Universität Stuttgart
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Item Open Access Zur Materialermüdung infolge Stegatmung(2000) Spiegelhalder, Ulrike; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegblechen haben im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht eine sehr hohes Tragvermögen und ermöglichen sehr leichte und wirtschaftliche Konstruktionen. Unter Belastung verformen sich die schlanken Stegbleche aus ihrer Ebene heraus. Diese Beulverformungen haben keinen Einfluß auf die statische Grenztraglast des Trägers. Bei Stahlbrücken können die Stegblechverformungen jedoch nach genügender Anzahl von Überfahrten zu Ermüdungsrissen entlang der Schweißnähte und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Das Trag- und Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegen ist dargestellt und theoretisch und experimentell untersucht. Mit Hilfe der Erkenntnisse aus eigenen Ermüdungsversuchen an vier großen Stahlträgern werden umfangreiche numerische Parameterstudien durchgeführt. Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Anfangsverformung der Stegbleche und die Belastung reine Biegung, reine Querkraft und die gemeinsame Wirkung von reiner Biegung mit Querkraft. Aus den Untersuchungsergebnissen wird ein Bemessungsmodell für rissefreie geschweißte Stahlträger mit schlanken Stegen unter häufig wiederholter Belastung abgeleitet.Item Open Access 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.Item Open Access Modellgestützte Entwicklung eines Prozesses für die mikrobielle Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat(2000) Christian, Hans Jürgen; Syldatk, Christoph (Prof. Dr. rer. nat.)Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung der Grundlagen für einen Prozeß zur mikrobiellen Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat. Zu Beginn der Arbeit wurde der verwendete Mikroorganismus auf seine Gattungszugehörigkeit hin untersucht und als Patentstamm Rhodococcus erythropolis DSM 13002 bei der DSMZ hinterlegt. Zur Bereitstellung einer geeigneten Menge an homogener Biomasse wurde der Stamm in einem Maßstab von 70 l im Bioreaktor kultiviert. In weiteren Untersuchungen erfolgte dann eine Optimierung des Wachstumsmediums. Die Untersuchung der nitrilverseifenden Eigenschaften ergab, daß in dem untersuchten Stamm ein Zwei-Enzym-System aus einer eisenabhängigen Nitrilhydratase und einer Amidase vorlag. Diese wurden auf ihre biochemischen Eigenschaften im Ganzzellsystem hin untersucht. Durch Immobilisierung der Zellen konnte die Toleranz des Biokatalysators gegenüber dem Substrat Propionitril deutlich verbessert und bei einer absatzweisen Prozeßführung Nitrilkonzentrationen bis über 1 M umgesetzt werden. Bei der Untersuchung des Einflusses der Immobilisierung auf die Aktivität wurde eine moderate innere und äußere Stofftransportlimitierung bestimmt. Der Biokatalysator wurde als Immobilisat in absatzweiser Prozeßführung mit konstanter Substratzugabe (Fed-batch), im kontinuierlichen Rührreaktor sowie im Festbett eingesetzt. Dabei konnten im Fed-batch Prozeß Produktkonzentrationen von bis zu 3 M Ammoniumpropionat erhalten werden. In dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmodell für das Zwei-Enzym-System erstellt. Anschließend wurden sämtliche Modellparameter über Anfangsreaktionsraten und mittels dynamischer Simulation in Verbindung mit nichtlinearer Regression bestimmt. Eine Anwendbarkeit der reaktionskinetischen Ansätze unter dynamischen Bedingungen wurde anhand eines Fed-batch-Prozesses überprüft und eine gute Übereinstimmung der simulierten Konzentrationsverläufe mit den Meßdaten ermittelt.Item Open Access Modifizierung von Silicaten