Mechanical engineering and materials Books

Book SynopsisThis book is based upon conference proceedings, including papers from the 69th Annual Porcelain Enamel Institute Technical Forum which was held in Nashville , Tennessee in May 2007.Table of ContentsPreface vii 2007 PEI Officers ix 2007 Technical Forum Committee xi Past Chairs of PEI Technical Forums xiii Surface Tension and Fusion Properties of Porcelain Enamels 1Charles Baldwin and Sid Feldman Status of Porcelain Enameling Steel Market 11Kim Frey Gage Reduction and the Impact on Porcelain Enamel Parts 13Larry Steele Cast Iron Process Control in a Developing Market 19Liam O'Byme Recycle- Friendly Aqueous Cleaners 23Elizabeth J. Siebert, William G. Kozak, and William E. Fristad Cost Driven Development of New Cleaners 33Kenneth R. Kaluzny 2C/1F Enamelling Process- A Growing Demand 35Hans-Juergen Thiele Powder Coating Colors: Porcelain Enamel Versus Paint 43Holger F. Evele Power Enameling Control Systems 49Phil Flasher Advanced Porcelain Enamel Coatings with Novel Properties 53Charles Baldwin and Jim Gavlenski Absorption and Emissivity of Radiant Energy by Porcelain Enamels 59William D. Faust New Product Design, Development, Validation, and Launch: Getting it Right the First Time! 65Kara Joyce Kopplin Update on Current EPA and OSHA Issues that Will Impact Your Industry 69Jack Waggener Case Study: Benefits of a New High Efficiency Furnace 75Jason Butz Chemical Bonding of Concrete and Steel Reinforcement Using a Vitreous Enamel Coupling Layer 81Larry Lynch, Charles Weiss, Jr., Donna Day, Joe Torn, Phillip Malone, and Cullen Hackler Importance of Rheology in Enamel Application 95Michael Sierocki Author Index 103

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Book SynopsisThis revised and updated edition deals with the modeling of physical systems and features extensive use of bond graphs to illustrate and model these systems. Its coverage encompasses electromechanical transducers, mechanical systems in plane motion, and formulas for computing hydraulic compliances and for modeling acoustic systems.Table of ContentsPreface xi 1 Introduction 1 1.1 Models of Systems, 4 1.2 Systems, Subsystems, and Components, 7 1.3 State-Determined Systems, 9 1.4 Uses of Dynamic Models, 10 1.5 Linear and Nonlinear Systems, 11 1.6 Automated Simulation, 12 References, 13 Problems, 14 2 Multiport Systems and Bond Graphs 17 2.1 Engineering Multiports, 17 2.2 Ports, Bonds, and Power, 24 2.3 Bond Graphs, 27 2.4 Inputs, Outputs, and Signals, 30 Problems, 33 3 Basic Bond Graph Elements 37 3.1 Basic 1-Port Elements, 37 3.2 Basic 2-Port Elements, 50 3.3 The 3-Port Junction Elements, 57 3.4 Causality Considerations for the Basic Elements, 63 3.4.1 Causality for Basic 1-Ports, 64 3.4.2 Causality for Basic 2-Ports, 65 3.4.3 Causality for Basic 3-Ports, 66 3.5 Causality and Block Diagrams, 67 Reference, 71 Problems, 71 4 System Models 77 4.1 Electrical Systems, 78 4.1.1 Electrical Circuits, 78 4.1.2 Electrical Networks, 84 4.2 Mechanical Systems, 91 4.2.1 Mechanics of Translation, 91 4.2.2 Fixed-Axis Rotation, 100 4.2.3 Plane Motion, 106 4.3 Hydraulic and Acoustic Circuits, 121 4.3.1 Fluid Resistance, 122 4.3.2 Fluid Capacitance, 125 4.3.3 Fluid Inertia, 130 4.3.4 Fluid Circuit Construction, 132 4.3.5 An Acoustic Circuit Example, 135 4.4 Transducers and Multi-Energy-Domain Models, 136 4.4.1 Transformer Transducers, 137 4.4.2 Gyrator Transducers, 139 4.4.3 Multi-Energy-Domain Models, 142 References, 144 Problems, 144 5 State-Space Equations and Automated Simulation 162 5.1 Standard Form for System Equations, 165 5.2 Augmenting the Bond Graph, 168 5.3 Basic Formulation and Reduction, 175 5.4 Extended Formulation Methods—Algebraic Loops, 183 5.4.1 Extended Formulation Methods—Derivative Causality, 188 5.5 Output Variable Formulation, 196 5.6 Nonlinear and Automated Simulation, 198 5.6.1 Nonlinear Simulation, 198 5.6.2 Automated Simulation, 202 Reference, 207 Problems, 207 6 Analysis and Control of Linear Systems 218 6.1 Introduction, 218 6.2 Solution Techniques for Ordinary Differential Equations, 219 6.3 Free Response and Eigenvalues, 222 6.3.1 A First-Order Example, 223 6.3.2 Second-Order Systems, 225 6.3.3 Example: The Undamped Oscillator, 230 6.3.4 Example: The Damped Oscillator, 232 6.3.5 The General Case, 236 6.4 Transfer Functions, 239 6.4.1 The General Case for Transfer Functions, 241 6.5 Frequency Response, 244 6.5.1 Example Transfer Functions and Frequency Responses, 249 6.5.2 Block Diagrams, 255 6.6 Introduction to Automatic Control, 258 6.6.1 Basic Control Actions, 259 6.6.2 Root Locus Concept, 273 6.6.3 General Control Considerations, 285 6.7 Summary, 310 References, 311 Problems, 311 7 Multiport Fields and Junction Structures 326 7.1 Energy-Storing Fields, 327 7.1.1 C-Fields, 327 7.1.2 Causal Considerations for C-Fields, 333 7.1.3 I -Fields, 340 7.1.4 Mixed Energy-Storing Fields, 348 7.2 Resistive Fields, 350 7.3 Modulated 2-Port Elements, 354 7.4 Junction Structures, 357 7.5 Multiport Transformers, 359 References, 364 Problems, 365 8 Transducers, Amplifiers, and Instruments 371 8.1 Power Transducers, 372 8.2 Energy-Storing Transducers, 380 8.3 Amplifiers and Instruments, 385 8.4 Bond Graphs and Block Diagrams for Controlled Systems, 392 References, 397 Problems, 397 9 Mechanical Systems with Nonlinear Geometry 411 9.1 Multidimensional Dynamics, 412 9.1.1 Coordinate Transformations, 416 9.2 Kinematic Nonlinearities in Mechanical Dynamics, 420 9.2.1 The Basic Modeling Procedure, 422 9.2.2 Multibody Systems, 433 9.2.3 Lagrangian or Hamiltonian IC -Field Representations, 440 9.3 Application to Vehicle Dynamics, 445 9.4 Summary, 452 References, 452 Problems, 453 10 Distributed-Parameter Systems 470 10.1 Simple Lumping Techniques for Distributed Systems, 471 10.1.1 Longitudinal Motions of a Bar, 471 10.1.2 Transverse Beam Motion, 476 10.2 Lumped Models of Continua through Separation of Variables, 482 10.2.1 The Bar Revisited, 483 10.2.2 Bernoulli–Euler Beam Revisited, 491 10.3 General Considerations of Finite-Mode Bond Graphs, 499 10.3.1 How Many Modes Should Be Retained?, 499 10.3.2 How to Include Damping, 503 10.3.3 Causality Consideration for Modal Bond Graphs, 503 10.4 Assembling Overall System Models, 508 10.5 Summary, 512 References, 512 Problems, 512 11 Magnetic Circuits and Devices 519 11.1 Magnetic Effort and Flow Variables, 519 11.2 Magnetic Energy Storage and Loss, 524 11.3 Magnetic Circuit Elements, 528 11.4 Magnetomechanical Elements, 532 11.5 Device Models, 534 References, 543 Problems, 544 CONTENTS ix 12 Thermofluid Systems 548 12.1 Pseudo-Bond Graphs for Heat Transfer, 548 12.2 Basic Thermodynamics in True Bond Graph Form, 551 12.3 True Bond Graphs for Heat Transfer, 558 12.3.1 A Simple Example of a True Bond Graph Model, 561 12.3.2 An Electrothermal Resistor, 563 12.4 Fluid Dynamic Systems Revisited, 565 12.4.1 One-Dimensional Incompressible Flow, 569 12.4.2 Representation of Compressibility Effects in True Bond Graphs, 573 12.4.3 Inertial and Compressibility Effects in One-Dimensional Flow, 576 12.5 Pseudo-Bond Graphs for Compressible Gas Dynamics, 578 12.5.1 The Thermodynamic Accumulator—A Pseudo-Bond Graph Element, 579 12.5.2 The Thermodynamic Restrictor—A Pseudo-Bond Graph Element, 584 12.5.3 Constructing Models with Accumulators and Restrictors, 587 12.5.4 Summary, 590 References, 592 Problems, 592 13 Nonlinear System Simulation 600 13.1 Explicit First-Order Differential Equations, 601 13.2 Differential Algebraic Equations Caused by Algebraic Loops, 604 13.3 Implicit Equations Caused by Derivative Causality, 608 13.4 Automated Simulation of Dynamic Systems, 612 13.4.1 Sorting of Equations, 613 13.4.2 Implicit and Differential Algebraic Equation Solvers, 614 13.4.3 Icon-Based Automated Simulation, 614 13.5 Example Nonlinear Simulation, 616 13.5.1 Some Simulation Results, 620 13.6 Summary, 623 References, 624 Problems, 624 Appendix: Typical Material Property Values Useful in Modeling Mechanical, Acoustic, and Hydraulic Elements 630 Index 633

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Book SynopsisFriction and Wear of Materials Second Edition Written by one of the world''s foremost authorities on friction, this classic book offers a lucid presentation of the theory of mechanical surface interactions as it applies to friction, wear, adhesion, and boundary lubrication. To aid engineers in design decisions, Friction and Wear of Materials evaluates the properties of materials which, under specified conditions, cause one material to function better as a bearing material than another. Featured also are thorough treatments of lubricants and the sizes and shapes of wear particles. This updated Second Edition includes new material on erosive wear, impact wear, and friction. Professor Rabinowicz''s book will be especially welcomed by mechanical and design engineers, surface scientists, tribologists and others who design, produce and operate products, machines and equipment which involve friction and its effects.Table of ContentsMaterial Properties That Influence Surface Interactions. Surface Interactions. Friction. Types of Wear. Adhesive Wear. Abrasive and Other Types of Wear. Lubrication. Adhesion. Appendix. Sample Problems. Index.

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Book SynopsisThis book builds on the first edition and includes two new chapters on composite fittings and the design of a composite panel, as well additional exercises. The book enables graduate students and engineers to generate meaningful and robust designs of complex composite structures.Trade ReviewNevertheless, this book is an important contri-bution to the field and will provide a useful aid to postgraduate aerostructural engineers. (The Aeronautical Journal, 1 June 2014)Table of ContentsAbout the Author xi Series Preface xiii Preface to First Edition xv Preface to Second Edition xix 1 Applications of Advanced Composites in Aircraft Structures 1 References 7 2 Cost of Composites: a Qualitative Discussion 9 2.1 Recurring Cost 10 2.2 Nonrecurring Cost 18 2.3 Technology Selection 20 2.4 Summary and Conclusions 27 Exercises 30 References 31 3 Review of Classical Laminated Plate Theory 33 3.1 Composite Materials: Definitions, Symbols and Terminology 33 3.2 Constitutive Equations in Three Dimensions 35 3.2.1 Tensor Transformations 38 3.3 Constitutive Equations in Two Dimensions: Plane Stress 40 Exercises 52 References 53 4 Review of Laminate Strength and Failure Criteria 55 4.1 Maximum Stress Failure Theory 57 4.2 Maximum Strain Failure Theory 58 4.3 Tsai–Hill Failure Theory 58 4.4 Tsai–Wu Failure Theory 59 4.5 Puck Failure Theory 59 4.6 Other Failure Theories 61 References 62 5 Composite Structural Components and Mathematical Formulation 65 5.1 Overview of Composite Airframe 65 5.1.1 The Structural Design Process: The Analyst’s Perspective 66 5.1.2 Basic Design Concept and Process/Material Considerations for Aircraft Parts 71 5.1.3 Sources of Uncertainty: Applied Loads, Usage and Material Scatter 74 5.1.3.1 Knowledge of Applied Loads 75 5.1.3.2 Variability in Usage 75 5.1.3.3 Material Scatter 75 5.1.4 Environmental Effects 77 5.1.5 Effect of Damage 78 5.1.6 Design Values and Allowables 80 5.1.7 Additional Considerations of the Design Process 83 5.2 Governing Equations 84 5.2.1 Equilibrium Equations 84 5.2.2 Stress–Strain Equations 86 5.2.3 Strain–Displacement Equations 87 5.2.4 von Karman Anisotropic Plate Equations for Large Deflections 88 5.3 Reductions of Governing Equations: Applications to Specific Problems 94 5.3.1 Composite Plate under Localized In-Plane Load 94 5.3.2 Composite Plate under Out-of-Plane Point Load 105 5.4 Energy Methods 108 5.4.1 Energy Expressions for Composite Plates 109 5.4.1.1 Internal Strain Energy U 110 5.4.1.2 External Work W 113 Exercises 115 References 122 6 Buckling of Composite Plates 125 6.1 Buckling of Rectangular Composite Plate under Biaxial Loading 125 6.2 Buckling of Rectangular Composite Plate under Uniaxial Compression 129 6.2.1 Uniaxial Compression, Three Sides Simply Supported, OneSideFree 131 6.3 Buckling of Rectangular Composite Plate under Shear 133 6.4 Buckling of Long Rectangular Composite Plates under Shear 136 6.5 Buckling of Rectangular Composite Plates under Combined Loads 138 6.6 Design Equations for Different Boundary Conditions and Load Combinations 145 Exercises 145 References 152 7 Post-Buckling 153 7.1 Post-Buckling Analysis of Composite Panels under Compression 157 7.1.1 Application: Post-Buckled Panel under Compression 165 7.2 Post-Buckling Analysis of Composite Plates under Shear 168 7.2.1 Post-Buckling of Stiffened Composite Panels under Shear 172 7.2.1.1 Application: Post-Buckled Stiffened Fuselage Skin under Shear 177 7.2.2 Post-Buckling of Stiffened Composite Panels under Combined Uniaxial and Shear Loading 180 Exercises 181 References 187 8 Design and Analysis of Composite Beams 189 8.1 Cross-Section Definition Based on Design Guidelines 189 8.2 Cross-Sectional Properties 193 8.3 Column Buckling 199 8.4 Beam on an Elastic Foundation under Compression 200 8.5 Crippling 205 8.5.1 One-Edge-Free (OEF) Crippling 207 8.5.2 No-Edge-Free (NEF) Crippling 211 8.5.3 Crippling under Bending Loads 214 8.5.3.1 Application: Stiffener Design under Bending Loads 215 8.5.4 Crippling of Closed-Section Beams 219 8.6 Importance of Radius Regions at Flange Intersections 219 8.7 Inter-Rivet Buckling of Stiffener Flanges 222 8.8 Application: Analysis of Stiffeners in a Stiffened Panel under Compression 227 Exercises 230 References 235 9 Skin–Stiffened Structure 237 9.1 Smearing of Stiffness Properties (Equivalent Stiffness) 237 9.1.1 Equivalent Membrane Stiffnesses 237 9.1.2 Equivalent Bending Stiffnesses 239 9.2 Failure Modes of a Stiffened Panel 241 9.2.1 Local Buckling (between Stiffeners) versus Overall Panel Buckling (the Panel Breaker Condition) 242 9.2.1.1 Global Buckling = Local Buckling (Compression Loading) 243 9.2.1.2 Stiffener Buckling = PB × Buckling of Skin between Stiffeners (Compression Loading) 246 9.2.1.3 Example 249 9.2.2 Skin–Stiffener Separation 250 9.3 Additional Considerations for Stiffened Panels 265 9.3.1 ‘Pinching’ of Skin 265 9.3.2 Co-curing versus Bonding versus Fastening 266 Exercises 267 References 272 10 Sandwich Structure 275 10.1 Sandwich Bending Stiffnesses 276 10.2 Buckling of Sandwich Structure 278 10.2.1 Buckling of Sandwich under Compression 278 10.2.2 Buckling of Sandwich under Shear 280 10.2.3 Buckling of Sandwich under Combined Loading 281 10.3 Sandwich Wrinkling 281 10.3.1 Sandwich Wrinkling under Compression 282 10.3.2 Sandwich Wrinkling under Shear 293 10.3.3 Sandwich Wrinkling under Combined Loads 293 10.4 Sandwich Crimping 295 10.4.1 Sandwich Crimping under Compression 295 10.4.2 Sandwich Crimping under Shear 295 10.5 Sandwich Intracellular Buckling (Dimpling) under Compression 296 10.6 Attaching Sandwich Structures 296 10.6.1 Core Ramp-Down Regions 297 10.6.2 Alternatives to Core Ramp-Down 299 Exercises 301 References 306 11 Composite Fittings 309 11.1 Challenges in Creating Cost- and Weight-Efficient Composite Fittings 309 11.2 Basic Fittings 311 11.2.1 Clips 311 11.2.1.1 Tension Clips 311 11.2.1.2 Shear Clips 322 11.2.2 Lugs 328 11.2.2.1 Lug under Axial Loads 328 11.2.2.2 Lug under Transverse Loads 333 11.2.2.3 Lug under Oblique (Combined) Loads 337 11.3 Other Fittings 339 11.3.1 Bathtub Fittings 339 11.3.2 Root Fittings 340 Exercises 340 References 341 12 Good Design Practices and Design ‘Rules of Thumb’ 343 12.1 Layup/Stacking Sequence-related 343 12.2 Loading and Performance-related 344 12.3 Guidelines Related to Environmental Sensitivity and Manufacturing Constraints 345 12.4 Configuration and Layout-related 347 Exercises 348 References 349 13 Application – Design of a Composite Panel 351 13.1 Monolithic Laminate 351 13.2 Stiffened Panel Design 362 13.3 Sandwich Design 373 13.4 Cost Considerations 381 13.5 Comparison and Discussion 382 References 385 Index 387

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Book SynopsisUnderstanding how gears are formed and how they interact or mesh with each other is essential when designing equipment that uses gears or gear trains. The way in which gear teeth are formed and how they mesh is determined by their geometry and kinematics, which is the topic of this book.Table of ContentsPreface xv Acknowledgments xvii 1 Introduction 1 1.1 Power Transmissions and Mechanical Drives 1 1.2 Classification of Mechanical Drives 3 1.3 Choosing a Mechanical Drive 7 1.4 Multi-Step Drives 9 1.5 Features and Classification of Gear Drives 12 1.5.1 Features of Gear Drives 12 1.5.2 Classification of Gear Drives 12 1.6 List of Symbols 16 1.6.1 Subscripts to Symbols 16 2 Geometry of Cylindrical Gears 17 2.1 Fundamentals of the Theory of Toothing 17 2.1.1 Centrodes, Roulettes and Axodes 17 2.1.2 Envelopes, Evolutes and Involutes 18 2.1.3 Cycloid and Involute of a Circle 18 2.1.3.1 Cycloid 18 2.1.3.2 Involute of Circle 20 2.1.4 Main Rule of Toothing 21 2.1.4.1 Analytical Determining of Mated Profiles 25 2.1.4.2 Radii of Curvature of Mated Profiles 27 2.2 Geometry of Pairs of Spur Gears 29 2.2.1 Cycloid Toothing 29 2.2.2 Involute Toothing 30 2.3 Involute Teeth and Involute Gears 33 2.4 Basic Tooth Rack 35 2.5 Fundamentals of Cylindrical Gears Manufacture 38 2.5.1 Generating Methods 38 2.5.2 Forming Methods 43 2.5.3 Gear Finishing 45 2.5.4 Basic Rack-Type and Pinion-Type Cutters 48 2.6 Cutting Process and Geometry of Gears Cut with Rack-Type Cutter 49 2.6.1 Profile Shift 49 2.6.2 Meshing of Rack Cutter with Work Piece, Basic Dimensions of Gear 50 2.6.3 Tooth Thickness at Arbitrary Circle 51 2.6.4 Tip Circle Diameter 52 2.6.5 Profile Boundary Point; Tooth Root Undercutting 53 2.6.6 Effect of Profile Shift on Tooth Geometry 55 2.6.7 Gear Control Measures 56 2.6.7.1 Chordal Tooth Thickness on the Arbitrary Circle 56 2.6.7.2 Constant Chord Tooth Thickness 57 2.6.7.3 Span Measurement 58 2.6.7.4 Dimension Over Balls 60 2.7 Parameters of a Gear Pair 62 2.7.1 Working Pressure Angle of a Gear Pair 62 2.7.2 Centre Distance 63 2.7.3 Gear Pairs With and Without Profile Shift 64 2.7.3.1 Gear Pairs Without Profile Shift 64 2.7.3.2 Gear Pairs with Profile Shift 64 2.7.4 Contact Ratio 66 2.7.5 Distinctive Points of Tooth Profile 70 2.7.6 Kinematic Parameters of Toothing 71 2.8 Basic Parameters of Gears Generated by the Fellows Method 74 2.8.1 Pinion-Type Cutter 74 2.8.2 Dimensions of Gears Cut by Pinion-Type Cutter 75 2.8.3 Undercutting the Tooth Root 76 2.8.4 Geometry of Internal Gear Toothing 77 2.9 Interferences in Generating Processes and Involute Gear Meshing 78 2.9.1 Interferences in Tooth Cutting 78 2.9.1.1 Tooth Root Undercutting 78 2.9.1.2 Overcutting the Tooth Addendum (First Order Interference) 79 2.9.1.3 Overcutting the Tooth Tip Corner (Second Order Interference) 80 2.9.1.4 Radial Interference (Third Order Interference) 80 2.9.1.5 Null Fillet 82 2.9.2 Interferences in Meshing the Gear Pair Teeth 83 2.9.2.1 Gear Root Interference 83 2.9.2.2 Interferences of Tooth Addendum 84 2.9.2.3 Radial Interference 84 2.10 Choosing Profile Shift Coefficients 84 2.10.1 Choosing Profile Shift Coefficients by Means of Block-Contour Diagrams 85 2.10.2 Choosing Profile Shift Coefficients by Means of Lines of Gear Pairs 88 2.11 Helical Gears 91 2.11.1 Basic Considerations 91 2.11.2 Helical Gear Dimensions and Parameters of a Gear Pair 97 2.11.3 Control Measures 100 2.11.4 Helical Gear Overlaps 102 2.11.4.1 Length of Contact Lines 104 2.12 Tooth Flank Modifications 106 2.12.1 Transverse Profile Modifications 107 2.12.1.1 Pre-Finish Flank Undercut 107 2.12.1.2 Tip Corner Chamfering and Tip Corner Rounding 107 2.12.1.3 Tooth Tip Relief 108 2.12.1.4 Tooth Root Relief 113 2.12.1.5 Tooth Tip Relief of the Gear Generated by Pinion-Type Cutter 114 2.12.1.6 Profile Crowning 117 2.12.2 Flank Line Modifications 117 2.12.2.1 Flank Line end Reliefs 117 2.12.2.2 Flank Line Slope Modification 117 2.12.2.3 Flank Line Crowning 118 2.12.3 Flank Twist 119 2.13 Geometry of Fillet Curve 119 2.13.1 Fillet Curve Equation 120 2.13.2 Fillet Curve Radius of Curvature 124 2.13.3 Geometry of Undercut Teeth 125 2.13.3.1 Profile Boundary Point 125 2.13.3.2 Contact Ratio of Gears with Undercut Teeth 126 2.14 Tolerances of Pairs of Cylindrical Gears 127 2.14.1 Control and Tolerances of Gear Body 128 2.14.2 Control and Tolerances of Teeth 128 2.14.2.1 Tooth Profile Control 130 2.14.2.2 Helix Deviations 134 2.14.2.3 Pitch Deviations 135 2.14.2.4 Radial Runout of Teeth 136 2.14.2.5 Tangential Composite Deviation 136 2.14.2.6 Tooth Thickness Tolerances 138 2.14.2.7 CNC Gear Measuring Centre 143 2.14.3 Control of Gear Pair Measuring Values 145 2.14.3.1 Systems of Gear Fits, Centre Distance Tolerances, Backlash 145 2.14.3.2 Contact Pattern Control 149 2.15 Gear Detail Drawing 151 2.16 List of Symbols 153 2.16.1 Subscripts to symbols 154 2.16.2 Combined Symbols 155 3 Integrity of Gears 157 3.1 Gear Loadings 157 3.1.1 Forces Acting on the Gear Tooth 157 3.1.2 Incremental Gear Loadings 159 3.2 Causes of Gear Damage 164 3.2.1 Gear Breakages 164 3.2.2 Active Tooth Flank Damage 166 3.3 Pitting Load Capacity 170 3.3.1 Contact Stresses 170 3.3.1.1 Nominal Value of Contact Stress 170 3.3.1.2 Real Value of Contact Stress 175 3.3.2 Allowable Contact Stresses 181 3.3.3 Dimensioning for Contact Stress 189 3.3.4 List of Symbols for Sections 3.1, 3.2 and 3.3 190 3.3.4.1 Subscripts to Symbols 191 3.3.4.2 Combined Symbols 192 3.4 Tooth Root Load Capacity 193 3.4.1 Tooth Root Stress 193 3.4.2 Tooth Root Permitted Stress 200 3.4.3 Dimensioning for Tooth Root Stress 207 3.5 Gear Load Capacity at Variable Loading 208 3.6 List of Symbols for Sections 3.4 and 3.5 210 3.6.1 Subscripts to Symbols 211 3.6.2 Combined Symbols 212 3.7 Scuffing Load Capacity 213 3.7.1 Safety Factor Against Scuffing for Flash Temperature Method 213 3.7.2 Force Distribution Factor XG 217 3.7.3 Safety Factor Against Scuffing for Integral Temperature Method 225 3.8 Micro-Pitting Load Capacity 229 3.8.1 Elastohydrodynamic Lubricant Film Thickness 229 3.8.1.1 Calculation of Material Parameter GM 230 3.8.1.2 Calculation Speed Parameter UY 231 3.8.1.3 Load Parameter WY 232 3.8.1.4 Sliding Parameter SGF 232 3.8.2 Safety Factor Against Micro-pitting 232 3.9 List of Symbols for Sections 3.6 and 3.7 236 3.9.1 Subscripts to Symbols 237 3.9.2 Combined Symbols 238 4 Elements of Cylindrical Gear Drive Design 241 4.1 Design Process 241 4.1.1 Design Procedure for a Gear Pair 241 4.1.2 Distribution of Gear Train Transmission Ratio 243 4.1.3 Gear Materials and Heat Treatment 244 4.1.3.1 Metallic Materials and their Heat Treatment 244 4.1.3.2 Sintered Materials 248 4.1.3.3 Polymer Materials 248 4.1.4 Gear Drive Design 249 4.1.4.1 Design of Housing 251 4.1.4.2 Vents 255 4.1.4.3 Lubricant Drain 255 4.1.4.4 Design of Bearing Locations 257 4.1.4.5 Design of Ribs 257 4.1.5 Design of Gears 258 4.2 Gear Drive Lubrication 262 4.2.1 Selection of Lubricant 262 4.2.2 Ways of Gear Lubrication 263 4.2.2.1 Bath Lubrication 263 4.2.2.2 Spray Lubrication 265 4.3 Power Losses and Temperature of Lubricant 266 4.3.1 Power Losses in Mesh 266 4.3.1.1 Power Losses in Mesh, Under Load, for a Single Gear Pair 266 4.3.1.2 Power Losses in Idle Motion 267 4.3.2 Power Losses in Bearings 268 4.3.2.1 Rolling Bearings 268 4.3.2.2 Sliding Bearings 269 4.3.3 Power Losses in Seals 270 4.3.4 Power Efficiency of Gear Drive 270 4.3.5 Temperature of Lubricant 271 4.4 List of Symbols 275 4.4.1 Subscripts to Symbols 276 4.4.2 Combined Symbols 276 5 Bevel Gears 279 5.1 Geometry and Manufacture of Bevel Gears 279 5.1.1 Theory of Bevel Gear Genesis 279 5.1.2 Types and Features of Bevel Gears 280 5.1.3 Application of Bevel Gears 283 5.1.4 Geometry of Bevel Gears 284 5.1.4.1 Fundamentals of Geometry and Manufacture 284 5.1.4.2 Virtual Toothing and Virtual Gears 287 5.1.4.3 Basic Parameters of Straight Bevels 289 5.1.4.4 Design of Bevel Teeth 291 5.1.4.5 Undercut, Profile Shift 291 5.1.4.6 Sliding of Bevels 292 5.1.4.7 Contact Ratio of Straight Bevels 293 5.1.5 Geometry of Helical and Spiral Bevels 293 5.1.6 Manufacturing Methods for Bevel Gears 294 5.1.6.1 Straight Bevels Working 294 5.1.6.2 Spiral and Helical Bevel Working 301 5.2 Load Capacity of Bevels 306 5.2.1 Forces in Mesh 306 5.2.2 Pitting Load Capacity 307 5.2.3 Tooth Root Load Capacity 310 5.2.3.1 Scuffing and Micro-Pitting Load Capacities 311 5.3 Elements of Bevel Design 311 5.4 Control and Tolerances of Bevel Gears 316 5.4.1 Pitch Control 316 5.4.2 Radial Runout Control of Toothing 318 5.4.3 Tangential Composite Deviation 319 5.4.4 Tooth Thickness Control 319 5.4.5 Bevel Gear Drawing 321 5.5 Crossed Gear Drives 321 5.5.1 Basic Geometry 323 5.5.2 Speed of Sliding 324 5.5.3 Loads and Load Capacity 325 5.5.3.1 Forces Acting on Crossed Gears 325 5.5.3.2 Efficiency Grade 325 5.5.3.3 Load Capacity of Crossed Gear Pair 326 5.6 List of Symbols 327 5.6.1 Subscripts to Symbols 328 5.6.2 Combined Symbols 328 6 Planetary Gear Trains 331 6.1 Introduction 331 6.1.1 Fundamentals of Planetary Gear Trains 331 6.1.2 Rotational Speeds and Transmission Ratio 334 6.1.3 Features of Planetary Gear Trains 341 6.1.4 Mating Conditions 342 6.1.4.1 Condition of Coaxiality 342 6.1.4.2 Condition of Neighbouring 342 6.1.4.3 Assembly Condition 343 6.1.5 Diagrams of Peripheral and Rotational Speeds 344 6.1.6 Wolf Symbolic 347 6.1.7 Forces, Torques and Power of Planetary Gear Trains 347 6.1.7.1 Peripheral Forces and Torques 347 6.1.7.2 Power and Efficiency 349 6.1.7.3 Branching of Power 352 6.1.7.4 Self-Locking 353 6.2 Special Layouts of Simple Planetary Gear Trains 356 6.2.1 Bevel Differential Trains 356 6.2.2 Planetary Gear Trains with Single Gear Pair 358 6.2.3 Harmonic Drive 359 6.2.4 Differential Planetary Gear Trains 361 6.2.5 Planetary Gear Train of a Wankel Engine 362 6.3 Composed Planetary Gear Trains 364 6.3.1 Compound Planetary Gear Trains 364 6.3.2 Parallel Composed Planetary Gear Trains 364 6.3.3 Coupled Planetary Gear Trains 364 6.3.4 Closed Planetary Gear Trains 366 6.3.5 Reduced Coupled Planetary Gear Trains 368 6.3.6 Reverse Reducers 373 6.3.7 Planetary Gear Boxes 374 6.4 Elements of Planetary Gear Train Design 377 6.4.1 Issues of Planetary Gear Train Design 377 6.4.2 Calculations for Central Gears and Planets 382 6.5 List of Symbols 384 6.5.1 Subscripts to Symbols 385 6.5.2 Combined Symbols 386 7 Worm Gear Drives 387 7.1 Concept, Features, Classification 387 7.2 Geometry and Working of Worm Gear Pair 389 7.2.1 Geometry and Working of Worm 389 7.2.1.1 Dimensions of Worm 390 7.2.1.2 Worm Sections 390 7.2.1.3 Worm Working and Shape of Flanks 392 7.2.2 Geometry and Working of Wormwheels 392 7.2.2.1 Wormwheel Geometry 394 7.2.2.2 Wormwheel Working 397 7.2.3 Calculation Values of Worm Gear Pair 399 7.2.3.1 Centre Distance of Worm Gear Pair 399 7.2.3.2 Transmission Ratio and Gear Ratio 399 7.2.3.3 Tip Clearance of Worm Gear Pair 399 7.2.3.4 Contact Ratio of Worm Gear Pair 399 7.2.3.5 Worm Gear Pair Speeds 400 7.3 Control Measures and Tolerances of Worm Gear Pair 400 7.3.1 Control of Worm Measuring Values 401 7.3.1.1 Pitch Control 401 7.3.1.2 Thread Profile Control 401 7.3.1.3 Radial Runout Control 402 7.3.2 Control of Wormwheel Measuring Values 402 7.3.2.1 Pitch Control 402 7.3.2.2 Tooth Profile Control 402 7.3.2.3 Radial Run-Out Control 402 7.3.2.4 Tooth Thickness Control 403 7.3.2.5 Composite Deviation Control 403 7.3.3 Measuring Values Control of Worm Gear Pair 403 7.3.3.1 Centre Distance Control 403 7.3.3.2 Backlash Control 404 7.4 Forces, Power Losses and Efficiency of Worm Gear Drives 404 7.4.1 Forces Acting on Worm Gear Pair 404 7.4.2 Power Losses and Efficiency of Worm Gear Pair 406 7.5 Load Capacity of Worm Gear Pair 409 7.5.1 Wear Load Capacity 409 7.5.1.1 Calculation of Expected Wear 410 7.5.1.2 Permitted Wear 413 7.5.2 Pitting Load Capacity 414 7.5.3 Heating Load Capacity 415 7.5.3.1 Heating Load Capacity at Bath Lubrication 416 7.5.3.2 Heating Load Capacity at Spray Lubrication 416 7.5.4 Wormwheel Bulk Temperature 417 7.5.4.1 Wormwheel Bulk Temperature in Bath Lubrication 417 7.5.4.2 Wormwheel Bulk Temperature in Spray Lubrication 417 7.5.5 Wormwheel Tooth Root Load Capacity 418 7.5.5.1 Shear Stress in Wormwheel Tooth Root 418 7.5.5.2 Shear Fatigue Limit of Wormwheel Tooth 419 7.5.6 Load Capacity for Worm Shaft Deflection 420 7.6 Elements of Worm Gear Drive Design 421 7.6.1 Design Procedure 421 7.6.1.1 Previous Choices 421 7.6.1.2 Dimensioning the Worm Gear Pair 422 7.6.2 Design Details of Worm Gear Drive 424 7.7 List of Symbols 427 7.7.1 Subscripts to Symbols 428 7.7.2 Combined Symbols 429 Further Reading 433 Index 437

