Master-/Diplomarbeiten

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von poröser C/C-SiC Keramik. Es wurde der Prozess identifiziert, der die beste Kombination aus mechanischen und akustischen Eigenschaften liefert. Hierzu wurden Archimedesmethode, Quecksilberporosimetrie, Pyknometrie, Bestimmung des Strömungswiderstands, Bestimmung des akustischen Reflexionskoeffizienten und 3-Punkt-Biegeversuch verwendet. Die Herstellung erfolgte über den LSI-Prozess. Es wurden Grünkörper über Heißpressen, Autoklav und Resin Transfer Moulding hergestellt und anschließend mit den gleichen Parametern pyrolysiert, siliziert und entsiliziert. Es werden zwei Heißpress-Proben mit gleichen Parametern hergestellt, eine Autoklav-Probe und zwei Resin Transfer Moulding-Proben mit unterschiedlichen Harzen hergestellt. Für die zweite Probe wird ein Harz verwendet, welches nach der Pyrolyse zu einer mikroporösen Matrix führt. Autoklav- und Resin Transfer Moulding zeigen gute Handhabbarkeit und Reproduzierbarkeit. Beim Heißpressen wird der vorgegebene Harzmassenanteil nicht erreicht. Dies führt zu Delaminationen in späteren Prozessschritten. Bei der Entsilizierung konnte gezeigt werden, dass ein höheres Oberfläche- zu Volumenverhältnis zu einer vollständigeren Entsilizierung und somit zu höherer offener Porosität führt. Bei der Charaktersierung zeigten die Heißpress-Proben höchste offene Porosität (33 %) und gröbste Porenstruktur. Autoklav- und Resin Transfer Moulding-Proben zeigen untereinander ähnliche, niedrigere offene Porositäten (19 %) und feinere Porenstrukturen. Der Strömungswiderstand ist tendenziell für die größte offene Porosität und größten Porendurchmesser am geringsten. Die akustischen Absorptionskoeffizienten können gesichert nur für Autoklav- (44 %) und eine der Resin Transfer Moulding-Proben (51 %) ermittelt werden. Dies beschränkt die abschließende Bewertung auf diese beiden Proben. Bei den mechanischen Eigenschaften zeigen die Heißpress-Proben die höchste Biegefestigkeit (69 %) Die Resin Transfer Moulding-Probe mit mikroporöser Matrix zeigt mit niedrigster Biegefestigkeit (26 %) und höchstem E-Modul (55 GPa) stärker monolithischen Charakter. Die Autoklav- und die verbleibende Resin Transfer Moulding-Probe zeigen untereinander ähnliche Biegefestigkeiten (55 MPa) und Elastizitätsmodule (42 GPa) Abschließend konnte Resin Transfer Moulding ohne mikroporöses Harz als Prozess mit der besten Kombination aus akustischen und mechanischen Eigenschaften identifiziert werden.

Die Extrusion thermoformbarer, physikalisch geschäumter Folie aus Polyethylenterephthalat erfordert umfassende werkstoffliche und verfahrenstechnische Kenntnisse. Schwankungen in der Rezeptur oder den Prozessbedingungen beeinflussen die Qualität des resultierenden Schaumes. Das Verständnis der notwendigen Verfahrenstechnik und der beteiligten Werkstoffe ermöglicht die gezielte Einstellung von Schaumcharakteristika wie der Dichte, der Zellmorphologie und den mechanischen Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit identifiziert die relevanten Einflussfaktoren auf die Schaumqualität und zeigt Wege zur quantitativen Charakterisierung selbiger. Die Abhandlung beschreibt die Entwicklung und Umsetzung eines Versuchsplans