negative Elektrode limitiert. Insgesamt unterteilt sich die Doktorarbeit in die zwei Abschnitte. Im ersten Abschnitt werden elektrisch isolierende St{\"o}ber-Silica als Additive im negativen Aktivmaterial eingesetzt, um den Einfluss der elektrischen Leitf{\"a}higkeit des Additivs auf die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie herauszustellen. Untersucht wird dabei die u.a. die Doppelschichtkapazit{\"a}t, die Wasserstoffentwicklung und die dynamische Ladeakzeptanz. Im zweiten Abschnitt steht die elektrische Leitf{\"a}higkeit des negativen Aktivmaterials im Fokus. Es wird zun{\"a}chst eine neue Messmethodik entwickelt, die ihre in-situ- und operando-Bestimmung erm{\"o}glicht. Nach einer umfassenden Evaluierung und der Betrachtung verschiedener Betriebsparameter wird die Methodik f{\"u}r eine erste proof-of-concept-Messreihe angewendet, um den Einfluss von Additiven auf die elektrische Leitf{\"a}higkeit des negativen Aktivmaterials zu untersuchen.},
  subject      = {Bleiakkumulator},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Bach2017,
  author    = {Bach, Tobias},
  title     = {Electromechanical interactions in lithium-ion batteries: Aging effects and analytical use},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-153325},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {In the first part of his work, the causes for the sudden degradation of useable capacity of lithium-ion cells have been studied by means of complementary methods such as computed tomography, Post-Mortem studies and electrochemical analyses. The results obtained point unanimously to heterogeneous aging as a key-factor for the sudden degradation of cell capacity, which in turn is triggered by differences in local compression. At high states of health, the capacity fade rate is moderate but some areas of the graphite electrode degrade faster than others. Still, the localized changes are hardly noticeable on cell level due to averaging effects. Lithium plating occurs first in unevenly compressed areas, creating patterns visible to the human eye. As lithium plating leads to rapid consumption of active lithium, a sudden drop in capacity is observed on cell level. Lithium plating appears to spread out from the initial areas over the whole graphite electrode, quickly consuming the remaining useful lithium and active graphite. It can be hypothesized that a self-amplifying circle of reciprocal acceleration of local lithium loss and material loss causes rapid local degradation. Battery cell designers can improve cycle life by homogeneous pressure distribution in the cell and using negative active materials that are resilient to elevated discharge potentials such as improved carbons or lithium titanate. Also, a sufficiently oversized negative electrode and suitable electrolyte additives can help to avoid lithium plating. When packs are designed, care must be taken not to exert local pressure on parts of cells and to avoid both very high and low states of charge. In the second part of this dissertation the resilience of cylindrical and pouchbag cells to shocks and different vibrations was investigated. Stresses inflicted by vibration and shock tests according to the widely recognized UN38.3 transport test were compared to a long-time test that exposed cells to a 186 days long ordeal of sine sweep vibrations with a profile based on real-world applications. All cells passed visual and electric inspection performed by TU M{\"u}nchen after the vibration tests. Only cylindrical cells subjected to long-term vibrations in axial direction showed an increase in impedance and a loss of capacity that could be recuperated in part. The detailed analyses presented in this thesis gave more details on the damages inflicted by vibrations and shocks and revealed drastic damages in some cases. In cylindrical cells, only movement in axial direction caused damage. Long term vibrations were found to be especially detrimental. No damage whatsoever could be detected for pouch cells, regardless of the test protocol and the direction of movement. The extreme resilience of pouchbag cells shows that the electrode stack of lithium-ion cells is resistant to vibrations, and that damages are caused by design imperfections that can be improved at low cost. The findings of this work, and the general state of research show that it is most crucial to control the lithiation and thus potential of the graphite electrode. In the last part of this work, a new, direct method for charge estimation based on changing transmission is presented. A correlation between transmission of short ultrasonic pulses and state of charge is found. This new technology allows direct measurement of the state of charge. The method is demonstrated for batteries with different positive active materials, showing its versatility. As the observed changes can be traced to the lithiation of graphite, it can be determined without a reference electrode. Already at this early stage of development, the found correlations allow estimation of state of charge. The present hysteresis in the signal height of the slow wave, which is unneglectable especially during discharging at higher currents, will be subject to further investigation. The observed effects can be explained by effects on different length scales. Biot's theory explains the second wave's slowness based on the active material particles size in the range of 0.01 mm and electrolyte-filled pores. Lithiation of graphite changes the porosity of the electrode and thereby the velocity and wavelength of the impulse. When the wavelength approaches the length scale of the layers, 0.1 mm, scattering effects dampen the transmitted signal. Finally, the wavelength of the pulse should be shorter than the transducers diameter to obtain a homogeneous wave front. To conclude, the new method allows the control of each individual cell in a pack independent from the electrical connections of the cells. As the method shows great promise, further studies regarding factors such as long-term behavior, temperature and current rates should be conducted. In this thesis hysteresis was observed and a deeper understanding of the reasons behind it may allow further improvements of measurement precision.},