und Boraten dreiwertiger Lanthanide durch Oxid- und Fluoridionen(2000) Müller-Bunz, Helge; Schleid, Thomas (Prof. Dr.)Zwei Dinge sollten erforscht werden: Erstens der Existenzbereich der Oxidsilicate M2O[SiO4] im A-Typ und zweitens, welchen Einfluß F(-)-Ionen auf die Strukturen von Lanthanid-Silicaten und -Boraten ausüben. Der erste Teil gelang gut: Die A-M2O[SiO4] ließen sich mit allen M3+-Kationen (M = La - Lu) darstellen. Der zweite Teil jedoch lieferte wenige neue Erkenntnisse. Der Existenzbereich der Fluorid-Silicate M3F[Si3O10] ließ sich auf M = Dy - Er eingrenzen, wobei allerdings Präparationsversuche bei anderen Temperaturen noch ausstehen. Zu dem Lanthanfluorid-cyclo-Trisilicat La3F3[Si3O9] ließen sich trotz Variation der Darstellungsbedingungen keine Analoga mit anderen M3+-Kationen darstellen. Ein weiteres Fluoridsilicat des Erbiums, Er4F2[Si2O7][SiO4], fiel bei Verwendung eines großen Überschusses an ErF3 an. Versuche zur Synthese anderer Fluoridsilicate des Lanthans lieferten zwei neue Formen von Lanthan-Disilicat La2Si2O7. Zu Vergleichszwecken wurde auch ein Kristall von A-La2[Si2O7] vermessen. Versuche, das bereits veröffentlichte Gd3F3[BO3]2 zu reproduzieren, führten statt dessen zu Gd2F3[BO3]. Außerdem traten noch Einkristalle von l-Nd[BO3] im Aragonit-Typ, von Nd(BO2)3 sowie von p-ErBO3 auf. Die zu Beginn dieser Arbeit angestellte Vermutung, daß F(-)-Ionen in Lanthanid-Silicaten und -Boraten aufgrund ihres "harten" Charakters weniger strukturchemische Anpassungsfähigkeit zeigen als z.B. Cl(-)-Ionen, wird durch die vorgestellten Ergebnisse vollauf bestätigt: In allen fluoridhaltigen Verbindungen sind die F(-)-Ionen trigonal-planar oder -pyramidal umgeben. Durch das Erzwingen einer Dreierkoordination aus M3+-Kationen üben die F(-)-Teilchen eine stärker strukturbestimmende Wirkung aus als die variabel koordinierten X(-)-Ionen (X = Cl, Br, I). Daher zeigen die Fluorid-Silicate und -Borate der Lanthanide keine Entsprechung in Zusammensetzung oder Struktur zu den anderen Halogenid-Silicaten oder -Boraten.Item Open Access Elektronische Kopplung und Transferprozesse in Donor-Brücke-Akzeptor-Systemen(2000) Roccasalvo, Giuseppe; Sigmund, Ernst (Prof. Dr.)Donor-Brücke-Akzeptor(DBA)-Molekülen kommt eine wichtige Bedeutung beim Design von funktionellen Einheiten in der Molekularen Elektronik zu, die u.a. das Ziel verfolgt, Ladung oder Energie unter kontrollierbaren Bedingungen zwischen unterschiedlichen Zuständen eines 'molekularelektronischen Bauelementes' zu transferieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird mittels theoretischer DBA-Modellsystemen die Abhängigkeit von Transferprozessen im Hinblick auf unterschiedliche chemische Strukturelemente (Kopplungsparameter, Orbitalenergie-Konstellationen) sowie Reservoireinflüsse untersucht, wodurch gezielt Abschätzungen über die praktische Verwendbarkeit von Molekülsystemen angestellt werden können. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei auf der Übernächsten-Nachbar(NNN)-Wechselwirkung in kettenartigen Brückensystemen mit zickzackartiger Struktur (z.B. Molekülklasse der Alkane). Methodisch wird die Transferrate näherungsweise durch die Reduktion auf ein effektives Zwei-Niveau-System und exakt durch explizite Reservoirankopplung berechnet. Letztere Methode wird mit Hilfe des Greenschen-Funktions(GF)-Formalismus auf Pole beliebiger Ordnung und beliebiger (energieabhängiger) Reservoirankopplung verallgemeinert. Die qualitativen Eigenschaften der behandelten Modellsysteme sind einerseits resonanzartige Verstärkungen und andererseits antiresonanzartige Minima in der elektronischen Kopplung bzw. Transferrate. Ersteres tritt