zur Untersuchung des Sachverhalts. Der Versuchsplan wird im Rahmen der praktischen Umsetzung auf einem gleichdrehenden Doppelschneckenextruder realisiert. Die Schaumqualität wird mithilfe geeigneter Messverfahren ermittelt. Die daraus resultierenden Datensätze werden genutzt, um phänomenologische Modelle zu formulieren, die in der Lage sind, die untersuchten Schaumeigenschaften mithilfe der Ausgangsparameter zu berechnen. Verifizierungsmessungen ermöglichen eine Validierung der Modellgleichungen und die Ermittlung des Gültigkeitsbereichs der modellierten Zusammenhänge. Die Haupteinflussparameter auf die Eigenschaften des Schaumes werden analysiert und vorgestellt.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Auswertung der Daten der Auger-Tiefenprofilierung. Hierzu werden die Defizite von verbreiteten Methoden untersucht und die Probleme systematisch bearbeitet. Die üblichen Methoden vereinfachen die Rauigkeit der Probe, die Austrittstiefe der Auger-Elektronen und atomare Vermischung der Grenzflächen durch eine Gaußverteilung. Darunter leidet, besonders bei Profilierung dünner Schichten, die Interpretation der Tiefenauflösung. Deshalb wurde ein Modell modifiziert, dass diese Einflüsse mit drei physikalisch aussagekräftigen Faktoren modelliert. Die Parameter modifizieren Funktionen welche nach Faltung mit dem realen Konzentrationsprofil die erwartete Messung ergeben. Das Modell beachtet die in geringen Tiefen bis 50nm relevante mittlere Austrittstiefe der Augerelektronen und für große Tiefen ab 500nm materialabhängige Rauigkeitszunahme über die Sputtertiefe. Zum Prüfen des Modells wurden Proben mit bekannter Schichtdicke und Zusammensetzung vermessen. Mit diesen Parametern wurden dann Messungen simuliert und die Ergebnisse verglichen. Darauffolgend wird die Umkehrung des Modells an Messdaten demonstriert. Hierzu muss die akkumulierte Sputterzeit innerhalb der Messungen in Sputtertiefe gewandelt werden, weshalb die Sputtergeschwindigkeit in Al2O3 messtechnisch erfasst wurde. Darauf folgen verschiedene Methoden der Entfaltung und ein Ansatz die nicht konstanten Integrationskerne der Rauigkeitszunahme mit der Sputtertiefe zu verarbeiten. Dies ermöglicht es einzelne unter Al2O3 vergrabene Monolagen Graphen auf Siliziumkarbid zu nachzuweisen und zu quantifizieren. Die Leistung der Methode wurde daraufhin an Proben demonstriert. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die zerstörungsfreie Tiefenprofilierung. Hierzu wurde ein Modell erstellt, welches den Einfluss verschiedener Parameter auf die Augersignal-Intensität beschreibt. Zu den Parametern gehört die Dicke von dünnen Schichten und Adsorbaten, sowie der Detektorwinkel. Auf der Basis des Modells wurden zwei Strategien beschrieben, wie eine Schicht durch ihren Einfluss auf das Augersignal des Substrats hinsichtlich Dicke und Zusammensetzung vermessen werden kann. Eines nutzt dabei die endliche Austrittstiefe von Auger-Elektronen und das andere die Abhängigkeit des Signals vom Messwinkel. Da Messungen dieser Art sehr rauschempfindlich reagieren wird eine Möglichkeit der Rauschminderung auf Basis einer Histogrammanalyse einer Raster Auger Mikroskopie (SAM) Mes-sung beschrieben und an einem Beispiel durchgeführt.

