Optimization of a glass composition for synthesis of Ce3+:YAG crystallites. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In den letzten Jahren wurde Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) in immer mehr Produkten wie weißen LEDs, Lasern, oder in der Weißlichtinterferometrie angewendet. Viele bestehende YAG-Herstellungsverfahren sind komplex und einige erfordern sogar stark ätzende chemische Reagenzien. Die Herstellungstemperaturen sind oft extrem hoch. Diese Arbeit versucht, YAG aus einem Glas mit traditionellen ungiftigen Methoden zu synthetisieren und diese Methode zu optimieren. Die Glaszusammensetzungen basieren auf dem Y2O3-Al2O3-SiO2-System. ZrSiO4, Ti2O3, NH4F und H3BO3 werden zugegeben, um den Schmelzpunkt der Glaszusammensetzungen zu senken (NH4F, H3BO3), oder um die Kristallisation von YAG als einziger Kristallphase zu fördern (ZrSiO4,Ti2O3). Daher kann eine Anpassung des Anteils dieser Additive bis zu einem gewissen Grad die YAG-Synthese optimieren. Aus dem Glassystem SiO2/Al2O3/Y2O3/CaO konnte kein YAG kristallisiert werden. YAG konnte bei ca. 1375 ˚C im Glassystem SiO2/Al2O3/Y2O3/AlF3 kristallisiert werden. Aus der Zusammensetzung mit 35 mol% SiO2, 36,5 mol% Al2O3, 20 mol% Y2O3, 1 mol% CeO2, 14,4 mol% NH4F, 2,5mol% B2O3 konnte bei 1039 ˚C ausschließlich die YAG-Phase kristallisiert werden.
Nanometallurgic evolution of solid-state dewetted Au nanostructures made by oblique angle deposition. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Solid-state Dewetting (SSD) ist eine einfach Methode zu Herstellung metallischer Nanopartikel. Unglücklicherweise bilden diese Partikel normalerweise keine geordneten Arrays auf flachen, unstrukturierten Substraten, weshalb die Substrate mit teuren, zeitaufwendigen 2D-Fertigungsmethoden strukturiert werden müssen. Eine Alternative zu diesen Methoden könnten nanostrukturierte Dünnschichten sein, welche mittels einer Abscheidung in schrägen Winkeln (oblique angle deposition (OAD)) hergestellt werden. Diese Schichten bilden eine Oberfläche aus Bündeln von Nanosäulen in periodischer Anordnung, welche als Vorlage für die Herstellung von Nanopartikeln via SSD dienen könnte. Diese Idee wird in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von verschiedenen nanostrukturierten Golddünnschichten auf flachen Si/SiO2-Substraten, welche mittels OAD in zwei unterschiedlichen Winkeln abgeschieden worden, untersucht. Der Einfluss dieser Abscheidungsparameter auf den SSD-Prozess von Gold wird anhand der Veränderungen der Morphologie und der optischen Eigenschaften aufgezeigt. Es wird gezeigt, dass die Abscheidungsparameter zur Einstellung des Template-Effekts verwendet werden können. Der Abscheidungswinkel zeigt einen größeren Einfluss als die Struktur der Nanosäulen.
Multible Quantentopf-Strukturen aus III-V-Halbleitern für den Einsatz in Si-basierten Tandemkonzepten. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Durch die Kombination von Silizium als Absorber der unteren Zelle und multiplen GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Quantentopf-Strukturen als Absorber der oberen Zelle können wettbewerbsfähige und hocheffiziente Tandemsolarzellen gewonnen werden. Im Rahmen der Arbeit wurden solche Quantentopf-Strukturen mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und hinsichtlich des Arseneinbaus, Schichtrelaxation und der Schärfe der GaAs_0,8 P_0,2/GaP-Grenzfläche untersucht. Die gefertigten Strukturen wurden in situ mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) und ex situ mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und hochauflösender Röntgendiffraktometrie analysiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass das Wachstum solcher Quantentopf-Strukturen komplexe Schaltsequenzen der Präkursoren erfordert, um eine ausreichende Grenzflächenqualität der Struktur zu erreichen. Zudem wurde gezeigt, dass die Quantentopf-Strukturen, gewachsen auf der gradierten Pufferstruktur, das Photolumineszenz-Signal verbessern. Die Ergebnisse der Photolumineszenz-Signale können mit den Ergebnissen der RAS-Messungen korreliert werden. Die Probe mit der stärksten Intensität und der geringsten Halbwertsbreite bei den Photolumineszenz-Messungen hat das stabilste RAS-Signal während des Wachstumsprozesses.
