Synthese und Entwicklung von Kohlenstoff-Aerogelen auf Basis von Tannin hinsichtlich des Einsatzes in Batterie- und Gießereianwendungen. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel dieser Arbeit war es, Kohlenstoff-Aerogele auf Basis von Tannin-Formaldehyd für Batterie- und Gießereianwendungen zu entwickeln. Diese könnten potentiell als Ersatz für Aerogele auf Basis von Resorcin-Formaldehyd fungieren. Tannin ist ein biologischer, kostengünstiger Stoff, der ähnliche Eigenschaften wie das umweltgefährdende, kostenintensive Resorcin aufweist. Es wurden Messgrößen wie beispielsweise die radiale Schrumpfung, die umhüllende Dichte, die Porosität, die spezifische Oberfläche sowie die Porengrößenverteilung charakterisiert. Außerdem wurden die Kosten für die Herstellung von Kohlenstoff-Aerogelen auf Tannin-, respektive Resorcin-Basis kalkuliert und miteinander verglichen. Eine in der Literatur beschriebene reversible Gelierung von Tannin-Formaldehyd-Hydrogelen sollte ebenfalls reproduziert werden. Dieses Gelierverhalten könnte in additiven Fertigungsverfahren angewandt werden. Es zeigte sich, dass Literaturergebnisse basierend auf Tannin nur teilweise reproduziert werden konnten. Die reversible Gelierung ließ sich nicht beobachten. Die hergestellten Kohlenstoff-Aerogele auf Basis von Tannin-Formaldehyd wiesen teils vielversprechende Eigenschaften für Batterieanwendungen auf. Es besteht jedoch weiterer Optimierungsbedarf und zusätzliche Messmethoden müssen herangezogen werden, um deren Eignung weiter zu untersuchen. Die hergestellten (Kohlen-stoff-)Aerogele für Gießereianwendungen wiesen für diesen Verwendungszweck weniger geeignete Eigenschaften auf. Die Kostenrechnung zeigte, dass Aerogele auf Basis von Tannin-Formaldehyd nur bedingt kostengünstiger herzustellen sind als solche auf Basis von Resorcin-Formaldehyd. Außerdem wurden in der Herstellung überkritisch getrockneter Aerogele die Wasch- und Abfallentsorgungskosten als maßgebliche Kostenfaktoren ausgemacht.
Effect of temperature on Cr/SiO2 Janus-like thin films regarding nanostructure and electrical properties. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Cr/SiO2 janusartige Dünnschichten, die aus Nanosäulen mit zwei deutlich getrennten Phasen auf gegenüberliegenden Seiten der Säulen bestehen, wurden durch Magnetronsputtern in Schrägwinkeldepositionskonfiguration (OAD) hergestellt und ihre elektrischen Eigenschaften als Funktion der Temperatur analysiert. Diese nanostrukturierten Dünnschichten weisen eine Bündelungsassoziation in der Richtung senkrecht zur Materialfluss auf, was zu einer anisotropen Verteilung des Materials führt. Eine äquivolumetrische Zusammensetzung von SiO2 (Oxid) und Cr (Metall) wurde in der Mitte des Substrats abgeschieden. Es wurden auch verschiedene Kompositionsverhältnisse hergestellt, um den Einfluss jedes Materials im System zu bestimmen. Tiefe Einblicke in das System erhält man durch die Kopplung verschiedener Charakterisierungsmethoden. Die Nanostruktur wurde mit Hilfe der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie der Röntgenbeugung analysiert. Für die chemische Charakterisierung wurden Röntgenphotoelektronenspektrometrie und energiedispersive Röntgenspektroskopie durchgeführt, während die UV-vis-NIR-Spektroskopie Einblicke in die optischen Eigenschaften gab. Das elektrische Verhalten der Probe deutet auf eine nicht-reversible Veränderung der Morphologie der Nanosäule durch Erwärmen hin. Nach Erreichen eines kritischen Punkts (breaking point) bei 250 ˚C, strebt Cr eine energetisch stabilere Struktur an und die Nanosäulen verlieren die Verbindung untereinander in der Richtung senkrecht zur Bündelung, was zu einem starken Anstieg des elektrischen Widerstandes führt. Entlang der Bündelungsrichtung erhöht die Reorganisation der Cr-Phase ihre Konnektivität, was den Widerstand verringert. Die anisotropen, morphologischen Merkmale dieser Schichten verleihen ihnen anisotrope Eigenschaften entlang dieser Hauptachsen. Diese Bachelorarbeit stellt eine Methodik zur Herstellung von janusartigen dünnen Schichten vor. Die Kombination von gezielten Materialien würde zur Synthese von multifunktionalen dünnen Schichten für viele potenzielle Anwendungen führen.
