03 Fakultät Chemie

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    Experimental and computational phase studies of the ZrO2-based systems for thermal barrier coatings
    (2006) Wang,Chong; Aldinger, Fritz (Prof.)
    The ZrO2-based materials are practically important as the thermal barrier coatings (TBC) for high temperature gas turbines, due to their low thermal conductivity, high temperature thermal stability and excellent interfacial compatibility. Studies of the phase equilibira, phase transformation, and thermodynamics of the ZrO2-based systems can provide the necessary basic knowledge to develop the next generation TBC materials. In the thesis, the systems ZrO2 - HfO2, ZrO2 - LaO1.5, ZrO2 - NdO1.5, ZrO2 - SmO1.5, ZrO2 - GdO1.5, ZrO2 - DyO1.5, ZrO2 - YbO1.5 and ZrO2 - GdO1.5 - YO1.5 were experimentally studied. The samples were prepared by the chemical co-precipitation method, with aqueous solutions Zr(CH3COO)4, HfO(NO3)2, and RE(NO3)3×xH2O (RE=La, Nd, Sm, Gd, Dy, Yb) as starting materials. Various experimental techniques, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electron probe microanalysis (EPMA), transmission electron microscopy (TEM), differential thermal analysis (DTA), and high temperature calorimetry were employed to study the phase transformation, phase equilibria between 1400 and 1700°C, heat content and heat capacity of the materials. A lot of contradictions in the literature were resolved and the phase diagrams were reconstructed.
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    Finite-temperature interplay of structural stability, chemical complexity, and elastic properties of bcc multicomponent alloys from ab initio trained machine-learning potentials
    (2021) Gubaev, Konstantin; Ikeda, Yuji; Tasnádi, Ferenc; Neugebauer, Jörg; Shapeev, Alexander V.; Grabowski, Blazej; Körmann, Fritz
    An active learning approach to train machine-learning interatomic potentials (moment tensor potentials) for multicomponent alloys to ab initio data is presented. Employing this approach, the disordered body-centered cubic (bcc) TiZrHfTax system with varying Ta concentration is investigated via molecular dynamics simulations. Our results show a strong interplay between elastic properties and the structural ω phase stability, strongly affecting the mechanical properties. Based on these insights we systematically screen composition space for regimes where elastic constants show little or no temperature dependence (elinvar effect).
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    Molecular dynamics simulations of screw dislocation mobility in bcc Nb
    (2021) Zotov, Nikolay; Grabowski, Blazej
    The screw dislocation mobility in bcc Nb has been studied by molecular dynamics (MD) simulations at different strain rates and temperatures using an embedded-atom method (EAM) potential. Static properties of the screw dislocation, as determined with the EAM potential, are in agreement with previous density-functional-theory calculations. The elementary slip plane of the screw dislocation remains (110) for all studied strain rates (in the range 6.3 × 107-6.3 × 109 s-1) and temperatures (5 to 550 K). However, the consecutive cross-slip on different symmetry-equivalent (110) planes leads to an effective glide on (112) planes. It is demonstrated that the screw dislocation trajectories, velocities and waviness of the screw dislocation depend on the crystallographic indices, (110) or (112), of the maximum resolved shear stress plane. The waiting time for the start of the screw dislocation motion increases exponentially with decreasing strain rate, substantiating the necessity to apply in future accelerated MD techniques in order to compare with macroscopic stress-strain experiments.
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    High rate electrochemical dissolution of iron-based alloys in NaCl and NaNO3 electrolytes
    (2002) Wagner, Thomas; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)
    With the investigations presented in this work, the reaction mechanisms and principles of steels upon the high rate electrochemical dissolution in activating NaCl electrolytes and passivating NaNO3 electrolytes are revealed and the role of anodic surface films developing at the substrate surface is included in schematic dissolution models. For the development of accurate dissolution models, mask-less Electrochemical Machining (ECM) experiments with the flow channel cell at high electrolyte flow rates (up to 7 m/s) and current densities up to 70 A/cm2 were carried out in combination with following ex situ surface analysis. On the basis of these experiments a satisfactory dissolution model for heterogeneous steel substrates is presented, with special respect to the influence of local turbulences in the flowing electrolyte. To specify and characterize the electrochemical behaviour of the examined electrolyte / substrate combination, polarization measurements with the rotating cylinder electrode(RCE) are presented.
