Weiterentwicklung und elektrochemische Charakterisierung einer Vanadium-Redox-Fluss-Batterie. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Basierend auf einer bestehenden Vanadium-Redox-Fluss-Batterie (VRFB) wird ein neues VRFB-System entwickelt und optimiert. Für eine gleichmäßige Elektrolytverteilung in den porösen Graphit-Elektroden werden Strömungsfelder aus einem Graphit Kompositmaterial eingesetzt. Die geometrische Auslegung und Optimierung der Strömungsfelder wird in Kombination mit einer Strömungssimulation durchgeführt. Zur Verringerung der ohmschen Verluste werden in der Reaktionszelle Stromkollektoren aus Kupfer eingesetzt. Zudem werden die Elektroden durch konzentrierte Schwefelsäure sowie durch eine thermische Behandlung bei 400 ˚C oxidiert. Dadurch steigt die Anzahl der funktionellen Gruppen an der Elektrodenoberfläche an, wodurch Überspannungen reduziert und die Redoxreaktionen elektrochemisch katalysiert werden. Mittels der Cyclovoltammetrie kann nachgewiesen werden, dass durch die Elektrodenmodifikation das Redox-Paar V2+/V3+ deutlich stärker elektrochemisch katalysiert wird als das Redox-Paar V5+/V4+. Zudem zeigt sich anhand der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, dass durch die Modifikation der Durchtrittswiderstand beim Redox-Paar V5+/V4+ um ca. 85 % und beim Redox-Paar V2+/V3+ um ca. 94 % gesenkt werden kann. Gleichzeitig steigt durch die Erhöhung der funktionellen Gruppen die Doppelschichtkapazität um den Faktor zwei an. Bei den Strom-Spannungskennlinien zeigt sich bereits durch den Einsatz der Strömungsfelder eine Verringerung der Durchtrittsüberspannung und eine Erhöhung der elektrochemischen Kinetik. Die größte Steigerung wird durch die Oxidation der Elektroden erzielt, was zu einer Erhöhung der Betriebsstromdichte um den Faktor 35 führt. Damit zusammenhängend kann die maximale Leistungsabgabe von 206 mW auf über 477 mW angehoben werden. Das neue System kann ca. 25 % mehr Ladungsmenge speichern. Die Spannungseffizienz steigt von ca. 53 % auf 83 % an. Insgesamt erhöht sich die Energieeffizienz des VRFB-Systems von ca. 50 % auf ca. 80 %, für eine Stromdichte von ± 3 mA cm^(-2).
Bewitterung von Flachglas mit Sanden als extrinsische Initiatoren der Alterung. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Arbeit wurde aufbauend auf die Erkenntnisse aus der Dissertation von Stephanie Reiß erstellt. Eines ihrer Themen war das Alterungsverhalten von Flachglas unter Einfluss eines natürlichen Sahara-Sandes. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, den Einfluss einzelner Sandbestandteile auf die Alterung der Glasoberfläche mit Hilfe von Klimaschrankversuchen bei 80 ˚C und 80 % r.h. zu evaluieren. Außerdem soll die Wechselwirkung zwischen Sandpartikeln und der Glasoberfläche untersucht werden. Die Bewitterungsversuche erfolgten mit einem kommerziellen Kalk-Natron-Floatglas. Als Sandvertreter wurden ein hochreiner natürlicher Quarzsand (SiO2> 99,9 Gew%), ein mit 1,1 Gew% Al2O3 verunreinigter natürlicher Quarzsand und ein Kalifeldspat-Sand mit 17,9 Gew% Al2O3 ausgewählt. Außerdem wurden drei Sahara-Sande aus verschiedenen Regionen Algeriens verwendet. Anhand einer Betrachtung der Ausscheidungen im Lichtmikroskop und ausgewählter Proben im Rasterelektronenmikroskop wurden die Erscheinungsbilder auf der Glasoberfläche charakterisiert und mit bisherigen Erkenntnissen verglichen. Außerdem wurden mittels Röntgenbeugung die kristallinen / mineralogischen Phasen auf der Glasoberfläche sowie die qualitative chemische Zusammensetzung der Sandvertreter