Analyse von leistungsabhängigen zeitaufgelösten Photolumineszenz-Messungen mittels gekoppelter Ratengleichungen. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Analyse der Ladungsträgerrekombinationsdynamik und die Bestimmung der Lebensdauern der Minoritätsladungsträgern von Halbleitermaterialien durch Photolumineszenz-Messungen ist entscheidend für verschiedenste elektronische und optoelektronischen Anwendungen. Im Allgemeinen wird die Analyse der erhaltenen Messdaten durch Lokalisierungsprozesse im Material verkompliziert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine Analysemethodik zur Auswertung leistungsabhängiger zeitaufgelöster Photolumineszenz-Messungen mittels gekoppelter Ratengleichungen eingeführt werden, welche den Einfluss lokalisierter Störstellen im Material berücksichtigt. Die Methodik konnte an mehreren Proben getestet werden, wobei die durchgeführten Anpassungen der aufgenommenen Leistungsreihen zufriedenstellende Ergebnisse lieferten. Durch das Modell konnte zudem verdeutlicht werden, dass selbst bei hohen Anregungen einer Probe der Einfluss der lokalisierten flachen Störstellen auf die Photolumineszenz nicht vernachlässigbar ist. Weiterhin konnte das Ratengleichungsmodell durch zwei unabhängige Messungen validiert werden.
Herstellung und Untersuchung memristiver Werkstoffe. - Ilmenau. - 110 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel der Arbeit war es, memristive Werkstoffe herzustellen und diese mit unterschiedlichen Untersuchungsmethoden zu charakterisieren und die Vorgänge im Werkstoffinneren zu beschreiben. Die Proben wurden mittels Magnetron-Sputtern unter Verwendung von Schattenmasken hergestellt. Die Schattenmasken wurden aus Aluminiumfolie oder PLA angefertigt. Mit den Masken wurden die Schichten strukturiert auf einem 4-Zoll Wafer aufgetragen. Die memristive Schicht befindet sich zwischen zwei Metallen (MIM Struktur), Nickel als Top-Elektrode, Zinkoxid als memristive Schicht und Tantal als Bottom-Elektrode. Hierbei ist es gelungen bei den elektrischen Messungen eine für Memristoren charakteristische Hysteresekurve aufzunehmen, diese besitzt einen bipolaren Charakter. Jedoch konnten die Vorgänge im Material, die zu diesem Verlauf führen nicht eindeutig identifiziert werden. Mittels REM und XRD Analyse wurden für das Nickel unterschiedliche Strukturen identifiziert, beim Sputtern vom Nickel mit 200 W wurde eine Korngröße von 50 bis 70 nm festgestellt und beim Sputtern mit 20 W eine durchschnittliche Korngröße von 20 bis 30 nm. Die XRD Analyse zeigt auf den Proben, die mit 20 W abgeschieden wurden, keinen Nickelpeak, dies kann auf die feinkörnige Struktur des Nickels zurückzuführen sein. Durch einen FIB Querschnitt konnte keine Aussage zur Filamentbildung nach einer elektrischen Messung getroffen werden. Bei der GDOES Tiefenprofilanalyse wurde zwar ein deutlicher Unterschied zwischen elektrisch gemessenen und einem ungemessenen Kontakt festgestellt. Dieser Unterschied konnte aber nicht eindeutig den Effekt der Filamentbildung zugeordnet werden. Zum einen wurden an