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Book SynopsisThe book describes analytical methods (based primarily on classical modal synthesis), the Finite Element Method (FEM), Boundary Element Method (BEM), Statistical Energy Analysis (SEA), Energy Finite Element Analysis (EFEA), Hybrid Methods (FEM-SEA and Transfer Path Analysis), and Wave-Based Methods.Table of ContentsWiley Series in Acoustics, Noise and Vibration xiv List of Contributors xv 1 Overview 1 1.1 Introduction 1 1.2 Traditional Vibroacoustic Methods 2 1.2.1 Finite Element Method 2 1.2.2 Boundary Element Method 3 1.2.3 Statistical Energy Analysis 3 1.3 New Vibroacoustic Methods 4 1.3.1 Hybrid FE/SEA Method 4 1.3.2 Hybrid FE/TPA Method 4 1.3.3 Energy FE Analysis 4 1.3.4 Wave‐Based Structural Analysis 5 1.3.5 Future Developments 5 1.4 Choosing Numerical Methods 5 1.4.1 Geometrical Discretization 5 1.4.2 Solution Frequency Ranges 6 1.4.3 Type of Application 7 1.5 Chapter Organization 9 References 9 2 Structural Vibrations 10 2.1 Introduction 10 2.2 Waves in Structures 11 2.2.1 Compressional and Shear Waves in Isotropic, Homogeneous Structures 11 2.2.2 Bending (Flexural) Waves in Beams and Plates 13 2.2.3 Bending Waves in Anisotropic Plates 17 2.2.4 Bending Waves in Stiffened Panels 20 2.2.5 Structural Wavenumbers 21 2.3 Modes of Vibration 22 2.3.1 Modes of Beams 22 2.3.2 Modes of Plates 25 2.3.3 Global and Local Modes of Stiffened Panels 28 2.3.4 Modal Density 30 2.4 Mobility and Impedance 30 2.4.1 Damping 34 2.5 Bending Waves in Infinite Structures 39 2.6 Coupled Oscillators, Power Flow, and the Basics of Statistical Energy Analysis 42 2.6.1 Equations of Motion 42 2.6.2 Power Input, Flow, and Dissipation 44 2.6.3 Oscillator-based Statistical Energy Analysis (SEA) 45 2.7 Environmental and Installation Effects 48 2.8 Summary 50 References 50 3 Interior and Exterior Sound 52 3.1 Introduction 52 3.2 Interior Sound 52 3.2.1 Acoustic Wave Equation 52 3.2.2 Boundary Conditions 54 3.2.3 Natural Frequencies and Mode Shapes 55 3.2.4 Forced Sound‐Pressure Response 59 3.2.5 Steady‐State Sound‐Pressure Response 60 3.2.6 Enclosure Driven at Resonance 64 3.2.7 Random Sound‐Pressure Response 66 3.2.8 Transient Sound‐Pressure Response 68 3.3 Exterior Sound 70 3.3.1 Sound Radiation Measures 72 3.3.2 One‐Dimensional Sound Radiation 73 3.3.3 Sound Radiation from Basic Sources and Radiators 75 3.3.3.1 Pulsating Sphere and Monopole Source 75 3.3.3.2 Oscillating Sphere and Dipole Source 77 3.3.4 Helmholtz and Rayleigh Integral Equations 78 3.3.5 Example Applications 81 3.3.5.1 Planar Baffled Vibrating Plate 81 3.3.5.2 Vibrating Crown Surface 84 3.4 Summary 86 References 86 4 Sound‐Structure Interaction Fundamentals 88 4.1 Introduction 88 4.2 Circular Piston Vibrating against an Acoustic Fluid 89 4.3 Fluid Loading of Structures 95 4.4 Structural Waves Vibrating against an Acoustic Fluid 99 4.5 Complementary Problem: Structural Vibrations Induced by Acoustic Pressure Waves 105 4.6 Summary 113 References 113 5 Structural‐Acoustic Modal Analysis and Synthesis 114 5.1 Introduction 114 5.2 Coupled Structural‐Acoustic System 114 5.2.1 Acoustic Cavity Modal Expansion 115 5.2.2 Absorption Wall Impedance 117 5.2.3 Structural Modal Expansion 118 5.2.4 Coupled Structural‐Acoustic Modal Expansions 120 5.3 Simplified Models 121 5.3.1 Helmholtz Resonator Model 121 5.3.2 Flexible Wall Model 122 5.3.3 Coupled Structural and Acoustic Modes 123 5.3.4 Dominant Structural Mode 125 5.3.5 Dominant Cavity Mode 127 5.4 Component Mode Synthesis 132 5.4.1 Coupled Structural‐Acoustic Model 132 5.4.2 Coupled Structures 134 5.4.3 Coupled Cavities 138 5.5 Summary 142 References 143 6 Structural‐Acoustic Finite‐Element Analysis for Interior Acoustics 144 6.1 Introduction 144 6.2 Acoustic Finite‐Element Analysis 144 6.2.1 Acoustic Finite‐Element Formulation 144 6.2.2 Flexible and Absorbent Walls 147 6.2.3 Cavity Modal Analysis 148 6.2.4 Flexible Wall Excitation 150 6.2.5 Acoustic Impedance Modeling 151 6.2.6 Porous Material Modeling 152 6.3 Structural‐Acoustic Finite‐Element Analysis 155 6.3.1 Structural Finite‐Element Formulation 155 6.3.2 Structural System Synthesis 158 6.4 Coupled Structural‐Acoustic Finite‐Element Formulation 159 6.4.1 Coupled Modes and Resonance Frequencies 160 6.4.2 Direct and Modal Frequency Response 161 6.4.3 Random Response 164 6.4.4 Participation Factors 166 6.4.5 Transient Response 171 6.4.5.1 Inverse Fourier Transform 171 6.4.5.2 Direct Transient Response 172 6.4.5.3 Modal Transient Response 172 6.4.6 Structural‐ and Acoustic‐Response Variation 173 6.5 Summary 177 References 177 7 Boundary‐Element Analysis 179 7.1 Theory—Assumptions 179 7.2 Theory—Overview of Theoretical Basis 180 7.3 Boundary‐Element Computations 183 7.4 The Rayleigh Integral 184 7.5 The Kirchhoff–Helmholtz Equation 186 7.6 Nonexistence/Nonuniqueness Difficulties 191 7.7 Impedance Boundary Conditions 199 7.8 Interpolation 202 7.9 Applicability over Frequency and Spatial Resolution 205 7.10 Implementation – Software Required 208 7.11 Computer Resources Required 210 7.12 Inputs and How to Determine them 213 7.13 Outputs 213 7.14 Applications 214 7.15 Verification and Validation 220 7.16 Error Analysis 225 7.17 Summary 225 References 226 8 Structural and Acoustic Noise Control Material Modeling 230 8.1 Introduction 230 8.2 Damping Materials 231 8.2.1 Damping Mechanisms 231 8.2.2 Viscoelastic Damping 232 8.2.3 Representation of the Frequency‐Dependent Properties of Viscoelastic Materials 233 8.2.4 Identification of the Dynamic Properties of VEM 234 8.2.5 Damping Design 235 8.2.6 Modeling Structures with added Viscoelastic Damping 238 8.2.7 Poroelastic Materials 241 8.2.8 Open‐Cell Porous Materials 241 8.2.9 Acoustic Impedance 242 8.2.10 Models of Sound Propagation in a Porous Material 244 8.2.11 Fluids Equivalent to Porous Materials 244 8.2.12 Models for the Effective Density and the Bulk Modulus 245 8.2.13 Perforated Plates 247 8.2.14 Porous Materials having an Elastic Frame 249 8.2.15 Measurement of the Parameters Governing Sound Propagation in Porous Materials 249 8.2.15.1 Porosity 249 8.2.15.2 Flow Resistivity 250 8.2.15.3 Tortuosity 250 8.2.15.4 Characteristics Lengths 253 8.2.15.5 Mechanical Properties 257 8.3 Modeling Multilayer Noise Control Materials 257 8.3.1 Use of the Transfer Matrix Method 258 8.3.2 Modeling a Sound Package within SEA 263 8.3.3 Modeling a Sound Package within FE 264 8.4 Conclusion 265 References 265 9 Structural–Acoustic Optimization 268 9.1 Introduction 268 9.2 Brief Survey of Structural–Acoustic Optimization 269 9.3 Structural–Acoustic Optimization Procedures and Literature 271 9.3.1 Applications 271 9.3.2 Choice of Parameters 272 9.3.3 Constraints 273 9.3.4 Objective Functions 274 9.4 Process of Structural–Acoustic Optimization 277 9.4.1 Structural–Acoustic Simulation 277 9.4.2 Strategy of Optimization 279 9.4.2.1 Formulation of Optimization Problem 279 9.4.2.2 Multiobjective Optimization 280 9.4.2.3 Approximation Concepts and Approximate Optimization 280 9.4.2.4 Optimization Methods 282 9.4.3 Sensitivity Analysis 284 9.4.3.1 Global Finite Differences 284 9.4.3.2 Semi‐Analytic Sensitivity Analysis 285 9.4.3.3 Adjoint Operators 286 9.4.4 Special Techniques 287 9.4.4.1 General Aspects and Ideas 287 9.4.4.2 Efficient Reanalysis 288 9.4.4.3 Frequency Ranges 289 9.5 Minimization of Radiated Sound Power from a Finite Beam 289 9.5.1 General Remarks 289 9.5.2 Simulation Models 289 9.5.3 Noise Transfer Function of Original Configurations 291 9.5.4 Objective Function 293 9.5.5 Formulation of Optimization Problem 293 9.5.6 Optimization Strategy 293 9.5.7 Optimization Results 294 9.5.8 Discussion of Results 297 9.5.9 Optimization of Complex Models 298 9.6 Conclusions 298 References 299 10 Random and Stochastic Structural–Acoustic Analysis 305 10.1 Introduction 305 10.2 Uncertainty Quantification in Vibroacoustic Problems 308 10.2.1 Antioptimization Method 308 10.2.2 Possibilistic Method 309 10.2.3 Probabilistic Method 309 10.3 Random Variables and Random Fields 310 10.4 Discretization of Random Quantities 313 10.4.1 Karhunen–Loève Expansion 313 10.4.2 Polynomial Chaos Expansion 314 10.5 Stochastic FEM Formulation of Structural Vibrations 317 10.5.1 General SFEM Formulation of Vibration Problems 319 10.5.2 Stochastic FEM Formulation of Vibroacoustic Problems 321 10.6 Numerical Simulation Procedures 322 10.6.1 Intrusive SFEM 322 10.6.2 Non‐intrusive SFEM 323 10.7 Numerical Examples 324 10.7.1 Discrete 2‐DOF Undamped System 324 10.7.2 Free Vibration of Orthotropic Plate with Uncertain Parameters 328 10.7.3 Random Equivalent Radiated Power 333 10.8 Summary and Concluding Remarks 335 References 335 11 Statistical Energy Analysis 339 11.1 Introduction 339 11.2 SEA Background 339 11.2.1 Characteristic Wavelengths 340 11.2.2 Modes and Complexity 341 11.2.3 Uncertainty 342 11.3 General Wave‐Based SEA Formulation 343 11.3.1 Piston Coupled with a Single Room 344 11.3.2 Direct Field 344 11.3.3 Reverberant Field 345 11.3.4 Uncertainty 346 11.3.5 Piston Response 347 11.3.6 A Diffuse Reverberant Field 348 11.3.7 Reciprocity between Direct Field Impedance and Diffuse Reverberant Load 348 11.3.8 Coupling Power Proportionality 349 11.3.9 Reverberant Power Balance Equations 352 11.3.10 Recovering Local Responses 354 11.3.11 Numerical Example 354 11.3.12 An Arbitrary Number of Coupled Subsystems 355 11.3.13 Summary 356 11.4 Energy Storage 356 11.4.1 Energy Storage in 1D Waveguides 356 11.4.1.1 A Thin Beam 359 11.4.1.2 Higher‐Order Wavetypes 360 11.4.2 Energy Storage in 2D Waveguides 361 11.4.2.1 A Thin Plate 363 11.4.2.2 A Singly Curved Shell 363 11.4.2.3 Higher Order Wavetypes 364 11.4.3 Energy Storage in 3D Waveguides 366 11.4.3.1 Numerical Example 368 11.4.4 Summary of Modal Density Formulas 369 11.5 Energy Transmission 370 11.5.1 Point Junctions 371 11.5.2 Line Junctions 373 11.5.3 Area Junctions 374 11.6 Power Input and Dissipation 377 11.7 Example Applications 378 11.7.1 Using SEA to Diagnose Transmission Paths 378 11.7.2 Industrial Applications 379 11.8 Summary 382 References 383 12 Hybrid FE‐SEA 385 12.1 Introduction 385 12.2 Overview 385 12.2.1 Low‐, Mid‐, and High‐Frequency Ranges 385 12.2.2 The Mid‐Frequency Problem 386 12.3 The Hybrid FE‐SEA Method 387 12.3.1 System 387 12.3.2 A Statistical Subsystem 387 12.3.3 Direct and Reverberant Fields 388 12.3.4 Ensemble Average Reverberant Loading 388 12.3.5 Coupling a Deterministic and Statistical Subsystem 389 12.4 Example 390 12.4.1 System 390 12.4.2 Deterministic Equations of Motion 390 12.4.3 Direct Field Dynamic Stiffness of SEA Subsystems 392 12.4.4 Ensemble Average Response 392 12.4.5 Reverberant Power Balance 393 12.4.6 Computing the Coupled Response 394 12.5 Implementation and Algorithms 395 12.5.1 Overview 395 12.5.2 Point Connection 395 12.5.3 Line Connection 396 12.5.4 Area Connection 396 12.6 Application Examples 397 12.6.1 Simple Numerical Example 397 12.6.2 Industrial Applications 398 12.7 Summary 403 References 403 13 Hybrid Transfer Path Analysis 406 13.1 Introduction 406 13.2 Transfer Path Analysis 406 13.3 Hybrid Transfer Path Analysis 408 13.4 Vibro‐Acoustic Transfer Function 409 13.4.1 Measured VATF 409 13.4.2 Predicted VATF 411 13.5 Operating Powertrain Loads 412 13.5.1 Measured Stiffness Method 412 13.5.2 Matrix Inversion Method 415 13.5.3 Predicted Powertrain Loads 416 13.6 HTPA Applications 417 13.6.1 Predicted Operating Loads + Measured VATFs 417 13.6.1.1 Predicted Powertrain Loads 418 13.6.1.2 Measured VATFs 419 13.6.1.3 Predicted Interior SPL 421 13.6.2 Predicted VATFs + Measured Operating Loads 424 13.6.2.1 Predicted VATFs 424 13.6.2.2 Measured Operating Loads 426 13.6.2.3 Predicted Interior SPL 426 13.6.2.4 Structural Modification 427 13.7 Vibrational Power Flow 429 13.8 Summary 430 References 431 14 Energy Finite Element Analysis 433 14.1 Overview of Energy Finite Element Analysis 433 14.2 Developing the Governing Differential Equations in EFEA 435 14.2.1 Derivation of the Governing Differential Equation for an Acoustic Space 436 14.2.2 Derivation of the Governing Differential Equation for the Bending Response of a Plate 439 14.3 Power Transfer Coefficients 441 14.3.1 Power Transfer Coefficients between Two Plates 441 14.3.2 Power Transfer Coefficients between a Plate and an Acoustic Space 444 14.3.2.1 Power Transmission from Plate to Acoustic Space 445 14.3.2.2 Power Transmission from Acoustic Space to Plate 447 14.4 Formulation of Energy Finite Element System of Equations 447 14.4.1 Finite Element Formulation of EFEA System of Equations 447 14.4.2 EFEA Joint Matrix 448 14.4.3 Input Power 450 14.4.4 EFEA System of Equations for a Simple Plate‐Acoustic System 451 14.5 Applications 455 14.5.1 Automotive Application 455 14.5.2 Aircraft Application 461 14.5.3 Naval Application 464 References 470 15 Wave‐based Structural Modeling 472 15.1 General Approach 472 15.1.1 Background 473 15.1.2 Advantages/Limitations 474 15.2 Theoretical Formulation 475 15.2.1 Elementary Rod Theory 475 15.2.2 Straight Beams, Timoshenko Beam Theory 477 15.2.3 Reflections at Boundaries 479 15.2.4 Wave Propagation Solution 480 15.2.5 Spectral Element Method 481 15.3 Wave‐based Spectral Finite Element Formulation 483 15.3.1 Dynamic Stiffness Matrix of a Substructure 483 15.3.2 State Vector Formulation and the Eigenvalue Problem 484 15.3.3 Relations between Dynamic Stiffness and Transfer Matrices 485 15.3.4 Derivation of a Numerical Spectral Matrix for Beam Problems 487 15.3.5 Numerical Spectral Matrix for General Periodic Structures 489 15.4 Applications 491 15.4.1 Beam Analysis via Analytical Approaches 491 15.4.2 Beam Analysis via Numerical Approach (WSFEM) 491 15.4.3 General Periodic Structure Analysis via Numerical Approach (WSFEM) 495 15.4.4 Range of Applicability 499 15.4.5 Implementation–Software Required 500 15.4.6 Computer Resources Required 500 15.4.7 Inputs and How to Determine Them 501 15.4.8 Forces/Enforced Displacements 501 15.4.9 Boundary Conditions 501 15.4.10 Material Properties 502 15.4.11 Outputs 502 15.4.12 Verification and Validation 502 15.5 Conclusion/Summary 503 References 503 Index 506

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Book SynopsisCoauthored by an authority on solidification and developed from lecture notes from courses taught at KTH over the last 30 years, this guide shows the link between theory and experimental results, and gives the theoretical background to common solidification problems.Table of ContentsPreface ix 1 Thermodynamic Concepts and Relationships 1 1.1 Introduction 2 1.2 Thermodynamic Concepts and Relationships 2 1.3 Thermodynamics of Single-Component Systems 10 1.4 Thermodynamics of Multiple-Component Systems 16 1.5 Thermodynamics of Alloys 21 1.6 Thermodynamics of Ideal Binary Solutions 25 1.7 Thermodynamics of Non-Ideal Binary Solutions 26 1.8 Experimental Determination of Thermodynamic Quantities of Binary Alloys 34 Summary 36 Further Reading 41 2 Thermodynamic Analysis of Solidification Processes in Metals and Alloys 42 2.1 Introduction 42 2.2 Thermodynamics of Pure Metals 43 2.3 Thermodynamics of Binary Alloys 44 2.4 Equilibrium Between Phases in Binary Solutions. Phase Diagrams of Binary Alloys 50 2.5 Driving Force of Solidification in Binary Alloys 76 2.6 Thermodynamics of Ternary Alloys 78 2.7 Thermodynamics of Vacancies in Pure Metals and Alloys 83 Summary 90 Exercises 94 References 98 Further Reading 98 3 Properties of Interfaces 99 3.1 Introduction 99 3.2 Classical Theory of Interface Energy and Surface Tension 100 3.3 Thermodynamics of Interphases 114 3.4 Structures of Interfaces 123 3.5 Equilibrium Shapes of Crystals 145 Summary 155 Exercises 161 References 165 4 Nucleation 166 4.1 Introduction 166 4.2 Homogeneous Nucleation 167 4.3 Heterogeneous Nucleation. Inoculation 179 4.4 Nucleation of Bubbles 190 4.5 Crystal Multiplication 193 Summary 194 Exercises 197 References 200 5 Crystal Growth in Vapours 201 5.1 Introduction 202 5.2 Crystal Morphologies 202 5.3 Chemical Vapour Deposition 203 5.4 Crystal Growth 206 5.5 Normal Crystal Growth of Rough Surfaces in Vapours 210 5.6 Layer Crystal Growth of Smooth Surfaces in Vapours 214 5.7 Influence of Impurities on Crystal Growth in Vapours 238 5.8 Epitaxial Growth 244 5.9 Whisker Growth 249 5.10 Mechanical Restrictions on Thin Films 251 Summary 256 Exercises 263 References 266 6 Crystal Growth in Liquids and Melts 267 6.1 Introduction 268 6.2 Structures of Crystals and Melts 268 6.3 Growth Methods 275 6.4 Crystal Growth 278 6.5 Volume Changes and Relaxation Processes during Anelastic Crystal Growth in Metal Melts 279 6.6 Normal Crystal Growth in Pure Metal Melts 289 6.7 Layer Crystal Growth of Smooth Surfaces in Liquids 297 6.8 Normal Crystal Growth in Binary Alloys 310 6.9 Diffusion-Controlled Growth of Planar Crystals in Binary Alloys 318 6.10 Diffusion-Controlled Growth of Spherical Crystals in Alloys 324 6.11 Impingement 338 6.12 Precipitation of Pores 340 Summary 343 Exercises 355 References 360 7 Heat Transport during Solidification Processes. Thermal Analysis 361 7.1 Introduction 362 7.2 Basic Concepts and Laws of Heat Transport 362 7.3 Convection 366 7.4 Theory of Heat Transport at Unidirectional Solidification 378 7.5 Production of Single Crystals by Unidirectional Solidification 385 7.6 Thermal Analysis 395 7.7 Variable Heat of Fusion of Metals and Alloys 408 7.8 Variable Heat Capacitivity of Metals and Alloys 416 Summary 422 Exercises 429 References 432 8 Crystal Growth Controlled by Heat and Mass Transport 433 8.1 Introduction 433 8.2 Heat and Mass Transports in Alloys during Unidirectional Solidification 434 8.3 Zone Refining 443 8.4 Single Crystal Production by Czochralski Technique 450 8.5 Cellular Growth. Constitutional Undercooling. Interface Stability 454 Summary 465 Exercises 469 References 474 9 Faceted and Dendritic Solidification Structures 475 9.1 Introduction 476 9.2 Formation of Faceted Crystals 476 9.3 Growth of Faceted Crystals in Pure Metal Melts 476 9.4 Growth of Faceted Crystals in Alloy Melts 485 9.5 Growth of Dendrite Crystals 503 9.6 Development of Dendrites 529 9.7 Transitions between Structure Types in Alloys 565 Summary 573 Exercises 580 References 585 10 Eutectic Solidification Structures 587 10.1 Introduction 588 10.2 Classification of Eutectic Structures 588 10.3 Normal Eutectic Growth 589 10.4 Degenerate and Coupled Eutectic Growth 620 10.5 Structures of Ternary Alloys 635 10.6 Solidification of Fe-C Eutectics 646 10.7 Solidification of Al-Si Eutectics 658 10.8 Transition between Normal Lamellar and Rod Eutectic Growth 665 Summary 669 Exercises 675 References 680 11 Peritectic Solidification Structures 681 11.1 Introduction 681 11.2 Peritectic Reactions and Transformations 682 11.3 Peritectic Reactions and Transformations in Iron-Base Alloys 693 11.4 Metastable Reactions in Iron-Base Alloys 702 11.5 Metatectic Reactions and Transformations 704 11.6 Microsegregation in Iron-Base Alloys 708 11.7 Transitions between Peritectic and Eutectic Reactions in Iron-Base Alloys 716 Summary 719 Exercises 724 References 727 12 Metallic Glasses and Amorphous Alloy Melts 729 12.1 Introduction 730 12.2 Basic Concepts and Definitions 731 12.3 Production of Metallic Glasses 735 12.4 Experimental Methods for Structure Determination of Metallic Glasses and Amorphous Alloy Melts 741 12.5 Structures of Metallic Glasses 744 12.6 Comparison of the Structures of Metallic Glasses and Amorphous Alloy Melts. Rough Models of Metallic Glasses and Amorphous Alloy Melts 753 12.7 Casting of Metallic Glasses. Crystallization Processes in Amorphous Alloy Melts 759 12.8 Classification of Metallic Glasses 763 12.9 Properties and Applications of Metallic Glasses 764 Summary 771 Exercises 775 References 779 Answers to Exercises 781 Index 803

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Book SynopsisA step-by-step guide on how to use and interpret phase diagrams. Whether used as a textbook or a reference source, this book is the most thorough and complete tool available for users of phase information.Table of ContentsIntroduction. Thermodynamics and Phase Equilibria. Systems, Phases, and Components. Equilibrium. The Phase Rule. The One-Component System. LeChatelier’s Principle. The Water System. Hypothetical Systems. The Silica System. The Titania and Zirconia Systems. The Carbon System. Problems. Bibliography and Supplementary Reading The Two-Component System. The Binary Eutectic. Intermediate Compounds. Solid Solution. Liquid Immiscibility. Structural Consideration of Liquid Immiscibility. The System Al2O3-SiO2. The System CaO-SiO2. Problems. Bibliography and Supplementary Reading. Determination of Phase Equilibria Diagrams. Experimental Methods. Thermodynamic Calculations and Estimations. Problems. Bibliography and Supplementary Reading. Hypothetical Binary Systems, Phase Analysis. Hypothetical Binary Systems. Phase Analysis Diagrams. Problems. Bibliography and Supplementary Reading. Ternary Systems. Method of Determining Composition. Isoplethal Studies in Ternary Systems. Alkemade Lines. Composition Triangles. Isothermal Sections. System with a Binary Compound Melting Incongruently. Peritectic and Eutectic Reactions during Cooling. Resorption during Cooling. Composition on an Alkemade Line. Phase Transformations. Decomposition of a Binary Compound Having a Phase Field in the Ternary System. Intermediate Ternary Compounds. Complex Cooling Paths. Ternary Solid Solution. Ternary System with Two Solid-Solution Phases. System MgO-“FeO”-SiO2. Liquid Immiscibility. System MgO-Al2O3-SiO2. System Na2O-CaO-SiO2. Problems. Bibliography and Supplementary Reading. Nonequilibrium Phases and Reactions. Reactions during Heating. Suppression of an Intermediate Compound. Glass Formation and Transformation Curves. Metastable Immiscibility. Solid Solutions. Bibliography and Supplementary Reading. Quaternary Systems. System Representation. Determination of Phase Relations. Bibliography and Supplementary Reading. Appendices. Reactive Atomic Weights. Molecular Weights of Oxides. Melting Points of Metal Oxides. Nonoxide Ceramic Systems.

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Book SynopsisStochastic Modeling and Optimization Methods for Critical Infrastructure Protection is a thorough exploration of mathematical models and tools that are designed to strengthen critical infrastructures against threats both natural and adversarial. Divided into two volumes, this first volume examines stochastic modeling across key economic sectors and their interconnections, while the second volume focuses on advanced mathematical methods for enhancing infrastructure protection. The book covers a range of themes, including risk assessment techniques that account for systemic interdependencies within modern technospheres, the dynamics of uncertainty, instability and system vulnerabilities. The book also presents other topics such as cryptographic information protection and Shannon's theory of secret systems, alongside solutions arising from optimization, game theory and machine learning approaches. Featuring research from international collaborations, this book covers both theory and applications, offering vital insights for advanced risk management curricula. It is intended not only for researchers, but also educators and professionals in infrastructure protection and stochastic optimization.

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Book SynopsisThe work shows, by means of examples coming from different corners of physics, how physical and mathematical questions can be answered using a computer. Starting with maps and neural networks, applications from Newton's mechanics described by ordinary differential equations come into the focus, like the computation of planetary orbits or classical molecular dynamics. A large part of the textbook is dedicated to deterministic chaos normally encountered in systems with sufficiently many degrees of freedom. Partial differential equations are studied considering (nonlinear) field theories like quantum mechanics, thermodynamics or fluid mechanics. In the second edition, a new chapter gives a detailed survey on delay or memory systems with a direct application to epidemic and road traffic models. Most of the algorithms are realized in FORTRAN, a language most suitable for effectively solving the discussed problems. On the other hand, the codes given and presented on the book’s homepage can be easily translated into other languages. Moreover, several MATLAB examples are presented, mainly for didactic reasons. The book is addressed to advanced Bachelor or Master students of physics, applied mathematics and mechanical engineering.

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Book SynopsisIn times of powerful AI systems, such as GPT, Value-based Engineering is deeply needed. It is a new transdisciplinary IT innovation- and engineering approachrespecting human values and societal consequences of IT systems as these are planned and in early evolution stages. The book tells the story of why we need technology for humanity more than ever before and what principles we should follow in building it. More concretely, it is a guide on how exactly companies should pursue their innovation efforts with an epilogue on how this is different from aspiring science fiction. The Value-based Engineering approach outlined in this book with concrete case-studies, forms and over 90 illustrations was developed and revised by over 100 experts from around the world engaged in a project called IEEE P7000 TM. https://www.value-based-engineering.com/ https://www.youtube.com/channel/UCrLvHXQKvx17-PbWaYJzEQQ

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Book SynopsisDie 14. Auflage dieses Klassikers bietet eine umfassende praxisorientierte Einführung in die für Ingenieure relevante Chemie. Vollständig überarbeitet und aktualisiert ist das Buch besonders für Ingenieure in Bachelor- und Diplomstudiengängen konzipiert.Trade Review "Das Lehrbuch ist didaktisch sehr gut aufgebaut. Fachausdrücke werden bei ihrem ersten Auftauchen mit verständlichen Sätzen erklärt (...). Für die Studierende, die sich mit den Grundlagen der Chemie befassen und Praktiker, die ihr chemisches Grundlagenwissen auffrischen wollen, sind das bewährte Lehrbuch zusammen mit dem Aufgaben- und Lösungsbuch sehr zu empfehlen. Das Ziel, ein Lehrbuch sowie aktuelles Nachschlagewerk zu sein, hat der Autor wirklich erreicht!" Materials and Corrosion (22.07.2016) "Der Lehrbuch-Bestseller erleichtert Studierenden der Elektrotechnik, des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik, aber auch Neu- und Quereinsteigern die Einarbeitung. Es erläuterte chemisches Grundlagenwissen abgestimmt auf die Bedürfnisse angehender Ingenieuren." BBR (März 2016) "Das Lehrbuch Chemie für Ingenieure hilft auch in der neuen Auflage Studentinnen und Studenten der Elektrotechnik, des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik und des Bauingenieurwesen beim erfolgreichen Studium." mpa (01.01.2016) "(...) dieses Werk erläutert (die) Grundlagen didaktisch herausragend und natürlich abgestimmt auf die Bedürfnisse von Ingenieuren." Giesserei (11.12.2015) "Das 650 Seiten starke Werk, so wie sein gut 180 Seiten starkes Arbeitsbuch lassen sich zu einer Prüfungsvorbereitung wärmstens empfehlen. Durch die saubere und strukturierte Schreibart ist auch der Chemiestudierende im Hauptfach angesprochen, als erstes Nachschlagewerk um einen ersten Eindruck zu gewinnen, vor allem während der ersten Semester. Alles in allem ist für den Chemie-interessierten dieses Werk eine gute Wahl." www.fschemie.hhu.de (01.12.2015)Table of ContentsVorwort XV 1 Atombau und Periodensystem 1 1.1 Bestandteile des Atoms 1 1.2 Atomkerne 2 1.3 Aufbau der Elektronenhülle 4 1.3.1 Das Bohr’sche Atommodell 4 1.3.2 Das wellenmechanische Atommodell 5 1.4 Das Periodensystem der Elemente 15 1.4.1 Die Elektronenstrukturen der Elemente 16 1.4.2 Die Periodizität der Eigenschaften 17 2 Die chemische Bindung 25 2.1 Die Atombindung (kovalente Bindung) 26 2.1.1 DasWasserstoffmolekül 26 2.1.2 σ-Bindungen 27 2.1.3 π-Bindungen 28 2.2 Die Ionenbindung 29 2.3 Die metallische Bindung 32 2.3.1 Das „Elektronengasmodell“ 32 2.3.2 Das Energiebändermodell 33 2.4 Übergangsformen zwischen den Bindungsarten 33 2.5 Die zwischenmolekularenWechselwirkungen 36 2.5.1 Die Dipol-Wechselwirkungen 36 2.5.2 Die Van-der-Waals-Wechselwirkung 37 2.5.3 Wasserstoffbrücken 39 2.6 Mengenangaben 41 2.6.1 Die Gesetze von den konstanten und multiplen Proportionen 41 2.6.2 Die relative Atommasse 42 2.6.3 Die relative Molekülmasse und die Formelmasse 43 2.6.4 Das Mol und die molare Masse 44 3 Die Aggregatzustände 47 3.1 Der gasförmige Aggregatzustand 47 3.1.1 Ideale Gase 47 3.1.2 Reale Gase 49 3.1.3 Gasverflüssigung, der Joule-Thomson-Effekt 50 3.2 Der flüssige Aggregatzustand 51 3.3 Der feste Aggregatzustand 52 3.3.1 Die Kristallsysteme 52 3.3.2 Die Eigenschaften von Kristallen 54 3.3.3 Amorphe Feststoffe 56 3.4 Mischungen 56 3.4.1 HomogeneMischungen 57 3.4.2 HeterogeneMischungen 57 3.5 Lösungen 59 3.5.1 Angaben über die Zusammensetzung von Lösungen 60 3.5.2 Diffusion und Osmose 63 3.5.3 Lösungsenthalpie und Entropie 66 3.6 Aggregatzustandsänderungen 70 3.6.1 Das Temperatur-Energie-Diagramm 70 3.6.2 Das Phasendiagramm 71 3.6.3 Das Prinzip der Kälteerzeugung 75 3.6.4 Destillation 79 4 Chemische Reaktionen 85 4.1 Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen 85 4.2 Energieumsätze bei chemischen Reaktionen 88 4.3 Der Verlauf chemischer Reaktionen 91 4.3.1 Reversible und irreversible Prozesse 91 4.3.2 Reaktionsgeschwindigkeit 92 4.4 Redoxreaktionen 95 4.4.1 Die Definition von Oxidation und Reduktion 95 4.4.2 Die Definition der Oxidationszahl 96 4.4.3 Schreibweise von Oxidationszahl und Ladungszahl 96 4.4.4 Regeln für die Festlegung der Oxidationszahlen 97 4.4.5 Beispiele für wichtige Redoxreaktionen in der Chemietechnik 99 4.5 Säure-Base-Reaktionen 100 4.5.1 Säuren 100 4.5.2 Basen 102 4.5.3 Der Ampholyt „Wasser“ und der pH-Wert (1. Teil) 102 4.5.4 Salze 104 5 Chemische Gleichgewichte 107 5.1 Das Massenwirkungsgesetz 107 5.1.1 Die mathematische Formulierung des Massenwirkungsgesetzes 107 5.1.2 Das Prinzip von Le Chatelier 110 5.2 Gleichgewichte in wässrigen Lösungen 113 5.2.1 Das Ionenprodukt desWassers 113 5.2.2 Der pH-Wert (2. Teil) 114 5.2.3 Die elektrolytische Dissoziation 116 5.2.4 Das Kohlensäuregleichgewicht 117 5.2.5 Pufferlösungen 118 5.2.6 pH-Farbindikatoren 119 5.2.7 Maßanalyse 121 5.2.8 Saure und alkalische Reaktionen von Salzen 125 5.3 Das Löslichkeitsprodukt 127 5.3.1 Mathematische Ableitung des Löslichkeitsproduktes 127 5.3.2 Das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats 130 5.3.3 Weitere Anwendungsbeispiele aus der Praxis 134 5.4 Komplexverbindungen 138 5.4.1 Komplexbildung am Anion 138 5.4.2 Komplexbildung am Kation 140 5.4.3 Komplexbildung an neutralen Atomen 143 5.4.4 Eigenschaften häufig gebrauchter Komplexe 144 5.5 Gasgleichgewichte 145 5.5.1 Homogene Gasgleichgewichte 146 5.5.2 Heterogene Gasgleichgewichte 152 5.5.3 Der Heß’sche Satz 155 5.6 Adsorptionsvorgänge 155 5.6.1 Adsorptionsgesetze 155 5.6.2 Chromatografie 157 6 Die Elemente 161 6.1 Allgemeines 161 6.1.1 Einteilung der Elemente 161 6.1.2 Die Häufigkeit der Elemente und die Rohstoffprobleme 162 6.1.3 Elementumwandlungen 165 6.2 Die gasförmigen Elemente 171 6.2.1 Wasserstoff 171 6.2.2 Die gasförmigen Halogene 173 6.2.3 Stickstoff und Sauerstoff 174 6.2.4 Ozon 182 6.2.5 Die Edelgase 183 6.3 Die übrigen Nichtmetalle 185 6.3.1 Brom und Iod 185 6.3.2 Schwefel 187 6.3.3 Phosphor 188 6.3.4 Kohlenstoff 189 6.4 Halbleiter 197 6.4.1 Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen 197 6.4.2 Silicium und Germanium 200 6.4.3 Chemische Verbindungen als Halbleiter 206 6.5 Metalle 209 6.5.1 Allgemeine metallische Eigenschaften 209 6.5.2 Einteilung der Metalle 215 6.5.3 Legierungen 215 6.5.4 Die Alkalimetalle 219 6.5.5 Die Erdalkalimetalle 220 6.5.6 Beryllium undMagnesium 221 6.5.7 Aluminium und die Metalle der dritten Hauptgruppe 221 6.5.8 Die Metalle der vierten und fünften Hauptgruppe 222 6.5.9 Zink, Cadmium, Quecksilber 223 6.5.10 Kupfer, Silber, Gold 225 6.5.11 Die Platinmetalle 227 6.5.12 Eisen, Cobalt, Nickel 227 6.5.13 Metalle der vierten bis siebten Nebengruppe 232 6.5.14 Metalle der dritten Nebengruppe und die Lanthanoide 232 6.6 Radioaktive Elemente 233 6.6.1 Natürliche radioaktive Elemente 233 6.6.2 Künstlich hergestellte radioaktive Elemente 236 6.6.3 Kernreaktoren 237 7 Anorganische Verbindungen 239 7.1 Wasserstoffverbindungen der Elemente 239 7.1.1 Das Tetraedermodell für Moleküle 240 7.1.2 Wasser H2O 243 7.1.3 Wasserstoffperoxid H2O2 247 7.1.4 Chlorwasserstoff HCl 248 7.1.5 Ammoniak NH3 249 7.1.6 Hydrazin N2H4 251 7.1.7 Schwefelwasserstoff H2S 251 7.1.8 Phosphorwasserstoff PH3 251 7.2 Sauerstoffverbindungen der Elemente 251 7.2.1 Nichtmetalloxide 251 7.2.2 Sauerstoffsäuren 259 7.2.3 Metalloxide und Metallhydroxide 263 7.2.4 Glas 265 7.2.5 Alumosilicate 266 7.2.6 Baustoffbindemittel 268 7.2.7 Asbest 269 7.3 Carbide und Nitride 270 7.3.1 Salzartige Carbide 270 7.3.2 Einlagerungsverbindungen 270 7.3.3 Kovalente Verbindungen 271 7.4 Nanotechnologie 272 8 Organische Verbindungen 277 8.1 Kohlenwasserstoffe 279 8.1.1 Alkane oder Paraffine 279 8.1.2 Alkene oder Olefine 282 8.1.3 Alkine oder Acetylene 285 8.1.4 Alicyclische Verbindungen 288 8.1.5 Aromatische Kohlenwasserstoffe 288 8.2 Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe 295 8.2.1 Chlorierte Kohlenwasserstoffe 295 8.2.2 Polychlorierte Biphenyle (PCB) 296 8.2.3 Frigene (Freone) und Halone 296 8.2.4 Umweltaspekte von halogenierten Kohlenwasserstoffen 297 8.2.5 Substitutionsmöglichkeiten von Halogenkohlenwasserstoffen 298 8.3 Metallorganische Verbindungen 299 8.4 Sauerstoffverbindungen 299 8.4.1 Alkohole 300 8.4.2 Phenole 302 8.4.3 Ether (frühere Schreibweise Äther) 303 8.4.4 Ketone 304 8.4.5 Aldehyde 304 8.4.6 Carbonsäuren 306 8.4.7 Ester 311 8.4.8 Fette und fette Öle 312 8.4.9 Seifen undWaschmittel 313 8.4.10 Zusammenfassender Überblick 315 8.5 Stickstoffverbindungen 316 8.5.1 Amine 316 8.5.2 Aminosäuren 317 8.5.3 Amide 317 8.5.4 Nitrile 318 8.5.5 Nitroverbindungen 319 8.6 Heterocyclische Verbindungen 320 8.6.1 Stickstoffhaltige Heterocyclen 320 8.6.2 Sauerstoffhaltige Heterocyclen 321 8.7 Organische Naturprodukte 322 8.7.1 Kohlenhydrate 322 8.7.2 Eiweißstoffe (Proteine) 325 8.8 Brennstoffe, Kraftstoffe, Schmierstoffe 326 8.8.1 Brennstoffe 326 8.8.2 Kraftstoffe 328 8.8.3 Schmierstoffe 336 8.8.4 Sicherheitsvorschriften 339 9 Kunststoffe 341 9.1 Mechanisch-thermische Eigenschaften 342 9.1.1 Thermoplaste 342 9.1.2 Elastomere 344 9.1.3 Duroplaste 345 9.1.4 Fluidoplaste 346 9.1.5 Spannungs-Dehnungs-Diagramme 346 9.2 Abgewandelte Naturprodukte 348 9.2.1 Kunststoffe auf Cellulosebasis 348 9.2.2 Gummi aus Naturkautschuk 349 9.3 Polymerisationskunststoffe 350 9.3.1 Allgemeines 350 9.3.2 Polyethylen 352 9.3.3 Polypropylen 355 9.3.4 Polybuten-1 356 9.3.5 Polyisobutylen 356 9.3.6 Synthetischer Kautschuk 356 9.3.7 Ethylen-Propylen-Kautschuk 357 9.3.8 Polystyrol 358 9.3.9 Polyvinylcarbazol 360 9.3.10 Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat 360 9.3.11 Polyvinylidenchlorid 362 9.3.12 Polytetrafluorethylen 363 9.3.13 Polyacrylnitril 365 9.3.14 Polymethacrylsäuremethylester 365 9.3.15 Polyoxymethylen 366 9.4 Polykondensationskunststoffe 367 9.4.1 Polyamide 367 9.4.2 Formaldehydkondensationsprodukte 370 9.4.3 Polyesterharze oder Alkydharze 372 9.4.4 Polycarbonat 376 9.4.5 Hochtemperaturbeständige Polykondensationskunststoffe 377 9.5 Polyadditionskunststoffe 378 9.5.1 Polyurethane 379 9.5.2 Epoxidharze 379 9.6 Silicone 381 9.6.1 Siliconöle und -fette 381 9.6.2 Siliconkautschuk 382 9.6.3 Siliconharze 382 9.7 Alterung und Zerstörung von Kunststoffen 382 9.7.1 Thermische Einflüsse 383 9.7.2 Einfluss von energiereicher Strahlung 384 9.7.3 Spannungsrissbildung 385 9.7.4 Einfluss von Lösungsmitteln 385 9.7.5 Chemische Zerstörung von Kunststoffen 388 9.7.6 Feuerbeständigkeit von Kunststoffen 388 9.8 Kunststoffrecycling 389 9.9 Biologisch abbaubare Kunststoffe 391 10 Elektrochemie 393 10.1 Elektrochemische Potenziale 393 10.1.1 Galvanische Elemente 393 10.1.2 Die Normal-Wasserstoffelektrode 395 10.1.3 Die Normalpotenziale (elektrochemische Spannungsreihen) 396 10.1.4 Praktische Spannungsreihen 403 10.1.5 Herstellung von Leiterplatten 404 10.2 Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potenziale 406 10.2.1 Die Nernst’sche Gleichung 406 10.2.2 Elektroden zweiter Art 408 10.2.3 pH-Messungen 410 10.3 Elektrochemische Stromerzeugung 412 10.3.1 Primärelemente 412 10.3.2 Sekundärelemente 415 10.3.3 Brennstoffzellen 420 10.4 Erzwungene elektrochemische Vorgänge 424 10.4.1 Messung einer galvanischen Spannung 424 10.4.2 Die Elektrolyse 424 10.4.3 Die Faraday’schen Gesetze 427 10.4.4 Die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten 429 10.4.5 Die elektrochemische Polarisation 429 10.5 Galvanisieren 433 10.5.1 Die elektrolytische Entfettung 434 10.5.2 Elektropolieren und Elektroentgraten 434 10.5.3 Die gebräuchlichsten Metallschutzschichten 434 10.6 Korrosion und Korrosionsschutz 436 10.6.1 Korrosionsarten 436 10.6.2 Möglichkeiten des Korrosionsschutzes 444 10.7 ElektrochemischeMessmethoden 449 10.7.1 Die Leitfähigkeitsmethode (Konduktometrie) 450 10.7.2 Die Potenziometrie 451 10.7.3 Die Amperometrie 453 10.7.4 Die Coulometrie 454 10.7.5 Die Voltammetrie und Polarografie 455 11 Spektren und ihre Anwendungen 459 11.1 Elektromagnetische Spektren 460 11.1.1 Die Entstehung von elektromagnetischen Spektren 460 11.1.2 Absorptions- und Emissionsspektren 460 11.1.3 Die Bereiche elektromagnetischer Strahlen 461 11.2 Spektrenformen 462 11.2.1 Linienspektren 463 11.2.2 Bandenspektren 467 11.2.3 Absorptionsmaxima 469 11.3 Spektralanalytische Untersuchungen 470 11.4 Spektralbereiche 471 11.4.1 Gammastrahlen 471 11.4.2 Röntgenbereich 472 11.4.3 Ultraviolettspektren (UV-Spektren) 474 11.4.4 Spektren im sichtbaren Licht 475 11.4.5 Infrarotspektren (IR-Spektren) 477 11.4.6 Magnetische Kernresonanz (nuclear magnetic resonance=NMR) 479 11.5 Spezielle Messgeräte 480 11.5.1 Fotometer 480 11.5.2 IR-Messgeräte für Gase 482 11.5.3 Chemolumineszenzanalyse 483 11.6 Massenspektrometer 484 11.7 Farbmittel 486 11.7.1 Ursachen für die Farbigkeit 487 11.7.2 Pigmente 489 11.7.3 Farbstoffe 489 11.7.4 Farbindikatoren 490 12 Biochemie und Biotechnologie 491 12.1 Grundlagen der Biochemie 492 12.1.1 Eigenschaften belebter Materie 492 12.1.2 Die Zelle 494 12.1.3 Der Stoffwechsel 497 12.2 Molekularbiologie 502 12.2.1 Aufbau und Verdoppelung der DNA 502 12.2.2 Die Eiweißsynthese 503 12.2.3 Mutationen 505 12.2.4 Gentechnik 510 12.3 Bioverfahrenstechnik 513 12.3.1 Bioreaktoren (Fermenter) 514 12.3.2 Produktaufarbeitung 516 12.3.3 Herstellung von Bioethanol 516 12.4 Biosensoren 518 12.5 Schadwirkung von Chemikalien 520 12.5.1 Humantoxikologie 520 12.5.2 Die häufigsten Gifte 525 12.5.3 Ökotoxikologie 530 13 Umwelttechnik 535 13.1 Ökologische Grundlagen 535 13.1.1 Ökosysteme 535 13.1.2 Stoff- und Energieumsätze in Ökosystemen 537 13.1.3 Stoffkreisläufe 538 13.2 Abwasser und Abwasserreinigung 541 13.2.1 RohstoffWasser 541 13.2.2 Abwasserinhaltsstoffe 542 13.2.3 Abwasserreinigung durch kommunale Kläranlagen 550 13.2.4 Weiterentwickelte Verfahren in der biologischen Abwasserreinigung 556 13.2.5 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung 558 13.3 Membrantrennverfahren 566 13.3.1 Grundlage und Arten der Membrantrennverfahren 566 13.3.2 Stofftransport beiMembrantrennverfahren 569 13.3.3 TechnischeMembranmodule 575 13.4 Abluftreinigung 576 13.4.1 Luftschadstoffe 576 13.4.2 Abluftreinigung in der Industrie 578 13.4.3 Rauchgasreinigung in Kraftwerken 586 13.4.4 Abgasreinigung bei Automobilen 591 13.5 Abfall und Recycling 594 13.5.1 Abfallzusammensetzung 594 13.5.2 Abfallentsorgung 595 13.5.3 Recycling 602 13.6 Produktionsintegrierter Umweltschutz 603 13.7 Ökobilanzen 606 Anhang 609 A.1 Die Buchstaben des griechischen Alphabets 609 A.2 Vorsatzzeichen und Abkürzungen für Stoffmengengehalte 610 A.3 Maßeinheitentabelle 611 A.4 Verzeichnis der chemischen Elemente (Stand IUPAC 2011) 612 A.5 Löslichkeitsprodukte 615 A.6 Schadstoffhöchstwerte am Arbeitsplatz und Wassergefährdungsklassen (WGK) 617 A.7 Gefahrensymbole 618 A.8 Periodensystem der Elemente 619 Sachverzeichnis 621

