Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Zur Erfassung von form- und materialbedingten Oberflächenstrukturen mit Mikro-Deflexions-Ellipsometrie

Die vorliegende Arbeit berichtet über ein neuartiges, kombiniertes Messverfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Form und Material einer glänzenden Probenoberfläche. Die Materialerkennung erfolgt über die polarisationsoptische Brechzahlbestimmung im Messpunkt mit Mikroellipsometrie. Die Mikroellipsometrie ist ein fokussierendes Ellipsometer, das aus der Polarisationsänderung, bedingt durch die Wechselwirkung Licht – Materie, die materialcharakteristische komplexe Brechzahl eines reflektierenden Materials ermitteln kann. Bei der fokussierenden Ellipsometrie ist die Anordnung der fokussierenden Optiken von Bedeutung. Die hier vorgestellte ellipsometerexterne Fokussierung vermeidet Messfehler durch optische Anisotropien und ermöglicht die multispektrale ellipsometrische Messung. Für die ellipsometrische Brechzahlbestimmung ist zwingend die Kenntnis des Einfallswinkels des Messstrahls und die räumliche Orientierung der Oberflächenneigung zum Koordinatensystem des Ellipsometers notwendig. Die Oberflächenneigung wird mit einem Deflektometer ermittelt, das speziell für den Einsatz in Kombination mit der Ellipsometrie entwickelt wurde. Aus der lokalen Oberflächenneigung kann die Topographie einer Probe rekonstruiert werden. Der Einfallswinkel ist ebenfalls aus den Oberflächenneigungen ableitbar. Die Arbeit stellt die Systemtheorie der beiden kombinierten Messverfahren vor, außerdem werden Beiträge zu Messunsicherheiten diskutiert. Der experimentelle Teil der Arbeit beinhaltet die separate Untersuchung zur Leistungsfähigkeit der beiden zu kombinierenden Messverfahren. Die experimentellen Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ein Mikro-Deflexions-Ellipsometer erfolgreich realisierbar ist.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Punching Shear Behavior of UHPC Flat Slabs

At the Institute of Structural Engineering of the Faculty of Civil Engineering, Kassel University, series tests of slab-column connection were carried out, subjected to concentrated punching load. The effects of steel fiber content, concrete compressive strength, tension reinforcement ratio, size effect, and yield stress of tension reinforcement were studied by testing a total of six UHPC slabs and one normal strength concrete slab. Based on experimental results; all the tested slabs failed in punching shear as a type of failure, except the UHPC slab without steel fiber which failed due to splitting of concrete cover. The post ultimate load-deformation behavior of UHPC slabs subjected to punching load shows harmonic behavior of three stages; first, drop of load-deflection curve after reaching maximum load, second, resistance of both steel fibers and tension reinforcement, and third, pure tension reinforcement resistance. The first shear crack of UHPC slabs starts to open at a load higher than that of normal strength concrete slabs. Typically, the diameter of the punching cone for UHPC slabs on the tension surface is larger than that of NSC slabs and the location of critical shear crack is far away from the face of the column. The angle of punching cone for NSC slabs is larger than that of UHPC slabs. For UHPC slabs, the critical perimeter is proposed and located at 2.5d from the face of the column. The final shape of the punching cone is completed after the tension reinforcement starts to yield and the column stub starts to penetrate through the slab. A numerical model using Finite Element Analysis (FEA) for UHPC slabs is presented. Also some variables effect on punching shear is demonstrated by a parametric study. A design equation for UHPC slabs under punching load is presented and shown to be applicable for a wide range of parametric variations; in the ranges between 40 mm to 300 mm in slab thickness, 0.1 % to 2.9 % in tension reinforcement ratio, 150 MPa to 250 MPa in compressive strength of concrete and 0.1 % to 2 % steel fiber content. The proposed design equation of UHPC slabs is modified to include HSC and NSC slabs without steel fiber, and it is checked with the test results from earlier researches.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.

Temperature and moist-stability effects on midlatitude orographic precipitation

Idealized, convection-resolving simulations of moist orographic flows are conducted to investigate the influence of temperature and moist stability on the drying ratio (DR), defined as the fraction of the impinging water mass removed as orographic precipitation. In flow past a long ridge, where most of the air rises over the barrier rather than detouring around it, DR decreases as the surface temperature (Ts) increases, even as the orographic cap cloud becomes statically unstable at higher Ts and develops embedded convection. This behaviour is explained by a few physical principles: (1) the Clausius–Clapeyron equation dictates that the normalized condensation rate decreases as the flow gets warmer, (2) the replacement of ice-phase precipitation growth with warm-rain processes decreases the efficiency by which condensate is converted to precipitation, thereby lowering precipitation efficiency, and (3) embedded convection acts more to vertically redistribute moisture than to enhance precipitation. Over an isolated mountain, the effects of (1) and (2) are counteracted by moisture deflection around the barrier, which is stronger in the colder, more stable flows.