Neuartige Formgedächtnispolymere für die Aktorik. - Ilmenau. - 198 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Formgedächtnispolymere sind Polymere, die in der Lage sind, durch einen äußeren Anreiz, von ihrer, durch eine thermomechanische Behandlung erzeugten, temporären Form, in die Originalform zurückzukehren. Thermoplastische Polyurethane können solche Formgedächtnispolymere sein. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel neue Formgedächtnispolymere zu finden, um das Sortiment, der bisher existierenden Formgedächtnispolymere zu erweitern und somit das Anwendungsfeld auszuweiten. Zunächst wurden thermoplastische Polymere mit einer variierenden chemischen Zusammensetzung untersucht. In einer ersten Versuchsreihe variierte das Weichsegment, welches die thermischen Eigenschaften bestimmt. Die zweite Versuchsreihe variierte die verwendeten Kettenverlängerer und Diisocyanate für Polyhexylenadipat-Polymere. Aus der Charakterisierung dieser Polymere konnte auf Struktur-Eigenschafts-Beziehungen geschlossen werden. Diese Analysen verdeutlichten, dass der Zweiweg-Formgedächtniseffekt nicht allein von der Kristallinität der Polymere abhängig ist. Eine weitere Versuchsreihe beschäftigte sich mit der Optimierung der Formgedächtnisaktorik von einem programmierbaren Polymer durch eine geometrische Änderung der aktuierenden Bauteile. Hierzu wurde ein Messstand konzipiert, welcher die reversible Bewegung bei verschiedenen Auslenkungen für Probebalken mit variierenden Querschnittsflächen, sowie die erzeugte Kraft während des Formgedächtniseffektes ermittelt. Die Messungen präsentieren, dass eine Geometrieänderung die Formgedächtnisaktorik optimieren kann und dadurch eine Materialeinsparung möglich ist. Das ermöglicht den Einsatz von programmierbaren Polymeren in Bereichen wie der Soft Robotic. Zusätzlich zu den Polymeren wurden auch Polyurethanschaumstoffe auf eine Anwendung als Formgedächtnispolymer untersucht. Hier variierten ebenfalls die Bestandteile, um Struktur-Eigenschaft-Beziehungen zu verdeutlichen. Die untersuchten Schäume führten einen Zweiweg-Formgedächtniseffekt spannungsfrei und unter konstanter Spannung aus. Die bestimmte Wärmeleitfähigkeit macht eine Anwendung als Dämmmaterialien möglich. Zudem wurden die untersuchten Schaumstoffe recycelt, wobei sich das Pressen als geeignetste Methode erwies. Eine Charakterisierung nach dem Recyceln zeigte, dass das recycelte Material nach einer Programmierung einen Einweg- und Zweiweg-Formgedächtniseffekt ausüben kann.
Synthesis and characterization of hematite thin film photoanodes for photoelectrochemical water splitting. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Hämatit ([alpha]-Fe2O3) wurde als Photoanodenmaterial auf dem Gebiet der photoelektrochemischen (PEC) Wasserspaltung aufgrund seiner Verfügbarkeit, Ungiftigkeit, und seiner hohen Stabilität in der wässrigen Lösung ausführlich studiert. Trotz der vielversprechenden Eigenschaften ist die Effizienz durch die kurze Lebensdauer und Diffusionslänge der generierten Ladungsträger begrenzt, die im Vergleich zur optischen Absorptionslänge ungenügend ist. Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich darauf, die PCE-Leistung von Hämatit-Dünnschicht-Photoanoden zu evaluieren. Die Hämatit-Dünnschichten wurden durch thermische Oxidation auf leitfähigen, mit Fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) beschichten Glas-Subtraten und auf nanostrukturierten Siliziumsubstraten aufgebracht. Die PEC Leistung wurde durch die Steuerung der Hämatit Schichtdicke, sowie durch Anpassung des thermischen Oxidationsprozesses (Temperatur, Zeit, Erwärmungs- und Abkühlungsrate) optimiert. Ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad wurde für eine Dünnschicht-Elektrode ermittelt, welche auf einem FTO beschichten Substrat erzeugt und bei 750 ˚C oxidiert wurden. Im Vergleich zu den FTO-Proben zeigten Photoanoden die aus Siliziumsubstraten hergestellt wurden eine verminderte Leistung, was unter anderem auf nicht kompatible nanostrukturierte Substrate für das in dieser Studie verwendete Abscheidungsverfahren hindeuten könnte. Des Weiteren zeigte auch die Reinigung der Substrate einen Einfluss auf die PEC-Leistung.
