Universität Stuttgart
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Item Open Access Zwei-Fermionen-Systeme in der relativistischen Schrödinger-Theorie(2007) Pruß-Hunzinger, Stefanie; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)Für lokale Wechselwirkungen zwischen asymptotisch freien Teilchen bietet die QED eine äußerst exakte Beschreibung. Anders sieht es jedoch für gebundene Teilchen aus, wo die Teilchen "kontinuierlich" wechselwirken. Für zwei Teilchen existiert zwar die Bethe-Salpeter-Gleichung, die jedoch diverse Interpretationsprobleme aufwirft; für mehr als zwei gebundene Teilchen gibt es noch keine ausgereiften Ansätze. Für gebundene Mehrteilchenprobleme werden deshalb Energiewerte gewöhnlich zuerst semiklassisch berechnet und dann die entsprechenden QED-Korrekturen hinzu addiert. In der vorliegenden Dissertation werden gebundene Mehrteilchenprobleme auf der Grundlage der Relativistischen Schrödinger Theorie (RST) untersucht. Hierbei handelt es sich um einen alternativen fluiddynamischen Ansatz, der auf einer grundlegend anderen Struktur als die konventionelle Quantenmechanik basiert, indem nämlich zur Beschreibung von Mehrteilchenzuständen keine Produktstruktur sondern eine Summenstruktur (Whitney-Summe) verwendet wird. Zudem wird im Rahmen der RST von einer erweiterten Strukturgruppe Gebrauch gemacht, die es ermöglicht, die Austauschwechselwirkungen zwischen identischen Teilchen und die elektromagnetischen Wechselwirkungen auf dieselbe Weise zu behandeln. Dieser Ansatz ermöglicht es auch, QED-analoge Korrekturen, wie z.B. der Selbstwechselwirkung, auf nicht-störungstheoretische Weise in die Theorie zu integrieren. In der hier vorliegenden Arbeit wird nun der allgemeine RST-Ansatz auf den Fall heliumähnlicher Ionen spezialisiert. Es zeigt sich dabei, dass für den semiklassischen Fall ohne Selbstwechselwirkungskorrekturen die mithilfe der RST gewonnenen Wechselwirkungs- und Ionisierungsenergien in derselben Größenordnung liegen wie konventionelle Rechnungen. Die Einbeziehung von Selbstwechselwirkungskorrekturen erfolgt im konventionellen Fall durch Addition dieser Korrekturen zu den semiklassischen Berechnungen, wohingegen bei der RST die Theorie selbst eine Möglichkeit bietet, die Selbstwechselwirkungen exakt zu behandeln, indem man den RST-Selbstwechselwirkungsparameter ungleich Null wählt. Vergleicht man nun die konventionellen Berechnungen und die analogen RST-Ergebnisse mit den experimentellen Daten, so zeigt es sich, dass die RST-Voraussagen für die Ionisierungs-, bzw. Wechselwirkungsenergien näher an den experimentellen Daten liegen als die konventionellen Berechnungen. Die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten wird bei wachsender Kernladungszahl (Z>30) immer besser, wenn man den Selbstwechselwirkungsparameter der RST bei einer möglichst hohen Kernladungszahl festlegt (z.B. Wismuth, Z=83).Item Open Access Fe-C and Fe-N compound layers : growth kinetics and microstructure(2007) Greßmann, Thomas; Mittemeijer, Eric (Prof. Dr. Ir.)Improvement of surface’s properties of iron and steel work pieces by gas nitriding/nitrocarburising plays an important role in metallurgy. In particular the fatigue, tribological and corrosion properties are enhanced by these processes without changing the properties of the bulk. Gas nitriding is mainly performed in NH3/H2 gas mixtures, whereas by nitrocarburising additionally a carbon delivering species (mostly CO) is present in the gas atmosphere. Typical treatment temperatures range from 773 K to 863 K. If sufficient nitrogen (and carbon) is supplied by the gas phase to the workpiece an iron-(carbo-) nitride compound layer will develop at the surface and the matrix becomes enriched with nitrogen (and carbon). Such compound layers consist in general of a hcp (with respect to Fe) epsilon-Fe3(N,C)1+x layer adjacent to the surface and a fcc-type (with