untersucht. Zuletzt wurden die 7 Tage lang im Klimaschrank bewitterten Luftseiten mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Argon-Sputtern wurden Tiefenprofile erstellt, um die Ionenaustauschprozesse in den obersten Glasschichten (bis ca. 60 nm) zu charakterisieren und die Auslaugung der Netzwerkwandlerionen (insbesondere Na+) und dem Zwischenoxidion Mg2+ zu beschreiben. Zusätzlich wurden anhand der XPS-Spektren der obersten Schicht die Na1s- und O1s-Zustände ausgewertet, um den Anteil an brückenbindendem und nicht-brückenbindendem Sauerstoff zu bestimmen und Aussagen über eventuelle Na-haltige Reaktionsprodukte (mit dem Sand oder Bestandteilen der Luft) zu treffen. Es entstanden in dieser Arbeit erste Ansätze zur Beschreibung des Einflusses bestimmter, definierter Mineralphasen natürlicher Sande auf die Diffusion von Netzwerkwandlerionen und Kristallisationsprozesse auf der Glasoberfläche. Es wurde nachgewiesen, dass schon ein geringer Gehalt an Al2O3 im Sand die Auslaugung von Na-Ionen in den obersten Glasschichten beschleunigt. Somit wurde bestätigt, dass Aluminiumverbindungen auf der Glasoberfläche eine andere Wirkung haben, als im Glas. Bei der Bewitterung ohne Sandeinfluss ist eine Na-Anreicherung an der Oberfläche festzustellen und es können sich Phasen durch Reaktion mit den Bestandteilen der Luft bilden, wie beispielsweise Carbonate. SiO2-reicher Quarzsand wie der IOTA-Sand führt zu einer um 30 % verringerten Anreicherung im Vergleich zur natürlich bewitterten Probe ohne Sandeinfluss.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In der Automobilindustrie werden Lötverbindungen zunehmend von Einpresskontakten abgelöst. Hierbei wird ein Pin mittels Übermaßpassung in eine metallisierte Bohrung eingepresst. Ein Nachteil dieser Verbindungstechnik ist die Whiskerbildung. Bei dem Werkstoffphänomen wachsen Kristalle unkontrolliert aus metallischen Oberflächen heraus. Stellt ein Whisker einen elektrischen Kontakt mit einem benachbarten Bauelement her, kommt es zu einem Kurzschluss. Um das Whiskerwachstum zu analysieren und zu bewerten wurde ein Versuchsaufbau und -ablauf entwickelt. Im ersten Schritt wurde mit dem Versuchsaufbau das Kristallwachstum an üblichen Serienteilen untersucht. Abhängig von der Orientierung können die gefundenen Whisker theoretisch einen Kurzschluss verursachen. Daher werden anschließend mögliche Abstellmaßnahmen wie Pingeometrie, Beschichtungsmaterial und Bohrungsdurchmesser untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Whiskerwachstum durch einen Wechsel des Beschichtungselementes signifikant reduziert werden kann.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Mit dem Verfahren Mikrotransferdruck können Werkstoffe oder funktionelle Elemente mittels Elastomer-Stempel transferiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Master-Wafer, die als Stempelnegativ dienten, durch unterschiedliche Ätz-Prozesse strukturiert und zur Herstellung von Elastomer-Stempeln genutzt. Zur Strukturierung der Master-Wafer wurden DRIE und KOH-Ätzungen durchgeführt. Die Herstellungsprozesse bzw. Ätz-Ergebnisse wurden analysiert und interpretiert. Bei einem Lieferant wurde der Silikon-Gussprozess eingerichtet und durchgeführt. Die hergestellten Stempel wurden anschließend hinsichtlich verschiedener Eigenschaften wie Oberflächenrauheit, Adhäsionsfestigkeit, Geometrie/Form und Langzeitstabilität vergleichend untersucht. Die Prozessfähigkeit der Stempel und die Nutzbarkeit hinsichtlich der Transferdruck-Technologie wurden abschließend geprüft und beurteilt.