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Book SynopsisThermal Management Materials for Electronic Packaging Practical resource exploring the theoretical and experimental basis as well as solutions for the development of new thermal management materials for electronic packaging Thermal Management Materials for Electronic Packaging: Preparation, Characterization, and Devices provides in-depth and systematic summaries on cutting-edge thermal management materials for high-power density electronic devices, introducing the preparation methods and application scenarios of thermal management materials for electronic packing, covering refinements of thermal conductivity theory and performance prediction models for multiphase composites, and overall focusing on key scientific issues related to the subject, such as the internal interface of new high thermal conductive substrate materials and the mechanism of spatial topology on performance. The text also discusses key issues on the design and preparation of thermal conductive substrate materials with high thermal conductive properties, including their characterization, properties, and manipulation, as well as the latest methods, techniques, and applications in this rapidly developing area. Sample topics covered in Thermal Management Materials for Electronic Packaging include: Basic concepts and laws of thermal conduction, heat conduction differential equation and finite solution, and thermal conductivity of solids Definition and classification of electronic packaging, thermal management in electronic equipment, and requirements of electronic packaging materials Synthesis and surface modification of high thermal conductive filler and the synthesis of substrates and preparation of thermal conductive composites with inorganic ceramic skeleton structure Assembly of thermal conductive materials in different dimensions and preparation of composite materials, and reliability analysis and environmental performance evaluation Thermal Management Materials for Electronic Packaging serves as an ideal reference for researchers and workers in related fields to significantly improve the mechanical and thermal management properties of materials, expand the material selection and design margin of substrates, and develop substrates that meet the application needs of different gradients.Table of ContentsOverview of Works xv Acknowledgments xvii 1 Physical Basis of Thermal Conduction 1 Xian Zhang, Ping Zhang, Chao Xiao, Yanyan Wang, Xin Ding, Xianglan Liu, and Xingyou Tian 1.1 Basic Concepts and Laws of Thermal Conduction 1 1.1.1 Description of Temperature Field 1 1.1.2 Temperature Gradient 2 1.1.3 Fourier’s Law 2 1.1.4 Heat Flux Density Field 2 1.1.5 Thermal Conductivity 3 1.2 Heat Conduction Differential Equation and Finite Solution 3 1.2.1 Heat Conduction Differential Equation 3 1.2.2 Definite Conditions 5 1.3 Heat Conduction Mechanism and Theoretical Calculation 5 1.3.1 Gases 6 1.3.2 Solids 6 1.3.2.1 Metals 6 1.3.2.2 Inorganic Nonmetals 8 1.3.3 Liquids 11 1.4 Factors Affecting Thermal Conductivity of Inorganic Nonmetals 12 1.4.1 Temperature 12 1.4.2 Pressure 13 1.4.3 Crystal Structure 14 1.4.4 Thermal Resistance 14 1.4.5 Others 15 References 15 2 Electronic Packaging Materials for Thermal Management 19 Xian Zhang, Ping Zhang, Chao Xiao, Yanyan Wang, Xin Ding, Xianglan Liu, and Xingyou Tian 2.1 Definition and Classification of Electronic Packaging 19 2.1.1 Definition of Electronic Packaging 19 2.1.2 Functions of Electronic Packaging 20 2.1.3 The Levels of Electronic Packaging 21 2.2 Thermal Management in Electronic Equipment 22 2.2.1 Thermal Sources 22 2.2.2 Thermal Failure Rate 23 2.2.3 The Thermal Management at Different Package Levels 23 2.3 Requirements of Electronic Packaging Materials 24 2.3.1 Thermal Interface Material 24 2.3.2 Heat Dissipation Substrate 25 2.3.3 Epoxy Molding Compound 26 2.4 Electronic Packaging Materials 27 2.4.1 Metal Matrix Packaging Materials 27 2.4.2 Ceramic Matrix Packaging Materials 30 2.4.3 Polymer Matrix Packaging Materials 33 2.4.4 Carbon–Carbon Composite 36 References 36 3 Characterization Methods for Thermal Management Materials 39 Kang Zheng and Xingyou Tian 3.1 Overview of the Development of Thermal Conductivity Test Methods 39 3.2 Test Method Classification and Standard Samples 40 3.2.1 Steady-State Measurement Method 41 3.2.2 Non-Steady-State Measurement Method 42 3.3 Steady-State Method 42 3.3.1 Longitudinal Heat Flow Method 43 3.3.2 Guarded Heat Flow Meter Method 44 3.3.3 Guarded Hot Plate Method 44 3.4 Non-Steady-State Method 46 3.4.1 Laser Flash Method 46 3.4.2 Hot-Wire Method 46 3.4.3 Transient Planar Heat Source (TPS) Method 47 3.5 Electrical Properties and Measurement Techniques 48 3.5.1 Electric Conductivity and Resistivity 49 3.5.1.1 Testing Resistivity of Bulk Material 50 3.5.1.2 Four-Probe Method 50 3.5.1.3 The Van der Pauw Method 51 3.5.2 Dielectric Constant and Its Characterization 52 3.6 Material Characterization Analysis Technology 54 3.6.1 Optical Microscope 54 3.6.2 X-ray Diffraction 55 3.6.2.1 Phase Analysis 56 3.6.2.2 Determination of Crystallinity 56 3.6.2.3 Precise Measurement of Lattice Parameters 56 3.6.3 Scanning Electron Microscope 57 3.6.4 Transmission Electron Microscope 58 3.6.5 Scanning Acoustic Microscope 60 3.6.6 Atomic Force Microscope 62 3.6.7 Thermal Mechanical Analysis (TMA) 64 3.6.8 Dynamic Mechanical Analysis (DMA) 66 3.7 Reliability Analysis and Environmental Performance Evaluation 68 3.7.1 Failure Modes and Mechanisms 69 3.7.1.1 Residual Stress 69 3.7.1.2 Stress Void 70 3.7.1.3 Adherence Strength 70 3.7.1.4 Moisture 70 3.7.2 Reliability Certification 71 3.7.2.1 Viscosity of Plastic Packaging Material 71 3.7.2.2 The Moisture Test 71 3.7.2.3 Hygroscopic Strain and Humidity Measurement 72 3.7.2.4 Temperature Adaptability 72 3.7.2.5 Tightness 72 3.7.2.6 Defects in Manufacturing Process Control 72 3.7.2.7 Quality Control Procedure for High-Reliability Plastic Packaging Devices 73 3.7.2.8 Selection of High-Reliability Plastic Packaging Devices 73 3.8 Conclusion 73 References 74 4 Construction of Thermal Conductivity Network and Performance Optimization of Polymer Substrate 77 Hua Wang, Xingyou Tian, Haiping Hong, Hao Li, Yanyan Liu, Xiaoxiao Li, Yusheng Da, Qiang Liu, Bin Yao, Ding Lou, Mingyang Mao, and Zhong Hu 4.1 Synthesis and Surface Modification of High Thermal Conductive Filler and the Synthesis of Substrates 77 4.1.1 Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Nanosheets by Halide-Assisted Hydrothermal Method at Low Temperature 77 4.1.2 Modification and Compounding of Inorganic Thermal Conductive Silicon Carbide Filler 77 4.1.3 Preparation and Characterization of Intrinsic Polymer with High Thermal Conductivity 78 4.2 Study on Polymer Thermal Conductive Composites with Oriented Structure 80 4.2.1 Epoxy Composites Filled with Boron Nitride and Amino Carbon Nanotubes 80 4.2.2 Reduction of Graphene Oxide by Amino Functionalization/Hexagonal Boron Nitride 84 4.2.3 The Interconnection Thermal Conductive Network of Three-Dimensional Staggered Boron Nitride Sheet/Amino-Functionalized Carbon Nanotubes 87 4.3 Preparation of Thermal Conductive Composites with Inorganic Ceramic Skeleton Structure 88 4.3.1 Preparation of Hollow Boron Nitride Microspheres and Its Epoxy Resin Composite 88 4.3.2 Three-Dimensional Skeleton and Its Epoxy Resin Composite 93 4.4 Improved Thermal Conductivity of Fluids and Composites Using Boron Nitride Nanoparticles Through Hydrogen Bonding 100 4.4.1 Preparation and Characterization of Improved Thermal Conductivity of Fluids and Composites Using Boron Nitride Nanoparticles 100 4.4.2 Discussion and Analysis of BN Composites as Thermal Interface Materials 102 4.5 Improved Thermal Conductivity of PEG-Based Fluids Using Hydrogen Bonding and Long Chain of Nanoparticle 107 4.5.1 Preparation and Characterization of Thermal Conductivity of PEG-Based Fluids Using Hydrogen Bonding and Long Chain of Nanoparticle 107 4.5.2 Discussion and Analysis of PEG-Based Fluids Using Hydrogen Bonding and Long Chain of Nanoparticle 109 4.6 Conclusion 114 References 114 5 Optimal Design of High Thermal Conductive Metal Substrate System for High-Power Devices 117 Hong Guo, Zhongnan Xie, and DingBang Xiong 5.1 Power Devices and Thermal Conduction 117 5.2 Optimization and Adaptability Design, Preparation and Modification of High Thermal Conductive Matrix and Components 120 5.2.1 Preparation and Thermal Conductivity of Gr/Cu Composites 120 5.2.1.1 Gr/Cu In Situ Composite Method 121 5.2.1.2 Thermal Conductivity of Gr/Cu Micro–Nano-Laminated Composites 124 5.2.1.3 Coefficient of Thermal Expansion of Composite Materials 126 5.2.2 Preparation and Thermal Conductivity of Graphite/Cu Composites 130 5.2.2.1 Variations in the Intrinsic Thermophysical Properties of Graphite Sheets During the Compounding Process 131 5.2.2.2 Orientation Modulation of Graphite Sheets in Composites 133 5.2.2.3 Effect of Graphite Sheet Orientation on the Thermal Conductivity of Graphite/Cu Composites 136 5.2.3 Preparation and Thermal Conductivity of Graphite/Gr/Cu Composites 136 5.2.3.1 Thermal Conductivity of Graphite/Gr/Cu Composites 140 5.2.3.2 Thermal Expansion Coefficient of Graphite/Gr/Cu Composites 141 5.3 Formation and Evolution Rules of High Thermal Conductive Interface and Its Control Method 143 5.3.1 Theoretical Calculation of High Thermal Conductive Interface Design 143 5.3.2 Study on Interface Regulation of Chromium-Modified Diamond/Cu Composites 146 5.3.3 Study on Interface Regulation of Boron-Modified Diamond/Cu Composites 150 5.3.4 Study on Interface Regulation of Gr-Modified Diamond/Cu Composites 153 5.4 Formation and Evolution Rules of High Thermal Conductive Composite Microstructure and Its Control Method 157 5.4.1 Configurated Diamond/Metal Composites with High Thermal Conductivity 157 5.4.2 Effect of Secondary Diamond Addition on Properties of Composites 159 5.4.3 Effect of Secondary Particle Size on the Properties of Composites 160 5.4.4 Thermal Expansion Behavior of Composite Materials with Different Thermal Conductive Configurations 161 References 162 6 Preparation and Performance Study of Silicon Nitride Ceramic Substrate with High Thermal Conductivity 165 Yao Dongxu, Wang Weide, and Zeng Yu-ping 6.1 Rapid Nitridation of Silicon Compact 165 6.1.1 Rapid Nitridation of Silicon Compact 165 6.1.1.1 Optimization (YEu)2O3 /MgO Sintering Additive 167 6.1.1.2 Further Optimization of the SRBSN with 2YE5M as Sintering Additive 173 6.2 Optimization of Sintering Aids for High Thermal Conductivity Si3N4 Ceramics 181 6.2.1 Preparation of High Thermal Conductivity Silicon Nitride Ceramics Using ZrSi2 as a Sintering Aid 182 6.2.1.1 Reaction Mechanism of ZrSi2 182 6.2.1.2 Effect of ZrSi2 on the Phase Composition 185 6.2.1.3 Effect of ZrSi2 on Microstructure 186 6.2.1.4 Effect of ZrSi2 on Thermal Conductivity 188 6.2.1.5 Effect of ZrSi2 on Mechanical Properties and Electrical Resistivity 189 6.2.2 High Thermal Conductivity Si3N4 Sintered with YH2 as Sintering Aid 190 6.2.2.1 Pre-sintering of the Compact 191 6.2.2.2 Effect of YH2 on the Densification and Weight Loss 194 6.2.2.3 Effect of YH2 on Elements Distribution and Phase Composition 196 6.2.2.4 Effect of YH2 on Microstructure 197 6.2.2.5 Effect of YH2 on Thermal Conductivity 200 6.2.2.6 Effect of YH2 on Mechanical Properties 201 6.2.2.7 Differences in the Effect of Different REH2 on the Thermal Conductivity of Silicon Nitride 203 6.3 Investigation of Cu-Metalized Si3N4 Substrates Via Active Metal Brazing (AMB) Method 204 6.3.1 Effect of Brazing Temperature on the Peeling Strength of Cu-Metalized Si3N4 Substrates 204 6.3.2 Effect of Holding Time on the Peeling Strength of Cu-Metalized Ceramic Substrates 205 6.3.3 Effect of Brazing Ball Milling Time on the Peeling Strength of Cu-Metalized Ceramic Substrates 207 References 207 7 Preparation and Properties of Thermal Interface Materials 211 Xiaoliang Zeng, Linlin Ren, and Rong Sun 7.1 Conception of Thermal Interface Materials 211 7.2 Polymer-Based Thermal Interface Materials 214 7.2.1 Filler Surface Functionalization 214 7.2.2 Covalent Bonding Among Fillers 215 7.2.3 Construction of Thermally Conductive Pathways 215 7.2.3.1 In-Plane Thermally Conductive Pathways 215 7.2.3.2 Out-of-Plane Thermally Conductive Pathways 216 7.2.3.3 Isotropic Thermally Conductive Pathways 220 7.2.4 Enhance the Bonding Force and Construct Thermally Conductive Pathways 221 7.2.4.1 Non-Covalent Bonds and Thermally Conductive Pathways 221 7.2.4.2 Covalent Bonds and Thermally Conductive Pathways 221 7.2.4.3 Welding and Thermally Conductive Pathways 223 7.3 Metal-Based Thermal Interface Materials 223 7.4 Carbon-Based Thermal Interface Materials 229 7.5 Molecular Simulation Study of Interfacial Thermal Transfer 238 7.6 Conclusion 240 References 241 8 Study on Simulation of Thermal Conductive Composite Filling Theory 257 Bin Wu, Peng Chen, and Jiasheng Qian 8.1 Molecular Simulation Algorithms for Thermal Conductivity Calculating 257 8.1.1 MD (Green–Kubo) Method 257 8.1.2 NEMD Method 258 8.1.3 e-DPD Method 259 8.2 Molecular Simulation Study on Polymers 261 8.3 Molecular Simulation Study on TC of Si3N4 Ceramic 265 8.4 Molecular Simulation Study on TC of Diamond/Copper Composites 268 8.5 Simulation Study on Polymer-Based Composites 270 8.5.1 Simulation Analysis in Heat Transfer Pathways Construction 270 8.5.2 Simulation Analysis of Low Thermal Resistance Interface Structure Construction 275 8.5.2.1 Covalent Bonding Construct Interface Structure 275 8.5.2.2 Non-covalent Construct Bonding Interface Structure 283 References 283 9 Market and Future Prospects of High Thermal Conductivity Composite Materials 287 Chen Hongda and Zhang Xu 9.1 Basic Concept of Composite Materials 287 9.1.1 The History of Composite Materials 287 9.1.2 The Introduction of Composite Materials 288 9.1.3 The Application of Composite Materials 288 9.2 Thermal Conductivity Mechanism and Thermal Conductivity Model 290 9.2.1 Electron Conduction Mechanism 290 9.2.2 Phonon Heat Conduction Mechanism 291 9.2.3 Thermal Conduction Mechanism 291 9.2.4 Thermal Conductivity Model 293 9.3 Composite Materials in Electronic Devices 294 9.3.1 Electronic Heat Dissipation and Thermal Adaptation Materials 295 9.3.2 Preparation and Application of Thermally Adaptive Composites 296 9.4 Thermal Functional Composites 298 9.4.1 Thermally Conductive Composites 299 9.4.1.1 Review of the Latest Research Progress 299 9.4.1.2 Comparative Analysis at Home and Abroad 299 9.4.2 Heat-Resistant Composite Materials 299 9.4.2.1 Review of the Latest Research Progress 299 9.4.2.2 Comparative Analysis at Home and Abroad 300 9.4.3 Thermal Storage Composites 300 9.4.3.1 Review of the Latest Research Progress 300 9.4.3.2 Domestic and Foreign Comparative Analysis 301 9.4.4 Application Foresight 301 9.4.5 Future Forecast 302 9.5 The Modification of Composite Materials 302 9.6 The New Packaging Material 310 9.6.1 Third-Generation Packaging Material-Near-Net Shape of High-Volume-Fraction SiCp/Al Composites 310 9.6.2 Fourth-Generation Electronic Packaging Material—Diamond/Cu(AI) Composite Material 311 9.7 Thermal Management of Electronic Devices 312 9.7.1 Electronic Device Heat Dissipation Technology 313 9.7.1.1 Direct Liquid Cooling 314 9.7.1.2 Indirect Liquid Cooling 314 9.7.1.3 Liquid Jet Cooling and Spraying, Drop Cooling 315 9.7.1.4 Microchannel Heat Transfer Microchannel 315 9.7.2 Phase Change Temperature Control 316 9.7.2.1 Inorganic Energy Storage Materials 317 9.7.2.2 Organic Energy Storage Materials 317 9.8 Methods for Improving Thermal Conductivity of Composite Materials 320 9.8.1 Choose a Reasonable Filling Amount 320 9.8.2 Change the Structure and Morphology of the Filling Phase 322 9.8.3 Change the Surface Morphology of the Filling Phase 322 9.8.4 Improving the Dispersion Form of Filling Phase 323 9.9 The Application of Composite Materials 324 9.9.1 Classification of Potting Materials 324 9.9.2 Research Status of Potting Materials 324 9.9.3 Research Status of Thermally Conductive Potting Composite Materials 326 9.9.4 Research on Fillers 327 9.9.4.1 The Effect of Filler Thermal Conductivity on Thermal Conductivity 327 9.9.4.2 The Effect of Filler Particle Size on Thermal Conductivity 328 9.9.4.3 Effect of Filler Surface Modification Treatment on Thermal Conductivity 329 9.9.4.4 Effects of Mixed Particle-Size Fillers on Thermal Conductivity 329 9.10 Conclusion 329 References 330 Index 335

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Book SynopsisPublisher's Note: Products purchased from Third Party sellers are not guaranteed by the publisher for quality, authenticity, or access to any online entitlements included with the product.The latest design and manufacturing details in mechanical drive steam turbinesSteam Turbines shows how to select, improve, operate, and maintain high-quality mechanical drive steam turbines-with maximum efficiency and minimum downtime. This new Second Edition offers authoritative information on the operating characteristics, design features, reliability, and maintenance of all steam turbines. A complete sourcebook, Steam Turbines delivers the expertise required to capitalize on the latest steam turbine and intermediate transmission unit innovations--and improve a plant's efficiency, availability, and profitability.Steam Turbines, Second Edition covers:Variable speed drives andTable of ContentsPrefaceAcknowledgmentsChapter 1. IntroductionChapter 2. Turbine Casing and Major Stationary ComponentsChapter 3. Bearings for Mechanical Drive TurbinesChapter 4. Rotors for Impulse TurbinesChapter 5. Rotors for Reaction TurbinesChapter 6. Turbine Blade Design OverviewChapter 7. Turbine AuxiliariesChapter 8. Governors and Control SystemsChapter 9. Couplings and Coupling ConsiderationsChapter 10. Rotor Dynamics TechnologyChapter 11. Campbell, Goodman, and SAFE Diagrams for Steam Turbine BladesChapter 12. Reaction vs. Impulse Type Steam TurbinesChapter 13. Transmission Elements for High-Speed Turbo-machineryChapter 14. Shortcut Graphical Methods of Turbine SelectionChapter 15. Elliott Shortcut Selection Method for Multivalve, Multistage TurbinesChapter 16. Rerates, Upgrades, and ModificationsAppendix A: GlossaryAppendix B: Units of MeasurementBibliography and List of ContributorsIndex

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Book SynopsisThis book presents the latest research development on fibre reinforced cementitious materials, especially those related to ageing and durability. The book forms the Proceedings of the International Symposium held at Sheffield in July 1992, the latest in a series of RILEM symposia on this subject, organised by RILEM Technical Committee 102-AFC Ageing and Durability to Fibre Cement Composites.Trade Review"This book provides a comprehensive updating on recent research and development into these materials from over 100 leading specialists from all parts of the world." - Concrete AbstractsTable of ContentsPreface. Keynote papers: Fibre reinforced concrete - where do we go from here? - B I G Barr, UK. Performance driven design of fibre reinforced cementitious composites - V C Li, USA. "From forest to factory to fabrication" - R S P Coutts, Australia. Part titles: New fibres, fabrication, early age and strength properties. Engineering properties, dynamic behaviour. Fracture behaviour. Modelling. Structural behaviour. Applications. Ageing and durability. Special fibres, natural fibres. Synthetic fibres and reinforcement. Ferrocement. Author index. Subject index.

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Book SynopsisFractography of Glasses and Ceramics VI contains 25 papers presented at The Sixth Conference on the Fractography of Glasses and Ceramics held June 5-8, 2011 in Jacksonville, Florida. Papers deal with a variety of ceramics (silicon nitride, alumina, nanocomposites, laminates, dental ceramics, ceria, and zirconia), and glasses.Table of ContentsPreface ix Dedication: Roy W. Rice xi In Memoriam: Janet B. Quinn xiii A History of the Fractography of Glasses and Ceramics 1 George D. Quinn The Effect of Defects and Materials Texture on the Fracture of Low-Pressure Injection Moulded Alumina Components 57 Tanja Lube, Roger Morrell, and Irina Kraleva Single Edge V-Notch Fractography of Engineering Ceramics 65 Jasbir Singh Aujla and Kevin Kibble Roughness of Silica Glass Sub-Critical Fracture Surfaces 77 Gael Pallares, Frédéric Lechenault, Matthieu George, Elisabeth Bouchaud, Cindy L. Rountree, and Matteo Ciccotti Fractography in the Development of Ion-Exchanged Cover Glass 85 G.S. Glaesemann, T.M. Gross, J.F. Bayne, and J.J. Price Crack Branching in Glass Interface Driven by Dynamic Loading 95 Hwun Park and Weinong Chen A Strain Energy Release Rate Criterion for Formation of the Mirror/Mist Boundary, Depiction on the (G,R) vs. DeltaC Universal Energy Diagram 101 Richard C. Bradt Scratch Damage in Ion-Exchanged Alkali Aluminosilicate Glass: Crack Evolution and the Dependence of Lateral Cracking Threshold on Contact Geometry 113 Timothy M. Gross Fractography Lessons from Knapping 123 Are Tsirk Failure and Damage Mechanisms in Ceramic Nanocomposites 133 Jan Dusza Failure Analysis of Ceramic Laminates Using Quantitative Fractography and Fractal Geometry 149 J. J. Mecholsky, Jr. Fractographic Analysis of Broken Ceramic Dental Restorations 161 George D. Quinn, Kathleen Hoffman, S. Scherrer, U. Lohbauer, G. Amberger M. Karl, and J.R. Kelly Fractography of Ceramic Dental Implants 175 Stephan Hecht-Mijic Modes of Failure of Bonding Interfaces in Dentistry 193 Alvaro Delia Bona, John J. Mecholsky Jr. Qualitative and Quantitative Fractographic Analysis of All-Ceramic Fixed Partial Dentures 205 Marcsa Borba, Humberto N. Yoshimura, Jason A. Griggs, Paulo F. Cesar, and Alvaro Delia Bona Intrinsic Strength, Damage and Failure 213 C.R. Kurkjian The Notched Ball Test—Characterisation of Surface Defects and their Influence on Strength 225 Tanja Lube, Stefan Witschnig, Peter Supancic, Robert Danzer, and Oskar Schöppl Analytical Model for Improved Residual Surface Stress Approximation 235 Roberto Dugnani and Zixiao Pan Thermal Shock Behavior of Si3N4-Specimens—Influence of Annealing and Edges 245 Walter Harrer, Robert Danzer, and Karl Berroth A Fracture Analysis of Gadolinium-Doped Ceria Ceramics to Improve Strength and Reliability 255 Kouichi Yasuda, Kazuhiro Uemura, and Tadashi Shiota Triple Blind Fractography Study of Yttria-Stabilized Zirconia Thin-Film-Modified Porcelain 265 Robert L. Smith, Jeffrey Y. Thompson, Ryan N. Chan, Brian R. Stoner, Jeffrey R. Piascik, and John J. Mecholsky Jr. Residual Failure Due to Incomplete Sintering of Vitreous China Plumbing Fixtures 273 David L. Ahearn and Fred Schmidt Laminate Design Effects on the Fracture Patterns of Impact Resistance Glass Panels 281 J.L. Ladner, D.L. Ahearn, and R.C. Bradt Application of Fractography in Pharmaceutical Industry 289 Florian Maurer Using Replicas in Fractography of Glasses and Ceramics—Advantages and Pitfalls 299 James R. Varner Author Index 30