respect to Fe) gamma’-Fe4N layer at the layer/substrate interface. This work addresses (i) growth kinetics studies of Fe-C compound layers produced on pure iron sheets by nitrocarburising as well as (ii) microstructural investigations on iron-nitride compound layers obtained by nitriding of iron. Nitrocarburising of iron usually leads to the formation of epsilon/gamma’ compound layers, where the presence of carbon promotes the epsilon phase which can dissolve considerable amounts of carbon what is not the case for the gamma’ phase. It has been observed previously that additionally to the epsilon and gamma’ phases also some cementite (Fe3C) can form within the compound layer leading to complex microstructures. However, it was found for the first time in this work that it is possible to grow massive Fe3C layers using a certain composition of the gas mixture consisting of CO, H2, NH3 and N2. With this new developed treatment procedure one can also prevent the often observed sooting/graphite formation at the surface, leading in some cases to disintegration of the metastable Fe3C in alpha-Fe and graphite, which is associated with “metal dusting”. The growth kinetics of such Fe3C surface layer is evaluated and discussed. During nitriding a N concentration gradient due to the inwards diffusion of N from the surface to the bulk builds up within the compound layer. Since, especially, the epsilon phase has a wide homogeneity range for N, this concentration gradient leads to a considerable variation of the lattice parameters with depth. Furthermore, macrostresses may build up within the compound layer during growth due to the concentration gradient and after growth during cooling due to different coefficients of thermal expansion of the layer phases and the substrate. High-resolution X-ray diffraction measurements at different sample tilting angles using synchrotron radiation revealed a pronounced anisotropic diffraction-line broadening of the epsilon reflections. The obtained diffraction patterns are successfully described by a newly developed model with which it is possible to fit the evolution of the (strain-free) lattice parameters with depth as well as a stress-depth profile simultaneously. Analysis of gamma’ layers by X-ray stress measurements using several reflections simultaneously revealed a for fcc-type metals unusual elastic anisotropy of gamma’-Fe4N with <100> as stiffest and <111> as most compliant direction. These results are compared with single-crystal elastic constants obtained by ab-initio calculations and are related to the crystal structure of gamma’-Fe4N in order to get a better understanding of the behaviour of the elastic properties of gamma’. The stresses determined on both layers, epsilon and gamma’, can be understood as thermally induced, whereas the stresses in the gamma’ layer (compressive stresses) are much larger than those present in the epsilon layer, which change from tensile at the surface to compressive at the epsilon/gamma’ interface.Item Open Access Die HECT-Ligase Hul5, eine neue Komponente der ER-assoziierten Proteindegradation(2007) Kohlmann, Sonja; Wolf, Dieter H. (Prof. Dr.)Die meisten sekretorischen Proteine der eukaryontischen Zellen erreichen durch das endoplasmatische Retikulum (ER) den sekretorischen Signalweg. Sie gelangen vom Zytoplasma durch einen Kanal in der ER-Membran in das ER, wo sie ihre native Konformation erhalten. Das ER enthält ein strenges Qualitätskontrollsystem, welches fehlgefaltete Proteine erkennt, im ER zurückhält und letztendlich der ER-assoziierten Degradation (ERAD) zuführt. Die ER-Qualitätskontrolle und die ER-assoziierte Degradation sind eng miteinander verknüpft, und werden unter der Bezeichnung ER-Qualitätskontrolle und assoziierte Degradation (ERQD) zusammengefasst. Die ERQD ist von der Hefe bis hin zum Menschen ein hoch konservierter Prozess. Aus diesem