Konstruktionsmethodik zur Überführung von Blechbauteilen zu Organoblechbauteilen. - Ilmenau. - 148 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die steigende Bedeutung des Leichtbaus in der Automobilindustrie bedingt, dass Bauteile aus konventionellen, metallischen Konstruktionswerkstoffen vermehrt durch leichtere Bauteile aus Faserkunststoffverbunden, wie beispielsweise Organoblechen, ersetzt werden. Bei Organoblechen handelt es sich um flächige, endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix, die sich im Thermoformverfahren zu dreidimensionalen, schalenförmigen Bauteilen umformen lassen. Die anisotropen mechanischen Eigenschaften und das komplexe Umformverhalten des Verbundes verlangen nach einem speziell auf sie abgestimmten Vorgehen bei der Auslegung und Dimensionierung der Bauteile. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Masterarbeit eine Konstruktionsmethodik entwickelt, mit deren Hilfe bestehende Blechbauteile in Organoblech-Bauteile überführt werden können. Die neuen Bauteile sollen auf den bisher verwendeten Umformpressen hergestellt werden können. In einer Literaturrecherche werden zunächst die Umformmechanismen endlosfaserverstärkter Kunststoffe behandelt und bestehende Konstruktions- und Gestaltungsmethoden technischer Produkte analysiert. Der Prozessablauf des Thermoformens und der Aufbau der verwendeten Umformwerkzeuge werden präsentiert. Zum Vergleich werden Grundlagen des Tiefziehens metallischer Bleche vorgestellt. Anhand von Umformversuchen ausgewählter Geometrien erfolgt die Beschreibung des Drapierungsverhaltens eines mehrlagigen, gewebeverstärkten Organoblechs. Die in den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse fließen in die entwickelte Methodik ein. Zusätzlich werden Versuche zur Funktionalisierung der Bauteile unternommen, bei denen das im Organoblech vorhandene Matrixmaterial zur Formung von Rippen und Schraubdomen genutzt wird. Abschließend wird die erstellte Methodik zur Gestaltung eines Probekörpers komplexer Geometrie verwendet und das für seine Herstellung benötigte Thermoformwerkzeug wird entwickelt.
Simulation des Deformationsverhaltens hybrider Crashabsorber bestehend aus Aluminiumschäumen und faserverstärkten Thermoplasten. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Für den Einsatz als hybrides Crashelement wurde eine Materialpaarung von Aluminiumschaum, der im Spritzgussverfahren mit einem glasfaserverstärkten Thermoplast ummantelt wird, untersucht. Durch das hohe Energieabsorptionsvermögen des Aluminiumschaums und die guten mechanischen Eigenschaften des Kunststoffverbunds sollte ein Crashelement entwickelt werden, das bis zum Versagen hohe Belastungen schadensfrei ertragen kann und in einem Crashfall die kinetische Energie aufnehmen kann. In der Arbeit wurden die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Da insbesondere die Eigenschaften des faserverstärkten Kunststoffs zahlreiche Abhängigkeiten unter anderem von der Faserorientierung, der Verformungsgeschwindigkeit und der Faserlänge aufweisen, wurde versucht diese Abhängigkeiten aufzuzeigen. Dabei wurden die Messungen an spritzgegossenen Probekörpern durch Simulationen mit Digimat-FE unterstützt. In den Simulationen war es möglich die geometrischen Parameter der Fasern gezielt einzustellen, wie es bei spritzgegossenen Proben nur unzureichend ist. Die Materialeigenschaften wurden für diese Simulationen für die Kunststoffmatrix und die Fasern getrennt voneinander zugeordnet, so dass die Ergebnisse der Simulation die kombinierten Materialeigenschaften des Verbunds wiedergeben. Zuletzt wurde ein Simulationsmodell erstellt, in dem die zuvor betrachteten Abhängigkeiten für eine Crashsimulation berücksichtigt werden können. Dafür wurden die drei Softwarekomponenten Ansys LS-Dyna, Moldex, und Digimat verknüpft, um den Lastfall vollständig abzubilden. Mit Ansys LS-Dyna wird das mechanische Modell der Simulation erstellt, indem die Vernetzung durchgeführt wird und die Materialeigenschaften des Aluminiumschaums eingefügt werden. In Moldex wird eine Fließsimulation des Spritzgießvorganges durchgeführt, mit dem Ziel die lokalen Faserorientierungen im Bauteil zu bestimmen, um diese in der Simulation berücksichtigen zu können. In Digimat werden die Materialeigenschaften des verwendeten Verbunds hinterlegt und entsprechend der lokalen Faserorientierung auf das mechanische Modell übertragen. Die Auswertung der Simulationen erfolgt über die Analyse der resultierenden Spannungen und des Energieabsorptionsvermögen des Crashelements.