unterschiedlichen Kontakten gemessen, somit war eine Vergleichbarkeit nur bedingt möglich. Ein weiteres Problem war, das bei der Messung des elektrisch ungemessenen Kontaktes nicht vollständig der Kontakt getroffen wurde. Anhand der charakteristischen memristiven Hysteresekurve bei den elektrischen Messungen kann davon ausgegangen werden, dass ein memristiver Effekt vorliegt. Die Filamentbildung und der Materialtransport von der Top-Elektrode in die memristive Schicht sind zwei wesentliche Mechanismen, um den memristiven Effekt zu verwirklichen. Dieser konnte aber von der werkstofftechnischen Seite nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Schlüsselwörter: memristiver Werkstoffe, Memristor, Sputtern, elektrische Messungen, Nickel, Tantal, Zinkoxid
Electrochemical deposition of silver nanoparticles on ITO flat substrates. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die folgende Arbeit befasst sich mit der elektrochemischen Abscheidung von Silbernanopartikeln auf mit ITO (Indiumzinnoxid) beschichteten Glassubstraten. Es werden durch einige Abscheideexperimente der Einfluss bestimmter Parameter, wie z.B Abscheidezeit, Dauer des elektrischen Pulses und Konzentration der Elektrolytbestandteile, auf die Eigenchaften, wie Größe, Form und Morphologie, der abgeschiedenen Nanopartikel aufgezeigt. Nach anfänglichen Rückschlägen wurde der Säuberungsprozess verbessert und die Unterschiedlichkeit der Ergebnisse bei gleichen Experimentvorraussetzungen führte zu der Entdeckung von unterschiedlichen Substratarten. Außerdem wurden die hergestellten Proben per optischer Transmission im Spektrometer, dem Rasterelektronenmikroskop (REM) und Röntgendiffraktometrie untersucht, um den Zusammenhang zwischen Substratart und Partikeleigenschaften zu verstehen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich zusammenfassen in der Bestätigung von dem Zusammenhang zwischen Partikeleigenschaften und den optischen Eigenschaften der Probe, den Zusammenhang zwischen Pulsdauer und der Partikelmorphologie, den proportionalen Zusammenhang zwischen Abscheidezeit und Menge der abgeschiedenen Partikel, sowie die Wichtigkeit von Indiumoxid als ein Bestandteil der ITO-Schicht auf die Qualität der abgeschiedenen Nanopartikel.
Welchen Einfluss haben Glasmaterialparameter auf die sharp impact Festigkeit?. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Arbeit werden chemisch nicht vorgespannte Deckgläser mittels Falltest untersucht. Der Falltest soll den realen Fall eines Smartphones nachahmen und dient als Anwendungstest für Deckgläser. Absicht dieser Arbeit ist die Korrelation von Glaszusammensetzung zur Fallhöhe, sowie die Untersuchung der Abhängigkeit der Fallfestigkeit von Glasparametern wie Härte, E-Modul, Poissonzahl und Dichte. Untersucht wurden 16 Gläser und Glaskeramiken aus den Glassystemen Lithiumalumosilikat, Borosilikat und Kalk-Natron-Glas. Des Weiteren wurden erfolgreich konstruktive Falltestbedingungen untersucht, wie zum Beispiel die Scheibendicke und die Abhängigkeit zur Masse des Dummy und die Reproduzierbarkeit.
