Einfluss von Sinterprozessen auf die Zusammensetzung und das elektrochemische Verhalten von Li6PS5Cl. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Elektroautos werden als vielversprechende Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor gehandelt und können im Bereich der Mobilität einen Umstieg auf regenerative Energien ermöglichen. Zur Herstellung von Elektrofahrzeugen sind effektive Energiespeicher notwendig. Hier werden große Hoffnungen in lithiumbasierte Akkumulatoren gesetzt. Bei konventionellen Lithiumionen-Akkumulatoren besteht jedoch ein Sicherheitsrisiko durch den brennbaren, auslaufgefährdeten Flüssigelektrolyten. Eine Alternative bieten Festkörperelektrolyte, die neben der erhöhten Sicherheit weitere Vorteile wie eine in der Regel geringere Selbstentladung der Akkumulatoren und die Option auf höhere Energie- und Leistungsdichten bieten. Li6PS5Cl ist ein solcher Festkörperelektrolyt, der eine verhältnismäßig hohe Ionenleitfähigkeit von etwa 10-3 S/cm und eine vielversprechende elektrochemische Stabilität besitzt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Sinterprozesse die Ionenleitfähigkeit des kristallinen Elektrolyten Li6PS5Cl zu erhöhen und gleichzeitig die Lebensdauer von Zellen mit Proben aus diesem Material zu steigern. Hierzu wurde pulverförmiges Li6PS5Cl zu Pellets verpresst, welche anschließend gesintert wurden. Die gesinterten Pellets sowie nicht gesinterte Referenzproben wurden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie auf ihre Elementzusammensetzung und mittels Röntgendiffraktometrie auf die enthaltenen Kristallphasen untersucht. Außerdem wurden Porositätsmessungen nach dem archimedischen Prinzip durchgeführt, da mit dem Sintern unter anderem das Ziel verfolgt wurde, Poren im Probeninneren zu entfernen, um Pfade mit geringem Widerstand für ein Wachstum von Lithiumdendriten zu schließen. Des Weiteren dienten Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop ebenfalls der Untersuchung der Porosität im Probeninneren sowie der Mikrostruktur der Proben. Es zeigte sich, dass beim Sintern ein Großteil der offenen Porosität in geschlossene übergeht. Schließlich wurde eine elektrochemische Charakterisierung der in symmetrische Zellen (Li/ Li6PS5Cl /Li) verbauten Proben mittels Impedanzspektroskopie und Zyklierung durchgeführt. Hierbei konnte eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer sowie eine Verdopplung bis Verdreifachung der Elektrolytleitfähigkeit festgestellt werden. Als Gründe dafür werden der Übergang offener in geschlossene Porosität, eine mechanische Stabilisierung der Korngrenzen und eine Verringerung des Korngrenzenwiderstands angenommen.
Charakterisierung von TCO-Schichten nach thermischer Nachbehandlung durch Blitzlampentemperung. - Ilmenau. - 49 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
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Die nächste Generation von Flachbildschirmen oder auch Dünnschichtsolarzellen erfordern optoelektrische Schlüsselkomponenten, welche sowohl eine geringe Absorption des Lichtes im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) als auch eine hohe elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Die bekanntesten Materialien mit diesen optoelektrischen Eigenschaften sind transparente leitfähige Oxide (TCOs, Englisch: Transparent Conductive Oxides), die zur Herstellung dieser Produkte typischerweise in Form von Dünnschichten zum Einsatz kommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Zinn-dotierte Indiumoxidschichten (In2O3:Sn) bzw. ITO-Schichten der Dicke 150 nm durch Magnetronsputtern auf dicken Glasscheiben (Kalknatronglas, Dicke 3 mm, Fläche 400 x 450 mm2) an der ILA 750 aufgebracht. Anschließend wurden diese Schichten durch Blitzlampentemperung bzw. FLA (Englisch: Flash Lamp Annealing) thermisch nachbehandelt. Es handelt sich um eine kurzzeitige und energiereicher Lichtblitz von Xenon-Lampen, der ein thermischer Stress in der Schicht verursacht, ohne das Substrat während des Prozesses zu erwärmen. Schichtcharakterisierung wurde mit verschiedenen Messmethoden durchgeführt, um den Einfluss von gepulster