The influence of the crystal orientation of copper(I)-oxide on the performance for photoelectrochemical water splitting. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die photoelektrochemische Wasserspaltung bietet sich als regenerative Alternative zur Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung, aus Wasser und Solarenergie an. Diese Methode steht vor materialbezogenen Herausforderungen bezüglich sowohl Materialeigenschaften wie z.B. Stabilität, effiziente Lichtabsorption in das sichtbare Spektrum, geeignete Größe der Bandlücke und Lage der Bandkanten für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung, als auch Verfügbarkeit auf der Erdkruste, Umweltfreundlichkeit, kostengünstige Rohstoffe und Herstellungsprozesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Kupfer(I)-Oxid als Photokathode für die Wasserstoffentwicklung, in Abhängigkeit von der Wachstumsrichtung der Mikrokristalle. Diese Analyse wurde für abgeschiedene Cu2O-Schichten auf flache und poröse Kupfersubstrate durchgeführt. Die Herstellungsmethode der porösen Kupfer Strukturen und der photoaktiven Cu2O -Schichten waren ausschließlich elektrochemisch. Die poröse Morphologie wurde anhand der Technik "Dynamic Hydrogen Bubble Template (DHBT)" entwickelt, welche als zweistufiger Prozess durchgeführt wurde. Die erste Stufe diente zur Bildung des porösen Templates, während die zweite, welche als Verstärkungsverfahren gekennzeichnet wurde, für die mechanische Stabilität des alleinstehenden porösen Kupfersubstrat sorgte. Durch Änderungen der Dauer jeder Stufe wurden unterschiedlicher Porengröße, Porendichte und Schichtdicken erhalten. Die Kristallorientierung des elektrochemisch abgeschiedenen Cu2O wurde durch Zusatz des Tensides Hexamethylenetetramin beeinflusst. Die Adsorption dieses Tensides an den polaren {100} und unpolaren {111} Oberflächen führte zur graduellen Änderungen der Form des Cu2O Kristalls, und somit zum unterschiedlichen photoelektrochemischen Verhalten des Materials. Ein Zusammenhang zwischen der Zunahme der wachsenden Kristalle mit {111} unpolaren Oberflächen und der Abnahme der Stromdichte wurde bei beiden Strukturen nachgewiesen. Die maximale Stromdichten unter Beleuchtung zeigten sich bei den Proben mit zunehmenden {100} polaren Oberflächen, welche durch das Wachstum in die [111] Richtung entstehen. Bei dem Fall der Cu2O -Schicht abgeschieden auf das flache Substrat, die höchste Stromdichte betrug -1.7 mA cm-2 bei -0.6 V vs Ag/AgCl, KCl (sat'd). Bei der erhörten porösen Oberfläche stieg die Stromdichte auf -3 mA cm-2, welche nicht nur auf den Zusatz des Tensides zurückzuführen ist, sondern auch auf die hohe Porendichte, sowie auf die Dicke des Substrates (ca. 2 [my]m). Zudem wurde festgestellt, dass die Schichten mit kleinen Cu2O Kristallen eine höhere Aktivität für die photoelektrochemische Wasserspaltung besitzen.