Grund wird die Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellorganismus zur Erforschung solcher sogenannter „housekeeping“ Prozesse genutzt. In dieser Arbeit wurden durch einen genomweiten Screen neue Komponenten der ER-assoziierten Degradation identifiziert. Für diesen Screen wurden die EUROSCARF Hefe-Deletionsbank und das Screeningsubstrat Sec61-2L verwendet. Die Deletionsbank besteht aus etwa 5000 diploiden S. cerevisiae Stämmen mit je einer homozygoten Einfachdeletion. Bei dem Screeningsubstrat Sec61-2L handelt es sich um das nicht glykosylierte, mutierte Translokonprotein Sec61-2 und einer C-terminalen zytosolischen Fusion mit der 3-Isopropylmalat-Dehydrogenase (Leu2). Das für Sec61-2L kodierende Plasmid wurde in die leu2-auxotrophen Deletionsstämme transformiert und der Wachstumsphänotyp bei 38° auf Leucin-defizientem Medium getestet. Aufgrund der Punktmutation faltet sich Sec61-2 bei 38°C in einer Art und Weise, dass es der ER-Degradation unterliegt. Nur wenn Sec61-2L stabil vorliegt, also in Deletionsstämmen mit einem Defekt in der Erkennung oder der Degradation des fehlgefalteten Sec61-2L, ist ein Wachstum auf Leucin-defizientem Medium möglich. Auf diese Weise konnten über 40 bisher unbekannte, potentielle Komponenten der ER-Qualitätskontrolle und ER-assoziierten Degradation identifiziert werden. Unter anderem wurde durch diesen genomischen Screen die E4-Ligase Hul5 als Komponente des ERAD für dieses nicht glykosylierte Substrat gefunden. Des Weiteren war bereits durch einen entsprechenden Screen mit dem Substrat CTL* bekannt, dass Hul5 auch am Abbau dieses glykosylierten ERAD-Substrats beteiligt ist. In der vorliegenden Arbeit wurde nachgewiesen, dass für den vollständigen Abbau der ERAD-Substrate Sec61-2Lmyc und CTL*myc die katalytische Funktion der E4-Ligase Hul5 benötigt wird. Außerdem wurde gezeigt, dass der Abbau der Substrate Sec61-2Lmyc und CTL*myc im Wildtypstamm sowie in der HUL5 Deletionsmutante am N-Terminus einsetzt und über definierte Zwischenprodukte verläuft. Im Wildtypstamm kann auf diese Weise der Abbau der Substrate vollständig verlaufen. Im Gegensatz dazu erfolgt in der HUL5 Deletionsmutante ein Abbruch der Degradation am Proteasom, was zu einer Akkumulation der C-terminalen Abbaufragmente truncSec61-2Lmyc und truncCTL*myc führt. Des Weiteren wurde gezeigt, dass für den Abbau des N-terminalen Anteils von CTL*myc keine Extraktion des Proteins aus der ER-Membran notwendig ist. Demzufolge muß der N-Terminus von CTL*myc durch die ER-Membran in das Zytosol der Zelle ragen, wo die Ubiquitinierung und die Degradation des Substrats einsetzen. Außerdem wurde gefunden, dass auch das Proteasom an der Extraktion von CTL*myc aus dem ER beteiligt ist. Es ist bekannt, dass die E4-Ligase Hul5 gemeinsam mit dem deubiquitinierenden Enzym Ubp6 und dem Ubiquitin-konjugierenden Enzym Ubc4 den Abbau anderer proteasomaler Substrate regulieren kann. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Degradation des ERAD-Substrats CTL*myc durch Hul5, jedoch nicht durch Ubp6 und Ubc4 beeinflusst wird. Dieses Ergebnis gibt Hinweise auf weitere mit Hul5 agierende deubiquitinierende und Ubiquitin-konjugierende Enzyme.Item Open Access Dissertationen und Habilitationsschriften der Universität Stuttgart 2007/1, Januar - Juni 2007(Stuttgart : Universitätsbibliothek, 2007)Item Open Access Multiscale modeling of fracture and deformation in interface controlled materials(2007) Brödling, Nils Christian; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Many nanostructured metals are characterized by scale dependent mechanical properties and by size effects due to geometrical confinement. Dislocation activities, interface mediated plasticity, and macroscopic yielding are quite different from those in unconstrained metals. The role of interfaces for the material properties and for the governing deformation mechanisms