im Tunnelregime in der Nähe der Brückeneigenwerte auf, wohingegen letzteres Verhalten durch quantenmechanische Interferenzeffekte bei mehr als einem möglichenTransferpfad (NNN-Wechselwirkung) zustande kommt. Betrachtet man die Abhängigkeit der Transferrate von der Anzahl der Monomereinheiten der Brücke, so können bereits kleine NNN-Wechselwirkungen im Zusammenspiel mit der NN-Wechselwirkung nichtmonotone Effekte hinsichtlich der monoton fallenden Abstandsgesetze bei reiner NN-Wechselwirkung bewirken.Item Open Access Synthese und Eigenschaften von amphiphilen Copolymeren mit periodischen Strukturen und deren Wechselwirkungen an Grenzflächen(2000) Schoger, Hans-Alfred; Eisenbach, Claus Dieter (Prof. Dr. )Ein Ziel dieser Arbeit war die Synthese von neuen amphiphilen Copolymeren ausgehend von leicht zugänglichen Standardmonomeren. Im Vordergrund stand dabei die Kontrolle der amphiphilen Eigenschaften der Copolymere im Hinblick auf deren Selbstorganisation zu monomolekularen Schichten an Grenzflächen und die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Architektur sowie Zusammensetzung makromolekularer Systeme und deren Selbstorganisation unter dem Blickwinkel der Eignung als Modellmembrane und komplexe Multischichtsysteme mit speziellen funktionellen Eigenschaften. Die neuartigen Aspekte dieser Arbeit liegen in der Architektur der amphiphilen Copolymere. Bei den in der Literatur bekannten polymeren Amphiphilen handelt es sich größtenteils um Block- oder Pfropfcopolymere. Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch ein im Arbeitskreis neu entwickeltes radikalisches Copolymerisationsverfahren amphiphile Copolymere mit periodischen Strukturen synthetisiert. Gegenüber den bekannten Verfahren zur Herstellung sogenannter hydrophob modifizierten Polymere durch polymeranaloge Reaktionen besteht der große Vorteil darin, daß maßgeschneiderte Makromoleküle mit genau definiertem Verhältnis zwischen hydrophilen und hydrophoben Sequenzen direkt durch Copolymerisation von leicht zugänglichen Standardmonomeren erhalten werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der synthetisierten amphiphilen Polymere hinsichtlich ihrer rheologischen Eigenschaften. Wasserlösliche, hydrophob modifizierte Polymere bilden aufgrund der intermolekularen Wechselwirkungen der hydrophoben Gruppen oberhalb der Überlappungskonzentration Aggregate, welche eine Viskositätserhöhung zur Folge haben. Es konnte gezeigt werden, daß die amphiphilen Copolymere mit geringen Anteilen an hydrophoben Sequenzen aufgrund der überwiegenden intermolekularen hydrophoben Wechselwirkungen die Viskosität von wäßrigen Lösungen drastisch erhöhen und daher ihr technischer Einsatz als Viskositätsveränderer denkbar ist.Item Open Access Aktivierungsvolumen und chemische Umgebung von thermischen Leerstellen in intermetallischen Verbindungen(2000) Müller, Markus A.; Schaefer, Hans-Eckhardt (Prof.Dr.)Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Methoden der nuklearen Festkörperphysik, nämlich der Positronenzerstrahlung, der Positronenlebensdauerspektroskopie und der Dopplerverbreiterung der Elektron-Positron-Zerstrahlungsphotonen, Leerstellen in intermetallischen Verbindungen untersucht. Dabei konnten erstmals spezifisch die Aktivierungsvolumen für die Bildung und Wanderung thermischer Leerstellen und die chemische Umgebung, d.h. das Untergitter dieser Leerstellen bestimmt werden. Für Fe61Al39 wurde im Temperaturbereich von Ta = 681 K bis 610 K die Gleichgewichtseinstellung der Leerstellenkonzentration beobachtet. Dabei wurden zwei Einstellprozesse beobachtet. Für das Leerstellenbildungsvolumen erhält man 1,5 Atomvolumen, während für den