Entwicklung und Fertigung eines Bauteilgreifers in Leichtbauweise aus Faserverbundkunststoff. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Beim Prozess des Spritzgießens geht der Trend in Richtung immer kürzerer Zykluszeiten. Dies betrifft auch die Zeiten, in denen ein fertiges Formteil aus der Spritzgussmaschine entnommen wird. Im Labor des KTI werden momentan die Spritzgussteile lediglich in einen Auffangbehälter fallen gelassen. Um ein dadurch mögliches Beschädigen der Formteile zu vermeiden, soll ein Roboter inklusive Greifer an der Spritzgussmaschine angebracht werden, der das fertige Teil entnimmt und in Bezug auf eine anschließende Qualitätskontrollstrecke präzise in verschiedenen Lagen positioniert. Dieser sollte dem Trend der kurzen Zykluszeiten folgen, um Totzeiten aufgrund einer Verzögerung des Entnahmeprozesses zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit soll deshalb ein Robotergreifer aus Faserverbundkunststoff in Leichtbauweise entwickelt und konstruiert werden. Die Ausschöpfung von Leichtbaupotentialen ist daher von Vorteil, da eine Gewichtsreduktion des Greifers insgesamt zu einer Reduktion der bewegten Masse führt und somit zu einer möglichen Verbesserung der Greifdynamik. Der Entnahmegreifer wird dabei mittels entwicklungsmethodischer Ansätze wie beispielsweise dem Entwurf verschiedener Technischer Prinzipe entwickelt und anschließenden in einer Konstruktion umgesetzt. Zudem werden verschiedene mögliche Faserverbund-Materialien miteinander verglichen und eine Verformungs- und Spannungsanalyse durchgeführt, um eine bestmögliche Auswahl bezogen auf Gewicht und Festigkeiten zu treffen. Des Weiteren wird die benötigte Griffkraft für verschiedene Handhabungsrichtungen und Gewichte der Formteile berechnet. Eine Fertigung und abschließender Test des Greifers sind aufgrund technischer Probleme des vorhandenen Roboters nicht möglich und werden durch eine theoretische Betrachtungsweise ersetzt. Die Erkenntnisse werden mit herkömmlichen Greifern verglichen und eine Aussage darüber getroffen, inwieweit die Massereduktion tatsächlich einen Vorteil bringen könnte.
Thermische und mechanische Auslegung kunststoffumspritzter Leiterplatten. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Arbeit wird der Einfluss einer rückseitigen Umspritzung einer Leiterplatte untersucht. Die Leiterplatte ist vorderseitig mit elektrischen Komponenten bestückt, sodass mechanische und thermische Beanspruchungen auf die Platine und die Komponenten wirken können. Das Spritzgießgehäuse mit eingebetteter Leiterplatte soll so ausgelegt werden, dass die thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen beim Verbau im Motorraum eines Kraftfahrzeugs ertragen und die Komponenten adäquat vor diesen Einflüssen geschützt werden. Mit Hilfe einer Aufschlüsselung und Analyse der Belastungsarten wird ein geeigneter Thermoplast gewählt und in einem faktoriellen Versuchsplan für die Umspritzung mit unterschiedlichen Parametern verwendet. Um den Einfluss des Spritzprozesses auf die Komponenten zu quantifizieren, werden Kennwerte der Komponenten vor und nach der Umspritzung gemessen und die prozentuale Abweichung bestimmt. Durch eine statistische Analyse können einige der beobachteten Abweichungen mit einstellbaren Parametern des Spritzprozesses in Verbindung gebracht werden. Aus den experimentellen Beobachtungen werden anschließend Konstruktionsempfehlungen abgeleitet und wichtige Abwägungen hervorgehoben.
Untersuchung des Kristallisationsverhaltens von Grubenlaugen. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Der Aufbau von Ablagerungen in Rohrleitungen ist ein großes Problem für zahlreiche Industriebranchen, wie z.B. bei der Abwasserbehandlung und Wasserentsalzung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Problematik, die sich aus der Abscheidung von Salzinkrustationen in industriellen Rohrleitungssystemen ergibt. Salzinkrustationen führen zu den Druckverlusten und zur Reduzierung des Durchflusses in den Rohren, sowie zur Erhöhung des Energieaufwandes in der Pumpenanlage. Zur Bekämpfung der Ablagerungen in Rohleitungen ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt. In dieser Arbeit wurde die Wirkung eines magnetischen Feldes auf Kristallisation untersucht. Der Kristallisationsgrad in der Salzlösung wird durch unterschiedliche wichtige Reaktionsparameter wie