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Book SynopsisTable of ContentsOC Content available in eBook SS Student solution available in interactive e-text Preface iii 1 Introduction 1 1.1 Strategy of Experimentation 1 1.2 Some Typical Applications of Experimental Design 7 1.3 Basic Principles 11 1.4 Guidelines for Designing Experiments 13 1.5 A Brief History of Statistical Design 19 1.6 Summary: Using Statistical Techniques in Experimentation 20 2 Simple Comparative Experiments 22 2.1 Introduction 22 2.2 Basic Statistical Concepts 23 2.3 Sampling and Sampling Distributions 27 2.4 Inferences About the Differences in Means, Randomized Designs 32 2.4.1 Hypothesis Testing 32 2.4.2 Confidence Intervals 38 2.4.3 Choice of Sample Size 39 2.4.4 The Case Where 𝜎21 ≠ 𝜎22 43 2.4.5 The Case Where 𝜎21 and 𝜎22 Are Known 45 2.4.6 Comparing a Single Mean to a Specified Value 46 2.4.7 Summary 47 2.5 Inferences About the Differences in Means, Paired Comparison Designs 47 2.5.1 The Paired Comparison Problem 47 2.5.2 Advantages of the Paired Comparison Design 50 2.6 Inferences About the Variances of Normal Distributions 52 3 Experiments with a Single Factor: The Analysis of Variance 55 3.1 An Example 55 3.2 The Analysis of Variance 58 3.3 Analysis of the Fixed Effects Model 59 3.3.1 Decomposition of the Total Sum of Squares 60 3.3.2 Statistical Analysis 62 3.3.3 Estimation of the Model Parameters 66 3.3.4 Unbalanced Data 68 3.4 Model Adequacy Checking 68 3.4.1 The Normality Assumption 69 3.4.2 Plot of Residuals in Time Sequence 71 3.4.3 Plot of Residuals Versus Fitted Values 71 3.4.4 Plots of Residuals Versus Other Variables 76 3.5 Practical Interpretation of Results 76 3.5.1 A Regression Model 77 3.5.2 Comparisons Among Treatment Means 78 3.5.3 Graphical Comparisons of Means 78 3.5.4 Contrasts 79 3.5.5 Orthogonal Contrasts 82 3.5.6 Scheffé’s Method for Comparing All Contrasts 83 3.5.7 Comparing Pairs of Treatment Means 85 3.5.8 Comparing Treatment Means with a Control 88 3.6 Sample Computer Output 89 3.7 Determining Sample Size 93 3.7.1 Operating Characteristic and Power Curves 93 3.7.2 Confidence Interval Estimation Method 94 3.8 Other Examples of Single-Factor Experiments 95 3.8.1 Chocolate and Cardiovascular Health 95 3.8.2 A Real Economy Application of a Designed Experiment 97 3.8.3 Discovering Dispersion Effects 99 3.9 The Random Effects Model 101 3.9.1 A Single Random Factor 101 3.9.2 Analysis of Variance for the Random Model 102 3.9.3 Estimating the Model Parameters 103 3.10 The Regression Approach to the Analysis of Variance 109 3.10.1 Least Squares Estimation of the Model Parameters 110 3.10.2 The General Regression Significance Test 111 3.11 Nonparametric Methods in the Analysis of Variance 113 3.11.1 The Kruskal–Wallis Test 113 3.11.2 General Comments on the Rank Transformation 114 4 Randomized Blocks, Latin Squares, and Related Designs 115 4.1 The Randomized Complete Block Design 115 4.1.1 Statistical Analysis of the RCBD 117 4.1.2 Model Adequacy Checking 125 4.1.3 Some Other Aspects of the Randomized Complete Block Design 125 4.1.4 Estimating Model Parameters and the General Regression Significance Test 130 4.2 The Latin Square Design 133 4.3 The Graeco-Latin Square Design 140 4.4 Balanced Incomplete Block Designs 142 4.4.1 Statistical Analysis of the BIBD 143 4.4.2 Least Squares Estimation of the Parameters 147 4.4.3 Recovery of Interblock Information in the BIBD 149 5 Introduction to Factorial Designs 152 5.1 Basic Definitions and Principles 152 5.2 The Advantage of Factorials 155 5.3 The Two-Factor Factorial Design 156 5.3.1 An Example 156 5.3.2 Statistical Analysis of the Fixed Effects Model 159 5.3.3 Model Adequacy Checking 164 5.3.4 Estimating the Model Parameters 167 5.3.5 Choice of Sample Size 169 5.3.6 The Assumption of No Interaction in a Two-Factor Model 170 5.3.7 One Observation per Cell 171 5.4 The General Factorial Design 174 5.5 Fitting Response Curves and Surfaces 179 5.6 Blocking in a Factorial Design 188 6 The 2k Factorial Design 194 6.1 Introduction 194 6.2 The 22 Design 195 6.3 The 23 Design 203 6.4 The General 2k Design 215 6.5 A Single Replicate of the 2k Design 218 6.6 Additional Examples of Unreplicated 2k Designs 231 6.7 2k Designs are Optimal Designs 243 6.8 The Addition of Center Points to the 2k Design 248 6.9 Why We Work with Coded Design Variables 253 7 Blocking and Confounding in the 2k Factorial Design 256 7.1 Introduction 256 7.2 Blocking a Replicated 2k Factorial Design 256 7.3 Confounding in the 2k Factorial Design 259 7.4 Confounding the 2k Factorial Design in Two Blocks 259 7.5 Another Illustration of Why Blocking is Important 267 7.6 Confounding the 2k Factorial Design in Four Blocks 268 7.7 Confounding the 2k Factorial Design in 2p Blocks 270 7.8 Partial Confounding 271 8 Two-Level Fractional Factorial Designs 274 8.1 Introduction 274 8.2 The One-Half Fraction of the 2k Design 275 8.2.1 Definitions and Basic Principles 275 8.2.2 Design Resolution 278 8.2.3 Construction and Analysis of the One-Half Fraction 278 8.3 The One-Quarter Fraction of the 2k Design 290 8.4 The General 2k−pFractional Factorial Design 297 8.4.1 Choosing a Design 297 8.4.2 Analysis of 2k−pFractional Factorials 300 8.4.3 Blocking Fractional Factorials 301 8.5 Alias Structures in Fractional Factorials and Other Designs 306 8.6 Resolution III Designs 308 8.6.1 Constructing Resolution III Designs 308 8.6.2 Fold Over of Resolution III Fractions to Separate Aliased Effects 310 8.6.3 Plackett–Burman Designs 313 8.7 Resolution IV and V Designs 322 8.7.1 Resolution IV Designs 322 8.7.2 Sequential Experimentation with Resolution IV Designs 323 8.7.3 Resolution V Designs 329 8.8 Supersaturated Designs 329 8.9 Summary 331 9 Additional Design and Analysis Topics for Factorial and Fractional Factorial Designs 332 9.1 The 3k Factorial Design 333 9.1.1 Notation and Motivation for the 3k Design 333 9.1.2 The 32 Design 334 9.1.3 The 33 Design 335 9.1.4 The General 3k Design 340 9.2 Confounding in the 3k Factorial Design 340 9.2.1 The 3k Factorial Design in Three Blocks 340 9.2.2 The 3k Factorial Design in Nine Blocks 343 9.2.3 The 3k Factorial Design in 3p Blocks 344 9.3 Fractional Replication of the 3k Factorial Design 345 9.3.1 The One-Third Fraction of the 3k Factorial Design 345 9.3.2 Other 3k−pFractional Factorial Designs 348 9.4 Factorials with Mixed Levels 349 9.4.1 Factors at Two and Three Levels 349 9.4.2 Factors at Two and Four Levels 351 9.5 Nonregular Fractional Factorial Designs 352 9.5.1 Nonregular Fractional Factorial Designs for 6, 7, and 8 Factors in 16 Runs 354 9.5.2 Nonregular Fractional Factorial Designs for 9 Through 14 Factors in 16 Runs 362 9.5.3 Analysis of Nonregular Fractional Factorial Designs 368 9.6 Constructing Factorial and Fractional Factorial Designs Using an Optimal Design Tool 369 9.6.1 Design Optimality Criterion 370 9.6.2 Examples of Optimal Designs 370 9.6.3 Extensions of the Optimal Design Approach 378 10 Fitting Regression Models 382 10.1 Introduction 382 10.2 Linear Regression Models 383 10.3 Estimation of the Parameters in Linear Regression Models 384 10.4 Hypothesis Testing in Multiple Regression 395 10.4.1 Test for Significance of Regression 395 10.4.2 Tests on Individual Regression Coefficients and Groups of Coefficients 397 10.5 Confidence Intervals in Multiple Regression 399 10.5.1 Confidence Intervals on the Individual Regression Coefficients 400 10.5.2 Confidence Interval on the Mean Response 400 10.6 Prediction of New Response Observations 401 10.7 Regression Model Diagnostics 402 10.7.1 Scaled Residuals and PRESS 402 10.7.2 Influence Diagnostics 405 10.8 Testing for Lack of Fit 405 11 Response Surface Methods and Designs 408 11.1 Introduction to Response Surface Methodology 408 11.2 The Method of Steepest Ascent 411 11.3 Analysis of a Second-Order Response Surface 416 11.3.1 Location of the Stationary Point 416 11.3.2 Characterizing the Response Surface 418 11.3.3 Ridge Systems 424 11.3.4 Multiple Responses 425 11.4 Experimental Designs for Fitting Response Surfaces 430 11.4.1 Designs for Fitting the First-Order Model 430 11.4.2 Designs for Fitting the Second-Order Model 430 11.4.3 Blocking in Response Surface Designs 437 11.4.4 Optimal Designs for Response Surfaces 440 11.5 Experiments with Computer Models 454 11.6 Mixture Experiments 461 11.7 Evolutionary Operation 472 12 Robust Parameter Design and Process Robustness Studies 477 12.1 Introduction 477 12.2 Crossed Array Designs 479 12.3 Analysis of the Crossed Array Design 481 12.4 Combined Array Designs and the Response Model Approach 484 12.5 Choice of Designs 490 13 Experiments with Random Factors 493 13.1 Random Effects Models 493 13.2 The Two-Factor Factorial with Random Factors 494 13.3 The Two-Factor Mixed Model 500 13.4 Rules for Expected Mean Squares 505 13.5 Approximate F-Tests 508 13.6 Some Additional Topics on Estimation of Variance Components 512 13.6.1 Approximate Confidence Intervals on Variance Components 512 13.6.2 The Modified Large-Sample Method 516 14 Nested and Split-Plot Designs 518 14.1 The Two-Stage Nested Design 518 14.1.1 Statistical Analysis 519 14.1.2 Diagnostic Checking 524 14.1.3 Variance Components 526 14.1.4 Staggered Nested Designs 526 14.2 The General m-Stage Nested Design 528 14.3 Designs with Both Nested and Factorial Factors 530 14.4 The Split-Plot Design 534 14.5 Other Variations of the Split-Plot Design 540 14.5.1 Split-Plot Designs with More Than Two Factors 540 14.5.2 The Split-Split-Plot Design 545 14.5.3 The Strip-Split-Plot Design 549 15 Other Design and Analysis Topics (Available in e-text for students) W-1 Problems P-1 Appendix A-1 Table I. Cumulative Standard Normal Distribution A-2 Table II. Percentage Points of the t Distribution A-4 Table III. Percentage Points of the 𝜒 2 Distribution A-5 Table IV. Percentage Points of the F Distribution A-6 Table V. Percentage Points of the Studentized Range Statistic A-11 Table VI. Critical Values for Dunnett’s Test for Comparing Treatments with a Control A-13 Table VII. Coefficients of Orthogonal Polynomials A-15 Table VIII. Alias Relationships for 2k−pFractional Factorial Designs with k ≤ 15 and n ≤ 64 A-16 OC Bibliography (Available in e-text for students) B-1 Index I-1

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Book SynopsisTable of ContentsPreface Chapter 1: Overview 1.0 Introduction 1.1 Understanding Project Management 1.2 Defining Project Success 1.3 Trade-Offs and Competing Constraints 1.4 The Entry-Level Project Manager 1.5 The Talent Triangle 1.6 Technology-Based Projects 1.7 The Project Manager–Line Manager Interface 1.8 Defining the Project Manager’s Role 1.9 Defining the Functional Manager’s Role 1.10 Defining the Functional Employee’s Role 1.11 Defining the Executive’s Role 1.12 Working with Executives 1.13 Committee Sponsorship/Governance 1.14 The Project Manager as the Planning Agent 1.15 Project Champions 1.16 Project-Driven Versus Non–Project-Driven Organizations 1.17 Marketing in the Project-Driven Organization 1.18 Classification of Projects 1.19 Location of the Project Manager 1.20 Differing Views of Project Management 1.21 Public-Sector Project Management 1.22 International Project Management 1.23 Concurrent Engineering: A Project Management Approach 1.24 Added Value 1.25 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Williams Machine Tool Company Chapter 2: Project Management Growth: Concepts and Definitions 2.0 Introduction 2.1 The Evolution of Project Management: 1945–2021 2.2 Resistance to Change 2.3 Systems, Programs, and Projects: A Definition 2.4 Projects versus Operations 2.5 Product versus Project Management: A Definition 2.6 Maturity and Excellence: A Definition 2.7 Informal Project Management: A Definition 2.8 The Many Faces of Success 2.9 The Many Faces of Failure 2.10 Causes of Project Failure 2.11 Degrees of Success and Failure 2.12 Project Health Checks 2.13 The Stage-Gate Process 2.14 Project Life Cycles 2.15 Gate Review Meetings (Project Closure) 2.16 Engagement Project Management 2.17 Project Management Methodologies: A Definition 2.18 From Enterprise Project Management Methodologies to Frameworks 2.19 Growth of Strategic Project Management 2.20 Business Models 2.21 Methodologies Can Fail 2.22 Lean Project Management 2.23 Organizational Change Management and Corporate Cultures 2.24 Benefits Harvesting and Cultural Change 2.25 Agile and Adaptive Project Management Cultures 2.26 Project Management Intellectual Property 2.27 Systems Thinking 2.28 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Creating a Methodology Chapter 3: Organizational Structures 3.0 Introduction 3.1 Organizational Work Flow 3.2 Traditional (Classical) Organization 3.3 Pure Product (Projectized) Organization 3.4 Matrix Organizational Form 3.5 Modification of Matrix Structures 3.6 The Strong, Weak, or Balanced Matrix 3.7 Project Management Offices 3.8 Selecting the Organizational Form 3.9 Strategic Business Unit (SBU) Project Management 3.10 Transitional Management 3.11 Seven Fallacies That Delay Project Management Maturity 3.12 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 4: Organizing and Staffing the Project Office and Team 4.0 Introduction 4.1 The Staffing Environment 4.2 Selecting the Project Manager: An Executive Decision 4.3 Skill Requirements for Project and Program Managers 4.4 Special Cases in Project Manager Selection 4.5 Today’s Project Managers 4.6 Duties and Job Descriptions 4.7 The Organizational Staffing Process 4.8 The Project Office 4.9 The Functional Team 4.10 The Project Organizational Chart 4.11 Selecting the Project Management Implementation Team 4.12 Mistakes Made by Inexperienced Project Managers 4.13 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 5: Management Functions 5.0 Introduction 5.1 Controlling 5.2 Directing 5.3 Project Authority 5.4 Interpersonal Influences 5.5 Barriers to Project Team Development 5.6 Suggestions for Handling the Newly Formed Team 5.7 Team Building as an Ongoing Process 5.8 Leadership in a Project Environment 5.9 Value-Based Project Leadership 5.10 Transformational Project Management Leadership 5.11 Organizational Impact 5.12 Employee–Manager Problems 5.13 General Management Pitfalls 5.14 Time Management Pitfalls 5.15 Management Policies and Procedures 5.16 Human Behavior Education 5.17 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Trophy Project Case Study: McRoy Aerospace Case Study: The Poor Worker Case Study: The Prima Donna Case Study: The Reluctant Workers Case Study: Leadership Effectiveness (A) Case Study: Leadership Effectiveness (B) Chapter 6: Communications Management 6.0 Introduction 6.1 Modeling the Communications Environment 6.2 The Project Manager as a Communicator 6.3 Project Review Meetings 6.4 Project Management Bottlenecks 6.5 Active Listening 6.6 Communication Traps 6.7 Project Problem Solving 6.8 Using Action Items 6.9 Brainstorming 6.10 Predicting the Outcome of a Decision 6.11 Facilitation 6.12 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Communication Failures Case Study: The Team Meeting Chapter 7: Conflicts 7.0 Introduction 7.1 The Conflict Environment 7.2 Types of Conflicts 7.3 Conflict Resolution 7.4 The Management of Conflicts 7.5 Conflict Resolution Modes 7.6 Understanding Superior, Subordinate, and Functional Conflicts 7.7 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Problems Case Study: Facilities Scheduling at Mayer Manufacturing Case Study: Telestar International Case Study: Handling Conflict in Project Management Chapter 8: Special Topics 8.0 Introduction 8.1 Performance Measurement 8.2 Financial Compensation and Rewards 8.3 Effective Project Management in the Small Business Organization 8.4 Mega Projects 8.5 Morality, Ethics, and the Corporate Culture 8.6 Professional Responsibilities 8.7 Internal and External Partnerships 8.8 Training and Education 8.9 Integrated Product/Project Teams 8.10 Virtual Project Teams 8.11 Managing Innovation Projects 8.12 Agile Project Management 8.13 Artificial Intelligence 8.14 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Is It Fraud? Chapter 9: The Variables for Success 9.0 Introduction 9.1 Predicting Project Success 9.2 Project Management Effectiveness 9.3 Expectations 9.4 Lessons Learned 9.5 Understanding Best Practices 9.6 Downside Risks of Best Practices 9.7 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Radiance International Chapter 10: Working with Executives 10.0 Introduction 10.1 The Project Sponsor 10.2 Handling Disagreements with the Sponsor 10.3 The Collective Belief 10.4 The Exit Champion 10.5 The In-House Representatives 10.6 Stakeholder Relations Management 10.7 Project Portfolio Management 10.8 Politics 10.9 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Prioritization of Projects Case Study: The Irresponsible Sponsors Case Study: Selling Executives on Project Management Chapter 11: Planning 11.0 Introduction 11.1 Business Case 11.2 Validating the Assumptions 11.3 Validating the Objectives 11.4 General Planning 11.5 Life-Cycle Phases 11.6 Life-Cycle Milestones 11.7 Kickoff Meetings 11.8 Understanding Participants’ Roles 11.9 Establishing Project Objectives 11.10 The Statement of Work 11.11 Project Specifications 11.12 Data Item Milestone Schedules 11.13 Work Breakdown Structure 11.14 WBS Decomposition Problems 11.15 Work Breakdown Structure Dictionary 11.16 Project Selection 11.17 Role of the Executive in Planning 11.18 Management Cost and Control System 11.19 Work Planning Authorization 11.20 Why Do Plans Fail? 11.21 Stopping Projects 11.22 Handling Project Phaseouts and Transfers 11.23 Detailed Schedules and Charts 11.24 Master Production Scheduling 11.25 Project Plan 11.26 The Project Charter 11.27 Project Baselines 11.28 Verification and Validation 11.29 Management Control 11.30 Configuration Management 11.31 Enterprise Project Management Methodologies 11.32 Project Audits 11.33 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 12: Network Scheduling Techniques 12.0 Introduction 12.1 Network Fundamentals 12.2 Graphical Evaluation and Review Technique (GERT) 12.3 Dependencies 12.4 Slack Time 12.5 Network Replanning 12.6 Estimating Activity Time 12.7 Estimating Total Project Time 12.8 Total Pert/CPM Planning 12.9 Crash Times 12.10 PERT/CPM Problem Areas 12.11 Alternative PERT/CPM Models 12.12 Precedence Networks 12.13 Lag 12.14 Scheduling Problems 12.15 The Myths of Schedule Compression 12.16 Project Management Software 12.17 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Invisible Sponsor Chapter 13: Pricing and Estimating 13.0 Introduction 13.1 Global Pricing Strategies 13.2 Types of Estimates 13.3 Pricing Process 13.4 Organizational Input Requirements 13.5 Labor Distributions 13.6 Overhead Rates 13.7 Materials/Support Costs 13.8 Pricing out the Work 13.9 Smoothing Out Department Man-Hours 13.10 The Pricing Review Procedure 13.11 Systems Pricing 13.12 Developing the Supporting/Backup Costs 13.13 The Low-Bidder Dilemma 13.14 Special Problems 13.15 Estimating Pitfalls 13.16 Estimating High-Risk Projects 13.17 Project Risks 13.18 The Disaster of Applying the 10 Percent Solution to Project Estimates 13.19 Life-Cycle Costing (LCC) 13.20 Logistics Support 13.21 Economic Project Selection Criteria: Capital Budgeting 13.22 Payback Period 13.23 The Time Value of Money and Discounted Cash Flow (DCF) 13.24 Net Present Value (NPV) 13.25 Internal Rate of Return (IRR) 13.26 Comparing IRR, NPV, and Payback 13.27 Risk Analysis 13.28 Capital Rationing 13.29 Project Financing 13.30 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Estimating Problem Chapter 14: Cost Control 14.0 Introduction 14.1 Understanding Control 14.2 The Operating Cycle 14.3 Cost Account Codes 14.4 Budgets 14.5 The Earned Value Measurement System (EVMS) 14.6 Variance and Earned Value 14.7 The Cost Baseline 14.8 Justifying the Costs 14.9 The Cost Overrun Dilemma 14.10 Recording Material Costs Using Earned Value Measurement 14.11 Material Variances: Price and Usage 14.12 Summary Variances 14.13 Status Reporting 14.14 Cost Control Problems 14.15 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Bathtub Period Case Study: Franklin Electronics Chapter 15: Metrics 15.0 Introduction 15.1 Project Management Information Systems 15.2 Enterprise Resource Planning 15.3 Project Metrics 15.4 Key Performance Indicators (KPIs) 15.5 Growth of New Metrics and KPIs 15.6 Value-Based Metrics 15.7 Strategic Metrics 15.8 Metrics for Measuring Intangible Assets 15.9 Dashboards and Scorecards 15.10 Metrics Feedback 15.11 Metrics and Customer Relations Management 15.12 Business Intelligence 15.13 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 16: Trade-off Analysis in a Project Environment 16.0 Introduction 16.1 Methodology for Trade-Off Analysis 16.2 Contracts: Their Influence on Projects 16.3 Industry Trade-Off Preferences 16.4 Project Manager’s Control of Trade-Offs 16.5 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 17: Risk Management 17.0 Introduction 17.1 Definition of Risk 17.2 Tolerance for Risk 17.3 Definition of Risk Management 17.4 Certainty, Risk, and Uncertainty 17.5 Risk Management Process 17.6 Plan Risk Management 17.7 Risk Identification 17.8 Risk Analysis 17.9 Qualitative Risk Analysis 17.10 Quantitative Risk Analysis 17.11 Plan Risk Response 17.12 Monitor and Control Risks 17.13 Some Implementation Considerations 17.14 The Use of Lessons Learned 17.15 Dependencies between Risks 17.16 The Impact of Risk Handling Measures 17.17 Risk and Concurrent Engineering 17.18 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Teloxy Engineering (A) Case Study: Teloxy Engineering (B) Case Study: The Risk Management Department Chapter 18: Learning Curves 18.0 Introduction 18.1 General Theory 18.2 The Learning Curve Concept 18.3 Graphic Representation 18.4 Key Words Associated with Learning Curves 18.5 The Cumulative Average Curve 18.6 Sources of Experience 18.7 Developing Slope Measures 18.8 Unit Costs and Use of Midpoints 18.9 Selection of Learning Curves 18.10 Follow-on Orders 18.11 Manufacturing Breaks 18.12 Learning Curve Limitations 18.13 Competitive Weapon 18.14 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 19: Contract Management 19.0 Introduction 19.1 Procurement 19.2 Plan Procurements 19.3 Conducting the Procurements 19.4 Conduct Procurements: Request Seller Responses 19.5 Conduct Procurements: Select Sellers 19.6 Types of Contracts 19.7 Incentive Contracts 19.8 Contract Type versus Risk 19.9 Contract Administration 19.10 Contract Closure 19.11 Using a Checklist 19.12 Proposal-Contractual Interaction 19.13 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: To Bid or Not to Bid Case Study: The Management Reserve Chapter 20: Quality Management 20.0 Introduction 20.1 Definition of Quality 20.2 The Quality Movement 20.3 Quality Management Concepts 20.4 The Cost of Quality 20.5 The Seven Quality Control Tools 20.6 Acceptance Sampling 20.7 Implementing Six Sigma 20.8 Quality Leadership 20.9 Responsibility for Quality 20.10 Quality Circles 20.11 Total Quality Management (TQM) 20.12 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 21: Modern Developments in Project Management 21.0 Introduction 21.1 The Project Management Maturity Model (PMMM) 21.2 Developing Effective Procedural Documentation 21.3 Project Management Methodologies 21.4 Continuous Improvement 21.5 Capacity Planning 21.6 Competency Models 21.7 Managing Multiple Projects 21.8 The Business of Scope Changes 21.9 End-of-Phase Review Meetings Case Study: Honicker Corporation Case Study: Kemko Manufacturing Appendix A: Solution to Leadership Exercise Appendix B: Solutions to the Project Management Conflict Exercise Appendix C: Dorale Products Case Studies Appendix D: Solutions to the Dorale Products Case Studies Appendix E: Alignment of the PMBOK® Guide, 6e to the Text Appendix F: Alignment of the PMBOK® Guide, 7e to the Text Index

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Book SynopsisR.C. Hibbeler graduated from the University of Illinois-Urbana with a B.S. in Civil Engineering (major in Structures) and an M.S. in Nuclear Engineering. He obtained his PhD in Theoretical and Applied Mechanics from Northwestern University. Professor Hibbeler's professional experience includes postdoctoral work in reactor safety and analysis at Argonne National Laboratory, and structural and stress analysis work at Chicago Bridge and Iron, as well as at Sargent and Lundy in Chicago. He has practiced engineering in Ohio, New York, and Louisiana.

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Book SynopsisLehrbuch der Elektrochemie Dieses Lehrbuch für Studierende der Chemie, Physik sowie der Material- und Ingenieurwissenschaften behandelt in einem einheitlichen Rahmen die Grundlagen, Methoden, Materialien und Anwendungen der modernen Elektrochemie in Forschung und Industrie. Der erste Teil erläutert die Prinzipien der Elektrochemie — Elektrodenreaktion, Thermodynamik, Kinetik und Transportprozesse auf dem Niveau typischer Bachelor-Studiengänge. Die folgenden Teile schlagen Brücken zur aktuellen Fachliteratur und sind für Vertiefungsphasen und das Master-Studium konzipiert. Im zweiten Teil werden elektrochemische Messtechniken zur Konzentrationsbestimmung sowie zur Aufklärung von Reaktionsmechnismen und Grenzflächenstrukturen vorgestellt. Der dritte Teil befasst sich mit den Themen Galvanik, Halbleiter, Festkörperelektrolyte, Elektrokatalysatoren und modifizierte Elektroden, also den materialwissenschaftlichen Aspekten der Elektrochemie. Der letzte Teil stellt exemplarisch wichtige Anwendungsfelder der Elektrochemie vor und spannt den Bogen von Korrosionuntersuchungen über die Umwandlung und Speicherung von Energie bis hin zur technischen Elektrolyse und zu Biosensoren. Klarer, modularer Aufbau: Die Trennung in Grundlagenkapitel und weiterführende Themen ermöglicht den Einsatz in unterschiedlichen Studiengängen, sowohl auf Bachelor- als auch auf Master-Niveau. Didaktisch ausgefeilt: Anschauliche Darlegungen mithilfe von mehr als 800 Abbildungen, Schlüsselkonzepten und zahlreichen Hinweisen auf Fallstricke und häufige Fehler. Zahlreiche Anwendungsbeispiele verdeutlichen den Querschnittscharakter der Elektrochemie. Perfekt zur Prüfungsvorbereitung: Einfache Lernkontrolle durch Verständnisfragen innerhalb und Aufgaben am Ende der Kapitel. Mit seiner Kombination von Grundlagen, Methoden, Materialien und Anwendungen vermittelt dieses moderne Lehrbuch ein umfassendes Bild der Elektrochemie an der Schnittstelle von Chemie, Material-wissenschaft, Energie- und Elektrotechnik.Trade ReviewSehr umfangreiches, schön aufbereitetes Lehrbuch! Eignet sich besonders auch als Nachschlagewerk. J.-Prof. Dr. Bertold Rasche, Universität Stuttgart, Anorganische Chemie (11/2023) Ein sehr gutes Lehrbuch über die grundlegenden Aspekte der Elektrochemie, das zukünftigen Ingenieuren das wichtige Thema der Elektrochemie näher bringt. Prof. Dr.-Ing. Robert Meißner, TU Hamburg, Maschinenbau (2024)Table of ContentsSymbole für physikochemische Größen in diesem Buch xvii Abkürzungen in diesem Buch xxvii Noch ein Lehrbuch der Elektrochemie, muss das wirklich sein? 1 Elektrochemie – schon lange etabliert, aber immer noch kompliziert? 1 Was dürfen Sie nun von dem Fachgebiet und dem Buch erwarten? 2 Historische und aktuelle Lehrbücher 4 Danksagung 5 Bildquellen 6 Teil I Grundlagen 9 1 Die Elektrodenreaktion – der Kern der Elektrochemie 11 2 Die Thermodynamik elektrochemischer Reaktionen 25 3 Die elektrochemische Kinetik – Homogene und heterogene Prozesse 85 4 Massentransport und Randschichten 115 Teil II Untersuchungsmethoden der Elektrochemie 189 5 Elektroanalytische Methoden und elektrochemische Sensoren 191 6 Aufklärung elektrochemischer Reaktionsmechanismen in flüssigen Elektrolyten 297 7 Elektrochemische Impedanzspektroskopie 371 8 Untersuchung von Grenzflächenstrukturen 395 Teil III Materialien von und für Elektrochemie 533 9 Elektrochemische Materialabscheidung 535 10 Halbleiterelektrochemie 571 11 Festkörperelektrolyte und andere unkonventionelle Elektrolytsysteme 615 12 Elektrokatalyse 651 13 Modifizierte Elektroden 697 Teil IV Anwendungen 747 14 Korrosion und Korrosionsschutz 749 15 Batterien 801 16 Brennstoffzellen 861 17 Elektrosynthesen in Labor und Industrie 895 18 Bioelektrochemie 939 Index 1019

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Book SynopsisDer 'Callister' bietet den gesamten Stoff der Materialwissenschaften und Werkstofftechnik für Studium und Prüfungsvorbereitung. Hervorragend aufbereitet und in klarer, prägnanter Sprache wird das gesamte Fachgebiet anschaulich dargestellt. Das erprobte didaktische Konzept zielt ab auf 'Verständnis vor Formalismus' und unterstützt den Lernprozess der Studierenden: * ausformulierte Lernziele * regelmäßig eingestreute Verständnisfragen zum gerade vermittelten Stoff * Kapitelzusammenfassungen mit Lernstoff, Gleichungen, Schlüsselwörtern und Querverweisen auf andere Kapitel * durchgerechnete Beispiele, Fragen und Antworten sowie Aufgaben und Lösungen * Exkurse in die industrielle Anwendung * an den deutschen Sprachraum angepasste Einheiten und Werkstoffbezeichnungen * durchgehend vierfarbig illustriert * Verweise auf elektronisches Zusatzmaterial Der 'Callister' ist ein Muss für angehende Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker an Universitäten und Fachhochschulen - und ideal geeignet für Studierende aus Physik, Chemie, Maschinenbau und Bauingenieurwesen, die sich mit den Grundlagen des Fachs vertraut machen möchten.Trade Review"Das Werk bietet eine sehr gute Einführung in die Werkstoffkunde. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Vermittlung übertragbaren Wissens und nicht auf der reinen Abhandlung verschiedener Werkstoffe. Unterstützt wird dieser Lernprozess durch viele und vielfältige Übungsaufgaben. Das Wissen wird m.E. aufgrund der klaren Sprache unterstützt durch ein reduziertes Layout sehr verständlich vermittelt. Detaillierte Anhänge zu Werkstoffkennwerten runden das Gesamtbild dieses Werks sehr gut ab." Prof. Dr.-Ing. Jörg Kolbe, Fachhochschule Südwestfalen Standort Meschede "Das Buch bietet eine sehr anschauliche Einführung in die Thematik und ist hervorragend illustriert. Sehr hilfreich für untere Semester sind auch die zahlreichen Beispiele und Übungsaufgaben, die Lernen und Verständnis unterstützen. Hilfreich sind auch die Lernziele am Anfang der Kapitel und die abschließenden Zusammenfassungen." Prof. Dr. Jörg Meyer, Hochschule Hamm-Lippstadt (10/2013) "Hervorragend aufbereitet und in klarer, prägnanter Sprache." GIESSEREI Rundschau (3-4/2013, 04.04.2013) "ein Lehrbuch auf der Höhe der Zeit [...], das den Spagat zwischen wissenschaftlicher Präzision und rasch fortschreitendem Praxiswissen gut bewältigt." chemiereport.at (Nr. 1/2013, 04.02.2013) "Zu diesem Werk kann man nur gratulieren." Der Wärmebehandlungsmarkt (Nr. 1/2013) "übersichtlich gestaltet[...] und gut illustriert" ekz bibliotheksservice (Nr. 13/2013) "Der dargebotene Stoff ist hervorragend aufbereitet" F&S (Nr. 1/2013) "ein Muss für angehende Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker" Journal of Heat Treatment and Materials (Nr. 1/2013) "didaktisch ausgezeichnet[...]" METALL (Nr. 1-2/2013, 10.01.2013) "Die Vorzüge dieses Lehrbuchs: Es beschränkt sich nicht auf Teilaspekte, sondern bietet den Blick auf das große Ganze." stahl und eisen (1/2013, 17.01.2013) "das einzige deutschsprachige Buch, das den vereinheitlichten Lehrstoff nach der Umstellung auf Bachelor- und Masterabschlüsse vollständig abdeckt." MaterialsViews.com (22.11.2012) "Der 'Callister' schafft es, ein Themengebiet so verständlich und detailliert zu erklären, dass zusätzliche begleitende Literatur nicht nötig ist." GIT-labor.de (13.11.2012) "Der Callister ist eine 'Bibel' für die Materialwissenschaften und geht detailliert auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen und deren Messmethoden ein." Prof. Iris Hermann-Geppert, Hochschule Mittweida Table of ContentsEinfuhrung Aufbau des Atoms und interatomare Bindung Strukturen idealer kristalliner Festkorper Defekte in realen Festkorpern Diffusion Mechanische Eigenschaften von Metallen Versetzungen und Hartungsmechanismen Materialversagen Phasendiagramme Phasenubergange in Metallen: Mikrostrukturentwicklung und veranderte mechanische Eigenschaften Anwendung und Verarbeitung von Metalllegierungen Strukturen und Eigenschaften keramischer Werkstoffe Anwendung und Verarbeitung keramischer Werkstoffe Polymerstrukturen Eigenschaften, Anwendung und Verarbeitung von Polymeren Verbundwerkstoffe Materialkorrosion und -zersetzung Elektrische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Magnetische Eigenschaften Optische Eigenschaften Materialauswahl und Entwurf Wirtschafts-, Umwelt- und Gesellschaftsaspekte Anhang A: SI-Einheiten Anhang B: Eigenschaften ausgewahlter Werkstoffe Anhang C: Kosten ausgewahlter Werkstoffe Anhang D: Grundstrukturen ausgewahlter Polymere Anhang E: Glasubergangstemperaturen und Schmelzpunkte ausgewahlter Polymermaterialien Glossar Losungen ausgewahlter Aufgaben Register

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Book SynopsisHandbook of Self-Cleaning Surfaces and Materials The first truly comprehensive work on this rapidly developing field in two volumes Self-cleaning surfaces are those that can be cleaned, for instance, by sun or rainwater, without human intervention. They are sometimes found in nature but developing man-made equivalents has been a major area of nanotechnology research in recent years. Self-cleaning tiles, glasses, paints, and textiles have been developed to date, and the number of applications for this technology is growing. Handbook of Self-Cleaning Surfaces and Materials provides a comprehensive overview of this field of study. It includes two volumes, with the first presenting the basic principles of the field and the second supplying specific examples and applications. It is a one-stop shop for anyone looking to familiarize themselves with this area of technological research, as well as for existing professionals who want a handy and thorough reference. Readers of the Handbook of Self-Cleaning Surfaces and Materials will also find: An editor and contributor team with decades of experience in both academic and industrial research Detailed treatment of subjects including TiO2 photocatalysis, hydrophobic self-cleaning surfaces, and more Figures throughout illustrating important concepts and chemical formulas Handbook of Self-Cleaning Surfaces and Materials is an essential resource for researchers and industry professionals in chemistry, surface physics, and materials science.Table of ContentsVOLUME I Introduction: Photoprocesses Overview Mechanisms of Photo-Induced Oxidative Decomposition Reaction Mechanisms for TiO2 Powder Photocatalyzed Systems Mechanism of Photoinduced Superhydrophilicity Theoretical Investigation on Optical Signatures and Photochemical Properties of Photocatalytic Tio2 Surfaces Scientific Evaluation Methods in Photocatalysis Photocatalyst Activity Indicator Inks (PAII's) Fabrication of TiO2 Thin Films By Solution Processes and Preparation of Coating Solutions Morphology Control of TiO2 Particles Towards Highly Active Decomposition Under UV or Visible Light Development of Visible-Light-Driven Superhydrophilic Thin Films Nitrogen Doping Into TiO2 and Loading of Cocatalysts Towards Enhanced Photooxidation Under Visible Light Electronic States in Pure and Doped Anatase Tio2 Visible Light Photocatalysis Through Transition Metal Halide Modification Metal Ion Grafts Towards Visible-Light Response Lotus Effect and Related Surface Phenomena - Discovering A Biological Key Innovation for Biomimetic Super-Hydrophobicity and Self-Cleaning Self-Cleaning of Plant Leaves and Bioinspired Super-Antiwetting Surfaces Self-Cleaning Dry Adhesives VOLUME II Self-Cleaning Glass in Urban Environment Self-Cleaning Glass Nbxoy Nanosheet Film for Self-Cleaning Glass Self-Cleaning Coated Fabrics for Architectural Membrane Structures Photocatalytic Mediated Self-Cleaning of Natural and Artificial Fibers Under Daylight Irradiation at Ambient Temperature Application of Self-Cleaning Ceramic and Glass Insulators for Electricity Transmission Tio2-Ag Antibacterial Coating for Biomedical Uses Tio2 Nanotubes and Their Photocatalytic Applications Anti-Bioadhesive Materials No Ice Left Behind Surface Factors for Static/Dynamic Hydrophobicity and Their Evaluation Superhydrophobic Anticorrosion Coatings Regenerable Hydrophobic-Hydrophilic Patterned Surfaces for Printing