Lichtenergie auf die optischen und elektrischen Eigenschaften der Dünnschichten im Vergleich zu den Ausgangswerten zu untersuchen. Die Schichtdicken-messung mit einem Profilometer gibt die Schichtdicke in nm an. Mit dem Spektrometer kann die Transmission Tvis im Bereich UV-VIS-NIR gemessen werden. Der Schichtwiderstand Rsqr wird mit der Vier-Punkt-Messmethode bestimmt. Mit Hilfe eines Lichtmikroskops wurde der Einfluss vom FLA auf die Struktur der Schichtoberfläche untersucht. Das Aufheizen der Schicht durch FLA mit geeigneten Prozessparametern (Pulszeiten [ms], Energiedichten E [J/cm2], Frequenz des Blitzes f [Hz], Geschwindigkeit v [m/min] im dynamischen Fall) verändert die optoelektrischen Eigenschaften der Schichten. Eine hohe thermische Belastung gekoppelt mit einem hohen Temperaturgradienten führte zur möglichen Degradation bzw. Verschlechterung der Schicht. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine gute Kombination der FLA-Prozessparameter letztendlich eine Verbesserung der optoelektrischen Eigenschaften der Schichten ermöglicht. Beispielweise wurde im statischen Prozess mit E = 7,5 J/cm2, = 2,1 ms der Schichtwiderstandes von 172,32 [Ohm pro Quadrat] zu 38 [Ohm pro Quadrat] reduziert, was zu einer Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von ca. 78 % entspricht. Dabei wurde auch ein Anstieg von Tvis bis ca. 15 % gemessen. Für den dynamischen Prozess mit den Parametern E = 7,5 J/cm2 , = 2,1 ms , f = 0,8 Hz und v = 0,48 m/min ergibt sich eine Verbesserung der Leitfähigkeit um 35% und der Transmission um 3,1%. Weitere Experimente zur Optimierung der unterschiedlichen Prozesse wurden angedacht, welche wegen der nicht genügenden Verfügbarkeit der Stromversorgung nicht realisiert werden konnten. Es handelt sich um den Einsatz von Borosilicatglas mit geringem Anteil von Alkalien (weniger als 0,3 %) als Substrat zur Beschichtung. Außerdem könnte beim FLA-Modul ein Rück-Reflektor auf der Rückseite der Probe auf dem Träger angeordnet werden, um der Lichtstrahl mehrmals zu reflektieren und somit eine vielfache gezielte Belichtung der Probe zu ermöglichen.
Analyse von Fehlstellenentstehungsmechanismen bei der Hinterspritzung von Naturfasermatten. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Der NFPP-Hybridprozess ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von naturfaserverstärkten Verkleidungsteilen und stellt eine Kombination aus Formpressen und Hinterspritzen dar. In dieser Arbeit wird die Entstehung von unterschiedlichen Fehlstellen beim NFPP-Hybridprozess betrachtet, um ein besseres Verständnis für deren Ursachen sowie Möglichkeiten zu deren Vorhersage und Vermeidung zu gewinnen. Nach der Analyse der physikalischen Grundlagen des NFPP-Hybridprozesses und Vorversuchen wurden Arbeitshypothesen erstellt, die die Entstehung von Glanzstellen, Abzeichnungen, Formabweichungen und Überspritzungen erklären können. Zur Bestätigung der aufgestellten Hypothesen wurden im Rahmen der durchgeführten Hauptversuche NFPP-Hybrid Probekörper mittels eines Versuchswerkzeugs hergestellt und hinsichtlich Fehlstellen untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass Glanzstellen in Form von oberflächigen PP-Anhäufungen durch eine lokal zu starke Verdichtung der aufgeheizten NFPP-Matte entstehen. Hell sichtbare Abzeichnungen des Spritzbildes resultieren aufgrund von Materialversagen der bereits erkalteten NFPP-Matte, welches durch die Druckbeanspruchung des Hinterspritzprozesses hervorgerufen wird. Fühlbare Einfallstellen auf der Sichtseite sind durch Schwindungseffekte der rückseitig angespritzten Strukturen zu erklären. Überspritzungen auf der Bauteilrückseite sind auf zu hohe Fülldrücke bei mangelnder Fließkanalabdichtung zurückzuführen. Alle genannten Fehlstellen können durch Variation der in dieser Arbeit untersuchten Material- und Prozessparameter in ihrer Ausprägung beeinflusst werden. Dies waren im Einzelnen: PP-Typ, NFPP-Mattenart, Grammatur, Bauteildichte, Kalibrierzusatz und Nachdruck. Durch eine geeignete Kombination der Parameter konnten Bauteile hergestellt werden, die nahezu keine sicht- oder fühlbaren Fehlstellen aufweisen.