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    Mechanische Spektroskopie an dünnen Kupferschichten
    (2001) Hagen, Joachim von der; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
    In dieser Arbeit wurden erstmalig dünne Kupferschichten, die für die Mikroelektronik von zunehmendem technologischen Interesse sind, systematisch mit Hilfe der mechanischen Spektroskopie untersucht. Dabei handelt es sich um eine empfindliche und zerstörungsfreie Messmethode, mit der man Informationen über Defektstrukturen in der Schicht und in der Substrat/Schicht-Grenzfläche erhalten kann. Darüber hinaus wurden die spektroskopischen Ergebnisse ebenfalls erstmalig vor dem Hintergrund der thermomechanischen Eigenschaften dünner Schichten diskutiert. Die Voraussetzung hierfür wurde durch eine apparative Neuentwicklung geschaffen. Bei den untersuchten Systemen handelte es sich um Kupferschichten auf den Trägermaterialien Silizium und Saphir. Die Messungen beruhen auf der Dämpfung von Eigenschwingungen zwischen 20 bis 530°C. Daneben wird die Eigenfrequenz gemessen, aus der man prinzipiell Rückschlüsse auf den E-Modul von Schicht und Substrat, bzw. auf die Haftung ziehen kann. Es wurden vor allem passivierte und unpassivierte Kupferschichten zwischen 1 und 4 µm auf Siliziumsubstraten untersucht. Kupferschichten auf Silizium-Substraten zeigen ein breites, bei Temperaturzyklen stabiles, Dämpfungsmaximum zwischen 280 und 380°C. Mit zunehmender Schichtdicke wächst dessen Intensität, während sich seine Position zu höheren Temperaturen verschiebt. Auf Grund seiner Aktivierungsenthalpie kann dieses Maximum auf Versetzungsbewegungen zurückgeführt werden. Man nimmt an, dass die Versetzungen thermisch aktivierte, lokale Bewegungen um ihre Gleichgewichtslage ausführen, während sie an ihren Enden fest verankert sind. Als Verankerungspunkte sind vor allem die Grenz-, bzw. die Oberfläche, sowie weitere Versetzungen anzusehen. Die Relaxationsparameter der Dämpfungsmaxima zeigen, dass Einengungseffekte die Mobilität der beweglichen Versetzungssegmente maßgeblich bestimmen, wie es im Zusammenhang mit den hohen inneren Spannungen in dünnen Schichten diskutiert wird.
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    Magnetic Moment Tensor Potentials for collinear spin-polarized materials reproduce different magnetic states of bcc Fe
    (2022) Novikov, Ivan; Grabowski, Blazej; Körmann, Fritz; Shapeev, Alexander
    We present the magnetic Moment Tensor Potentials (mMTPs), a class of machine-learning interatomic potentials, accurately reproducing both vibrational and magnetic degrees of freedom as provided, e.g., from first-principles calculations. The accuracy is achieved by a two-step minimization scheme that coarse-grains the atomic and the spin space. The performance of the mMTPs is demonstrated for the prototype magnetic system bcc iron, with applications to phonon calculations for different magnetic states, and molecular-dynamics simulations with fluctuating magnetic moments.
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    Field evaporation and atom probe tomography of pure water tips
    (2020) Schwarz, T. M.; Weikum, E. M.; Meng, K.; Hadjixenophontos, E.; Dietrich, C. A.; Kästner, J.; Stender, P.; Schmitz, G.
    Measuring biological samples by atom probe tomography (APT) in their natural environment, i.e. aqueous solution, would take this analytical method, which is currently well established for metals, semi-conductive materials and non-metals, to a new level. It would give information about the 3D chemical structure of biological systems, which could enable unprecedented insights into biological systems and processes, such as virus protein interactions. For this future aim, we present as a first essential step the APT analysis of pure water (Milli-Q) which is the main component of biological systems. After Cryo-preparation, nanometric water tips are field evaporated with assistance by short laser pulses. The obtained data sets of several tens of millions of atoms reveal a complex evaporation behavior. Understanding the field evaporation process of water is fundamental for the measurement of more complex biological systems. For the identification of the individual signals in the mass spectrum, DFT calculations were performed to prove the stability of the detected molecules.