Referencing of street-level flows measured during the DAPPLE 2004 campaign

Street-level mean flow and turbulence govern the dispersion of gases away from their sources in urban areas. A suitable reference measurement in the driving flow above the urban canopy is needed to both understand and model complex street-level flow for pollutant dispersion or emergency response purposes. In vegetation canopies, a reference at mean canopy height is often used, but it is unclear whether this is suitable for urban canopies. This paper presents an evaluation of the quality of reference measurements at both roof-top (height = H) and at height z = 9H = 190 m, and their ability to explain mean and turbulent variations of street-level flow. Fast response wind data were measured at street canyon and reference sites during the six-week long DAPPLE project field campaign in spring 2004, in central London, UK, and an averaging time of 10 min was used to distinguish recirculation-type mean flow patterns from turbulence. Flow distortion at each reference site was assessed by considering turbulence intensity and streamline deflection. Then each reference was used as the dependent variable in the model of Dobre et al. (2005) which decomposes street-level flow into channelling and recirculating components. The high reference explained more of the variability of the mean flow. Coupling of turbulent kinetic energy was also stronger between street-level and the high reference flow rather than the roof-top. This coupling was weaker when overnight flow was stratified, and turbulence was suppressed at the high reference site. However, such events were rare (<1% of data) over the six-week long period. The potential usefulness of a centralised, high reference site in London was thus demonstrated with application to emergency response and air quality modelling.

The basic ingredients of the North Atlantic storm track. Part I: land-sea contrast and orography

Understanding and predicting changes in storm tracks over longer time scales is a challenging problem, particularly in the North Atlantic. This is due in part to the complex range of forcings (land–sea contrast, orography, sea surface temperatures, etc.) that combine to produce the structure of the storm track. The impact of land–sea contrast and midlatitude orography on the North Atlantic storm track is investigated through a hierarchy of GCM simulations using idealized and “semirealistic” boundary conditions in a high-resolution version of the Hadley Centre atmosphere model (HadAM3). This framework captures the large-scale essence of features such as the North and South American continents, Eurasia, and the Rocky Mountains, enabling the results to be applied more directly to realistic modeling situations than was possible with previous idealized studies. The physical processes by which the forcing mechanisms impact the large-scale flow and the midlatitude storm tracks are discussed. The characteristics of the North American continent are found to be very important in generating the structure of the North Atlantic storm track. In particular, the southwest–northeast tilt in the upper tropospheric jet produced by southward deflection of the westerly flow incident on the Rocky Mountains leads to enhanced storm development along an axis close to that of the continent’s eastern coastline. The approximately triangular shape of North America also enables a cold pool of air to develop in the northeast, intensifying the surface temperature contrast across the eastern coastline, consistent with further enhancements of baroclinicity and storm growth along the same axis.

Where do winds drive the Antarctic Circumpolar Current?

The strength of the Antarctic Circumpolar Current (ACC) is believed to depend on the westerly wind stress blowing over the Southern Ocean, although the exact relationship between winds and circumpolar transport is yet to be determined. Here we show, based on theoretical arguments and a hierarchy of numerical modeling experiments, that the global pycnocline depth and the baroclinic ACC transport are set by an integral measure of the wind stress over the path of the ACC, taking into account its northward deflection. Our results assume that the mesoscale eddy diffusivity is independent of the mean flow; while the relationship between wind stress and ACC transport will be more complicated in an eddy-saturated regime, our conclusion that the ACC is driven by winds over the circumpolar streamlines is likely to be robust.