  subject      = {Lithium-Ionen-Akkumulator},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stier2022,
  author    = {Stier, Simon},
  title     = {Konzepte, Materialien und Verfahren f{\"u}r multimodale und hochintegrierte Elastomersensorik},
  doi       = {10.25972/OPUS-26087},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-260875},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Dielektrische Elastomersensoren sind aus Elastomermaterialien aufgebaute Sensoren mit einem kapazitiven Messprinzip. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einer dehnbaren Elastomerfolie als Dielektrikum, die beidseitig mit leitf{\"a}higen und ebenfalls dehnbaren Schichten als Elektroden bedeckt ist. Damit entsteht ein mechanisch verformbarer elektrischer Kondensator, dessen Kapazit{\"a}t mit der Dehnung der Elastomerfolie stetig ansteigt. Neben solchen Dehnungssensoren lassen sich mit einem geeigneten geometrischen Aufbau auch dielektrische Elastomersensoren realisieren, bei denen eine elektrische Kapazit{\"a}t mit einem angelegten Druck bzw. einer Kraft auf die Oberfl{\"a}che, mit einer Scherkraft oder mit der Ann{\"a}herung eines elektrisch leitf{\"a}higen oder polarisierbaren K{\"o}rpers wie z. B. der menschlichen Hand messbar ansteigt. Durch ihre vielf{\"a}ltige Funktion, intrinsische Verformbarkeit und fl{\"a}chige Ausgestaltung weisen Dielektrische Elastomersensoren erhebliches Potential in der Schaffung smarter, sensitiver Oberfl{\"a}chen auf. Dabei sind weitgehende und individuelle Adaptionen auf den jeweiligen Anwendungszweck durch Abstimmung geometrischer, mechanischer und elektrischer Eigenschaften m{\"o}glich. Die bisherige Forschung beschr{\"a}nkt sich jedoch auf die Analyse und Optimierung einzelner Aspekte ohne das Potential einer {\"u}bergreifenden systemischen Perspektive zu nutzen. Diese Arbeit widmet sich daher der Betrachtung der Sensorik als Gesamtsystem, sowohl horizontal - von abstrakten Modellen bis zur Fertigung und prototypischen Anwendung - als auch vertikal {\"u}ber die Komponenten Material, Struktur und Elektronik. Hierbei wurden in mehreren Teilgebieten eigenst{\"a}ndige neue Erkenntnisse und Verbesserungen erzielt, die anschließend in die {\"u}bergreifende Betrachtung des Gesamtsystems integriert wurden. So wurden in den theoretischen Vorarbeiten neue Konzepte zur ortsaufgel{\"o}sten Erfassung mehrerer physikalischer Gr{\"o}ßen und zur elektrischen und mechanischen Modellierung entwickelt. Die abgeleiteten Materialanforderungen wurden in eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Elastomer-Kompositwerkstoffe {\"u}berf{\"u}hrt, in der neuartige analytische Methoden in Form von dynamischer elektromechanischer Testung und nanoskaliger Computertomographie zur Aufkl{\"a}rung der inneren Wechselwirkungen zum Einsatz kamen. Im Bereich der automatisierten Prozessierung wurde ein f{\"u}r die komplexen mehrschichtigen Elektrodenstrukturen geeigneter neuer lasergest{\"u}tzer substraktiver Fertigungprozess etabliert, der zudem die Br{\"u}cke zu elastischer Elektronik schl{\"a}gt. In der abschließenden Anwendungsevaluierung wurden mehrere ortsaufgel{\"o}ste und multimodale Gesamtsysteme aufgebaut und geeignete Messelektronik und Software entwickelt. Abschließend wurden die Systeme mit einem eigens entwickelten robotischen Testsystem charakterisiert und zudem das Potential der Auswertung mittels maschinellem Lernen aufgezeigt.},
  subject      = {Taktiler Sensor},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mueller2022,
  author    = {M{\"u}ller, Melanie},
  title     = {Untersuchung von Grenzfl{\"a}chenreaktionen von kristallisierenden Glasloten bei der F{\"u}gung von Hochtemperaturbrennstoffzellen},
  doi       = {10.25972/OPUS-29687},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-296871},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {F{\"u}r die F{\"u}gung der Interkonnektoren einer Hochtemperaturbrennstoffzelle wurden in der hier vorliegenden Arbeit glaskeramische Lote entwickelt und untersucht. Es konnte ein hochviskoses Glas gefunden werden, das trotz fehlendem Erweichen bei der F{\"u}gung eine stabile, gasdichte und elektrisch isolierende glaskeramische F{\"u}gung ausbildet. Auch w{\"a}hrend des Betriebs kommt es zu keinem Erweichen der F{\"u}gung. Weiter treten keine feststellbaren Reaktionen mit den potentiellen Reaktionspartnern, den Stahlelementen, auf. Es konnte eine Korrelation dieses Reaktionsverhaltens mit dem Kristallisationsverhalten der Glaskeramik gefunden werden. Das Verhalten des Glaslotes wurde {\"u}ber mehrere tausend Stunden unter Betriebsbedingungen beziehungsweise betriebsimulierenden Bedingungen untersucht. Dabei konnte die Kristallisationsentwicklung beschrieben werden. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der einzelnen Faktoren, denen ein Glaslot w{\"a}hrend seines Einsatzes von der F{\"u}gung bis zum Betrieb ausgesetzt ist, wie die F{\"u}getemperatur, die Viskosit{\"a}t der eingesetzten glasbildenden Schmelze oder die Dualgasatmosph{\"a}re im Betrieb, auf das Gef{\"u}ge und die Diffusion. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die F{\"u}getemperatur mit Abstand den gr{\"o}ßten Einfluss auf die Stabilit{\"a}t der Glaslotschicht hat. Diese bedingt nicht nur die Kinetik des Fließens und die Benetzung des Stahls durch das Glas, sondern vor allem, welche Kristallphasen gebildet werden und wie das finale Gef{\"u}ge im Hinblick auf Kristallitgr{\"o}ße und -verteilung aussieht. So kommt es bei h{\"o}heren Temperaturen zu einem gr{\"o}ßeren Restglasphasenanteil und einem geringeren Kristallitanteil, was wiederum die Diffusion der Stahlelemente in die Glaslotschicht beg{\"u}nstigt.},
  subject      = {Hochtemperaturbrennstoffzelle},
  language  = {de}
}