3D-Druck von Metall-Keramik-Komposit-Werkstoffen mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM). - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit war es, die Verarbeitbarkeit eines neuen Metall-Matrix-Kompositwerkstoffes im 3D-Druck nachzuweisen. Dabei wurde das Verfahren des Selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) verwendet, um eine mit Niobcarbid-Partikeln verstärkte Stahllegierung (1.2907) zu verarbeiten. Zunächst wurde die Konditionierung der Ausgangswerkstoffe betrachtet. Dann wurden in Testreihen verschiedene Mischungsverhältnisse untersucht und Fertigungsparameter identifiziert, die die erfolgreiche additive Fertigung von mechanisch belastbaren Probekörpern ermöglichen. Die Eigenschaften der Proben wie Dichte, Härte, Gefüge und chemische Zusammensetzung wurden bestimmt und bewertet. Es konnte u.a. gezeigt werden, dass eine Partikelverstärkung zu einer signifikanten Steigerung der Härte führt.
Entwicklung einer auf Labormaßstab verkleinerten Bandgalvanisieranlage zu Prüfung galvanischer Bäder. - Ilmenau. - 106 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Galvanische Elektrolyte sind komplex, ihre Analyse ist entsprechend der Anwendung umfangreich. Diese Arbeit dient der Verbesserung der Analysemethoden in der Bandgalvanik, indem eine Prüfzelle entwickelt wird, die die Anwendung des Elektrolyten in einer Bandanlage nachempfindet. Die letztendliche Nutzbarkeit der entwickelten Prüfzelle wird durch verschiedene Tests und Parametereinstellungen belegt. Hierzu werden die grundlegenden Fakten zur galvanischen Oberflächenbearbeitung im Allgemeinen und die Prinzipien der Bandgalvanik im Besonderen beschrieben. Folgend werden angewendete Analysemethoden von Elektrolyten und bekannte Prüfzellen erklärt und deren Vor- und Nachteile genannt. Für die Durchführung der Arbeit wurden zwei galvanische Zellen entwickelt, konstruiert und gebaut. Als Prüfzellen für bandgalvanische Anwendungen kommen eine rotierende Zelle und eine Miniaturbandgalvanik (MiBa) in Betracht. Anhand verschiedener Tests wird der Nutzen dieser Zellen als Prüfzellen für den produktiven Gebrauch ermittelt. Im Anschluss werden die Versuchsdurchführungen für beide Zellen mit den zugehörigen Ergebnissen in Auswertung der Optik und Schichtdicke beschrieben. Die optischen Ergebnisse werden in Anlehnung an die DIN 50957:1978-01 Prüfung galvanischer Bäder; Galvanisierungsprüfung mit der Hull-Zelle, Allgemeine Grundsätze, ausgewertet. Zuerst wird die rotierende Zelle betrachtet. Die Hauptentwicklung dieser Arbeit besteht aus einer stark verkleinerten Bandanlage, die einen typischen Zellentyp für Bandgalvanik modellhaft nachbildet. Für beide Anlagentypen werden die Vor- und Nachteile evaluiert. Zusätzlich werden aus den Auswertungen Empfehlungen für die Verwendungsmöglichkeiten als Prüfzelle definiert, die sich sowohl nach den Ergebnissen der Beschichtungsqualität, als auch nach Aufwand und Materialeinsatz für den jeweiligen Zellentypen richten. Für die Nutzung als Prüfzelle bei DIEHL Metal Applications empfiehlt sich nach Auswertung der Ergebnisse die Miniaturbandgalvanik. Für diese werden Möglichkeiten zur Verbesserung und Weiterentwicklung für den angefertigten Prototypen erläutert und begründet. So kann die MiBA sowohl für die Elektrolytentwicklung, als auch für die laufende Produktionsüberwachung und –verbesserung eingesetzt werden.