Development of low temperature sintered BNT-BT-ST-based lead-free piezoceramics. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Piezoelektrische Keramiken spielen eine wichtige Rolle in zahlreichen Anwendungsbereichen der Industrie, in der Medizin, in der Elektronikbranche und im zivilen Leben. Aufgrund hervorragender piezoelektrischer Eigenschaften, hoher Curie-Temperaturen und einer gut beherrschbaren und anpassbaren Prozessroute werden meist Bleizirkonattitanat (PZT)-Werkstoffe als piezokeramisches Material eingesetzt. Angesichts des hohen Anteils an giftigem Blei in PZT-Verbindungen und drohender Gesetzesverschärfungen bzgl. des Einsatzes von Blei in piezokeramischen Werkstoffen, ist man heutzutage mehr und mehr bestrebt bleifreie Alternativen zu finden. Unter den bleifreien Piezokeramiken werden Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT)-basierte Werkstoffe hinsichtlich hoher Curie-Temperaturen und hohen piezoelektrischen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten angesehen. Jedoch beschränkt sich der Einsatz von BNT-Keramiken bisher auf spezielle Anwendungen aufgrund der schwierigen Herstellung von dichten BNT-Keramiken mit zufriedenstellenden Materialeigenschaften. Ursachen sind dabei das Abdampfen der volatilen Oxide Bismutoxid und/oder Natriumoxid sowie auftretendes Riesenkornwachstum während des Sinterungsprozesses bei hohen Temperaturen. Die Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von 1-x-y(Ba0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3-ySrTiO3 (BNTBST)-Vollkeramiken. Dabei wird der Einfluss von Sinterhilfsmitteln auf das Sinterverhalten und die piezoelektrischen Eigenschaften der hergestellten BNTBST-Keramiken untersucht. Mit dem Einsatz der Sinterhilfsmittel konnten BNTBST-Keramiken mit hohen Dichten und hohen piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden. So konnte mit den Sinterhilfsmittelzusätzen beispielsweise die relative Dichte [rho]/[rho]th um 2 % auf 97,8 % gesteigert und die d33-Ladungskonstante um 37 % auf max. 172 pC/N erhöht werden. Zusätzlich konnte die Sintertemperatur der BNTBST-Keramiken auf 1200 ˚C gesenkt und dichte Keramikproben in einem großen Sinterintervall (≤ 100 ˚C) erhalten werden.
Charakterisierung des Einflusses organischer Verbindungen beim Anodisieren der Aluminiumlegierung EN AW 7075. - Ilmenau. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Aluminium und seine Legierungen sind neben Stahl die am häufigsten eingesetzten metallischen Werkstoffe. Aluminium bildet in Kontakt mit Luftsauerstoff eine dünne, passivierende Oxidschicht auf seiner Oberfläche aus, welche das Grundmaterial vor weiterer Korrosion schützt. Aluminiumoxid weist zugleich eine hohe Härte und gute Verschleißeigenschaften auf. Für technische Anwendungen, bei welchen hohe Anforderungen an Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bestehen, ist die Dicke der natürlich ausgebildeten Oxidschicht jedoch unzureichend. Die anodische Oxidation ist ein etabliertes Verfahren zur Steigerung der Oxidschichtdicke und somit auch der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Die Eigenschaften der Eloxalschicht (Porenstruktur, Sperrschicht) können durch die gewählten Prozessparameter (Stromdichte, Potential, Temperatur) und der Zusammensetzung des Elektrolyten (Art und Konzentration von Säure, Salzen und Additiven) gezielt beeinflusst werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss ausgewählter organischer Additive (Glycolsäure, Glycerin, Oxalsäure und Anilin) in einem Elektrolyten auf Schwefelsäure-Basis hinsichtlich der Verbesserung der Schichteigenschaften diskutiert. Die Wirkungsweise der Additive auf das Rücklöseverhalten, die Porenbildung und die Schichtstruktur wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) beim anodisieren der Aluminiumlegierung 7075 untersucht. Der Einsatz von Glycerin und Oxalsäure erwies sich hinsichtlich der Härte und rücklösungshemmender Funktion als vorteilhaft. Durch Zugabe von Glycolsäure und Anilin konnte keine signifikante Verbesserung festgestellt werden. Ein Additivgemisch liefert stark verbesserte Härteeigenschaften, insbesondere bei höheren Temperaturen. Es konnte anhand der XPS- und in-situ EIS-Ergebnisse gezeigt werden, dass eine Adsorption organischer Verbindungen im Oxid-Elektrolyt-Grenzfläche stattfindet, welche zur Bildung einer kompakteren Oxidschicht beiträgt und einerseits die Anzahl und Größe der Poren, anderseits das Rücklöseverhalten auf ein Minimum reduziert.