Temperatur, Druck, Verunreinigungen, chemisches Potential und elektrische Leitfähigkeit der Lösung beeinflusst. In Experimenten wurde Einfluss des magnetischen Feldes, der Temperaturänderung, von Fremdstoffen auf Kristallisationsvorgang der Grubenlauge untersucht, sowie pH-Wert und Leitfähigkeit gemessen und analysiert. Die pH-Wert- und Leitfähigkeitsanalyse von Grubenlauge wurde mit Hilfe eines Multiparameter-Tischmessgerätes durchgeführt. Dabei kann festgestellt werden, dass durch Temperaturerhöhung die Leitfähigkeit auch zunimmt, was durch Auflösung von Kristallen und somit höhere Beweglichkeit von Kristallteilchen erklärt werden konnte. Der pH-Wert hat sich dabei nicht drastisch geändert und ist bei dem Wert 4 geblieben. Bei der Kristallisation ist die Änderung des pH-Wertes umgekehrt proportional zur Temperatur. Des Weiteren ändert das Hinzufügen von Fremdstoffen in die Lösung die Kristallisationskinetik. Die gleichionige Zusätze verstärken Kristallisationsvorgänge, während die fremdginge Zusätze verlangsamen. Die Versuche wurden in einem Teststand mit stets zirkulierender Grubenlauge sowohl in einem Volumen von 1 m3, als auch in einem Behälter mit dem Volumen von 40 ml Lösung durchgeführt. Die Versuche im Teststand zeigten, dass ohne thermischen oder chemischen Schock sich keine Kristallschichten an den Innenwänden der Rohrleitungen bilden. Somit waren weitere Untersuchungen der Kristallisationsvorgänge im Testsystem nicht realisierbar und wurden unterbrochen. Durch Experimente in kleinen Bechern konnte bestätigt werden, dass die magnetische Behandlung die Kristallisation verstärkt. Die Ergebnisse gelten nur unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Bedingungen sowie Verwendung der Materialen, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden.
Degradationsminderung und Verbrauchsoptimierung eines PEM-Brennstoffzellensystems bei Identifikation geeigneter interner Wechselwirkungen im Gesamtfahrzeugbetrieb. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten, eine Verminderung der Degradation und des Verbrauchs durch die Identifizierung optimaler interner Wechselwirkungen innerhalb des Brennstoffzellensystems während des Gesamtfahrzeugbetriebes zu erreichen. Betrachtet werden neben möglichen Systemeinstellungen (Platinbeladungen, etc.) interne Betriebswechselwirkungen (Upper Potential Limit, etc.), die der Brennstoffzelle/dem Brennstoffzellensystem helfen, den Verbrauch und die Degradation zu minimieren. Anschließend wird mittels einer statistischen Versuchsplanung und der Software ETAS ASCMO eine Optimierung herbeigeführt. Die Fahrzeugumfänge (Dynamische Programmierung für dynamische Optimierung; Brennstoffzellensystem; Gesamtfahrzeug, worin das Brennstoffzellensystem eingebettet ist) berechnen den Zyklus und übergeben diesen (relative Feuchte, Temperatur, Spannung), dem Degradationsmodell, Black Box Modell, für die nötige Berechnung der Degradationsmechanismen. Betrachtet werden die Degradationen an der Elektrode anhand des EPSA-Verlustes (Electrode Platin Surface Area) und der damit verbundenen Verminderung der Platinbeladung bzw. des Carbon-Verlustes, der durch die Karbonkorrosion auftritt. Außerdem wird der Spannungsverlust/Performance-Verlust der Einzelzelle mitbetrachtet. Nach der Simulation werden die Ergebnisse in das Optimierungswerkzeug und das Neuronale Netz ETAS ASCMO für das Erkennen der Wechselwirkungen geladen. Diese Wechselwirkungen werden analysiert und für das Erstellen neuer Zyklen für die weiteren Auswertungen mittels Optimierung genutzt. Mit diesen neuen Zyklen werden die Parameter der Modellierungsgleichung der neu berechneten Polarisationskurven anhand einer Software identifiziert und die Degradation der Polarisationsparameter über der Zeit ausgewertet. Neben der Parameteranalyse werden die Überspannungsanteile an einem erstellten "Voltage Breakdown"-Modell über die Betriebsdauer aufgetragen und die jeweiligen Anteile bewertet. Durch die in dieser Arbeit gezeigten Variation einiger interner Wechselwirkungen während des Gesamtfahrzeugbetriebes ist die Möglichkeit der Verbrauchsminderung und der Degradationsminderung sichtbar. Auf diese Weise ist es gelungen durch die Optimierungssoftware ETAS ASCMO drei Zyklen ausgeben zu lassen, die eine unterschiedliche EPSA-Beladung besitzen, jedoch durch Anpassung von internen Wechselwirkungen auf die gleiche Degradation gelangen.