Master-/Diplomarbeiten

Im Zuge immer weiter steigender Ansprüche an Qualität und Reinheit von Kieselgläsern, speziell für die Halbleiterindustrie, nimmt insbesondere der Rohstoff SiO2 eine besondere Bedeutung ein. Die vorliegende Arbeit setzt an der bisher wenig untersuchten Erzeugung von synthetisch hergestellten, hochreinen SiO2 Partikeln über eine fluorchemische Route an. Die in Versuchen erzeugten Partikel wurden mit einer Reihe von analytischen Verfahren untersucht. Zu nennen sind hier die Bestimmung der spezifischen Oberfläche mit Stickstoff, eine Analyse der Partikelgestalt, -größe und Reinheit, eine Untersuchung zur Oberflächenbesetzung der hergestellten Partikel mit funktionellen Gruppen sowie die Partikeleigenschaften in einer Dispersion. Im Weiteren wurden auch Untersuchungen zur Sintereignung durchgeführt. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse konnten Rückschlüsse auf den Bildungsmechanismus in Abhängigkeit von Prozessparametern gewonnen werden. Zudem konnten Eigenschaften der Partikel bestimmt werden, die für eine weitere Verarbeitung von Bedeutung sind.

Als Grundlage für die Elektrolytverwaltung in galvanischen Prozessen wurde eine Datenstruktur entwickelt, die die vollständige Dokumentation und Verknüpfung aller Zustands-Informationen der Medien ermöglicht. Auf Basis der Analyseergebnisse und den Steuerungsdaten kann die jeweils aktuelle Zusammensetzung der Prozessmedien ereignisorientiert berechnet werden. Dabei werden die Einflüsse der chemischen und elektrochemischen Reaktionen, von Dosierungen und Verwürfen, Verschleppung und Verdunstung berücksichtigt. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für zeitnahe automatische Korrekturmaßnahmen. Im Hinblick auf die Produktivität wurden die grundsätzlichen Möglichkeiten zur Analyse und Steigerung dokumentiert. Dabei wurden insbesondere die Simulation von Galvanikanlagen betrachtet und die Möglichkeit der Nutzung von Warenträgersenken zu einer Methode für Engpassanalysen von ganzen Anlagen weiterentwickelt. Als wesentliches Verbesserungspotential wurden die Vereinfachung und Automatisierung der Konfiguration von Simulationen identifiziert. Mit den entwickelten und beschriebenen Methoden ist eine permanente Analyse einer Galvanik möglich.

Die Faserlänge beeinflusst die mechanischen Eigenschaften signifikant. Zum Erhalt längerer Fasern bei Verarbeitung faserverstärkte Polymer wird mit Innenmischer als relativ neue Konzeption betrachtet. Die Wirkweise des Innenmischers ist derzeit kaum erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wird zuerst den geeigneten berechneten Modellen recherchiert. Dabei werden die unberücksichtigten Prozessparameter ausgewählt. Durch ein Screening-Versuchsplan werden die ausgewählte Prozessparameter ausgesiebt. Die Einflüsse der ausgesiebten Prozessparameter auf die Faserlänge werden in Hauptversuch mit einem zentralen zusammengesetzten Versuchsplan untersucht. Nach Auswertung der Ergebnisse wird ein neues berechnetes Modell abgeleitet, damit kann zur Vorhersage der Faserlänge der faserverstärkten Thermoplaste verwendet werden. Mit dem abgeleiteten Modell wird ein Scale-Up der Prozessparameter von Mini-Innenmischer zu Labor- und Industrieinnenmischer durchgeführt.

Bei der Dekarbonisierung der Energiesystems der Zukunft spielen Speichersysteme eine zentrale Rolle. Sie erlauben die effiziente Zwischenspeicherung dezentraler, erneuerbarer Stromerzeuger und erlauben eine bedarfsgerechte Stromzeugung am Markt. Derzeitige Batteriesysteme sind jedoch zu teuer um realistische Alternativen im GWh-Bereich darzustellen. Die Entwicklung von Flüssigmetallbatterien ist eine der bedeutendsten Technologieentwicklungen der letzten Jahre, die hohe Speicherkapazität bei geringen Kosten und hoher Langlebigkeit voraussagt. Die Entwicklung eines geeigneten Flüssigsalz-basierten Elektrolyten, der niedrige Betriebstemperaturen erlaubt bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und minimierten Selbstentladungseffekten, spielt hier eine wesentliche Rolle. Ein hoher Schmelzpunkt der Elektrolyten führt zu hohen Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit während eine hohe Natriumlöslichkeit die Selbstentladung und damit die Energieeffizienz der Batterie beeinflusst. In dieser Arbeit wurden geschmolzene Li-K-Na//X Salze (X = Cl und I) untersucht, um Elektrolyte mit niedrigem Schmelzpunkt und niedriger Natriumlöslichkeit für Na-LMBs zu finden. Zunächst werden Simulationen mit FactSage durchgeführt, um die eutektische Mischung der Halogensalze zu ermitteln. Die Schmelzvorgänge wurden mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) ermittelt und mit einer Schmelzpunktapparatur (OptiMelt) verifiziert. Mittels Simulationen und Experimenten wurden ternäre Li-K-Na//X-Systeme in ein pseudobinäres System überführt, um den Einfluss des Natriumgehalts auf das Schmelzverhalten der Mischung zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das kleine Menge Auflösen der NaX-Phase den Schmelzpunkt des eutektischen binären Systems LiX-KX leicht beeinflusst, so dass dieses ternäre System als pseudobinäres System bezeichnet wird. Das pseudobinäre LiCl-KCl-NaCl-System mit einem molaren Verhältnis von 53,9: 37,1: 9 und einem Schmelzpunkt 352 ˚C konnte als eutektische Mischung identifiziert werden. Analog dazu kann das quasi binäre iodid-basierte LiI-KI.-NaI (59,2: 33,8: 7 mol%) als eutektisch schmelzend charakterisiert werden. Für beide Systeme werden die Vor-und Nachteile der jeweiligen Salzklassen diskutiert und die Ergebnisse im Hinblick auf die Anwendung bewertet. Die Identifizierung dieser eutektischen Salzmischung stellt einen wesentlichen Schritt in der Entwicklung realer Batteriesysteme dar und trägt somit zur Implementierung skalierbarer und langzeitbeständiger Batteriesysteme bei.