Entwicklung und Validierung eines Werkstückfördersystems für die vollautomatisierte Endkontrolle von Kühl- und Gefriergeräten. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Integration von mechatronischen Automatisierungssystemen in eine Fertigungslinie ist ein zeit- und arbeitsintensiver sowie interdisziplinärer Entwicklungsprozess. Aktuell verläuft die Konzepterarbeitung von Mechanik, Elektrotechnik und Informatik getrennt voneinander. Die einzelnen Disziplinen nehmen im Laufe des Projekts gegenseitigen Einfluss auf die Entwicklung des Gesamtkonzepts, nicht immer zu dessen Vorteil. Um dieses Zusammenspiel effizienter zu gestalten, bedarf es einer allgemein gültigen Methodik für die Entwicklung mechatronischer Systeme. Diese existiert bisher nur in geringem Umfang, weshalb ein Automatisierungskonzept sehr spezifisch an das zu fertigende Produkt angepasst werden muss und nicht ohne weiteres auf andere Systeme übertragbar ist. Die vorliegende Masterarbeit untersucht, ob eine allgemeine, fachübergreifende Prozessbeschreibung bei der Entwicklung und Integration von Automatisierungssystemen möglich ist, wie diese modelltechnisch funktionieren könnte und welche Vorteile damit einhergehen. Am Beispiel der Entwicklung eines Werkstückfördersystems für die automatisierte Geräteendprüfung von Kühlgeräten wird analysiert, in welchen Bereichen der Anlage eine Wechselwirkung zwischen Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik existiert. Das finale Automatisierungskonzept wird in einzelne Teilbereiche gegliedert, welche über die Definition von Schnittstellen in ein logisches Verhältnis zueinander gesetzt werden. Durch die Ableitung der Analyseergebnisse in ein allgemein anwendbares Modell wird ein Ansatz generiert, der eine methodische Entwicklung von Automatisierungsprojekten in der Haushaltsgroßgeräteproduktion frühzeitig unterstützt und den Bedarf an fachübergreifender Entwicklungsarbeit schon zu Projektbeginn lokalisieren kann. Die Notwendigkeit zusätzlicher Systeme, die zur Umsetzung der Automatisierungsmaßnahmen notwendig sind, sowie die Auswahl der verwendeten Art der Fördertechnik für die Integration in eine Fertigungslinie kann anhand des Modells ebenfalls abgeschätzt werden. Mit der Anwendung dieses Modellansatzes besteht die Möglichkeit, interdisziplinäre Arbeitsgruppen gezielt auf die schnellere Entwicklung eines gemeinsamen Konzepts anzusetzen anstatt die einzelnen Teilbereiche unter zusätzlichem Aufwand durch nachträgliche Anpassung von Mechanik, Elektrotechnik und Informatik zu einem System zusammenfassen.