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    Thermal cycling creep of a fiber reinforced aluminum alloy
    (2000) Flaig, Alexander; Arzt, Eduard (Prof. Dr.)
    In der vorliegenden Arbeit wurde das Kriechverhalten eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes unter thermozyklischen Bedingungen untersucht. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine eutektische Al-Si Legierung, die mit 15 Vol.% diskontinuierlicher Aluminiumoxid-Fasern verstärkt wurde. Fortgeschrittene Methoden der mechanischen Hochtemperaturprüfung wurden verwendet, um die spannungsabhängige Verformungsrate während der thermischen Zyklen zu messen. Speziell untersucht wurden die Einflüsse der Maximaltemperatur, der thermischen Amplitude, von Haltezeiten, des Vorzeichens der Belastung und der Orientierung der Verstärkung untersucht. Bei geringen Spannungen wurde im Vergleich zu isothermen Bedingungen eine Beschleunigung des Kriechens gefunden und der beobachtete Spannungsexponent sank auf kleine Werte. Eine genaue Analyse der Dehnungen in einzelnen Zyklen lieferte Belege für das Vorhandensein beträchtlicher inelastischer Dehnungen, die sich von Halbzyklus zu Halbzyklus gegenseitig größtenteils kompensierten. Ein kontinuumsmechanisches Modell wurde aufgestellt, das den Verbundwerkstoff durch zwei aufeinander gestapelte und sich homogen verformende Platten annäherte. Das Modell wurde verwendet, um auf Basis von berechneten inneren Spannungen die Kriechraten und die innerzyklische Dehnungsentwicklung unter thermozyklischen Bedingungen zu erklären und vorherzusagen. Die experimentell gemachten Beobachtungen wurden im Vergleich zu den Simulationsergebnissen interpretiert und diskutiert. Die beobachteten Phänomene konnten auf Basis des Modells erklärt werden. Das Material zeigte ausgeprägtes Übergangsverhalten beim Be- und Entlasten. Dieses wurde mit Hilfe von spannungszyklischen Kriechexperimenten näher untersucht. Das Phänomen des Rückwärts-Kriechens nach äußerer Entlastung wurde ausgenutzt, um Effekte der Last-Übertragung von der Matrix auf die Fasern zu untersuchen und um auf die Entwicklung der Dehnrate eines Verbundwerkstoffes zurückzuschließen.
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    Adjustable polystyrene nanoparticle templates for the production of mesoporous foams and ZnO inverse opals
    (2020) Abitaev, Karina; Qawasmi, Yaseen; Atanasova, Petia; Dargel, Carina; Bill, Joachim; Hellweg, Thomas; Sottmann, Thomas
    The manifold applications of porous materials, such as in storage, separation, and catalysis, have led to an enormous interest in their cost-efficient preparation. A promising strategy to obtain porous materials with adjustable pore size and morphology is to use templates exhibiting the appropriate nanostructure. In this study, close-packed polystyrene (PS) nanoparticles, synthesized by emulsion polymerization, were used to produce porous PS and ZnO inverse opals. The size and distribution of the polystyrene nanoparticles, characterized by dynamic light scattering (DLS), small-angle neutron scattering (SANS), and scanning electron microscopy (SEM), were controlled via the concentration of sodium dodecyl sulfate (SDS). Systematic measurements of the water/styrene-interfacial tension show that the critical micelle concentration (CMC) of the ternary water–styrene–SDS system, which determines whether monodisperse or polydisperse PS particles are obtained, is considerably lower than that of the binary water–SDS system. The assemblies of close-packed PS nanoparticles obtained via drying were then studied by small-angle X-ray scattering (SAXS) and SEM. Both techniques prove that PS nanoparticles synthesized above the CMC result in a significantly unordered but denser packing of the particles. The polystyrene particles were subsequently used to produce porous polystyrene and ZnO inverse opals. While the former consists of micrometer-sized spherical pores surrounded by extended open-cellular regions of mesopores (Rpore ≈ 25 nm), the latter are made of ZnO-nanoparticles forming a structure of well-aligned interconnected pores.