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Book SynopsisElektrochemische Energiewandler und -speicher Ein einführendes Lehrbuch zur elektrochemischen Energieumwandlung und-speicherung, das die aktuellen und zukünftigen Energieperspektiven berücksichtigt Elektrochemische Energiewandler und -speicher schlieβt eine Lücke in der Literatur, indem es eine umfassende Beschreibung der Grundlagen und einen detaillierten Überblick über die realen, praktischen Anwendungen der elektrochemischen Energiespeicherung und-umwandlung bietet. Das von zwei anerkannten Experten zu diesem Thema geschriebene Lehrbuch behandelt sowohl die Grundlagen der Energieumwandlung und -speicherung als auch die Arten der Umwandlung und Speicherung von elektrischer Energie unter besonderer Berücksichtigung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Das Buch richtet sich sowohl an Studierende als auch an Fachleute und deckt ein breites Spektrum an Themen ab, das von thermodynamischen, kinetischen und elektrochemischen Grundlagen bis hin zu einer vollständigen Darstellung aller elektrochemischen Systeme für die Energieumwandlung und -speicherung reicht. Zahlreiche Abbildungen, Beispiele und Beschreibungen praktischer Anwendungen erleichtern das Verständnis des dargestellten Materials. Dieses wichtige Lehrbuch: Bietet eine dringend benötigte Einführung in die Grundlagen und jüngsten Entwicklungen der elektrochemischen Energietechnik Beleuchtet die Prozesse und Anwendungen der Energieumwandlung und -speicherung Liefert Informationen über experimentelle Methoden Elektrochemische Energiewandler und -speicher richtet sich an Studierende der Chemie, der Materialwissenschaften und der Ingenieurwissenschaften und beantwortet die Nachfrage nach einer aktuellen Einführung in dieses wichtige Thema.Table of ContentsGeleitwort xi Vorwort xiii Akronyme, Begriffe und Definitionen xv 1 Prozesse und Anwendungen der Energiewandlung und -speicherung 1 Weiterführende Literatur 22 2 Elektrochemische Prozesse und Systeme 23 2.1 Parasitäre Reaktionen 32 2.2 Selbstentladung 33 2.3 Systemverschlechterung 36 2.3.1 Alterung 40 Weiterführende Literatur 42 3 Thermodynamik elektrochemischer Systeme 45 Weiterführende Literatur 61 4 Kinetik elektrochemischer Energieumwandlungsprozesse 63 4.1 Schritte von Elektrodenreaktionen und Überpotentialen 64 4.2 Transport 64 4.3 Ladungsdurchtritt 66 4.4 Überpotentiale 68 Weiterführende Literatur 78 5 Elektroden und Elektrolyte 81 5.1 Recycling 95 Weiterführende Literatur 96 6 Experimentelle Methoden 99 6.1 Batterietester 99 6.2 Strom-Potential-Messungen 100 6.3 Lade-/Entlademessungen 104 6.4 Batterieladung 113 6.5 Einfache und zyklische Voltammetrie 120 6.6 Impedanzmessungen 124 6.7 Galvanostatische Titration 131 6.8 Potentiostatische Titration 132 6.9 Elektrochemische Potentialsprungspektroskopie 133 6.10 Elektrochemische Quarzmikrowaage 134 6.11 Nichtelektrochemische Methoden 134 6.11.1 Festkörper-Kernresonanzspektroskopie 135 6.11.2 Gasadsorptionsmessungen 135 6.11.3 Mikroskopien 135 6.11.4 Thermische Messungen 135 6.11.5 Modellierung 136 Weiterführende Literatur 140 7 Primärsysteme 141 7.1 Wäßrige Systeme 143 7.1.1 Zink-Kohle-Batterie 143 7.1.2 Alkalische Zn/MnO2-Batterie 145 7.1.3 Zn/HgO-Batterien 149 7.1.4 Zn/AgO-Batterie 150 7.1.5 Cd/AgO-Batterien 153 7.1.6 Mg/MnO2-Batterien 155 7.2 Nichtwäßrige Systeme 156 7.2.1 Lithiumprimärbatterien 157 7.2.2 Li/MnO2 159 7.2.3 Li/Bi2O3 160 7.2.4 Li/CuO 161 7.2.5 Li/V2O5,Li/Ag2V4O11 und Li/CSVO 162 7.2.6 Li/CuS 163 7.2.7 Li/FeS2 164 7.2.8 Li/Cfx-primärbatterien 165 7.2.9 Li/I2 167 7.2.10 Li/SO2 167 7.2.11 Li/SOCl2 169 7.2.12 Li/SO2Cl2 172 7.2.13 Li/Oxyhalid-Primärbatterien 172 7.3 Metall-Luft-Systeme 173 7.3.1 Wäßrige Metall-Luft-Primärbatterien 173 7.3.2 Nichtwäßrige Metall-Luft-Batterien 185 7.4 Füllzellen 187 7.4.1 Seewasseraktivierbare Batterien 187 7.4.2 Aktivierbare Hochleistungsbatterien 189 Weiterführende Literatur 190 8 Sekundärsysteme 191 8.1 Wäßrige Systeme 193 8.1.1 Blei-Säure-Akkumulator 193 8.1.2 Sekundärbatterien auf Nickelbasis 207 8.1.3 Wäßrige wiederaufladbare Lithiumbatterien 221 8.1.4 Wäßrige wiederaufladbare Natriumbatterien 227 8.2 Nichtwäßrige Systeme 228 8.2.1 Lithium-Ionen-Batterien 228 8.2.2 Wiederaufladbare Li/S-Batterien 252 8.2.3 Wiederaufladbare Na/S-Batterien 255 8.2.4 Wiederaufladbare Li/Se-Batterien 257 8.2.5 Wiederaufladbare Mg-Batterien 257 8.3 Sekundärbatterien auf Basis von Gelpolymerelektrolyten 259 8.3.1 Gel-Lithium-Ionen-Batterien 260 8.3.2 Gelelektrolyte für Natriumbatterien 261 8.4 Sekundärbatterien auf Festelektrolytbasis 262 8.4.1 Feste Lithium-Ionen-Batterien 263 8.4.2 Wiederaufladbare feste Lithiumbatterien 264 8.5 Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien 265 8.5.1 Wiederaufladbare Li/Luft-Batterien 265 8.5.2 Wiederaufladbare Na/Luft-Batterien 268 8.5.3 Wiederaufladbare Zn/Luft-Batterien 269 8.6 Hochtemperatursysteme 271 8.6.1 Natrium-Schwefel-Batterie 271 8.6.2 Natrium-Nickelchlorid-Batterie 274 8.6.3 Flüssigmetallakkumulatoren 279 Weiterführende Literatur 279 9 Brennstoffzellen 281 9.1 Die Sauerstoffelektrode 286 9.2 Die Wasserstoffelektrode 292 9.3 Gemeinsamkeiten von Brennstoffzellen 293 9.4 Klassifizierung von Brennstoffzellen 297 9.4.1 Brennstoffzellen bei Umgebungstemperatur 298 9.4.2 Alkalische Brennstoffzellen 298 9.4.3 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) 300 9.4.4 Direkte Alkoholbrennstoffzellen 307 9.4.5 Bioelektrochemische Brennstoffzellen 309 9.4.6 Mitteltemperaturbrennstoffzellen 310 9.4.7 Phosphorsäurebrennstoffzellen 310 9.4.8 Schmelzcarbonatbrennstoffzellen 311 9.4.9 Hochtemperaturbrennstoffzellen 313 9.5 Anwendungen von Brennstoffzellen 314 9.6 Brennstoffzellen in Energiespeichersystemen 315 Weiterführende Literatur 317 10 Redoxbatterien 319 10.1 Das Eisen-Chrom-System 324 10.2 Das Eisen-Vanadium-System 325 10.3 Das Eisen-Cadmium-System 326 10.4 Das Brom-Polysulfid-System 326 10.5 Das All-Vanadium-System 327 10.6 Das Vanadium-Brom-System 328 10.7 Actiniden-RFB 329 10.8 All-Organische RFBs 330 10.9 Nichtwäßrige RFBs 330 10.10 Hybride Systeme 330 10.11 Das Zink-Cer-System 330 10.12 Das Zink-Brom-System 331 10.13 Das Zink/Organisch-System 332 10.14 Das Cadmium/Organisch-System 332 10.15 Das Blei-Bleidioxid-System 333 10.16 Das Cadmium-Bleidioxid-System 334 10.17 Das All-Kupfer-System 334 10.18 Das Zink-Nickel-System 334 10.19 Das Lithium-LiFePO4-System 335 10.20 Vanadium-Festsalz-Batterie 335 10.21 Vanadium-Sauerstoff-System 336 10.22 Elektrochemischer Flußkondensator 337 10.23 Entwicklungsstand und Perspektiven 337 Weiterführende Literatur 339 11 Superkondensatoren 341 11.1 Klassifizierung von Superkondensatoren 342 11.2 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren 344 11.2.1 Elektrolyte für EDLCs 345 11.2.2 Elektrodenmaterialen für EDLCs 346 11.2.3 Elektrochemische Leistung von EDLCs 354 11.3 Pseudokondensatoren 356 11.3.1 RuO2 356 11.3.2 MnO2 359 11.3.3 Intrinsisch leitfähige Polymere 365 11.3.4 Redoxsysteme 373 11.3.5 Elektrochemische Leistung von Pseudokondensatoren 376 11.4 Hybridkondensatoren 380 11.4.1 Negative Elektrodenmaterialien 380 11.4.2 Positive Elektrodenmaterialen 389 11.4.3 Elektrochemische Leistung von Hybridkondensatoren 402 11.5 Testen von Superkondensatoren 408 11.6 Kommerziell erhältliche Superkondensatoren 408 11.7 Anwendung von Superkondensatoren 409 11.7.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 410 11.7.2 Transport 411 11.7.3 Intelligente Netze 411 11.7.4 Militärische Ausrüstung 412 11.7.5 Andere zivile Anwendungen 413 Weiterführende Literatur 414 A Anhang 415 Stichwortverzeichnis 419

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Book SynopsisLehrbuch "Chemie für Ingenieure" plus Aufgabensammlung: die Erfolgskombination zum Lernen, Verstehen, Vertiefen - und zum Bestehen der Prüfung!Table of ContentsAtombau und Periodensystem Die chemische Bindung Die Aggregatzustände Chemische Reaktionen Chemische Gleichgewichte Die Elemente Anorganische Verbindungen Organische Verbindungen Kunststoffe Elektrochemie Spektren und ihre Anwendung Biochemie und Biotechnologie Umweltschutztechnik Chemische Literatur Anhang

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Book SynopsisIn der nunmehr vierten Auflage ist das ?Handbuch Feuerverzinken? konzeptionell und inhaltlich vollständig überarbeitet und aktualisiert worden. Inzwischen nicht mehr anwendungsrelevante Themen wurden gestrichen, während neue rund um den aktuellen Stand der Technik hinzugekommen sind. Dabei wird das Feuerverzinken als ein geschlossenes System beschrieben und alle industrierelevante Teilgebiete beleuchtet, wie zum Beispiel: wirtschaftliche und anwenderspezifische Aspekte, die Oberflächenvorbereitung, das Korrosionsverhalten von Zinküberzügen, Duplex-Systeme bis hin zum Umweltschutz und der Arbeitssicherheit. Dabei wird der Inhalt durch ein Wechselspiel zwischen theoretischen Grundlagen und Beispielen aus der Praxis vermittelt; zahlreiche Bilder, Skizzen und Tabellen unterstützen das Verständnis. Abgerundet wird das Gesamtkonzept mit Erläuterungen zur Qualitätssicherung mit den dazugehörigen DIN- und ISO-Normen und aktualisierten Tabellen, die alle relevanten Daten zum Feuerverzinken abdecken. Das Buch schafft es, in verständlicher und praxisnaher Weise das A und O des Feuerverzinkens zu erklären. Perfekt geeignet als Lehrbuch für Berufseinsteiger sowie als Nachschlagewerk für Praktiker in Betrieben, die sich mit allen Aspekten des Feuerverzinkens befassen.Trade Review"Das Buch schafft es, in verständlicher und praxisnaher Weise das A und O des Feuerverzinkens zu erklären." Metall. Fachzeitschrift für Metallchirurgie (05.01.2018) "Das Buch liefert das nötige Wissen in verständlicher und praxisnaher Art. In der nunmehr vierten Auflage ist es konzeptionell und inhaltlich vollständig überarbeitet und aktualisiert worden. Themen, die nicht mehr anwendungsrelevant sind, wurden gestrichen, während neue rund um den aktuellen Stand der Technik hinzugekommen sind." Schneiden und Schweißen (01.04.2017) "Dieses Fachbuch richtet sich an Oberflächenbeschichter, Ingenieure, Schlosser, Metall- und Stahlbauer. Es ist verständlich geschrieben und für die angesprochene Leserschaft sehr gut als Nachschlagewerk geeignet." Materials and Corrosion (08.03.2017) "Die jüngste Auflage liefert nun all das, was fachlich bewährt und nach wie vor gültig ist und stellt neue Methoden des Feuerverzinkens vor. So ist das Handbuch ein zeitgemäßes Nachschlage- und Lehrwerk für alle, die mit diesem Thema zu tun haben." MMMaschinenmarkt (22.08.2016)Table of ContentsVorwort zur vierten Auflage xi Einleitung xiii In memoriam Dr. Peter Maaß xv Autorenliste xvii 1 Die Geschichte der Feuerverzinkung 1 M. Huckshold 1.1 Geschichtliche Entwicklung von Zink 1 1.2 Die Erfindung der Feuerverzinkung 2 1.3 Der wirtschaftliche Aufstieg der Feuerverzinkung 2 Literatur 5 2 Theoretische Grundlagen 7 W.-D. Schulz, M. Huckshold und S. Six 2.1 Korrosionsschutzverfahren 7 2.2 Die Schichtbildung beim Feuerverzinken (Stückverzinken) 10 2.2.1 Allgemeines 10 2.2.2 Einfluss der Stahlzusammensetzung, Schmelzetemperatur und Tauchdauer auf die Schichtbildung in unlegierten Zinkschmelzen 15 2.2.3 Strukturen von Zinküberzügen 19 2.2.4 Allgemeine Theorie der Schichtbildung [9–12] 23 2.2.5 Zinkschmelzen 30 2.2.6 Flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion (LMAC/LME) 34 2.2.7 Schichtausbildung auf Verzinkungskesseln 36 2.3 Korrosionsschutz durch Zinküberzüge 37 2.3.1 Allgemeines 37 2.3.2 Korrosion an der Atmosphäre 42 2.3.3 Korrosion in Wässern 46 2.3.4 Korrosion in Erdböden 49 2.3.5 Korrosion im Betonbau 50 2.3.6 Korrosion in der Landwirtschaft 51 2.3.7 Korrosion in nicht wässrigen Medien 53 2.3.8 Korrosionsverhalten höher legierter Zinküberzüge 53 2.3.9 Korrosionsprüfung 54 Literatur 54 3 Bau und Ausrüstungen von Feuerverzinkungsanlagen 59 P.Peißker,M.Huckshold,R.Cramer,C.Kaßner,J.Koglin,P.Kordt, F. Nerat, A. Lüling, N. Prinz und F. Schmelz 3.1 Anlagenplanung und Ausführung 59 3.1.1 Vorplanung 60 3.1.2 Vorschriften und Genehmigungen 62 3.1.3 Technische Ausrüstungen sowie bauliche und rechtliche Anforderungen 66 3.2 Anlagenlayout und Aufstellungsvarianten 75 3.2.1 Geradliniger Durchlauf 76 3.2.2 Geradliniger Durchlauf mit seitlichem Rüstbereich und Kreisringbahn im Verzinkungsbereich 78 3.2.3 U-Förmiger Durchlauf 79 3.2.4 Längliche Aufstellungsvariante mit Automatikverteilerkran und Tunneltrockner, auch Doppeltauchungen möglich 81 3.2.5 T-förmiger Durchlauf mit getrennten Rüstbereichen und Drehweichen 84 3.3 Innerbetrieblicher Transport 86 3.3.1 Auf- und Abrüststationen 86 3.3.2 Gestelle, Traversen, Hilfsvorrichtungen 86 3.3.3 Krananlagen 91 3.3.4 Fördereinrichtungen 99 3.3.5 Automatisierungstechnik 100 3.4 Anlagen zur Oberflächenvorbereitung und Nachbehandlung 104 3.4.1 Behälter 104 3.4.2 Heizplatten 106 3.4.3 Anlagentechnik zur Prozessoptimierung beim Beizen 107 3.4.4 Einhausung von Vorbereitungsanlagen (gekapselte Systeme) 108 3.4.5 Anlagen für die Aufbereitung von Spülwässern 112 3.4.6 Anlagentechnik zur Flussmittelaufbereitung 113 3.5 Trockenöfen 117 3.6 Verzinkungskessel aus Stahl 120 3.6.1 Verzinkungsöfen für Stahlkessel 123 3.6.2 Verzinkungsöfen für Stahlkessel mit Umwälzbeheizung 125 3.6.3 Verzinkungsöfen für Stahlkessel mit Flächenbrennerbeheizung 126 3.6.4 Verzinkungsöfen für Stahlkessel mit Impulsbrennerbeheizung 127 3.6.5 Verzinkungsöfen für Stahlkessel mit Induktionsbeheizung 128 3.6.6 Verzinkungsöfen für Stahlkessel mit Widerstandsbeheizung 128 3.7 Verzinkungsöfen für keramische Kessel 129 3.7.1 Verzinkungsöfen für keramische Kessel mit Tauchbrennerbeheizung 130 3.7.2 Verzinkungsöfen für keramische Kessel mit Oberflächenbeheizung 131 3.7.3 Verzinkungsöfen für keramische Kessel mit Rinneninduktor 132 3.8 Verzinkungskesseleinhausungen 133 3.8.1 Querstehende Einhausung, stationär 133 3.8.2 Querstehende kranverfahrbare Einhausung 135 3.8.3 Längsstehende Einhausung 136 3.9 Sonstige Ausrüstungen am Verzinkungskessel 137 3.9.1 Geräte zur Reinhaltung der Zinkschmelze 137 3.9.2 Geräte zum Ziehen von Hartzink und Hartzinkformen 138 3.9.3 Zinkpumpen 139 3.10 Anlagen zur Luftreinhaltung 141 3.10.1 Lüftungssysteme 142 3.10.2 Erfassungssysteme 143 3.10.3 Rückhaltesysteme 148 3.10.4 Saugzuggebläse 160 3.10.5 Ableitung der Emissionen 162 3.10.6 Filteranlagen 164 3.11 Anlagen für Sonderverfahren 164 3.11.1 Automatische Kleinteilverzinkungsanlage 164 3.11.2 Automatische Roboterschleuderverzinkungsanlagen, Korb- und Gestellverzinkung 167 3.11.3 Rohrverzinkungsanlagen 169 Literatur 170 4 Betrieb von Feuerverzinkungsanlagen 173 P.Peißker,M.Huckshold,R.Cramer,H.Herwig,C.Kaßner,A.Lüling, F. Nerat, N. Prinz und W.-D. Schulz 4.1 Wareneingang, Lagerung, Auf- und Abrüstung 174 4.1.1 Wareneingang und Lagerung unverzinkter Bauteile 174 4.1.2 Auf- und Abrüsten 176 4.1.3 Lagern verzinkter Bauteile 177 4.2 Technologie der Oberflächenvorbereitung 178 4.2.1 Einflussgrößen 178 4.2.2 Mechanische Oberflächenvorbereitungsverfahren 183 4.2.3 Chemisches Reinigen und Entfetten 185 4.2.4 Spülen 195 4.2.5 Beizen 198 4.2.6 Flussmittelbehandlung 216 4.2.7 Trocknen 222 4.3 Technologie der Feuerverzinkung 223 4.3.1 Verfahrenstechnische Varianten 223 4.3.2 Einstellen der Zinkschmelze 230 4.3.3 Betriebsweise des Verzinkungskessels 242 4.3.4 Der Verzinkungsvorgang 248 4.3.5 Nachbehandlung von feuerverzinktem Stahl 252 4.3.6 Nacharbeit und Ausbessern 256 4.3.7 Kollieren 258 4.4 Lagern von Chemikalien und Hilfsstoffen 259 4.5 Behandlung von Abfällen 260 4.5.1 Allgemeines 260 4.5.2 Stahl- und Zinkstaub 262 4.5.3 Entfettungslösungen 262 4.5.4 Beizlösungen/Altbeizen 262 4.5.5 Flussmittellösungen 264 4.5.6 Zinkhaltige Abfälle 264 4.5.7 Weitere Abfälle, Reststoffe 265 4.6 Umweltschutz 266 4.6.1 Immissionsschutz im Betrieb 268 4.6.2 Wartung und Instandhaltung, Prüfpflichten 269 4.6.3 Praktische Maßnahmen zum Umweltschutz 270 4.7 Arbeitssicherheit 273 4.7.1 Gesetzliches Regelwerk im Arbeitsschutz in der Übersicht 273 4.7.2 Lärm und Lärmschutz 276 4.7.3 Arbeitsräume und -bereiche 277 4.7.4 Betriebsanweisungen/Unterweisungen 282 4.7.5 Persönliche Schutzausrüstungen 282 4.7.6 Umgang mit Gefahrstoffen 286 4.7.7 Sicherheitskennzeichnung am Arbeitsplatz 287 4.7.8 Gesetzliche Beauftragte im Umwelt- und Arbeitsschutz 287 4.8 Managementsysteme in Feuerverzinkereien 288 4.8.1 Qualitätsmanagementsystem nach DIN EN ISO 9001 288 4.8.2 Umsetzung der DIN EN ISO 9001 in Feuerverzinkereien 289 4.8.3 Umweltmanagementsysteme 298 4.8.4 Weitere Managementsysteme 299 Literatur 300 5 Anwendung der Feuerverzinkung 305 M. Huckshold 5.1 Eigenschaften feuerverzinkter Überzüge 305 5.2 Anwendungsmöglichkeiten und Beispiele für die Feuerverzinkung 309 5.2.1 Allgemeines 309 5.2.2 Metallhandwerk 310 5.2.3 Stahlbau 311 5.2.4 Fassaden 311 5.2.5 Energietechnik 312 5.2.6 Verkehrstechnik 313 5.2.7 Feuerverzinkter Betonstahl 313 5.2.8 Landwirtschaft 313 5.2.9 Maschinenbau 314 5.2.10 Fahrzeugbau 315 5.2.11 Duplex-Systeme 315 5.3 Normen und Regelwerke zum Feuerverzinken 316 5.3.1 Din En Iso 1461 316 5.3.2 DIN EN ISO 14713, Teile 1 und 2 317 5.3.3 DASt-Richtlinie 022 319 5.3.4 Feuerverzinkte Verbindungsmittel nach DIN EN ISO 10684 321 5.3.5 Feuerverzinkte Rohre nach DIN EN 10240 321 5.3.6 Feuerverzinkter Betonstahl – Normen und Regelwerke 322 5.3.7 Bandverzinken nach DIN EN 10346 und DIN EN 10143 323 5.3.8 Duplex-Systeme 324 5.3.9 Weitere Regelwerke 326 5.4 Feuerverzinkungsgerechtes Konstruieren und Fertigen 326 5.4.1 Allgemeines 326 5.4.2 Stahlsortenauswahl 328 5.4.3 Oberflächenvorbereitung 330 5.4.4 Grundsätze der baulichen Durchbildung 330 5.4.5 Ausbessern von Fehlstellen 343 5.4.6 Abnahme und Prüfungen 343 5.5 Fehlererscheinungen versus Abweichungen von normativen Vorgaben 343 5.5.1 Überblick zu Fehlererscheinungen an feuerverzinktem Stahl 343 5.5.2 Prüfung der Einhaltung normativer Vorgaben für feuerverzinkte Stähle 345 5.6 Wirtschaftlichkeit der Feuerverzinkung 351 5.6.1 Allgemeines 351 5.6.2 Wirtschaftliche Kriterien bei der Korrosionsschutzwahl 352 5.6.3 Erstschutzkosten 352 5.6.4 Schutzdauer 352 5.6.5 Folge- und Instandsetzungskosten 354 Literatur 355 6 Beschichten von feuerverzinktem Stahl – Duplex-Systeme 357 S. Berger und A. Schneider 6.1 Grundlagen 357 6.2 Oberflächenvorbereitung des Zinküberzuges für die Beschichtung 361 6.2.1 Forderungen an die Oberfläche der zu beschichtenden Zinküberzüge 361 6.2.2 Oberflächenvorbereitungs- und -behandlungsverfahren 362 6.3 Beschichtungsverfahren, Beschichtungsstoffe 366 6.3.1 Flüsssigbeschichten und Flüssigbeschichtungsstoffe [2] 366 6.3.2 Pulverbeschichten und Pulverbeschichtungsstoffe [3] 368 6.4 Ausführungsfehler/Qualitätsabweichungen bei Duplex-Systemen 373 6.4.1 Ausführungsfehler Feuerverzinkung/Nachbearbeitung 373 6.4.2 Ausführungsfehler Oberflächenvorbereitung des Zinküberzuges 377 6.4.3 Ausführungsfehler Beschichtung 379 6.4.4 Schadensfälle ohne eindeutige Ursachenzuordnung 382 Literatur 383 Anhang A Normenliste 385 Anhang B Übersicht gesetzlicher Regelwerke 393 Anhang C Arbeitshilfe zum Übergang von der ISO 9001:2008 auf die ISO 9001:2015 405 Anhang D Physikalische Metallkonstanten der für die Feuerverzinkerei wichtigen Metalle 411 Anhang E Spezifische Schnellprüfmethoden zur Ermittlung der Art des Überzugmetalls und der Rohstoffe 415 Anhang F Formeln und Molekularmassen von Verbindungen für die Feuerverzinkerei 417 Stichwortverzeichnis 421

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Book SynopsisBatterien Für die Mobilität und Energieversorgung der Zukunft: Kompakte und praxisnahe Wissensvermittlung aller wichtigen Batteriegrundlagen und -systeme Batterien sind in vielen Fällen die bevorzugte Lösung zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Fahrzeugen und Energieversorgungsystemen und ermöglichen es, Emissionen zu verringern und die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas zu reduzieren. In der Summe aller Eigenschaften erfüllen Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien die Anforderungen der verschiedensten Anwendungen am besten und dominieren deshalb den Markt. Lithium-Ionen-Batterien dringen in immer weitere Anwendungsgebiete vor, bzgl. Wert und Produktionsmenge in MWh dominieren aber immer noch Blei-Säure-Batterien. Aus Sicht der Autoren sind Kenntnisse beider Batterietechnologien wichtig, um das Verständnis für Batteriesysteme zu vertiefen und sie in den seltenen Fällen, in denen diese beiden Batterietechnologien technische oder wirtschaftliche Alternativen sind, gegeneinander abzuwägen. Die Anforderungen an Batteriesysteme sind hoch. Sie müssen leicht und häufig ladbar sein und müssen thermisch, elektrisch und mechanisch stabil sein. In der Batterieforschung kommt materialwissenschaftliches, elektrochemisches und Ingenieurwissen zusammen. Die Autoren Alexander Börger und Heinz Wenzl geben mit diesem Buch einen umfassenden und kompakten Überblick zu den Grundlagen, Systemen und Anwendungen der Batterietechnik. Es werden Hintergründe zum Aufbau von Batterien und grundlegende Prozesse anschaulich erläutert. Anhand vieler Beispiele wird gezeigt, wie das Wissen in die Praxis umgesetzt wird. Klarer Fokus: Das Buch legt den Schwerpunkt auf Batteriesysteme, ihre Eigenschaften im Betrieb und Anwendungen. Das Buch ist als Begleitlektüre zum Studium verwendbar. Wachstumsmarkt: Das Interesse an Elektromobilität und Batteriespeichern in der Stromversorgung wächst und damit auch der Bedarf an Batteriesystemen. Anwendungsnah: Fallbeispiele aus der aktuellen Batterieentwicklung setzen die Theorie in die Praxis um. Expertenwissen: Die Autoren verfügen über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Batterietechnik. Batterien: Grundlagen, Systeme, Anwendungen richtet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure zur Einarbeitung in die Materie und als Nachschlagewerk sowie an Studierende als Begleitlektüre zu Vorlesungen.Table of Contentsvorwort v Symbolverzeichnis xxiii 1 Einführung 1 1.1 Energieversorgung allgemein 1 1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien 3 1.3 Grundlegende Eigenschaften von Batterien, Gemeinsamkeiten und Unterschiede 5 1.4 Überbrückungszeit 7 1.5 Vergleich von Batterietechnologien 9 1.6 Anwendungen und Einordnung von Batterien in Gesamtsysteme 10 Literatur 12 Aufgaben 12 2 Elektrochemische Grundlagen 15 2.1 Elektrochemische Grundbegriffe 16 2.1.1 Einige Definitionen 16 2.1.2 Spannung und Ladungsträgerverteilung 17 2.1.3 Die spannungsbildenden Reaktionen – Hauptreaktionen 18 2.1.4 Doppelschichtkondensator und Austauschstromdichte 20 2.1.5 Faradaysche Zahl 21 2.1.6 Theoretische spezifische Kapazität von Elektroden oder Zellen 21 2.2 Elektrochemische Thermodynamik 22 2.2.1 Energiebilanz und Gleichgewichtsspannung 22 2.2.2 Konzentrationsabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung (Nernst-Spannung) 23 2.2.3 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung 24 2.2.4 Entropieterm und Wärmetönung – reversible Wärme 24 2.2.5 Elektrochemische Spannungsreihe 24 2.2.6 Grenzen thermodynamischer Betrachtungen 25 2.2.7 Theoretische spezifische Energie 26 2.2.8 Referenzelektrode 26 2.3 Elektrochemische Kinetik 27 2.3.1 Überspannungsarten 27 2.3.2 Ladungsträgerdurchtrittsspannung 28 2.3.3 Butler-Volmer-Gleichung 28 2.3.4 Abhängigkeit der BV-Gleichung von wichtigen Systemparametern 33 2.3.5 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 37 2.3.6 Auswirkungen der Temperatur 37 2.3.7 U-I-Kennlinie von elektrochemischen Systemen 40 2.4 Ersatzschaltbilder 41 2.4.1 Grundlagen elektrochemischer Ersatzschaltbilder 41 2.4.2 Grundlegende Ersatzschaltbilder einer Elektrode und einer Zelle 42 2.4.3 Ersatzschaltbild bei konstantem Strom 44 2.5 Nebenreaktionen 45 Literatur 47 Aufgaben 47 3 Laden und Entladen von Zellen und Batterien 51 3.1 Begriffsbestimmungen Kapazität und Innenwiderstand 52 3.1.1 Kapazität 52 3.1.2 Innenwiderstand 54 3.2 Begriffsbestimmung Laden und Entladen von Batterien 54 3.2.1 Entladen 55 3.2.2 Laden 55 3.2.3 Ladefaktor und Wirkungsgrad 58 3.3 Entladen und Laden von Elektroden einer Zelle 59 3.3.1 Bedeutung der BV-Gleichung für den Verlauf von Strom und Spannung 59 3.3.2 Entladen und Laden mit konstantem Strom 61 3.3.3 Laden mit konstantem Strom 62 3.3.4 Strom- und Spannungsverlauf von Batterien 64 3.4 Reihenschaltung von Elektrodenwechselwirkungen von Elektroden aufeinander 65 3.5 Entladen und Laden von Elektroden in einer Zelle 66 3.5.1 Bedeutung von Nebenreaktionen bei Reihenschaltung 67 3.5.2 Entladen von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihenschaltung 68 3.5.3 Entladen von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 69 3.5.4 Laden von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 72 3.5.5 Laden von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihe 75 3.6 Auswirkungen eines Kurzschlusses einer Zelle bei Reihenschaltung 76 3.7 Fehlerpropagation, parallele Batteriestränge und Weiteres 77 Literatur 77 Aufgaben 77 4 Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen 81 4.1 Elektrochemische Anforderungen an die Struktur von Aktivmassen 82 4.1.1 Allgemeine Anforderungen 82 4.1.2 Verfügbarkeit von Reaktanten 84 4.1.3 Ionische und elektronische Leitfähigkeit von Elektroden und Zellen 85 4.1.4 Mechanische Beanspruchung der Elektroden 86 4.2 Aufbau von Zellen 87 4.2.1 Allgemeine Hinweise 87 4.2.2 Bipolarplattenaufbau 88 4.2.3 Stapelzellen und gewickelte Zellen 88 4.3 Kombinierte Ionen- und Elektronenleitfähigkeit der Elektroden 94 4.4 Zellgehäuse und Batteriesysteme 95 4.4.1 Allgemeine Anforderungen 95 4.4.2 Spezifische Energie von Zellen, Modulen und Batteriesystemen 96 Literatur 97 Aufgaben 97 5 Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien 99 5.1 Inhomogene Wärmekapazität und anisotrope Wärmeleitung 100 5.2 Wärmequelldichte 101 5.2.1 Wärmequellen 101 5.2.2 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 102 5.2.3 Ladungsträgerdurchtritt 103 5.2.4 Reversible Wärme der Reaktion 104 5.2.5 Chemische Reaktionen 105 5.2.6 Vergleich der Wärmeerzeugungsterme 105 5.3 Wärmeaustausch mit der Umgebung 106 5.3.1 Wärmeleitung 106 5.3.2 Konvektion 107 5.3.3 Strahlung 107 5.4 Wärmebilanz 107 5.5 Temperaturauswirkungen 108 5.6 Bestimmung thermischer Kenngrößen 110 Literatur 110 Aufgabe 110 6 Alterungseigenschaften von Batterien und Zellen 111 6.1 Klassifikation von Alterungsprozessen 112 6.2 Lebensdauer 113 6.2.1 Definition Lebensdauerende 113 6.2.2 Bestimmung des Lebensdauerendes 116 6.2.3 Veränderungen der Eigenschaften während der Nutzung 117 6.3 Grenzen der Lebensdauer 119 6.3.1 Grundsätzliche Begrenzung der Lebensdauer 119 6.3.2 Herstellerangaben über die zu erwartende Lebensdauer 119 6.4 Verfahren zur Lebensdauerprognose 120 6.4.1 Gewichtete Amperestundendurchsatzverfahren 120 6.4.2 Ereignisbasierte Lebensdauerprognoseverfahren 121 6.4.3 Prognose des Kapazitäts- und Innenwiderstandsverlaufs 122 Literatur 123 Aufgaben 124 7 Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien 125 7.1 Motivation 126 7.2 Ladezustand und Entladetiefe 127 7.2.1 Strenge Definition des Ladezustands 127 7.2.2 Hauptreaktionsstrom 128 7.2.3 Messung des Batteriestroms 129 7.2.4 Yazami-Theorem 131 7.2.5 Experimentelle Bestimmung des Ladezustands 131 7.2.6 Entladetiefe 132 7.2.7 State of energy 132 7.3 State of health und state of function 133 7.3.1 Begriffe 133 7.3.2 Abgrenzung und Diskussion der Begriffe state of function und state of health 133 7.3.3 Messung von SoH und SoF 135 7.4 State of safety 136 Literatur 136 Aufgabe 137 8 Batteriemodelle 139 8.1 Klassifikation, Einsatz und Grenzen von Modellen 139 8.1.1 Zum Begriff des Batteriemodells 139 8.1.2 Nutzung von Modellen 140 8.1.3 Einsatzgrenzen 141 8.2 Ersatzschaltbildmodelle 141 8.2.1 Grundsätzliches 141 8.2.2 Aufbau von Ersatzschaltbildmodellen 142 8.2.3 Elektrolytkondensatoreigenschaften einer Batterie 144 8.2.4 Berücksichtigung von zeitlichen Prozessen, Massentransport und Temperatur 145 8.2.5 Örtlich aufgelöste Ersatzschaltbildmodelle 145 8.2.6 Relaxationsprozesse 146 8.3 Modelle mit ladezustandsunabhängigen Parametern: das Shepherd-Modell 147 8.4 Modelle mit ladezustandsabhängigen Parametern 149 8.4.1 Thévenet-Modell 149 8.4.2 Randles-Modell 149 8.5 Ablauf von Simulationen 150 8.6 Vergleich von Modellen 152 8.7 Modellbildung bei größeren Systemen 152 Literatur 154 Aufgaben 154 9 Parameterbestimmung 155 9.1 Begriffsbestimmung 155 9.2 Bestimmung durch physikochemische Methoden 156 9.2.1 Experimentelle Bestimmung 156 9.2.2 Kapazitätsbestimmung 158 9.2.3 Temperatur- und Stromabhängigkeit der Kapazität 158 9.2.4 Kältekapazität und Kälteprüfstrom 159 9.2.5 Überbrückungszeiten mit konstanter Leistung 159 9.3 Ruhespannungskurve 160 9.4 Innenwiderstandsbestimmung mit Strom- bzw. Spannungspulsen 160 9.5 Kurzschlussstrom 163 9.6 Parametrisierung für das Randles-Modell aus Pulsbelastungen (Messung im Zeitbereich) 164 9.7 Parameterbestimmung durch Messung des Impedanzspektrums (Messung im Frequenzbereich) 164 9.8 Messung des Wechselstrominnenwiderstands 166 9.9 Parametrisierung des Randles-Modells über alle Betriebszustände 167 Literatur 168 Aufgaben 169 10 Batterieanalytik 171 10.1 Methodenüberblick 171 10.2 Bewertung der Veränderungen elektrischer Kenngrößen 172 10.3 Elektrochemische Analyseverfahren 173 10.3.1 Stationäre elektrochemische Analyseverfahren 174 10.3.2 Quasistationäre elektrochemische Analyseverfahren 174 10.3.3 Nicht-stationäre Verfahren 176 10.4 Chemische und spektroskopische Verfahren – Post-mortem-Analyseverfahren 178 10.4.1 Allgemeines 178 10.4.2 Chemische Techniken inkl. Trennverfahren und Charakterisierungsverfahren für Oberflächen und Korngrößen 178 10.4.3 Mikroskopische Techniken 179 10.4.4 Spektroskopische Techniken 181 10.4.5 Diffraktometrische Techniken 183 10.5 In-situ-Analyseverfahren 184 10.6 Zusammenfassung 185 Literatur 185 Aufgaben 186 11 Übersicht über Batteriesysteme 187 11.1 Physikochemische Daten und Charakteristika 187 11.2 Investitions- und Betriebskosten 191 11.3 Marktstruktur 192 11.4 Verfügbarkeit von Informationen 192 11.5 Normungsdichte 193 Weiterführende Literatur 194 12 Blei-Säure-Batterien 195 12.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 196 12.2 Elektrochemie 196 12.2.1 Übersicht über aktive Komponenten 197 12.2.2 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 198 12.2.3 Beschreibung der Hauptreaktionen 200 12.2.4 Überentladereaktionen beim Entladen 201 12.2.5 Nebenreaktionen der positiven und negativen Elektrode beim Überladen 203 12.2.6 Nebenreaktionen und Selbstentladung im Ruhezustand 205 12.2.7 Laden und Entladen von Zellen in Reihe 206 12.3 Weitere elektrochemische Reaktionen 207 12.3.1 Batterien mit internem Sauerstoffkreislauf (verschlossene Batterien, VRLA) 208 12.3.2 Elektrochemie 208 12.4 Aktivmaterialien 213 12.4.1 Elektrische Leitfähigkeit der Aktivmassen 214 12.4.2 Effektive Oberfläche und Mikrostruktur der Aktivmassen 216 12.4.3 Bleisulfat 217 12.4.4 Spannungssack zu Beginn der Entladung 218 12.4.5 Herstellungsverfahren 220 12.5 Elektrolyt 220 12.6 Stromkollektoren, Gitter 222 12.6.1 Korrosionsbeständigkeit 224 12.6.2 Elektrischer Widerstand 224 12.6.3 Mechanische Stabilität 225 12.6.4 Elektrischer Kontakt zwischen Gittern und Aktivmassen 226 12.7 Herstellungsverfahren und weitere Komponenten zur Herstellung von Zellen oder Blöcken 226 12.7.1 Herstellung von Stromkollektoren und Elektroden (Platten) 226 12.7.2 Separator 227 12.7.3 Herstellung von Plattensätzen 228 12.7.4 Batteriegehäuse und Deckel 229 12.7.5 Zellverbinder 230 12.8 Strominhomogenität 230 12.9 Säureschichtung 232 12.10 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 235 12.10.1 Auslegung von Zellen 235 12.10.2 Starterbatterien 236 12.10.3 Traktionsbatterien für Flurförderzeuge und Semitraktionsbatterien 237 12.10.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 238 12.10.5 Eigenschaften 239 12.10.6 Entladeverhalten und Kapazität 239 12.10.7 Überwachungsanforderungen beim Entladen 246 12.11 Leistungsabgabe und Innenwiderstand 246 12.12 Laden und Ladekennlinien 248 12.12.1 Grundlegendes zum Laden von Blei-Säure-Batterien 248 12.12.2 IU-Ladekennlinie 249 12.12.3 IUoU-Ladekennlinie 251 12.12.4 Weitere Ladekennlinien 252 12.12.5 Bewertung der Ladekennlinien 255 12.12.6 Vollladekriterien 257 12.13 Alterungseffekte 258 12.13.1 Übersicht zu Alterungseffekten 258 12.13.2 Verminderung der Oberfläche der aktiven Massen 260 12.13.3 Sulfatierung 260 12.13.4 Premature capacity loss (PLC) 261 12.13.5 Abschlammen der Aktivmasse 261 12.13.6 Korrosion des Separators 262 12.13.7 Austrocknen des Elektrolyts (verschlossene Batterien) 262 12.13.8 Dendritenbildung 263 12.13.9 Sauerstoffverzehr und Entstehung von Unterdruck in verschlossenen Batterien 263 12.14 Korrosion des positiven Gitters, positiven Kopfbleis, negativer Pole und Interzellverbinder 263 12.14.1 Korrosion des positiven Gitters 263 12.14.2 Auswirkungen der Gitterkorrosion 265 12.14.3 Korrosion der positiven Pole und Polbrücken (Kopfblei) 267 12.14.4 Korrosion der negativen Gitter, Pole und Polbrücken 269 12.14.5 Explosionsrisiko 270 12.15 Korrosion der Interzellverbinder 270 12.16 Betriebsstrategien und konstruktive Auswirkungen für Blei-Säure-Batterien 272 12.17 Zustandsbestimmung 274 12.17.1 Ladezustand 274 12.17.2 Kapazität bzw. State of Health 276 12.18 Sicherheit 277 12.18.1 Explosionsrisiko durch Knallgas 277 12.18.2 Wässrige Schwefelsäure 278 12.18.3 Umgang mit Blei 279 12.19 Batterieprobleme 279 Literatur 280 Aufgaben 283 13 Lithium-Ionen-Batterien 287 13.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 288 13.2 Elektrochemie 288 13.2.1 Grundprinzip 288 13.2.2 Übersicht über aktive Komponenten 290 13.2.3 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 291 13.2.4 Nebenreaktionen 293 13.2.5 Überlade- und Überentladereaktionen 294 13.3 Aktivmaterialien 294 13.3.1 Kathodenmaterialien 294 13.3.2 Anodenmaterialien 297 13.3.3 Ionenleitfähigkeit der Aktivmassen 301 13.4 Elektrolyt 301 13.4.1 Grundsätzliches 301 13.4.2 Organische Lösungsmittel 302 13.4.3 Weitere Bestandteile 303 13.5 Solid-electrolyte interface (SEI) und die Bedeutung für die Lithium-Ionen-Batterie 305 13.6 Stromkollektoren 307 13.7 Produktion von Elektroden 308 13.8 Separatoren 309 13.9 Sicherheitsmaßnahmen 310 13.10 Bauformen von Lithium-Ionen-Batterien 312 13.10.1 Aufbau von Zellen 312 13.10.2 Aufbau von Modulen und Batterien 315 13.11 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 316 13.11.1 Auslegung von Zellen 316 13.11.2 Elektrotraktionsbatterien 318 13.11.3 Starterbatterien 318 13.11.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 319 13.11.5 Consumer-Batterien 320 13.12 Eigenschaften 321 13.12.1 Entladeverhalten und Kapazität 321 13.12.2 Kapazitätsangabe und Kapazitätsmessung 322 13.12.3 Überwachungsanforderungen 322 13.13 Innenwiderstandsmessung 323 13.14 Laden und Ladekennlinien 323 13.14.1 Ladekennlinien 323 13.14.2 Vollladung 324 13.14.3 Festkörperdiffusion beim Entladen und Laden 324 13.14.4 Laden bei tiefen Temperaturen 325 13.14.5 Schnellladen 325 13.15 Alterungseffekte 325 13.15.1 Alterungseffekte allgemein 325 13.15.2 Alterung der Kathode 326 13.15.3 Alterung der Anode 327 13.15.4 Alterung im Elektrolyt 330 13.15.5 Korrosion des Separators 331 13.15.6 Sonstige Alterungseffekte 331 13.16 Einfluss kalendarischer und zyklischer Alterung und Modellierung 331 13.16.1 Alterung und die Notwendigkeit ihrer Modellierung 331 13.16.2 Modellierung und Simulation von Alterung 332 13.16.3 Quantitative Modellansätze zur Beschreibung von Alterung 335 13.17 Batteriemanagementsysteme und Batteriebetriebsstrategien 336 13.17.1 Generelles 336 13.17.2 Technische Realisierungen von Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Batterien 337 13.17.3 Balancing 339 13.17.4 Datenanalyse und Fehlererkennung 340 13.17.5 Integration von Kühlung und Heizung 341 13.18 Zustands- und Parameterbestimmung 341 13.18.1 Ladezustand 341 13.18.2 Kapazität, Innenwiderstand bzw. State of Health 342 13.19 Sicherheit 343 13.19.1 Allgemeine Sicherheitsaspekte 343 13.19.2 Missbrauchstests 344 13.20 State of Safety 346 13.20.1 Generelle Situation 346 13.20.2 Gefährdungs- und Sicherheitsstufen 346 13.20.3 Sicherheitsgrenzen 348 13.20.4 Definitionsversuche 349 13.21 Interne Kurzschlüsse 350 13.22 Thermal Runaway und thermische Propagation 351 13.22.1 Problematik und Feldsituation 351 13.22.2 Thermal runaway 353 13.22.3 Thermische Propagation 357 13.23 Sicherheitsengineering 361 13.24 Batterieprobleme 362 Literatur 365 Aufgaben 367 14 Andere Batterietechnologien 369 14.1 Alkalische Nickel-Batterien 370 14.1.1 Generelles 370 14.1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 370 14.1.3 Zellaufbau 372 14.1.4 Batterieeigenschaften 374 14.1.5 Alterungsverhalten 374 14.1.6 Sicherheitsaspekte 376 14.1.7 Optimaler Betrieb 377 14.1.8 Ausblick 377 14.2 Zink-Luft-Batterien 378 14.2.1 Generelles 378 14.2.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 378 14.2.3 Zellaufbau 379 14.2.4 Eigenschaften 379 14.2.5 Alterungsverhalten 379 14.2.6 Optimaler Betrieb 380 14.2.7 Sicherheitseigenschaften 380 14.2.8 Ausblick 380 14.3 Redox-Flow-Batterien 380 14.3.1 Generelles und physikalisch-chemische Grundlagen 380 14.3.2 Ausblick 381 14.4 Hochtemperaturbatterien 382 14.4.1 Generelles 382 14.4.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 382 14.4.3 Zellaufbau 383 14.4.4 Eigenschaften 383 14.4.5 Alterungserscheinungen 383 14.4.6 Sicherheitseigenschaften 383 14.4.7 Optimaler Betrieb 383 14.4.8 Ausblick 384 14.5 Lithium-Feststoffelektrolyt-Batterien 384 14.5.1 Generelles 384 14.5.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 385 14.5.3 Ausblick 385 14.6 Lithium-Schwefel-Batterien 386 14.6.1 Generelles 386 14.6.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 387 14.6.3 Ausblick 387 14.7 Lithium-Luft-Batterien 388 14.7.1 Generelles 388 14.7.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 389 14.7.3 Aktueller Stand 389 14.8 Natrium-Luft-Batterien 390 14.8.1 Generelles 390 14.8.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 390 14.8.3 Ausblick 390 14.9 Ultrakondensatoren und Hybridbatterien 390 14.9.1 Generelles 390 14.9.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 391 14.9.3 Hybride Batteriekonzepte 392 Literatur 392 Aufgaben 393 15 Übersicht über Anwendungen 395 15.1 Allgemeine Bemerkungen 396 15.2 Leistungsverlauf 397 15.2.1 Gleichzeitige Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Lasten 397 15.2.2 Zeitlich getrennte Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Last 400 15.3 Ladezustand und Restkapazität 400 15.4 Wirkungsgrad 400 15.4.1 Wirkungsgrad bei zyklischer Belastung 401 15.4.2 Stand-by-Verluste 402 15.4.3 Relevanz des Wirkungsgrades der Batterie 402 15.5 Sicherheit und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 403 15.6 Unterteilung in Anwendungsbereiche 403 15.6.1 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 404 15.6.2 Batterien für die Elektromobilität 404 15.6.3 Batterien für Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 404 15.6.4 Stationäre Anwendungen 405 15.6.5 Batterien für portable Geräte (Werkzeuge, Kommunikationsendgeräte etc.) 405 Literatur 405 Aufgaben 406 16 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 407 16.1 Begriffsbestimmung 407 16.2 Anforderungen an die Batterie 408 16.3 Wahl der Batterietechnologie 412 16.4 Auslegung und Betrieb 414 16.5 Überwachung der Batterie 416 16.6 Sonstiges 417 Literatur 417 Aufgaben 417 17 Batterien für die Elektromobilität 419 17.1 Begriffsbestimmung 419 17.2 Anforderungen an die Batterie 421 17.3 Wahl der Batterietechnologie 424 17.4 Aufbau des Batteriesystems 425 17.5 Auslegung und Betrieb 426 17.6 Überwachung der Batterie 430 17.7 Sonstiges 431 Literatur 432 Aufgaben 433 18 Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport 435 18.1 Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 435 18.1.1 Anforderungen 436 18.1.2 Wahl der Batterietechnologie 436 18.1.3 Betrieb 438 18.1.4 Überwachung von Batterien 444 18.2 Kleintraktionsbatterien 444 18.2.1 Anforderungen 445 18.2.2 Wahl der Batterietechnologie 445 18.2.3 Betrieb 445 Literatur 445 19 Stationäre Anwendungen von Batterien 447 19.1 Bereitschaftsparallelbetrieb für Netzersatz- und USV-Anlagen 448 19.1.1 Begriffsklärung 448 19.1.2 Anforderungen 450 19.1.3 Wahl der Batterietechnologie 451 19.1.4 Auslegung 452 19.1.5 Betrieb 453 19.1.6 Überwachung der Batterie 454 19.1.7 Sonstige Informationen 460 19.2 Dieselstart bei Netzersatzanlagen 460 19.2.1 Anforderungen 461 19.2.2 Wahl der Batterietechnologie 462 19.2.3 Wartung und Fehlerdiagnose 463 19.3 Batterien für den zeitlichen Ausgleich von Stromnachfrage und -angebot 463 19.3.1 Anwendungsgruppen 463 19.3.2 Anforderungen 465 19.3.3 Wahl der Batterietechnologie 466 19.3.4 Auslegung 467 19.3.5 Betriebsstrategie 469 19.3.6 Überwachung 470 19.4 Batterien für die Stabilisierung des Energieversorgungssystems 470 19.4.1 Beispiele für große Batteriespeicher auf der Welt und Bewertung 470 19.4.2 Anforderungen 471 19.4.3 Wahl der Batterietechnologie 472 19.4.4 Sonstiges 472 Literatur 473 Aufgaben 473 20 Batterien für portable Anwendungen 477 20.1 Begriffsbestimmung 477 20.2 Anforderungen an die Batterie 478 20.3 Wahl der Batterietechnologie 479 20.4 Auslegung und Betrieb 480 20.5 Überwachung der Batterien 481 20.6 Sonstiges 481 Literatur 482 Aufgaben 482 Anhang A Übersicht über Begriffe 483 Anhang B Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 495 B.1 Generelles 495 B.2 Elektrische Sicherheit 496 B.3 Brandschutz 499 B.4 Explosionsschutz 500 B.4.1 Explosionsschutz bei Blei-Säure-Batterien 501 B.4.2 Explosionsschutz bei Lithium-Ionen-Batterien 504 B.5 Bauliche Maßnahmen und Transport 504 B.6 Umweltbelastung und Entsorgung 505 Literatur 505 Anhang C Normenübersicht 507 Anhang D Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) 513 D.1 Begriffsübersicht 513 D.2 Ergebnisdarstellung 515 D.3 Bestimmung von Zellparametern mittels Impedanzspektroskopie 516 D.4 Qualität der Parameterbestimmung 522 Literatur 524 Anhang E Säureschichtung 525 Literatur 529 Stichwortverzeichnis 531