Steuerung von technischen Parametern eines kombinierten Oberflächensystems durch Messung und Anpassung von elektrochemischen und tribologischen Eigenschaften seiner individuellen Schichten. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der Automobilindustrie wird vor allem in mechanisch und thermisch hochbeanspruchten Systemen nach wie vor auf metallische Bauteile zurückgegriffen. Besonders wichtig sind in diesem Kontext sicherheitsrelevante Verbindungselemente. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, ist es zwingend erforderlich, Verbindungselemente vor äußeren Einflüssen zu schützen, sodass ihre Funktion auch über lange Zeiträume gewährleistet bleibt. Hierzu hat es sich bewährt, Schrauben in verschiedenen Verfahren zu beschichten, sodass ein ausreichender Korrosionsschutz vorliegt. Neben dem Korrosionsschutz sollen durch die Beschichtungen die Einhaltung weiterer geforderter Normen und Parameter wie tribologische Anforderungen gewährleistet werden. Um die Anforderungen zu erfüllen, kann keine allgemeingültige Beschichtungslösung beschrieben werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Bestandteile eines zinkbasierten Oberflächensystems in Verbindung mit geeigneten Nachbehandlungen auf das tribologische und Korrosionsschützende Verhalten untersucht, um Entwicklungen neuer Schichtsysteme zielführender und quantifizierbarer zu gestalten. Über Verschraubungsversuche wird der Einfluss der verschiedenen Schichtbestandteile auf das tribologische Verhalten charakterisiert. Hierbei zeigt sich, dass die Reibung und der adhäsive Verschleiß, überwiegend bei Verschraubung gegen Aluminium, mit der Schichthärte zusammenhängen und ein Aluminiumübertrag stattfindet. Maßgeblich für Reibung und Verschleiß ist dabei die äußerste Schicht des Oberflächensystems, welche im direkten Kontakt zum Reibpartner steht. Insbesondere durch das Aufbringen geeigneter Versiegelungen wird die Reibung unabhängig vom restlichen Schichtsystem und der Gegenlage gesteuert. Diesbezüglich konnten für organisch aufgebaute Versiegelungen besonders gute Schmierleistungen beschrieben werden. Die Rauigkeit der Oberfläche zeigt keinen signifikanten Einfluss auf das Reibungsverhalten. Die Korrosionsuntersuchungen (Ruhepotentialmessung, Tafel-Auswertung, neutraler Salzsprühnebeltest) zeigen, dass Zink-basierte galvanische Schichten einen geeigneten Korrosionsschutz liefern. Es wird nachgewiesen, dass der Korrosionsschutz durch Aufbringen von Konversions- und Versiegelungsschichten deutlich gesteigert wird. Im Gegensatz zur Tribologie ist dabei nicht nur die Grenzschicht, sondern die Kombination der Schichten bestimmend.
Prozessoptimierung der Plasmastrukturierung komplexer Gläser mittels Design of Experiments Ansatz (DoE). - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit befasst sich mit der Prozessoptimierung zum Tiefenätzen komplexer Gläser im Fluorplasma mit dem Ansatz der statistischen Versuchsplanung. Dabei ist das Ziel den Einfluss ausgewählter Prozessparamater auf das Ätzergebnis zu untersuchen. Als Ätzmaskierung werden kostengünstige Alternativen zu den aufwendigen Hartmasken aus Nickel betrachtet. Für das Ätzen wird ein induktiv-gekoppeltes Plasma (ICP-RIE) mit hoher Plasmadichte und niedrigem Prozessdruck und als Substratmaterial Borofloat 33 eingesetzt. Borofloat 33 gestattet ein breites Anwendungsspektrum in der Mikrotechnologie. Auf Grund der chemischen Zusammensetzung und der damit verbundenen Bildung nichtflüchtiger Reaktionsprodukte im Fluorplasma ist die plasmabasierte Strukturierung von Borofloat 33 durchaus herausfordernd. Mit Hilfe des "Design-of-Experiment"-Ansatzes (DoE) werden Einfluss und Wechselwirkungen der Prozessparameter auf das Ätzergebnis untersucht. Dabei werden die Oberflächenrauheit, die Ätzrate, der Flankenwinkel als auch die Selektivität gegenüber der verwendeten Resistmaske betrachtet. Um den Einfluss der Prozessparameter im Plasma quantitativ zu verstehen und zu bewerten, wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan angewendet. Das lineare Modell für jede Prozessreaktion (Glas-Ätzrate, Oberflächenrauheit, Selektivität und Flankenwinkel) wurde per Statistik-Software erstellt und die Ergebnisse wurden überprüft. Die Analyse der Glasätzrate zeigt, dass sowohl die Bias- als auch die ICP-Leistung sowie deren Wechselwirkung einen signifikanten Einfluss haben. Die Betrachtung der Residuen-Diagramme zeigt aber, dass das lineare Modell nicht genau die Prozessreaktion (Glas-Ätzrate) abbildet. Als Haupteffekt für die Rauheit lässt sich der Druck identifizieren und mit Hilfe des Regressionsmodells abbilden. Die Selektivität hingegen wird hauptsächlich durch die Bias-Leistung beeinflusst. Je nach Wahl der Prozessparameter lassen sich beim aktuellen Stand der Untersuchungen Ätzraten im Bereich von 610 nm/min und Selektivitäten im Bereich von 0,45 erreichen. Eine Beeinflussung der Rauheit und es Flankenwinkels für Ätztiefen im Bereich von 10 [my]m sind ebenfalls möglich. In Zukunft sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Modelle weiter zu verfeinern und das Ätzen tieferer Strukturen zu untersuchen.