remains unclear despite the large efforts made in experimental and theoretical investigations. Here we approach the effect of geometrical confinement on the atomic and on the mesoscopic scale. We elucidate size effects on failure mechanisms and on scale dependent plasticity of nanostructured dual phase composite materials with the aid of computer simulations. Cleavage failure of dual phase layered materials is simulated with a mesoscopic model to clarify the scaling behavior of the materials fracture toughness. The model accounts for the confinement effect that a layer geometry imposes on the collective dislocation behaviour near a moving crack tip. The critical layer thickness at which the bulk fracture toughness of the elastic-plastic material is reached as well as the bulk fracture toughness itself increase with the cohesive strength of the interface, but become smaller for higher yield strengths. The main conclusion drawn in this work is that fracture toughness as a function of layer thickness saturates gradually if dislocation activity is dispersed, dilute and not compact around the crack tip. It increases abruptly with the thickness when dislocation activity right at the crack tip is possible and a compact, shielding dislocation array forms near the crack tip. Furthermore this work provides preliminary understanding of the governing mechanisms that control the limiting length scale for the strengthening of bioinspired metallic nanocomposits. Large-scale molecular dynamics simulations are performed to investigate the plastic deformation behavior of a bioinspired metallic nanocomposite which consists of hard nanosized Ni platelets embedded in a soft Al matrix. The simulation results are analyzed with respect to the prevailing deformation mechanisms quantifying the contribution of dislocation-based plasticity and interface-mediated interfacial slip as a function of the nanostructural scaling. The results of the simulations show that interfacial sliding contributes significantly to the plastic deformation despite a strong bonding across the interface. Critical for the strength of the nanocomposite is the geometric confinement of dislocation processes in the plastic phase. The confinement effect strongly depends on the length scale and the morphology of the metallic nanostructure. The main conclusion drawn for this material is that below a critical length scale, the softening caused by interfacial sliding prevails, giving rise to a maximum strength at the optimum size.Item Open Access Konzeption und Einführung von Virtueller Realität als Komponente der Digitalen Fabrik in Industrieunternehmen(2007) Runde, Christoph; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Obgleich zahlreiche Autoren seit den achtziger Jahren auf die großen Potenziale von Methoden und Technologien der Virtuellen Realität (VR) verweisen – gerade auch in Anwendungen der Digitalen Fabrik –, ist der umfassende Durchbruch im industriellen Einsatz ausgeblieben. Als Hemmnisse des VR-Einsatzes sind heute eine Anzahl an Gründen bekannt. Vorgehensmodelle zum Aufbau von VR-Systemen gehen heute leider nicht bis in die notwendige Detaillierung. Bei der Konzeption und Auswahl von VR-Systemkomponenten gibt es heute keine umfassenden Modelle, die einen vollständigen Vergleich von Systemkomponenten erlauben. Existente Eigenschaftslisten von VR-Interface-Geräten sind nicht Aufgaben-orientiert, so dass eine Nutzen-basierte Auswahl nicht möglich ist. Wohl existieren VR-Interface-Designrichtlinien und tragfähige Aussagen zum Nutzen von VR, jedoch stehen diese ohne einen systematischen Bezug zur Aufgabe und zur VR-Systemkonzeption. Zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen besteht eine lose Sammlung an Empfehlungen, jedoch ohne ein systematisch-vollständiges Dach. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, eine vollständige Erfassung der Eigenschaften von VR-Interface-Systemen mittels der Funktionenanalyse vorzunehmen. Der entstehende Funktionenbaum wird zu einem Zielsystem für eine Nutzwertanalyse weiterverarbeitet. Der Bezug von Aufgaben in der Digitalen Fabrik zu VR-Interface-Designrichtlinien wird über neu ermittelte Betrachtungsgegenstände der Aufgaben (Gestalt, menschliches Verhalten, Wissen, ...) und Handlungsklassen (bewerten, gestal-ten, Prozessunterstützung, ...) hergestellt. Die relevanten Gestaltungsrichtlinien für VR-Systeme geben dann das Zielprogramm und innerhalb des Zielsystems die Funktionsgewichtungen vor. Die Bewertung der Funktionserfüllungsgrade erfolgt mit Vergleich objektiv oder auf der Basis recherchierter Nutzennachweise der VR. Die Einführung von VR in Industrieunternehmen wird als Wandlungsprozess begriffen. Das Rahmenwerk des Change Managements wird daher mit den Erkenntnissen der Einführung von VR-Systemen, CAD-Systemen und EDM-/PDM-Systemen ausgefüllt. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und dem Ausweis der Möglichkeiten werden mit dem entwickelten Verfahren drei VR-Systeme (Anwendungen: Verbaubarkeitsuntersuchung, Arbeitsplatzvalidierung, Fabrikanordnungsplanung) konzipiert. Einführungsszenarien werden erläutert.Item Open Access A systems science view on cell death signalling(2007) Eißing, Thomas; Allgöwer, Frank (Prof. Dr.-Ing.)This thesis provides new insight into cellular signal transduction by integrating biological knowledge into mathematical models, which are subsequently analysed using systems theoretic methods. Signal transduction has been dissected using molecular and genomic approaches providing exciting insight into the biochemistry of life. However, a detailed understanding of its dynamic properties remains elusive. The application of systems science ideas to biology is promising to put the pieces of molecular information back together, as important properties of life arise at the system level only. For example, certain signalling pathways convert graded input signals into all-or-none output signals constituting biological switches. These are implicated in cellular memory and decisions. One such decision is whether or not to undergo programmed cell death (apoptosis). Apoptosis is an important physiological process crucially involved in the development and homoeostasis of multicellular organisms. Switches, such as in apoptosis, can be represented by ordinary differential equation models showing bistable behaviour. Different biochemical mechanisms generating bistability in reaction schemes as encountered in apoptosis are presented and compared in this thesis. Bifurcation studies reveal structural and parametric requirements for bistability. In combination with reported kinetic information, inconsistencies in the literature view of apoptosis signalling in humans are revealed. An additional regulatory mechanism is proposed, which is now supported by experimental evidence. Extended robustness analyses indicate that the cell has achieved a favourable robustness-performance trade-off, imposed by network structure and evolutionary constraints. On the one hand, inhibitors of apoptosis function as noise filters and reduce variability caused by the stochastic nature of reactions. Further, qualitative properties such as bistability are comparably robust to parameter changes supporting proper decisions. On the other hand, quantitative aspects are comparably sensitive. This allows for variability in a population, as observed in experiments, and which is likely important for physiological function as recently indicated in immunological studies. The analyses further indicate that the trade-off leads to fragilities. For example, an up-regulation of inhibitors of apoptosis, as observed in certain cancers, can not only desensitise cells to apoptotic stimuli, as also suggested by experimental studies, but can