hauptsächlichen Einstellprozess ein relativ hohes Leerstellenwanderungsvolumen von 4,6 Atomvolumen gefunden wird. Die koinzidente Dopplerspektroskopie wurde als weitere Messmethode zur spezifischen Untersuchung der chemischen Umgebung von Leerstellen in Festkörpern eingeführt. Es wurde damit möglich, unterschiedliche chemische Umgebungen des in einer Leerstelle zerstrahlenden Positrons aus der elementspezifischen Impulsverteilung der Positronenzerstrahlung mit Rumpfelektronen zu identifizieren. Danach besteht die Umgebung der Leerstelle in Fe61Al39 im thermischen Gleichgewicht bei 770 K vorwiegend aus Aluminiumatomen. Damit ist erstmals der direkte experimentelle Nachweis dafür erbracht, dass die thermische Leerstelle in Fe61Al39 auf dem Eisenuntergitter gebildet wird. Dies stimmt mit theoretischen Untersuchungen überein, wonach die Bildung von Al-Leerstellen energetisch ungünstiger ist. Bei weiteren binären und ternären Legierungen konnte die koinzidente Dopplerspektroskopie ebenfalls erfolgreich zur Defektcharakterisierung eingesetzt werden.Item Open Access Schlesier an italienischen Universitäten der Frühen Neuzeit 1526-1740(2000) Zonta, Claudia; Conrads, Norbert (Prof. Dr.)Gegenstand der Dissertation ist das schlesische Italienstudium in der Zeit vom 16. bis zum 18. Jahrhundert. Die hierbei gewählten Eckdaten 1526 und 1740 markieren, wie unschwer zu erkennen, politische Zäsuren: Der Übergang des Herzogtums Schlesien in den habsburgischen Machtbereich sowie der Verlust Schlesiens nach über zweihundertjährige Zugehörigkeit zum Haus Habsburg an Preußen, durch den Einmarsch der Regimenter Friedrich des Großen. Dieses Datum setzte auch dem Auslandsstudium der Schlesier ein vorläufiges Ende. Die Dissertation hatte von Beginn an eine doppelte Zielsetzung. Einerseits sollte ein komplettes Verzeichnis aller schlesischen Studenten erstellt werden, die an oberitalienischen Universitäten immatrikuliert waren. Andererseits gehen die Untersuchungen weit über die bloße Sammlung von Immatrikulationsdaten hinaus und verstehen sich als eine bildungsgeschichtliche Studie zur Frühen Neuzeit. Wichtige Untersuchungsfelder waren die akademische und interuniversitäre Mobilität, die soziale Herkunft der Studenten, die familiären Bildungstraditionen ebenso wie die regionale bzw. lokale Herkunft der Studentenschaft. Im Laufe der Arbeit drängte sich geradezu die Frage nach einer europäischen Perspektive auf, denn eine Vielzahl der schlesischen Studenten war vor oder nach ihrem italienischen Aufenthalt an niederländischen, französischen oder deutschen Universitäten immatrikuliert. Zu den überraschendsten und erstaunlichsten Ergebnisse der Arbeit überhaupt zählte die große Zahl an schlesischen Studenten, die nachgewiesen werden konnte. Das Ergebnis meiner Arbeit in den italienischen Universitätsarchiven brachte die Zahl von 2300 schlesischen Inskriptionen zu Tage. Sie entsprechen auf Grund von Mehrfachimmatrikulationen einer Gesamtzahl von über 1.700 Studenten, die im obengenannten Zeitraum eingeschrieben waren: An den Universitäten von Padua, Bologna, Ferrara, Siena, Perugia, Rom sowie dem Collegium Nobilium in Parma und dem Collegium Germanicum in Rom.Item Open Access Multifrequente Impedanztomographie zur Darstellung der elektrischen Impedanzverteilung im menschlichen Thorax(2000) Li, Jianhua; Faust, Uwe (Prof. Dr-Ing.