Analyse der elektrischen und thermischen Lastgänge von Flüssigmetallbatterien. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die vorliegende Arbeit umfasst die elektrochemische, elektrische und geometrische Modellierung von Flüssigmetallbatteriezellen und -systemen sowie die Simulation von Lastgängen auf Grundlage dieser Modelle. Ausgehend von den bisher bekannten physikalisch-chemischen Effekten in Flüssigmetallbatterien wurden ein quasistatisches Modell der Zellspannung einer Lithium||Bismut Flüssigmetallbatteriezelle entwickelt. Wesentliche Bestandteile sind die Gleichgewichtszellspannung sowie die Überspannungen der Elektroden, des Elektrolyten und der elektrischen Leiter in Abhängigkeit vom Zellstrom, dem Ladezustand und der Systemtemperatur. Des weiteren werden thermische Effekte aufgrund der Überspannungen und weiterer Zellreaktionen modelliert. Gleichzeitig wurde eine technische Auslegung aller Zellbestandteile vorgenommen und in ein geometrisches Modell einer Einzelzelle überführt. Ausgehend von dieser Einzelzelle können Flüssigmetallbatteriesysteme mit, in weiten Teilen frei wählbarer, Verschaltung entworfen und berechnet werden. Für die Simulation einzelner Zellen und komplexer Systeme wurde in der Programmiersprache Python eine Simulationsumgebung entwickelt. Bei der Auslegung erfolgt automatisch die Berechnung aller Geometrien, Massen, Wärmekapazitäten und einer Reihe weiterer thermischer und elektrischer Kenngrößen. Es können beliebige Lastgänge (strom- oder leistungsbasiert) in Zeitreihen vorgegeben und das elektrische und thermische Verhalten (Spannungen, Ströme, Wärmeströme) der Zellen und der aus den Zellen aufgebauten Systeme simuliert und ausgewertet werden. Das Zellmodell wurde anhand publizierter Daten einer Laborzelle validiert. Die Anwendung der entwickelten Simulationssoftware wurde anschließend anhand mehrerer Beispielsysteme mit unterschiedlichen Zellgrößen und Verschaltungsvarianten dargestellt. Abschließend wurde das Verhalten eines ausgewählten Batteriesystems zur Zwischenspeicherung der Energie einer Photovoltaik-Anlage in einer Modellgemeinde simuliert und analysiert.
Bewertung von Recyclingmöglichkeiten für Verschnitt endlosfaserverstärkter thermoplastischer Halbzeuge. - Ilmenau. - 168 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ziel der Abschlussarbeit ist das Aufzeigen und Bewerten möglicher Strategien zum Recyceln von Organoblechverschnitten aus technischer und wirtschaftlicher Sicht. Im ersten Schritt werden der Zustand und die anfallende Menge an Verschnitten ermittelt. Anschließend erfolgt die Durchführung von Zerkleinerungsversuchen an verschiedenen Anlagen und die Beurteilung der Ergebnisse. Bei Verarbeitungsversuchen wird das Material zu Probekörpern verarbeitet, welche nachfolgend hinsichtlich der Faserlängen und mechanischen Eigenschaften geprüft werden.
Untersuchung von Bauelementen aus zweidimensionalen elektronischen Systemen. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In dieser Arbeit wurden Eigenschaften von Transistoren und TLM-Strukturen, basierend auf 2D-Materialien Graphen und MoS2, gemessen und analysiert und ein Computerprogramm auf Java entwickelt, um die Geräteparameter aus den gemessenen Kennlinien zu extrahieren. Die untersuchten Bauelemente waren Top-Gate- und Back-Gate-MoS2-Transistoren, Graphen-Side-Gate-Transistoren und Graphen-TLM-Strukturen. Alle diese Bauelemente wurden an der TU Ilmenau von Kollegen aus den Bereichen Nanotechnologie und Festkörperelektronik hergestellt. Mit Hilfe des entwickelten Programms wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: 1. Die untersuchten MoS2-Top-Gate- und Back-Gate-Transistoren hatten ein Ein/Aus-Verhältnis von 10^4 - 10^6, eine Steilheit von 10^-2 - 10^-1 S/m, eine Drain-Source-Leitfähigkeit von 10^-2 S/m, Beweglichkeit von 10^-1 cm^2/(V×s), Subthreshold-Swing von 10 - 20 V/dec und einen Kontaktwiderstand von 10^5 - 10^7 Ohm. 2. Die untersuchten Graphen-Side-Gate-Transistoren hatten ein Ein/Aus-Verhältnis von 1 - 5, eine Steilheit von 20 - 70 S/m, eine Drain-Source-Leitfähigkeit von 400 - 1000 S/m und eine Beweglichkeit von 40 - 60 cm^2/(V×s). 3. Die untersuchten Graphen-TLM-Strukturen hatten einen Kontaktwiderstand von 0.1 Ohm×cm, einen Schichtwiderstand von Graphen von 2×10^3 Ohm/sq und einen spezifischen Kontaktwiderstand von 10^-6 - 10^-5 Ohm×cm^2.