Metrics for solar wind prediction models: Comparison of empirical, hybrid, and physics-based schemes with 8 years of L1 observations

Space weather effects on technological systems originate with energy carried from the Sun to the terrestrial environment by the solar wind. In this study, we present results of modeling of solar corona-heliosphere processes to predict solar wind conditions at the L1 Lagrangian point upstream of Earth. In particular we calculate performance metrics for (1) empirical, (2) hybrid empirical/physics-based, and (3) full physics-based coupled corona-heliosphere models over an 8-year period (1995–2002). L1 measurements of the radial solar wind speed are the primary basis for validation of the coronal and heliosphere models studied, though other solar wind parameters are also considered. The models are from the Center for Integrated Space-Weather Modeling (CISM) which has developed a coupled model of the whole Sun-to-Earth system, from the solar photosphere to the terrestrial thermosphere. Simple point-by-point analysis techniques, such as mean-square-error and correlation coefficients, indicate that the empirical coronal-heliosphere model currently gives the best forecast of solar wind speed at 1 AU. A more detailed analysis shows that errors in the physics-based models are predominately the result of small timing offsets to solar wind structures and that the large-scale features of the solar wind are actually well modeled. We suggest that additional “tuning” of the coupling between the coronal and heliosphere models could lead to a significant improvement of their accuracy. Furthermore, we note that the physics-based models accurately capture dynamic effects at solar wind stream interaction regions, such as magnetic field compression, flow deflection, and density buildup, which the empirical scheme cannot.

Design, testing, and simulation of fibre composite leaf springs for heavy axle loads

This paper summarizes the design, manufacturing, testing, and finite element analysis (FEA) of glass-fibre-reinforced polyester leaf springs for rail freight vehicles. FEA predictions of load-deflection curves under static loading are presented, together with comparisons with test results. Bending stress distribution at typical load conditions is plotted for the springs. The springs have been mounted on a real wagon and drop tests at tare and full load have been carried out on a purpose-built shaker rig. The transient response of the springs from tests and FEA is presented and discussed.

Evolution of the eye-end design of a composite leaf spring for heavy axle loads

This paper presents the design evolution process of a composite leaf spring for freight rail applications. Three designs of eye-end attachment for composite leaf springs are described. The material used is glass fibre reinforced polyester. Static testing and finite element analysis have been carried out to obtain the characteristics of the spring. Load-deflection curves and strain measurement as a function of load for the three designs tested have been plotted for comparison with FEA predicted values. The main concern associated with the first design is the delamination failure at the interface of the fibres that have passed around the eye and the spring body, even though the design can withstand 150 kN static proof load and one million cycles fatigue load. FEA results confirmed that there is a high interlaminar shear stress concentration in that region. The second design feature is an additional transverse bandage around the region prone to delamination. Delamination was contained but not completely prevented. The third design overcomes the problem by ending the fibres at the end of the eye section.

Autonomous ship collision free trajectory navigation and control algorithms

A new autonomous ship collision free (ASCF) trajectory navigation and control system has been introduced with a new recursive navigation algorithm based on analytic geometry and convex set theory for ship collision free guidance. The underlying assumption is that the geometric information of ship environment is available in the form of a polygon shaped free space, which may be easily generated from a 2D image or plots relating to physical hazards or other constraints such as collision avoidance regulations. The navigation command is given as a heading command sequence based on generating a way point which falls within a small neighborhood of the current position, and the sequence of the way points along the trajectory are guaranteed to lie within a bounded obstacle free region using convex set theory. A neurofuzzy network predictor which in practice uses only observed input/output data generated by on board sensors or external sensors (or a sensor fusion algorithm), based on using rudder deflection angle for the control of ship heading angle, is utilised in the simulation of an ESSO 190000 dwt tanker model to demonstrate the effectiveness of the system.

A wind-tunnel study of flow distortion at a meteorological sensor on top of the BT Tower, London, UK

High quality wind measurements in cities are needed for numerous applications including wind engineering. Such data-sets are rare and measurement platforms may not be optimal for meteorological observations. Two years' wind data were collected on the BT Tower, London, UK, showing an upward deflection on average for all wind directions. Wind tunnel simulations were performed to investigate flow distortion around two scale models of the Tower. Using a 1:160 scale model it was shown that the Tower causes a small deflection (ca. 0.5°) compared to the lattice on top on which the instruments were placed (ca. 0–4°). These deflections may have been underestimated due to wind tunnel blockage. Using a 1:40 model, the observed flow pattern was consistent with streamwise vortex pairs shed from the upstream lattice edge. Correction factors were derived for different wind directions and reduced deflection in the full-scale data-set by <3°. Instrumental tilt caused a sinusoidal variation in deflection of ca. 2°. The residual deflection (ca. 3°) was attributed to the Tower itself. Correction of the wind-speeds was small (average 1%) therefore it was deduced that flow distortion does not significantly affect the measured wind-speeds and the wind climate statistics are reliable.