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die elektrische Impedanztomographie (EIT) zur Abbildung der elektrischen Impedanz des menschlichen Thorax eingesetzt. Systematisch untersucht werden der Aufbau des Meßsystems, Algorithmen zur Rekonstruktion, und die Anwendungs-möglichkeiten der EIT. In dem realisierten System werden 32 Elektroden verwendet. Jede zweite Elektrode dient ausschließlich zur Einspeisung eines konstanten sinusförmigen Wechselstromes von 12,5 kHz - 800 kHz, die verbleibenden zur Messung der entstehenden Spannungen. Zur Verringerung des Einflusses der Verbindungs-kabel werden aktive Elektroden sowohl für die Stromeinspeisung als auch für die Spannungsmessung entwickelt. Ein auf der Finite-Elemente- und Newton-Methode basierender iterativer Algorithmus zur Bildrekonstruktion wird entwickelt und durch Computer-Simulationen optimiert. Basierend auf der Newton-Methode wird ein lineares Verfahren zur Rekonstruktion der Veränderung der Impedanz bezüglich einer homogenen Referenzverteilung eingeführt. Anhand eines Thorax-Modells werden erstmals die Einflüsse der inhomogenen Referenz auf die Rekonstruktion untersucht. Zur Überprüfung des Abbildungssystems wird als Phantom ein Widerstandsnetz eingesetzt. Untersucht werden die Einflüsse der Abweichung der Kontur des FE-Modells von der Realität auf die Abbildungsqualität. Weiter wird der Zusammenhang zwischen dem rekonstruierten und dem wahren Wert sowie der Ausdehnung der Widerstands-änderung im Phantom hergestellt. Die Frequenzabhängigkeit der Impedanz-verteilung wird quantitativ abgebildet. Das realisierte System wird am menschlichen Thorax in mehreren Ebenen in vivo angewandt. Die durch Lungenventilation und Herzaktivität hervorgerufenen Impedanz-änderungen werden mit einer Bildrate von 80 Bilder/s abgebildet. Untersucht wird auch der Zusammenhang zwischen dem Impedanz-kardiogramm (IKG) und den rekonstruierten Bildern. Damit gelingt eine auf Messung begründete Interpretation des Verlaufs des IKG.Item Open Access Darstellung von Polylactiden mittels reaktiver Extrusion(2000) Jacobsen, Sven; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Ziel der vorliegenden Arbeit ist, aufbauend auf einem neuen Katalysatorsystem, ein Verfahrenskonzept zur alternativen Darstellung von Polylactid aus dem zyklischen Dimeren der Milchsäure, dem Lactid, zu entwickeln, mit dessen Hilfe Polylactide in größeren Mengen kostengünstig herzustellen sind. Als Polymerisationsaggregat wird dabei ein dichtkämmender, gleichsinnig drehender Zweischneckenextruder eingesetzt. Dazu wird ein Schneckenkonzept vorgestellt, das sowohl den polymerisationskinetischen Randbedingungen der Polylactid-Darstellung, den Nebenreaktionen zur Bildung von Abbauprodukten, als auch den ökonomischen Randbedingungen (hoher Durchsatz) Rechnung trägt. Die mit diesem neuentwickelten Verfahren dargestellten Polymere werden bezüglich ihrer mechanischen, rheologischen und thermischen Eigenschaften sowiehinsichtlich ihres Abbauverhaltens eingehend charakterisiert. Bei Polylactiden kommt der Kristallisation ein entscheidender Einfluß auf das spätere mechanische Eigenschaftsprofil zu. Bedingt durch den vergleichsweise niedrigen Glasübergang bei ca. 55°C kann es bei vielen aus Polylactiden erzeugten Produkten zu extremen Eigenschaftsveränderungen beim Überschreiten dieser Temperatur kommen. Diese Eigenschaftsänderungen können durch vorherige Kristallisation des Polymeren reduziert und minimiert werden, da die kristallinen Bereiche ihr Eigenschaftsprofil bis zum Erreichen des Schmelzpunktes bei ca. 175°C beibehalten. Dadurch wird der Prozeß der Kristallisation zu einem der wichtigsten Teilschritte bei der Verarbeitung von Polylactiden. In dieser Arbeit wird deshalb die Kristallisationskinetik von Poly-L-Lactid durch nichtisotherme, isokinetische Experimente bestimmt und die daten werden mathematisch in einer allgemein gültigen kristallisationsgrad- und kühlgeschwindigkeitsinvarianten Masterkurve dargestellt.