Analyse prozessbedingter Verkürzungen von Kohlenstofffasern in Schneckenmaschinen. - Ilmenau. - 160 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Der Erhalt der Faserlänge ist bei der Verarbeitung faserverstärkter Polymere auf Schneckenmaschinen von großer Bedeutung, da die resultierende Faserlänge im Formteil einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften besitzt. Während der Faserlängenabbau von glasfaserverstärkten Kunststoffen bereits umfassend in der Literatur dokumentiert ist, existieren bisher nur begrenzt veröffentlichte Untersuchungsergebnisse zum Einfluss der Herstellungsbedingungen auf die Längendegradation von langkohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten. Im Rahmen dieser Arbeit werden die zentralen Prozessparameter bis zum Austritt der Schmelze aus der Düse identifiziert und analysiert. Zudem wird die mechanische Beschädigung des unaufgeschmolzenen Granulats beim Passieren der Einfüllöffnung und während der Feststoffförderung untersucht. Der Einfluss der Schneckengeometrie auf die Faserlängendegradation wird bei drei unterschiedlichen Schnecken näher betrachtet. Die Erkenntnisse werden in ein mathematisches Modell überführt, welches basierend auf den zentralen Einflussgrößen eine Vorhersage der resultierenden mittleren Faserlänge am Düsenausgang ermöglicht.
Untersuchung von laserinduzierten Strahlenschäden an hochbrechenden optischen Gläsern. - Ilmenau. - 136 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Strahlenschäden bei hochbrechenden optischen Gläsern, die für Optiken in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden. Dazu wurden verschiedene optische Gläser mit grünen gepulsten Lasern bestrahlt. Es wurden Nano-, Piko- und Femtosekundenlaser verwendet, um den Einfluss der Pulsdauer zu untersuchen. Die Durchschnittsleistung der unterschiedlichen Laser wurde ebenfalls variiert. Die möglichen Folgen der Beaufschlagung mit Laserstrahlung wurden an einer Glassorte über Elektronenspinresonanz-Spektroskopie analysiert. Durch einen Vergleich mit der Literatur wurden potentielle Einflüsse identifiziert. Zur weitergehenden Untersuchung möglicher Folgen der Laserbestrahlung wurden die Glasbestandteile über Energiedispersive Röntgenspektroskopie und Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmt, um Verbesserungs-potentiale aufzuzeigen. Durch die aus den Versuchen zur Haltbarkeit von Gläsern erhaltenen Messdaten können passende Gläser für Einsatzfelder in der Lasermaterialbearbeitung abgeleitet werden.
Untersuchung der Topografie der Innenoberflächen von Glas- und PET-Getränkeflaschen im Mehrwegsystem. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2019
Das Mehrwegsystem leistet in in Deutschland einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit. Die Flaschen müssen im Mehrweg-Kreislauf hohen Ansprüchen genügen und unterliegen starken Beanspruchungen. Äußerlich sind diese durch so genanntes Scuffing sichtbar. Aber auch die Innenoberfläche ist im Laufe ihres Lebens unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt, sei es durch das Füllgut, die Lagerung oder die Reinigung. Bei dieser Arbeit wurden AFM-Untersuchungen an den Innenoberflächen von PET- und Glas-Mehrwegflaschen der Genossenschaft Deutscher Brunnen durchgeführt. Dabei konnten vor allem beim Glas Veränderungen der Oberflächen beobachtet werden, die nicht auf eine langfristige Degradation hindeuten. Sie lassen sich vielmehr so interpretieren, dass durch den Reinigungsprozess im Laufe der Zeit die Gelschicht auf Glas abgetragen wird und neue frische Oberflächenstrukturen entstehen. Dies geschieht über drei Stufen, der Lochentstehung, dem Lochwachstum, der Schichtauflösung. Für Aussagen zu PET-Mehrwegflaschen lieferten die Messungen keine aussagekräftigen Erkenntnisse.