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Book SynopsisDas Buch behandelt die klassische Punktmechanik und die Mechanik starrer Körper in den Newtonschen, Lagrangeschen und Hamiltonschen Formulierungen sowie die Schwingungs- und Wellenlehre und die relativistische Mechanik. Die wichtigsten Prinzipien der Mechanik werden nicht nur vorgestellt, sondern mit zahlreichen, über Standardaufgaben hinausgehenden Beispielen praktisch angewendet. Damit können die Leserinnen und Leser die Vielfalt der Mechanik kennenlernen und die mathematischen Methoden einüben, die in fortgeschrittenen Kursen vorausgesetzt werden. Interaktive MATLAB-Applikationen und fotorealistische Animationen mechanischer Probleme veranschaulichen auch kompliziertere Sachverhalte. Aus Rezensionen zu früheren Auflagen: 'Auch die Durchmischung des Stoffes mit anschaulichen Beispielen und der gut lesbare Text werden diese Ausgabe der Klassischen Mechanik in den Bestsellerlisten halten.' (Internationale Mathematische Nachrichten) 'Die Ausgewogenheit in Theorie und Anwendungen hilft, die klassische Mechanik als das zu erkennen, was sie wirklich ist.' (Optik) Stimmen von Hochschullehrern zu früheren Auflagen: '... ist das Buch von einer bestechenden Didaktik. Das äußert sich im Sprachstil, der dem Leser die Begeisterung des Autors unmittelbar mitteilt ...' '... mit allergrößter - wissenschaflicher wie pädagogischer - Sorgfalt ...' '... ausgewogen in Theorie und Anwendungsbeispielen ...'Trade Review"Es verbindet abstrakte physikalische Prinzipien mit Anwendungen in der Praxis; dadurch ist es viel einfacher, die Prinzipien zu verstehen und zu verinnerlichen." Maschinenmarkt (09.05.2016) "Kuypers Lehrbuch Klassische Mechanik gilt als Klassiker unter Studierenden der Physik, Material- oder Ingenieurwissenschaften (Bachelor). Es zählt zu den beliebtesten Lehrbüchern in diesem Bereich." News in Industry (03.05.2016) "Dieses Grundlagenfach ist äußerst wichtig und seit Jahrzehnten begleitet das beliebte Lehrbuch die Studierenden. Kuypers weiß, worauf es bei der Vermittlung des Stoffs ankommt, und setzt dabei vor allem auf Beispiele." Maschinenmarkt.vogel.de (03.05.2016) "Ein sehr gut gelungenes Werk, welches mit hervorragenden Beispielen die gesamte Mechanik umfassend abdeckt." Prof. Dr. Robert Kellner, Hochschule für angewandte Wissenschaften - FH RosenheimTable of ContentsVorwort V MECHANICUS VIII A Die Newtonsche Mechanik 1 1 Einteilchensysteme 2 1.1 Die Newtonschen Axiome 2 1.2 Konservative Kräfte und Potentiale 5 1.3 Energieerhaltungssatz 10 1.4 Beschleunigte Bezugssysteme 10 1.5 Corioliskräfte der Erdrotation* 16 1.6 Zusammenfassung 19 1.7 Aufgaben 21 2 Mehrteilchensysteme 23 2.1 Impulssatz und Schwerpunktsatz 23 2.2 Drehimpulssatz 28 2.3 Die zehn Erhaltungsgrößen 33 2.4 Zusammenfassung 41 2.5 Aufgaben 43 B Die Lagrangesche Mechanik 47 3 Zwangsbedingungen 48 3.1 Generalisierte Koordinaten 48 3.2 Klassifizierung von Zwangsbedingungen 48 3.3 Newtonsche Bewegungsgleichungen 52 3.4 Zusammenfassung 56 3.5 Aufgaben 57 4 Dasd’Alembert-Prinzip 58 4.1 Virtuelle Verrückungen 58 4.2 Das d’Alembert-Prinzip 59 4.3 Richtung der Zwangskräfte* 64 4.4 Das Gleichgewichtsprinzip 66 4.5 Wichtigkeit des d’Alembert-Prinzips 66 4.6 Zusammenfassung 66 4.7 Aufgaben 67 5 Die Lagrangegleichungen 2. Art 69 5.1 Aufstellung der Lagrangegleichungen 2. Art 69 5.2 Forminvarianz der Lagrangegleichungen 73 5.3 Beschleunigte Bezugssysteme* 75 5.4 Wichtigkeit der Lagrangegleichungen 2. Art 76 5.5 Zusammenfassung 77 5.6 Aufgaben 78 6 Lagrangeformalismus mit Reibung 83 6.1 Reibungstypen* 83 6.2 Dissipationsfunktion 84 6.3 Zusammenfassung 87 6.4 Aufgaben 88 7 Symmetrien und Erhaltungsgrößen 90 7.1 Kanonische Impulse 90 7.2 Zyklische Koordinaten und Erhaltungsgrößen 90 7.3 Das Noether-Theorem 93 7.4 Energieerhaltungssatz 98 7.5 Zusammenfassung 100 7.6 Aufgaben 101 8 Stabilität und Bifurkationen 103 8.1 Bedingungen für nichtchaotisches Verhalten 103 8.2 Untersuchung von Differentialgleichungen 106 8.3 Stabilität: Erste Methode von Ljapunow 108 8.4 Stabilität: Direkte Methode von Ljapunow 114 8.5 Bifurkationen 118 8.6 Zusammenfassung 123 8.7 Aufgaben 125 9 Die Lagrangegleichungen 1. Art 127 9.1 Vom d’Alembert-Prinzip zu Lagrange I 127 9.2 Wichtigkeit der Lagrangegleichungen 1. Art 136 9.3 Zusammenfassung 136 9.4 Aufgaben 137 10 Das Hamiltonsche Prinzip 143 10.1 Variationsrechnung 143 10.2 Hamiltonsches Prinzip 148 10.3 Wichtigkeit des Hamiltonschen Prinzips 150 10.4 Zusammenfassung 151 10.5 Aufgaben 152 C Anwendungen derMechanik 155 11 Zentralkraftbewegungen 156 11.1 Zweikörperproblem 156 11.2 Zentralkräfte 157 11.3 Wiederholung 158 11.4 Bewegung im konservativen Zentralkraftfeld 159 11.5 Effektives Potential 164 11.6 Streuung im Zentralkraftfeld* 167 11.7 Streuung im Laborsystem* 174 11.8 Zusammenfassung 178 11.9 Aufgaben 180 12 Der starre Körper 185 12.1 Bewegungen starrer Körper 185 12.2 Kinetische Energie und Trägheitstensor 186 12.3 Drehimpuls 191 12.4 Schwerpunktsatz und Drehimpulssatz 195 12.5 Die EulerschenWinkel 204 12.6 Lagrangegleichungen des starren Körpers 212 12.7 Analogie Translation – Rotation * 217 12.8 Zusammenfassung 219 12.9 Aufgaben 221 13 Lineare Schwingungen 231 13.1 Harmonischer Oszillator 231 13.2 Gekoppelte Schwingungen 240 13.3 Übergang zum schwingenden Kontinuum 252 13.4 Zusammenfassung 263 13.5 Aufgaben 265 14 Nichtlineare Schwingungen 269 14.1 Lineare und nichtlineare Kräfte 269 14.2 Störungsrechnung 270 14.3 Verfahren der harmonischen Balance 275 14.4 Erzwungene nichtlineare Schwingungen 278 14.5 Selbst- und parametererregte Schwingungen 281 14.6 Zusammenfassung 282 14.7 Aufgaben 283 15 Greensche Funktionen und Deltafunktion 288 15.1 Einführung der Greenschen Funktionen 288 15.2 Greensche Funktionen und Fouriertransformationen 292 15.3 Die Deltafunktion 301 15.4 Andere Darstellungen der Deltafunktion 305 15.5 Zusammenfassung 306 15.6 Aufgaben 308 D Die Hamiltonsche Mechanik 310 16 Die Hamiltonschen Gleichungen 312 16.1 Legendre-Transformation 312 16.2 Die Hamiltonschen Gleichungen 313 16.3 Hamiltonfunktion und Energie 316 16.4 Hamiltonsche Gleichungen und Hamiltonsches Prinzip 319 16.5 Wichtigkeit der Hamiltonschen Gleichungen 320 16.6 Zusammenfassung 321 16.7 Aufgaben 321 17 Die Poisson-Klammern 323 17.1 Definition und Eigenschaften 323 17.2 Wichtigkeit der Poisson-Klammern 324 17.3 Zusammenfassung 325 17.4 Aufgaben 326 18 Kanonische Transformationen 327 18.1 Punkttransformationen 327 18.2 Kanonische Transformationen im weiteren Sinn 329 18.3 Kanonische Transformationen 332 18.4 Wiederholung* 333 18.5 Erzeugende kanonischer Transformationen 334 18.6 Wichtigkeit der kanonischen Transformationen 341 18.7 Zusammenfassung 342 18.8 Aufgaben 343 19 Kanonische Invarianten 346 19.1 Kanonische Invarianz der Poisson-Klammern 346 19.2 Kanonische Invarianz des Phasenvolumens 347 19.3 Zusammenfassung 348 19.4 Aufgaben 349 20 Der Satz von Liouville 350 20.1 Phasenbahnen 350 20.2 Grundlagen der Statistischen Mechanik 350 20.3 Beweis des Satzes von Liouville 352 20.4 Konsequenzen des Satzes von Liouville 354 20.5 Zusammenfassung 356 20.6 Aufgaben 357 21 Hamilton-Jacobi-Theorie 359 21.1 Hamilton-Jacobi-Gleichung 359 21.2 Berechnung einer Prinzipalfunktion 362 21.3 Integrabilität 367 21.4 Wichtigkeit der Hamilton-Jacobi-Theorie 370 21.5 Zusammenfassung 370 21.6 Aufgaben 372 22 Übergang zur Quantenmechanik 373 22.1 Analogie Mechanik – geometrische Optik 374 22.2 Zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung 377 22.3 Zusammenfassung 380 E Die Relativistische Mechanik 381 23 Raum und Zeit 382 23.1 Das Galileische Relativitätsprinzip 382 23.2 Die Einsteinschen Postulate 382 23.3 Relativität der Zeit 385 23.4 Die Lorentz-Transformationen 389 23.5 Zeitdilatation und Längenkontraktion 395 23.6 Zusammenfassung 405 23.7 Aufgaben 406 24 Relativistische Kinematik 409 24.1 Maximale Geschwindigkeit 409 24.2 Vierdimensionale Entfernungen 410 24.3 Doppler-Effekt 415 24.4 Addition von Geschwindigkeiten 420 24.5 Beschleunigungen* 427 24.6 Zusammenfassung 429 24.7 Aufgaben 430 25 Relativistische Dynamik 434 25.1 Vierervektoren 434 25.2 Relativistischer Impuls 436 25.3 Masse und Energie 442 25.4 Photonen 447 25.5 Grenzen der Raumfahrt* 451 25.6 Zusammenfassung 458 25.7 Aufgaben 460 Lösungen 463 Lösungen 1: Einteilchensysteme 463 Lösungen 2: Mehrteilchensysteme 467 Lösungen 3: Zwangsbedingungen 472 Lösungen 4: Das d’Alembert-Prinzip 474 Lösungen 5: Die Lagrangegleichungen 2. Art 478 Lösungen 6: Lagrangeformalismus mit Reibung 493 Lösungen 7: Symmetrien und Erhaltungsgrößen 496 Lösungen 8: Stabilität und Bifurkationen 500 Lösungen 9: Die Lagrangegleichungen 1. Art 507 Lösungen 10: Das Hamiltonsche Prinzip 531 Lösungen 11: Zentralkraftbewegungen 543 Lösungen 12: Der starre Körper 557 Lösungen 13: Lineare Schwingungen 600 Lösungen 14: Nichtlineare Schwingungen 620 Lösungen 15: Greensche Funktionen und Deltafunktion 631 Lösungen 16: Die Hamiltonschen Gleichungen 642 Lösungen 17: Die Poisson-Klammern 646 Lösungen 18: Kanonische Transformationen 649 Lösungen 19: Kanonische Invarianten 657 Lösungen 20: Der Satz von Liouville 659 Lösungen 21: Hamilton-Jacobi-Theorie 661 Lösungen 23: Raum und Zeit 667 Lösungen 24: Relativistische Kinematik 674 Lösungen 25: Relativistische Dynamik 680 Index 685

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Book SynopsisKleben gehört zu den wärmearmen Fügetechniken und ist in der Lage, praktisch alle technisch nutzbaren Werkstoffe miteinander und untereinander flächig und stoffschlüssig zu verbinden. Die hierbei durch Adhäsion entstehende Verbindung wird sehr schonend aufgebaut, da der Klebvorgang weder großer Hitze (wie beim Schweißen oder Löten), noch strukturschwächende Löcher (wie beim Nieten oder Schrauben) bedarf. Die in der Regel großflächig ausgelegte Klebung sorgt zudem für eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil. In einem klar strukturierten 5-Phasensystem bietet Fügetechnologie Kleben hier eine detaillierte Anleitung für die Schritte, die für den Aufbau eines sicheren und stabilen Klebprozesses zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Bauteils notwendig sind. Berücksichtigt werden dabei unter anderem die Vorbehandlung der zu verklebenden Werkstoff oberflächen, die Auswahl der geeigneten Klebstoffe, die Dimensionierung der Verklebung sowie die Prozessschritte zur Dosierung beziehungsweise Aushärtung der Klebstoffe. Dem Anwender werden so moderne und nachhaltige Materialien sowie klebtechnische Verfahren präsentiert, mit einem besonderen Fokus auf Oberflächenbehandlungsmöglichkeiten, Klebstoffe und Verarbeitungsmethoden relevant für Industrie und Handwerk.Table of ContentsVorwort ix 1 Geschichte des Klebens von der Steinzeit bis heute 1 1.1 Die Anfänge der Klebtechnik 1 1.2 Kleben vom Mittel- bis zum Industriezeitalter 2 1.3 Geschichte des Klebens 1845–1960 4 1.4 Geschichte des Klebens 1960 bis heute 8 2 Position der Klebtechnik in Industrie und Handwerk 11 2.1 Einleitung 11 2.2 Vor- und Nachteile des Klebens 12 2.3 Kleben in Industrie und Handwerk 16 2.4 Moderne Klebstoffsysteme für Industrie und Handwerk 17 3 Der Klebprozess: Qualitäts- und Projektmanagement 25 3.1 Einführung 25 3.2 Qualitätsmanagement 25 3.3 Projektmanagement 26 3.3.1 Teil 1 – Planungs-, Konzept- und Machbarkeitsphase 28 3.3.2 Teil 2 – Entwicklungs- und Einführungsphase 28 3.3.3 Gate Reviews 28 3.3.4 Die „Process Map“ 31 3.4 Qualitätsanforderungen an Klebprozesse nach DIN 2304 32 4 Planung (Phase 1) 37 4.1 Einleitung 37 4.2 Erstellen des Projektauftrags für die Entwicklung eines Klebprozesses 38 4.3 Rollenbeschreibungen der für den Projekterfolg relevanten Personen 39 5 Konzept(Phase2) 43 5.1 Einleitung 43 5.2 Grundlagen des Klebens 45 5.2.1 Adhäsion 45 5.2.2 Benetzung 47 5.2.3 Kohäsion 52 5.3 Werkstoffe und deren Oberflächen 54 5.3.1 Einleitung 54 5.3.2 Metalle 54 5.3.3 Kunststoffe 66 5.3.4 Glas 69 5.4 Beanspruchung von Klebverbunden 72 5.4.1 Langzeitverhalten von Klebverbunden 73 5.4.2 Feuchtebeanspruchung 74 5.4.3 Beanspruchung durch korrosiveMedien 74 5.4.4 Temperaturwechselbeanspruchungen 76 5.4.5 Eigenspannungen in Klebungen 76 5.5 Klebtechnische Oberflächenbehandlung derWerkstoffe 79 5.5.1 Einführung 79 5.5.2 Eigenschaften der Metalloberflächen 84 5.5.3 Eigenschaften von Kunststoff- und Glasoberflächen 86 5.5.4 Klebtechnische Vorbereitung der Oberfläche 89 5.5.5 Klebtechnische Oberflächenvorbehandlung 95 5.6 Klebstoffe für Industrie und Handwerk 114 5.6.1 1K-Klebstoffe 116 5.6.2 2K-Klebstoffe 171 5.7 Kleben auf Metall-, Kunststoff- und Glasoberflächen 181 5.7.1 Kleben auf Metalloberflächen 181 5.7.2 Kleben auf Kunststoffoberflächen 189 5.7.3 Kleben auf Glasoberflächen 191 5.8 Kriterien für die Auswahl der Klebstoffe 195 5.8.1 Festlegung desWerkstoffs 196 5.8.2 Gestaltung und Dimensionierung des Klebverbundes 196 5.8.3 Beanspruchungen des Klebverbundes 198 5.8.4 Art der Oberflächenbehandlung 198 5.8.5 Art des Fertigungsprozesses 200 5.8.6 Auswahl der Klebstoffe 201 5.8.7 Praktische „Guidelines“ zur Auswahl der Klebstoffe 201 6 Machbarkeit (Phase 3) 203 6.1 Einleitung 203 6.2 Manuelle Herstellung einer Klebverbindung 204 6.2.1 Vorbereitung 204 6.2.2 Durchführung 211 6.3 Eigenschaften und Prüfverfahren 242 6.3.1 Eigenschaften von Klebverbindungen 242 6.3.2 Prüfverfahren in der Klebtechnik 257 6.4 Gestaltung und Dimensionierung von Klebverbindungen 270 6.4.1 Konstruktive Gestaltung von Klebverbindungen 270 6.4.2 Dimensionierung von Klebverbindungen 280 6.4.3 Abschließende Bemerkung zur konstruktiven Gestaltung und Dimensionierung von Klebverbindungen 287 6.4.4 Beispiele zur Dimensionierung von Klebverbindungen 287 7 Entwicklung des Klebprozesses (Phase 4) 295 7.1 Einleitung 295 7.2 Fertigungsprozess Kleben 296 7.3 Herstellungsverfahren zum Aufbau der Adhäsion 300 7.3.1 Klebstoffvorbereitung 300 7.3.2 Dosieren und Auftragen des Klebstoffs 306 7.4 Herstellungsverfahren zum Aufbau der Kohäsion 315 7.4.1 Mischen der Klebstoffkomponenten 315 7.4.2 Fügen und Fixieren 322 7.4.3 Aushärten der Klebstoffe 322 8 Einführung des Klebprozesses (Phase 5) 325 9 Moderne Anwendungen in Industrie und Handwerk 327 9.1 Einleitung 327 9.2 Kleben im Leichtbau 328 9.3 Kleben im Fassadenbau 332 9.4 Kleben auf niederenergetischen Werkstoffen 334 9.5 Kleben mit strukturellen 2K-Klebstoffen 338 9.6 Kleben mit Hochleistungsklebebandsystemen 345 Stichwortverzeichnis 349

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Book SynopsisBewährtes Konzept auf neuestem Stand: die 7. Auflage dieses Klassikers ist ideal für alle Studentinnen und Studenten, die die Physikalische Chemie quantitativ und mathematisch exakt durchdringen möchten und entsprechend ausgerichtete Vorlesungen hören. Sämtliche Teilgebiete der Physikalischen Chemie werden ausführlich abgedeckt und Bezüge zu Nachbarwissenschaften herausgestellt. Eine Vielzahl von Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade unterstützt das Verstehen und erleichtert die Vorbereitung auf Klausuren und mündliche Prüfungen. Damit ist das umfassende Lehrbuch ein zuverlässiger Begleiter für Studierende der Chemie, Physik, Materialwissenschaften und Mineralogie für das gesamte Bachelor- und Master-Studium. * Nachvollziehbare, saubere mathematische Herleitungen von Formeln und Zusammenhängen in allen Teilgebieten der Physikalischen Chemie * Didaktisch hervorragend dank der jahrelangen Erfahrung in Forschung und Lehre von Gerd Wedler und Hans-Joachim Freund * Mit neuen Abschnitten zu oszillierenden Reaktionen und zur nichtlinearen optischen Spektroskopie * Kernaussagen und -inhalte sind am Ende jedes Kapitels kompakt zusammengefasst * Lehr- und Arbeitsbuch erstmals in einem Buch kombiniert * Noch besser für Selbststudium und Prüfungsvorbereitung mit mehr als 350 Aufgaben mit ausführlichen Lösungswegen Zusatzmaterial für Dozenten verfügbar unter www.wiley-vch.de/textbooks Gerd Wedler war bis 1995 Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg. Sein Forschungsgebiet umfasste die Untersuchung des Adsorptions- und Reaktionsverhaltens kleiner Moleküle an Modellkatalysatoren. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet wurde ihm 1996 die Bunsen-Gedenkmünze der Deutschen Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie verliehen. Sein Lehrbuch der Physikalischen Chemie gilt als Standardwerk des Faches. Hans-Joachim Freund war Professor an den Universitäten Erlangen und Bochum und ist seit 1996 Direktor am renommierten Fritz-Haber-Institut in Berlin. Zu seinen Forschungsinteressen gehören die Physik und Chemie fester Oberflächen, die Struktur und Dynamik oxidischer Oberflächen und Nanostrukturen sowie Modellsysteme für die heterogene Katalyse. Seine Forschung wurde mehrfach ausgezeichnet, u.a. mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Somorjai Award der American Chemical Society und dem Karl-Ziegler-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker. Seine Vorträge und Vorlesungen sind für ihre Verständlichkeit besonders auch bei komplexen Sachverhalten bekannt.Table of ContentsVorwort „Lehr- und Arbeitsbuch Physikalische Chemie“Wedler/Freund XV Vorwort zur ersten Auflage XVII 1 Einführung in die physikalisch-chemischen Betrachtungsweisen, Grundbegriffe und Arbeitstechniken 1 1.1 Einführung in die chemische Thermodynamik 1 1.2 Einführung in die kinetische Gastheorie 46 1.3 Einführung in die statistische Thermodynamik 52 1.4 Einführung in die Quantentheorie 62 1.5 Einführung in die chemische Kinetik 97 1.6 Einführung in die Elektrochemie 109 1.7 Beugungserscheinungen und reziprokes Gitter 134 2 Chemische Thermodynamik 145 2.1 Das reale Verhalten der Materie 145 2.2 Mischphasen 158 2.3 Die Grundgleichungen der Thermodynamik 167 2.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 179 2.5 Phasengleichgewichte 182 2.6 Das chemische Gleichgewicht 223 2.6.1 Allgemeine Betrachtungen 223 2.7 Grenzflächengleichgewichte 245 2.8 Elektrochemische Thermodynamik 266 3 AufbauderMaterie 293 3.1 Quantenmechanische Behandlung einfacher Systeme 293 3.2 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Atomen – Atomaufbau und Periodensystem 322 3.3 Materie im elektrischen und im magnetischen Feld 336 3.4 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Molekülen 349 3.5 Die chemische Bindung 395 3.6 Molekülsymmetrie und Struktur 423 4 Die statistische Theorie der Materie 451 4.1 Die klassische Statistik und die Quantenstatistiken 451 4.2 Statistische Thermodynamik 463 4.3 Die kinetische Gastheorie 491 5 Transporterscheinungen 501 5.1 Die mittlere freieWeglänge der Gasmoleküle 501 5.2 Die Stoßzahlen der Gasmoleküle 505 5.3 Transporterscheinungen in Gasen 506 5.4 Laminare Strömung in engen Röhren 513 5.5 Zusammenfassungen zu den Abschnitten 5.1 bis 5.4 514 5.6 Die elektrische Leitfähigkeit in Festkörpern 515 5.7 Die elektrokinetischen Erscheinungen 522 6 Kinetik 527 6.1 Die experimentellen Methoden und die Auswertung kinetischer Messungen 528 6.2 Formale Kinetik komplizierterer Reaktionen 536 6.3 Reaktionsmechanismen 540 6.4 Die Theorie der Kinetik 551 6.5 Die Kinetik von Reaktionen in Lösung 564 6.6 Die Kinetik heterogener Reaktionen 571 6.7 Die Katalyse 574 6.8 Die Kinetik von Elektrodenprozessen 593 7 Mathematischer Anhang 603 Lösungen zu Kapitel 1 Einführung in die physikalisch-chemischen Betrachtungsweisen, Grundbegriffe und Arbeitstechniken 629 1.1 Einführung in die chemische Thermodynamik 629 1.2 Einführung in die kinetische Gastheorie 658 1.3 Einführung in die statistische Thermodynamik 662 1.4 Einführung in die Quantentheorie 678 1.5 Einführung in die chemische Kinetik 694 1.6 Einführung in die Elektrochemie 706 1.7 Beugungserscheinungen und reziprokes Gitter 715 Lösungen zu Kapitel 2 Chemische Thermodynamik 717 2.1 Das reale Verhalten der Materie 717 2.2 Mischphasen 723 2.3 Die Grundgleichungen der Thermodynamik 727 2.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 734 2.5 Phasengleichgewichte 736 2.6 Das chemische Gleichgewicht 748 2.7 Grenzflächengleichgewichte 765 2.8 Elektrochemische Thermodynamik 769 Lösungen zu Kapitel 3 Aufbau derMaterie 779 3.1 Quantenmechanische Behandlung einfacher Systeme 779 3.2 Die Spektren 789 3.3 Materie im elektrischen und im magnetischen Feld 793 3.4 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Molekülen 797 3.5 Die chemische Bindung 834 3.6 Molekülsymmetrie und Struktur 842 Lösungen zu Kapitel 4 Die statistische Theorie der Materie 853 4.1 Die klassische Statistik und die Quantenstatistiken 853 4.2 Statistische Thermodynamik 857 4.3 Die kinetische Gastheorie 886 Lösungen zu Kapitel 5 Transporterscheinigungen 891 5.1 Materie (Abschnitte 5.1 bis 5.4) 891 5.2 Ladung (Abschnitte 5.5 bis 5.6) 896 Lösungen zu Kapitel 6 Kinetik 899 6.1 Die experimentellen Methoden und die Auswertung kinetischer Messungen 899 6.2 Formale Kinetik komplizierterer Reaktionen und Reaktionsmechanismen (Abschnitte 6.2 und 6.3) 902 6.3 Die Theorie der Kinetik (Abschnitt 6.4) 906 6.4 Die Kinetik von Reaktionen in Lösung (Abschnitt 6.5) 908 6.5 Die Kinetik heterogener Reaktionen (Abschnitt 6.6) 913 6.6 Die Katalyse (Abschnitt 6.7) 915 6.7 Die Kinetik von Elektrodenprozessen (Abschnitt 6.8) 919 Einige nützliche Informationen 923 Sachverzeichnis 927