contribute to cancer aggressiveness and progression through additional mechanisms. Thereby, the analyses provide insight of pharmaceutical relevance. Several results presented in this thesis are not restricted to apoptosis signalling only, but are conceptually relevant to various other signal transduction pathways.Item Open Access Antwortlatenzzeiten in TRA-Modellen : zur statistischen Erklärung von (Geld-) Spendenverhalten(2007) Urban, Dieter; Mayerl, JochenIn diesem Beitrag wird gezeigt, wie der Modus der Informationsverarbeitung bei der Beantwortung von Survey-Fragen mittels Antwortlatenzzeiten operationalisiert werden kann. Zu diesem Zweck werden empirische Daten eines deutschlandweiten CATI-Surveys aus dem Jahr 2005 zur Erklärung von Spendenintentionen und-verhalten untersucht. Der Modus der Informationsverarbeitung wird dabei zur Erweiterung der "klassischen" Theory of Reasoned Action (TRA) eingesetzt. Empirisch bestätigt sich, dass Verhaltenseinstellungen und -intentionen innerhalb der TRA bei spontaner Informationsverarbeitung prädiktiver sind als bei überlegtem Prozessieren. Subjektive Normen wirken hingegen unabhängig vom Modus der Informationsverarbeitung. Diese Analyse zeigt, dass durch die Berücksichtigung von Antwortlatenzzeitmessungen auch "klassische" Einstellungstheorien mit den aktuell diskutierten, dualen Prozessmodellen der Einstellungs-Verhaltens-Beziehung verknüpft werden können.Item Open Access Entwicklung eines schwingbruchmechanischen Auslegungskonzeptes für innendruckbeanspruchte Bauteile mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern(2007) Lechmann, Marcus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Anforderungen an moderne Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit und Abgasgesetzgebung steigen stetig. Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden ist die immer weitere Erhöhung der Einspritzdrücke. Dabei müssen jedoch die sicherheitsrelevanten Komponenten des Einspritzsystems, wie z.B. der Kraftstoffverteiler (Rail) des Common-Rail-Systems, die hohen Drücke zuverlässig ertragen. Eine Möglichkeit hohe Drücke mit einer maximalen Nutzung des Schwingfestigkeitspotenzials von Werkstoffen bei gegebener Bauteilgeometrie darzustellen bieten hierbei Druckeigenspannungen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren, um ein möglichst günstiges Druckeigenspannungsfeld an versagensrelevanten Stellen innendruckbeanspruchter Bauteile zu erzeugen, ist die Autofrettage. Um dieses Potenzial für sicherheitsrelevante innendruckbeanspruchte Bauteile zuverlässig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein schwingbruchmechanisches Auslegungskonzept nach dem Versagenskriterium Rissstopp entwickelt. Hierbei wurde insbesondere die Charakterisierung der Eigenspannungen nach der Fertigung, der Eigenspannungsabbau infolge der Innendruckbelastung sowie die lokale Bewertung der Rissfront und deren Interaktion mit dem Eigenspannungsfeld betrachtet. Die hierfür benötigten experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden an einem geschmiedeten Railabschnitt aus dem AFP-Stahl 38MnVS6 mit einer Bohrungsverschneidung durchgeführt. Da innendruckbeanspruchte Bauteile der Einspritzsysteme in der Regel einen komplexen Beanspruchungs- und Werkstoffzustand aufweisen, ist der Einsatz numerischer Methoden für die Bewertung der gesamten Prozesskette von der Eigenspannungseinbringung bis hin zur Bewertung des Rissstopps unabdingbar. Aus diesem Grund wurden für den Stahl 38MnVS6 statische, zyklische und bruchmechanische Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese wurden für unterschiedliche Wärmebehandlungen, Chargen und Schmiedezustände bestimmt, um den Einfluss von Gefügestreuungen im Großserienprozess auf die Schwingfestigkeit autofrettierter Bauteile zu untersuchen. Das durch die Autofrettage induzierte komplex ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld kann nur mit FE-Analysen in seiner Gesamtheit erfasst werden. Für dessen realitätsnahe Abbildung wurde ein erweitertes Werkstoffmodell eingesetzt, welches die Verfestigung und das Rückfließverhalten des AFP-Stahls während der Autofrettage beschreiben kann. Experimentelle Eigenspannungsmessungen mit Hilfe der Zerlegemethode, basierend auf Dehnungsmessungen, und hybriden Messverfahren, bestehend aus Röntgentechnik und Eigenspannungsumlagerungssimulation, zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch bestimmten Eigenspannungen. Eigenspannungsmessungen an Bauteilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck und der Schwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit belastet wurden, zeigten, dass im Betrieb die Eigenspannungen bis zum Anriss stabil bleiben. Das Schwingfestigkeitspotenzial von Druckeigenspannungen wurde experimentell mit Innendruckwöhlerversuchen an Railabschnitten ermittelt. Damit konnte gezeigt werden, dass autofrettierte Railabschnitte mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern gegenüber einem eigenspannungsarmen Zustand eine um 62% höhere Schwingfestigkeit aufweisen. An Durchläufern von Railabschnitten mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern konnten muschelförmige Risse festgestellt werden. Demnach ist dieses hohe Potenzial auf einen Wechsel des Versagenskriteriums von Anriss auf Rissstopp zurück zu führen. Für die bruchmechanische Bewertung der muschelförmigen Risse ist eine numerische Abbildung des im Druckeigenspannungsfeld entstandenen Rissfrontenverlaufs und der dadurch bedingten Eigenspannungsumlagerung maßgebend. Aus diesen Gründen wurde ein dreidimensionales Modell für die FE-Analyse herangezogen. Da die Richtung der 1. Hauptspannung in der imaginären Rissebene konstant ist, wurde ein bruchmechanisches Rissfortschrittsprogramm, basierend auf der so genannten Rissblocktechnik angewandt, welches die Simulation von ebenen Rissen in dreidimensionalen Strukturen ermöglicht. Die dreidimensionale Struktur des Modells erfasst implizit die Eigenspannungsumlagerung durch den initiierten und fortschreitenden Riss. Ein Vergleich mit experimentellen Rissfortschrittsuntersuchungen zeigte, dass damit die Ausbildung der Rissfront im ausgeprägten Druckeigenspannungsfeld sehr gut abgebildet werden kann. Die Rissstopp-Dauerschwingfestigkeit am Railabschnitt aus dem Werkstoff 38MnVS6 konnte mit einer Vorhersagegenauigkeit kleiner 10% und konservativ numerisch bestimmt werden. Damit steht ein geschlossenes Konzept zur Verfügung, dickwandige innendruckbeanspruchte Bauteile aus ferritisch-perlitischen Werkstoffen mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern nach dem Versagenskriterium Rissstopp zuverlässig auszulegen.Item Open Access Periodisch angeordnete photochrome Dots für hochdichte optische Speicher(2007) Rath, Stephan; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit war es zum einen, den Entstehungsprozess molekularer Dots (Durchmesser einige 10nm bis einige 100nm) aus amorphen Aufdampfschichten zu klären und über die Wahl der geeigneten Herstellungsparameter eine möglichst große Kontrolle über die Dotbildung zu erhalten. Zum anderen sollte eine gleichförmige Größe der Dots bei regelmäßiger, periodischer Anordnung erhalten werden. Dots auf ebenem Substrat Dazu wurden zunächst Fulgid-Aufdampfschichten aus Ph-T-F mit verschiedenen Dicken auf ebenem Substrat hergestellt. Durch die Integration eines Dunkelfeldmikroskops in die Aufdampfanlage gelang es, die Dotentstehung in-situ vollständig zu beobachten und den Verlauf für verschiedene Herstellungsparameter zu vergleichen. Als verantwortlicher Prozess konnte die Entnetzung identifiziert werden. Dabei bilden sich bei Probentemperaturen ab 270K Löcher in den Aufdampfschichten, die durch thermisch verursachte, sich selbst verstärkende spinodale Oberflächenfluktuationen