04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5
Browse
3 results
Search Results
Item Open Access Numerische Simulationen von bioinspirierten und natürlichen Materialien(2021) Schäfer, Immanuel; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Die Arbeit befasst sich mit Finite-Elemente-Simulationen und Modellierungen von natürlichen und bioinspirierten Materialien. Die bioinspirierten Materialien sind künstliche Materialien, die ein oder mehrere Prinzipien der biologischen Vorbilder erfolgreich umgesetzt haben. Die natürlichen Materialien sind biologischen Ursprungs. Zu Beginn benötigt man immer eine funktionelle Analyse des Systems, um dann die notwendigen Reduzierungen für die Modellierungen herstellen zu können. Wenn das Modell steht, werden Eigenschaften wie zum Beispiel die Dämpfung oder der Widerstand gegen eine lineare Krafteinwirkung in Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden zur Beurteilung des Versagenverhaltens (z. B. des natürlichen Materials) oder zur Erklärung der Eigenschaften des bioinspirierten Materials genutzt. Die vorliegende Arbeit ist in die Analyse und die Diskussion der Ergebnisse verschiedener Materialien in neun Veröffentlichungen unterteilt. Zu Beginn werden die Ergebnisse des ersten bionischen Projektes präsentiert sowie die Lichtaufnahme, Lichtleitung- und Lichtverarbeitungsmöglichkeiten einer sukkulenten Art, der Fensterpflanze diskutiert. Die Perlmuttschale einer Schnecke bzw. ihr bioinspiriertes Produkt ist das Thema der anschließend vorgestellten Arbeiten. Daraus hervor ging auch die Veröffentlichung zu Enzymen und deren Bindungsaffinitäten zu Zinkoxid. Die Schale der Pomelo, die die kiloschwere Frucht beim Herunterfallen von den ca. 15 m hohen Bäumen vor Beschädigungen schützt, ist das Vorbild für einen Metallschaum im nächsten Beispiel. Als letztes werden die Vorbilder Kokosnuss und Seeigelstachel präsentiert, die im Rahmen eines Transregios (einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich, TRR 141) betrachtet wurden. Für den TRR 141 wurde auch eine Ausstellung im Naturkundemuseum Stuttgart organisiert. Im Kapitel 12 wird eine Präsentationsstation beschrieben, die mit NFC(Near-Field-Communication)-Chips gesteuert werden kann. Die Präsentationsstation wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und mit dem Museum zusammen gebaut. Mit ihr werden Filme und Präsentationen zu dem Thema des TRR mit Ausstellungsgegenständen (z. B. eine 3D gedruckte Struktur des Seeigelstachels in Vergrößerung) kombiniert. Auf diese Weise zeigt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick über die gesamten bionischen Arbeiten, die am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder mit meiner Beteiligung entstanden sind.Item Open Access Atomistische Modellierung und Computersimulation der Ostwald-Reifung von Ausscheidungen beim Einsatz von kupferhaltigen Stählen(2006) Binkele, Peter; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat.)Atomistische Monte-Carlo-Simulationen der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen leisten einen wichtigen Beitrag zu einem tiefgehenden physikalischen Verständnis der thermischen Alterung in kupferlegierten Stählen. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Bildung kohärenter Ausscheidungen im kubisch-raumzentrierten Eisen auf atomarer Ebene mithilfe von Monte-Carlo-Algorithmen numerisch zu modellieren, Simulationen des Wachstums der Ausscheidungen durchzuführen sowie den Einfluss dieser Partikel auf das Werkstoffverhalten der Stähle zu berechnen. Die Diffusion von Atomen auf einem festen kubisch-raumzentrierten Kristallgitter wurde hierzu mittels eines thermisch aktivierten Leerstellenmechanismus beschrieben. Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfasssen: Das entwickelte Computerprogramm ermöglicht die Simulation der Diffusion auf atomarer Ebene und liefert detaillierte Einblicke in die Kinetik der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen. Die zeitabhängige Radienverteilung der entstandenen Ausscheidungen wurde für ein Fe-Cu-Modellsystem berechnet und mit der theoretischen Verteilung nach Lifshitz, Slyozov und Wagner (LSW) verglichen. Die Simulationen bestätigen das LSW-Zeitgesetz für Ostwald-Reifung. Mithilfe der Ergebnisse einer realitätsnahen Simulation des Systems Fe-Cu wurde die durch die Ausscheidungen verursachte zeitabhängige Spannungserhöhung (Materialverfestigung) berechnet. Hierfür wurde die Theorie von Russel und Brown verwendet. Im Rahmen der Simulationen des Systems Fe-Cu-Ni-Mn wurde die Schalenstruktur der Cu-Ni-Mn-Ausscheidungen gefunden sowie die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Ausscheidungsbildung untersucht.Item Open Access Molecular dynamics simulations of Si, SiC and Si3N4 layered systems(2013) Prskalo, Alen-Pilip; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr.)Experimental and empirical work in the field of nano-scale, functional multilayer coatings produced by physical (PVD) or chemical (CVD) vapor deposition are currently an object of international research. The research results have already been implemented in industrial products, however, the atomistic understanding of the underlying processes during deposition of these multilayer systems is still incomplete. In particular the correlation between the deposition parameters and the resulting coating structure needs further attention. To overcome the heuristic stage of the coating development and to facilitate targeted and efficient optimization of the coating structure and the resulting mechanical properties, a deeper understanding of the correlation between the substrate temperature, deposition rate and energy onto the growing coating structure is necessary. The same holds for the structure-properties correlation of these systems with a large number of interfaces as well as for the mechanical properties of individual layers. The aim of this work is the combination and mutual validation of modern molecular dynamics simulations (MD) with experimental methods of physical vapor deposition of silicon and silicon-based SiC- and Si3N4-protective coatings. This was done within the framework of the research project "Molecular dynamics modeling and validation of manufacturing and structure-property correlations of SiC/SiN nano laminates" funded by the German Research Foundation (DFG) and in a collaboration between the Institute for Materials Testing, Materials Science and Strength of Materials (IMWF) at the University of Stuttgart and the Institute for Applied Materials - Applied Materials Physics (IAM-AWP) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). While molecular dynamics simulations were performed at the IMWF, experimental investigations took place at the IAM-AWP. Hereby, the results of MD studies served as input parameters for experimental investigations. In this way, time-consuming and expensive experimental investigations could be avoided, since only optimistic simulation predictions had to be verified experimentally. In return, the group at the IAM-AWP delivered experimental results which were used to validate the simulation model. In general, each experimental study was also represented by a MD simulation. Hence, the entire process of the coating deposition and characterization can be divided into three distinct stages: - Simulation and experimental investigation of the sputtering process of Si, SiC and Si3N4. - Simulation und experimental investigation of the deposition process of silicon substrates by Si, SiC and Si3N4. - Simulations and experimental characterisation of the correlation between the structure and properties of the deposited silicon and silicon-based SiC- and Si3N4- protective coatings.