Materialien mit sehr hohe Oberflächenhärte sind für Industriemesser und Großwerkzeuge für die Umformtechnik wie für die Spritzgusswerkzeuge in der Kunststoffverarbeitung sehr gefragt. Stand der Technik zur Steigerung der Härte der Oberflächen sind das Nitrieren, das Borieren, das Hartverchromen, die galvanische und chemische Abscheidung von Ni-P-Schichten sowie Dispersionsschichten Ni-Diamant, Ni-SiC, Ni-BN mit anschließende thermische Behandlung. Das Nitrieren ist ein Verfahren, bei dem Nitride auf der Stahloberfläche durch den Diffusionsvorgang gebildet werden, wenn das Stahlwerkstück bei 500 - 550 ˚C für 1 bis 100 h in einer Ammoniak-Atmosphäre bei leichtem Überdruck wärmebehandelt wird. Ein Härtewert von 1200 HV ist durch Nitrieren erreichbar. Das Borieren, erfolgt durch eine Wärmebehandlung bei 750 - 950 ˚C für 4 - 6 h. Dabei wird zunächst Borpulver oder -paste auf das Werkstück aufgetragen. Durch den Diffusionsvorgang können Boride bis in einer Tiefe von 250 [my]m gebildet werden. Genel et. al. haben ein Härtewert von ca. 1500 HV erreicht. Campos Silva et al. hat eine Nickelbasislegierung bei 950 ˚C für 6 h boriert und hat dabei ein Härtewert von 2200 HV erzielt. Beide Verfahren sind aber energie- und zeitintensiv. Hartchromschichten besitzt ein Härtewert von 600 bis 1200 HV und dienen zum Korrosions- und Verschleißschutz. Eine dicke Schichtdicke von 20 bis 500 [my]m lässt sich gut durch dieses Verfahren abgeschieden werden. Dennoch stehen die Cr(VI)-Ionen im Elektrolyt als problematisch, das sie krebserregend sind. Die Anwendung von Chromtrioxid in der EU laut REACH ohne Zulassungsgenehmigung ist seit 2017 verboten. Galvanisch Nickel bietet eine höhere Abscheiderate und eine höhere Badlebensdauer im Vergleich zur chemisch Nickel. Allerdings sind die Schichtdickenverteilung der galvanisch Nickel stark von den Feldlinien abhängig und die Härtewerte der galvanisch abgeschiedene Nickel, auch mit eine anschließende thermische Behandlung kleiner als die Härtewerte von chemisch Nickel. Daher steht chemisch Nickel in dieser Arbeit im Mittelfeld. Das Borpartikel, aufgrund seine höhere Härte und inerte chemische Eigenschaften beim Raumtemperatur sowie seine Fähigkeit um Borid nach thermische Behandlung zu bilden, wurde als Dispersoid ausgewählt. Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die Qualität der Schichten durch Einlagerung von Bor-Partikeln in außenstromlos abgeschiedenen Nickelschichten zu steigern. Dabei soll untersucht werden, wie die Wärmebehandlung die Härte der Dispersionsschichten beeinflusst. Der Einbau der Partikel in den Ni-P Schichten soll homogen und steuerbar sein. Das Arbeitsfenster und die Parametereinflüsse auf die Abscheidung der Ni-P-B-Schicht zur Einstellung der Oberflächenhärte sind Teil dieser Untersuchung. Darunter sind die Parameter, die die Abscheiderate, die Vermeidung der Wildabscheidung und der Partikeleinbau beeinflussen können, gemeint. Auch Untersuchungen der kommerziellen Borpartikeln in Bezug auf ihrer Tendenz zur Agglomeration im Elektrolyt wurden durchgeführt. Die nötigen Messgeräte und Messtechniken für die Untersuchungen sind das Zetasizer, Metallographie, optische Mikroskopie, EDX-REM, XRD und Härtemessungen nach Vickers. Die Arbeit hat gezeigt, dass eine Abscheidung von Ni-P Schichten mit homogenen und steuerbaren eingebauten Borpartikeln durch chemisches Verfahren möglich ist. Keine Wildabscheidung ist aufgetreten, wenn die Hydrodynamik des Elektrolyten gut kontrolliert wurde. Die Härte der Ni-P-B Schichten ist nach der Wärmebehandlung gestiegen.