und durch Nukleation an Keimen entstehen. Wahrscheinlich sind thermische Verspannungen in den Schichten als Keimzentren für die Nukleation verantwortlich. Während des Lochwachstums verursacht Kapillarinstabilität in Verbindung mit mittelstarkem Rutschen des Wulstes (Slip) die Bildung von fingerartigen Strukturen. Die nach der vollständigen Entnetzung erhaltenen Finger und wurmartigen Wulstsegmente zerfallen anschließend aufgrund von Rayleigh-Instabilität in Ketten von Dots. Die Analyse des Lochwachstumverlaufs, der Wulstform und –geschwindigkeit erlaubt es, Materialparameter wie Slipstärke (Sliplänge b) und Viskosität η zu bestimmen. Die Sliplänge beträgt bei einer analysierten 21nm dicken Schicht b=67±23 nm und entspricht damit mittelstarkem Slip. Die Viskosität beträgt η=(3,3±1,5) ·10^6 Pa s. Aus der Dotmorphologie und zusätzlichen Ellipsometrieexperimenten ergeben sich Werte für die Oberflächenspannung σ und die Hamakerkonstante A. Diese betragen σ=26±3mN/m und A=(2,6±0,5) ·10^-20 J. Die in dieser Arbeit erreichte weitgehende Automatisierung der Aufdampfanlage erlaubt es, gezielt die Parameter bei der Probenherstellung (z.B. Aufdampfgeschwindigkeit, Schichtdicke, Aufwärmgeschwindigkeit, Flutdruck) zu variieren. So war es möglich, die Schichtdicke als den maßgeblichen Parameter bei der Dotentstehung zu identifizieren. Durch Wahl der Schichtdicke lässt sich eine gewünschte Dot-Anzahldichte einstellen. Die Bildung der Dots ist gegenüber Variation der weiteren Parameter, wie Aufdampfgeschwindigkeit und Aufwärmverlauf, über große Bereiche robust. Auch die Dotbildung auf anderen Substraten (Halbleiter, Polymere) und für andere Fulgidsubstanzen wurde erreicht. Fulgidschichten einiger Fulgidsubstanzen tendieren jedoch unter vergleichbaren Herstellungsbedingungen bei der Entnetzung zur Kristallitbildung und bilden nur mit geringer Ausbeute amorphe Dots aus. Strukturen auf topographisch vorstrukturiertem Substrat Durch die Einführung topographisch vorstrukturierter Substrate gelingt es, die Kontrolle über die regelmäßige und gleichförmige Anordnung von photochromen Dots zu erhalten. Dies konnte in Form von Dots verschiedener Größen von d=420nm bis d=50nm mit Perioden D≈2d eindeutig demonstriert werden. Die Dotanzahldichte konnte beim dichtesten regelmäßigen Muster gegenüber Dots auf ebenem Substrat auf das über 370fache gesteigert werden (D=100nm entspricht 7,5∙10^10 Dots/inch ²). In einer möglichen Anwendung als optischer Datenspeicher sind dies 75Gbit/inch ², was der etwa 10fachen Speicherdichte der im vergangenen Jahr auf den Markt gekommenen HD-DVD entspricht. Position, Abstand und Größe der Dots kann über die Vorstruktur des Substrats und der Füllgrad der Lochdots durch die aufgedampfte Schichtdicke vorgegeben werden. Dabei kann die Morphologie der Lochbefüllung in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis x=h/d und vom Füllgrad F berechnet werden. Weiter konnte experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass durch das Pinning der Kontaktlinie am oberen Lochrand die Lochdots dauerhaft stabil sind. Durch die gezielte Fertigung von Substraten mit verschiedenen weiteren Musterformen (Gräben, Tröge, Pfosten) konnten die grundlegenden Mechanismen von Flüssigkeiten auf/in topographischen Stufen verstanden werden. Über die zeitliche Entwicklung der Ausdehnung von Dot-Verarmungszonen am Rand des ebenen Substrats zur Vorstruktur ließ sich eine erste Schätzung für die Diffusionskonstante von Ph-T-F-Molekülen auf Quarzglas erhalten. Diese Beträgt D=(1±0,3) ·10^-11cm²/s. Abschließend konnte experimentell bestätigt werden, dass durch das Einbringen der Vorstruktur auch auf anderen Substrattypen und bei anderen Fulgidsubstanzen regelmäßige Dotstrukturen erhalten werden. Limitierende Faktoren dabei sind nur die Materialviskosität und die Diffusionskonstante. Beide sind über Temperaturerhöhung zu beeinflussen.