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Book SynopsisAktuelles Lehrbuch zur Materialkunde der Nichteisenmetalle - kompakt, übersichtlich, verständlich Die Werkstoffklasse der Nichteisenmetalle ist groß: man teilt sie ein in Leicht-, Bunt-, Alkali- und Erdalkalimetalle, hochschmelzende und Refraktärmetalle sowie Metalle der Platingruppe und Edelmetalle. Diese Vielfalt der (teilweise überlappenden) Klassifizierungen entspricht den unzähligen Anwendungsmöglichkeiten der Nichteisenmetalle, die im Blick auf die technische und wirtschaftliche Bedeutung den eisenbasierten Werkstoff en in nichts nachstehen. Daher spielen die Nichteisenmetalle auch in der Hochschullehre für Studierende der Material- und Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus eine immer größere Rolle. Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen gibt eine Einführung in die Materialphysik der Nichteisenmetalle und ihrer Legierungen mit dem Fokus auf Darstellung, Konstitution, Gefüge, mechanische und physikalische Eigenschaften, die den Einsatz in der Anwendung bestimmen. Kompakt und klar strukturiert erlangen die Leserinnen und Leser einen Überblick über die Leistungsfähigkeit der Nichteisenmetalle und deren Grenzen und erwerben die Kompetenz, die Einsatzmöglichkeiten anhand der jeweiligen Eigenschaften zu bewerten. * Klar strukturiert: in einheitlich aufgebauten Kapiteln werden die wichtigsten Nichteisenmetalle und ihre Legierungen dargestellt, stets im Zusammenhang mit ihren Anwendungen * Top Team: die Autoren verfügen über langjährige Lehrerfahrung und gehören zu den bekanntesten Werkstoffwissenschaftlern Deutschlands Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen richtet sich an Bachelor- und Master-Studenten der Materialwissenschaften, Master-Studenten der Physik und Chemie, Ingenieurstudenten, sowie an Materialwissenschaftler und Metallurgen.Trade Review"Das erste Lehrbuch zur Metallkunde der Nichteisenmetalle, didaktisch hervorragend aufbereitet und mit mehr als 400 farbigen Abbildungen, gibt den Lesern eine Einführung in Darstellung, Konstitution, Gefüge und physikalische Eigenschaften der Nichteisenmetalle." Konstruktion, 04.06.2020 ?Sie erwerben die Kompetenz, die Einsatzmöglichkeiten anhand der jeweiligen Eigenschaften zu bewerten. Die Autoren verfügen über langjährige Lehrerfahrung.? Hephaistos, 09.09.2020 ?Es richtet sich an Studierende der Material- und Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus, ist aber auch für Studentinnen und Studenten der Physik und Chemie sowie Materialwissenschaftler, Metallurgen und Werkstoffprüfer ein interessantes und ausführliches Fachbuch.? Zfp-Zeitung, 19.10.2020 ?Anschauliche Darstellungen und meist gut verständlich! Gut zu empfehlen für Studenten.? Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel, 23.10.2020 ?Gut gefällt mir die für alle Werkstoffengruppen durchgängig erfolgte Betrachtung der gesamten Prozessketten zu Werkstoffherstellung und Weiterverarbeitung, beginnend bei den entsprechenden Rohstoffen.? Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, 12.11.2020 Table of ContentsVorwort zu Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen ix Uber die Autoren xi Einordnung der Metalle 1 Eigenschaftsschaubilder 5 Werkstoffauswahl mithilfe eines Eigenschaftsschaubildes 7 Bezeichnung der Nichteisenmetalle 11 1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 15 1.1 Darstellung von Aluminium 19 1.1.1 Das Bayer-Verfahren 19 1.1.2 Das Hall-Héroult-Verfahren 20 1.2 Physikalische Eigenschaften von Aluminium 23 1.3 Legierungssysteme des Aluminiums 26 1.3.1 Klassifikation der Aluminiumlegierungen 26 1.3.2 Das System Aluminium–Kupfer 29 1.3.3 Aushartung 31 1.4 Aluminiumknetlegierungen 37 1.4.1 Die 2000er-Aluminiumlegierungen 37 1.4.2 Das System Aluminium–Silizium 37 1.4.3 Die 4000er-Aluminiumlegierungen 38 1.4.4 Das System Aluminium–Magnesium 38 1.4.5 Die 5000er-Aluminiumlegierungen 39 1.4.6 Das System Aluminium–Magnesium–Silizium 40 1.4.7 Die 6000er-Aluminiumlegierungen 42 1.4.8 Das System Aluminium–Zink 44 1.4.9 Die 7000er-Aluminiumlegierungen 45 1.4.10 Die 8000er-Aluminiumlegierungen 46 1.4.11 Vergleich der Aluminiumknetlegierungen 47 1.5 Aluminiumgusslegierungen 48 1.5.1 Die 400er-Aluminiumlegierungen 48 1.5.2 Die anderen Aluminiumgusslegierungen 51 1.6 Festigkeitseigenschaften von Aluminiumlegierungen bei erhohter/tiefer Temperatur 52 1.6.1 Hohe Temperatur 52 1.6.2 Tiefe Temperatur 57 1.7 Werkstoffverhalten von Aluminiumlegierungen unter wechselnder Beanspruchung 60 2 Titan und Titanlegierungen 65 2.1 Darstellung von Titan 67 2.1.1 Der Kroll-Prozess 68 2.1.2 Das van Arkel-de Boer-Verfahren 70 2.2 Physikalische Eigenschaften von Titan 71 2.2.1 Die Kristallstruktur 71 2.2.2 Loslichkeit von Sauerstoff 72 2.2.3 Reaktionsaktivitat von Titan 74 2.2.4 Klassifikation von reinem Titan 75 2.3 Titanlegierungen 76 2.3.1 Klassifikation von Titanlegierungen 76 2.3.2 Einfluss von Legierungselementen 81 2.3.3 Das Gefuge der Titanlegierungen 81 2.3.4 α-Titanlegierungen 86 2.3.5 Nah-α-Titanlegierungen 87 2.3.6 β-Titanlegierungen 89 2.3.7 (α + β)-Titanlegierungen 94 2.3.8 Uberblick uber die technisch relevanten Titanlegierungen 97 2.3.9 γ-Titanlegierungen 99 2.3.10 Eigenschaften der Titanlegierungen im Vergleich 101 3 Magnesium und Magnesiumlegierungen 109 3.1 Darstellung von Magnesium 111 3.1.1 Die Schmelzflusselektrolyse von Magnesium 112 3.1.2 Thermische Reduktion 114 3.1.3 Raffination von Magnesium 116 3.2 Physikalische Eigenschaften 117 3.2.1 Die Kristallstruktur von Magnesium 117 Mechanische Zwillingsbildung 119 3.2.2 Temperaturabhangigkeit der Dichte 121 3.2.3 Dampfungsverhalten von Magnesium 123 3.3 Klassifikation vonMagnesiumlegierungen 128 3.3.1 Metallurgie derMagnesiumlegierungen 129 3.3.2 Mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen 131 3.3.3 Das System Magnesium–Aluminium 133 3.3.4 Magnesium-Dreistoffsysteme 135 3.3.5 Mechanische Eigenschaften der Magnesiumlegierungen 137 3.3.6 Mg−Li-Legierungen 139 4 Nickel und Nickellegierungen 143 4.1 Darstellung von Nickel 145 4.1.1 Flotation des Erzes 146 4.1.2 Rosten des aufkonzentrierten Erzes 146 4.1.3 Gewinnung von Rohnickel 147 4.1.4 Gewinnung von Rein- und Reinstnickel 148 4.2 Physikalische Eigenschaften von Nickel 149 4.2.1 Korrosionsverhalten von Nickel 150 4.3 Nickellegierungen 152 4.3.1 Korrosionsbestandige Nickellegierungen 152 4.3.2 Hochtemperaturbestandige Nickellegierungen 156 4.3.3 Nickelbasissuperlegierungen 161 4.4 Nickel als Basis weichmagnetischerWerkstoffe 179 5 Kupfer und Kupferlegierungen 185 5.1 Darstellung von Kupfer 187 5.2 Einteilung der Kupfersorten 192 5.3 Physikalische Eigenschaften 194 5.4 Mechanische Eigenschaften 200 5.5 Legierungssysteme des Kupfers 202 5.5.1 Messing 206 5.5.2 Bronze 220 5.5.3 Kupfer–Aluminium-Legierungen 229 5.5.4 Kupfer–Nickel-Legierungen 233 5.5.5 Kupfer–Silber-Legierungen 234 5.5.6 Zwillingsbildung zur Festigkeitssteigerung 237 5.5.7 Niedriglegierte Kupferwerkstoffe 238 6 Silber und Silberlegierungen 247 6.1 Darstellung von Silber 249 6.1.1 Silbersorten und ihre Reinheit 250 6.2 Physikalische Eigenschaften von Silber 251 6.3 Mechanische Eigenschaften 253 6.4 Legierungssysteme auf Silberbasis 257 6.4.1 Silber–Nickel-Legierungen 260 6.4.2 Silber–Kupfer-Legierungen 262 6.4.3 Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoffe 266 6.4.4 Silber–Quecksilber-Legierungen 270 7 Gold und Goldlegierungen 275 7.1 Darstellung von Gold 277 7.1.1 Goldsorten und ihre Reinheit 280 7.2 Physikalische Eigenschaften von Gold 281 7.3 Mechanische Eigenschaften von Goldlegierungen 289 Verbinden von Goldbonddrahten 291 7.4 Legierungssysteme des Goldes 292 7.4.1 Gold–Silber-Legierungen 294 7.4.2 Gold–Nickel-Legierungen 295 7.4.3 Gold–Silber–Kupfer-Legierungen 296 7.5 Kontaktwerkstoffe auf Goldbasis 299 8 Platinmetalle und ihre Legierungen 303 8.1 Darstellung der Platinmetalle 307 8.2 Physikalische Eigenschaften der Platinmetalle 308 8.2.1 Wasserstoffatmosphare 310 8.2.2 Katalytische Eigenschaften 312 8.2.3 Einsatz bei hohen Temperaturen 313 8.3 Mechanische Eigenschaften 314 8.4 Elektrische Eigenschaften 322 8.5 Thermoelektrische Kennwerte 323 Seebeck- und Peltier-Effekt 324 9 Refraktarmetalle und ihre Legierungen 329 9.1 Darstellung der Refraktarmetalle 334 9.2 Pulvermetallurgie der Refraktarmetalle 337 9.3 Ausgewahlte physikalische und chemische Eigenschaften der Refraktarmetalle 338 9.3.1 Die Oxidationsbestandigkeit der Refraktarmetalle 338 9.3.2 Mechanische Eigenschaften 339 9.3.3 Legierungsentfestigung 345 9.3.4 Die thermische Ausdehnung 347 9.4 Molybdan und Molybdanlegierungen 348 9.5 Oxidationsbestandige Molybdanlegierungen 353 9.5.1 Das Legierungssystem Mo–Si–B 354 9.6 Wolfram undWolframlegierungen 360 9.7 Tantal und Tantallegierungen 366 Stichwortverzeichnis 369

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Book SynopsisDieses Praktikerbuch ist zum einen eine anwendungsnahe Einführung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik. Zum anderen erklärt es die statistische Versuchsplanung, die für die Planung und saubere Auswertung von Versuchsreihen von entscheidender Wichtigkeit ist. Herleitungen und Beweise werden dabei ausführlich erläutert, ohne sich in mathematischen Details zu verlieren. In mehr als 160 Beispielen illustriert das Buch die Umsetzung alltagssprachlich formulierter Probleme in wahrscheinlichkeitstheoretische bzw. statistische Modelle - und deren Implementierung in R und SAS.Table of Contents1 Einleitung 1 1.1 Hauptbegriffe 1 1.2 Zielgruppen 2 1.2.1 Einsteiger/innen 2 1.2.2 Physiker/innen 3 1.2.3 SAS-Anwender/innen 4 1.3 Anmerkungen zur Notation 5 1.4 Symbole und Formelzeichen 6 1.5 Gliederung des Buches 11 1.6 Datenmaterial zu diesem Buch 12 2 Wahrscheinlichkeitstheorie 13 2.1 Was ist Wahrscheinlichkeit? 13 2.1.1 Ausgangssituation 13 2.1.2 Ermittlung von klassischen Wahrscheinlichkeiten 14 2.1.3 Formale Definition des Begriffs Wahrscheinlichkeit 16 2.2 Wahrscheinlichkeit abstrakt mathematisch 17 2.2.1 Der Wahrscheinlichkeitsraum 17 2.2.2 Bedingte Wahrscheinlichkeit und statistische Unabhängigkeit 18 2.2.3 Zufallsvariablen 20 2.2.4 Die kumulative Verteilungsfunktion 20 2.2.5 Beispiele für kumulative Verteilungen 21 2.2.6 Die Dichtefunktion 23 2.2.7 Multidimensionale Verteilungen 25 2.3 Erwartungswert, Varianz, Korrelation 25 2.3.1 Varianz von Funktionen von Zufallsvariablen 26 2.3.2 Das Gaußsche Fehlerfortpflanzungsgesetz 28 2.4 Charakteristische Funktion und Momente 29 2.4.1 Die charakteristische Funktion einer Verteilung 29 2.4.2 Momente und Kumulanten 29 2.4.3 Kumulanten niedrigster Ordnung 30 2.4.4 Zentrale Momente niedrigster Ordnung 31 2.5 Die Berechnung von Verteilungen mit Hilfe der Deltafunktion 31 2.5.1 Verteilung von Funktionen einer Zufallsvariablen 31 2.5.2 Die Erwartungswerte von Delta- und Thetafunktion 32 2.5.3 Verallgemeinerungen auf mehrere Zufallsvariable 32 2.6 Grenzverteilungen und zentraler Grenzwertsatz 33 2.6.1 Historischer Exkurs zur Gauß-Verteilung 33 2.6.2 Zentraler Grenzwertsatz nach Lindenberg-Lévy 34 2.6.3 Lévy-Verteilungen 35 2.7 Quantile 37 2.8 Ergänzungen 38 2.8.1 Symmetrierelationen 38 2.8.2 Erwartungswerte von quadratischen Formen 38 2.8.3 Kombinatorik 38 3 Verteilungen 39 3.1 Eindimensionale diskrete Verteilungen 39 3.1.1 Hypergeometrische Verteilung 39 3.1.2 Negative hypergeometrische Verteilung 42 3.1.3 Binomialverteilung 43 3.1.4 Poisson-Verteilung 48 3.1.5 Geometrische Verteilung 53 3.1.6 Negative Binomialverteilung 55 3.1.7 Tabellen der eindimensionalen diskreten Verteilungen 55 3.2 Eindimensionale kontinuierliche Verteilungen 58 3.2.1 Gauß-Verteilung 58 3.2.2 Cauchy-Verteilung 63 3.2.3 Chi-Quadrat-Verteilung 65 3.2.4 Nichtzentrale Chi-Quadrat-Verteilung 69 3.2.5 Student-Verteilung 70 3.2.6 Nichtzentrale Student-Verteilung 74 3.2.7 F-Verteilung 75 3.2.8 Nichtzentrale F-Verteilung 77 3.2.9 Exponentialverteilung 77 3.2.10 Weibull-Verteilung 79 3.2.11 Tabellen der eindimensionalen kontinuierlichen Verteilungen 82 3.3 Mehrdimensionale Verteilungen 85 3.3.1 n-dimensionale Gauß-Verteilung 85 3.3.2 Zweidimensionale Gauß-Verteilung 86 4 Mathematische Stichproben, Messreihen 87 4.1 Definition, Mittelwert und Stichprobenvarianz 87 4.1.1 Definition einer eindimensionalen Stichprobe und verteilungsunabhängige Eigenschaften 87 4.1.2 Einschub: Fehlerrechnung im physikalischen Praktikum 90 4.1.3 Verteilung der Stichprobenmomente bei Gauß-Verteilung 92 4.2 Konfidenzintervalle 93 4.2.1 Begriffe 93 4.2.2 Eine Tautologie als Basis 94 4.2.3 Die Tautologie für ˆµ und ˆσ2 96 4.2.4 µ−Konfidenzintervalle bei bekanntem σ 96 4.2.5 Beispiele für µ−Konfidenzintervalle bei bekanntem σ 97 4.2.6 µ−Konfidenzintervall bei unbekanntem σ 97 4.2.7 Beispiele für µ-Konfidenzintervalle bei unbekanntem σ 99 4.2.8 Konfidenzintervall für die Varianz σ2 105 4.2.9 Beispiele für Konfidenzintervalle für die Varianz σ2 107 4.2.10 Prognoseintervalle 109 4.2.11 Beispiele für Prognoseintervalle 109 4.3 Parametertests 110 4.3.1 Begriffe: Nullhypothese, Prüfgröße, p-Wert 110 4.3.2 Der ,,N-Test“ (Test von µ bei bekanntem σ) 112 4.3.3 Beispiele für den N-Test“ 115 4.3.4 Der t-Test (Test von µ bei unbekanntem σ) 119 4.3.5 Beispiele für den t-Test 120 4.3.6 Der t-Verschiebungstest 124 4.3.7 Der doppelte ,,N-Test“ 125 4.3.8 Beispiele für den doppelten ” N-Test“ 126 4.3.9 Der doppelte t-Test 127 4.3.10 Beispiele für den doppelten t-Test 128 4.3.11 Der asymptotische Test bei ungleichen Varianzen 129 4.3.12 Beispiele für den asymptotischen Test 130 4.3.13 Test der Varianz σ 2 131 4.3.14 Beispiele für Test der Varianz 132 4.4 Power-Analyse 133 4.4.1 Begriffe: β-Fehler, Power, Güte, OC 133 4.4.2 Das Forellenbeispiel 134 4.4.3 Illustrationen des ,,Forellenbeispiels“ mit R und SAS 136 4.4.4 Die analytische linksseitige ,,µ-power“-Theorie 138 4.4.5 R-Werkstatt für die allgemeine ,,µ-power“-Theorie 140 4.4.6 Anwendungsbeispiele für die ,,µ-power“-Theorie mit R 140 4.4.7 Die analytische ,,µ-sample-size“-Theorie 143 4.4.8 R-Werkstatt für die ,,µ-sample-size“-Theorie 144 4.4.9 Beispiele für die ,,µ-sample-size“-Theorie mit R 145 5 Regression 149 5.1 Einführung 149 5.1.1 Was ist Regressionsanalyse? 149 5.1.2 Der lineare Regressionsansatz 150 5.1.3 Die Modellgleichung 150 5.1.4 (Ko-)Varianzanalyse und kategoriale Faktoren 150 5.2 Annahmen 151 5.2.1 Die acht Annahmen des klassischen linearen Modells 151 5.3 Modellparameter, Schätzung und Residuen 153 5.3.1 Deterministische Größen im klassischen linearen Modell 153 5.3.2 Zufällige Größen im klassischen linearen Modell 154 5.3.3 Erwartungswert, Kovarianz und geschätzte Kovarianz der zufälligen Größen 155 5.3.4 Ein alternativer Ausdruck für die Varianzen von ˆβ 156 5.3.5 Geometrische Eigenschaften aufgrund des KQ-Prinzips 157 5.3.6 Prognose für eine zukünftige Versuchseinstellung 158 5.4 Quadratsummen und Varianzanalyse 159 5.4.1 Quadratsummen und die ,,ANOVA-Tabelle“ 159 5.4.2 Additive Zerlegung der korrigierten Gesamtstreuuung 160 5.4.3 Berücksichtigung von Mehrfachversuchen 160 5.4.4 Zerlegung der Reststreuung bei Mehrfachversuchen 162 5.4.5 Das Bestimmtheitsmaß 162 5.4.6 Zerlegung der unkorrigierten Gesamtstreuung 163 5.5 Verteilungseigenschaften 163 5.5.1 Verteilung von Linearkombinationen der Stör-Variablen 164 5.5.2 Drei grundlegende Verteilungseigenschaften 164 5.5.3 Verteilung der standardisierten Regressionsparameter 165 5.5.4 Verteilungseigenschaften der LOF-Quadratsummen 165 5.6 Hypothesentests 166 5.6.1 Der Overall-F-Test (Goodness-of-Fit-Test) 166 5.6.2 Der partielle F-Test 166 5.6.3 Der partielle t-Test 167 5.6.4 Der Lack-of-Fit-Test 167 5.6.5 Resumé: Die vier Tests der linearen Regression 168 5.6.6 Output von R und SAS 169 5.6.7 Beispiele für Regression und Hypothesentests 171 5.7 Konfidenzintervalle und Prognoseintervalle 179 5.7.1 Zusammenfassung: Konfidenz- und Prognoseintervalle 179 5.7.2 Beispiele 180 5.8 Spezialfall: Einfache lineare Regression 191 5.8.1 Schwerpunktkoordinaten 191 5.8.2 Deterministische Größen 191 5.8.3 Zufällige Größen 192 5.8.4 Versuchsplanung bei der einfachen linearen Regression 192 5.8.5 Quadratsummen und Bestimmtheitsmaß 193 5.8.6 Konfidenz- und Prognoseintervall 193 5.8.7 Beispiele 193 5.9 Modelldiagnose 195 5.9.1 Analyse der erklärenden Variablen 195 5.9.2 Analyse der Stör-Variablen 200 5.9.3 Einflussanalyse 203 5.9.4 Das Diagnose-Quartett plot(lm(.)) 205 5.9.5 Beispiele zur Modelldiagnose 208 5.9.6 Alternative Modellierungsansätze nach Modelldiagnose 215 5.10 Nichtlineare Regression 220 5.10.1 Schätzverfahren der nichtlinearen Regression 220 5.10.2 R-Beispiele für Nichtlineare Regression 221 6 Varianzanalyse 225 6.1 Einführung 225 6.1.1 Was ist Varianzanalyse? 225 6.1.2 Was ist Kovarianzanalyse? 226 6.1.3 Die Modelle der Varianzanalyse 226 6.1.4 Die hierarchische Fragestellung in der ANOVA und das Problem der mehrfachen Tests 227 6.1.5 Varianzanalyse mit R 228 6.2 Varianzanalyse mit festen Effekten 229 6.2.1 One-way ANOVA (einfaktorielle Varianzanalyse) 229 6.2.2 Two-way ANOVA mit einfacher Besetzung 238 6.2.3 Two-way ANOVA mit mehrfacher Besetzung 242 6.2.4 Three-way und Four-way ANOVA (einfache Besetzung): Lateinische und Griechisch-Lateinische Quadrate 253 6.2.5 Kovarianzanalyse mit festen Effekten (ANCOVA) 257 7 Versuchsplanung 263 7.1 Einführung 263 7.1.1 Einsatzgebiet, Zielsetzung 263 7.1.2 Zwei Grundprinzipien der Versuchsplanung 264 7.1.3 Arten und Zielsetzungen von Versuchsplänen 265 7.1.4 Momentenmatrix und Design-Momente 267 7.2 Vollfaktorielle Pläne 269 7.2.1 Vollfaktorielle Versuchspläne (Definition) 269 7.2.2 Konstruktion faktorieller Pläne mit R 272 7.2.3 Auswertung vollfaktorieller Versuche mit FrF2 274 7.3 Teilfaktorielle Pläne 288 7.3.1 Der Begriff Vermengung (Confounding) 288 7.3.2 Generatoren und Alias-Strukturen 288 7.3.3 Resolution, Aberration und andere Begriffe 290 7.3.4 Konstruktion teilfaktorieller Pläne mit R 293 7.3.5 Anzahl der Versuche versus möglichem Nutzen 300 7.3.6 Screening Fallstudien mit 2k−s −Plänen 301 7.3.7 Aufspaltung vollfaktorieller 2k-Pläne in Blöcke 311 7.4 Qualitätskriterien für Versuchspläne 316 7.4.1 Die Vorhersagevarianz 316 7.4.2 Drehbarkeit, Orthogonalität und Uniformität 323 7.5 Response Surface Methodology (RSM) 325 7.5.1 Einführung 325 7.5.2 Bausteine der RSM, FO und SO Designs 328 7.5.3 Central Composite Designs (CCD) 330 7.5.4 RSM Werkzeuge 332 7.6 Beispiele für RSM-Anwendungen 339 7.6.1 Quadratische Regression mit rsm 339 7.6.2 Umgang mit flachen Extrema und Sattelpunkten 347 7.6.3 Eine Beispiel-Serie für eine sequentielle Optimierung bei drei Einflussgrößen 355 7.7 Optimale Pläne 370 7.7.1 Einleitung 370 7.7.2 Optimalitätskriterien 371 7.7.3 Die Konstruktion optimaler Versuchspläne 373 7.7.4 Verallgemeinerte (approximative) optimale Pläne 379 7.8 Mixturpläne 381 7.8.1 Einleitung 381 A Mathematische Hilfsmittel 385 A.1 Substitutionsregel für Mehrfachintegrale 385 A.2 Integrale 385 A.3 Die Deltafunktion 386 A.4 Matrizen 387 A.4.1 Definitionen und Schreibweisen 387 A.4.2 Orthogonale und orthonormale Matrizen 388 A.4.3 Idempotente Matrizen 388 A.4.4 Mittelwertzentrierung mit idempotenter Matrix C 389 A.4.5 Der Rang einer Matrix 389 A.4.6 Der Nullraum einer n × p Matrix A 390 A.4.7 Die Inverse einer Matrix 390 A.4.8 Die Determinante einer quadratischen Matrix 391 A.4.9 Die Spur einer Matrix 391 A.4.10 Hadamard-Matrizen 392 R Index der 95 R-Beispiele 393 S Index der 61 SAS-Programme 397 Literaturverzeichnis 399 Sachregister 411

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Book SynopsisVollständig überarbeitete Neuauflage des maßgeblichen Grundlagen-Lehrbuchs zur Optik und Photonik - umfassend überarbeitet und mit einem neuen Kapitel zur Metamaterialoptik erweitert Die Optik ist eines der ältesten und faszinierendsten Teilgebiete der Physik und fest in den Curricula des Physikstudiums verankert. Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht und Phänomenen wie Interferenz, Brechung, Beugung und optischen Abbildungen. Die Photonik umfasst optische Phänomene, die primär auf der Wechselwirkung von (quantisiertem) Licht und Materie beruhen, und befasst sich mit dem Verständnis und der Entwicklung optischer Bauteile und Systeme wie etwa Lasern, LEDs und photonischen Kristallen. In bewährter Weise gibt die vollständig überarbeitete und erweiterte Neuauflage des "Saleh/Teich" eine Einführung in die Grundlagen der Optik und Photonik für Studierende der Physik und verwandter Wissenschaften. Ausführliche Erklärungen, rund 1000 Abbildungen und die zur quantitativen Durchdringung notwendige Mathematik ermöglichen ein tiefes Verständnis aller Teilgebiete der klassischen und modernen Optik. * Umfassend und verständlich: sämtliche Grundlagen der Optik und Photonik in einem Werk vereint * Geschrieben von hervorragenden Didaktikern mit langer Lehrerfahrung: optische Phänomene und deren Physik stehen im Vordergrund, der notwendige mathematische Apparat wird behutsam entwickelt * Überarbeitet und erweitert: alle Kapitel wurden mit Blick auf noch bessere Verständlichkeit kritisch geprüft und aktualisiert * Komplett neu: umfangreiches Kapitel zu Metamaterialoptik "Optik und Photonik" richtet sich an Bachelor- und Master-Studierende der Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.Trade ReviewSehr schön sind auch die Kapitel über Photonenoptik, statistische Optik und Metamaterialien. Physik in unserer Zeit, 24.09.2020Table of ContentsVorwort zur dritten Auflage xix Vorwort zur zweiten Auflage xxiii Teil I Optik 1 1 Strahlenoptik 3 1.1 Postulate der Strahlenoptik 4 1.2 Einfache optische Komponenten 6 1.3 Gradientenindexoptik 14 1.4 Matrizenoptik 19 2 Wellenoptik 29 2.1 Die Postulate der Wellenoptik 30 2.2 Monochromatische Wellen 31 2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 35 2.4 Einfache optische Komponenten 36 2.5 Interferenz 42 2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 49 3 Optik von Strahlbündeln 57 3.1 Der Gaußstrahl 57 3.2 Durchgang durch optische Komponenten 64 3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 70 3.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 72 3.5 Nichtbeugende Strahlen 74 4 Fourieroptik 79 4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 80 4.2 Die optische Fouriertransformation 88 4.3 Lichtbeugung 91 4.4 Bildentstehung 98 4.5 Holographie 105 5 Elektromagnetische Optik 117 5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 118 5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 121 5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 124 5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 126 5.5 Absorption und Dispersion 130 5.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 137 5.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 143 6 Polarisationsoptik 151 6.1 Die Polarisation des Lichts 152 6.2 Reflexion und Brechung 159 6.3 Die Optik anisotroper Medien 163 6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 172 6.5 Optik von Flüssigkristallen 175 6.6 Polarisierende Bauelemente 177 7 Optik photonischer Kristalle 185 7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 187 7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 200 7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 211 8 Optik von Metallen und Metamaterialien 221 8.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 223 8.2 Optik von Metallen: Plasmonik 234 8.3 Optik von Metamaterialien 245 8.4 Transformationsoptik 253 9 Wellenleiteroptik 261 9.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 262 9.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 267 9.3 Zweidimensionale Wellenleiter 273 9.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 276 9.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 282 9.6 Plasmonische Wellenleiter 283 10 Faseroptik 289 10.1 Geführte Strahlen 290 10.2 Geführte Wellen 293 10.3 Dämpfung und Dispersion 306 10.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 314 10.5 Materialien für optische Fasern 316 11 Resonatoroptik 321 11.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 323 11.2 Kugelspiegelresonatoren 330 11.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 337 11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 340 12 Statistische Optik 349 12.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 350 12.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 359 12.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 364 12.4 Partielle Polarisation 370 13 Photonenoptik 377 13.1 Das Photon 378 13.2 Photonenströme 387 13.3 Quantenzustände des Lichts 396 Teil II Photonik 411 14 Licht und Materie 413 14.1 Energieniveaus 413 14.2 Die Besetzung von Energieniveaus 428 14.3 Die Wechselwirkung von Photonenmit Atomen 430 14.4 Thermisches Licht 443 14.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 446 15 Laserverstärker 457 15.1 Theorie der Laserverstärkung 459 15.2 Pumpen des Verstärkers 461 15.3 Verbreitete Laserverstärker 468 15.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 476 15.5 Verstärkerrauschen 480 16 Laser 485 16.1 Theorie der Laseroszillation 486 16.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 490 16.3 Bauarten von Lasern 500 16.4 Gepulste Laser 523 17 Halbleiteroptik 543 17.1 Halbleiter 544 17.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 569 18 LED und Laserdioden 585 18.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 586 18.2 Optische Halbleiterverstärker 607 18.3 Laserdioden 618 18.4 Quanteneinschlusslaser 627 18.5 Mikroresonatorlaser 636 18.6 Nanoresonatorlaser 642 19 Photodetektoren 651 19.1 Photodetektoren 652 19.2 Photoleiter 660 19.3 Photodioden 663 19.4 Lawinenphotodioden 669 19.5 Arraydetektoren 679 19.6 Rauschen in Photodetektoren 681 20 Akustooptik 705 20.1 DieWechselwirkung von Licht und Schall 706 20.2 Akustooptische Bauelemente 714 20.3 Akustooptik von anisotropen Medien 721 21 Elektrooptik 727 21.1 Grundlagen der Elektrooptik 728 21.2 Elektrooptik anisotroper Medien 737 21.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 742 21.4 Photorefraktivität 749 21.5 Elektroabsorption 753 22 Nichtlineare Optik 759 22.1 Nichtlineare optische Medien 760 22.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 763 22.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 775 22.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 782 22.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 789 22.6 Anisotrope nichtlineare Medien 794 22.7 Dispersive nichtlineare Medien 796 23 Ultraschnelle Optik 803 23.1 Eigenschaften von Pulsen 804 23.2 Pulsformung und Kompression 810 23.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 821 23.4 Ultraschnelle lineare Optik 831 23.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 838 23.6 Pulsdetektion 854 24 Optische Verbindungen und Schalter 869 24.1 Optische Verbindungen 871 24.2 Passive optische Router 881 24.3 Photonische Schalter 887 24.4 Photonische Logikgatter 908 25 Faseroptische Kommunikation 919 25.1 Faseroptische Komponenten 920 25.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 931 25.3 Modulation und Multiplexing 945 25.4 Kohärente optische Kommunikation 952 25.5 Faseroptische Netze 958 Anhang A Die Fouriertransformation 969 A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 969 A.2 Zeitliche und spektrale Breite 970 A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 973 Anhang B Lineare Systeme 977 B.1 Eindimensionale lineare Systeme 977 B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 979 Anhang C Die Moden linearer Systeme 981 C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 982 C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 982 C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 983 C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 984 Lösungen zu den Übungen 987 1 Strahlenoptik987 2 Wellenoptik 992 3 Optik von Strahlbündeln 994 4 Fourieroptik 996 5 Elektromagnetische Optik 998 6 Polarisationsoptik 998 7 Optik photonischer Kristalle 999 9 Wellenleiteroptik 999 10 Faseroptik 1000 11 Resonatoroptik 1002 12 Statistische Optik 1003 13 Photonenoptik 1004 14 Licht und Materie 1005 15 Laserverstärker 1006 16 Laser 1008 17 Halbleiteroptik 1010 18 LED und Laserdioden 1012 19 Photodetektoren 1014 20 Akustooptik 1015 21 Elektrooptik 1016 22 Nichtlineare Optik 1016 23 Ultraschnelle Optik 1020 24 Optische Verbindungen und Schalter 1020 Stichwortverzeichnis 1023

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Book SynopsisComprehensive resource covering all in-space manufacturing and planetary resource exploration endeavors. The space economy is developing quickly, and pivotal events have brought us to a strong inflection point. This unique book includes fundamental and ground-breaking innovations in the field and is meant to quickly get readers up to speed on many different facets of space and planetary resource exploration, such as: Space health & medicine Space biology & space farming Space chemistry & space mining Space construction & advanced materials production Space policy, law & economics Presenting a snapshot of the expanding space economy and manufacturing applications in low-Earth orbit, along with resource utilization capabilities in development for Moon and Mars missions, this an indispensable source for all researchers and commercial companies working on space and planetary resource exploration.Table of ContentsIntroductory Statement: National Aeronautics and Space Administration Introductory Statement: European Space Agency Introductory Statement: Japan Aerospace Exploration Agency Introductory Statement: Australian Space Agency Part 1: Space Medicine and Human Health 1. Human Health in Space 2. Space Medicine and Countermeasures 3. Frontier Medical Technologies to Support Space Exploration Part 2: Space Biology 4. Plant Biology and a New Approach to Space Farming 5. Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Space Part 3: Space Chemistry 6. Chemistry Related Innovations in Space. Benefits of Flow Chemistry 7. Catalysis in Space Environments Part 4: Space Mining 8. Mining and Microbiology for the Solar System Silicate and Basalt Economy 9. Near-Earth Asteroids as Promising Candidates for Space Resources 10. Space Mining of Phosphorus from Moon Crust–Spillover of Learning from Earth 11. Lunar Resources in Support of Human Interplanetary Settlement & Limitations Part 5: Space Farming & Food 12. PONDS: A New Method for Plant Production in Space 13. Space Food for the Future: Nutritional Challenges and Technological Strategies for Healthy and High-Quality Products Part 6: Advanced Materials 14. Metal Alloy Synthesis in Microgravity 15. Layer-by-Layer Deposition in Microgravity for Enhanced Thin Film Production 16. 3D Bioprinting Aboard the International Space Station using the Techshot BioFabrication Facility Part 7: Space Construction 17. Beyond the ISS: The World’s First Commercial Space Station 18. Leveraging Open Innovation to Incentivize Advances in Additive Construction in Space and on Earth Part 8: Space Policy, Law, and Economics 19. The Impact of the Artemis Accords on Resource Extraction 20. Space Resources: Physical Constraints, Policy Choices, & Ethical Considerations The Future of Space Exploration: A Young Perspective