Process of diamond bonding on steel wires for continuous plating with special aspect on pretreatment of the diamonds. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die Technologie von Galvanisierung des Diamant-Schneiddrahtes wird wegen ihrer hohen Produktionseffizienz und des unbeschränkten Durchmessers der bearbeiteten Werkstücke im Schneidverfahren für harte und spröde Materialien wie Keramiken, Siliziumkristalle, Galliumarsenid und Saphir weitverbreitet angewendet. Die Herstellung von galvanisiertem Diamantschneiddraht besteht aus Vorbehandlung, Vorplattierung, Verbundplattierung, Nachplattierung und Nachbehandlung. Der Vorbehandlungsprozess hat einen großen Einfluss auf den Prozess der Verbundplattierung, der auch eine bedeutende Rolle bei der Qualität von galvanisiertem Diamantschneiddraht spielt. Nach 6 Monaten Untersuchung zu diesem Thema in Shantian Abrasive können folgende Punkte geschlossen werden: 1) Das Vorbehandlungsprozess des Diamantpulvers hat das gleiche Prinzip der Vorbehandlung von Kunststoffmaterialien für die Galvanisierung, und es ist Zinn-Palladium-Katalysatorsysteme. 2) Ohne stromlose Nickelabscheidung auf dem Diamantpulver ist es sehr schwierig, eine galvanische Nickelabscheidung direkt auf unbeschichtetem Diamantpulver durchzuführen, wenn nicht einige spezifische Dispergiermittel / Verfahren entwickelt werden. 3) Diese Galvanisier-Einhänge-Glocke ist eine veraltete Ausrüstung zur Durchführung einer galvanischen Nickelabscheidung auf Diamantpulver aufgrund ihrer geringen Effizienz und schlechter geometrischer Faktoren. 4) Durch Kombination von stromloser Nickelabscheidung und galvanischer Nickelabscheidung ist es möglich, das Diamantpulver mit solchen Eigenschaften herzustellen, wie magnetische Suszeptibilität von 880 bis 910, Verhältnis der zunehmenden Masse von 23 bis 27% und so weiter.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die MID-Technologie für den Einsatz in Elektromotoren untersucht. MID steht für "molded interconnect device" (dt. spritzgegossener Schaltungsträger) und bezeichnet Kunststoffteile mit einer räumlich strukturierten, teilmetallisierten Oberfläche. Das Ziel der Arbeit ist eine technische Potenzialanalyse und Optimierung verschiedener MID-Herstellungsverfahren. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Frage: Wo und in welcher Form kann die MID-Technologie in Elektromotoren eingesetzt werden? Basierend auf einem umfassenden Vergleich der MID-Herstellungsverfahren werden verschiedene Konzepte von MID-Produkten speziell für Außenläufermotoren ausgearbeitet. Die Konzepte veranschaulichen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der MID-Technologie und stehen exemplarisch für weitere Anwendungen. Sie zeigen das hohe Potenzial der Technologie auf. Die Konzepte sind hinsichtlich Produkt- und Prozesseigenschaften aufeinander abgestimmt und optimiert. Grundsätzlich kann einerseits festgehalten werden, dass sich einige MID-Herstellungsverfahren sowie angrenzende Themenfelder noch im Forschungs- und Entwicklungszustand befinden. Andererseits bietet die MID-Technologie neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von hochfunktionellen Produkten.