In dieser Master-Arbeit wird mit einem galvanischen Beschichtungsverfahren gearbeitet. Dabei werden die Grundlagen eines Legierungssystems aus Zink (Zn), Nickel (Ni) und Eisen (Fe) untersucht. Ziel dieser Ausarbeitung ist die Analyse des Einflusses der Fe-Konzentration in Zn-Ni-Elektrolyten. Da für den ausgezeichneten Korrosionsschutz von Zn-Ni-Legierungen die [gamma]-Phase verantwortlich ist, soll diese Hauptbestandteil der Legierungsschicht sein. Durch den Einbau von Eisen findet eine Phasenverschiebung von der [Eta]- zur [gamma]-Phase statt. Der maximale Anteil an [gamma]-Phase ist eine Funktion des Ni- und Fe-Gehalts. Dabei stimmen die Analysen mittels Röntgendiffraktometrie und Cyclovoltammetrie überein. Der Einfluss der Kris-tallorientierungen der [gamma]-Phase (330) und (600) hängt im Besonderen mit den Korrosionsschutzergebnissen zusammen. Besteht die [gamma]-Phase hauptsächlich aus der [600]-Orientierung, ergeben sich die niedrigsten Korrosionsströme auf passivierten Oberflächen. Der Fe-Anteil der Schicht ist mit der Ausbildung der Korngröße der Kristallite verknüpft. Die Minimierung der Korngrößen entsteht durch eine Erhöhung des Eisenanteils in der Legierung. Sie führen zu einer höheren Festigkeit und Dehnbarkeit der Schicht. Die genannten Legierungsvarianten mit den größten Anteilen der [gamma]-Phase zeigen ebenfalls gute Resultate bei den elektrochemischen Untersuchungen. Es werden hervorragende Ergebnisse nach 360 h im Salzsprühtest nach DIN ISO 9227 erzielt. Es findet keine Grauschleierbildung auf schwarz-passivierten Oberflächen statt. Sowohl mit Steigerung des Ni- als auch des Fe-Gehalts, verschiebt sich das Potential hinzu anodischeren Werten (von ca. -750 mV beim Zn-Ni, zu -700 mV beim Zn-Ni-Fe auf passivierten Oberflächen). Die geringsten Korrosionsströme fließen bei 4 % Fe-Einbau in der Schicht. Dies gilt sowohl für 12,5 %-, als auch für 15 % Ni-Gehalt. Übereinstimmend mit den Salzsprühuntersuchungen zeigen sich die optimalen Bedingungen für Korrosionsschutz durch einen maximalen Anteil an [gamma]-Phase. Zur Aufklärung der Korrosionsschutzwirkung des Zn-Ni-Fe-Systems werden die Veränderungen in den ersten 100 nm der Passivierungsschicht durch GD-OES deutlich. Bedingt durch den Fe-Anteil ergeben sich nach der Korrosion höhere Restkonzentrationen an Ni, Cr, Fe in der Schicht. Es zeigt sich mittels XPS-Analysen, dass Nickelhydroxid, Nickeloxid und Zinkoxid neben Eisenoxiden die Hauptkorrosionsprodukte in dieser Legierungsschicht sind. Die genaue Zusammensetzung der Eisenoxide konnte mittels der aufgenommenen XPS-Spektren nicht geklärt werden. Der hohe Korrosionsschutz von bis zu 672 h im Salzsprühtest ohne Weissrost in Verbindung mit der Schwarzpassivierung, sowie die Unterbindung der Grauschleierbildung zeigen ein hohes Potential.

Übergangsmetalldichalkogenid-Nanopartikel sind in neueren Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) als Anodenmaterial aufgrund ihrer geschichteten Struktur vorherrschend, da sie als Wirtsgitter wirken, wenn sie mit Molekülen reagieren, um eine Interkalationsverbindung zu ergeben. Andererseits zeigen plasmahydrierte Nanopartikel auch eine schnelle Lithium-Speicherleistung. Einer der wichtigen Gründe für die bemerkenswerte Verbesserung der elektrochemischen Leistung sind die ungeordneten Oberflächenschichten, die die Pseudokapazität der Lithiumspeicherung verbessern. Hier haben wir einen interessanten Ansatz vorgeschlagen, indem wir diese beiden Ideen miteinander kombinieren, um hydrierte WS2-Nanopartikel als Anodenmaterial für LIBs herzustellen. Hydrierte WS2-Nanopartikel wurden über ein Tropfgussverfahren und eine anschließende Plasmahydrierungsbehandlung bei 300 ˚C für 2 Stunden hergestellt. Systematische Charakterisierungsmethoden wie hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), Röntgenbeugungsspektroskopie (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Raman-Spektroskopie wurden verwendet, um die strukturelle Entwicklung zwischen den ursprünglichen und hydrierten WS2-Nanopartikeln zu untersuchen. Die hydrierten WS2-basierten LIBs besitzen eine signifikant höhere spezifische Kapazität bei unterschiedlichen Stromdichten. Darüber hinaus zeigt die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eine drastische Abnahme des Ladungstransferwiderstands von 313,5 auf 7,173 [Omega], was bedeutet, dass die plasmagestützte Elektrode für den Elektronentransport während des Li-Ionen-Insertions- / Extraktionsprozesses günstiger ist.