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Book SynopsisNanowire Energy Storage Devices Comprehensive resource providing in-depth knowledge about nanowire-based energy storage technologies Nanowire Energy Storage Devices focuses on the energy storage applications of nanowires, covering the synthesis and principles of nanowire electrode materials and their characterization, and performance control. Major parts of the book are devoted to the applications of nanowire-based ion batteries, high energy batteries, supercapacitors, micro-nano energy storage devices, and flexible energy storage devices. The book also addresses global energy challenges by explaining how nanowires allow for the design and fabrication of devices that provide sustainable energy generation. With contributions from the founders of the field of nanowire technology, Nanowire Energy Storage Devices covers topics such as: Physical and chemical properties, thermodynamics, and kinetics of nanowires, and basic performance parameters of nanowire-based electrochemical energy storage devices Conventional, porous, hierarchical, heterogeneous, and hollow nanomaterials, and in-situ electron microscopic and spectroscopy characterization Electrochemistry, advantages, and issues of lithium-ion batteries, unique characteristic of nanowires for lithium-ion batteries, and nanowires as anodes in lithium-ion batteries Nanowires for other energy storage devices, including metal-air, polyvalent ion, alkaline, and sodium/lithium-sulfur batteries Elucidating the design, synthesis, and energy storage applications, Nanowire Energy Storage Devices is an essential resource for materials scientists, electrochemists, electrical engineers, and solid state physicists.Table of ContentsPreface xi 1 Nanowire Energy Storage Devices: Synthesis, Characterization, and Applications 1 1.1 Introduction 1 1.1.1 One-Dimensional Nanomaterials 1 1.1.1.1 Nanorods 3 1.1.1.2 Carbon Nanofibers 3 1.1.1.3 Nanotubes 3 1.1.1.4 Nanobelts 5 1.1.1.5 Nanocables 6 1.1.2 Energy Storage Science and Technology 6 1.1.2.1 Mechanical Energy Storage 7 1.1.2.2 Electromagnetic Energy Storage 9 1.1.2.3 Electrochemical Energy Storage 9 1.1.3 Overview of Nanowire Energy Storage Materials and Devices 13 1.1.3.1 Si Nanowires 15 1.1.3.2 ZnO Nanowires 17 1.1.3.3 Single Nanowire Electrochemical Energy Storage Device 18 References 19 2 Fundamentals of Nanowire Energy Storage 27 2.1 Physical and Chemical Properties of Nanowires 27 2.1.1 Electronic Structure 27 2.1.2 Thermal Properties 29 2.1.2.1 Melting Point 29 2.1.2.2 Thermal Conduction 30 2.1.3 Mechanical Properties 31 2.1.4 Adsorption and Surface Activity 32 2.1.4.1 Adsorption 33 2.1.4.2 Surface Activity 33 2.2 Thermodynamics and Kinetics of Nanowires Electrode Materials 34 2.2.1 Thermodynamics 34 2.2.2 Kinetics 34 2.3 Basic Performance Parameters of Nanowires Electrochemical Energy Storage Devices 35 2.3.1 Electromotive Force 36 2.3.2 Operating Voltage 36 2.3.3 Capacity and Specific Capacity 36 2.3.4 Energy and Specific Energy 37 2.3.5 Current Density and Charge–Discharge Rate 37 2.3.6 Power and Specific Power 38 2.3.7 Coulombic Efficiency 38 2.3.8 Cycle Life 38 2.4 Interfacial Properties of Nanowires Electrode Materials 38 2.4.1 Interface Between Nanowire Electrode Materials and Electrolytes 38 2.4.2 Heterogeneous Interfaces in Nanowire Electrode Materials 40 2.5 Optimization Mechanism of Electrochemical Properties of Nanowires Electrode Materials 42 2.5.1 Mechanism of Electron/Ion Bicontinuous Transport 42 2.5.2 Self-Buffering Mechanism 44 2.6 Theoretical Calculation of Nanowires Electrode Materials 44 2.7 Summary and Outlook 48 References 49 3 Design and Synthesis of Nanowires 51 3.1 Conventional Nanowires 51 3.1.1 Wet Chemical Methods 51 3.1.1.1 Hydrothermal/Solvothermal Method 52 3.1.1.2 Sol–Gel Method 53 3.1.1.3 Coprecipitation Method 54 3.1.1.4 Ultrasonic Spray Pyrolysis Method 55 3.1.1.5 Electrospinning Method 55 3.1.2 Dry Chemical Method 57 3.1.2.1 High-Temperature Solid-State Method 57 3.1.2.2 Chemical Vapor Deposition Method 58 3.1.3 Physical Method 59 3.2 Porous Nanowires 60 3.2.1 Template Method 60 3.2.1.1 Template by Nanoconfinement 60 3.2.1.2 Template by Orientation Induction 62 3.2.2 Self-Assembly Method 63 3.2.3 Chemical Etching Method 64 3.3 Hierarchical Nanowires 65 3.3.1 Self-Assembly Method 65 3.3.2 Secondary Nucleation Growth Method 68 3.4 Heterogeneous Nanowires 69 3.4.1 Heterogeneous Nucleation 69 3.4.2 Secondary Modification 71 3.5 Hollow Nanowires 73 3.5.1 Wet Chemical Method 73 3.5.2 Template Method 73 3.5.3 Gradient Electrospinning 76 3.6 Nanowire Arrays 79 3.6.1 Template Method 79 3.6.2 Wet Chemical Method 81 3.6.3 Chemical Vapor Deposition 83 3.7 Summary and Outlook 86 References 88 4 Nanowires for In Situ Characterization 95 4.1 In Situ Electron Microscopy Characterization 95 4.1.1 In Situ Scanning Electron Microscopy (SEM) Characterization 95 4.1.2 In Situ Transmission Electron Microscope (TEM) Characterization 97 4.2 In Situ Spectroscopy Characterization 101 4.2.1 In Situ X-ray Diffraction 101 4.2.2 In Situ Raman Spectroscopy 106 4.2.3 In Situ X-ray Photoelectron Spectroscopy 108 4.2.4 In Situ XAS Characterization 108 4.3 In Situ Characterization of Nanowire Devices 111 4.3.1 Nanowire Device 111 4.3.2 Nanowire Device Characterization Example 111 4.4 Other In Situ Characterization 115 4.4.1 In Situ Atomic Force Microscopy Characterization 115 4.4.2 In Situ Nuclear Magnetic Resonance 117 4.4.3 In Situ Neutron Diffraction 119 4.4.4 In Situ Time-of-Flight Mass Spectrometry 121 4.5 Summary and Outlook 123 References 124 5 Nanowires for Lithium-ion Batteries 131 5.1 Electrochemistry, Advantages, and Issues of LIBs Batteries 131 5.1.1 History of Lithium-ion Batteries 131 5.1.2 Electrochemistry of Lithium-ion Batteries 132 5.1.2.1 Theoretical Operation Potential 133 5.1.2.2 Theoretical Specific Capacity of Electrode Materials and Cells 133 5.1.2.3 Theoretical Specific Energy Density of an Electrochemical Cell 134 5.1.3 Key Materials for Lithium-ion Batteries 134 5.1.3.1 Cathode 134 5.1.3.2 Anode 135 5.1.3.3 Electrolyte 135 5.1.3.4 Separator 136 5.1.4 Advantages and Issues of Lithium-ion Batteries 137 5.2 Unique Characteristic of Nanowires for LIBs 138 5.2.1 Enhancing the Diffusion Dynamics of Carriers 138 5.2.2 Enhancing Structural Stability of Materials 138 5.2.3 Befitting the In Situ Characterization of Electrochemical Process 139 5.2.4 Enabling the Construction of Flexible Devices 139 5.3 Nanowires as Anodes in LIBs 139 5.3.1 Alloy-Type Anode Materials (Si, Ge, and Sn) 139 5.3.1.1 Lithium Storage in Si Nanowires 139 5.3.1.2 Lithium Storage in Ge Nanowires 142 5.3.1.3 Lithium Storage in Sn Nanowires 145 5.3.2 Metal Oxide Nanowires 146 5.3.3 Carbonaceous Anode Materials 148 5.4 Nanowires as Cathodes in LIBs 151 5.4.1 Transition Metal Oxides 151 5.4.2 Vanadium Oxide Nanowires 153 5.4.3 Iron Compounds Including Oxides and Phosphates 157 5.5 Nanowires-Based Separators in LIBs 160 5.6 Nanowires-Based Solid-State Electrolytes in LIBs 163 5.7 Nanowires-Based Electrodes for Flexible LIBs 168 5.8 Summary and Outlook 174 References 175 6 Nanowires for Sodium-ion Batteries 185 6.1 Advantages and Challenges of Sodium-ion Batteries 185 6.1.1 Development of Sodium-ion Batteries 185 6.1.2 Characteristic of Sodium-ion Batteries 186 6.1.2.1 The Working Principle of Sodium-ion Battery 186 6.1.2.2 Advantages of Sodium-ion Batteries 186 6.1.3 Key Materials for Sodium-ion Batteries 187 6.1.3.1 Cathode 188 6.1.3.2 Anode 188 6.1.3.3 Electrolyte 189 6.1.3.4 Separator 189 6.1.4 Challenges for Sodium-ion Batteries 191 6.2 Nanowires as Cathodes in Sodium-ion Batteries 193 6.2.1 Layered Oxide Nanowires 193 6.2.2 Tunnel-type Oxide Nanowires 195 6.2.3 Polyanionic Compound Nanowires 196 6.3 Nanowires as Anodes in Sodium-ion Batteries 200 6.3.1 Carbonaceous Materials and Polyanionic Compounds 200 6.3.1.1 Graphitized Carbon Materials 200 6.3.1.2 Amorphous Carbon Materials 201 6.3.1.3 Carbon Nanomaterials 201 6.3.2 Polyanionic Compounds 203 6.3.3 Metals and Metal Oxides 206 6.3.3.1 Metal Nanowires 206 6.3.3.2 Transition Metal Oxide Nanowires 207 6.3.4 Metal Sulfides 215 6.3.4.1 Molybdenum Sulfide and Its Composites 216 6.3.4.2 Tungsten Sulfide and Its Composites 216 6.3.4.3 Stannic Sulfide and Its Composites 218 6.3.4.4 Nickel Sulfide, Ferrous Sulfide and Their Composites 218 6.4 Summary 220 References 220 7 Application of Nanowire Materials in Metal-Chalcogenide Battery 229 7.1 Lithium–Sulfur Battery 230 7.1.1 Sulfur–Carbon Nanowire Composite Cathode Materials 231 7.1.2 Conductive Polymer Nanowire/Sulfur Composite Cathode Materials 236 7.1.3 Metal Compound Nanowires/Sulfur Composite Cathode Materials 237 7.2 Sodium–Sulfur Battery and Magnesium–Sulfur Battery 243 7.2.1 Sodium–Sulfur Battery 243 7.2.2 Magnesium–Sulfur Battery 247 7.3 Lithium–Selenium Battery 249 7.3.1 Reaction Mechanism of Lithium–Selenium Battery 250 7.3.2 Selenium-Based Cathode Materials 251 7.3.3 Existing Problems and Possible Solutions 256 7.4 Summary and Outlook 257 References 258 8 Application of Nanowires in Supercapacitors 263 8.1 Nanowire Electrode Material for Electrochemical Double-Layer Capacitor 265 8.1.1 The Application of Carbon Nanotubes in EDLCs 266 8.1.2 The Application of Carbon Nanofibers in EDLCs 267 8.2 Nanowire Electrode Materials for Pseudocapacitive Supercapacitors 269 8.2.1 Metal Oxide Nanowire Electrode Materials 269 8.2.2 Conducting Polymer Nanowire Electrode Materials 271 8.3 Nanowire Electrode Materials of Hybrid Supercapacitors 272 8.3.1 Hybrid Supercapacitor Based on Aqueous Electrolyte 274 8.3.1.1 Carbon/Metal Oxide 274 8.3.1.2 Carbon/Conductive Nanowire Polymer 276 8.3.2 Other Electrolyte System Hybrid Supercapacitors 277 8.3.2.1 Organic Electrolyte System 277 8.3.2.2 Redox-Active Electrolyte System 278 8.3.3 Solid Electrolyte or Quasi-Solid-State Hybrid Supercapacitor 279 8.4 Summary and Outlook 279 References 280 9 Nanowires for Multivalent-ion Batteries 285 9.1 Nanowires for Magnesium-Ion Battery 285 9.1.1 Vanadium-Based Nanowires for MIBs 286 9.1.2 Manganese-Based Nanowires for MIBs 289 9.1.3 Other Nanowires for MIBs 290 9.2 Nanowires for Calcium-Ion Batteries 292 9.3 Nanowires for Zinc-Ion Batteries 293 9.3.1 Vanadium-Based Nanowires for ZIBs 294 9.3.2 Manganese-Based Nanowires for ZIBs 295 9.4 Nanowires for Aluminum Ion Batteries 296 9.5 Summary and Outlook 298 References 299 10 Conclusion and Outlook 305 10.1 Structure Design and Performance Optimization of 1D Nanomaterials 305 10.2 Advanced Characterization Methods for 1D Nanomaterials 308 10.3 Applications and Challenges of Nanowire Energy Storage Devices 314 10.3.1 Application of Nanowire Structures in Lithium-ion Batteries 314 10.3.2 Applications of Nanowire Structures in Na-ion Battery 315 10.3.3 Applications of Nanowire Structures in Other Monovalent-ion Batteries 316 10.3.4 Application of Nanowires in Lithium–Sulfur Batteries 316 10.3.5 Application of 1D Nanomaterials in Supercapacitors 318 10.3.6 Nanowires for Other Energy Storage Devices 319 10.3.6.1 Metal Air Batteries 319 10.3.6.2 Multivalent-ion Battery 320 10.3.6.3 Metal Sulfur Batteries 320 References 322 Index 327

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Book SynopsisFlow Batteries The premier reference on flow battery technology for large-scale, high-performance, and sustainable energy storage From basics to commercial applications, Flow Batteries covers the main aspects and recent developments of (Redox) Flow Batteries, from the electrochemical fundamentals and the materials used to their characterization and technical application. Edited by a team of leading experts, including the “founding mother of vanadium flow battery technology” Maria Skyllas-Kazacos, the full scope of this revolutionary technology is detailed, including chemistries other than vanadium and organic flow batteries. Other key topics covered in Flow Batteries include: Flow battery computational modeling and simulation, including quantum mechanical considerations, cell, stack, and system modeling, techno-economics, and grid behavior A comparison of the standard vanadium flow battery variant with new and emerging flow batteries using different chemistries and how they will change the field Commercially available flow batteries from different manufacturers, their technology, and application ranges The pivotal role of flow batteries in overcoming the global energy crisis Flow Batteries is an invaluable resource for researchers and engineers in academia and industry who want to understand and work with this exciting new technology and explore the full range of its current and future applications.Table of ContentsVOLUME 1 PART 1: FUNDAMENTALS The Need for Stationary Energy Storage History of Flow Batteries General Electrochemical Fundamentals of Batteries General Aspects and Fundamentals of Flow Batteries Redox-mediated Processes Membranes for Flow Batteries Standards for Flow Batteries Safety Considerations of the Vanadium Flow Battery A Student Workshop in Sustainable Energy Technology: The Principles and Practice of a Rechargeable Flow Battery PART 2: CHARACTERIZATION OF FLOW BATTERIES AND MATERIALS Characterization Methods in Flow Batteries: A General Overview Electrochemical Methods Radiography and Tomography Characterization of Carbon Materials Characterization of Membranes for Flow Batteries PART 3: MODELING AND SIMULATION Quantum Mechanical Modeling of Flow Battery Materials Mesoscale Modeling and Simulation for Flow Batteries Continuum Modelling and Simulation of Flow Batteries Pore-scale Modeling of Flow Batteries Dynamic Modelling of Vanadium Flow Batteries for System Monitoring and Control Techno-economic Modelling and Evaluation of Flow Batteries Machine Learning for FB Electrolyte Screening VOLUME 2 PART 4: VANADIUM FLOW BATTERIES The History of the UNSW All‐Vanadium Flow Battery Development Vanadium Electrolytes and Related Electrochemical Reactions Electrodes for Vanadium Flow Batteries (VFBs) Membranes for Vanadium Flow Batteries Advanced Flowfield Architecture for Vanadium Flow Batteries State‐of‐Charge Monitoring for Vanadium Redox Flow Batteries Rebalancing/Regeneration of Vanadium Flow Batteries Life Cycle Analysis of Vanadium Flow Batteries Next‐Generation Vanadium Flow Batteries Asymmetric Vanadium‐based Aqueous Flow Batteries PART 5: OTHER IMPORTANT INORGANIC FLOW BATTERY TECHNOLOGIES Zn/Br Battery - Early Research and Development An Overview of the Polysulfide/Bromine Flow Battery Fe/Fe Flow Battery Zinc-Cerium and Related Cerium‐Based Flow Batteries: Progress and Challenges Undivided Copper-Lead Dioxide Flow Battery Based on Soluble Copper and Lead in Aqueous All‐copper Flow Batteries Hydrogen‐Based Flow Batteries VOLUME 3 PART 6: ORGANIC FLOW BATTERIES Aqueous Organic Flow Batteries Metal Coordination Complexes for Flow Batteries Organic Redox Flow Batteries: Lithium‐Ion‐based FBs Nonaqueous Metal‐Free Flow Batteries Polymeric Flow Batteries PART 7: INDUSTRIAL AND COMMERCIALIZATION ASPECTS OF FLOW BATTERIES Inverter Interfacing and Grid Behaviour Flow‐Battery System Topologies and Grid Connection Vanadium FBESs installed by Sumitomo Electric Industries, Ltd Industrial Applications of Flow Batteries Applications of VFB in Rongke Power Metal‐Free Flow Batteries Based on TEMPO Commercialization of All‐Iron Redox Flow‐Battery Systems Application of Hydrogen-Bromine Flow Batteries: Technical Paper Some Notes on Zinc/Bromine Flow Batteries Mobile Applications of the ZBB

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Book SynopsisComprehensive knowledge on the preparation, characterization, and applications of polymer nanocomposites Chemical Physics of Polymer Nanocomposites examines the state of the art in preparation, processing, characterizing, and applying a wide range of polymer nanocomposites, elucidating nanofiller/polymer interactions, nanofiller dispersion, distribution, filler-filler interactions, and interface properties, with a particular focus on the rheology of this important class of materials. The dependence of the rheological properties on the preparation techniques is discussed in detail, complemented by an overview of the processing approaches using conventional and micro injection molding, extrusion, compression molding, film blowing, pultrusion, and resin transfer molding. The book covers the latest understanding and accomplishments on polymer composites and presents the huge variety of this materials class. Practice-oriented with industry relevance, it also reviews p

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Book SynopsisDer anwendungsorientierte Einstieg in die Welt der Funktionswerkstoffe für Studierende der Ingenieurwissenschaften! Werkstoffkunde ist alles andere als trocken. Sicher, anfangs gilt es, sich über Bindungsarten und Richtungsabhängigkeiten von Eigenschaften den Kopf zu ­zerbrechen und sich in den verschiedenen Werkstoffklassen zurechtzufinden. Doch eröffnet die profunde Kenntnis von Struktur und Eigenschaften der Werkstoffe Türen zum Einstieg in High-Tech-Branchen wie Maschinenbau, Lasertechnik und Photonik, Medizintechnik, erneuerbare Energien, Präzisionsmechanik, Luft- und Raumfahrt oder Mikro- und Nanotechnologie. Mit seinem Fokus auf Funktionswerkstoffen richtet sich dieses Lehrbuch an ­angehende Ingenieurinnen und Ingenieure der Fachrichtungen Elektrotechnik, Medizintechnik, Mikrotechnologie und Wirtschaftsingenieurwesen im ersten und zweiten Studienjahr sowie an Studierende des Maschinenbaus, die sich für die funktionellen Eigenschaften der Werkstoffe interessieren. Dabei werden die Grundlagen ausführlich dargestellt und gerade notorisch schwierige Themen wie Legierungen und Magnetismus mit Bezügen zu Praxisanwendungen flankiert. Mit mehr als 400 farbigen Abbildungen und Illustrationen Kapitelzusammenfassungen und zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang helfen bei der Prüfungsvorbereitung Mit Praxisbezug zu modernen Anwendungen aus High-Tech-Industrien Trade ReviewDas Alleinstellungsmerkmal dieses Lehrbuches ist die sehr gute Darstellung der Grundlagen von Werkstoffstrukturen, Gitterstörungen, Verfestigungsmechanismen, Werkstoffprüfung und Legierungslehre in Kombination mit der Anwendung dieser Grundlagen auf Funktionswerkstoffe, insbesondere in der Elektrotechnik. Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, Universität Rostock (18.02.2022) Die Grundlagen werden ausführlich dargestellt und schwierige Themen wie Legierungen und Magnetismus mit Bezügen zu Praxisanwendungen flankiert. Das Buch enthält viele Abbildungen und Illustrationen sowie Kapitelzusammenfassungen und zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang. KONSTRUKTION (12.05.2022)Table of ContentsVorwort ix Danksagung xiii 1 Einführung und Grundlagen 1 1.1 Bindungsarten 1 1.2 Werkstoffklassen und Strukturmodelle 3 1.3 Nah- und Fernordnung 6 1.4 Die Richtungsabhangigkeit der Eigenschaften 7 1.5 Polymorphie: Die Vielgestalt vonWerkstoffen 10 1.6 Phasen 11 1.7 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit 12 1.8 Aufgaben 16 Zusammenfassung 18 2 Struktur und Gitterfehler 19 2.1 Gittertypen der wichtigsten Metalle 19 2.2 Kristallbaudefekte 22 2.3 Elastische Verformung 27 2.4 Plastische Verformung der Metalle 32 2.5 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 34 2.6 Zusammenhang zwischen Gitterstruktur und plastischer Verformbarkeit 41 2.7 Verfestigungsmechanismen in Metallen 41 2.8 Rekristallisation 45 2.9 Verformung von Keramiken und Kunststoffen 46 2.10 Aufgaben 48 Zusammenfassung 49 3 Werkstoffprüfung 51 3.1 MechanischeWerkstoffprufung 52 3.2 Verfahren der Rissprufung 66 3.3 MikroskopischeMess- und Prufverfahren 68 3.4 Analyse von Struktur und Gefuge 69 3.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 74 3.6 Aufgaben 79 Zusammenfassung 81 4 Legierungskunde 83 4.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 83 4.2 Legierungen und Phasen 85 4.3 Zweistoffsystemmit vollstandiger Loslichkeit 88 4.4 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Loslichkeit 91 4.5 Eutektisches Zweistoffsystem mit vollkommener Unloslichkeit im festen Zustand 98 4.6 Eutektisches Zweistoffsystem Al-Si 103 4.7 Erklarung der Ausscheidungshartung 104 4.8 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 106 4.9 Aufgaben 109 Zusammenfassung 111 5 Korrosion 113 5.1 Standardpotentiale und galvanische Zelle 113 5.2 Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion 118 5.3 Sonderfall Passivierung 120 5.4 Flachenregel 121 5.5 Arten der Korrosion und Fallbeispiele 121 5.6 Korrosionsschutz und Prufverfahren 135 5.7 Aufgaben 142 Zusammenfassung 144 6 Metallische Leiter, Widerstände und Kontakte 145 6.1 Bandermodell 145 6.2 Elektrische Leitfahigkeit 147 6.3 Leiterwerkstoffe 151 6.4 Widerstandswerkstoffe 157 6.5 Elektrische Kontakte 160 6.6 Aufgaben 166 Zusammenfassung 168 7 Halbleiter 169 7.1 Eigenleitung und Storstellenleitung 170 7.2 Der p-n-Ubergang und seine Anwendungen 172 7.3 Halbleitertechnologie 179 7.4 Graphen 181 7.5 Einige Bemerkungen zur Nanotechnologie 184 7.6 Aufgaben 184 Zusammenfassung 185 8 Polymere (Kunststoffe) 187 8.1 Begriffe und Einteilung der Polymere 189 8.2 Struktur und Eigenschaften der Polymere 190 8.3 Polymere als Konstruktionswerkstoffe 195 8.4 Polymere als Leiterwerkstoffe 196 8.5 Biologisch abbaubare Polymere 201 8.6 Aufgaben 203 Zusammenfassung 204 9 Magnetwerkstoffe 207 9.1 Ursachen des Magnetismus 207 9.2 Arten des Magnetismus 210 9.3 Physikalische Grundlagen 211 9.4 Kollektiver Magnetismus 212 9.5 Weichmagnete und Hartmagnete 216 9.6 Magnetspeicher 221 9.7 Supraleiter und Magnetismus 223 9.8 Aufgaben 226 Zusammenfassung 227 10 Dielektrika 229 10.1 Polarisationsmechanismen 229 10.2 Physikalische Grundlagen 233 10.3 Materialien fur Isolierstoffe 236 10.4 Materialien fur Kondensator-Dielektrika 240 10.5 Ferroelektrika und Piezoelektrika 241 10.6 Aufgaben 244 Zusammenfassung 245 11 Lichtleiter und Photonik 247 11.1 Brechungsgesetz und Totalreflexion 248 11.2 Lichtleiterfasern 249 11.3 Weitere optische Komponenten (Auswahl) 251 11.4 Laserbearbeitung von Funktionswerkstoffen 253 11.5 Aufgaben 261 Zusammenfassung 262 12 Werkstoffe für Transducer 263 12.1 Einfuhrung in die MEMS-Reinraumtechnologien 263 12.2 Photolithographie 264 12.3 Subtraktive Atzverfahren 265 12.4 Additive Beschichtungsverfahren und Lift-off 266 12.5 Electroforming, LIGA 269 12.6 Wandlereffekte und typische Anwendungen 270 12.7 Aufgaben 288 Zusammenfassung 289 Schlusswort 291 Lösungen zu den Aufgaben 293 Literatur 319 Stichwortverzeichnis 323

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Book SynopsisLiquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries An of-the-moment treatment of liquid electrolytes used in lithium metal batteries Considered by many as the most-promising next-generation batteries, lithium metal batteries have grown in popularity due to their low potential and high capacity. Crucial to the development of this technology, electrolytes can provide efficient electrode electrolyte interfaces, assuring the interconversion of chemical and electrical energy. The quality of electrode electrolyte interphase, in turn, directly governs the performance of batteries. In Liquid Electrolyte Chemistry, provides a comprehensive look at the current understanding and status of research regarding liquid electrolytes for lithium metal batteries. Offering an introduction to lithium-based batteries from development history to their working mechanisms, the book further offers a glimpse at modification strategies of anode electrolyte interphases and cathode electrolytic interphases. More, by discussing the high-voltage electrolytes from their solvents—organic solvents and ionic liquids—to electrolyte additives, the text provides a thorough understanding on liquid electrolyte chemistry in the remit of lithium metal batteries. Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries readers will also find: A unique focus that reviews the development of liquid electrolytes for lithium metal batteries State-of-the-art progress and development of electrolytes for lithium metal batteries Consideration of safety, focusing the design principles of flame retardant and non-flammable electrolytes Principles and progress on low temperature and high temperature electrolytes Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries is a useful reference for electrochemists, solid state chemists, inorganic chemists, physical chemists, surface chemists, materials scientists, and the libraries that supply them.Table of ContentsPreface ix 1 Lithium Metal Batteries 1 1.1 History 1 1.2 Types 2 1.2.1 Lithium–Oxygen Batteries 2 1.2.1.1 Working Mechanism of Li–O2 Batteries 2 1.2.1.2 Cathode Design of Li–O2 Batteries 4 1.2.1.3 Anode Protection of Li–O2 Batteries 8 1.2.2 Lithium–Sulfur Batteries 11 1.2.2.1 Conductive Matrixes for S Cathode 12 1.2.2.2 Modifying Separators of Li–S Batteries 15 1.2.2.3 Electrolyte Design for Li–S Batteries 17 1.2.2.4 Anode Protection for Li–S Batteries 18 1.2.3 Lithium–Selenium or –Tellurium Batteries 22 1.2.3.1 Lithium–Selenium Batteries 22 1.2.3.2 Lithium–Tellurium Batteries 29 1.2.4 Lithium–Iodine/Bromine Batteries 31 1.2.4.1 Lithium–Iodine Batteries 31 1.2.4.2 Lithium–Bromine Battery 36 1.2.5 TMO Batteries 37 1.3 Introductive Electrolytes 41 1.4 Prospects 44 References 45 2 Electrode–Electrolyte Interphase 55 2.1 Introduction 55 2.2 Solid Electrolyte Interphase 55 2.2.1 Concept and Roles 55 2.2.2 Types and Modification Strategies 56 2.3 Cathode Electrolyte Interphase 66 2.3.1 Concept and Roles 66 2.3.2 Types and Modification Strategies 66 References 75 3 Safe Electrolytes 79 3.1 Introduction 79 3.2 Flame-Retardant Mechanism 80 3.3 Flame-Retardant Electrolytes 80 3.4 Nonflammable Electrolytes 85 3.5 Prospects 93 References 95 4 High-Voltage Electrolytes 99 4.1 Introduction 99 4.2 The General Implications of High-Voltage Electrochemical Operation 101 4.2.1 Electrochemical Stability and Voltage Window for Electrolytes 101 4.2.2 Parasitic Electrolyte Oxidation and Formation of CEI 102 4.2.3 Metal Ion Diffusion, Surface Structural Reconstruction, and Mechanical Fracture of Cathode Materials 106 4.2.4 Instability of Other Cell Components at High Voltage 109 4.3 The Electrolyte Engineering for Various High-Voltage Cathodes 111 4.3.1 Nickel-Containing Layered Oxides 111 4.3.2 LiCoO2 116 4.3.3 Layered Li-Rich Cathodes 120 4.3.4 Other Cathode Materials 121 4.4 Conclusions 127 References 127 5 Extreme Temperature Electrolytes 133 5.1 Low-Temperature Electrolytes 133 5.1.1 The Limitations of Battery Performance at Low Temperature 133 5.1.2 The Improvement of Electrolytes 137 5.2 High-Temperature Electrolytes 143 5.2.1 The Limitations of Battery Performance at High Temperature 144 5.2.2 The Improvement of Electrolytes 148 5.3 Prospective 151 References 152 6 High-Concentration Electrolytes 157 6.1 High-Concentration Electrolytes 157 6.1.1 Concept, Design Strategies 157 6.1.2 Developments 158 6.2 Local High-concentration Electrolytes 168 6.2.1 Concept, Design Strategies 169 6.2.2 Developments 169 6.3 Prospects 178 References 178 7 Theoretical Basis for Electrolyte and Electrode Study 183 7.1 Redox Potential 183 7.1.1 Theoretical Basis 183 7.1.2 Solvents and Salts 185 7.1.3 Redox Potential of the Complex 186 7.2 Solvation Structure 187 7.2.1 Basic Theory 187 7.2.2 Influencing Factors and Implicit Solvent Model 188 7.2.3 Solvation Analysis 189 7.2.4 De-Solvation 190 7.3 Lithium Diffusion 192 7.3.1 Lithium Diffusion in SEI 192 7.3.2 Lithium Diffusion in Electrode Material 194 7.3.2.1 Calculation of Electrode Materials 194 7.3.2.2 Equilibrium Voltage 194 7.3.2.3 Ionic Mobility 195 7.4 Conclusion 195 References 196 8 Outlook 199 Index 203

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Book SynopsisRechargeable Ion Batteries Highly informative and comprehensive resource providing knowledge on underlying concepts, materials, ongoing developments and the many applications of ion-based batteries Rechargeable Ion Batteries explores the concepts and the design of rechargeable ion batteries, including their materials chemistries, applications, stability, and novel developments. Focus is given on state-of-the-art Li-based batteries used for portable electronics and electric vehicles, while other emerging ion-battery technologies are also introduced. The text addresses innovative approaches by reviewing nanostructured anodes and cathodes that pave new ways for enhancing the electrochemical performance. The first three chapters are dedicated to the general concepts of electrochemical cells, enabling readers to understand all necessary concepts for batteries from a single book. The following chapter covers the exciting applications of lithium-ion and sodium-ion batteries, while the subsequent chapters on Li-battery components include new types of anodes, cathodes, and electrolytes that have been developed recently, complemented by an overview of designing mechanically stable ion-battery systems. The last three chapters summarize recent progress in lithium-sulfur, sodium-ion, magnesium-ion and zinc and emerging ion-battery technologies. In Rechargeable Ion Batteries, readers can expect to find specific information on: Electrochemical cells, primary batteries, secondary batteries, recycling of batteries, applications of lithium and sodium batteries Next-generation cathodes, anodes and electrolytes for secondary lithium-ion batteries, which allow for improved performance and safety Multiphysics modeling for predicting design criteria for next generation ion-insertion electrodes Developments in lithium-sulfur batteries, sodium-ion batteries, and future ion-battery technologies Rechargeable Ion Batteries provides informative and comprehensive coverage of the subject to interested researchers, academics, and professionals in various fields, including materials science, electrochemistry, physical chemistry, mechanics, engineering, recycling and industry including the battery manufacturers and supply chain ancillaries, automotive, aerospace, and marine sectors, energy storage installers and environmental stakeholders. Readers can easily acquire a base of knowledge on the subject while understanding future developments in the field.Table of Contents1 INTRODUCTION TO ELECTROCHEMICAL CELLS 1.1 What are Batteries? 1.2 Quantities Characterizing Batteries 1.3 Primary and Secondary Batteries 1.4 Battery Market 1.5 Recycling and Safety Issues 2 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF PRIMARY BATTERIES 2.1 Introduction 2.2 The Early Batteries 2.3 The Zinc/Carbon Cell 2.4 Alkaline Batteries 2.4.1 Electrochemical Reactions 2.5 Button Batteries 2.6 Li Primary Batteries 2.7 Oxyride Batteries 2.8 Damage in Primary Batteries 2.9 Conclusions 3 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF SECONDARY BATTERIES 3.1 The Lead-Acid Battery 3.2 The Nickel-Cadmium Battery 3.3 Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries 3.4 Secondary Alkaline Batteries 3.5 Secondary Lithium Batteries 3.6 Lithium-Sulfur Batteries 3.7 Conclusions 4 APPLICATIONS OF SECONDARY LI BATTERIES 4.1 Portable Electronic Devices 4.2 Hybrid and Electric Vehicles 4.3 Medical Applications 4.4 Application of Secondary Li Ion Battery Systems in Vehicle Technology 5 NEXT GENERATION CATHODES FOR SECONDARY LI-ION BATTTERIES 5.1 Energy Density and Thermodynamics 5.2 Materials Chemistry and Engineering of Voltage Plateau 5.3 Multitransition Metal Oxide Engineering for Capacity and Stability 5.4 Conclusion 6 NEXT-GENERATION ANODES FOR SECONDARY LI-ION BATTERIES 6.1 Introduction 6.2 Chemical Attack by the Electrolyte 6.3 Mechanical Instabilities during Electrochemical Cycling 6.4 Nanostructured Anodes 6.5 Thin Film Anodes 6.6 Nanofiber/Nanotube/Nanowire Anodes 6.7 Active/Less Active Nanostructured Anodes 6.8 Other Anode Materials 6.9 Conclusions 7 NEXT-GENERATION ELECTROLYTES FOR LI BATTERIES 7.1 Introduction 7.2 Background 7.3 Preparation and Characterization of Polymer Electrolytes 7.3.1 Preparation of Polymer Electrolytes 7.3.2 Characterization of Molten-Salt-Containing Polymer Gel Electrolytes 7.3.3 Characterization of Organic-Modified MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.4 Ion-Exchanged Li-MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.5 Mesoporous Silicate (MCM-41)-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.4 Conclusions 8 DESIGNING MECHANICALLY STABLE ION-BATTERY SYSTEMS 8.1 Introduction 8.2 Mechanics Considerations During Battery Life 8.3 Modeling Elasticity and Fracture During Electrochemical Cycling 8.4 Multiscale Phenomena and Considerations in Modeling 8.5 Particle Models of Coupled Diffusion and Stress Generation 8.6 Diffusional Processes During Cycling 8.7 Conclusions 9 DEVELOPMENTS IN LI-S BATTERIES 9.1 Introduction to Li-S Batteries 9.2 Electrochemical Principles 9.3 Sulfur Utilisation and Cycle Life 9.4 Potential Solutions to Outstanding Problems 9.5 Carbon Materials 9.6 Metal Oxide-Sulfur Composites 9.7 Polymers 9.8 Some New Developments 9.9 Conclusions 10 NA-ION BATTERIES 10.1 Introduction 10.2 Cathode Materials for Na-ion Batteries 10.3 Anode Materials for Na-ion Batteries 10.4 Electrolyte for Na-ion Batteries 10.5 Conclusions 11 NOVEL ION-BATTERY TECHNOLOGIES 11.1 Introduction 11.2 Mn-ion Batteries 11.3 K-ion Batteries 11.4 Other-ion Batteries 11.5 Conclusions

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